Как синхронные генераторы с постоянными магнитами используются в ветряных турбинах

Синхронная технология с постоянными магнитами широко используется в современных электрических машинах, от промышленных двигателей до ветрогенераторов.

Однако в ветряной турбине машина с постоянными магнитами обычно работает как генератор, а не как двигатель. По этой причине термин «синхронный генератор с постоянными магнитами» (PMSG) является более точным, чем PMSM, при обсуждении основного энергоблока внутри ветряной турбины.

Электромагнитные принципы тесно связаны, но направление преобразования энергии различно.

PMSM преобразует электрическую энергию в механическое вращение. PMSG делает обратное: вращающаяся трансмиссия ветряной турбины передает механическую энергию генератору, который преобразует ее в электрическую.

Понимание этого различия значительно облегчает понимание того, как технология постоянных магнитов вписывается в современные ветроэнергетические системы.

Где находится генератор на постоянных магнитах в ветряной турбине?

Ветер вращает лопасти и ротор турбины.

Это механическое вращение затем должно быть преобразовано генератором в электричество.

Существует два основных варианта трансмиссии.

Редукторные ветряные турбины

В зубчатой ​​трансмиссии ротор турбины вращается относительно медленно.

Редуктор увеличивает скорость вращения до того, как механическая мощность достигнет генератора.

Это позволяет генератору работать с более высокой скоростью вращения, чем ротор турбины.

Таким образом, цель редуктора состоит в том, чтобы соответствовать требованиям механической скорости ротора и генератора. Это не следует описывать просто как «согласование частоты сети», поскольку современные турбины с регулируемой скоростью обычно используют силовую электронику между генератором и сетью.

Ветровые турбины с прямым приводом

Система прямого привода снимает главный редуктор.

Генератор гораздо более непосредственно связан с ротором турбины и поэтому должен работать на гораздо более низкой скорости, создавая при этом высокий крутящий момент.

Это существенно меняет конструкцию генератора.

Генераторы с прямым приводом и постоянными магнитами обычно имеют больший диаметр и используют несколько магнитных полюсов, поэтому полезная электрическая мощность может быть получена при низкой скорости вращения.

Зачем использовать постоянные магниты?

Синхронный генератор с постоянными магнитами создает магнитное поле ротора с помощью постоянных магнитов, а не обмотки возбуждения ротора.

Это дает несколько полезных характеристик для применения в ветроэнергетике.

Нет тока возбуждения ротора

Поскольку магнитное поле создается постоянными магнитами, ротор не требует отдельной системы электрического возбуждения.

Это может уменьшить электрические потери ротора и упростить часть конструкции генератора.

Подходит для низкоскоростных конструкций с высоким крутящим моментом.

Машины с постоянными магнитами могут иметь множество полюсов и высокую плотность крутящего момента.

Это особенно актуально для ветряных систем с прямым приводом, где скорость генератора низкая, а механический крутящий момент высок.

Совместимость с работой с переменной скоростью

Скорость ветра постоянно меняется.

Работа турбины на переменной скорости может позволить ротору оставаться ближе к предпочтительному аэродинамическому рабочему состоянию в более широком диапазоне ветровых условий.

Генераторы с постоянными магнитами обычно используются с электронными преобразователями полной мощности, что позволяет частоте генератора изменяться независимо от частоты сети.

Это делает возможным работу с переменной скоростью, не требуя, чтобы механический ротор работал на одной фиксированной синхронной скорости, привязанной непосредственно к сети.

Какую роль играет преобразователь мощности?

Генератор — это лишь одна часть электрической системы ветряной турбины.

Во многих ветряных турбинах с постоянными магнитами электроэнергия от генератора проходит через полноценный преобразователь переменного/постоянного/переменного тока, прежде чем попасть в сеть.

Этот преобразователь выполняет несколько важных функций.

Он позволяет генератору работать с переменной скоростью, преобразует выходную мощность генератора переменной частоты в электроэнергию, совместимую с сетью, и обеспечивает контроль активной и реактивной мощности на терминалах турбины.

Это различие имеет значение, поскольку способность поддерживать сеть не следует приписывать самим постоянным магнитам.

Генератор производит электроэнергию, а преобразователь и система управления турбиной управляют подачей этой энергии в сеть.

Прямой привод не означает «всегда лучше»

Снятие коробки передач может уменьшить количество компонентов трансмиссии и исключить одну основную механическую подсистему.

Это может быть привлекательно в тех случаях, когда доступ для обслуживания затруднен.

Однако генераторы с прямым приводом также создают свои собственные инженерные проблемы.

Низкоскоростному генератору обычно требуется более крупная электромагнитная конструкция для создания необходимого крутящего момента. В системах прямого привода с постоянными магнитами также могут использоваться значительные количества редкоземельных магнитных материалов.

Вот почему продолжают существовать конструкции ветряных турбин как с редуктором, так и с прямым приводом.

Соответствующий выбор зависит от мощности турбины, скорости ротора, конструкции генератора, веса, стратегии технического обслуживания, стоимости материалов и общей экономики системы.

Где подходит технология постоянного магнита с осевым потоком

У большинства людей большие ветрогенераторы ассоциируются с машинами с радиальным потоком, но технология постоянных магнитов с осевым потоком также актуальна для компактных и специализированных конструкций генераторов.

В машине с осевым потоком магнитный поток распространяется в основном вдоль оси двигателя или генератора, а не радиально через обычную цилиндрическую конструкцию.

Архитектура может обеспечить высокую плотность крутящего момента и относительно небольшую осевую длину.

Для небольших генераторов с прямым приводом или приложений, где важны компактность и плотность крутящего момента, стоит рассмотреть технологию осевого потока.

Jiangnan Electric в настоящее время разрабатывает машины с аксиальным магнитным потоком и постоянными магнитами в дополнение к обычным продуктам PMSM. Опубликованный компанией диапазон осевого потока охватывает различные конфигурации напряжения, скорости, охлаждения и монтажа.

Одна и та же электромагнитная платформа может иметь отношение к разработке как двигателя, так и генератора, но продукт двигателя не должен автоматически представляться как ветрогенератор без электромагнитной, тепловой и механической проверки для конкретного применения.

Применение в Цзяннани электрической энергии и ветроэнергетики с постоянными магнитами

Компания Hangzhou Jiangnan Electric Motor Co., Ltd. в настоящее время производит несколько семейств синхронных двигателей с постоянными магнитами, включая обычные PMSM, низкоскоростные конструкции с высоким крутящим моментом и машины с осевым магнитным потоком и постоянными магнитами.

Некоторые из существующих продуктовых платформ демонстрируют характеристики, которые также важны при разработке ветрогенераторов.

Например, платформа JNPM520-45 компании Jiangnan рассчитана на мощность 45 кВт, 245 об/мин и номинальный крутящий момент 1754 Н·м. Несмотря на то, что сочетание низкой скорости и высокого крутящего момента разработано для промышленного применения с прямым приводом, а не представлено здесь как ветряной генератор, оно иллюстрирует тип проблемы электромагнитного проектирования, также встречающейся в системах генерации с прямым приводом.

В портфолио Jiangnan по производству оборудования с осевым магнитным потоком также входят машины с постоянными магнитами, разработанные на базе компактных осевых конструкций и работающие с регулируемой скоростью.

На текущем веб-сайте компании дополнительно перечислены продукты с постоянными магнитами для применения в ветроэнергетике с низкой скоростью ветра и в малых и средних масштабах.

Однако для реального проекта ветроэнергетики процесс выбора следует начинать с требований к генератору, а не выбирать существующий двигатель только по номинальной мощности.

Какая информация необходима для проекта ветрогенератора?

Прежде чем оценивать генератор с постоянными магнитами, необходимо определить несколько условий эксплуатации.

Важная информация включает в себя:

• номинальная электрическая мощность;
• номинальная и максимальная частота вращения ротора;
• непрерывный и пиковый крутящий момент;
• необходимое выходное напряжение;
• диапазон частот генератора;
• метод охлаждения;
• устройство крепления;
• интерфейс вала или прямого привода;
• ожидаемые условия окружающей среды;
• уровень защиты;
• топология преобразователя;
• непрерывный рабочий режим.

Для проекта с прямым приводом скорость и крутящий момент ротора особенно важны, поскольку генератор должен справляться с нагрузкой турбины, не полагаясь на коробку передач с высоким передаточным числом.

Для малых и средних ветроэнергетических систем упаковка, вес генератора, стоимость преобразователя и требования к техническому обслуживанию также могут сильно повлиять на окончательный проект.

PMSM или PMSG: терминология имеет значение

Синхронные двигатели с постоянными магнитами и синхронные генераторы с постоянными магнитами основаны на тесно связанных электромагнитных принципах.

Но их операционные роли различны.

СДСМ обычно преобразует электрическую энергию в механическую мощность.

PMSG преобразует механическую энергию в электрическую энергию.

Поэтому в ветряных турбинах главную машину преобразования энергии точнее назвать PMSG.

Для заказчиков, разрабатывающих ветроэнергетическое оборудование, важным вопросом является не просто возможность установки существующего СДСМ в турбину.

Правильный подход заключается в том, чтобы сначала определить необходимую скорость генератора, крутящий момент, напряжение, тепловые условия, механический интерфейс и систему преобразователя, а затем спроектировать или выбрать машину с постоянными магнитами с учетом этих требований.

Отказ от ответственности

Информация в этой статье предоставлена ​​только для общего ознакомления. Технические характеристики продукта, производительность, варианты конфигурации и пригодность должны быть тщательно оценены с учетом предполагаемого применения и реальных условий эксплуатации. Перед выбором, покупкой или использованием продукта, пожалуйста, подтвердите соответствующие детали в Jiangnan Electric и обратитесь к соответствующей технической документации и согласованным спецификациям. Эта статья не заменяет инструкции для конкретного продукта или профессиональную инженерную оценку.