prądnica wolnoobrotowa.pdf

(2399 KB) Pobierz
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Nr 66
Politechniki Wrocławskiej
Nr 66
Studia i Materiały
Nr 32
2012
maszyny elektryczne, magnesy trwałe, konstrukcja,
generatory synchroniczne, prądnice tarczowe,
obliczenia, magnetowody, elektrownie wiatrowe
Bogusław KAROLEWSKI*, Paweł LUDWICZAK*,
Tomasz WALSZCZAK*
BUDOWA MODELU PRĄDNICY TARCZOWEJ
Przedstawiono wyniki obliczeń i pomiarów modelu prądnicy tarczowej bez rdzenia w stojanie,
która przy prędkości obrotowej 200 obr/min wytwarza moc rzędu 3 kW. W modelu zastosowano
zmodyfikowane uzwojenie typu SEMA, co zapewnia dobre wypełnienie miedzią przestrzeni pomię-
dzy magnesami trapezowymi na dwu tarczach wirnika. Prądnica posiada bardzo mały moment rozru-
chowy. Jest przystosowana do współpracy z turbinami wiatrowymi, zwłaszcza wolnobieżnymi o osi
pionowej.
1. WPROWADZENIE
Elektrownie wiatrowe są coraz popularniejszym
źródłem
energii odnawialnej. Jed-
nak instalowanie elektrowni wiatrowych o dużych mocach w systemie elektroenerge-
tycznym stwarza wiele problemów, które w pewnym stopniu hamują ich rozwój. Poza
dużymi kosztami inwestycyjnymi, główną przyczyną zmniejszenia zainteresowania
dużymi turbinami wiatrowymi są kłopoty ze zmiennością i trudnościami prognozowa-
nia produkcji energii. Również zarządzanie i sterowanie pracą
źródeł
rozproszonych
w systemie energetycznym jest trudnym zadaniem.
Chęć pozyskiwania taniej energii spowodowała wzrost zainteresowania małymi
elektrowniami wiatrowymi, o mocy od 0,1 kW do 10 kW, często wykorzystującymi
turbiny z pionową osią, które nie stwarzają wymienionych problemów. Zalety takich
mini elektrowni wiatrowych to niewielkie rozmiary, niezależność od kierunku wiatru,
odporność na warunki atmosferyczne, cicha praca, brak zagrożenia dla ludzi i zwierząt.
W budynkach nowych oraz tych, które podlegają gruntownemu remontowi, zaleca
się uwzględnienie wykorzystania energii pochodzącej ze
źródeł
odnawialnych (OZE).
__________
* Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, Politechnika Wrocławska, ul. Smolu-
chowskiego 19, 50-372 Wrocław, bogusław.karolewski@pwr.wroc.pl
313
Ponieważ małe elektrownie wiatrowe mogą działać praktycznie wszędzie, dobrze na-
dają się do spełnienia tego warunku. Elektrownie takie mogą służyć jako dodatkowe
źródło
energii, które w pewnym stopniu uniezależnia odbiorców od sieci lokalnego
dystrybutora energii elektrycznej. Dobrze sprawdzają się zwłaszcza jako zasilanie
budynków pasywnych – bardzo dobrze ocieplonych, które potrzebują małej ilości
energii.
Mała elektrownia wiatrowa może dostarczać prąd na potrzeby odbiorcy wydzielo-
nego, działającego niezależnie od sieci elektroenergetycznej. Brak współpracy z siecią
pozwala uniknąć konieczności spełnienia szeregu rygorystycznych warunków i uzy-
skiwania odpowiednich zezwoleń. Odbiorem może być:
−
wydzielony obwód w domu (np. obwód oświetleniowy, grzania wody lub
ogrzewania podłogowego wspomagającego ogrzewanie budynku), działający
niezależnie od pozostałej instalacji elektrycznej domu
−
zasilanej z sieci elek-
troenergetycznej,
−
cała instalacja domowa, niepołączona do sieci elektroenergetycznej lub odłą-
czana od tej sieci na czas korzystania z energii wytworzonej przez przydomową
elektrownię.
W małych przydomowych elektrowniach można wykorzystywać wolnobieżne
prądnice synchroniczne o magnesach trwałych. Rozwijającą się odmianą tych prądnic
są wykonania tarczowe, uzyskujące moc znamionową przy prędkości obrotowej nawet
rzędu 200 obr/min. Generatory tarczowe zaczynają produkować energię przy prędko-
ściach
znacznie niższych. Dzięki temu możliwe jest wyeliminowanie drogiej i hała-
śliwej
przekładni mechanicznej pomiędzy turbiną a prądnicą, nawet w przypadku wy-
korzystywania wolniejszych turbin o osi pionowej. Wadą takiej prostej prądnicy jest
generowanie napięcia o zmiennej wartości skutecznej i częstotliwości. Parametry te są
funkcją prędkości turbiny, a więc w przypadku prostych wykonań – bez stabilizacji
prędkości – funkcją prędkości wiatru.
Niektórzy wytwórcy prądnic jako prędkość znamionową podają wartość odpowia-
dającą obniżonej częstotliwości napięcia zasilającego – np. 20 Hz. Prędkość odpowia-
dająca częstotliwości sieciowej jest w tym przypadku 2,5 krotnie wyższa od podawa-
nej.
W przypadku zasilania oświetlenia, silników czy innych odbiorników wymagają-
cych zachowania określonych parametrów jakości energii, konieczne jest wykorzy-
stywanie zasobników wytworzonej energii – np. akumulatorów. W celu ograniczenia
maksymalnego prądu
ładowania
akumulatorów stosuje się kontrolery
ładowania.
Z kolei z akumulatorów zasila się falowniki przetwarzający napięcie stałe na zmienne
i transformatory dopasowujące poziom napięcia do wymaganego przez odbiorniki.
Wszystkie te elementy znacznie podrażają koszt układu zasilającego.
Znacznie prostsze urządzenia pośredniczące pomiędzy generatorem a odbiornikiem
można wykorzystywać w przypadku zasilania grzejników. Zmiany częstotliwości nie
mają w tym przypadku większego znaczenia. Odbiornik wykonuje się jako układ
314
grzałek. Przy niewielkim napięciu człony odbiornika
łączy
się równolegle, a w miarę
wzrostu napięcia przełącza się grzałki w układy szeregowe. W bardziej zaawansowa-
nych konstrukcjach, zamiast układów przekaźnikowo-stycznikowych, można wyko-
rzystać regulator półprzewodnikowy.
Opis działania prądnic tarczowych, stosowanych w elektrowniach wiatrowych,
przedstawiono w artykułach [1], [3], [4], [6], [12], a wyniki badań różnych modeli prąd-
nic w [2], [5], [7]–[9]. Wśród wykonań prądnic tarczowych wiele zalet mają prądnice
bez rdzenia w stojanie. Są tańsze od rdzeniowych i nie wytwarzają momentu zaczepo-
wego. Dlatego w pracy [10] zestawiono parametry kilku wariantów modeli prądnic bez-
rdzeniowych. Z porównania wynika,
że
wykorzystanie uzwojeń typu SEMA daje moż-
liwość uzyskania największej mocy wyjściowej przy danych rozmiarach prądnicy
bezrdzeniowej. W niniejszym artykule opisano kolejny model takiej prądnicy.
2. PARAMETRY PRĄDNICY
Projektowany generator jest trójfazową prądnicą synchroniczną, wolnoobrotową, bez
rdzenia w stojanie, o prędkości znamionowej
n
= 200 obr/min., która odpowiada indu-
kowaniu się napięcia o częstotliwości 50 Hz [6]. Prądnicę przedstawiono na rys. 1.
Rys. 1. Model prądnicy
Fig. 1. Model of the generator
Na dwóch jednakowych stalowych tarczach wirnika znajduje się po 30 magnesów
trwałych o kształcie trapezowym (rys. 2), co daje 15 par biegunów prądnicy. Budowę
wirnika ilustruje rys. 3.
315
Rys. 2. Wymiary magnesu
Fig. 2. Dimensions of the magnet
Rys. 3. Tarcza wirnika z magnesami i cały wirnik osadzony na osi
Fig. 3. Rotor disc with magnets and the whole rotor embedded on the axis
Każda z faz stojana składa się z 30 cewek typu SEMA [1], [6], [10], mających po
20 zwojów nawiniętych drutem o
średnicy
d
= 1,8 mm. W jednej fazie umieszczono
cewki proste, a w dwóch wywinięte w przeciwne strony (rys. 4). Ułożenie cewek po-
kazano na rys. 5, a cały stojan, zalany
żywicą
na rys. 6.
Rys. 4. Cewki projektowanej prądnicy – prosta i wywinięta
Fig. 4. The coils of designed generator – simple and brandished
316
Rys. 5. Ułożenie cewek w stojanie
Fig. 5. Arrangement of coils in the stator
Rys. 6. Stojan zalany
żywicą
Fig. 6. Stator spilled with resin
Rys. 7. Prądnica wolnobieżna wraz z silnikiem napędzającym
Fig. 7. Slow speed generator with driving motor
3. WYNIKI OBLICZEŃ
Wykorzystując uproszczone wzory, na etapie projektu prądnicy wyznaczono para-
metry pola magnetycznego (natężenie pola i indukcję w magnesie
H
m
= 367 A/m,
B
m
= 0,71 T oraz w szczelinie pomiędzy magnesami (gdzie znajdują się cewki)
H
p
=
565 A/m,
B
p
= 0,71 T. Indukcja w stalowych tarczach wirnika o zaplanowanej grubo-
ści
10 mm
B
Fe
= 1,77 T. Ponieważ osiągana wartość indukcji przekracza próg nasyce-

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin