Олейников А.М., Зарицкая Е.И.

Одесский национальный морской университет, Украина

СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ МАЛОЙ МОЩНОСТИ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ДЛЯ ВЕТРОЭЛЕКТРОУСТАНОВОК

Для применения в ветроустановках малой мощности, предназначенных, в основном, для автономного электроснабжения, наряду с генераторами специального исполнения – с постоянными магнитами, когтеобразными полюсами, бесщеточными и другими, серьезного внимания заслуживают и СГ традиционного исполнения.

Применение специальных машин связано с необходимостью, с одной стороны, уменьшить скорость их вращения, с другой - повысить надежность за счет отказа от скользящих контактов в цепи обмотки возбуждения. В то же время на сегодня разработаны достаточно простые и «легкие» редукторы-вариаторы и вполне оправдано их применение (при разумных коэффициентах редукции) в ветроустановках при использовании обычных синхронных генераторов на средние (500…750 об/мин) скорости вращения, имеющих приемлемые энергетические показатели, умеренные веса и габариты при весьма простой конструкции и технологичности. Что же касается неудобств обслуживания и ненадежности скользящих контактов, то эту проблему нет оснований преувеличивать - современные материалы для контактных колец и щеток обеспечивают их долговечность и надежность. Стоимостные же показатели в реальных условиях энергетического рынка, особенно для ветроустановок небольшой мощности, приобретают определяющее значение.

Ниже приведены отдельные данные разработанной небольшой серии СГ малой и средней мощности (2,5…20кВт), спроектированных по типу явнополюсных СГ традиционной конструкции и предназначенных для автономных и сетевых ветроэлектрических установок. Серия обозначена ВЭГ (ветроэлектрогенератор), а далее приведены мощность и частота вращения, например, ВЭГ – 5 – 750 (5кВт, 750об/мин).

Главными критериями при проектировании такого типа генератора выступали доступность конструкционных материалов и простота, надежность и невысокая стоимость, ограничение массы и габаритов.

Сердечник статора этих СГ набирается, как обычно, из отдельных листов электротехнической стали, обмотка статора трехфазная однослойная при q = 1…3, корпус и подшипниковые щиты - сварные, ротор - явнополюсный, в котором все основные элементы магнитной цепи – ярмо, сердечники полюсов и полюсные наконечники – выполнены массивными из стали Ст.3, а соединения между ними – с помощью винтов на периферии сопрягаемых поверхностей. Форма полюсного наконечника у генераторов этого типа принята круговой с обеспечением равномерного воздушного зазора между ротором и статором. Обмотка возбуждения выполнена из многослойных последовательно соединенных катушек. Регулирование напряжения ВЭГ обеспечивается электронной системой регулирования тока возбуждения, работающей по отклонению. Установившееся отклонение напряжения при изменении нагрузки от нуля до номинальной составляет ± 5% (при cosφ = 0,8…1,0), переходные отклонения при набросе нагрузки достигают 20…40%, в зависимости от ее величины и характера, время восстановления 0,7…1 сек.

Особенностью расчета генераторов, является, во-первых, то, что для сердечника статора выбирались штампованные листы электротехнической стали от серийных асинхронных машин, выпускаемых на электромашиностроительных заводах Украины, во-вторых то, что для них были приняты ограничения линейной нагрузки в пределах А1 = (2…2,5)∙104А/м и магнитной индукции в зазоре Вб = 0,4…0,55 Тл, что обусловлено особенностями работы в ВЭУ, стремлением ограничить тепловые и электродинамические нагрузки на генератор при пульсирующем моменте вращения ветроколеса. Из этих же соображений при расчете принимается «запас» по номинальной мощности на 25…30% по сравнению с мощностью СГ, работающего в обычных стационарных установках (например, в дизель-генераторных) в режиме S1.

Основные расчетные энергетические характеристики генераторов серии ВЭГ (при п =750 об/мин, f = 50 Гц, cos φ = 0,8) приведены ниже в таблице.

Таблица. Основные энергетические показатели генераторов серии ВЭГ

Параметры	ВЭГ-2,5-750	ВЭГ- 5,0-750	ВЭГ 7,5-750	ВЭГ- 10-750	ВЭГ 16-750	ВЭГ- 20-750
Р2, кВт	2,5	5,0	7,5	10	16	23
Uф, В	127	220	220	230	230	230
Iф, А	7,0	10,1	14,1	16	28,9	41,1
η,%	77,0	74,3	76,0	85,4	88,0	89,0
ΣΔр, Вт	620	1750	2400	1700	2200	2800
Θн, 0С	45	81	90	77,0	80	82

Проведены стендовые испытания генератора ВЭГ-5-750. Результаты испытаний в основном соответствуют расчетным данным. Можно с определенностью признать энергетические показатели рассматриваемых генераторов вполне удовлетворительными. С учетом «запаса» по мощности и по нагреву их работа в условиях ВЭУ будет весьма надежной. (В процессе испытаний были также выявлены возможные пути повышения технико-экономических показателей.)

Задачей дальнейшего совершенствования подобных генераторов, особенно тихоходных, является предельное упрощение конструкции, экономия материалов при одновременном повышении надежности ротора и генератора в целом, что особенно актуально для перспективных безредукторных ВЭУ, работающих в особых условиях эксплуатации при весьма напряженных механических и электродинамических нагрузках.

Упрощения могут относиться, прежде всего, к магнитной системе. В предлагаемой конструкции ротора, весь магнитопровод набирается из отдельных (сплошных или шихтованных) элементов подковообразной формы, объединяющих функции сердечника полюса и ярма. Число этих элементов равно числу полюсов, сердечник каждого полюса образуется соседними элементами, соприкасающимися между собой наружными боковыми гранями, а его полюсный наконечник – дополнительно устанавливаемыми с двух сторон по периферии сердечника полюсными башмаками, которые придают воздушному зазору под полюсом заданную форму. Центрирование полюсной магнитной системы относительно вала и ее дополнительные скрепления осуществляются с использованием сборных щитов, образующих вместе с другими элементами обод ротора.

Достоинством такой конструкции магнитной системы ротора являются ее предельная простота, отсутствие разъемных соединений между сердечником и ярмом по основной линии замыкания магнитного поля, упрощение сборки и замены при необходимости катушек возбуждения.

Генераторы серии ВЭГ были установлены в ВЭУ на испытательном полигоне в Крыму. Эти ВЭУ предназначены для выработки электроэнергии переменного трехфазного тока напряжением 380 В и однофазного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц. В состав электрооборудование ВЭУ кроме описанного выше генератора входят трансформатор, выпрямитель и инвертор, элементы системы регулирования управления и защиты, а также приборы, функционально объединенные в блок управления.

Все ВЭУ, также как и установленные на них экспериментальные генераторы серии ВЭГ, прошли успешные испытания.