Jak generatory synchroniczne z magnesami trwałymi są wykorzystywane w turbinach wiatrowych
Technologia synchroniczna z magnesami trwałymi jest szeroko stosowana w nowoczesnych maszynach elektrycznych, od silników przemysłowych po generatory wiatrowe.
Jednakże w turbinie wiatrowej maszyna z magnesami trwałymi zwykle działa jako generator, a nie jako silnik. Z tego powodu termin generator synchroniczny z magnesami trwałymi (PMSG) jest dokładniejszy niż PMSM przy omawianiu głównej jednostki wytwarzania energii wewnątrz turbiny wiatrowej.
Zasady elektromagnetyczne są ze sobą ściśle powiązane, ale kierunek konwersji energii jest inny.
PMSM przekształca energię elektryczną w obrót mechaniczny. PMSG działa odwrotnie: obracający się układ napędowy turbiny wiatrowej dostarcza energię mechaniczną do generatora, który przekształca ją w energię elektryczną.
Zrozumienie tego rozróżnienia znacznie ułatwia zrozumienie, gdzie technologia magnesów trwałych pasuje do nowoczesnych systemów energii wiatrowej.
Gdzie w turbinie wiatrowej znajduje się generator z magnesami trwałymi?
Wiatr obraca łopatki turbiny i wirnik.
Ten mechaniczny obrót musi następnie zostać przekształcony w energię elektryczną przez generator.
Istnieją dwa szerokie układy układu napędowego.
Przekładniowe turbiny wiatrowe
W przekładniowym układzie napędowym wirnik turbiny obraca się stosunkowo wolno.
Skrzynia biegów zwiększa prędkość obrotową, zanim moc mechaniczna dotrze do generatora.
Dzięki temu generator może pracować z większą prędkością obrotową niż wirnik turbiny.
Celem przekładni jest zatem dopasowanie do wymagań prędkości mechanicznej wirnika i generatora. Nie należy tego po prostu opisywać jako „dopasowania do częstotliwości sieci”, ponieważ nowoczesne turbiny o zmiennej prędkości zwykle wykorzystują elektronikę mocy pomiędzy generatorem a siecią.
Turbiny wiatrowe z napędem bezpośrednim
Układ napędu bezpośredniego usuwa główną skrzynię biegów.
Generator jest podłączony znacznie bardziej bezpośrednio do wirnika turbiny i dlatego musi pracować ze znacznie niższą prędkością, wytwarzając jednocześnie wysoki moment obrotowy.
Zmienia to znacząco konstrukcję generatora.
Generatory z magnesami trwałymi z napędem bezpośrednim mają zwykle większą średnicę i wykorzystują wiele biegunów magnetycznych, dzięki czemu można wytwarzać użyteczną moc elektryczną przy niskiej prędkości obrotowej.
Dlaczego warto używać magnesów trwałych?
Generator synchroniczny z magnesami trwałymi wytwarza pole magnetyczne wirnika za pomocą magnesów trwałych, a nie uzwojenia wzbudzenia wirnika.
Zapewnia to kilka przydatnych właściwości w zastosowaniach związanych z energią wiatrową.
Brak prądu wzbudzenia wirnika
Ponieważ pole magnetyczne wytwarzane jest przez magnesy trwałe, wirnik nie wymaga oddzielnego układu wzbudzenia elektrycznego.
Może to zmniejszyć straty elektryczne wirnika i uprościć część konstrukcji generatora.
Nadaje się do konstrukcji o niskiej prędkości i wysokim momencie obrotowym
Maszyny z magnesami trwałymi można projektować z wieloma biegunami i dużą gęstością momentu obrotowego.
Jest to szczególnie istotne w przypadku systemów wiatrowych z napędem bezpośrednim, gdzie prędkość generatora jest niska, a moment mechaniczny wysoki.
Kompatybilny z pracą ze zmienną prędkością
Prędkość wiatru zmienia się w sposób ciągły.
Praca turbiny ze zmienną prędkością może umożliwić utrzymanie wirnika bliżej preferowanego aerodynamicznego stanu pracy w szerszym zakresie warunków wietrznych.
Generatory z magnesami trwałymi są powszechnie stosowane w połączeniu z przetwornicami elektronicznymi pełnej mocy, co pozwala na zmianę częstotliwości generatora niezależnie od częstotliwości sieci.
Umożliwia to pracę ze zmienną prędkością bez konieczności pracy wirnika mechanicznego z jedną stałą prędkością synchroniczną powiązaną bezpośrednio z siecią.
Jaką rolę odgrywa konwerter mocy?
Generator jest tylko jedną częścią układu elektrycznego turbiny wiatrowej.
W wielu turbinach wiatrowych z magnesami trwałymi energia elektryczna z generatora przechodzi przez pełnowymiarową przetwornicę AC/DC/AC, zanim dotrze do sieci.
Konwerter ten spełnia kilka ważnych funkcji.
Umożliwia pracę generatora ze zmienną prędkością, przekształca moc wyjściową generatora o zmiennej częstotliwości w energię elektryczną zgodną z siecią oraz zapewnia kontrolę nad mocą czynną i bierną na zaciskach turbiny.
To rozróżnienie ma znaczenie, ponieważ możliwości podtrzymywania sieci nie należy przypisywać samym magnesom trwałym.
Generator wytwarza energię elektryczną, a przetwornica i układ sterowania turbiną zarządzają sposobem dostarczania tej energii do sieci.
Napęd bezpośredni nie oznacza „zawsze lepiej”
Usunięcie skrzyni biegów może zmniejszyć liczbę elementów układu napędowego i wyeliminować jeden główny podukład mechaniczny.
Może to być atrakcyjne tam, gdzie dostęp konserwacyjny jest utrudniony.
Jednak generatory z napędem bezpośrednim wiążą się również z własnymi wyzwaniami inżynieryjnymi.
Generator o niskiej prędkości zazwyczaj potrzebuje większej struktury elektromagnetycznej, aby wytworzyć wymagany moment obrotowy. Systemy napędu bezpośredniego z magnesami trwałymi mogą również wykorzystywać znaczne ilości materiału magnetycznego z metali ziem rzadkich.
Właśnie dlatego nadal istnieją architektury turbin wiatrowych z napędem przekładniowym i bezpośrednim.
Właściwy wybór zależy od mocy turbiny, prędkości wirnika, konstrukcji generatora, masy, strategii konserwacji, kosztów materiałów i ogólnej ekonomiki systemu.
Tam, gdzie pasuje technologia magnesów trwałych Axial-Flux
Większość ludzi kojarzy duże generatory wiatrowe z maszynami o strumieniu promieniowym, ale technologia magnesów trwałych o strumieniu osiowym ma również zastosowanie w przypadku kompaktowych i wyspecjalizowanych konstrukcji generatorów.
W maszynie o strumieniu osiowym strumień magnetyczny przemieszcza się głównie wzdłuż osi silnika lub generatora, a nie promieniowo przez konwencjonalną konstrukcję cylindryczną.
Architektura może zapewnić wysoką gęstość momentu obrotowego i stosunkowo krótką długość osiową.
W przypadku mniejszych generatorów z napędem bezpośrednim lub zastosowań, w których ważne jest opakowanie i gęstość momentu obrotowego, sprawia to, że warto rozważyć technologię strumienia osiowego.
Oprócz konwencjonalnych produktów PMSM, Jiangnan Electric opracowuje obecnie maszyny z magnesami trwałymi o strumieniu osiowym. Opublikowany przez firmę asortyment produktów ze strumieniem osiowym obejmuje wiele konfiguracji napięcia, prędkości, chłodzenia i montażu.
Ta sama platforma elektromagnetyczna może mieć znaczenie zarówno przy opracowywaniu silników, jak i generatorów, ale produkt silnikowy nie powinien być automatycznie przedstawiany jako generator wiatrowy bez walidacji elektromagnetycznej, termicznej i mechanicznej specyficznej dla danego zastosowania.
Jiangnan Zastosowania elektryczne i wiatrowe z magnesami trwałymi
Hangzhou Jiangnan Electric Motor Co., Ltd. produkuje obecnie kilka rodzin silników synchronicznych z magnesami trwałymi, w tym konwencjonalne silniki PMSM, konstrukcje o niskiej prędkości i wysokim momencie obrotowym oraz maszyny z magnesami trwałymi o strumieniu osiowym.
Niektóre z istniejących platform produktów wykazują cechy, które są również ważne w rozwoju generatorów wiatrowych.
Na przykład platforma JNPM520-45 firmy Jiangnan ma moc znamionową 45 kW i 245 obr./min. oraz znamionowy moment obrotowy 1754 N·m. Chociaż opracowano je raczej do przemysłowych zastosowań z napędem bezpośrednim, a nie przedstawiono tutaj jako generator z turbiną wiatrową, połączenie niskiej prędkości i wysokiego momentu obrotowego ilustruje rodzaj wyzwania projektowego elektromagnetycznego występującego również w systemach wytwarzania z napędem bezpośrednim.
Portfolio firmy Jiangnan ze strumieniem osiowym obejmuje również maszyny z magnesami trwałymi zaprojektowane w oparciu o kompaktowe konstrukcje osiowe i pracę ze zmienną prędkością.
Na aktualnej stronie internetowej firmy znajduje się dodatkowo lista produktów z magnesami trwałymi do zastosowań w energetyce wiatrowej o niskiej prędkości wiatru oraz na małą i średnią skalę.
Jednak w przypadku prawdziwego projektu elektrowni wiatrowych proces wyboru powinien rozpocząć się od wymagań dotyczących generatora, a nie wybierać istniejącego silnika wyłącznie na podstawie mocy znamionowej.
Jakie informacje są potrzebne do projektu generatora energii wiatrowej?
Przed dokonaniem oceny generatora z magnesami trwałymi należy zdefiniować kilka warunków pracy.
Ważne informacje obejmują:
- znamionowa moc elektryczna;
- znamionowa i maksymalna prędkość wirnika;
- ciągły i szczytowy moment obrotowy;
- wymagane napięcie wyjściowe;
- zakres częstotliwości generatora;
- metoda chłodzenia;
- układ montażowy;
- interfejs wału lub napędu bezpośredniego;
- oczekiwane warunki otoczenia;
- poziom ochrony;
- topologia konwertera;
- ciągła służba eksploatacyjna.
W przypadku projektu z napędem bezpośrednim prędkość i moment obrotowy wirnika są szczególnie ważne, ponieważ generator musi wytrzymać obciążenie turbiny bez polegania na skrzyni biegów o wysokim przełożeniu.
W przypadku małych i średnich systemów elektrowni wiatrowych opakowanie, masa generatora, koszt konwertera i wymagania konserwacyjne mogą również mieć duży wpływ na ostateczny projekt.
PMSM lub PMSG: terminologia ma znaczenie
Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi i generatory synchroniczne z magnesami trwałymi opierają się na ściśle powiązanych zasadach elektromagnetycznych.
Ale ich role operacyjne są różne.
PMSM zwykle przetwarza energię elektryczną na moc mechaniczną.
PMSG przekształca wkład mechaniczny w energię elektryczną.
Dlatego w turbinach wiatrowych główną maszynę przetwarzającą energię można dokładniej opisać jako PMSG.
Dla klientów opracowujących urządzenia do energetyki wiatrowej ważnym pytaniem nie jest po prostu to, czy istniejący PMSM można zainstalować w turbinie.
Prawidłowe podejście polega na zdefiniowaniu najpierw wymaganej prędkości generatora, momentu obrotowego, napięcia, warunków termicznych, interfejsu mechanicznego i układu przetwornicy, a następnie zaprojektowaniu lub wybraniu maszyny z magnesami trwałymi w oparciu o te wymagania.
Zastrzeżenie
Informacje zawarte w tym artykule mają wyłącznie charakter ogólny. Specyfikacje produktu, wydajność, opcje konfiguracji i przydatność należy szczegółowo ocenić pod kątem zamierzonego zastosowania i rzeczywistych warunków pracy. Przed wyborem, zakupem lub użyciem produktu należy potwierdzić odpowiednie szczegóły z Jiangnan Electric i zapoznać się z obowiązującą dokumentacją techniczną i uzgodnionymi specyfikacjami. Ten artykuł nie zastępuje instrukcji dotyczących konkretnego produktu ani profesjonalnej oceny inżynierskiej.
