prądnica synchroniczna z magnesami trwałymi o wirniku ... - Komel

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 89/2011 133Robert Rossa, Andrzej BiałasBOBRME Komel, KatowicePRĄDNICA SYNCHRONICZNA Z MAGNESAMI TRWAŁYMIO WIRNIKU ZEWNĘTRZNYMDO PRZYDOMOWYCH ELEKTROWNI WIATROWYCHPERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS GENERATOR WITH OUTER ROTORFOR SMALL WINDMILLSAbstract: In the paper a new construction of permanent magnet synchronous generator with outer rotor is presented.This generator is dedicated for small windmills with vertical axis of blades rotation. Thanks to lowerprices of NdFeB magnets such generators and windmills are getting more popular each year. Permanent magnetsynchronous generator with outer rotor is an attractive choice for this kind of application because of simpleand reliable mechanical construction and thanks to relatively high efficiency comparing to other types of rotatingelectrical machines.1. WstępW ostatnich latach obserwowano znaczący spadekcen magnesów trwałych NdFeB oraz poprawęich właściwości elektromagnetycznychi termicznych. Przyczyniło się to do coraz powszechniejszegozastosowania tych magnesóww maszynach elektrycznych wirujących, zarównoo małej jak i duŜej mocy znamionowej,nawet powyŜej 1 MW. Magnesy te są stosowanem.in. w generatorach synchronicznych,w których są one źródłem strumieniamagnetycznego wzbudzenia. Dzięki zastosowaniumagnesów trwałych jako źródła strumieniawzbudzenia, konstrukcja maszyny wirującejstaje się znacznie prostsza i tym samym tańsza.Maszyny elektryczne z magnesami trwałymicharakteryzują się bardzo dobrymi parametramipracy: najwyŜszą sprawnością spośród maszynelektrycznych wirujących, dobrym współczynnikiemmocy, wysokim momentem znamionowymi maksymalnym z jednostki objętości lubmasy, wysoką niezawodnością. Objętość i masamaszyny synchronicznej, w której zastosowanomagnesy trwałe, są mniejsze niŜ dla innych maszynwirujących o tej samej mocy.Dzięki zaletom wynikającym z zastosowaniamagnesów trwałych, prądnice synchronicznewzbudzane magnesami trwałymi doskonale nadająsię do zastosowania w małych elektrowniachnapędzanych turbinami wiatrowymi lubwodnymi. Stosunkowo niska cena i masa prądnicywzbudzanej magnesami przypadające na1 kW jej mocy powodują, Ŝe elektrownie wiatrowelub wodne stają się coraz bardziej dostępnedla uŜytkowników indywidualnych, któ-rzy mogą je stosować np. jako dodatkowe (lubnawet podstawowe) źródło energii do ogrzewaniadomów, szklarni, jako źródło energii dla napędupompek wzbogacających w tlen wodęw stawach rybnych, jako źródło energii doładowująceakumulatory np. na jachtach. Zastosowańmałych elektrowni z prądnicami z magnesamitrwałymi jest bardzo wiele.W niniejszym artykule przedstawiono konstrukcjęwolnoobrotowej prądnicy synchronicznejz magnesami trwałymi dedykowanej do zastosowaniaw przydomowej elektrowni wiatrowejz turbiną o pionowej osi obrotu łopatek. Projektprądnicy podjęto w BOBRME Komel na początkuroku 2010.Rys.1. Elektrownia wiatrowa o pionowej osi obrotu,rozwiązanie firmy WePOWER, USA [1].

134Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 89/20112. Przeznaczenie prądnicyCelem projektu było opracowanie obwodu elektromagnetycznegooraz konstrukcji mechanicznejdla prądnicy synchronicznej z magnesamitrwałymi o mocy ciągłej P N = 2 kW, uzyskiwanejprzy prędkości obrotowej wirnikan N = 90 obr/min. Prądnica ta miała znaleźć zastosowaniew małych, przydomowych turbinachwiatrowych o pionowej osi obrotu łopatek.Przykładowe rozwiązanie konstrukcyjne takiejmałej elektrowni wiatrowej pokazano na rys. 1.3. Konstrukcja prądnicyZ uwagi na konstrukcję turbin wiatrowycho pionowej osi obrotu, najrozsądniejszymz punktu widzenia stopnia skomplikowania,masy i niezawodności całego zespołu elektrowniwiatrowej (turbina + prądnica) wydajesię być zastosowanie w tych elektrowniachprądnic z wirnikiem zewnętrznym. Takie teŜrozwiązania elektrowni wiatrowych o osi pionowejsą spotykane najczęściej. Dzięki wirnikowizewnętrznemu łopatki turbiny mogą byćmocowane bezpośrednio do kadłuba prądnicy,np. do górnej tarczy łoŜyskowej prądnicy(rys. 2).W prądnicach (oraz silnikach) synchronicznychz magnesami trwałymi i wirnikiem zewnętrznymstosowane jest powszechnie rozwiązaniez magnesami o kształcie łukowym mocowanymina wewnętrznej powierzchni cylindrycznegojarzma wirnika. Konstrukcja taka jestokreślana w literaturze angielskojęzycznej jakoSurface Mounted Permanent Magnet SynchronousGenerator, w skrócie SMPMSG. Taką teŜkonstrukcję zastosowano w przypadku opisywanejtu prądnicy.W prądnicy zastosowano magnesy trwałez domieszkami ziem rzadkich, typu NdFeB.Magnesy te są mocowane na wewnętrznej stroniejarzma wirnika, które jednocześnie pełnirolę kadłuba zewnętrznego prądnicy (rys. 2 i 3).Liczbę biegunów magnetycznych prądnicyustalono w procesie projektowym na 2p = 40.W celu uproszczenia konstrukcji uzwojenia stojanai ułatwienia procesu zwojenia prądnicyzastosowano liczbę Ŝłobków na biegun i fazęq = 1. Konieczne było zaprojektowanie nowegowykroju blachy stojana. Częstotliwość znamionowaprądnicy wynosi f N = 30 Hz.Masa całkowita prądnicy (łącznie z jej zintegrowanączęścią wału) wynosi ok. 85 kg.Rys. 2. Opracowana w BOBRME Komel konstrukcjaprądnicy synchronicznej z magnesamitrwałymi i wirnikiem zewnętrznym, dedykowanado turbin wiatrowych o pionowej osi obrotuRys. 3. Widok prądnicy z rys. 2 po zdemontowaniugórnej tarczy łoŜyskowej4. Moment zaczepowyW maszynach z magnesami trwałymi występuje,w mniejszym lub większym stopniu, tzw.zjawisko momentu zaczepowego. Jest to zjawiskoniekorzystne, skutkujące tętnieniem momentu,drganiami mechanicznymi i zwiększonymhałasem. Moment zaczepowy jest związanyz występowaniem sił oddziaływaniamagnetycznego pomiędzy zębami pakietu blachstojana a magnesami trwałymi w wirniku.W przypadku elektrowni wiatrowych występowaniezjawiska momentu zaczepowego jestszczególnie niepoŜądane. Przede wszystkimmoment zaczepowy powoduje, Ŝe prędkośćwiatru, przy której turbina wiatrowa zaczyna sięobracać i moŜe oddawać moc, jest większa niŜw przypadku braku tego zjawiska. Drugą przyczynąsą drgania turbiny wiatrowej, mogące

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 89/2011 135przyczynić się do szybszego zuŜycia lub awariijej podzespołów mechanicznych, zwłaszczaw miejscach ich łączeń. Istotny jest takŜezwiększony poziom hałasu wywołanego drganiamigeneratora i turbiny, zwłaszcza, jeŜelielektrownia wiatrowa ma być zainstalowanaw pobliŜu budynków mieszkalnych lub bezpośredniona ich dachach.W prądnicach z magnesami trwałymi o duŜejliczbie par biegunów magnetycznych i jednocześnieo małej liczbie Ŝłobków na bieguni fazę, np. q = 1, najczęściej stosowanym sposobemminimalizacji momentu zaczepowego jestwykonanie skosu mechanicznego Ŝłobków stojanalub magnesów mocowanych w wirniku. Zewzględu na niewielki kąt podziałki biegunowej,trudno jest w takich maszynach zastosowaćskutecznie inne znane metody ograniczania momentuzaczepowego, jak np. dobór kąta łukumagnesu (jednego dla wszystkich magnesów),zastosowanie magnesów o róŜnych kątach łuku,czy zastosowanie przesunięcia pozycji osi geometrycznejmagnesów względem osi podziałkibiegunowej [3]. W prądnicy z rys. 2 i 3 zdecydowanosię na wykonanie skosu Ŝłobków stojanao jedną, pełną podziałkę Ŝłobkową stojana.5. Charakterystyki obciąŜenia prądnicyW celu uzyskania jak najwyŜszej mocy znamionoweji maksymalnej oraz sprawności prądnicyz magnesami trwałymi o z góry określonychwymiarach gabarytowych, wirnik tej prądnicypowinien być tak zaprojektowany, by jej charakterystykaobciąŜenia V LL = f(P 2 ) przebiegałamoŜliwie wysoko, tzn. spadek napięcia na zaciskachprądnicy przy wzroście prądu obciąŜeniapowinien być moŜliwie mały. Istnieją konstrukcjeprądnic z magnesami trwałymi, dla którychwzrost w pewnym zakresie prądu obciąŜeniao charakterze rezystancyjnym powoduje nawetwzrost napięcia na zaciskach i tym samym poprawęsprawności [2], [3]. Są to konstrukcjez magnesami trwałymi zamocowanymi wewnątrzjarzma magnetycznego wirnika, określanezwykle w literaturze angielskojęzycznej jakoInterior Permanent Magnet Synchronous Generator,w skrócie IPMSG. Takie konstrukcje niesą raczej spotykane w maszynach z wirnikamizewnętrznymi ze względu na stosunkowoskomplikowaną budowę wirnika i tym samymdrogi koszt wykonania takiej maszyny.Na rys. 4 przedstawiono obliczoną dla opisywanejprądnicy charakterystykę napięcia wyjściowegow funkcji mocy elektrycznej wydawanejV LL = f(P 2 ), przy załoŜeniu pracy samotnej prądnicyna liniowy, 3-fazowy odbiornik rezystancyjnyz prędkością obrotową wirnikan = 90 obr/min. Na rys. 5 przedstawiono takąsamą charakterystykę dla prędkości wirnikan = 150 obr/min.Napięcie, VLL (Vrms)30025020015010050090 obr/min, cos_fi=10 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5Moc wydawana, P2 (kW)Rys. 4. Obliczona charakterystyka V LL = f(P 2 )prądnicy z rys. 2 i 3, dla n = 90 obr/minNapięcie, VLL (Vrms)500450400350300250200150100500150 obr/min, cos_fi=10 1 2 3 4 5 6 7 8Moc wydawana, P2 (kW)Rys. 5. Obliczona charakterystyka V LL = f(P 2 )prądnicy z rys. 2 i 3, dla n = 150 obr/minNapięciowe charakterystyki obciąŜenia obliczonometodą opisaną w [2]. Jak widać, charakterystykiobciąŜenia prądnicy V LL = f(P 2 ) przyobciąŜeniu liniowym typu R są charakterystykamiopadającymi. Jest to charakterystycznacecha prądnic synchronicznych z magnesamitrwałymi o konstrukcji SMPMSG, zarównoz wirnikiem wewnętrznym jak i zewnętrznym.Na rys. 6 i 7 pokazano charakterystyki I 1 = f(P 2 )obliczone dla tej samej prądnicy.Przyczynę opadania charakterystyki V LL = f(P 2 )przy pracy samotnej prądnic SMPMSG łatwowyjaśnić z pomocą wykresu wskazowego prądnicysynchronicznej (rys. 8). Dla tych konstrukcjireaktancje magnesujące w osiach podłuŜnejX md i poprzecznej X mq mają bardzo zbliŜonewartości (nieznacznie większa jest reaktancjaX md ). Dlatego wzrost prądu obciąŜenia na odbiornikutypu R powoduje zawsze zmniejszenie

136Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 89/2011wartości modułu E i wskazu napięcia szczelinowegoE i . Dotyczy to takŜe małych prądówobciąŜenia, pomimo Ŝe wskaz prądu I 1 mawtedy głównie składową poprzeczną I q . Spadeknapięcia na rezystancji R 1 i reaktancji rozproszeniaX 1 uzwojenia stojana powoduje dalszezmniejszenie wartości napięcia na zaciskachprądnicy. Sposobem na poprawę, tzn. uzyskaniebardziej płaskich charakterystyk V LL = f(P 2 )przy pracy samotnej generatorów SMPMSGjest takie ich zaprojektowanie, by uzyskać moŜliwiemałe wartości reaktancji X md , X mq , X 1 .2590 obr/min, cos_fi=1powyŜej wartości napięcia biegu jałowegow dość szerokim zakresie mocy wydawanej P 2 .Jednak jak juŜ wspomniano, prądnice IPMSGz wirnikiem zewnętrznym są rzadko spotykane.obrótoś qjI dX mdjI 1X 1E 0jI qX mqE ioś dPrąd obciąŜenia, I1 (Arms)201510500 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5Moc wydawana, P2 (kW)Rys. 6. Obliczona charakterystyka I 1 = f(P 2 )prądnicy z rys. 2 i 3, dla n = 90 obr/minPrąd obciąŜenia, I1 (Arms)20181614121086420150 obr/min, cos_fi=10 1 2 3 4 5 6 7 8Moc wydawana, P2 (kW)Rys. 7. Obliczona charakterystyka I 1 = f(P 2 )prądnicy z rys. 2 i 3, dla n = 150 obr/minW przypadku prądnic o konstrukcji IPMSG, pomiędzyreaktancjami magnesującymi praktyczniezawsze zachodzi zaleŜność: X md < X mq .Poprzeczna reakcja twornika, skutkująca zwiększeniemnapięcia szczelinowego E i oraz napięciana zaciskach V 1 jest w tych prądnicachznacznie silniejsza od reakcji podłuŜnej, powodującejzmniejszenie tych napięć. Na wykresiewskazowym z rys. 8 objawia się to znaczniedłuŜszym modułem wektora jI q X mq w stosunkudo modułu wektora jI d X md . W efekcie, dla konstrukcjiIPMSG charakterystyka V LL = f(P 2 )przy pracy samotnej na odbiornik R przebiegaF fγδδ iV 1I 1R 1jI 1X obcϕ I 1R obcI 1Rys. 8. Wykres wskazowy generatora synchronicznegoz magnesami trwałymi do analizypracy samotnej na odbiornik R lub RLZ charakterystyki pokazanej na rys. 4 wynika,Ŝe omawiana prądnica w stanie pracy samotnejna liniowy odbiornik R, dla prędkości wirnika90 obr/min., oddaje moc elektryczną P 2 = 2 kWprzy napięciu międzyfazowym V LL = 225 Vi przy prądzie I 1 = 5.1 A. Takie warunki pracywystąpiłyby w przypadku bezpośredniego podłączeniado prądnicy odbiorników grzewczych.W wielu aplikacjach prądnica synchronicznajest podłączona do 3-fazowego prostownikadiodowego 6-połówkowego, co moŜe miećmiejsce np. przy wykorzystaniu prądnicy dozasilenia odbiorników prądu stałego, ładowaniaakumulatorów lub przy pracy prądnicy na siećsztywną za pośrednictwem przekształtnika częstotliwości.Prostownik 6-pulsowy jest obciąŜeniemo charakterze rezystancyjnym, jednakŜenieliniowym. Zarówno prąd jak i napięcie nazaciskach prądnicy pracującej na prostownikdiodowy są znacznie odkształcone [4], [5].Z uwagi na dodatkowe harmoniczne w rozkładzieprzestrzenno-czasowym indukcji w szczelinieoraz dodatkowe harmoniczne w prądzie,w prądnicy pracującej na prostownik pojawiająsię dodatkowe straty w obwodzie magnetycznym(straty w Ŝelazie ∆P Fe ) oraz wzrastająstraty w uzwojeniach ∆P Cu . To skutkuje oczy-

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 89/2011 137wiście niŜszą sprawnością prądnicy i wyŜszymiprzyrostami temperatury w maszynie w porównaniudo pracy na rezystancyjne obciąŜenie linioweo takiej samej mocy pobieranej. CharakterystykaobciąŜenia V LL = f(P 2 ) przebiegaw przypadku pracy prądnicy na prostownikdiodowy niŜej niŜ ta sama charakterystyka obliczonadla obciąŜenia liniowego R.6. PodsumowanieOpisana w artykule prądnica została wykonanai aktualnie w toku są jej badania laboratoryjne.Wstępne wyniki badań wskazują na poprawnośćprzyjętych rozwiązań, zarówno pod kątemotrzymywanych parametrów elektrycznychprądnicy jak i jej konstrukcji mechanicznej.M.in. skuteczna okazała się zastosowana metodaminimalizacji momentu zaczepowego,który udało się ograniczyć do ok. 3.5 % momentuznamionowego. Zmierzony momentobrotowy konieczny do obrócenia wałem prądnicywynosi 8 N . m. Jest to dobry wynik dla maszyny40-biegunowej. Wstępne wyniki badańwskazują takŜe na poprawność obliczonychcharakterystyk obciąŜenia. Zbadana sprawnośćprądnicy przy pracy na prostownik 6-połówkowyi przy mocy wydawanej 2 kW wynosi81 %. Wyniki obliczeń elektromagnetycznychi badań laboratoryjnych zostaną przedstawionew jednym z kolejnych artykułów poświęconychopisanej prądnicy.Literatura[1]. www.wepower.us/products/falcon/index.html.[2]. Rossa R., Król E., Metoda obwodowo-polowaobliczania charakterystyk zewnętrznych prądnic synchronicznychz magnesami trwałymi pracującychsamotnie na odbiorniki typu R lub RL, ZeszytyProblemowe „Maszyny Elektryczne”, BOBRMEKomel, nr 80/2008.[3]. Bernatt J., Obwody elektryczne i magnetycznemaszyn elektrycznych wzbudzanych magnesamitrwałymi, monografia, BOBRME Komel, Katowice2010.[4]. Boldea I., The Electric Generators Handbook -Variable Speed Generators, ISBN: 9780849357152,CRC Press, November 9, 2005, Boca Raton, FL,USA.[5]. Ojo O., Cox J., Investigation into the performancecharacteristics of an interior permanent magnetgenerator including saturation effects, 31 st IASAnnual Meeting, IAS '96, San Diego, CA, ConferenceRecord, Issue Date: 6-10 Oct. 1996, pp. 533-540, vol.1, ISBN: 0-7803-3544-9.Autorzydr inŜ. Robert Rossa,r.rossa@komel.katowice.plmgr inŜ. Andrzej Białas,e.krol@komel.katowice.plBOBRME „KOMEL”al. Roździeńskiego 188, 40-203 Katowice.Praca naukowa finansowana ze środków na naukęw latach 2010÷2011 jako projekt celowy.