Ako sa používajú synchrónne generátory s permanentnými magnetmi vo veterných turbínach

Synchrónna technológia s permanentnými magnetmi je široko používaná v moderných elektrických strojoch, od priemyselných motorov až po veterné generátory.

Vo veternej turbíne však stroj s permanentnými magnetmi normálne funguje ako generátor, nie ako motor. Z tohto dôvodu je výraz Synchrónny generátor s permanentným magnetom (PMSG) presnejší ako PMSM, keď hovoríme o hlavnej jednotke na výrobu energie vo veternej turbíne.

Elektromagnetické princípy spolu úzko súvisia, ale smer premeny energie je odlišný.

PMSM premieňa elektrickú energiu na mechanickú rotáciu. PMSG robí opak: rotujúce hnacie ústrojenstvo veternej turbíny dodáva mechanickú energiu generátoru, ktorý ju premieňa na elektrickú energiu.

Pochopenie tohto rozdielu umožňuje oveľa ľahšie zistiť, kde sa technológia permanentných magnetov hodí do moderných systémov veternej energie.

Kde je umiestnený generátor s permanentným magnetom vo veternej turbíne?

Vietor otáča lopatky turbíny a rotor.

Toto mechanické otáčanie musí potom generátor premeniť na elektrickú energiu.

Existujú dve široké usporiadania hnacieho ústrojenstva.

Prevodové veterné turbíny

V prevodovom ústrojenstve sa rotor turbíny otáča relatívne pomaly.

Prevodovka zvyšuje rýchlosť otáčania predtým, ako mechanická sila dosiahne generátor.

To umožňuje generátoru pracovať pri vyššej rýchlosti otáčania ako rotor turbíny.

Účelom prevodovky je teda zodpovedať požiadavkám na mechanické otáčky rotora a generátora. Nemalo by sa to jednoducho opísať ako „prispôsobenie sieťovej frekvencii“, pretože moderné turbíny s premenlivou rýchlosťou bežne využívajú výkonovú elektroniku medzi generátorom a sieťou.

Veterné turbíny s priamym pohonom

Systém priameho pohonu odstraňuje hlavnú prevodovku.

Generátor je oveľa priamejšie pripojený k rotoru turbíny, a preto musí pracovať pri oveľa nižších otáčkach pri vytváraní vysokého krútiaceho momentu.

To výrazne mení dizajn generátora.

Generátory s priamym pohonom s permanentnými magnetmi majú zvyčajne väčší priemer a používajú viacero magnetických pólov, takže užitočný elektrický výstup možno produkovať pri nízkej rýchlosti otáčania.

Prečo používať permanentné magnety?

Synchrónny generátor s permanentnými magnetmi vytvára magnetické pole rotora skôr pomocou permanentných magnetov než budiaceho vinutia rotora.

To ponúka niekoľko užitočných vlastností pre aplikácie veternej energie.

Žiadny budiaci prúd rotora

Pretože magnetické pole je vytvárané permanentnými magnetmi, rotor nevyžaduje samostatný elektrický budiaci systém.

To môže znížiť elektrické straty rotora a zjednodušiť časť konštrukcie generátora.

Vhodné pre nízkorýchlostné konštrukcie s vysokým krútiacim momentom

Stroje s permanentnými magnetmi môžu byť navrhnuté s mnohými pólmi a vysokou hustotou krútiaceho momentu.

To je obzvlášť dôležité pre veterné systémy s priamym pohonom, kde sú otáčky generátora nízke a mechanický krútiaci moment vysoký.

Kompatibilné s prevádzkou s premenlivou rýchlosťou

Rýchlosť vetra sa neustále mení.

Prevádzka turbíny pri premenlivej rýchlosti môže umožniť rotoru zostať bližšie k jeho preferovaným aerodynamickým prevádzkovým podmienkam v širšom rozsahu veterných podmienok.

Generátory s permanentnými magnetmi sa bežne používajú s elektronickými meničmi s plným výkonom, čo umožňuje, aby sa frekvencia generátora menila nezávisle od frekvencie siete.

Vďaka tomu je možná prevádzka s premenlivou rýchlosťou bez toho, aby sa vyžadoval, aby mechanický rotor bežal jednou pevnou synchrónnou rýchlosťou pripojenou priamo k sieti.

Akú úlohu zohráva Power Converter?

Generátor je len jednou časťou elektrického systému veternej turbíny.

V mnohých veterných turbínach s permanentnými magnetmi prechádza elektrická energia z generátora cez plnohodnotný AC/DC/AC konvertor pred dosiahnutím siete.

Tento prevodník vykonáva niekoľko dôležitých funkcií.

Umožňuje generátor pracovať pri premenlivej rýchlosti, premieňa výstup generátora s premenlivou frekvenciou na elektrickú energiu kompatibilnú so sieťou a poskytuje kontrolu nad aktívnym a jalovým výkonom na termináloch turbíny.

Tento rozdiel je dôležitý, pretože schopnosť podpory siete by sa nemala pripisovať samotným permanentným magnetom.

Generátor vyrába elektrickú energiu, zatiaľ čo konvertor a riadiaci systém turbíny riadia, ako sa táto energia dodáva do siete.

Priamy pohon neznamená „vždy lepšie“

Odstránenie prevodovky môže znížiť počet komponentov hnacieho ústrojenstva a odstrániť jeden hlavný mechanický subsystém.

To môže byť atraktívne tam, kde je ťažký prístup k údržbe.

Generátory s priamym pohonom však prinášajú aj svoje vlastné technické výzvy.

Nízkorýchlostný generátor vo všeobecnosti potrebuje väčšiu elektromagnetickú štruktúru na vytvorenie požadovaného krútiaceho momentu. Systémy s priamym pohonom s permanentnými magnetmi môžu tiež využívať značné množstvá magnetického materiálu vzácnych zemín.

To je dôvod, prečo naďalej existujú architektúry veterných turbín s prevodom aj s priamym pohonom.

Vhodná voľba závisí od výkonu turbíny, rýchlosti rotora, konštrukcie generátora, hmotnosti, stratégie údržby, materiálových nákladov a celkovej ekonomiky systému.

Kde sa hodí technológia Axial-Flux Permanent-Magnet

Väčšina ľudí spája veľké veterné generátory so strojmi s radiálnym tokom, ale technológia permanentných magnetov s axiálnym tokom je dôležitá aj pre kompaktné a špecializované konštrukcie generátorov.

V stroji s axiálnym tokom sa magnetický tok pohybuje primárne pozdĺž osi motora alebo generátora, a nie radiálne cez konvenčnú valcovú štruktúru.

Architektúra môže ponúknuť vysokú hustotu krútiaceho momentu a relatívne krátku axiálnu dĺžku.

Pre menšie generátory s priamym pohonom alebo aplikácie, kde je dôležité balenie a hustota krútiaceho momentu, stojí za zváženie technológia axiálneho toku.

Jiangnan Electric v súčasnosti okrem bežných produktov PMSM vyvíja stroje s permanentnými magnetmi s axiálnym tokom. Publikovaný rozsah axiálneho toku spoločnosti zahŕňa viacero konfigurácií napätia, rýchlosti, chladenia a montáže.

Rovnaká elektromagnetická platforma môže byť relevantná pre vývoj motora aj generátora, ale motorový produkt by sa nemal automaticky prezentovať ako veterný generátor bez elektromagnetického, tepelného a mechanického overenia špecifického pre danú aplikáciu.

Elektrická a veterná energia s permanentným magnetom Jiangnan

Hangzhou Jiangnan Electric Motor Co., Ltd. v súčasnosti vyrába niekoľko rodín synchrónnych motorov s permanentnými magnetmi, vrátane konvenčných PMSM, nízkorýchlostných konštrukcií s vysokým krútiacim momentom a strojov s permanentnými magnetmi s axiálnym tokom.

Niektoré z existujúcich produktových platforiem vykazujú vlastnosti, ktoré sú dôležité aj pri vývoji generátorov veternej energie.

Napríklad platforma JNPM520-45 spoločnosti Jiangnan má výkon 45 kW a 245 otáčok za minútu s menovitým krútiacim momentom 1754 N·m. Hoci bol vyvinutý pre priemyselnú aplikáciu s priamym pohonom a nie je tu prezentovaný ako generátor veternej turbíny, kombinácia nízkej rýchlosti a vysokého krútiaceho momentu ilustruje typ výzvy elektromagnetického dizajnu, ktorý sa vyskytuje aj v systémoch výroby s priamym pohonom.

Portfólio spoločnosti Jiangnan s axiálnym tokom zahŕňa aj stroje s permanentnými magnetmi navrhnuté pre kompaktné axiálne štruktúry a prevádzku s premenlivou rýchlosťou.

Aktuálna webová stránka spoločnosti navyše uvádza produkty s permanentnými magnetmi pre aplikácie s nízkou rýchlosťou vetra a malé až stredné aplikácie veternej energie.

Pre skutočný projekt veternej energie by sa však výberový proces mal začať skôr požiadavkami na generátor ako výberom existujúceho motora iba podľa menovitého výkonu.

Aké informácie sú potrebné pre projekt generátora veternej energie?

Pred hodnotením generátora s permanentnými magnetmi je potrebné definovať niekoľko prevádzkových podmienok.

Dôležité informácie zahŕňajú:

• menovitý elektrický výkon;
• menovité a maximálne otáčky rotora;
• trvalý a špičkový krútiaci moment;
• požadované výstupné napätie;
• frekvenčný rozsah generátora;
• spôsob chladenia;
• montážne usporiadanie;
• rozhranie hriadeľa alebo priameho pohonu;
• očakávané okolité podmienky;
• úroveň ochrany;
• topológia prevodníka;
• nepretržitá prevádzková povinnosť.

Pre projekt s priamym pohonom sú otáčky rotora a krútiaci moment obzvlášť dôležité, pretože generátor musí zvládnuť zaťaženie turbíny bez toho, aby sa spoliehal na prevodovku s vysokým prevodom.

Pri malých a stredných veterných elektrárňach môže konečný dizajn výrazne ovplyvniť aj balenie, hmotnosť generátora, náklady na konvertor a požiadavky na údržbu.

PMSM alebo PMSG: The Terminology Matters

Synchrónne motory s permanentnými magnetmi a synchrónne generátory s permanentnými magnetmi sú založené na úzko súvisiacich elektromagnetických princípoch.

Ich prevádzkové úlohy sú však odlišné.

PMSM normálne premieňa elektrickú energiu na mechanický výstup.

PMSG premieňa mechanický vstup na elektrickú energiu.

Vo veterných turbínach je preto hlavný stroj na premenu energie presnejšie opísaný ako PMSG.

Pre zákazníkov, ktorí vyvíjajú zariadenia na veternú energiu, nie je dôležitou otázkou len to, či je možné nainštalovať existujúci PMSM do turbíny.

Správnym prístupom je najskôr definovať požadovanú rýchlosť generátora, krútiaci moment, napätie, tepelné podmienky, mechanické rozhranie a meničový systém a potom navrhnúť alebo vybrať stroj s permanentnými magnetmi podľa týchto požiadaviek.

Vylúčenie zodpovednosti

Informácie v tomto článku slúžia len na všeobecné účely. Špecifikácie produktu, výkon, možnosti konfigurácie a vhodnosť sa musia podrobne posúdiť pre zamýšľanú aplikáciu a skutočné prevádzkové podmienky. Pred výberom, nákupom alebo používaním produktu si prosím overte príslušné podrobnosti so spoločnosťou Jiangnan Electric a pozrite si príslušnú technickú dokumentáciu a dohodnuté špecifikácie. Tento článok nenahrádza pokyny pre konkrétny produkt ani odborné technické posúdenie.