Оптимізація конструкції та керування низькошвидкісним генератором постійного струму для підвищення ефективності вітроенергетичної установки

Abstract

Актуальність - аналіз вітрового потенціалу України показує, що малі ВЕУ потужністю 1÷5 кВт, розраховані на номінальну швидкість вітру 10÷12 м/с, будуть ефективно працювати тільки в Карпатах і ряді приморських регіонів України, що сумарно складає не більш 5% від усієї території країни. На інших територіях України середньорічна швидкість вітру не перевищує 5м/с, а це означає, що п’ятикіловатна ВЕУ, розрахована на номінальну швидкість вітру 10м/с, при швидкості вітру 5м/с забезпечить лише 10% від своєї номінальної потужності. Подібна ситуація не є унікальною і властивою лише для Україні, низький вітровий потенціал 5÷6 м/с має до 50% земної поверхні. В даний час на малих ВЕУ, для перетворення механічної енергії обертання валу вітроколеса в електричну енергію практично всюди використовуються безредукторні багатополюсні синхронні генератори з магнітоелектричним збудженням. Вони мають достатньо високу надійність та ККД. Однак такі генератори мають високу ціну через постійно зростаючу вартість рідкісноземельних металів, застосовуваних для виготовлення постійних магнітів. За оцінкою експертів, вартість постійних магнітів у загальній вартості синхронного генератора з магнітоелектричним збудженням становить від 30 до 50%. Тільки за один 2018 рік вартість рідкісноземельних металів виросла на 20%. Очікується, що в подальшому їх вартість буде тільки зростати, збільшившись що найменше в два рази до кінця 2026 року. Крім того, більшість низькообертових ВЕУ належать до групи електричних машин торцевого (аксіального) типу. Такі машини при відносно малій масі й габаритах мають великий момент інерції. Початкова швидкість вітру для таких машин становить 2,5÷3м/с, відповідно при швидкості вітру 1,5÷2,5м/с такі електричні машини не здатні працювати належним чином. Тому розробка й впровадження у виробництво нових типів дешевих та енергоефективних низькообертових ВЕУ є актуальною науково-практичною задачею. Мета - розробка генератора постійного струму з безобмотковим ротором електромагнітним збудженням та малим моментом інерції номінальною швидкістю обертання 300 або 600 об/хв для роботи в складі вітроенергетичної установки на швидкостях вітру від 5 до 8 м/с. Об'єкт дослідження – конструкції низькошвидкісних генераторів постійного струму з безобмотковим ротором торцевого та циліндричного типу. Предмет дослідження – розрахункові та експериментальні характеристики низькошвидкісних генераторів постійного струму з безобмотковим ротором.