Agregat prądotwórczy z wysokosprawnym generatorem synchronicznym wzbudzanym magnesami trwałymi

Transkrypt

1 MASZYNY ELEKTRYCZNE ELECTRIC MACHINES Mgr inż. PAWEŁ PISTELOK Dr inż. ROBERT ROSSA Branżowy Ośrodek Badawczo Rozwojowy Maszyn Elektrycznych Komel Katowice Agregat prądotwórczy z wysokosprawnym generatorem synchronicznym wzbudzanym magnesami trwałymi Streszczenie: W artykule zaprezentowano koncepcję agregatu spalinowo elektrycznego współpracującego z generatorem synchronicznym wzbudzanym magnesami trwałymi. Zaprezentowano model obliczeniowy generatora oraz rozkład przestrzenny indukcji magnetycznej w szczelinie generatora jak również zobrazowano poziomy nasyceń poszczególnych części obwodu magnetycznego na przekroju poprzecznym maszyny. W rezultacie przeprowadzonych obliczeń polowo-obwodowych zaprezentowano obliczeniowy przebieg momentu zaczepowego i zestawiono go z wynikami badań. Przeprowadzono analizę porównawczą wyników obliczeniowych z wynikami badań, które zobrazowano w postaci charakterystyk napięcia wyjściowego, sprawności i prądu fazowego w funkcji mocy obciążenia omawianego generatora. Zaprezentowano przebiegi czasowe prądu i napięcia fazowego rozpatrywanego generatora. Power unit with highly efficient permanent magnet synchronous generator Summary The conception of diesel- electric power unit with permanent magnet synchronous generator is presented in this article. Design issues and possibilities of power unit were discussed. The computational model of permanent magnet synchronous generator and the spatial distribution of magnetic flux density in the air gap of electromagnetic circuit structure were presented and also the levels of magnetic saturation of the individual parts of magnetic circuit were described on the machine cross-section. As the result of calculations with the use of finite element method, the characteristic curve of cogging torque versus rotor position change in the range of one slot pitch is presented. It was effected the comparison of the analytical results with the research results, which was presented in the form of the characteristic curves of output voltage and efficiency versus output power as well as the laboratory measured time waveforms of phase current and output voltage were presented. Wstęp. Obecnie na światowym i krajowym rynku produkcji energii elektrycznej obserwuje się rozwój energetyki opartej na niekonwencjonalnych źródłach energii wykorzystujących jej odnawialne zasoby. W celu pozyskania energii elektrycznej z takich źródeł konieczne jest zbudowanie urządzenia, które tą energię odpowiednio przetworzy. Jednym z takich urządzeń może być wysokosprawny agregat prądotwórczy nowej generacji opracowany i wykonany w ramach projektu badawczo rozwojowego pt: Nowa generacja wysokosprawnych agregatów prądotwórczych zrealizowanego w Instytucie o nazwie Branżowy Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Maszyn Elektrycznych KOMEL. W ramach tego projektu opracowano typoszereg wysokosprawnych trójfazowych generatorów synchronicznych z magnesami trwałymi. Generatory te z powodzeniem mogą zostać wykorzystane do produkcji energii elektrycznej w agregatach spalinowo-elektrycznych zasilanych olejem napędowym, biogazem czy metanem, np. pozyskiwanym na wysypiskach śmieci. Opracowane konstrukcje prądnic przeznaczonych do pracy w agregacie prądotwórczym można wykorzystać również w agregatach pracujących w pojazdach hybrydowych, a także do zastosowań stacjonarnych. Natomiast same generatory, oprócz w/w zastosowań są znakomitym rozwiązaniem do pozyskiwania energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii takich jak elektrownie wodne czy wiatrowe. W artykule przedstawiono model matematyczny wraz z wynikami obliczeń i badań generatora z magnesami trwałymi dedykowanego do pracy w agregacie spalinowo-elektrycznym. Konstrukcja agregatu prądotwórczego W nowoczesnym agregacie prądotwórczym, jako źródło energii elektrycznej zastosowano wysokosprawny i wysokowydajny trójfazowy generator synchroniczny wzbudzany magnesami trwałymi. Jako urządzenie napędzające wykorzystano wysokoprężny silnik spalinowy o mocy 30 kw pracujący z prędkością 1500 obr/min. Opracowana konstrukcja agregatu prądotwórczego z powodzeniem może być wykorzystana do takich aplikacji jak np. przenośny agregat do ładowania baterii elektrycznych samochodów osobowych tzw. range extender, zasilania odbiorników elektrycznych wszędzie tam gdzie nie ma dostępu do sieci elektrycznej. Można go również wyko- 26 )

2 rzystać do ładowania (w terenie) baterii statków powietrznych (paralotnie elektryczne) oraz wszelkiego typu pojazdów elektrycznych jak łodzie, wózki widłowe, rowery, quady, ATV, SCART, itp. W agregacie zastosowano układ elektroniczny, który jest odpowiedzialny za poprawną pracę silnika spalinowego (m.in. regulacja prędkości obrotowej) jak również za monitoring parametrów takich jak poziom oleju w silniku czy poprawność działania układu chłodzenia. Parametry agregatu, jak np. napięcie i częstotliwość, są monitorowane w sposób ciągły przez dedykowany układ kontrolująco sterujący. Jako przetwornik energii mechanicznej na elektryczną w prototypowym agregacie wykorzystano generator z magnesami trwałymi typu PMwg180L4 o mocy 30 kw zaprojektowany specjalnie do tego celu. Na fotografii 1 zaprezentowano modelowy, prototypowy agregat spalinowoelektryczny. U 0 napięcie międzyfazowe biegu jałowego w stanie nagrzanym maszyny, U N napięcie międzyfazowe przy znamionowym obciążeniu generatora w stanie nagrzanym. Istotnym parametrem wpływającym na wartość zmienności napięcia generatorów synchronicznych z magnesami trwałymi jest różnica w reaktancjach synchronicznych osi magnetycznych podłużnej d oraz poprzecznej q wirnika. Dla maszyn, w których reaktancje synchroniczne X d oraz X q są równe, zmienność napięcia przekracza nawet 25% (dla znamionowego punktu pracy) [1,2,3,4]. Do tej grupy zalicza się generatory z magnesami montowanymi na powierzchni wirnika (ang. Surface Permanent Magnet Generator - SPMG). Fakt ten powoduje, iż konstrukcja ta nie spełnia założonych wymagań stawianym nowym prądnicom. W celu uzyskania odpowiedniej sztywności napięcia wyjściowego najlepszym rozwiązaniem konstrukcyjnym okazała się prądnica z magnesami umieszczonymi wewnątrz wirnika (ang. Interior Permanent Magnet Generator - IPMG). Zgodnie z oczekiwaniami zmienność napięcia δu % dla maszyny, w której reaktancje synchroniczne w osiach podłużnych i poprzecznych są różne (X d < X q ), jest znacznie mniejsza w odniesieniu do maszyn, dla których zachodzi relacja X d X q [4,5]. Relacje pomiędzy spadkami napięć w generatorach synchronicznych wzbudzanych magnesami trwałymi (IPMG oraz SPMG) zaprezentowano na rysunku 1 za pomocą wykresów wskazowych tych generatorów. Fot.1. Modelowy agregat spalinowo-elektryczny o mocy znamionowej 30 kva i prędkości 1500 obr/min W ramach zrealizowanego projektu wykonano szereg obliczeń polowo-obwodowych obwodów elektromagnetycznych generatorów synchronicznych z uwzględnieniem odpowiedniego reżimu pracy. Z analizy wyników obliczeń oraz z szeregu analizowanych alternatywnych rozwiązań wybrano 3 konstrukcje, z których jedną omówiono w niniejszym artykule. Model obliczeniowy generatora Jednym z podstawowych założeń nowej konstrukcji generatorów jest sztywność charakterystyki napięcia wyjściowego w funkcji mocy obciążenia P 2. Znamionową zmienność napięcia wyznaczono z zależności (1). gdzie: (1) Rys.1. Wykresy wskazowe napięć generatorów synchronicznych z magnesami trwałymi montowanymi a) na powierzchni i b) wewnątrz wirnika Do przeprowadzenia obliczeń polowo-obwodowych modeli generatorów (schemat zastępczy, algorytm obliczania charakterystyk zewnętrznych) wykorzystano algorytm obliczeniowy zaprezentowany w publikacji [5]. ŚLĄSKIE WIADOMOŚCI ELEKTRYCZNE # Rok XVIII # Nr (99) 27

3 Wyniki obliczeń i badań Na rysunku 2 zaprezentowano model polowy w przekroju poprzecznym omawianego w niniejszym artykule generatora. Zaprojektowany obwód elektromagnetyczny charakteryzował się wartością zmienności napięcia wyjściowego na poziomie 7% (rys. 7). Rys.3. Przestrzenny rozkład indukcji magnetycznej w szczelinie generatora PMwg180L4v1 Rys.2. Obwód elektromagnetyczny w przekroju poprzecznym generatora PMwg180L4v1 W omawianym generatorze, w celu uzyskania znamionowej mocy (30 kw) przy napięciu U N =400V zwiększono, w stosunku do typowo stosowanej objętości, objętość magnesów w każdym biegunie wirnika, co poprawiło sztywność charakterystyki napięcia wyjściowego generatora pokazanej na rysunku 7. Z rysunku tego wynika, że moc maksymalna generatora wynosi ok. 65 kw. Ponad 100% zapas mocy prądnicy wynikał z ewentualnej konieczności przebadania agregatu przy większej mocy niż znamionowa. Odpowiednie zaprojektowanie wirnika generatora o zwiększonej objętości magnesów trwałych pozwoliło ze wzniosu mechanicznego 180 mm uzyskać 30 kw mocy (dla przykładu silnik asynchroniczny o identycznych gabarytach i tej samej liczbie biegunów ma moc znamionową 22 kw). Dodatkowy (trzeci) magnes w każdym biegunie wirnika znacząco wpływa na wartość reaktancji w osi d maszyny oraz na kształt rozkładu indukcji magnetycznej w szczelinie generatora. Rozkład ten zbliżony jest wówczas do pożądanego rozkładu sinusoidalnego (rys.3). Rys.4. Widmo harmonicznych przestrzennego rozkładu indukcji generatora PMwg180L4v1 W widmie przestrzennego rozkładu indukcji (rys.5) można zaobserwować, że amplituda podstawowej harmonicznej wynosi 0.81 T, a amplitudy poszczególnych wyższych harmonicznych nie przekraczają poziomu T, czyli 10.2 % w odniesieniu do podstawowej harmonicznej. Niska zawartość wyższych harmonicznych w rozkładzie przestrzennym indukcji przyczynia się do zmniejszenia start w rdzeniu magnetycznym prądnicy, co wpływa pozytywnie na sprawność generatora. Rys.5. Obliczony przebieg momentu zaczepowego w funkcji kąta obrotu wirnika 28 )

4 Jednym z etapów weryfikacji parametrów generatora PMwg180L4v1 było wyznaczenie momentu zaczepowego. Na rysunku 5 zaprezentowano przebieg momentu zaczepowego w funkcji kąta obrotu wirnika. Jak wynika z pokazanej charakterystyki obliczeniowej, moment zaczepowy odnotowano na poziomie 6.3 N m. Po wykonaniu badań wartość zmierzona tego momentu wyniosła 7.1 N m co praktycznie pokryło się z obliczeniami. Zmierzona wartość momentu zaczepowego stanowi tylko 3.7% wartości momentu znamionowego generatora, wynoszącego T N = 192 N m. Należy zauważyć, iż dla prezentowanego generatora wartość zmienności napięcia jest ujemna, co potwierdza fakt różnicy reaktancji w osiach d i q maszyny. Podczas obciążania generatora charakterystyka napięcia podnosi się, co jest wynikiem samoczynnego dowzbudzania generatora. Na rysunku 7 zaprezentowano charakterystyki sprawności (obliczenia, badania) dla generatora PMwg180L4v1. W przypadku charakterystyki obliczeniowej została ona wyznaczona przy założeniu stałych strat mechanicznych i stałych strat w żelazie. Z porównania charakterystyk sprawności (rys.7) wynika, iż zaprojektowany generator ma sprawność nawet 97%. Tak wysoka sprawność przetwarzania energii znacząco wpłynie na sprawność całego agregatu, co obniży koszty eksploatacyjne (zużycie paliwa). Dokładna kalkulacja na przykładzie modelowego agregatu prądotwórczego zostanie przedstawiona w kolejnej publikacji. Rys.6. Charakterystyka zewnętrzna generatora typu PMwg180L4v1 dla cosφ=1 W wykorzystaniem metod polowo-obwodowych przeprowadzono obliczenia stanu obciążenia generatora pracującego na odbiornik rezystancyjny R (cos φ=1) i w takiej konfiguracji został on również przebadany laboratoryjnie. Wyniki badań w postaci charakterystyki zewnętrznej generatora zestawione na tle wyników obliczeniowych zaprezentowano na rysunku 6. Z zaprezentowanych rezultatów wynika, iż badania potwierdziły poprawność przeprowadzonych obliczeń a sam generator spełnił wymagania stawiane nowej serii generatorów wzbudzanym magnesami trwałymi dedykowanych do pracy w agregatach prądotwórczych. Rys.8. Charakterystyka prądu fazowego generatora PMwg180L4v1 w funkcji obciążenia dla cosφ=1 Rys.9. Zarejestrowany oscyloskopem przebieg czasowy prądu fazowego generatora PMwg180L4v1 Rys.7. Charakterystyka sprawności generatora typu PMwg180L4v1 w funkcji obciążenia dla cosφ=1 ŚLĄSKIE WIADOMOŚCI ELEKTRYCZNE # Rok XVIII # Nr (99) 29

5 Rys.10. Zarejestrowny przebieg czasowy napięcia fazowego w stanie obciążenia generatora PMwg180L4v1 W celu weryfikacji poziomu odkształceń przebiegu prądu i napięcia zmierzono współczynniki zawartości wyższych harmonicznych (THD) w tych przebiegach. Współczynnik dla przebiegu prądu fazowego odnotowano na poziomie THD I =1.41%, natomiast zmierzony współczynnik zawartości wyższych harmonicznych dla przebiegu napięcia fazowego wyniósł THD U =5.85%. Podsumowanie i wnioski końcowe Celem niniejszej pracy było zaprezentowanie modelowej prądnicy z magnesami trwałymi przeznaczonej do pracy w agregacie prądotwórczym. Z przeprowadzonych obliczeń oraz wyników badań można wywnioskować, iż zaprezentowany generator charakteryzuje się odpowiednimi parametrami dla przewidzianego reżimu pracy. Charakterystyka napięcia wyjściowego w funkcji mocy obciążenia prądnicy (rys. 6) została obliczona i zmierzona laboratoryjnie dla odbiorników o charakterze rezystancyjnym. Różnice pomiędzy charakterystyką obliczoną a zmierzoną wynikają głównie z tego że model obliczeniowy generatora zakłada obciążenie rezygnacyjne liniowe natomiast w czasie badań do obciążenia generatora wykorzystano układ z prostownikiem 6-pulsowym który jest obciążeniem rezystancyjnym lecz nieliniowym. Często jednak w rzeczywistych warunkach pracy agregatu prądotwórczego odbiorniki mają charakter indukcyjny (z reguły cos φ oscyluje w granicach wartości 0.8) i taki reżim pracy jest także dozwolony dla omawianego w niniejszym artykule generatora. Jak wynika z rysunków 9 i 10, przebiegi czasowe prądów i napięcia mają niski poziom odkształceń, o czym świadczą wartości zmierzonych współczynników zawartości wyższych harmonicznych w prądzie i napięciu generatora. Dzięki temu nowoopracowany generator nadaje się do pracy wyspowej. Zaprezentowany generator jest doskonałym rozwiązaniem umożliwiającym podwyższenie sprawności agregatów spalinowo elektrycznych, co przekłada się bezpośrednio na obniżenie kosztów eksploatacyjnych tych agregatów (zmniejszenie zużycia paliwa). Projekt jest współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Innowacyjna Gospodarka, Literatura [1]. BERNATT J.: Obwody elektryczne i magnetyczne maszyn elektrycznych wzbudzanych magnesami trwałymi Wydawnictwo BOBRME KOMEL, Katowice [2]. PISTELOK P., ROSSA R.: Generator z magnesami trwałymi do pracy w agregacie prądotwórczym. Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej 66. Studia i Materiały 33. Str , TOM 1. [3]. GLINKA T.: Maszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice [4] ROSSA R., KRÓL E. Prądnice synchroniczne z magnesami trwałymi umieszczonymi wewnątrz wirnika. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, nr 80/2008. [5] ROSSA R., PISTELOK P., DĄBROWSKI A., Projekt prądnicy synchronicznej z magnesami trwałymi do odnawialnych źródeł energii. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, nr 3/2012 [6] P. Zhou, T.E. McDermott, Z.J. Cendes, M.A. Rahman, Steady state analysis of synchronous generators by a coupled field-circuit method, Electric Machines and Drives Conference Record, IEEE Int., May 1997, Milwaukee, USA. Od Redakcji: Artykuł wpłynął do Redakcji w dniu 14 listopada 2012 r. 30 )