3.3. Різноманітність електричних генераторів для веу

Із усіх можливих типів електромеханічних перетворювачів енергії практичне застосування знаходять тільки індуктивні перетворювачі, в яких перетворення енергії здійснюється за рахунок зміни індуктивності (потокозцілення) обмоток, які розташовані на двох основних частинах частотах – статорі і роторі. При цьому переважно циліндричний обертаючий ротор розташований всередині статора, який також має форму порожнього циліндра. В окремих установках ротор, який має форму кільця, розташовують зовні статора. Такі машини називають машинами з зовнішнім ротором.

По роду струму вони розподіляються на машини змінного та постійного струму. Машини змінного струму діляться на синхронні і асинхронні, а також на колекторні машини змінного струму [1].

В синхронних машинах кутова швидкість обертання w_p ротора і кутова швидкість обертання магнітного поля статора w_c рівні між собою. Частоти f генеруємих в статорі електрорушійних сил (ЕРС) і струмів визначається числом обертань ротора n_р за 1с та числом полюсів р його обмотки збудження:

(3.3.1)

В асинхронних машинах кутові швидкості ω_cр та ω_c не рівні між собою, і при генераторному режимі роботи ω_cр > ω_c.

Частота генеруємих ЕРС і струму в АГ, а також такий параметр як ковзання S визначаються відповідно до формул:

(3.3.2)

Колекторні машини відрізняються від синхронних та асинхронних тим, що вони мають механічний перетворювач частоти та числа фаз – колектор, який з’єднаний з обмоткою статора або ротора.

Машини постійного струму також мають на роторі колектор, який виконує функцію механічного випрямляча в генераторах та механічного інвертора в двигунах.

Якщо в електричній машині обертається тільки один елемент – ротор, то вона називається одномірною.

Електромагнітний момент в машині, який створюється в результаті взаємодії магнітних полів і струмів в обмотках, в рівній ступені діє на статор і ротор. При цьому можливі варіанти, коли обертаються в протилежні боки і статор, і ротор. В такому випадку електрична машина являється двохмірною (її називають ще біротативною).

Ротор електричної машини змінного струму може бути без обмотки збудження. В таких машинах магнітне поле збудження створюється постійними магнітами і вони називаються генераторами з постійними магнітами.

Явно визначені конструкції полюсів на статорі і роторі належать до індукторних або параметричних машин, в яких перетворення енергії здійснюється за рахунок періодичної зміни магнітного опору повітряного проміжку. Конструктивні виконання індукторних машин дуже різні. Вони можуть мати два статори з розташованою між ними обмотаного збудження і два ротори, або один статор і ротор з явно вираженими, так званими кігтєвидними полюсами, при цьому обмотки збудження розташовується або на роторі, або в торцевих частинах статора.

Більшість названих типів електричних машин – синхронні, асинхронні, з постійними магнітами, індукторні – знаходять широке застосування як генератори у вітроустановках.

Гарну перспективу мають також і генератори торцевого виконання, в яких статор і ротор виконуються у формі дисків і в яких перетворення енергії здійснюється в повітряному просторі між цими дисками.

Розглянемо питання узгодження характеристик вітродвигуна і генератора ВЕУ [1].

Потужність Рвк на валу вітроколеса визначається формулою:

(3.3.3)

де S_вк – площа вітроколеса; V – швидкість вітру; C_p – ємність інерційного акумулятора; ρ – густина повітря.

Примітка: 1кВт=102кГм/с=1,36к.с.

В ряду випадків у ВЕУ на швидкохідній частині можуть бути установлені так звані інерційні акумулятори, які створюються як сталеві диски великого діаметра. Вони поглинають підвищену енергію на вітроколесі при підвищеній швидкості вітру і потім віддають її генератору при пониженні швидкості вітру. В результаті пульсуючий характер вітру та відповідні пульсації моменту на вітроколесі згладжується таким акумулятором, а швидкість обертання генератора становиться більш стабільною, покращується якість напруги.

Електромагнітна потужність генератора, який з’єднаний з вітроколесом, визначається перш за все, потужністю, яка підводиться до нього з вала, і корегується системою керування.

При проектуванні ВЕУ і проведенні практичних розрахунків необхідно узгоджувати робочі характеристики вітроколеса та підключеного до нього генератора (або другого механізму). Ці характеристики повинні відображати зміну потужності, яка створюється вітроколесом і перетворюється генератором в залежності від сила обертів. Такі характеристики в загальному вигляді показані на рис. 3.3.1.

Максимальна потужність вітроколеса при постійній швидкості вітру досягається при визначеному числі обертів. Ця потужність буде повністю прийнята робочою машиною (генератором), якщо, по-перше, її навантаження відповідає цій потужності, а по-друге, досягається іменно при даних обертаннях вітроколеса. Це можливо, якщо передаточне відношення t мультиплікатора забезпечує таке число обертів генератора, при якому крива його характеристики потужності проходить через вершини кривих потужності вітродвигуна (крива А на рис. 3.3.1). При перевищеному значенні параметра t характеристика машини буде мати вид кривої Б (див. рис. 3.3.1) і робота ВЕУ буде нестійкою. При малому значенні параметра t характеристика буде мати вигляд кривої С (див. рис. 3.3.1) і вітродвигун буде працювати з недовантаженням, тобто з меншим значенням С_р.

Рис. 3.3.1 Характеристики потужності вітродвигуна і генератора ВЕУ

Корисна потужність, яка передається від генератора до споживача, буде менше механічної потужності на валу вітродвигуна на величну втрат в механічній передачі та в генераторі. Це враховується відповідними коефіцієнтами корисної дії (ККД).

Криві на рис. 3.3.1 ідеалізовані і, звичайно, не відображають реальної поведінки ВЕУ, яка працює при непостійній швидкості вітру, остання має випадковий (ймовірний) характер змін, при цьому зміна вітрового режиму здійснюється з періодом протягом однієї або декількох секунд. По такому ж закону змінюються потужності вітроколеса і генератора. Подібні до приведених характеристик виконуються експериментальним шляхом і їх застосовують для дослідження ефективності різних типів вітродвигунів та різноманітних генераторів.

Рівняння механічної рівноваги ВЕУ може бути записано у вигляді:

М_ВК – М₀ – М_МЕГ ± М_д =0 (3.3.4)

де М_ВК – момент обертання вітроколеса, М₀ -момент який обумовлений тертям механічних елементів ВЕУ; М_МЕГ – електромагнітний (гальмуючий) момент генератора; М_д – динамічний момент, який визначається за формулою:

(3.3.5)

де І – момент інерції обертаємих мас.

Знаки +/– динамічного моменту підкреслюють його стабілізуючу дію на поведінку системи: при тенденції до зниження або до підвищення частоти обертів вітроколеса момент М_д має зустрічний напрямок відповідно до цих змін.