Олейников А.М., Канов Л.Н.

Севастопольский национальный технический университет

Зарицкая Е.И.

Одесский национальный морской университет

МЕТОДИКА ОПТИМИЗАЦИОННОГО РАСЧЕТА ТИХОХОДНОГО СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

В настоящее время разработано и применяется значительное количество типов электрических генераторов для ветроэнергетических установок, в том числе синхронные генераторы с возбуждением от постоянных магнитов (СГПМ), которые обладают рядом важных преимуществ перед другими типами генераторов - надежность, простота конструкции и обслуживания, связанная с отсутствием скользящих контактов, автономность ввиду ненужности постоянного тока для возбуждения, меньший нагрев благодаря отсутствию потерь на возбуждение.

В то время как вопросам исследования процессов в синхронных генераторах с электромагнитным возбуждением посвящено немалое количество работ, для СГПМ такие сведения не систематизированы. В [1, 2] приведена методика расчетов параметров и конструкции СГПМ, рассмотрены приемы стабилизации частоты напряжения, помещены опытные внешние характеристики, приведены упрощенные математические модели магнитоэлектрических машин.

Существующие методики проектирования СГПМ ориентированы в основном на быстроходные машины, находящие применение в летательных аппаратах в качестве генераторов в составе электромашинных преобразователей, автономных источников питания с приводом от воздушных или газовых турбин, маломощных тахогенераторов для измерения частоты вращения главных двигателей аппарата. При этом скорости вращения роторов таких СГПМ находятся в диапазоне от 1000…3000 до сотен тысяч оборотов в минуту. Эти обстоятельства выдвигают на первый план задачу обеспечения механической прочности ротора и магнитной системы, выбора электромагнитных нагрузок и тепловых режимов. Кроме того, в таких установках применяются, как правило, системы регулирования напряжения, требующие специальных подходов к конструкции и устройству магнитной системы [3, 4].

В СГПМ, предназначенных для ветроэнергоустановок, следует учитывать специфические особенности их работы: нестационарный характер силы и скорости ветра за относительно короткие интервалы времени; существенные динамические моменты на валу генератора и ветротурбины; отсутствие мультипликатора, как механического звена, способного демпфировать осевые усилия на валу; постоянно действующие в генераторе переходные процессы и связанные с ними токи, электродинамические силы, дополнительные потери энергии и нагрев активных частей машины; малые окружные скорости ротора.

Названные обстоятельства выдвигают на первый план в задачах проектирования СГПМ предельное упрощение конструкции, обеспечение максимальной прочности и надежности, повышение эффективности охлаждения, простоту обслуживания.

Целью работы является построение методики оптимизационного проектирования и расчета тихоходных СГПМ для ветроэнергетических установок, позволяющих учесть все вышеназванные особенности.

В плане общего конструктивного исполнения представляется целесообразным сохранение традиционной цилиндрической формы статора и ротора, когда обмотка статора расположена в пазах, а постоянные магниты – на периферийной поверхности ротора. Число пазов на полюс и фазу следует выбирать не меньше 1 при однослойной обмотке; для двухслойной обмотки – дробное ; паз статора предпочтительнее иметь полузакрытого типа, а зубцы прямоугольного сечения. На полюсах радиально намагниченных постоянных магнитов необходимо предусмотреть полюсные наконечники из магнитомягкой стали. Увеличение числа полюсов приводит к необходимости увеличения внутреннего диаметра расточки статора, что увеличивает момент инерции ротора и обеспечивает демпфирование динамических колебаний, связанных с порывами ветра.

В качестве предварительных значений линейной нагрузки следует принять ; плотность тока в обмотках – . Магнитная индукция в зазоре принимается в пределах . Выбор геометрических размеров активного ядра генератора рекомендуется проводить с учетом принятых стандартных высот осей электрических машин и вырубок листов электротехнической стали.

Расчет зубцовой зоны статора, а также расчет магнитной цепи, схемы замещения, потерь, КПД производится после выбора электротехнической стали, кривые намагничивания которой на различных участках магнитной цепи аппроксимируются наборами экспонент или гипербол.

Ширина образующего полюс магнита определяется полюсным делением, а его высота должна обеспечивать реальный объем магнита. Поэтому одной из основных задач проектирования является определение оптимальных соотношений между размерами магнита, его объема и основными размерами расточки статора. Соотношения для расчета размеров магнита и магнитной цепи ротора зависят от типа магнитной системы, а объем магнитов определяется мощностью и характером нагрузки. Для конструкции ротора можно рекомендовать тип «звездочка» с призматическими, радиально намагниченными магнитами с полюсными наконечниками или без них, а также ротор коллекторного типа с тангенциально намагниченными призматическими магнитами.

Точность расчета магнитной цепи, параметров и характеристик генераторов зависит от точности расчета потоков рассеяния на роторе, которые, в свою очередь, зависят от следующих факторов: нелинейность параметров магнита и магнитной цепи; нестабильность характеристик постоянных магнитов; нестационарный режим работы генератора. Здесь целесообразно принять линейное распределение МДС магнита по высоте и использовать приведенную проводимость рассеяния, соответствующую действительному потоку рассеяния, исходящему из рабочей поверхности магнита.

Внешняя характеристика генератора рассчитывается на основании параметров состояния магнитной цепи ротора и схемы замещения магнитной цепи генератора по продольной оси с учетом путей прохождения магнитного потока и магнитных сопротивлений отдельных участков. В зависимости от соотношения между действительной ЭДС холостого хода и требуемой ЭДС. Может потребоваться корректировка в выборе размеров постоянных магнитов и геометрических размеров активной части генератора.

Потери энергии в СГПМ складываются из потерь в обмотке статора, в стали на перемагничивание и вихревые токи, пульсационных потерь в полюсных наконечниках и механических потерь. Кроме того, должны быть учтены потери от уравнительных токов в обмотке якоря. При работе на выпрямительную нагрузку необходимо учитывать дополнительные потери в массивных элементах ротора от токов обратной последовательности. Полный тепловой расчет генератора представляет одну из наиболее сложных и трудоемких задач, так как необходимо определить превышение температуры различных частей машины над температурой окружающей среды. Тепловой расчет производится для установившегося продолжительного режима работы генератора.

Установившееся превышение температуры пазовой части обмотки статора представляется в виде суммы частичных превышений температуры отдельных частей – пазовой изоляции, зубцов, спинки и корпуса статора. Отдельно учитывается перепад температуры лобовых частей обмотки статора. Суммарный перегрев обмотки статора определяется с учетом перегревов пазовой и лобовой частей и их относительной длины. В случае, если полученные температуры перегрева выше допустимых, необходимо произвести перерасчет генератора, уменьшая тепловые нагрузки обмотки и стали за счет уменьшения плотности тока и магнитной индукции с увеличением главных размеров генератора.

На основании вышеизложенных основополагающих принципов разработана методика автоматизированного оптимизационного расчета тихоходного синхронного генератора с постоянными магнитами в виде MathCAD–программы. Изготовлены и испытаны рассчитанные по предлагаемой методике генераторы мощностью 2,5 и 10 кВт. Опытные характеристики генераторов показали полное соответствие с расчетными зависимостями.

По результатам расчета построены характеристика холостого хода и внешняя характеристика СГПМ. Анализ результатов расчетов показывает, что выходное напряжение под резистивной нагрузкой линейно падает с ростом тока и в рабочей точке соответствует заданному номинальному режиму.

Сравнение результатов расчетов по предлагаемой методике с расчетами различных СГПМ с заданными значениями мощности, частоты вращения и напряжения, выполненные в других организациях, показывает, что предлагаемая методика обеспечивает конструкцию генератора заданной мощности с меньшими габаритами и большим КПД.

Литература:

1. Кривцов В.С. Неисчерпаемая энергия. Кн.1. Ветроэлектрогенераторы / В.С.Кривцов, А.М.Олейников, А.И.Яковлев. – Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т (ХАИ); Севастополь: Севастоп. нац. техн. ун-т, 2003. – 400 с.

2. Кривцов В.С. Неисчерпаемая энергия. Кн.2. Ветроэнергетика / В.С.Кривцов, А.М.Олейников, А.И.Яковлев. – Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т (ХАИ); Севастополь: Севастоп. нац. техн. ун-т, 2004. – 519 с.

3. Олейников А.М. Исследование режимов маломощного генератора с постоянными магнитами методом схемного моделирования / А.М.Олейников, Л.Н.Канов. – Вестник СевНТУ. Механика, энергетика, экология: Сб.науч.тр. Севастоп. нац.техн. ун-т. – Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2007. – С.29-34.

4. Ледовский А.Н. Электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами / А.Н.Ледовский. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 168 с.