Fitur desain dari turbin angin magnet permanen kecil AC
Generator DC, alternator elektromagnetik, generator kutub cakar, generator enggan, dan generator induktif telah digunakan untuk pembangkit listrik tenaga angin kecil. Dengan perkembangan teknologi bahan magnet permanen, produk energi magnetik dari bahan magnet permanen telah sangat ditingkatkan, dan generator magnet permanen terutama digunakan saat ini. Jenis motor ini lebih unggul daripada jenis generator sebelumnya dalam hal kinerja dan keamanan listrik. Karena tempat penerapan jenis generator ini berbeda dari generator umum, persyaratan teknisnya memiliki kekhasan tersendiri, dan ia harus memiliki kecocokan yang baik dengan turbin angin dalam hal kinerja. Oleh karena itu, beberapa analisis pada beberapa masalah dalam generator jenis ini dilakukan. Dan jelajahi.
2 persyaratan teknis
Gambar 1 adalah diagram skematis dari perangkat pembangkit tenaga angin kecil. Angin menggerakkan roda angin untuk berputar, mengubah energi angin menjadi energi mekanik. Roda angin menggerakkan generator untuk memutar, mengubah energi mekanik menjadi energi listrik, dan meluruskan serta menghasilkan. Desain jenis generator ini pertama-tama harus memilih jenis generator dan garis pembetulan; menentukan daya rektifikasi yang dihitung, daya terukur, tegangan, kecepatan dan sebagainya. Persyaratan teknis utama untuk itu adalah:
(1) daya keluaran terukur PN (W); (2) Tegangan output terukur (DC) UN (V); (3) kecepatan pengenal NN (r / min); (4) efisiensi generator η (); (5) Mulai torsi resistansi TN (Nm); (6) pada kecepatan pengenal 65, tegangan tanpa beban generator tidak boleh lebih rendah dari tegangan pengenal; (7) pada kecepatan pengenal 150, generator harus dapat membebani operasi di bawah tegangan pengenal 2 menit; (8) Generator harus mampu menahan 2 kali kecepatan pengenal dalam kondisi tanpa beban, yang berlangsung 2 menit, struktur rotor tidak boleh rusak dan deformasi berbahaya; (9) Generator harus dapat mencegah hujan, salju, pasir dan kilat.
Selain itu, juga harus memenuhi persyaratan teknis insulasi motor umum, resistensi tekanan, kekuatan mekanik dan sebagainya.
Persyaratan teknis (5), (6), (7), (8) adalah persyaratan khusus untuk turbin angin, yang akan dianalisis secara terpisah di bawah ini.
3 pemilihan beban elektromagnetik
Praktik pembuatan motor modern dan operasi jangka panjang motor umumnya memberikan kisaran beban garis As dan beban magnetik Bδ dari motor yang dirancang. Ketika produk As dan Bδ sama, maka rasio antara As dan Bδ menentukan berbagai parameter generator, indeks energi gaya, dan massa. Ketika Bδ besar dan As rendah, generator itu kaya zat besi, dan ketika As besar dan Bδ kecil, generator itu kaya tembaga.
Beban listrik motor diukur dengan kerapatan arus j (A / mm2) dari belitan motor dan beban garis As (A / cm). Semakin besar beban listrik, semakin besar kerugian tembaga. Untuk turbin angin berdaya rendah, umumnya bertegangan rendah dan arus tinggi. Secara khusus, generator di bawah 1 kW sebagian besar digunakan pada 24, 36 V atau 48 V (DC terkoreksi), dan arus pengenal motor tersebut besar. Untuk generator berdaya rendah dari 1 hingga 10 kW, tegangan output dengan nilai tinggi tidak dapat diambil. Karena jenis generator ini terutama menggunakan penyimpanan energi baterai, tegangan tinggi, lebih banyak baterai harus digunakan, yang meningkatkan biaya seluruh mesin, yang sulit bagi pelanggan untuk menerimanya. Singkatnya, beban saluran turbin angin berdaya rendah relatif tinggi, dan merupakan generator yang kaya tembaga. Kehilangan tembaga motor adalah besar, terhitung sekitar 70% dari total kehilangan motor. Ini adalah situasi objektif. Selain itu, daya output generator meningkat dengan meningkatnya kecepatan angin, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Kekuatan generator meningkat dan panas meningkat. Namun, ketika kecepatan angin meningkat, kondisi pembuangan panas sangat meningkat. Oleh karena itu, untuk jenis generator ini, standar pemilihan As untuk motor umum tidak boleh ditaati, dan nilai As yang lebih tinggi dapat dipilih, yang diperlukan dan diizinkan. Sebagai contoh, motor daya kecil umum As adalah 60 hingga 80 A / cm; dan As dari jenis generator dapat diambil 100 hingga 150 A / cm; dan generator aerogen Seperti menggunakan pendingin injeksi bahan bakar efisiensi tinggi dapat mencapai sekitar 300 A / cm. Oleh karena itu, pilihan As harus memperhitungkan kehilangan motor, efisiensi, pembuangan dan aplikasi panas, dan mendapatkan nilai yang masuk akal.
Pilihan beban magnet Bδ dapat sepenuhnya sesuai dengan prinsip umum teori motorik, dan tidak akan dijelaskan di sini.
4 stator
4.1 slot stator
Berdasarkan beban listrik yang tinggi dari generator jenis ini, kerugian tembaga besar. Saat mendesain generator, lebar gigi dan ketebalan kuk harus diminimalkan untuk memastikan area alur dengan memastikan kekuatan mekanik dan kerapatan fluks magnet yang memadai. Tambah area kawat lilitan stator, kurangi konsumsi tembaga, dan tingkatkan efisiensi generator. Ini bukan sesuatu yang dipertimbangkan setiap produsen. Seringkali karena kabel lilitan stator yang lebih tipis, persyaratan desain dapat dipenuhi selama operasi awal generator. Setelah 2 hingga 3 jam beroperasi, suhu naik tajam dan daya output turun dengan cepat, sehingga daya output terukur tidak memenuhi persyaratan.
4.2 belitan stator
Persyaratan teknis turbin angin berdaya rendah (5) memperkenalkan konsep torsi mulai resistensi, karena peralatan pembangkit tenaga angin kecil umumnya berputar pada puluhan hingga ratusan putaran, untuk mengurangi tautan, mengurangi biaya dan meningkatkan keandalan. Roda angin perangkat dihubungkan langsung ke poros generator. Ini membutuhkan meminimalkan torsi resistansi yang dihasilkan oleh efek cogging generator, sehingga ketika kecepatan angin rendah (2 hingga 3 m / s), turbin angin dapat dimulai dengan cepat dan menghasilkan listrik sesegera mungkin. Untuk tujuan ini, standar nasional GB10760.1-89 mengedepankan persyaratan, lihat tabel di bawah ini.
Daya (W) 501002003005001000 maksimum torsi resistansi awal (Nm) 0.200.300.350.501.201.50
Dari teori motor, stator chute, rant slant pole dan stator fraction winding dapat mengurangi torsi resistansi yang disebabkan oleh efek cogging dan memenuhi persyaratan teknis. Namun, telah terbukti bahwa celah slot fraksional adalah cara paling efektif untuk mengurangi torsi resistansi.
Penggunaan chute stator relatif mudah diimplementasikan dalam proses, tetapi efeknya tidak jelas, dan jika jarak chute terlalu besar, kinerja listrik generator akan terpengaruh; menggunakan kutub rotor miring, magnet rotor dan kutub magnet diputar ke ukuran yang wajar. Prosesnya sulit dan pengaruhnya tidak jelas; oleh karena itu, gulungan slot fraksional sebagian besar digunakan.
Slot pecahan berliku:
Jumlah slot per fase per kutub q = Zs / 2mp = ac / d
Jumlah slot per kutub Q = Zs / 2p = AC / D
Di mana: Zs adalah jumlah slot stator; m bukan jumlah fase berliku; p adalah jumlah pasangan kutub generator; A, a adalah bilangan bulat; c / d, C / D adalah fraksi yang tidak dapat direduksi.
Teori dan praktek membuktikan bahwa semakin besar D, semakin kecil torsi resistan awal generator [5]. Selain itu, ketika nilai q meningkat, impedansi urutan negatif berkurang dan reaktansi kebocoran berkurang, yang kami harapkan. Namun, pada saat yang sama, secara berlebihan meningkatkan nilai q, kemampuan generator untuk menekan harmonik yang lebih tinggi berkurang, dan ini harus dihindari. Oleh karena itu, selama persyaratan torsi resistansi yang ditentukan oleh standar nasional terpenuhi, semakin besar nilai q, semakin baik.
Kami menghitung dan benar-benar menguji torsi beberapa generator, dari mana kami dapat menentukan koordinasi gigi, lihat Gambar 3.
5 rotor
Kecepatan turbin angin dari perangkat pembangkit tenaga angin kecil adalah puluhan hingga ratusan putaran per menit, dan rotor generator secara langsung digabungkan ke roda angin. Kecepatan rotor menentukan bahwa generator adalah generator kecepatan rendah multi-kutub; rotor umumnya terbuat dari magnet ferit dan neodymium-besi-boron, struktur tangensial; struktur rotor harus kuat dan dapat menahan dampak perubahan kecepatan angin yang tiba-tiba tanpa kerusakan atau kerusakan. Dan deformasi. Ini dengan jelas dinyatakan dalam persyaratan teknis (7) dan (8). Masalah rotor akan dibahas dalam artikel khusus.
6 karakteristik
6.1 tegangan output DC
Generator mengeluarkan tegangan arus bolak-balik untuk memperbaiki dan mengisi baterai. Menurut standar nasional, tegangan yang diperbaiki harus 2V lebih tinggi daripada baterai 12V standar, yaitu, tegangan keluaran generator adalah 14V, 28V, 42V, 56V ... Namun, telah terbukti bahwa peraturan ini layak untuk daerah. dengan sumber daya angin yang sangat melimpah, tetapi untuk sumber daya angin, area yang dapat digunakan rendah. Beberapa orang biasa memproduksi 42V (DC) di daerah budaya danau bagian dalam Jiangsu Neihu. Generator terhubung ke dua seri baterai (24V) dan bekerja dengan baik tanpa masalah serius. Oleh karena itu, ketika merancang generator, harus diketahui bahwa sumber angin di daerah di mana turbin angin digunakan umumnya harus lebih tinggi dari 4V untuk memanfaatkan sepenuhnya sumber daya angin yang berharga.
6.2 Karakteristik Keluaran
Hubungan antara daya keluaran P dan kecepatan n tidak diperlukan untuk generator umum dan penting untuk generator tersebut. Gambar 2 menunjukkan karakteristik yang diukur dari generator DYF-600. Karena persyaratan khusus, turbin angin memerlukan generator untuk menghasilkan listrik pada kecepatan angin rendah, sementara karakteristik keluaran selembut mungkin di atas kecepatan angin terukur. Oleh karena itu, ketika merancang generator, sirkuit magnetik harus jenuh sebanyak mungkin, agar tidak menyebabkan kecepatan berlebih dari turbin angin, dan daya output generator meningkat tajam, menyebabkan dampak yang berlebihan pada pengisi daya dan inverter dan generator terlalu panas, sehingga merusak. .
6.3 Karakteristik yang cocok dari turbin angin dengan karakteristik keluaran generator
(1) Setelah turbin angin dimulai, generator diharuskan untuk menghasilkan listrik sesegera mungkin, yaitu, energi angin dapat ditangkap dalam kisaran kecepatan angin rendah. Ini seperti yang dipersyaratkan oleh persyaratan teknis (6), torsi awal generator sekecil mungkin, sehingga turbin angin dapat dipotong ke dalam operasi sesegera mungkin.
(2) Diharapkan bahwa generator P = f (n) memiliki hubungan parabola kuadrat sebelum titik pengenal untuk mendapatkan energi angin terbaik dengan mencocokkan generator dengan turbin angin.
