DWUSTOPNIOWY, WOLNOOBROTOWY GENERATOR SYNCHRONICZNY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 62 Politechniki Wrocławskiej Nr 62 Studia i Materiały Nr Stanisław GAWRON* prądnica synchroniczna z magnesami trwałymi, generator synchroniczny wolnoobrotowy, elektrownie wodne, wiatrowe DWUSTOPNIOWY, WOLNOOBROTOWY GENERATOR SYNCHRONICZNY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI W niniejszej pracy zaprezentowano konstrukcję modelowego 2-u stopniowego wolnoobrotowego generatora synchronicznego do produkcji energii elektrycznej z przeznaczeniem do odnawialnych źródeł energii. Przedstawiono metodykę obliczeń elektromagnetycznych generatora dwustopniowego wzbudzanego magnesami trwałymi. Na podstawie przeprowadzonych obliczeń wykonano model fizyczny maszyny, na którym przeprowadzono wstępne badania laboratoryjne. W pracy zamieszczono schemat zastępczy i zestawienie porównawcze jego parametrów obliczonych i zmierzonych. 1. WPROWADZENIE Od kilku lat BOBRME KOMEL projektuje i wykonuje prądnice z magnesami trwałymi różnych konstrukcji i do różnego zastosowania. Prądnice z magnesami trwałymi ze względu na swoje podstawowe własności (generują energię w całym zakresie prędkości obrotowej) znalazły szerokie zastosowanie głównie w elektrowniach wiatrowych [1], [2], gdzie się sprawdziły i są coraz powszechniej stosowane. Ze względu na obniżenie kosztów produkcyjnych prądnic, maszyny te mają konstrukcje zunifikowaną z silnikami indukcyjnymi, co powoduje pewne ograniczenia co do możliwości optymalizacyjnych obwodu elektromagnetycznego. Prędkość obrotowa śmigieł turbin wiatrowych jest stosunkowo niska i wynosi od kilkunastu (elektrownie wielkich mocy) do kilkudziesięciu (w elektrowniach małych) obrotów na minutę [3]. Klasyczna bezprzekładniowa prądnica synchroniczna lub indukcyjna musi mieć dużą liczbę biegunów (zwykle kilkadziesiąt), co powoduje, że jej średnica jest duża, przy czym tylko pierścień jest aktywny. Celem artykułu jest wskazanie możliwości zmniejszenia gabarytu maszyny przy niezmienionej liczbie biegu- * Branżowy Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Maszyn Elektrycznych KOMEL, Katowice, Al. Roździeńskiego 188, konstruktorzy@komel.katowice.pl

2 198 nów. Warunek ten spełnia maszyna dwutwornikowa w układzie kaskady szeregowej wzbudzana magnesami trwałymi. Niniejsza koncepcja wolnoobrotowego dwustopniowego generatora z magnesami trwałymi była już wcześniej podejmowana [4], jednakże w swoich pracach autorzy skupili się na generatorach dwustopniowych z magneśnicą swobodną. 2. BUDOWA PRĄDNICY Model prądnicy wykonano na bazie rury stalowej (chłodzenie konwekcyjne) oraz z prostymi tarczami łożyskowymi zamykającymi maszynę. Dodatkowo na wale prądnicy od strony przeciw napędowej wprowadzono pierścienie ślizgowe, do których przyłączono końcówki uzwojeń wirników. Taka konstrukcja modelu prądnicy umożliwia badania modelu jako 2 niezależnych maszyn. Rys. 1. Przekrój poprzeczny prądnicy dwustopniowej Fig. 1. Cross section of the proposed two-stage synchronous generator Prądnica 1-szego stopnia jest wzbudzana magnesami trwałymi naklejonymi na stojanie. Uzwojenie twornika maszyny 1-szej jest łączone w szereg z uzwojeniem wzbudzenia maszyny 2-giej, przy czym w modelu zaciski obydwóch uzwojeń są wyprowadzone na pierścienie. Energia jest odbierana z uzwojenia twornika maszyny 2-giej. W modelu maszyny istnieje możliwość zarówno zmian konfiguracyjnych łączonych uzwojeń, pomiarów elektrycznych, jak również możliwość badań kompensowania zmienności napięcia generowanego przez maszynę. Do skrzynki zaciskowej stojana wyprowadzono 6 końcówek uzwojenia, dając w ten sposób możliwość konfiguracji uzwojenia twornika jako Y lub D.

3 MODEL MATEMATYCZNY PRĄDNICY Model matematyczny prądnicy zbudowano bazując na schemacie zastępczym prądnicy jak na rys. 2. Schemat zastępczy uwzględnia połączenie kaskadowe maszyn i został zbudowany przy założeniu strat mocy w żelazie równym zero. Rys. 2. Schemat zastępczy prądnicy dwustopniowej Fig. 2. Equivalent circuit diagram two-stage synchronous generator Opis schematu zastępczego: E 1 siła elektromotoryczna rotacji pochodząca od magnesów trwałych, f 1, f 2 częstotliwości generowanego napięcia, Rw 1, Rw 2 rezystancje fazowe uzwojeń wirników, Xt w1, Xr w1, Xr w2 reaktancja twornika i reaktancje rozproszeń uzwojeń wirników, U 10 napięcie występujące na wirniku pod stojanem uzwojonym, Xµ w2 reaktancja magnesująca uzwojenia wirnika, E 2 siła elektromotoryczna rotacji powstała na wskutek zmiennej SMM, Rs rezystancja fazowa uzwojenia stojana (twornika głównego), Xr s, Xt s reaktancja rozproszenia i twornika uzwojenia stojana (twornik główny), U 20 napięcie biegu jałowego prądnicy Z obc impedancja obciążenia prądnicy Parametry schematu zastępczego maszyny obliczono metodą obwodową wykorzystując zależności analityczne podawane w literaturze [5], [6] oraz dane konstrukcyjne maszyn. Napięcia rotacji E 1 i E 2 obliczono metodą polową wykorzystując metodę elementów skończonych 2D [7] w programie FEMM i Mathcad. Prądnicę z magnesami trwałymi umieszczonymi w stojanie (1-szy stopień kaskady) zamodelowano i wykonano szereg symulacji, z których (na podstawie posiadanych już doświadczeń z prądnicami z magnesami trwałymi) wybrano jedno z najbardziej optymalnych rozwiązań obwodu elektromagnetycznego. Wybór polegał głównie na doborze grubości i kąta magnesów trwałych.

4 200 Wykorzystując program Mathcad, wyznaczono rozkład 1-szej harmonicznej indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej pod jedną parą biegunów, a następnie obliczono z równania (1) wartość skuteczną 1-szej harmonicznej napięcia rotacji przy biegu jałowym i częstotliwości 50 Hz. gdzie: Rys. 3. Rozkład indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej Fig. 3. Space distribution of the flux density in the air gap E 2 D δ k ω k (1) u1 1RMS = Amp lpm el NS q ag A mp1 1-sza harmoniczna indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej, l PM długość magnesów trwałych, D średnica zewnętrzna twornika, δ grubość szczeliny powietrznej, N S liczba szeregowych przewodów w żłobku, q liczba żłobków na biegun i fazę, k u1 współczynnik uzwojenia, a g liczba gałęzi równoległych, k s współczynnik skosu. Obwód elektromagnetyczny prądnicy 2-go stopnia kaskady zbudowano wykorzystując ten sam wykrój blach wirnika i identyczne uzwojenie, co w przypadku wirnika 1-szej maszyny. Symulacje wykonano dla stanu ustalonego. Siłę magnetomotoryczną (SMM) wzbudzenia drogą kolejnych przybliżeń, dobrano tak, aby w maksymalny sposób wykorzystać części czynne maszyny. s 4. BADANIA LABORATORYJNE Na podstawie przeprowadzonych symulacji opracowano karty nawojowe maszyny wraz z niezbędnymi rysunkami wykonawczymi do modelu. Następnie wykonano mo-

5 201 del fizyczny prądnicy o liczbie biegunów jednego stopnia 2p = 8, na którym są przeprowadzone badania laboratoryjne. W tabeli 1 zestawiono wyniki obliczeń i pomiarów parametrów schematu zastępczego (rys. 2) odpowiadające prędkości obrotowej n = 750 obr/min. Tabela 1. Zestawienie parametrów schematu zastępczego prądnicy Table 1. Calculating and measured lumped parameter of equivalent circuit diagram Opis parametru schematu zastępczego wg rys. 2 (fazowe) Rezystancja uzwojenia wirnika Oznaczenie Obliczenia Pomiar Rw Ω 1.14 Ω Rw Ω 1.14 Ω Rezystancja uzwojenia stojana Rs 2.4 Ω 2.13 Ω Reaktancja rozproszenia uzwojenia wirnika Xr w Ω - Xr w Ω - Reaktancja twornika uzwojenia wirującego Xt w Ω - Reaktancja magnesująca uzwojenia wirnika Xµ w Ω - Reaktancja rozproszenia uzwojenia stojana (twornika głównego) Xr s 1.27 Ω - Reaktancja twornika uzwojenia stojana (twornika głównego) Xt s Ω - Całkowita reaktancja uzwojenia wirnika pod magnesami Xr w1 + Xt w Ω 5.65 Ω* Całkowita reaktancja uzwojenia wirnika pod stojanem Xr w2 + Xµ w Ω Ω* Całkowita reaktancja uzwojenia stojana (obliczenia i pomiar dla 50 Hz) Xr s + Xt s Ω Ω* SEM rotacji pochodząca od magnesów trwałych [50 Hz] (1-szy stopień kaskady) E V 252 V Napięcie mierzone na pierścieniach ślizgowych wirnika [50 Hz] (1-szy stopień kaskady) U V 217 V SEM rotacji powstająca na wskutek zmiennej SMM [100 Hz] (2-gi stopień kaskady) E 2, U V 273 V * pomiar metodą pośrednią 5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Zaprojektowany i wykonany model dwustopniowej maszyny synchronicznej z magnesami trwałymi umożliwiającej zwiększenie częstotliwości generowanego napięcia ma być alternatywą głównie dla zespołów prądotwórczych składających się z wysokoobrotowych generatorów współpracujących z awaryjnymi i niskosprawnymi przekładniami mechanicznymi oraz wolnoobrotowych generatorów o bardzo dużej średnicy zewnętrznej stojana. W każdym z tych przypadków nowy generator musiałby uzyskać nie gorszy współczynnik sprawności, odpowiednio wysoką trwałość eksploatacyjną, niższą masę

6 202 zespołu oraz bardziej zwartą budowę (przede wszystkim w przypadku generatora o dużej liczbie biegunów). Obecnie na modelu przeprowadzane są badania laboratoryjne w celu weryfikacji przyjętych założeń oraz narzędzi projektowych. Prace nad koncepcją generatorów o takiej konstrukcji wydają się być celowe ze względu na propagowanie w Polsce tanich odnawialnych źródeł energii (wiatraki, elektrownie wodne), gdzie niezbędne są wolnoobrotowe, wysokosprawne i niezawodne urządzenia do produkcji energii elektrycznej. LITERATURA [1] GLINKA T. Autonomiczne elektrownie wiatrowe. Materiały konferencyjne II Ogólnopolskiej Konferencji ETW 2004, Wyd. Centralny Ośrodek Szkolenia i Wydawnictw SEP, Warszawa 2004 [2] BERNATT J. Wykorzystanie prądnic synchronicznych do budowy małych elektrowni wiatrowych. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne. Nr 68/2004, Wyd. BOBRME Komel, Katowice 2004 [3] LEWANDOWSKI W..M. Proekologiczne źródła energii odnawialnej, Warszawa, WNT, 2002 [4] SCHOEPP K., ZIELIŃSKI P. Wolnoobrotowy dwustopniowy generator synchroniczny z magneśnicą swobodną, XXXVIII International Sympodium on Electrical Machines, SME 2002, Cedzona Kielce [5] JEZIERSKI E. Maszyny Synchroniczne, Warszawa, PWT 1951 [6] GŁOWACKI A. Obliczenia Elektromagnetyczne silników indukcyjnych trójfazowych. WNT, Warszawa 1993 [7] THELIN P., SOULARD J., NEE H.P., SADARANGANI C., Comparison between Different Ways to Calculate the Induced No-Load Voltage of PM Synchronous Motors using Finite Element Methods, PEDS 01, Bali, Indonesia, Oct LOW SPEED, TWO-STAGE PERMANENT MAGNETS SYNCHRONOUS GENERATOR This paper presents the construction of a model, two-stage low speed synchronous generator designed for producing energy from the renewable sources. Moreover, the computational methodology and the basic results of electromagnetic calculations of the two-stage low speed synchronous generator with permanent magnets are presented. On the basis of the calculations conducted, a physical model of the generator was made, on which the preliminary laboratory tests were carried out. There is also a comparative record sheet of the preliminary laboratory tests and the results of the theoretical calculations included in the paper.