Caractéristiques de conception d'une petite éolienne à aimant permanent AC
Des générateurs à courant continu, des alternateurs électromagnétiques, des générateurs à griffes, des générateurs à réluctance et des générateurs inductifs ont été utilisés pour les petites centrales éoliennes. Avec le développement de la technologie des matériaux à aimants permanents, le produit énergétique magnétique des matériaux à aimants permanents a été considérablement amélioré et les générateurs à aimants permanents sont principalement utilisés à l'heure actuelle. Ce type de moteur est supérieur aux anciens types de générateurs en termes de performances électriques et de sécurité. Étant donné que le lieu d'application de ce type de générateur est différent de celui d'un générateur général, ses exigences techniques ont sa particularité et il doit être parfaitement adapté à l'éolienne en termes de performances. Par conséquent, une analyse de plusieurs problèmes de ce type de générateur est effectuée. Et explorer.
2 exigences techniques
La figure 1 est un diagramme schématique d'un petit dispositif de production d'énergie éolienne. Le vent entraîne la rotation de la roue éolienne, convertissant l'énergie du vent en énergie mécanique. La roue éolienne entraîne la rotation de la génératrice, convertit l’énergie mécanique en énergie électrique, la rectifie et la reproduit. La conception de ce type de générateur doit d’abord choisir le type de générateur et la ligne de rectification; déterminer la puissance de redressement calculée, la puissance nominale, la tension, la vitesse, etc. Les principales exigences techniques pour cela sont:
(1) puissance de sortie nominale PN (W); (2) tension de sortie nominale (CC) UN (V); (3) vitesse nominale NN (tr / min); (4) efficacité du générateur η (); (5) couple de résistance de démarrage TN (Nm); (6) à une vitesse nominale de 65, la tension à vide du générateur ne doit pas être inférieure à la tension nominale; (7) à une vitesse nominale de 150, le générateur devrait pouvoir surcharger le fonctionnement sous une tension nominale de 2min; (8) Le générateur devrait pouvoir résister à 2 fois la vitesse nominale en l'absence de charge, pendant une durée de 2 minutes. La structure du rotor ne devrait pas être endommagée ni déformée de manière préjudiciable. (9) Le générateur devrait pouvoir empêcher la pluie, la neige, le sable et la foudre.
En outre, il convient également de respecter les exigences techniques en matière d’isolation générale du moteur, de résistance à la pression, de résistance mécanique, etc.
Les exigences techniques (5), (6), (7), (8) sont des exigences spéciales pour les éoliennes, qui seront analysées séparément ci-dessous.
3 sélection de la charge électromagnétique
La pratique de la fabrication de moteur moderne et le fonctionnement à long terme du moteur donnent généralement la plage de la charge de ligne As et la charge magnétique Bδ du moteur conçu. Lorsque le produit de As et de Bδ est identique, le rapport entre As et Bδ détermine les différents paramètres du générateur, l'indice d'énergie en force et la masse. Lorsque Bδ est grand et que As est faible, le générateur est riche en fer, et lorsque As est grand et que Bδ est petit, le générateur est riche en cuivre.
La charge électrique du moteur est mesurée par la densité de courant j (A / mm2) de l’enroulement du moteur et par la charge linéaire As (A / cm). Plus la charge électrique est importante, plus la perte en cuivre est importante. Pour les éoliennes de faible puissance, il s’agit généralement de basse tension et de forte intensité. En particulier, les génératrices inférieures à 1 kW sont principalement utilisées à 24, 36 V ou 48 V (courant continu redressé), et le courant nominal de ces moteurs est élevé. Pour les générateurs de faible puissance de 1 à 10 kW, des tensions de sortie nominales élevées ne peuvent pas être prises. Étant donné que ce type de générateur utilise principalement le stockage d'énergie sur batterie, la tension étant élevée, il faut utiliser davantage de batteries, ce qui augmente le coût de l'ensemble de la machine, ce que les clients ont du mal à accepter. En bref, la charge de la ligne d’éoliennes de faible puissance est relativement élevée et il s’agit d’un générateur riche en cuivre. La perte de cuivre du moteur est importante et représente environ 70% de la perte totale du moteur. C'est une situation objective. De plus, la puissance de sortie du générateur augmente à mesure que la vitesse du vent augmente, comme illustré à la figure 2. La puissance du générateur augmente et la chaleur augmente. Cependant, à mesure que la vitesse du vent augmente, les conditions de dissipation de chaleur sont grandement améliorées. Par conséquent, pour ce type de générateur, il convient de ne pas respecter la norme de sélection du moteur Comme pour le moteur général, et de sélectionner la valeur As supérieure, qui est à la fois requise et autorisée. Par exemple, le moteur de petite puissance général As est compris entre 60 et 80 A / cm; et le type de générateur peut être compris entre 100 et 150 A / cm; et le générateur d’aérogène Comme l’utilisation d’un refroidissement par injection de carburant à haute efficacité peut atteindre environ 300 A / cm. Par conséquent, le choix de As doit prendre en compte la perte de moteur, le rendement, la dissipation de chaleur et l'application, et obtenir une valeur raisonnable.
Le choix de la charge magnétique Bδ peut être totalement conforme aux principes généraux de la théorie des moteurs et ne sera pas décrit ici.
4 stator
4.1 emplacements de stator
Sur la base de la charge électrique élevée de ce type de générateur, la perte en cuivre est importante. Lors de la conception du générateur, il convient de minimiser la largeur des dents et l'épaisseur de la culasse afin de garantir la surface de rainure en garantissant une résistance mécanique et une densité de flux magnétiques suffisantes. Augmentez la surface de fil de l'enroulement du stator, réduisez la consommation de cuivre et améliorez l'efficacité du générateur. Ce n'est pas quelque chose que chaque fabricant a considéré. Souvent, en raison des fils de bobinage du stator plus minces, les exigences de conception peuvent être satisfaites pendant le fonctionnement initial du générateur. Après 2 à 3 heures de fonctionnement, la température augmente brusquement et la puissance de sortie diminue rapidement, de sorte que la puissance de sortie nominale ne répond pas aux exigences.
4.2 enroulement du stator
Les exigences techniques des éoliennes de faible puissance (5) introduisent le concept de couple de résistance de démarrage du générateur, car les petits équipements de production d'énergie éolienne tournent généralement à des dizaines, voire des centaines de tours, afin de réduire les liaisons, réduire les coûts et améliorer la fiabilité. La roue éolienne de l'appareil est directement couplée à l'arbre du générateur. Cela nécessite de minimiser le couple de résistance généré par l'effet de cogging de la génératrice, de sorte que lorsque la vitesse du vent est faible (2 à 3 m / s), l'éolienne puisse être démarrée rapidement et générer de l'électricité le plus rapidement possible. À cette fin, la norme nationale GB10760.1-89 énonce les exigences, voir le tableau ci-dessous.
Puissance (W) 501002003005001000 Couple de résistance maximale au démarrage (Nm) 0.200.300.350.501.201.50
D'après la théorie du moteur, la goulotte de stator, le pôle incliné du rotor et l'enroulement fractionné du stator peuvent réduire le couple de résistance provoqué par l'effet de cogging et répondre aux exigences techniques. Cependant, il a été prouvé que l’enroulement à fente fractionnelle est le moyen le plus efficace de réduire le couple de résistance.
L'utilisation de la goulotte de stator est relativement facile à mettre en œuvre dans le processus, mais l'effet n'est pas évident. Si la distance de la goulotte est trop grande, les performances électriques du générateur en seront affectées. en utilisant le pôle oblique du rotor, l'aimant du rotor et le pôle magnétique sont torsadés à une taille raisonnable. Le processus est difficile et l'effet n'est pas évident. par conséquent, les enroulements fractionnés sont principalement utilisés.
Enroulement partiel de fente:
Nombre d'emplacements par phase par pôle q = Zs / 2mp = ac / j
Nombre d'emplacements par pôle Q = Zs / 2p = AC / D
Où: Zs est le nombre d'emplacements de stator; m n'est pas le nombre de phases d'enroulement; p est le nombre de paires de pôles du générateur; A, a est un entier; c / d, C / D est une fraction irréductible.
La théorie et la pratique prouvent que plus D est grand, plus le couple de résistance de démarrage du générateur est faible [5]. De plus, à mesure que la valeur de q augmente, l’impédance de séquence négative diminue et la réactance de fuite diminue, ce que nous espérons. Dans le même temps, cependant, en augmentant excessivement la valeur de q, la capacité du générateur à supprimer les harmoniques supérieurs est réduite, ce qui devrait être évité. Par conséquent, tant que l'exigence de couple de résistance spécifiée par la norme nationale est satisfaite, plus la valeur q est grande, mieux c'est.
Nous avons calculé et effectivement testé le couple de plusieurs générateurs, à partir duquel nous pouvons déterminer la coordination des dents, voir la figure 3.
5 rotor
La vitesse d'une éolienne d'un petit appareil de production d'énergie éolienne est de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de tours par minute et le rotor de la génératrice est directement couplé à la roue éolienne. La vitesse du rotor détermine que le générateur est un générateur multipolaire à basse vitesse; le rotor est généralement constitué de ferrite et d'aimant en néodyme-fer-bore, à structure tangentielle; la structure du rotor doit être ferme et pouvoir supporter l'impact de changements brusques de la vitesse du vent, sans dommage ni dommage. Et déformation. Ceci est clairement indiqué dans les exigences techniques (7) et (8). Le problème du rotor sera discuté dans un article spécial.
6 caractéristiques
6.1 tension de sortie CC
Le générateur fournit une tension alternative pour redresser et charger la batterie. Selon la norme nationale, la tension redressée doit être supérieure de 2V à la batterie standard de 12V, c’est-à-dire que la tension de sortie du générateur est de 14V, 28V, 42V, 56V ... Cependant, il a été prouvé que cette régulation est réalisable pour les zones avec des ressources éoliennes très abondantes, mais pour les ressources éoliennes, les zones utilisables sont faibles. Certaines personnes produisaient auparavant du 42V (DC) dans la zone de culture du lac intérieur du Jiangsu Neihu. Le générateur était connecté à deux séries de batteries (24V) et cela fonctionnait bien sans problèmes sérieux. Par conséquent, lors de la conception d’une génératrice, il faut savoir que la source de vent dans la zone d’utilisation de l’éolienne doit généralement être supérieure à 4V afin de tirer pleinement parti des précieuses ressources éoliennes.
6.2 Caractéristiques de sortie
La relation entre la puissance de sortie P et la vitesse n n'est pas requise pour les générateurs généraux et est importante pour ces générateurs. La figure 2 montre les caractéristiques mesurées du générateur DYF-600. En raison d'exigences spécifiques, les éoliennes nécessitent que les générateurs produisent de l'électricité par vent faible, tandis que les caractéristiques de sortie sont aussi faibles que possible au-dessus des vitesses de vent nominales. Par conséquent, lors de la conception du générateur, le circuit magnétique doit être saturé autant que possible afin de ne pas causer de survitesse fréquente de l’éolienne. surchauffe du générateur, endommageant ainsi. .
6.3 Caractéristiques correspondantes des éoliennes aux caractéristiques de sortie du générateur
(1) Après le démarrage de l'éolienne, le générateur doit générer de l'électricité dès que possible, c'est-à-dire que l'énergie éolienne peut être capturée dans une plage de vitesse de vent faible. Conformément aux exigences techniques (6), le couple de démarrage de la génératrice est aussi faible que possible, de sorte que l’éolienne puisse être mise en service le plus rapidement possible.
(2) On espère que le générateur P = f (n) présente une relation parabolique quadratique avant le point nominal pour obtenir la meilleure énergie éolienne en faisant correspondre le générateur à l'éolienne.
