Как се използват синхронните генератори с постоянен магнит във вятърните турбини

Синхронната технология с постоянен магнит се използва широко в съвременните електрически машини, от индустриални двигатели до вятърни генератори.

Във вятърната турбина обаче машината с постоянен магнит обикновено работи като генератор, а не като двигател. Поради тази причина терминът синхронен генератор с постоянен магнит (PMSG) е по-точен от PMSM, когато се обсъжда основният блок за генериране на електроенергия във вятърна турбина.

Електромагнитните принципи са тясно свързани, но посоката на преобразуване на енергията е различна.

PMSM преобразува електрическата енергия в механична ротация. PMSG прави обратното: въртящата се задвижваща система на вятърна турбина доставя механична енергия към генератора, който я преобразува в електрическа.

Разбирането на това разграничение прави много по-лесно да се види къде технологията с постоянен магнит се вписва в модерните вятърни системи.

Къде се намира генераторът на постоянен магнит във вятърна турбина?

Вятърът завърта лопатките и ротора на турбината.

Това механично въртене трябва след това да се преобразува в електричество от генератора.

Има две широки схеми на задвижване.

Редукторни вятърни турбини

При редукторно задвижване роторът на турбината се върти относително бавно.

Скоростната кутия увеличава скоростта на въртене, преди механичната мощност да достигне генератора.

Това позволява на генератора да работи с по-висока скорост на въртене от ротора на турбината.

Следователно целта на скоростната кутия е да отговаря на изискванията за механична скорост на ротора и генератора. Не трябва да се описва просто като „съвпадение на честотата на мрежата“, тъй като съвременните турбини с променлива скорост обикновено използват силова електроника между генератора и мрежата.

Вятърни турбини с директно задвижване

Системата с директно задвижване премахва основната скоростна кутия.

Генераторът е свързан много по-директно към ротора на турбината и следователно трябва да работи при много по-ниска скорост, като същевременно произвежда висок въртящ момент.

Това значително променя дизайна на генератора.

Генераторите с постоянен магнит с директно задвижване обикновено са с по-голям диаметър и използват множество магнитни полюси, така че полезният електрически изход може да се произвежда при ниска скорост на въртене.

Защо да използваме постоянни магнити?

Синхронен генератор с постоянен магнит създава роторното магнитно поле с постоянни магнити, а не с намотка за възбуждане на ротор.

Това предлага няколко полезни характеристики за приложения за вятърна енергия.

Няма ток на възбуждане на ротора

Тъй като магнитното поле се създава от постоянни магнити, роторът не изисква отделна система за електрическо възбуждане.

Това може да намали електрическите загуби на ротора и да опрости част от структурата на генератора.

Подходящ за конструкции с ниска скорост и висок въртящ момент

Машините с постоянен магнит могат да бъдат проектирани с много полюси и висока плътност на въртящия момент.

Това е особено важно за вятърни системи с директно задвижване, където скоростта на генератора е ниска и механичният въртящ момент е висок.

Съвместим с работа с променлива скорост

Скоростта на вятъра се променя непрекъснато.

Работата на турбината с променлива скорост може да позволи на ротора да остане по-близо до предпочитаното от него аеродинамично работно състояние в по-широк диапазон от условия на вятъра.

Генераторите с постоянен магнит обикновено се използват с електронни преобразуватели с пълна мощност, което позволява честотата на генератора да варира независимо от честотата на мрежата.

Това прави възможна работа с променлива скорост, без да се изисква механичният ротор да работи с една фиксирана синхронна скорост, свързана директно към мрежата.

Каква роля играе преобразувателят на мощност?

Генераторът е само една част от електрическата система на вятърната турбина.

В много вятърни турбини с постоянен магнит електрическата мощност от генератора преминава през пълномащабен AC/DC/AC преобразувател, преди да достигне мрежата.

Този конвертор изпълнява няколко важни функции.

Той позволява на генератора да работи с променлива скорост, преобразува изхода на генератора с променлива честота в електрическа мощност, съвместима с мрежата, и осигурява контрол върху активната и реактивната мощност на терминалите на турбината.

Това разграничение има значение, тъй като способността за поддръжка на мрежата не трябва да се приписва на самите постоянни магнити.

Генераторът произвежда електрическа енергия, докато преобразувателят и системата за управление на турбината управляват как тази мощност се доставя в мрежата.

Директното задвижване не означава „Винаги по-добро“

Премахването на скоростната кутия може да намали броя на компонентите на задвижването и да елиминира една основна механична подсистема.

Това може да бъде привлекателно, когато достъпът за поддръжка е труден.

Генераторите с директно задвижване обаче носят и свои собствени инженерни предизвикателства.

Нискоскоростният генератор обикновено се нуждае от по-голяма електромагнитна структура, за да произведе необходимия въртящ момент. Системите с директно задвижване с постоянен магнит могат също да използват значителни количества редкоземен магнитен материал.

Ето защо продължават да съществуват архитектури на вятърни турбини с редуктор и директно задвижване.

Подходящият избор зависи от мощността на турбината, скоростта на ротора, дизайна на генератора, теглото, стратегията за поддръжка, разходите за материали и цялостната икономика на системата.

Където се вписва технологията с постоянен магнит с аксиален поток

Повечето хора свързват големите вятърни генератори с машини с радиален поток, но технологията с постоянен магнит с аксиален поток също е подходяща за компактни и специализирани конструкции на генератори.

В машина с аксиален поток магнитният поток се движи предимно по оста на двигателя или генератора, а не радиално през конвенционална цилиндрична структура.

Архитектурата може да предложи висока плътност на въртящия момент и относително къса аксиална дължина.

За по-малки генератори с директно задвижване или приложения, където опаковката и плътността на въртящия момент са важни, това прави технологията с аксиален поток заслужаваща внимание.

Понастоящем Jiangnan Electric разработва машини с постоянен магнит с аксиален поток в допълнение към конвенционалните PMSM продукти. Публикуваната гама от аксиални потоци на компанията обхваща множество конфигурации на напрежение, скорост, охлаждане и монтаж.

Една и съща електромагнитна платформа може да бъде подходяща както за разработването на двигатели, така и за генератори, но даден двигателен продукт не трябва автоматично да се представя като вятърен генератор без електромагнитно, термично и механично валидиране за специфично приложение.

Приложения за вятърна енергия с електричество и постоянен магнит на Jiangnan

Hangzhou Jiangnan Electric Motor Co., Ltd. в момента произвежда няколко семейства синхронни двигатели с постоянен магнит, включително конвенционални PMSM, нискоскоростни конструкции с висок въртящ момент и машини с постоянен магнит с аксиален поток.

Някои от съществуващите продуктови платформи демонстрират характеристики, които също са важни при разработването на вятърни генератори.

Например, платформата JNPM520-45 на Jiangnan е с мощност 45 kW и 245 rpm с номинален въртящ момент от 1754 N·m. Въпреки че е разработена за промишлено приложение с директно задвижване, а не представена тук като генератор на вятърна турбина, комбинацията от ниска скорост и висок въртящ момент илюстрира типа предизвикателство при електромагнитния дизайн, което се среща и в системите за генериране на директно задвижване.

Портфолиото на Jiangnan за аксиален поток също включва машини с постоянен магнит, проектирани около компактни аксиални структури и работа с променлива скорост.

Текущият уебсайт на компанията допълнително изброява продукти с постоянен магнит за приложения с ниска скорост на вятъра и малки до средни по мащаб приложения за вятърна енергия.

За истински проект за вятърна енергия обаче процесът на подбор трябва да започне с изискванията за генератор, а не с избора на съществуващ двигател само по номинална мощност.

Каква информация е необходима за проект за вятърен генератор?

Преди да оцените генератор с постоянен магнит, трябва да се дефинират няколко работни условия.

Важна информация включва:

• номинална електрическа мощност;
• номинална и максимална скорост на ротора;
• непрекъснат и пиков въртящ момент;
• необходимо изходно напрежение;
• честотен диапазон на генератора;
• метод на охлаждане;
• устройство за монтаж;
• вал или интерфейс с директно задвижване;
• очаквани условия на околната среда;
• ниво на защита;
• топология на конвертора;
• непрекъснато работно задължение.

За проект с директно задвижване скоростта на ротора и въртящият момент са особено важни, тъй като генераторът трябва да се справи с натоварването на турбината, без да разчита на скоростна кутия с високо съотношение.

За малки и средни вятърни енергийни системи опаковката, теглото на генератора, цената на конвертора и изискванията за поддръжка също могат да повлияят силно на крайния дизайн.

PMSM или PMSG: Терминологията има значение

Синхронните двигатели с постоянен магнит и синхронните генератори с постоянен магнит се основават на тясно свързани електромагнитни принципи.

Но техните оперативни роли са различни.

PMSM обикновено преобразува електрическата енергия в механичен изход.

PMSG преобразува механичния вход в електрическа енергия.

Следователно във вятърните турбини основната машина за преобразуване на енергия се описва по-точно като PMSG.

За клиентите, разработващи оборудване за вятърна енергия, важният въпрос не е просто дали съществуващ PMSM може да бъде инсталиран в турбина.

Правилният подход е първо да се определи необходимата скорост на генератора, въртящ момент, напрежение, топлинни условия, механичен интерфейс и преобразувателна система и след това да се проектира или избере машината с постоянен магнит според тези изисквания.

Отказ от отговорност

Информацията в тази статия е предоставена само за обща справка. Спецификациите на продукта, производителността, опциите за конфигурация и пригодността трябва да бъдат оценени подробно за предвиденото приложение и действителните работни условия. Преди да изберете, закупите или използвате продукт, моля, потвърдете съответните подробности с Jiangnan Electric и вижте приложимата техническа документация и договорените спецификации. Тази статия не замества специфични за продукта инструкции или професионална инженерна оценка.