WOLNOOBROTOWY GENERATOR Z MAGNESAMI TRWAŁYMI DO ELEKTROWNI WIATROWEJ Z TURBINĄ O PIONOWEJ OSI OBROTU

Transkrypt

1 Zezyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańkiej Nr 50 XLI Konferencja Naukowo - Techniczna GDAŃSKIE DNI ELEKTRYKI 2016 Stowarzyzenie Elektryków Polkich, Oddział Gdańk Gdańk, 28 października 2016 WOLNOOBROTOWY GENERATOR Z MAGNESAMI TRWAŁYMI DO ELEKTROWNI WIATROWEJ Z TURBINĄ O PIONOWEJ OSI OBROTU Grzegorz KOSTRO 1, Filip KUTT 2, Michał MICHNA 3, Mieczyław RONKOWSKI 4 Politechnika Gdańka, Wydział Elektrotechniki i Automatyki, 1. tel.: grzegorz.kotro@pg.gda.pl 2. tel.: filip.kutt@pg.gda.pl 3. tel.: michal.michna@pg.gda.pl 4. tel.: mieczylaw.ronkowki@pg.gda.pl Strezczenie: W artykule przedtawiono założenia projektowe, wybrane wyniki etapu projektowania i badania prototypu wolnoobrotowego generatora z magneami trwałymi wpółpracującego z elektrownią wiatrową z innowacyjną turbiną o pionowej oi obrotu. Projekt zotał wykonany na zlecenie firmy ALU ECO Sp. z o.o. z Gdańka w ramach projektu badawczorozwojowego Pionowa Turbina Wiatrowa, wpółfinanowanego przez Polką Agencję Rozwoju Przediębiorczości ze środków programu Wparcie w ramach dużego bonu. Zaprojektowano, wykonano i zbadano prototyp generatora prądu przemiennego o mocy 15 kva i napięciu znamionowym 400 V przy prędkości 95 obr/min. Generator może znaleźć zatoowanie w energetyce wiatrowej małej mocy, w tym na jednotkach pływających (tatkach, jachtach) oraz w tacjonarnych intalacjach proumenckich. Słowa kluczowe: mała elektrownia wiatrowa, generator, magney trwałe, projektowanie. 1. WSTĘP Mała elektrownia wiatrowa (MEW) jet jednym z popularniejzych rozwiązań toowanych jako odnawialne źródła energii. Elektrownia wiatrowa o mocy od kilku do kilkudzieięciu kva jet w tanie zapokoić potrzeby gopodartwa domowego [1]. MEW mogą być również z powodzeniem toowane jako ekologiczne źródła energii na jednotkach pływających (jachtach, tatkach). Uprozczony chemat przetwarzania energii kinetycznej wiatru w energię elektryczną toowany w MEW przedtawiono na ry. 1. Ry. 1. Uprozczony chemat przetwarzania energii w MEW Głównymi elementami MEW ą: turbina wiatrowa o poziomej lub pionowej oi obrotu, przekładnia mechaniczna - zatoowanie przekładni umożliwia dotoowanie prędkości obrotowej turbiny wiatrowej do prędkości obrotowej generatora, generator elektryczny prądu przemiennego lub rzadziej prądu tałego, przekztałtnik i układ terowania - w zależności od potrzeb i poobu wykorzytania elektrowni, układy akumulacji energii, np. akumulatory. W rozważanym projekcie zatoowano innowacyjną kontrukcję turbiny wiatrowej o pionowej oi obrotu [1]. Do głównych zalet tego typu turbin można zaliczyć: możliwość pracy przy różnych kierunkach wiatru, odporność na podmuchy i ilny wiatr, cichą pracę, możliwość łatwego montażu w tym na itniejących budynkach, prota, lekka i tania kontrukcja. Turbiny o pionowej oi obrotu charakteryzują ię tounkowo małą prędkością obrotową i mniejzą prawnością w porównaniu z turbinami o poziomej oi obrotu. Zwiękzenie całkowitej prawności układu przetwarzania energii można uzykać przez wyeliminowanie przekładni mechanicznej. Bezpośrednie przęgnięcie wału turbiny z generatorem wymaga zatoowania wolnoobrotowego generatora elektrycznego. W ofercie najwiękzych producentów mazyn elektrycznych brak jet wolnoobrotowych generatorów o mocach odpowiednich do zatoowania w MEW. W amatorkich rozwiązaniach toowane ą mazyny elektryczne producentów o nieznanej renomie i wątpliwej jakości lub mazyny elektryczne wykonane włanoręcznie. Bardzo częto ą to rozwiązania nieoptymalne i obarczone błędami kontrukcyjnymi. W firmach zajmujących ię budową MEW najczęściej brakuje działów badawczo-rozwojowych, jak również środków finanowych na zlecenie wykonania projektu i toownych badań. Pierwzy problem może zotać rozwiązany poprzez nawiązanie wpółpracy z uczelniami technicznymi i wykorzytanie infratruktury badawczej uczelni. Dla uczelni twarza to możliwości komercjalizacji

2 badań naukowych. Problem braku środków finanowych można rozwiązać uzykując odpowiednie granty badawcze, np. finanowanie z PARP. Celem projektu badawczo-rozwojowego Pionowa Turbina Wiatrowa było opracowanie dokumentacji technicznej i technologicznej do wykonania prototypu wolnoobrotowego generatora z magneami trwałymi (GMT). W niniejzym artykule przedtawiono założenia projektowe, wybrane wyniki etapu projektowania i badań ekperymentalnych prototypu GMT. 2. PROJEKT PROTOTYPU GNERATORA 2.1. Procedura projektowania mazyn elektrycznych Proce projektowania mazyn elektrycznych jet celowym i uporządkowanym działaniem zmierzającym do przygotowania zbioru informacji (cyfrowych) niezbędnych do budowy urządzenia [2, 3]. Proce ten obejmuje analizę wymagań, obliczenia projektowe, wyznaczenie kluczowych parametrów, optymalizację, po przygotowanie odpowiedniej dokumentacji technicznej i technologicznej oraz wykonanie prototypu (ry. 2). deign) [2]. Decyzje podjęte we wtępnych etapach projektowania mają itotny wpływ na końcowy kozt produktu oraz na kozty jego użytkowania. Wpomaganie proceu projektowania odpowiednim oprogramowaniem ułatwia weryfikację założeń projektowych we wczenym etapie prac, wprowadzenie modyfikacji i znacznie przypieza wykonanie prac projektowych Założenia projektowe Główne założenia projektowe dotyczące generatora wynikają z faktu bezpośredniego przęgnięcia z turbiną wiatrową. Przyjęto, że GMT będzie miał budowę cylindryczną, a trójfazowe uzwojenie twornika umiezczone zotanie w żłobkach ferromagnetycznego rdzenia tojana. Wzbudzenie GMT będzie tanowić wirnik z magneami neodymowymi klejonymi do powierzchni wirnika. Generator będzie chłodzony w poób naturalny, oddając ciepło z powierzchni rdzenia tojana, a natępnie z powierzchni obudowy, ruch powietrza wewnątrz mazyny wymuzony będzie łopatkami umiezczonymi na wirniku. Podtawowe parametry projektowanej mazyny ą natępujące: moc znamionowa S n = 15 kva, napięcie znamionowe U n =400 V, czętotliwość znamionowa f n =50 Hz, znamionowa prędkość obrotowa n n =95 obr/min Obliczenia projektowe Jako podtawę obliczeń projektowych mazyn elektrycznych przyjęto równanie kontrukcyjne [4, 5]. Równanie kontrukcyjne opiuje zależność pomiędzy mocą wewnętrzną mazyny (S i ) a jej wymiarami, cechami kontrukcyjnymi, parametrami wyzykania materiałów oraz prędkością obrotową. S π 2 f p 2 ( A B )( D l ) i = K I K PK (1) E m Ry. 2. Czynności i etapy proceu projektowania mazyn elektrycznych Decyzje w proceie projektowania podejmuje ię w oparciu o wcześniejze doświadczenia, wiedzę o dotępnych technologiach oraz właściwościach materiałów użytych do budowy mazyny elektrycznej. Do itotnych etapów projektowania mazyn elektrycznych można zaliczyć: utalenie wymagań i parametrów ekploatacyjnych, wybór typu mazyny, topologii wirnika i poobu zailnia, wybór materiałów magnetycznych, elektrycznych i kontrukcyjnych, obliczenia wymiarów głównych obwodu magnetycznego z uwzględnieniem punktu pracy magneu trwałego, projekt uzwojenia twornika, obliczenia cieplne, analiza numeryczna rozkładu pola magnetycznego, przygotowanie dokumentacji. Pozczególne etapy proceu projektowania mogą być wpomagane przez zatoowanie odpowiedniego oprogramowania inżynierkiego CAD (ang. computer aided gdzie: f czętotliwość napięcia uzwojenia tojana, p liczba par biegunów; wymiary główne mazyny to D średnica wewnętrzna tojana, l długość pakietu tojana, cechy kontrukcyjne mazyny opiane ą za pomocą wpółczynników: K I wpółczynnik kztałtu prądu, K P wpółczynnik kztałtu mocy, K E wpółczynnik kztałtu napięcia; parametry wyzykania mazyny to A gętość liniowa prądu, B m wartość makymalna indukcji magnetycznej. Związek pomiędzy prędkością kątową ω, prędkością obrotową n, czętotliwością f i liczbą par biegunów p w mazynach prądu przemiennego wyraża zależność: f ω n = = (2) p 2π 60 Wartości wpółczynników kontrukcyjnych zależą od typu mazyny elektrycznej, poobu zailnia (AC, DC), kztałtu rozkładu indukcji w zczelinie roboczej [3, 4]. Wartości parametrów wyzykania mazyny zależą między innymi od rodzaju materiałów czynnych zatoowanych do budowy mazyny oraz od poobu jej chłodzenia [2-5]. Itotnym wniokiem wynikającym z zależności (1) jet fakt, że moc mazyny elektrycznej jet wprot proporcjonalna do jej prędkości obrotowej oraz do objętości. Zatoowanie generatora wolnoobrotowego wymaga zatoowania mazyny elektrycznej o dużej objętości, a więc również mazyny tounkowo dużej maie. Duża liczba par biegunów wymaga, aby średnica tojana była odpowiednio 34 Zezyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki PG, ISSN , Nr 50/2016

3 duża, tak by uzykać żłobki i zęby o odpowiedniej zerokości. Wpływ na proporcje mazyny uzykuje ię przez dobranie wartości wpółczynnika mukłości, który wyraża iloraz długości pakietu do średnicy wewnętrznej tojana: λ = l 2 p, (3) D π Przyjęte wartości parametrów znamionowych, wpółczynników kontrukcyjnych oraz parametrów materiałowych pozwalają na obliczenie wymiarów głównych mazyny elektrycznej w tym średnicę wewnętrzną tojana: 4 1/ 3 i D =, (4) 2 π f λk K K ( A B ) I P ps E p m Podtawą do definicji modelu geometrycznego i fizycznego w programie FEMM były wyniki analitycznych obliczeń projektowych. Analizie poddano rozkład indukcji magnetycznej w badanej mazynie, prawdzając czy makymalne wartości indukcji nie przekraczają wartości założonych. Przy zatoowaniu uzwojenia o liczbie żłobków na biegun i fazę q = 1 otrzymano rozkład indukcji magnetycznej w zczelinie roboczej, który charakteryzował ię tounkowo dużą zawartością wyżzych harmonicznych (ry. 4). W celu eliminacji wyżzych harmonicznych w rozkładzie indukcji magnetycznej oraz w przebiegu napięcia indukowanego konieczne jet zatoowanie kou żłobków tojana. Do wykonania obliczeń projektowych GMT opracowano program komputerowy zawierający zetaw zależności analitycznych i wpomagający pracę projektanta (inżyniera). W wyniku działania programu otrzymuje ię zetaw wymiarów geometrycznych, parametrów materiałowych oraz projekt uzwojenia, które pozwalają na opracowanie modelu geometrycznego, przygotowanie dokumentacji technicznej i technologicznej Prototyp/model numeryczny generatora Weryfikację poprawności przeprowadzonych obliczeń projektowych wykonano z wykorzytaniem darmowego programu FEMM [6]. Program ten oferuje podtawowe możliwości obliczeniowe z zakreu analizy tatycznych i harmonicznych rozkładu pól magnetycznych (w ośrodkach o liniowych i nieliniowych charakterytykach), pól elektrycznych i termicznych tanów utalonych. W zakreie projektowania mazyn elektrycznych program ten może zotać wykorzytany do obliczenia rozkładu indukcji magnetycznej, indukcyjności uzwojeń, momentu zaczepowego i elektromagnetycznego. Program FEMM poiada budowę modułową (ry. 3); wypoażony jet w preproceor (opracowanie modelu numerycznego) i potproceor (analiza wyników), generator iatki oraz moduły obliczeniowe (olvery). Program poiada możliwość interpretowania kryptów napianych w języku LUA, dzięki czemu możliwe jet definiowanie modeli parametrycznych oraz terowanie proceem obliczeń [7]. Ry. 4. Rozkład kładowej normalnej wektora indukcji magnetycznej w zczelinie roboczej GMT Przebieg napięcia indukowanego w uzwojeniach tojana obliczono w oparciu o zmianę trumienia przężonego z daną fazą według zależności: d ψ( d α d ψ( d ψ( e ( t) = = = ω, (5) m d t d t d α d α gdzie: α [rad] kąt obrotu wirnika, ω m [rad/] prędkość kątowa wirnika. Strumień przężony obliczono na podtawie rozkładu trumienia magnetycznego wzbudzonego magneami trwałymi wyznaczonego dla kolejnych położeń wirnika. Obliczenia w programie FEMM wykonywane ą dla dwuwymiarowego modelu mazyny. Sko żłobka można uwzględnić uśredniając wartość trumienia wyznaczonego dla kolejnych położeń wirnika wzdłuż podziałki żłobkowej. Obliczenia uruchamiane ą automatycznie za pomocą odpowiednio przygotowanego kryptu LUA [7]. Po uwzględnieniu kou żłobków tojana przebieg napięcia indukowanego w uzwojeniu tojana jet zbliżony do inuoidalnego (ry. 5). Wprowadzając ko żłobków tojana ograniczono jednocześnie wartość makymalną momentu zaczepowego. Wyniki analizy prototypu GMT w programie FEMM pozwoliły zweryfikować założenia projektowe i wprowadzić odpowiednie poprawki do projektu mazyny. Ry. 3. Modułowa truktura programu FEMM Zezyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki PG, ISSN , Nr 50/

4 1,5 Charakterytyka zewnętrzna Ua=f(I) Ua/Um 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0 Ua ko Ua bez kou napięcie fazowe Ua/Uan -1, alfa [deg] prąd twornika Ia/Ian Ry. 5. Przebieg napięcia indukowanego rotacji bez kou i ze koem żłobków tojana wyniki obliczeń w programie FEMM 3. WYNIKI BADAŃ LABORATORYJNYCH W wyniku prac projektowych przygotowano dokumentację techniczną i technologiczną GMT. Po wykonaniu prototypu GMT przygotowano pecjalne tanowiko pomiarowe, którego chemat blokowy przedtawia ry. 6. Generator zotał przęgnięty z ilnikiem prądu tałego za pomocą przekładni o przełożeniu i=17,5. Ry. 8. Charakterytyka zewnętrzna prototypu prądnicy U a = f(i a ) Na ry. 9 przedtawiono zrejetrowane przebiegi napięcia i prądu generatora przy znamionowym obciążeniu rezytancyjnym. Zmierzone wartości zniekztałceń harmonicznych THD nie przekraczają wartości 1,5% dla obu przebiegów. a) Napięcie Ua Ry. 6. Uprozczony chemat blokowy tanowika pomiarowego do badania wolnoobrotowego GMT W trakcie badań prototypu wyznaczono między innymi charakterytykę biegu jałowego U = f(n) (ry. 7) oraz charakterytykę zewnętrzną U a = f(i a ) przy obciążeniu rezytancyjnym (ry. 8). 1.2 Bieg jałowy Uav=f(n) b) - Cza t[] Prąd Ia napięcie Uo/Un Cza t[] n [obr/min] Ry. 7. Charakterytyka biegu jałowego prototypu GMT U=f(n) Zależność napięcia indukowanego w czaie próby biegu jałowego od prędkości obrotowej zachowuje liniowy charakter (ry. 7). Stounkowo duża zmienność napięcia przy obciążeniu generatora (ry. 8) wynika z powiękzonej zczeliny powietrznej prototypu względem projektu. Ry. 9. Przebieg a) napięcia i b) prądu przy obciążeniu czynnym (wartości względne) 4. PODSUMOWANIE W niniejzym artykule przedtawiono założenia projektowe, wyniki badań ymulacyjnych i ekperymentalnych prototypu wolnoobrotowego generatora z magneami trwałymi, wpółpracującego z innowacyjną turbiną wiatrową o pionowej oi obrotu. Badania laboratoryjne potwierdziły łuzność przyjętych założeń projektowych. Zmiany dokonane w projekcie na etapie 36 Zezyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki PG, ISSN , Nr 50/2016

5 wykonania prototypu GMT miały wpływ na charakterytykę zewnętrzną i prawność generatora. Generator może znaleźć zatoowanie w energetyce wiatrowej małej mocy, w tym na jednotkach pływających (tatkach, jachtach) oraz w tacjonarnych intalacjach proumenckich. Prototyp GMT wykonano w ramach projektu badawczo-rozwojowego Pionowa Turbina Wiatrowa, wpółfinanowanego przez Polką Agencję Rozwoju Przediębiorczości ze środków programu Wparcie w ramach dużego bonu. Realizacja projektu dała możliwość nawiązania wpółpracy uczelni z partnerami przemyłowymi. 5. BIBLIOGRAFIA 1. Nalepa K., Miąkowki W., Pietkiewicz P., Piechocki J., Bogacz P.: Poradnik małej energetyki wiatrowej. Olztyn Dąbrowki M.: Zary projektowania Mazyn Elektrycznych, Prace Intytutu Elektrotechniki, zezyt 217, tr. 5-30, Warzawa Pyrhonen J., Jokinen T., Hrabovcova V.: Deign of Rotating Electrical Machine. Wiley, Huang S., Luo J., Leonardi F., Lipo T. A.: A general approach to izing and power denity equation for comparion of electrical machine. IEEE Tranaction on Indutry Application, vol. 34, no. 1, pp , Jan/Feb Honinger V. B.: Sizing Equation for Electrical Machinery. IEEE Power Engineering Review, vol. PER- 7, no. 3, pp , March Finite Element Method Magnetic: HomePage. [Online]. Dotępne na: udotępniono: 24-lip Lua: 4.0 reference manual - content. [Online]. Dotępne na: udotępniono: 24-lip LOW SPEED PERMANENT MAGNET GENERATOR FOR VERTICAL AXIS WIND TURBINE The paper preent the deign of the low peed permanent magnet generator for the innovative vertical axi wind turbine. The paper how the deign aumption, elected reult from the deign tage and the prototype teting tage. The project wa commiioned by the company ALU ECO Sp. o.o. Gdank and co-financed by the Polih Agency for Enterprie Development. The power of the prototype generator i 15kVA and the rated voltage i 400V at a peed of 95 rpm. The generator can be ued in low-power wind energy, including on veel (hip, yacht) and in the tationary intallation. Keyword: low power vertical axi wind turbine, permanent magnet generator, deign. Zezyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki PG, ISSN , Nr 50/