Hogyan használják az állandó mágneses szinkrongenerátorokat a szélturbinákban
Az állandó mágneses szinkron technológiát széles körben használják a modern elektromos gépekben, az ipari motoroktól a szélerőművekig.
A szélturbinában azonban az állandó mágneses gép általában generátorként működik, nem motorként. Emiatt a permanens mágneses szinkrongenerátor (PMSG) pontosabb, mint a PMSM, amikor a szélturbinán belüli fő áramtermelő egységről beszélünk.
Az elektromágneses elvek szorosan összefüggenek, de az energiaátalakítás iránya eltérő.
A PMSM az elektromos energiát mechanikus forgássá alakítja. A PMSG ennek az ellenkezőjét teszi: a forgó szélturbinás hajtáslánc mechanikai energiát szolgáltat a generátornak, amely azt elektromos energiává alakítja.
Ennek a megkülönböztetésnek a megértése megkönnyíti annak megállapítását, hogy az állandó mágneses technológia hol illeszkedik a modern szélenergia-rendszerekhez.
Hol található az állandó mágneses generátor a szélturbinában?
A szél megforgatja a turbinalapátokat és a forgórészt.
Ezt a mechanikus forgást a generátornak elektromos árammá kell alakítania.
Két széles hajtáslánc-elrendezés létezik.
Fogaskerekes szélturbinák
A fogaskerekes hajtásláncban a turbina rotorja viszonylag lassan forog.
A sebességváltó megnöveli a fordulatszámot, mielőtt a mechanikai erő elérné a generátort.
Ez lehetővé teszi, hogy a generátor nagyobb fordulatszámmal működjön, mint a turbina rotorja.
A sebességváltó célja tehát, hogy megfeleljen a forgórész és a generátor mechanikai fordulatszám követelményeinek. Nem szabad egyszerűen úgy leírni, hogy "a hálózati frekvenciához illeszkedik", mert a modern változó sebességű turbinák általában teljesítményelektronikát használnak a generátor és a hálózat között.
Közvetlen meghajtású szélturbinák
A közvetlen meghajtású rendszer eltávolítja a fő sebességváltót.
A generátor sokkal közvetlenebben csatlakozik a turbina rotorjához, ezért sokkal alacsonyabb fordulatszámon kell működnie, miközben nagy nyomatékot produkál.
Ez jelentősen megváltoztatja a generátor felépítését.
A közvetlen meghajtású állandó mágneses generátorok általában nagyobb átmérőjűek, és több mágneses pólust használnak, így alacsony forgási sebesség mellett is hasznos elektromos teljesítményt lehet előállítani.
Miért használjunk állandó mágneseket?
Az állandó mágneses szinkrongenerátor a rotor mágneses terét állandó mágnesekkel hozza létre, nem pedig rotor gerjesztő tekercselésével.
Ez számos hasznos tulajdonságot kínál a szélenergia alkalmazásokhoz.
Nincs rotor gerjesztési áram
Mivel a mágneses teret állandó mágnesek állítják elő, a forgórész nem igényel külön elektromos gerjesztőrendszert.
Ez csökkentheti a rotor elektromos veszteségeit és egyszerűsíti a generátor szerkezetének egy részét.
Alkalmas alacsony fordulatszámú, nagy nyomatékú kivitelekhez
Az állandó mágneses gépek sok pólussal és nagy nyomatéksűrűséggel tervezhetők.
Ez különösen fontos a közvetlen meghajtású szélrendszereknél, ahol a generátor sebessége alacsony és a mechanikai nyomaték nagy.
Kompatibilis a változó sebességű működéssel
A szél sebessége folyamatosan változik.
A turbina változtatható sebességgel történő működtetése lehetővé teszi, hogy a rotor közelebb maradjon a preferált aerodinamikai működési állapotához szélesebb szélviszonyok között.
Az állandó mágneses generátorokat általában teljes teljesítményű elektronikus konverterekkel használják, lehetővé téve, hogy a generátor frekvenciája a hálózati frekvenciától függetlenül változzon.
Ez lehetővé teszi a változtatható fordulatszámú működést anélkül, hogy a mechanikus rotornak egyetlen rögzített szinkron sebességgel kell működnie, amely közvetlenül a rácshoz van kötve.
Milyen szerepet játszik az áramátalakító?
A generátor csak egy része a szélturbina elektromos rendszerének.
Sok permanens mágneses szélturbinában a generátor elektromos árama egy teljes körű AC/DC/AC konverteren halad át, mielőtt elérné a hálózatot.
Ez az átalakító számos fontos funkciót lát el.
Lehetővé teszi, hogy a generátor változtatható fordulatszámon működjön, a változtatható frekvenciájú generátor kimenetét hálózatkompatibilis elektromos energiává alakítja át, és szabályozza az aktív és meddő teljesítményt a turbina kapcsain.
Ez a különbségtétel azért fontos, mert a rács támogatási képességét nem szabad maguknak az állandó mágneseknek tulajdonítani.
A generátor elektromos energiát termel, míg az átalakító és a turbinavezérlő rendszer szabályozza, hogy ez az energia hogyan jut el a hálózathoz.
A közvetlen meghajtás nem azt jelenti, hogy „mindig jobb”
A sebességváltó eltávolítása csökkentheti a hajtáslánc alkatrészeinek számát, és megszüntetheti az egyik fő mechanikai alrendszert.
Ez vonzó lehet ott, ahol nehéz a karbantartáshoz való hozzáférés.
A közvetlen meghajtású generátorok azonban meghozzák a maguk mérnöki kihívásait is.
Az alacsony fordulatszámú generátornak általában nagyobb elektromágneses szerkezetre van szüksége a szükséges nyomaték előállításához. Az állandó mágneses közvetlen meghajtású rendszerek jelentős mennyiségű ritkaföldfém mágneses anyagot is felhasználhatnak.
Ez az oka annak, hogy mind a hajtóműves, mind a közvetlen hajtású szélturbina architektúrák továbbra is léteznek.
A megfelelő választás a turbina névleges értékétől, a forgórész fordulatszámától, a generátor kialakításától, tömegétől, karbantartási stratégiájától, az anyagköltségtől és a rendszer általános gazdaságosságától függ.
Ahol az axiális fluxus állandó mágneses technológia illik
A legtöbben a nagy szélgenerátorokat a radiális fluxusú gépekkel asszociálják, de az axiális fluxusú állandó mágneses technológia a kompakt és speciális generátorok tervezésénél is releváns.
Egy axiális fluxusú gépben a mágneses fluxus elsősorban a motor vagy a generátor tengelye mentén halad, nem pedig radiálisan egy hagyományos hengeres szerkezeten keresztül.
Az architektúra nagy nyomatéksűrűséget és viszonylag rövid axiális hosszt kínál.
Kisebb, közvetlen meghajtású generátoroknál vagy olyan alkalmazásoknál, ahol a csomagolás és a nyomatéksűrűség fontos, ezért érdemes megfontolni az axiális fluxus technológiát.
A Jiangnan Electric jelenleg axiális fluxusú állandó mágneses gépeket fejleszt a hagyományos PMSM termékek mellett. A cég közzétett axiális fluxus tartománya többféle feszültség-, sebesség-, hűtési és rögzítési konfigurációt fed le.
Ugyanaz az elektromágneses platform releváns lehet mind a motor, mind a generátor fejlesztése során, de egy motorterméket nem szabad automatikusan szélgenerátorként bemutatni alkalmazásspecifikus elektromágneses, termikus és mechanikai érvényesítés nélkül.
Jiangnan elektromos és állandó mágneses szélenergia alkalmazások
A Hangzhou Jiangnan Electric Motor Co., Ltd. jelenleg számos állandó mágneses szinkron motorcsaládot gyárt, beleértve a hagyományos PMSM-eket, az alacsony fordulatszámú, nagy nyomatékú konstrukciókat és axiális fluxusú állandó mágneses gépeket.
A meglévő termékplatformok némelyike olyan tulajdonságokat mutat, amelyek a szélenergia-generátorok fejlesztésében is fontosak.
Például a Jiangnan JNPM520-45 platform névleges teljesítménye 45 kW és 245 ford./perc 1754 N·m névleges nyomatékkal. Bár ipari közvetlen hajtású alkalmazásra fejlesztették ki, nem pedig szélturbina generátorként, az alacsony fordulatszám és a nagy nyomaték kombinációja jól szemlélteti a közvetlen hajtású generátorrendszerekben is előforduló elektromágneses tervezési kihívásokat.
A Jiangnan axiális fluxusos portfóliójába olyan állandó mágneses gépek is tartoznak, amelyeket kompakt axiális szerkezetekre és változó sebességű működésre terveztek.
A cég jelenlegi webhelye ezen kívül állandó mágneses termékeket is felsorol alacsony szélsebességű, valamint kis- és közepes méretű szélenergia-alkalmazásokhoz.
Valódi szélenergia-projekt esetén azonban a kiválasztási folyamatot a generátorigényekkel kell kezdeni, nem pedig egy meglévő motort csak névleges teljesítmény alapján.
Milyen információkra van szükség egy szélenergia-generátor projekthez?
Az állandó mágneses generátor értékelése előtt több működési feltételt kell meghatározni.
A fontos információk közé tartozik:
- névleges elektromos teljesítmény;
- névleges és maximális rotorfordulatszám;
- folyamatos és csúcsnyomaték;
- szükséges kimeneti feszültség;
- generátor frekvenciatartomány;
- hűtési módszer;
- szerelési elrendezés;
- tengely vagy közvetlen meghajtású interfész;
- várható környezeti feltételek;
- védelmi szint;
- konverter topológia;
- folyamatos üzemi szolgálat.
Közvetlen hajtású projekteknél a forgórész fordulatszáma és nyomatéka különösen fontos, mivel a generátornak kezelnie kell a turbina terhelését anélkül, hogy nagy áttételű sebességváltóra támaszkodna.
Kis és közepes szélerőművek esetén a csomagolás, a generátor súlya, az átalakító költsége és a karbantartási igények szintén erősen befolyásolhatják a végső kialakítást.
PMSM vagy PMSG: A terminológia számít
Az állandó mágneses szinkronmotorok és az állandó mágneses szinkrongenerátorok szorosan összefüggő elektromágneses elveken alapulnak.
De a működési szerepük más.
A PMSM általában az elektromos energiát mechanikus kimenetté alakítja.
A PMSG a mechanikai bemenetet elektromos energiává alakítja.
A szélturbinákban a fő energiaátalakító gépet pontosabban PMSG-ként írják le.
A szélerőműveket fejlesztő ügyfelek számára nem egyszerűen az a fontos kérdés, hogy egy meglévő PMSM beépíthető-e egy turbinába.
A helyes megközelítés az, hogy először meg kell határozni a generátor szükséges fordulatszámát, nyomatékát, feszültségét, hőmérsékleti viszonyait, mechanikai interfészt és átalakító rendszert, majd ezeknek a követelményeknek megfelelően meg kell tervezni vagy kiválasztani az állandó mágneses gépet.
Jogi nyilatkozat
A cikkben szereplő információk csak általános tájékoztatást szolgálnak. A termék specifikációit, teljesítményét, konfigurációs lehetőségeit és alkalmasságát részletesen értékelni kell a tervezett alkalmazáshoz és a tényleges működési feltételekhez. Termék kiválasztása, vásárlása vagy használata előtt kérjük, erősítse meg a vonatkozó részleteket a Jiangnan Electric vállalattal, és tekintse meg a vonatkozó műszaki dokumentációt és az elfogadott specifikációkat. Ez a cikk nem helyettesíti a termékspecifikus utasításokat vagy a professzionális műszaki értékelést.
