Cum sunt utilizate generatoarele sincrone cu magneți permanenți în turbinele eoliene

Tehnologia sincronă cu magnet permanent este utilizată pe scară largă în mașinile electrice moderne, de la motoarele industriale la generatoarele eoliene.

Într-o turbină eoliană, totuși, mașina cu magnet permanent funcționează în mod normal ca un generator, nu ca un motor. Din acest motiv, termenul de generator sincron cu magnet permanent (PMSG) este mai precis decât PMSM atunci când discutăm despre unitatea principală de generare a energiei din interiorul unei turbine eoliene.

Principiile electromagnetice sunt strâns legate, dar direcția de conversie a energiei este diferită.

Un PMSM transformă energia electrică în rotație mecanică. Un PMSG face opusul: trenul rotativ al turbinei eoliene furnizează energie mecanică generatorului, care o transformă în energie electrică.

Înțelegerea acestei distincții face mult mai ușor să vedem unde se potrivește tehnologia cu magnet permanent în sistemele moderne de energie eoliană.

Unde se află generatorul cu magnet permanent într-o turbină eoliană?

Vântul întoarce palele turbinei și rotorul.

Acea rotație mecanică trebuie apoi convertită în electricitate de către generator.

Există două aranjamente largi de transmisie.

Turbine eoliene cu angrenaje

Într-o transmisie cu angrenaj, rotorul turbinei se rotește relativ lent.

O cutie de viteze crește viteza de rotație înainte ca puterea mecanică să ajungă la generator.

Acest lucru permite generatorului să funcționeze la o viteză de rotație mai mare decât rotorul turbinei.

Scopul cutiei de viteze este, prin urmare, de a se potrivi cerințelor de viteză mecanică ale rotorului și ale generatorului. Nu ar trebui descris pur și simplu ca „potrivire cu frecvența rețelei”, deoarece turbinele moderne cu viteză variabilă folosesc în mod normal electronica de putere între generator și rețea.

Turbine eoliene cu acționare directă

Un sistem de antrenare directă îndepărtează cutia de viteze principală.

Generatorul este conectat mult mai direct la rotorul turbinei și, prin urmare, trebuie să funcționeze la o viteză mult mai mică, producând în același timp un cuplu mare.

Acest lucru modifică în mod semnificativ designul generatorului.

Generatoarele cu magneți permanenți cu acționare directă au, de obicei, un diametru mai mare și folosesc mai mulți poli magnetici, astfel încât ieșirea electrică utilă să poată fi produsă la viteză de rotație mică.

De ce să folosiți magneți permanenți?

Un generator sincron cu magnet permanent își creează câmpul magnetic al rotorului mai degrabă cu magneți permanenți decât cu o înfășurare de excitație a rotorului.

Aceasta oferă mai multe caracteristici utile pentru aplicațiile de energie eoliană.

Fără curent de excitare a rotorului

Deoarece câmpul magnetic este produs de magneți permanenți, rotorul nu necesită un sistem separat de excitație electrică.

Acest lucru poate reduce pierderile electrice ale rotorului și poate simplifica o parte a structurii generatorului.

Potrivit pentru modele cu viteză mică și cuplu ridicat

Mașinile cu magnet permanenți pot fi proiectate cu mulți poli și cu densitate mare a cuplului.

Acest lucru este deosebit de relevant pentru sistemele eoliene cu antrenare directă, unde viteza generatorului este scăzută și cuplul mecanic este mare.

Compatibil cu funcționarea cu viteză variabilă

Viteza vântului se modifică continuu.

Operarea turbinei la viteză variabilă poate permite rotorului să rămână mai aproape de condiția de funcționare aerodinamică preferată într-o gamă mai largă de condiții de vânt.

Generatoarele cu magnet permanent sunt utilizate în mod obișnuit cu convertoarele electronice de putere maximă, permițând frecvenței generatorului să varieze independent de frecvența rețelei.

Acest lucru face posibilă funcționarea cu viteză variabilă fără a necesita rotorul mecanic să funcționeze la o viteză sincronă fixă ​​legată direct de rețea.

Ce rol joacă convertizorul de putere?

Generatorul este doar o parte a sistemului electric al turbinei eoliene.

În multe turbine eoliene cu magnet permanent, energia electrică de la generator trece printr-un convertor AC/DC/AC la scară completă înainte de a ajunge în rețea.

Acest convertor îndeplinește câteva funcții importante.

Acesta permite generatorului să funcționeze la viteză variabilă, convertește ieșirea generatorului cu frecvență variabilă în energie electrică compatibilă cu rețea și oferă control asupra puterii active și reactive la bornele turbinei.

Această distincție contează deoarece capacitatea de susținere a rețelei nu ar trebui atribuită magneților permanenți înșiși.

Generatorul produce energie electrică, în timp ce convertorul și sistemul de control al turbinei gestionează modul în care acea putere este furnizată rețelei.

Direct Drive nu înseamnă „Întotdeauna mai bine”

Scoaterea cutiei de viteze poate reduce numărul de componente ale sistemului de propulsie și poate elimina un subsistem mecanic major.

Acest lucru poate fi atractiv acolo unde accesul la întreținere este dificil.

Cu toate acestea, generatoarele cu acționare directă aduc și propriile provocări de inginerie.

Un generator de viteză mică are nevoie, în general, de o structură electromagnetică mai mare pentru a produce cuplul necesar. Sistemele cu acționare directă cu magnet permanent pot utiliza, de asemenea, cantități semnificative de material magnetic din pământuri rare.

Acesta este motivul pentru care atât arhitecturile cu turbine eoliene cu angrenaj, cât și cu antrenare directă continuă să existe.

Alegerea potrivită depinde de puterea turbinei, viteza rotorului, designul generatorului, greutatea, strategia de întreținere, costul materialului și economia generală a sistemului.

Unde se potrivește tehnologia cu magnet permanent cu flux axial

Majoritatea oamenilor asociază generatoarele eoliene mari cu mașini cu flux radial, dar tehnologia cu magnet permanent cu flux axial este, de asemenea, relevantă pentru modelele de generatoare compacte și specializate.

Într-o mașină cu flux axial, fluxul magnetic se deplasează în primul rând de-a lungul axei motorului sau generatorului, mai degrabă decât radial printr-o structură cilindrică convențională.

Arhitectura poate oferi o densitate mare a cuplului și o lungime axială relativ scurtă.

Pentru generatoarele cu acționare directă mai mici sau aplicațiile în care ambalarea și densitatea cuplului sunt importante, acest lucru face ca tehnologia cu flux axial să merite luată în considerare.

Jiangnan Electric dezvoltă în prezent mașini cu magneți permanenți cu flux axial pe lângă produsele PMSM convenționale. Gama de flux axial publicată de companie acoperă mai multe configurații de tensiune, viteză, răcire și montare.

Aceeași platformă electromagnetică poate fi relevantă atât pentru dezvoltarea motoarelor, cât și a generatorului, dar un produs cu motor nu ar trebui să fie prezentat automat ca un generator eolian fără validarea electromagnetică, termică și mecanică specifică aplicației.

Aplicații Jiangnan pentru energie eoliană electrică și cu magnet permanent

Hangzhou Jiangnan Electric Motor Co., Ltd. produce în prezent mai multe familii de motoare sincrone cu magnet permanent, inclusiv PMSM-uri convenționale, modele cu viteză mică și cuplu mare și mașini cu magnet permanent cu flux axial.

Unele dintre platformele de produse existente demonstrează caracteristici care sunt, de asemenea, importante în dezvoltarea generatoarelor eoliene.

De exemplu, platforma JNPM520-45 a lui Jiangnan este evaluată la 45 kW și 245 rpm cu un cuplu nominal de 1754 N·m. Deși dezvoltată pentru o aplicație industrială cu antrenare directă, mai degrabă decât să fie prezentată aici ca un generator de turbină eoliană, combinația dintre viteză mică și cuplu mare ilustrează tipul de provocare de proiectare electromagnetică întâlnită și în sistemele de generare cu antrenare directă.

Portofoliul de flux axial al Jiangnan include și mașini cu magnet permanenți proiectate în jurul structurilor axiale compacte și a funcționării cu viteză variabilă.

Site-ul web actual al companiei listează, în plus, produse cu magnet permanent pentru aplicații de energie eoliană la scară mică și medie a vântului.

Pentru un proiect real de energie eoliană, totuși, procesul de selecție ar trebui să înceapă cu cerințele generatorului, mai degrabă decât cu alegerea unui motor existent doar în funcție de puterea nominală.

Ce informații sunt necesare pentru un proiect de generator de energie eoliană?

Înainte de a evalua un generator cu magnet permanent, trebuie definite mai multe condiții de funcționare.

Informațiile importante includ:

• putere electrică nominală;
• viteza nominală și maximă a rotorului;
• cuplu continuu și de vârf;
• tensiunea de ieșire necesară;
• intervalul de frecvență al generatorului;
• metoda de racire;
• aranjament de montare;
• arbore sau interfață cu antrenare directă;
• condițiile de mediu așteptate;
• nivelul de protecție;
• topologia convertorului;
• sarcina de functionare continua.

Pentru un proiect cu antrenare directă, viteza rotorului și cuplul sunt deosebit de importante, deoarece generatorul trebuie să gestioneze sarcina turbinei fără a se baza pe o cutie de viteze cu raport ridicat.

Pentru sistemele mici și medii de energie eoliană, ambalajul, greutatea generatorului, costul convertorului și cerințele de întreținere pot afecta, de asemenea, puternic proiectarea finală.

PMSM sau PMSG: Terminologia contează

Motoarele sincrone cu magnet permanent și generatoarele sincrone cu magnet permanent se bazează pe principii electromagnetice strâns legate.

Dar rolurile lor operaționale sunt diferite.

Un PMSM convertește în mod normal energia electrică în ieșire mecanică.

Un PMSG transformă intrarea mecanică în energie electrică.

În turbinele eoliene, principala mașină de conversie a energiei este, prin urmare, descrisă mai precis ca PMSG.

Pentru clienții care dezvoltă echipamente eoliene, întrebarea importantă nu este doar dacă un PMSM existent poate fi instalat într-o turbină.

Abordarea corectă este să definiți mai întâi viteza generatorului, cuplul, tensiunea, condițiile termice, interfața mecanică și sistemul convertor necesar, apoi proiectați sau selectați mașina cu magnet permanent în funcție de aceste cerințe.

Disclaimer

Informațiile din acest articol sunt furnizate doar pentru referință generală. Specificațiile produsului, performanța, opțiunile de configurare și adecvarea trebuie evaluate în detaliu pentru aplicația prevăzută și condițiile reale de funcționare. Înainte de a selecta, cumpăra sau utiliza un produs, vă rugăm să confirmați detaliile relevante cu Jiangnan Electric și să consultați documentația tehnică aplicabilă și specificațiile convenite. Acest articol nu înlocuiește instrucțiunile specifice produsului sau o evaluare inginerească profesională.