Повышение качества выходного напряжения в многополюсных генераторах ВЭУ

background image

background image

108

ОБОРУДОВАНИЕ

Повышение качества выходного 
напряжения в многополюсных 
генераторах ВЭУ

УДК

 621.313.322

В

 

ветроэнергетических

 

установках

 (

ВЭУ

прямого

 

привода

 

используются

 

генераторы

 

раз

-

личных

 

типов

асинхронизированные

 

машины

синхронные

 

генераторы

 

с

 

постоянными

 

магнитами

индукторные

 

генераторы

 

и

 

т

.

д

Но

 

для

 

ВЭУ

 

большой

 

мощности

превышаю

-

щей

 

несколько

 

мегаватт

традиционные

 

многополюсные

 

синхронные

 

машины

 

с

 

электро

-

магнитным

 

возбуждением

 

имеют

 

конкурентные

 

преимущества

 

как

 

по

 

техническим

так

 

и

 

по

 

экономическим

 

показателям

В

 

статье

 

рассматриваются

 

способы

 

повышения

 

каче

-

ства

 

выходного

 

напряжения

 

и

 

энергетических

 

параметров

 

синхронного

 

генератора

 

за

 

счет

 

улучшения

 

формы

 

кривой

 

магнитной

 

индукции

 

в

 

воздушном

 

зазоре

 

машины

 

и

 

по

-

давления

 

зубцовых

 

гармоник

 

ЭДС

Приводятся

 

результаты

 

численного

 

моделирования

 

магнитного

 

поля

 

машины

выходного

 

напряжения

 

и

 

электромагнитного

 

момента

.

Т

енденция

 

роста

 

объема

 

выра

-

ботки

 

электроэнергии

 

от

 

возоб

-

новляемых

 

источников

харак

-

терная

 

для

 

всех

 

стран

в

 

том

 

числе

 

и

 

России

сопровождается

 

уве

-

личением

 

единичной

 

мощности

 

ветро

-

энергетических

 

установок

  (

ВЭУ

) [1–8]. 

Для

 

оффшорных

 

ветропарков

 

мощность

 

генераторов

 

часто

 

превышает

 

значения

 

10 

МВт

а

 

единичные

 

установки

 

имеют

 

мощность

достигающую

 16–20 

МВт

 [9]. 

Для

 

таких

 

ВЭУ

как

 

правило

произво

-

дители

 

останавливают

 

свой

 

выбор

 

на

 

тихоходных

 

машинах

 

прямого

 

привода

скорость

 

вращения

 

ротора

 

которых

 

не

 

превышает

 5–15 

об

/

мин

  (

большая

 

ча

-

стота

 

вращения

 

соответствует

 

меньшей

 

мощности

) [10]. 

Это

 

объясняется

 

исклю

-

чением

 

из

 

кинематической

 

схемы

 

одно

-

ступенчатого

 

или

 

многоступенчатого

 

редуктора

который

 

является

 

наименее

 

надежным

 

элементом

 

комплекса

 

из

-

за

 

наличия

 

множества

 

вращающихся

 

и

 

изнашиваемых

 

деталей

Кроме

 

того

безредукторные

 

установки

 

обладают

 

более

 

высоким

 

КПД

Для

 

рассматрива

-

емого

 

диапазона

 

мощностей

 

и

 

частот

 

вращения

 

в

 

настоящее

 

время

 

применя

-

ют

 

асинхронные

 

генераторы

 

двойного

 

питания

 (DFIG), 

синхронные

 

генерато

-

ры

 

с

 

электромагнитным

 

возбуждени

-

ем

 (EESG) 

и

 

синхронные

 

генераторы

 

с

 

постоянными

 

магнитами

 (PMSG). 

У

 

каждого

 

из

 

этих

 

типов

 

генераторов

 

есть

 

как

 

достоинства

так

 

и

 

недостат

-

ки

определяющие

 

выбор

 

типа

 

машины

 

для

 

конкретных

 

задач

 

и

 

условий

 

экс

-

плуатации

Основным

 

преимуществом

 

машин

 

с

 

возбуждением

 

от

 

постоянных

 

магнитов

 

является

 

более

 

высокий

 

КПД

 

по

 

сравнению

 

с

 

машинами

 

электромаг

-

нитного

 

возбуждения

Также

 

отсутствие

 

потерь

 

на

 

возбуждение

 

облегчает

 

за

-

дачу

 

отвода

 

тепла

 

от

 

ротора

которая

 

в

 

генераторах

 

с

 

электромагнитным

 

возбуждением

 

стоит

 

весьма

 

актуаль

-

но

Однако

 

в

 

машинах

 

с

 

постоянными

 

магнитами

 

невозможно

 

достичь

 

значе

-

ний

 

магнитной

 

индукции

 

в

 

зазоре

сопо

-

ставимых

 

с

 

генераторами

имеющими

 

электромагнитное

 

возбуждение

А

 

этот

 

параметр

 

напрямую

 

определяет

 

актив

-

ный

 

объем

 

генератора

Поэтому

 

макси

-

мальная

 

мощность

 

ветрогенераторов

 

с

 

постоянными

 

магнитами

 

в

 

настоящее

 

время

 

обычно

 

не

 

превышает

 7 

МВт

 

(Siemens) [11]. 

Сдерживает

 

примене

-

ние

 

постоянных

 

магнитов

 

и

 

их

 

высокая

 

стоимость

На

 

мегаватт

 

мощности

 

необ

-

ходимо

 

около

 1000 

кг

 

высококоэрцитив

-

ных

 

неодимовых

 

магнитов

 

класса

 N42 

и

 

выше

Поэтому

 

производители

 

ВЭУ

 

большой

 

мощности

 (Enercon, General 

Electric Energy, Gamesa, Vestas 

и

 

др

.) 

вопрос

 

выбора

 

способа

 

возбуждения

 

для

 

синхронных

 

генераторов

 

решают

как

 

правило

в

 

пользу

 

электромагнитно

-

го

 

возбуждения

Актуальной

 

проблемой

 

для

 

таких

 

генераторов

 

является

 

задача

 

снижения

 

потерь

 

и

 

подавления

 

высших

 

гармоник

 

ЭДС

.

Эти

 

задачи

 

связаны

 

между

 

собой

 

и

 

решаются

 

как

 

известными

 

традици

-

онными

 

методами

так

 

и

 

способами

применение

 

которых

 

началось

 

с

 

не

-

давнего

 

времени

 

и

в

 

основном

в

 

ти

-

Зубков

 

Ю

.

В

., 

д

.

т

.

н

., 

доцент

профессор

 

кафедры

 

«

Электромеханика

 

и

 

автомобильное

 

электрооборудование

» 

ФГБОУ

 

ВО

 «

СамГТУ

»

Иванников

 

Ю

.

Н

., 

к

.

т

.

н

., 

старший

 

преподаватель

 

кафедры

 

«

Электромеханика

 

и

 

автомобильное

 

электрооборудование

» 

ФГБОУ

 

ВО

 «

СамГТУ

»

Макаричев

 

Ю

.

А

., 

д

.

т

.

н

., 

профессор

заведующий

 

кафедрой

 

«

Электромеханика

 

и

 

автомобильное

 

электрооборудование

» 

ФГБОУ

 

ВО

 «

СамГТУ

»

Ключевые

 

слова

синхронный

 

генератор

ВЭУ

зубцовые

 

гармоники

энергетическая

 

эффективность

математическое

 

моделирование


background image

109

хоходных

 

ветрогенераторах

 

прямого

 

привода

 

с

 

боль

-

шим

 

числом

 

пар

 

полюсов

.

Основным

 

способом

 

подавления

 

высших

 

гармо

-

нических

 

ЭДС

 

в

 

машинах

 

переменного

 

тока

 

остается

 

распределение

 

и

 

укорочение

 

шага

 

обмотки

Укороче

-

ние

 

шага

 

возможно

 

только

 

в

 

двухслойных

 

обмотках

а

 

распределение

 

обмотки

 

по

 

пазам

 

осуществимо

если

 

число

 

пазов

 

на

 

полюс

 

и

 

фазу

 

q

 

 1. 

Для

 

борьбы

 

с

 

гар

-

мониками

 

зубцового

 

порядка

 («

зубцовыми

 

гармоника

-

ми

») 

применяют

 

скос

 

пазов

Эта

 

мера

эффективная

 

для

 

асинхронных

 

машин

 

с

 

короткозамкнутым

 

ротором

в

 

синхронных

 

машинах

 

применяется

 

крайне

 

редко

.

Рассмотрим

 

эффективность

 

распределения

 

и

 

укоро

-

чения

 

шага

 

обмоток

 

для

 

тихоходных

 

генераторов

 

с

 

чис

-

лом

 

полюсов

 2

p

 > 72. 

Меньшее

 

число

 

полюсов

 

в

 

генерато

-

рах

 

с

 

номинальной

 

частотой

 

вращения

 

n

 = 5…14 

об

/

мин

 

не

 

применяют

 

из

-

за

 

того

что

 

выходная

 

частота

 

напря

-

жения

 

f

она

 

же

 

входная

 

частота

 

конвертора

получается

 

слишком

 

низкой

делая

 

его

 

работу

 

неэффективной

:

 

p

 

 n

f

 = 

Гц

.

 60

Верхнее

 

значение

 

количества

 

полюсов

 

ограниче

-

но

 

максимальным

 

числом

 

зубцов

 

статора

которое

 

определяется

 

выражением

z

1

 = 2

 m 

 q

,

где

 

m

 — 

число

 

фаз

q

 — 

число

 

пазов

 

на

 

полюс

 

и

 

фазу

.

Как

 

показывает

 

опыт

 

проектирования

обмотку

 

с

 

q

 

 2 

для

 

рассматриваемого

 

класса

 

машин

 

не

 

удает

-

ся

 

выполнить

 

из

-

за

 

малого

 

значения

 

зубцового

 

деле

-

ния

 — 

паз

 

получается

 

слишком

 

глубоким

 

и

 

узким

а

 

па

-

зовое

 

рассеяние

 

превышает

 

допустимые

 

значения

.

Поэтому

 

практически

 

удается

 

реализовать

 

обмот

-

ку

 

только

 

с

 

q

 = 2. 

Коэффициент

 

распределения

 

для

 

-

й

 

гармоники

 

определяется

 

по

 

выражению

 [12]:



 

sin

 

2

m

k

pv

 = 

.



 q 

 

sin

 

2

mq

За

 

счет

 

распределения

 

удается

 

существенно

 

по

-

давить

 5-

ю

 

и

 7-

ю

 

гармоники

 — 

наиболее

 

весомые

 

из

 

спектра

 

нечетных

 

гармоник

Для

 

них

 

коэффици

-

енты

 

распределения

 

составляют

 

соответственно

 

k

p

5

 = 0,259 

и

 

k

p

7

 = 0,258. 

Кроме

 

этого

применяя

 

обмотку

 

с

 

укороченным

 

шагом

указанные

 

гармоники

 

удается

 

снизить

 

по

 

ам

-

плитуде

 

до

 

практически

 

незначимых

 

величин

К

 

сожалению

эти

 

способы

 

не

 

дают

 

результата

 

в

 

борьбе

 

с

 

гармониками

 

зубцового

 

порядка

кото

-

рые

 

вызывают

 

высокочастотные

 

пульсации

 

момен

-

та

 

и

 

электромагнитных

 

сил

действующих

 

на

 

ротор

Для

 

подавления

 

гармоник

 

зубцового

 

порядка

 [12] 

z

 = 2

mqk   

1, 

где

 

k

 = 1,2,3…, 

применяют

 

скос

 

пазов

 

ротора

  (

в

 

асинхронных

 

двигателях

или

 

скос

 

полю

-

сов

 

в

 

синхронных

 

машинах

.

При

 

q

 = 2 

наиболее

 

значимыми

 

гармониками

 

зуб

-

цового

 

порядка

 

в

 

трехфазных

 

машинах

 

становятся

 

z

 = 11, 13, 23 

и

 25. 

На

 

рисунке

 1 

приведен

 

результат

 

гармонического

 

анализа

 

кривой

 

индукции

 

в

 

зазоре

 

на

 

холостом

 

ходу

полученный

 

при

 

решении

 

задачи

 

численного

 

моделирования

 

магнитного

 

поля

.

Диаграмма

 

подтверждает

 

теоретические

 

положе

-

ния

 

о

 

вкладе

 

зубцовых

 

гармонических

 

в

 

суммарную

 

кривую

 

индукции

Для

 11-

й

 

и

 13-

й

 

гармоник

 

значение

 

амплитуды

 

составляет

 20% 

и

 18% 

соответственно

.

Применение

 

скоса

 

полюсов

 

в

 

синхронных

 

маши

-

нах

 

приводит

 

к

 

возникновению

 

значительного

 

осе

-

вого

 

усилия

действующего

 

на

 

ротор

В

 

синхронных

 

машинах

 

большой

 

мощности

 

используют

 

подшип

-

ники

 

скольжения

весьма

 

критичные

 

к

 

такому

 

воз

-

действию

Поэтому

 

приходится

 

использовать

 

другие

 

способы

 

борьбы

 

с

 

зубцовыми

 

гармониками

Для

 

ре

-

шения

 

проблемы

например

 

в

 

генераторах

 Enercon, 

используют

 

скос

 

полюсных

 

наконечников

 

индуктора

 

типа

  «

шеврон

» (

рисунок

 2) [7]. 

Этот

 

эффективный

 

метод

 

борьбы

 

с

 

зубцовыми

 

пульсациями

хотя

 

и

 

со

-

пряженный

 

с

 

усложнением

 

конструкции

дает

 

требу

-

емый

 

результат

.

Рис

. 1. 

Гармонический

 

анализ

 

кривой

 

индукции

 

в

 

зазоре

 

синхронного

 

генера

-

тора

 

без

 

скоса

 

пазов

Рис

. 2. 

Ротор

 

со

 

скосом

 

полюсных

 

наконечников

 

типа

 «

шеврон

» 

ветро

-

генератора

 

фирмы

 Enercon

Высшие

 

гармонические

1,40

1,20

1,00

0,80

0,60

0,40

0,20

0

5,00  10,00 15,00 20,00 25,00

Имя

X

Y

m1

1,0000 1,2525

m2

2,0000 0,0001

m3

3,0000 0,1055

m4

4,0000 0,0000

m5

5,0000 0,0178

m6

6,0000 0,0000

m7

7,0000 0,0024

m8

8,0000 0,0002

m9

9,0000 0,0434

m10 10,0000 0,0002
m11 11,0001 0,1858
m12 12,0001 0,0001
m13 13,0001 0,1534
m14 14,0001 0,0001
m15 15,0001 0,0032

Индукция

, (

Тл

)

m2

m1

m3

m4 m5 m6 m7 m8

m9

m10

m12

m13

m14m15

m11

 3 (78) 2023


background image

110

ОБОРУДОВАНИЕ

Исследование

 

работы

 

генератора

 

под

 

нагрузкой

 

показывает

что

 

действие

 

реакции

 

якоря

 

существен

-

но

 

искажает

 

картину

 

магнитного

 

поля

Отметим

что

 

ветрогенераторы

 

работают

 

на

 

конвертор

который

 

преобразует

 

вырабатываемую

 

электроэнергию

 

до

 

стандартных

 

параметров

 

сети

 

и

 

представляет

 

собой

 

практически

 

активную

 

нагрузку

 

с

 

коэффициентом

 

мощности

 

cos 

 = 0,95…1,0. 

При

 

этом

 

основная

 

со

-

ставляющая

 

реакции

 

якоря

 — 

поперечная

Это

 

при

-

водит

 

к

 

размагничиваю

 

одного

 

края

 

полюса

 

А

 

и

 

на

-

магничиванию

 

другого

 

Б

  (

рисунок

 3). 

Кроме

 

этого

изменяется

 

и

 

гармонический

 

состав

 

кривой

 

поля

 (

ри

-

сунок

 4).

Анализ

 

спектра

 

гармоник

 

поля

 

показывает

что

 

кроме

 

отмеченных

 

выше

 11-

й

 

и

 13-

й

 

гармоник

наи

-

большее

 

по

 

амплитуде

 

значение

 

имеют

 3-

я

 

гармони

-

ка

 

и

 

кратная

 

ей

 9-

я

При

 

соединении

 

в

 

звезду

 

токи

 

гармоник

кратных

 

трем

в

 

обмотке

 

не

 

протекают

но

 

эти

 

составляющие

 

магнитной

 

индукции

 

вызывают

 

добавочные

 

потери

.

Для

 

устранения

 

их

 

вредного

 

влияния

 

предлагается

 

следующее

 

конструктивное

 

решение

Полюсы

 

ротора

 

подразделяются

 

на

 

три

 

группы

у

 

каждой

 

из

 

которых

 

полюсные

 

наконечники

 

имеют

 

несимметричную

 

форму

 

с

 

разными

 

значениями

 

свесов

 

со

 

стороны

 

набегающе

-

го

 

и

 

сбегающего

 

края

 

полюса

Это

 

техническое

 

реше

-

ние

 

позволяет

с

 

одной

 

стороны

противодействовать

 

поперечной

 

реакции

 

якоря

а

 

с

 

другой

 — 

снизить

 

ам

-

плитуду

 

зубцовых

 

гармоник

 

и

 

гармоник

 

поля

кратных

 

трем

На

 

рисунке

 5 

показан

 

пример

 

реализации

 

этого

 

технического

 

решения

.

Все

 

полюсы

 

машины

 

разделены

 

на

 

три

 

группы

На

 

рисунке

 5 

они

 

обозначены

 

цифрами

 1, 2 

и

 3. 

Полюсы

 

одной

 

группы

 

имеют

 

одинаковую

 

геометрию

Различие

 

между

 

группами

 

заключается

 

только

 

в

 

форме

 

и

 

раз

-

мерах

 

полюсных

 

наконечников

Сердечники

 

и

 

катушки

 

возбуждения

 

у

 

всех

 

полюсов

 

идентичные

Общее

 

коли

-

чество

 

пар

 

полюсов

 

должно

 

быть

 

кратно

 

трем

.

Для

 

проверки

 

эффективности

 

предложенного

 

способа

 

борьбы

 

с

 

высшими

 

гармониками

 

магнитного

 

поля

 

в

 

зазоре

 

и

 

кривой

 

выходного

 

напряжения

 

было

 

проведено

 

сравнительное

 

численное

 

моделирова

-

ние

 

трех

 

конструкций

 

полюсной

 

системы

 

генератора

 

ВЭУ

 

с

 96-

ю

 

полюсами

 

и

 

числом

 

пазов

 

статора

 

z

 = 576 

(

рисунок

 6).

Геометрические

 

модели

 1–3 

на

 

рисунке

 6 

отлича

-

ются

 

только

 

геометрией

 

полюсного

 

наконечника

все

 

остальные

 

геометрические

 

размеры

свойства

 

мате

-

риалов

условия

 

работы

 

и

 

настрой

-

ки

 

моделирования

 

идентичны

.

Для

 

снижения

 

выходного

 

тока

 

генератора

 

по

 

одному

 

силово

-

му

 

каналу

 

трехфазная

 

обмотка

 

статора

соединенная

 

по

 

схеме

 

«

звезда

», 

была

 

разделена

 

на

 

две

 

параллельные

 

полуобмотки

 

со

 

сдвигом

 

в

 30 

электрических

 

гра

-

дусов

На

 

графиках

 

рисунков

 7–9 

представлены

 

кривые

 

напряже

-

ния

 

полуобмоток

 

трех

 

моделей

 

магнитной

 

системы

.

На

 

графиках

 

рисунков

 7 

и

 8 

(

модели

 1 

и

 2) 

отчетливо

 

видна

 

несинусоидальность

 

фазного

 

на

-

пряжения

вызванная

 

третьей

 

гар

-

моникой

 

поля

  (

характерные

 

пики

 

кривых

 

в

 

зоне

 

максимальных

 

зна

-

чений

). 

Кривые

полученные

 

для

 

модели

 3, 

практически

 

синусои

-

Рис

. 3. 

Кривая

 

индукции

 

в

 

зазоре

 

при

 

активной

 

нагрузке

 

(

результат

 

моделирования

)

Рис

. 4. 

Спектр

 

гармоник

 

поля

 

при

 

нагрузке

 (

генератор

 

без

 

скоса

 

полюсов

)

Индукция

, (

Тл

)

1,50

1,00

0,50

0,00

–0,50

–1,00

–1,50

86,56 

87,50 88,75 90,00 91,25 92,50 93,75

Угол

, (

град

)

А

Б

93,10

1,35

0,48

Рис

. 5. 

Конструкция

 

полюсов

 

с

 

разными

 

значениями

 

свесов

 

полюсных

 

наконечников

 

и

 

зазорами

 

между

 

ними

1,00

0,80

0,60

0,40

0,20

0

1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00

Имя

X

Y

m1

1,0000 0,9789

m2

2,0000 0,0016

m3

3,0000 0,1631

m4

4,0000 0,0010

m5

5,0000 0,0478

m6

6,0000 0,0046

m7

7,0000 0,0025

m8

8,0000 0,0027

m9

9,0000 0,0554

m10 10 0000 00032
m11 11,0001 0,1287
m12 12,0001 0,0020
m13 13,0001 0,1190
m14 14,0001 0,0035
m15 15,0001 0,0127

Индукция

, (

Тл

)

Высшие

 

гармонические

m2

m2

m3

m4

m5

m6

m7

m8

m9

m10

m12

m13

m14 m15

m11

1

2

3

1

2

3

1

2

3


background image

111

дальны

Это

 

подтверждает

 

и

 

гармонический

 

анализ

 

графиков

Результаты

 

моделирования

представленные

 

в

 

ви

-

де

 

динамических

 

характеристик

 

генераторного

 

момен

-

та

 (Torque) 

от

 

времени

 (Time), 

приведены

 

для

 

трех

 

рас

-

сматриваемых

 

моделей

 

на

 

графиках

 

рисунка

 10.

Из

 

графиков

 

видно

что

 

пульсации

 

электромагнит

-

ного

 

момента

а

 

следовательно

и

 

уровень

 

вибраций

 

машины

вызванных

 

этой

 

неравномерностью

самая

 

высокая

 — 1,7% 

в

 

модели

 1 (

черный

 

цвет

). 

Для

 

ма

-

шин

 

с

 

номинальной

 

мощностью

 

несколько

 

мегаватт

расположенных

 

на

 

нежесткой

 

башне

 

высотой

 

свыше

 

150 

метров

это

 

недопустимая

 

величина

Модель

 2 

(

красный

 

цвет

не

 

дает

 

существенного

 

улучшения

 

стабильности

 

характеристики

Только

 

в

 

модели

 3 

(

зеленый

 

цвет

пульсации

 

момента

 

снижены

 

до

 

до

-

пустимого

 

уровня

 0,4%.

ВЫВОДЫ

1. 

В

 

генераторах

 

с

 

открытыми

 

пазами

 

и

 

небольшим

 

числом

 

зубцов

приходящихся

 

на

 

одно

 

полюсное

 

деление

амплитуды

 

зубцовых

 

гармоник

 

индукции

 

в

 

воздушном

 

зазоре

 

достигают

 

значений

 17…20% 

от

 

амплитуды

 

первой

 

гармоники

Это

 

вызывает

 

Рис

. 10. 

Зависимость

 

момента

 

на

 

валу

 

от

 

времени

1) 

для

 

симметричной

 

модели

; 2) 

для

 

модели

 

с

 

равномер

-

ным

 

смещением

 

полюсных

 

наконечников

; 3) 

для

 

модели

 

с

 

неравномерным

 

смещением

 

полюсных

 

наконечников

 

Рис

. 6. 

Геометрические

 

модели

 

полюсных

 

систем

: 1) 

исход

-

ная

 

модель

 

с

 

симметричной

 

системой

 

полюсов

; 2) 

модель

 

с

 

равномерным

 

смещением

 

полюсных

 

наконечников

; 3) 

мо

-

дель

 

с

 

неравномерным

 

смещением

 

полюсных

 

наконечников

1

2

3

1

2

3

a

a

a

m

m

m

m

1

m

1

a

1

a

1

m

1

m

2

m

1

m

3

a

1

a

a

2

a

Рис

. 7. 

Фазные

 

напряжения

 

полуобмоток

 

в

 

модели

 1

Напр

яжение

, (

кВ

)

3,75

2,50

1,25

0,00

–1,25

–2,50

–3,75

0,00  50,00  100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00

Время

, (

мс

)

122,8155

–2,3414

–2,2225

–0,8445

–0,3056

1,9510

3,0480

2,4057

Рис

. 8. 

Фазные

 

напряжения

 

полуобмоток

 

в

 

модели

 2

0,00  50,00  100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00

Время

, (

мс

)

3,00

2,00

1,00

0,00

–1,00

–2,00

–3,00

125,4717

2,5066

2,8473

1,9246

–0,3136

–0,9081

–1,4022

–2,1770

Напр

яжение

, (

кВ

)

Рис

. 9. 

Фазные

 

напряжения

 

полуобмоток

 

в

 

модели

 3

0,00  50,00  100,00 150,00  200,00 250,00  300,00 350,00

Время

, (

мс

)

3,00

2,00

1,00

0,00

–1,00

–2,00

–3,00

124,5283

2,8899
2,4692

1,9235

–0,2879

–0,9163
–1,3253

–2,2193

Напр

яжение

, (

кВ

)

увеличение

 

добавочных

 

магнитных

 

потерь

 

в

 

сер

-

дечнике

Кривые

 

выходных

 

напряжений

 

и

 

токов

если

 

не

 

принять

 

соответствующих

 

мер

несинусо

-

идальны

что

 

приводит

 

к

 

необходимости

 

примене

-

ния

 

мощных

 

фильтров

 

в

 

конверторе

.

2. 

Зубцовые

 

гармоники

 

ЭДС

в

 

свою

 

очередь

вызывают

 

появление

 

высокочастотных

 

составляющих

 

электро

-

магнитного

 

момента

которые

 

достигают

 

значений

 

1,5…2% 

от

 

среднего

 

значения

Следствием

 

этого

 

будут

 

вибрации

 

машины

 

с

 

удвоенной

 

частотой

 

зубцовых

 

гар

-

моник

Эти

 

колебания

 

момента

 

будут

 

сопровождаться

 

звуковыми

 

волнами

 

большой

 

мощности

Кроме

 

того

вибрации

 

отрицательно

 

скажутся

 

на

 

работе

 

подшип

-

никовых

 

узлов

 

и

 

крепления

 

разъемных

 

соединений

.

2,00

0,00

–2,00

–4,00

–6,00

–8,00

–10,00

–12,00

–14,00

М

омент

, (

МНм

)

0,00  50,00  100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00

Время

, (

мс

)

1
2
3

 3 (78) 2023


background image

112

ОБОРУДОВАНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

 / REFERENCES

1. 

Антипов

 

В

.

Н

., 

Грозов

 

А

.

Д

., 

Ивано

-

ва

 

А

.

В

Электрические

 

генераторы

 

мегаваттной

 

мощности

 

для

 

ветро

-

энергетики

состояние

 

и

 

тенден

-

ции

 

развития

 // 

Электричество

2019, 

 8. 

С

. 34–41 / Antipov V.N., 

Grozov A.D., Ivanova A.V. Electric 

generators with megawatt capacity 

for the wind power industry: present-

day condition and trends of develop-

ment // Elektrichestvo [Electricity], 

2019, no. 8, pp. 34–41. (In Russian)

2.  Lewis C. Direct drive superconduct-

ing wind generators. WIT Transac-

tions on State of the Art in Science 

and Engineering, 2010, vol. 1, 

pp. 303-331. 

3.  Damiano A., Marongiu I., Monni A., 

Porru M. Design of a 10 MW multi-

phase PM synchronous generator 

for direct-drive wind turbines. IECON 

2013 – 39th Annual Conference of 

the IEEE Industrial Electronics Soci-

ety, 2013, pp. 5266-5270.

4. Polinder H., Bang D., van Rooij 

R.P.J.O.M., McDonald A.S., Mueller 

M.A. 10 MW Wind Turbine Direct-

Drive Generator Design with Pitch 

or Active Speed Stall Control. IEEE 

International Electric Machines & 

Drives Conference, 2007. URL: 

https://ieeexplore.ieee.org/docu-

ment/4270852.

5.  Sethuraman L., Maness M., Dykes 

K. Optimized Generator Designs for 

the DTU 10-MW Offshore Wind Tur-

bine using GeneratorSE. 35th Wind 

Energy Simposium. 2017. URL: 

https://www.researchgate.net/publi-

cation/312112726.

6.  Xue Yu-Sh., Han L., Li H., Xie L.-D. 

Optimal design and comparison of 

different PM synchronous genera-

tor systems for wind turbines. 2008 

International Conference on Electri-

cal Machines and Systems. URL: 

https://ieeexplore.ieee.org/docu-

ment/4771160.

7. Die  neueWindblatt-Ausgabeistjetzt 

online.2023. URL: https://www.ener-

con.de/home/. 

8.  Khazaeli F., Nejad A.R. Evaluation of 

PMSG-based drivetrain technologies 

for 10-MW 

fl

 oating offshore wind tur-

bines: Pros and cons in a life cycle 

perspective. Wind Energy, 2020, 

vol. 23, no. 7, pp. 1542-1563. 

9. 

Оффшорная

 

ветроэнергетика

 

Ев

-

ропы

итоги

 2018 

года

. URL: https://

eenergy.media/archives/9021 / Off-

shore wind power industry of Eu-

rope: results of the year 2018. URL: 

https://eenergy.media/archives/9021

10. 

Юсупов

 

К

.

Н

., 

Беляев

 

К

.

Л

Ветро

-

энергетическая

 

установка

 SWT 

3.0_101: 

безредукторная

 

техноло

-

гия

 

от

 Siemens // 

Турбины

 

и

 

дизели

2011, 

 4. 

С

. 4–9 / Yusupov K.N., 

Belyaev K.L. The wind power instal-

lation SWT 3.0_101: direct-drive 

technology from Siemens // 

Turbiny 

i dizeli 

[Turbines and diesels], 2011, 

no. 4, pp. 4–9. (In Russian)

11. Siemens 6.0 MW Offshore Wind 

Turbine, 2014. URL: https://en.wind-

turbine-models.com/turbines/657-

siemens-swt-6.0-154.

12. 

Вольдек

 

А

.

И

., 

Попов

 

В

.

В

Электри

-

ческие

 

машины

Машины

 

пере

-

менного

 

тока

Уч

для

 

вузов

СПб

.: 

Питер

, 2007. 350 

с

. / Vol'dek A.I., 

Popov V.V. Electric machines. AC 

machines. Student book for higher 

education. Saint-Petersburg, Piter 

Publ., 2007. 350 p. (In Russian)

3. 

Эффективным

 

методом

 

для

 

снижения

 

зубцовых

 

составляющих

 

выходного

 

напряжения

 

и

 

момента

 

является

 

скос

 

пазов

 

или

 

полюсов

 

ротора

в

 

част

-

ности

 

в

 

виде

 «

шеврона

».

4. 

Дополнительной

 

эффективной

 

мерой

 

снижения

 

зубцовых

 

пульсаций

 

и

 

гармоник

 

поля

кратных

 

трем

в

 

воздушном

 

зазоре

как

 

показало

 

модели

-

рование

является

 

применение

 

неравномерного

 

зазора

 

между

 

наконечниками

 

соседних

 

полюсов

Этот

 

способ

 

позволил

 

снизить

 

зубцовые

 

пуль

-

сации

 

индукции

 

и

 

момента

 

более

чем

 

в

 4 

раза

а

 

также

 

повысить

 

энергоэффективность

 

генера

-

тора

 

за

 

счет

 

уменьшения

 

добавочных

 

потерь

 

от

 

высших

 

гармоник

 

поля

.  

+7 (495) 111-78-77

 info@vsk-energo.ru

www.vsk-energo.ru

ООО

 «

ВСК

-

ЭНЕРГО

» — 

динамично

 

развивающаяся

 

компания

поставщик

 

электротехнического

 

обору

-

дования

 

ведущих

 

производителей

 

России

 

и

 

стран

 

СНГ

.

Ассортимент

 

продукции

 

позволяет

 

удовлетворить

запросы

 

и

 

потребности

 

любого

 

клиента

 —

от

 

государственных

 

до

 

частных

 

компаний

.

ОПЕРАТИВНОСТЬ

НАДЕЖНОСТЬ

КАЧЕСТВО

Все

 

изделия

 

имеют

 

необходимую

 

документацию

 

и

 

гарантию

.

 

Силовые
трансформаторы

:

 

масляные

 

герметичные

 

трансформаторы

(

ТМ

ТМГ

ТМЗ

ТМФ

)

сухие

 

трансформаторы

(

ТСЛ

ТСЗЛ

 

Комплектные

 

трансформаторные
подстанции

 (

КТП

):

 

столбовые

мачтовые

киосковые

контейнерные

блочные

бетонные

 

Щитовое

 

оборудование

:

 

главный

 

распредели

-

тельный

 

щит

 (

ГРЩ

), 

вводно

-

распределитель

-

ное

 

устройство

 (

ВРУ

), 

низковольтные

 

устройства

 

(

НКУ

), 

щит

 

учета

 

распреде

-

ления

 (

ЩУР

), 

щит

 

автома

-

тического

 

переключения

 

(

ЩАП

), 

щит

 

освещения

 

(

ЩО

), 

щит

 

аварийного

 

освещения

 (

ЩАО

)

 

Виброгасящие

 

опоры

 

для

 

сухих

 

трансформаторов

 

от

 100 

до

 3150 

кВА

 

Распределительные

 

устройства

:

 

распределительные

 

устройства

 

высокого

 

напряжения

 (

РУВН

), 

распределительные

 

устройства

 

низкого

 

напряжения

 (

РУНН

)

 

Линейная

 

арматура

 

для

 

ВЛ

:

 

сцепная

поддерживающая

натяжная

соединительная

контактная

 

и

 

защитная

 

Опоры

 

железобетонные

:

 

СВ

 95-2, 

СВ

 95-3

с

СВ

 110-35,

СВ

 110-5, 

СВ

 164-12, 

СВ

 164-20


Оригинал статьи: Повышение качества выходного напряжения в многополюсных генераторах ВЭУ

Ключевые слова: синхронный генератор, ВЭУ, зубцовые гармоники, энергетическая эффективность, математическое моделирование

Читать онлайн

В ветроэнергетических установках (ВЭУ) прямого привода используются генераторы различных типов: асинхронизированные машины, синхронные генераторы с постоянными магнитами, индукторные генераторы и т.д. Но для ВЭУ большой мощности, превышающей несколько мегаватт, традиционные многополюсные синхронные машины с электромагнитным возбуждением имеют конкурентные преимущества как по техническим, так и по экономическим показателям. В статье рассматриваются способы повышения качества выходного напряжения и энергетических параметров синхронного генератора за счет улучшения формы кривой магнитной индукции в воздушном зазоре машины и подавления зубцовых гармоник ЭДС. Приводятся результаты численного моделирования магнитного поля машины, выходного напряжения и электромагнитного момента.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»