Двухроторные электрические генераторы для ветроустановок

В последние время внимание специалистов всего мира привлекают технологии использования возобновляемых источников энергии. Это, прежде всего, связано с продолжающимся ухудшением экологической обстановки и постоянным повышением цен на ископаемые топлива.

Направление развития энергетики Европы и мира в целом во многом предопределила «Европейская энергетическая хартия», принятая 17 декабря 1991 года как политическая декларация 53 государств. Обеспечение экологически чистого производства электроэнергии, которое, в частности, осуществляется при использовании энергии возобновляемых источников, является одним из положений хартии.

Ветроэнергетика на фоне прочих направлений развивается наиболее динамично. Во многих странах мира ветроэнергетика уже давно стала самостоятельной отраслью энергетики. На сегодняшний день во всём мире функционируют сотни тысяч ветроагрегатов, различных как по назначению, так и по конструкции.

Российская ветроэнергетика в последние годы также развивается весьма высокими темпами, что обуславливает необходимость разработки инженерных методов оптимизации проектирования и управления ветроэнергетическими комплексами. Однако стоимость ветроустано-вок и себестоимость полученной электро- энергии с их помощью в настоящее время остается относительно высокой.

На сегодняшний день по оценке экспертов стоимость 1 кВт установленной мощности ветроэлектроустановки отечественного производства составляет около 1000$. В связи с этим актуальным является создание ветроэлектроагрегатов, которые обладали бы улучшенными массогабаритными показателями и малой стоимостью вырабатываемой электроэнергии. Это относится, прежде всего, к маломощным устройствам (до 50 кВт), для которых применение оптимального управления до недавнего времени считалось невыгодным и необязательным.

Малые, легкоразгоняемые ветрогене-раторы способны эффективно работать уже в районах со среднегодовой скоростью ветра начиная с 3,5 м/с. В настоящее время все чаще обращают внимание на ветряки малой и средней мощности малые предприятия, в том числе фермерские, овцеводческие и другие хозяйства агропромышленного комплекса, удаленные от электрических сетей централизованного электроснабжения.

Целью данной статьи является анализ известных двухроторных генераторов, которые по своим параметрам максимально подходят для использования в работе вет-роэлектроустановки.

Использование ветроустановки в качестве источника электрической энергии предъявляет следующее требование к генератору: поддержание стабильного напряжения и частоты на выходе генератора. Поддержание неизменного напряжения на выходе генератора является достаточно простой с точки зрения технической реализации задачей. Стабильная частота выходного напряжения ветроустановки зачастую реализуется достаточно сложной конструкцией.

Одним из самых распространенных устройств для получения стабильной частоты выходного напряжения является использование частотных преобразователей совместно с генераторами постоянного тока или синхронными генераторами переменного тока с выпрямителями. Использование генератора постоянного тока увеличивает стоимость установки, синхронный генератор с выпрямителем стоит дешевле, но общая стоимость установки с инвертором достаточно высока.

Для удешевления и упрощения конструкции необходимо использовать генераторы, позволяющие получать стабильную частоту выходного напряжения независимо от скорости вращения вала генератора. Одним из самых распространенных генераторов, позволяющих получить стабильную выходную частоту, является генератор с двухсторонним питанием на базе двигателя с фазным ротором. Такое устройство требует для реализации генератор частоты скольжения.

В мировой практике использованию генераторов с двухсторонним питанием уделено большое внимание.

Согласно [1], генератор с двухсторонним питанием (рис. 1), в котором статор соединён с электрической сетью а ротор подключен к инвертору, позволяющему регулировать частоту и амплитуду питающего ротор напряжения. Управление режимом работы инвертора осуществляется по информации, поступающей от датчиков скорости ветра и режима работы сети. Такая конструкция позволяет стабилизировать частоту выходного напряжения независимо от скорости вращения приводного вала ветроустановки. В зависимости от параметров сети и мощности ветрового потока, возможен динамический обмен реактивной мощностью с основной сетью и обеспечение работоспособности на низкой скорости ветра.

Аналогичный принцип действия применён в [2].

Изобретение относится к методам контроля генератора ветроэнергетической установки и заключается в использовании генератора с двухсторонним питанием и двух управляемых инверторов для контроля и стабилизации частоты выходного напряжения. Благодаря использованию зависимого управления инверторами обеспечивается рациональное регулирование частоты выходного напряжения.

Совершенствование двухсторонне питаемых генераторов предполагает отсутствие щеточных контактов, что реализовано в [3].

Рис. 1. Ветроустановка на базе генератора с двухсторонним питанием:

1 – ветроколесо; 2 – генератор с двухсторонним питанием; 3 – инвертор;

4 – выпрямитель

Изобретение представляет собой ветроэлектростанцию (рис. 2), содержащую двухсторонне питаемый асинхронный генератор, присоединенный к трехфазной электрической сети основной обмоткой напрямую. Управление режимом работы генератора осуществляется через вспомо- гательную обмотку, также находящуюся на статоре, питаемую через полупроводниковый частотный преобразователь. Генератор имеет зубцовый ротор. Надежность устройства повышается за счет отсутствия скользящих контактов.

Рис. 2. Бесщеточный двухсторонне питаемый генератор:

1 – электрическая сеть; 2 – ветроколесо; 3 – основная обмотка;

4 – вспомогательная обмотка; 5 – генератор; 6 – инвертор

Дальнейшим совершенствованием машин с двухсторонним питанием является установка второго ротора, позволяющего стабилизировать частоту выходного напряжения. Примером такого генератора (рис. 3) является генератор, содержащий узел изменения скорости [4] позволяющий навстречу друг другу, что позволяет при малой частоте вращения приводного вала получить необходимую частоту выходного напряжения. Благодаря масляной муфте и узлу регулирования скорости обеспечивается постоянство частоты выходного напряжения при изменении скорости вра- регулировать скорость вращения роторов щения входного вала.

Рис. 3. Генератор с узлом регулирования скорости:

1 – входной вал; 2 – масляная муфта; 3 – узел регулирования скорости; 4 – статор;

5 – внешний ротор; 6 – внутренний ротор

Использование постоянных магнитов в двухроторных генераторах позволяет избавиться от одной группы контактных колец и улучшить энергетические характери- стики генератора. Ветрогенераторная установка [5] предназначена для получения выходного напряжения постоянной частоты при изменениии скорости ветра (рис. 4).

Рис. 4. Двухроторный генератор с постоянными магнитами:

1 – ветроколесо; 2 – инвертор; 3 – контактные кольца; 4 – внутренний ротор;

5 – внешний ротор; 6 – статор

Содержит генератор, имеющий два ротора, где внутренний ротор содержащий многофазную обмотку, поодключенную через контактные кольца к инвертору позволяющему регулировать частоту напряжения питающего внутренний ротор.

От этой частоты будет зависеть скорость вращения наружного ротора, на котором находятся постоянные магниты.

Этот ротор, вращаясь внутри статора, наводит в нём ЭДС постоянной частоты благодаря регулированию частоты питания внутреннего ротора.

В устройстве [6] ротор с постоянными магнитами заменён на ротор, имеющий две обмотки на внутренней и наружной стороне с разными числами полюсов (рис. 5).

Рис. 5. Ветрогенераторный модуль:

1 – ветроколесо; 2 – корпус; 3 – контактные кольца; 4 – внутренний ротор; 5 – инвертор;

6 – статор; 7 – внутренний ротор

Устройство позволяет регулировать скорость вращения генератора и поддерживать её неизменной при изменении скорости ветра. Ветрогенераторный модуль содержит статор, внешний ротор, внутренний ротор, скользящие кольца. Ветровое колесо соединено с внутренним ротором с помощью вала. Наружный ротор через выходной вал приводит во вращение генератор. Статор через преобразователь соединён с источником постоянного напряжения, внутренний ротор также через преоб- разователь подключен к источнику тока. Регулируя выходную частоту обоих преобразователей, управляют частотой вращения выходного вала устройства, приводящего генератор.

Устройство [7] (рис. 6) по сравнению с предыдущим имеет более простую конструкцию и использует обращенный двигатель в качестве стабилизатора частоты вращения, в котором наружный ротор приводит во вращение вал генератора.

Рис. 6. Ветрогенератор с обращенным двигателем: 1 – контактные кольца; 2 – ветроколесо; 3 – внутренний ротор;

4 – наружный ротор; 5 – инвертор; 6 – ротор генератора; 7 – статор генератора

Рис. 7. Двухроторная электрическая машина:

1 – тормоз; 2 – вал; 3 – корпус; 4 – тормозные колодки; 5 – промежуточный ротор; 6 – внутренний ротор; 7 – магнитопровод с генераторной обмоткой

Ветровая турбина приводит во вращение внутренний ротор, содержащий обмотку, выводы которой через скользящие кольца подключены к преобразователю частоты. Благодаря регулированию частоты питающего напряжения внутреннего ротора возможно поддержание постоянной частоты выходного напряжения генератора. Положительным свойством является возможность плавного регулирования.

Электрическая машина [8], в конструкции которой использованы постоянные магниты и тормозное устройство, позволяет повысить КПД по сравнению с традиционными (рис. 7).

На внешней стороне промежуточного ротора электрической машины закреплены группы постоянных магнитов чередующейся полярности. При вращательном движении промежуточного ротора в генераторной многофазной обмотке статора будет наводиться ЭДС. Максимальная частота вращения промежуточного ротора определяется величиной развиваемого электромагнитного момента, массогабаритными параметрами ротора и числом пар полюсов его обмотки, а также зависит от режима работы электрической машины. Регулирование частоты вращения промежуточного ротора происходит за счет изменения мощности электрической маши- ны, передаваемой в сеть. Вырабатываемое электрической машиной генераторное напряжение направляется в сеть.

Электрическая машина может функционировать в следующих режимах: режим включения двигателя, режим включения генератора, режим совместного включения двигателя и генератора, режим редуктора.

Электрическая машина [9] (рис. 8) более простой конструкции, в которой, благодаря использованию двух роторов, удалось увеличить полезную поверхность статора. Указанный технический результат достигается тем, что в таких электрических машинах для создания магнитного поля пазы статора, образованные магнитопроводом, в которые укладывается обмотка, выполняются сквозными как в осевом направлении, так и в радиальном направлении, открытыми как на внутренней, так и на наружной части.

Один из роторов установлен внутри устройства для создания магнитного поля и взаимодействует с внутренней поверхностью статора, другой ротор охватывает наружную поверхность статора для создания магнитного поля и взаимодействует с ней.

Внешний ротор устанавливается совместно с внутренним ротором на одном валу.

Рис. 8. Электрическая машина с двойным ротором:

1 – корпус из немагнитного материала; 2 – наружный ротор; 3 – статор;

4 – внутренний ротор; 5 – вал

Так как магнитные поля роторов взаимодействуют с одним и тем же «бегущим» переменным магнитным полем статора, то и роторы будут вращаться в том же направлении, что и «бегущее» переменное магнитное поле статора.

При работе электрической машины в режиме генератора тока эффект использования магнитного потока рассеяния магнитного поля обмоток возбуждения также будет иметь место. Устройство может быть использовано для выработки электрической энергии.

Представленная электрическая машина [10] в режиме работы генератора использует энергию притяжения между полюсами постоянных магнитов дополни- тельного индуктора и электромагнитов электромагнитного индуктора, в результате чего происходит выход электрической энергии. Так как электромагнитное поле образуется вокруг электромагнитного индуктора, то включение в конструкцию электрической машины дополнительного магнитного индуктора, окружающего его внутреннюю поверхность, позволяет задействовать электромагнитное поле, образующееся на свободной поверхности магнитного индуктора. Выполнение дополнительного магнитного индуктора в виде постоянного магнита позволяет не затрачивать на его работу дополнительную энергию и таким образом повысить КПД устройства.

Рис. 9. Электрическая машина с дополнительным магнитным индуктором:

1 – якорь; 2 – внешняя шестерня; 3 – электрический магнитный индуктор; 4 – сателлиты;

5 – солнечная шестерня; 6 – дополнительный магнитный индуктор

Представленный обзор двухроторных электрических генераторов, используемых для выработки электроэнергии на ветроэлектростанциях, позволяет сделать вывод о целесообразности использования таких генераторов в качестве источников напряжения стабильной частоты.

Однако рассмотренные электрические генераторы имеют сложную конструкцию. Для стабилизации частоты выходного напряжения требуются дополнительные устройства, что снижает их надёжность и ведёт к удорожанию ветро-генераторов. К недостаткам следует также отнести относительно невысокий КПД этих машин.

При создании генераторов для ветро-установок следует уделить внимание созданию конструкций, совмещающих в одном устройстве и генератор, и стабилизатор частоты выходного напряжения. Такая конструкция позволит повысить КПД устройства и его надёжность в работе и улучшить качество вырабатываемой электроэнергии.