prądnica do małej bezprzekładniowej elektrowni wiatrowej - Komel

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 86/2010 153Zbigniew Goryca, Politechnika Radomska, RadomMariusz Malinowski, Politechnika Warszawska, WarszawaPRĄDNICA DO MAŁEJ BEZPRZEKŁADNIOWEJ ELEKTROWNIWIATROWEJGENERATOR FOR SMALL GEARLESS WIND POWER PLANTAbstract: The paper presents design of generator for small gearless wind power plant. It is multi-pole machine,whose cogging torque has been minimized through the application of odd number of stator teeth. Designingcalculations of flat model of generator were carried out with the use of package COMSOL Multiphysicsv3.3 using finite element method. The simulation result shows negligible value of cogging torque for suchsolution. The generator has low mass at the power of 6kW and the speed of 150 rev/min.1. WstępStały wzrost cen energii elektrycznej powodujewzrost zainteresowania wykorzystaniem siływiatru do produkcji tej energii. Istnieje duŜagrupa odbiorców indywidualnych zaiteresowanychmałymi konstrukcjami przeznaczonymido zasilania domów jednorodzinnych lubprzeznaczonymi do wspomagania systemówgrzewczych w takich domach. W celuobniŜenia kosztów i podwyŜszenia sprawnościprzetwarzania energii wiatru w energięelektryczną buduje się bezprzekładniowekonstrukcje [1], [3], [7], [8], [9], w którychturbina wiatrowa mocowana jest bezpośredniona wale prądnicy. Powoduje to koniecznośćbudowy wolnoobrotowych, wielobiegunowychprądnic. W pracy przedstawiono konstrukcjętakiej prądnicy zapewniającej mały momentzaczepowy, co pozwala na start elektrowni przymałej prędkości wiatru. Zaletą tej prądnicy jesttakŜe mała masa wynikająca z zastosowanialekkiego wirnika.2. ZałoŜenia konstrukcyjnePrzy projektowaniu prądnicy przyjęto następujące,podstawowe załoŜenia:- moc prądnicy 6 kW- napięcie wyjściowe 3X400 V- częstotliwość 50 Hz- prędkość obrotowa 150 obr./min.Tak mała prędkość obrotowa wynika z zastosowaniado napędu prądnicy wolnobieŜnej,trójłopatowej turbiny wiatrowej o średnicy 7 m.Mała prędkość obrotowa (150 obr./min.) przyczęstotliwości napięcia wyjściowego 50 Hznarzuca liczbę biegunów wirnika równą 40.3. Konstrukcja prądnicyPodstawowym problemem w wielobiegunowychmaszynach z magnesami trwałymi jestduŜy moment zaczepowy [2], [4], [5], [6] wynikającyz duŜej liczby biegunów. DuŜy momentzaczepowy wywołuje drgania maszyny podczaspracy i związany z nimi hałas. Poza tymelektrownia wiatrowa startuje dopiero przyznacznej prędkości wiatru, co ma głównie znaczeniepsychologiczne dla odbiorcy. Najprostszymi najczęściej stosowanym sposobemminimalizacji tego momentu jest stosowanieskosu Ŝłobków stojana [4], [6]. MoŜna gojednak stosować w przypadkach, gdzie długośćpakietu blach stojana jest znaczna. Przy małejdługości pakietu następuje wyraźne ograniczeniepowierzchni uŜytkowj Ŝłobka i trudnościz umieszczeniem w nim uzwojenia. Innympopularnym sposobem minimalizacji momentuzaczepowego jest stosowanie skosu lubpseudoskosu (kilka magnesów na długościwirnika przesuniętych względem siebie o określonykąt) magnesów [5]. Rozwiązanie towymaga stosowania drogich przyrządów doklejenia magnesów i nie daje tak dobrychefektów jak skos zębów stojana. W przedstawionejkonstrukcji minimalizację momentuzaczepowego uzyskano przez zastosowanie nietypowej,nieparzystej liczby zębów stojanaróŜnej o jeden od liczby biegunów magnetycznychwirnika. Obliczenia projektowe modelupłaskiego wykonano przy uŜyciu programuCOMSOL Multiphysics w wersji 3.3. Do obliczeniazadanego obwodu magnetycznego programten korzysta z metody elementów skończonych.PoniŜszy rysunek prezentuje zaleŜ-

154Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 86/2010ność momentu zaczepowego prądnicy w funkcjikąta obrotu.Rys.1. Moment zaczepowy w funkcji kąta obrotuwirnika dla 5 warstw w szczelinieJak widać moment zaczepowy jest pomijalniemały w stosunku do momentu znamionowegoprądnicy (około 400 Nm). Na rysunku nr 2przedstawiono dwa rzuty obrazujące konstrukcjęprądnicy. Pakiet blach stojana 1 umieszczonyzostał w dwuczęściowej, aluminiowejobudowie 2. Obudowa jest odlewem aluminiowym,na którym znajdują się Ŝebra zwiększającesztywność obudowy i poprawiająceoddawanie ciepła do otoczenia.baryłkowych łoŜyskach zapewniających przenoszenieduŜych obciąŜeń mechanicznych,w tym duŜych sił poosiowych. Szczelność obudowyzapewniają dwa pierścienie uszczelniająceumieszczone w pobliŜu łoŜysk. W pobliŜułoŜysk znajdują się takŜe nie uwidocznionena rysunku otwory do mocowania prądnicy.4. WnioskiWolnoobrotowe, bezprzekładniowe prądnicez magnesami trwałymi znajdują coraz częstszezastosowanie w małych elektrowniach wiatrowychprzeznaczonych do wspomagania układugrzewczego domów jednorodzinnych. Latemuzyskiwana z nich energia moŜe być magazynowanaw akumulatorach lub zwracana do siecienergetycznej przez układy energoelektroniczne.Prezentowana w pracy konstrukcja mapomijalnie mały moment zaczepowy – mniejszyod tarć w łoŜyskach i pierścieniach uszczelniających.Dzięki temu elektrownia wiatrowastartować będzie juŜ przy słabych wiatrach.Zaletą jest takŜe mała prędkość obrotowa –150 obr./min. co pozwala umieszczać turbinęwiatrową bezpośrednio na wale prądnicy.Przedstawiona konstrukcja charakteryzuje sięmałą masą.Wirnik 3 z naklejonymi magnesami 4wykonano w postaci koła ze stalowymwieńcem. W celu zmniejszenia masy wirnikawykonano w nim sześć okrągłych otworów.Wirnik osadzony jest w obudowie na dwóchRys. 2. Konstrukcja wolnoobrotowej prądnicy

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 86/2010 155Praca została wykonana w ramach projekturozwojowego nr N R01 0015 06/2009 finansowanegoprzez Narodowe Centrum Badańi Rozwoju.dr hab. inŜ. Zbigniew Goryca prof. P.R.Politechnika Radomska, Wydział Transportui Elektrotechniki, Instytut Automatyki i Telematyki,ul. Malczewskiego 29, 26-600 Radom,tel. +(48-48) 361-77-11, 601-25-05-30,fax: +(48-48) 361-70-12e-mail: tgoryca@kki.net.pldr inŜ. Mariusz MalinowskiPolitechnika Warszawska, Wydział Elektryczny,Instytut Sterowania i ElektronikiPrzemysłowej, ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa,tel.: +(48-22) 625-66-33, fax: +(48-22)234-51-24, e-mail: malin@isep.pw.edu.pl5. Literatura[1]. Czuczman J., Czerepanjak M., Sczur I.,Golubowski P.: Generatory synchroniczne doautonomicznych, bezprzekładniowych elektrowniwiatrowych, XII Konferencja „ProblemyEksploatacji Maszyn i Napędów Elektrycznych”,Ustroń 18-20 maj, 2005.[2]. Glinka T.: Maszyny elektryczne wzbudzanemagnesami trwałymi, Wydawnictwo PolitechnikiŚląskiej, Gliwice 2002.[3]. Goryca Z.: Wolnoobrotowy generator tarczowydo małej elektrowni wiatrowej, XVI Konferencja„Problemy Eksploatacji Maszyn i Napędów Elektrycznych”,Rytro 28-30 maj, 2008.[4]. Kowol M.: Analiza pracy przełączalnego silnikareluktancyjnego z wirnikiem zewnętrznym donapędu lekkich pojazdów, rozprawa doktorska, PolitechnikaOpolska, 2008.[5]. Łukaniszyn M., Młot A.: Analiza momentuelektromagnetycznego i składowych pulsacji w bezszczotkowymsilniku prądu stałego wzbudzanymmagnesami trwałymi, Przegląd Elektrotechniczny nr10 2005.[6]. 6. Gajewski M.: Analiza pulsacji momentuw silnikach bezszczotkowych z magnesami trwałymi,rozprawa doktorska, Politechnika Warszawska, WydziałElektryczny, 2007.[7]. 7. Goryca Z., Młodzikowski P.: Analiza konstrukcjibezprzekładniowych prądnic do małychelektrowni wiatrowych, Konferencja PodstawoweProblemy Energoelektroniki, Elektromechanikii Mechatroniki” PPEEm, Wisła 14-17.12.2009.[8]. 8. Polak A., BeŜański A.: Małe elektrowniewiatrowe-przykłady praktycznego zastosowania, XIIKonferencja „Problemy Eksploatacji Maszyn i NapędówElektrycznych”, Ustroń 18-20 maj, 2005.[9]. 9. http://www.elektrowniewiatrowe.org.pl/t_typy_ewi.htm-2008.01.15.Autorzy