Petr Bogatyrev, Tomasz Wolnik, Robert Rossa

Streszczenie: W artykule przedstawiono analizę wpływu wybranych rozwiązań konstrukcyjnych generatora z magnesami trwałymi przeznaczonego do małej elektrowni wiatrowej na jego parametry i charakterystyki eksploatacyjne. Rozważano różne koncepcje doboru liczby żłobków stojana Q_s oraz liczby biegunów 2p, pozwalających na uzyskanie minimalnego momentu zaczepowego T_cogg, a jednocześnie spełniających wstępnie założone wymagania w zakresie charakterystyk eksploatacyjnych. Porównano uzyskane wyniki i określono zalety i wady poszczególnych rozwiązań.

1. Wstęp

Jednym z kluczowych parametrów, które należy uwzględnić na etapie projektowania generatorów przeznaczonych do turbin wiatrowych, jest odpowiednio niski moment zaczepowy T_cogg. Jego minimalizacja umożliwia uruchamianie elektrowni przy stosunkowo niskich prędkościach wiatru oraz przyczynia się do redukcji drgań i hałasu generowanego podczas pracy. Jedną z powszechnie znanych i szeroko stosowanych metod ograniczania momentu zaczepowego Q_s jest wprowadzenie skosu żłobków stojana lub skosu magnesów trwałych w wirniku. W przypadku generatorów dużej mocy rozwiązanie to komplikuje jednak technologię produkcji i wiąże się z dodatkowym zwiększonym nakładem kosztów np. na oprzyrządowanie. Dodatkowo, zastosowanie skosu prowadzi do obniżenia wypadkowego współczynnika uzwojenia, co skutkuje zmniejszeniem wartości indukowanego napięcia SEM.

Dla maszyn charakteryzujących się ułamkową liczbą żłobków przypadających na biegun i fazę, które często stosowane są w wolnoobrotowych generatorach z magnesami trwałymi, jedną z efektywnych metod redukcji momentu zaczepowego jest właściwy dobór liczby żłobków stojana Q_s do liczby biegunów magnetycznych 2p. Odpowiednio dobrana kombinacja tych parametrów pozwala na uzyskanie bardzo niskich wartości momentu zaczepowego, co w wielu przypadkach eliminuje konieczność stosowania dodatkowego skosu żłobków lub magnesów.

W niniejszej publikacji przedstawiono wyniki obliczeń i symulacji numerycznych przeprowadzonych dla kilku wybranych koncepcji Q_s(2p) generatora synchronicznego z magnesami trwałymi o mocy znamionowej P_el = 100 kW, prędkości obrotowej n = 50 obr./min, pracującego na obciążenie rezystancyjne Robc (cosφ = 1).

Celem przeprowadzonych obliczeń i analiz była ocena indywidualnych rozwiązań projektowych dla czterech przypadków: Q_s = 75 (2p = 74), Q_s = 78 (2p = 76), Q_s = 108 (2p = 120), Q_s = 126 (2p = 120) w zakresie uzyskiwanych parametrów eksploatacyjnych.

2. Wybór koncepcji

Tabela 1 przedstawia podstawowe właściwości generatorów dla czterech wybranych do analizy wariantów. Zgodnie z teorią, im większa jest wartość najmniejszej wspólnej wielokrotności LCM liczby biegunów magnetycznych 2p oraz liczby żłobków Q_s, tym niższa jest wartość amplitudy momentu zaczepowego Q_s. Z kolei wyższy współczynnik uzwojenia ku przekłada się na większą wartość indukowanego napięcia SEM, a tym samym wyższą moc generowaną przez maszynę. W analizie przyjęto, że generator nie posiada skosu żłobków w stojanie (k_s = 1).

3. Modele obliczeniowe

Modele obliczeniowe generatora opracowano w  środowisku ANSYS Electronics, a ich wizualizacje przedstawiono na rysunkach 1–4. We wszystkich wariantach przyjęto identyczne wymiary geometryczne rdzenia stojana i wirnika, obejmujące średnicę wewnętrzna i zewnętrzna stojana oraz szerokość szczeliny powietrznej. Magnesy trwałe o orientacji promieniowej mają jednakowy kąt elektryczny we wszystkich analizowanych modelach (tabela 2). Zastosowano uzwojenie z cewkami skupionymi (y = 1). W celu utrzymania porównywalnego poziomu współczynnika wypełnienia żłobka, w poszczególnych wariantach dostosowano średnicę drutu uzwojenia. Dla każdego przypadku dobrano odpowiednią liczbę zwojów, tak aby uzyskać wymaganą wartość napięcia znamionowego. Podstawowe dane techniczne analizowanych generatorów przedstawiono w tabeli 2.

4. Charakterystyki eksploatacyjne

Na rysunkach 5 i 6 przedstawiono obliczone charakterystyki eksploatacyjne generatora dla poszczególnych analizowanych wariantów konstrukcyjnych. W tabeli 3 zestawiono wartości momentu zaczepowego uzyskane w wyniku symulacji, natomiast tabela 4 zawiera podstawowe parametry pracy generatora przy załączeniu obciążenia o charakterze rezystancyjnym cosφ = 1.

5. Podsumowanie

Na podstawie przeprowadzonej analizy charakterystyk U = f(P_el) i η = f(P_el) stwierdzono, że najkorzystniejsze parametry wykazuje wariant konstrukcyjny o konfiguracji Q_s = 78 (2p = 76). Dla tego przypadku sprawność generatora w szerokim zakresie obciążenia (nawet powyżej 100 kW) przekracza 95%, przeciążalność momentem (przy cosφ = 1) wynosi ok. 1.5, natomiast moment zaczepowy stanowi jedynie 1.08% momentu znamionowego. Z kolei najmniej korzystnym rozwiązaniem okazał się wariant Q_s = 108 (2p = 120), dla którego sprawność przy obciążeniu znamionowym wynosi zaledwie 89%, moc maksymalna jedynie nieznacznie przekracza wartość 100 kW, a obliczony moment zaczepowy stanowi 0.3% momentu znamionowego.

Petr Bogatyrev, Tomasz Wolnik, Robert Rossa – Sieć Badawcza Łukasiewicz – Górnośląski Instytut Technologiczny, Centrum Napędów i Maszyn Elektrycznych, petr.bogatyrev@git.lukasiewicz.gov.pl