МАШИНА НА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХ СО СКОЛЬЖЕНИЕМ Российский патент 2015 года по МПК H02K16/02 H02K17/42 H02K19/36 F03D9/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к возбуждаемой постоянными магнитами машине и системе. В частности, но не исключительно, изобретение относится к асинхронному генератору с постоянными магнитами типа, который обычно используют в ветровых генераторах.

ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Асинхронный генератор (АГ), как он общеизвестен в данной области техники, является одним из типов электрического генератора, который электромеханически подобен многофазному асинхронному электродвигателю (АД). АГ вырабатывает электрическую энергию, когда его вал вращается быстрее синхронной частоты эквивалентного АД. Асинхронные генераторы часто используют в системах преобразования энергии или ветровых турбинах и в некоторых небольших гидроустановках из-за их способности вырабатывать полезную энергию при предельно изменяющихся частотах вращения ротора. Асинхронные генераторы также в общем электромеханически проще, чем генераторы других типов. Они также более долговечные и не требуют щеток или коллекторов.

Однако асинхронные генераторы не являются самовозбуждающимися, т.е. они требуют подачи внешней электроэнергии для получения вихревого магнитного потока. Внешняя электроэнергия может быть подана из электрической сети или от самого генератора, когда он начнет вырабатывать энергию. Вихревой магнитный поток от статора индуцирует токи в роторе, который в свою очередь создает магнитное поле. Если ротор вращается медленнее, чем скорость вихревого потока, машина работает как асинхронный электродвигатель. Если ротор вращается быстрее, она работает как генератор, вырабатывая энергию на синхронной частоте.

В большинстве асинхронных генераторов намагничивающий поток создается конденсаторной батареей, соединенной с машиной в случае автономных систем. В случае систем, соединенных с сетью, машина отбирает ток намагничивания от сети. Асинхронные генераторы подходят для систем преобразования ветровой энергии, поскольку в таких установках частота вращения всегда является переменным фактором.

Известна идея получения асинхронного генератора с собственным возбуждением постоянными магнитами (АГПМ). Эти генераторы работают по принципу наличия дополнительного, свободно вращающегося ротора с постоянными магнитами (ПМ) в сочетании с обычным индукционным ротором, обычно расположенным между индукционным ротором и статором. Ротор с ПМ создает в машине поток, таким образом устраняя необходимость в токе намагничивания, что в свою очередь дает повышенный коэффициент мощности для машины в целом.

В наиболее коммерчески доступных системах преобразования ветровой энергии в настоящее время используется сочетание сложных редукторов и асинхронных машин с высокими частотами вращения. Эти системы обычно соединяют непосредственно с электрической сетью, что возможно из-за способности АД к скольжению, таким образом позволяя осуществлять “мягкое” соединение с сетью.

Популярной альтернативой схеме и конструкции системы преобразования ветровой энергии является синхронная машина низкой частоты вращения с постоянными магнитами (СМПМ). Схема типичной цепи привода показана на Фиг. 1. Цепь привода может представлять или асинхронную машину, или синхронную машину. Если, например, отсутствует редуктор, цепь привода может представлять собой СМПМ, и если отсутствует преобразователь, она может представлять собой асинхронную машину. СМПМ также может быть основана на широкополосном электронном силовом преобразователе, чтобы изменять уровень напряжения и частоту вырабатываемой энергии, чтобы позволить подсоединять машину непосредственно в электрическую сеть. Ниже термин “силовой преобразователь” будет относиться к широкополосному электронному силовому преобразователю. Система, такая как показанная, в котором не используется редуктор, известна как система с непосредственной передачей.

В ограниченном масштабе (т.е., на бытовом уровне) в некоторых странах используют несколько других вариантов, таких как асинхронный генератор двойного питания (АГДП), который обычно используется в области ветровых турбин, сочетания СМПМ и редукторов или асинхронных машин и преобразователей. Насколько известно заявителю, системы ветровых турбин, используемые в настоящее время, обычно состоят из электрической машины, которую эксплуатируют вместе с редуктором, силовым преобразователем или и с тем, и с другим.

Поскольку большинство традиционных ветровых турбин обычно работают на низких частотах вращения, необходимы редукторы, чтобы использовать их с асинхронными машинами с высокими частотами вращения. Без преобразователя асинхронные машины могут работать только как устройства с высокими частотами вращения из-за большого увеличения тока намагничивания асинхронных машин с низкой частотой вращения, непосредственно соединенных с сетью. СМПМ, с другой стороны, могут эффективно работать на низких частотах вращения, но не могут быть непосредственно подсоединены к электрической сети в системе преобразования ветровой энергии.

Редукторы и силовые преобразователи, используемые в традиционных системах преобразования ветровой энергии, являются механически сложными, дорогостоящими, требующими больших объемов технического обслуживания единицами оборудования, которые увеличивают совокупную стоимость всей системы. Редукторы также вносят значительный вклад в массу и потери всей системы из-за, например, теплоты и шума. Силовые преобразователи, с другой стороны, являются сложными и дорогостоящими, чувствительными к электричеству системами.

Схема типичного АГПМ показана на Фиг. 2. АГПМ состоит из обычного статора, короткозамкнутого ротора индукционного типа и дополнительного, свободно вращающегося ротора с постоянными магнитами между статором и ротором асинхронной машины или внутри ротора (или снаружи статора), как более четко показано на Фиг. 3. При использовании в ветровой турбине механическая энергия вала, которая подается ротором ветровой турбины в электрическую машину, передается на короткозамкнутый индукционный ротор, а ротор с постоянными магнитами вращается свободно и самостоятельно на собственном вале. Ротор с постоянными магнитами подает магнитный поток в электрической машине и индуцирует напряжение в обмотке статора, как показано на схеме эквивалентной электрической цепи на Фиг. 4. Это, в принципе, уменьшает ток намагничивания и повышает коэффициент мощности машины. В этих генераторах обычно используются стандартные обмотки статора и короткозамкнутого ротора. Однако было установлено, что существует эффект (момент) от зубцовых гармонических помех поля между ротором с ПМ и статором или ротором. Этот момент вызывает блокировку ротора с постоянными магнитами по отношению к сердечнику статора или сердечнику короткозамкнутого ротора, что приводит к нестабильности скорости скольжения на низких частотах.

Преимущества АГПМ при применении с ветровыми и другими генераторами очень привлекательные, поскольку при этом не нужно использовать редукторы и силовые преобразователи для соединения с сетью. Поэтому такое устройство является преобразователем ветровой энергии с прямым приводом и непосредственным соединением с сетью, что является очень привлекательной идеей. Но, несмотря на эти очевидные преимущества, насколько это известно заявителю, еще не был установлен или испытан ни один асинхронный ветровой генератор с постоянными магнитами. Основные причины этого, как кажется, заключаются в сложной конструкции таких машин.

ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить асинхронный генератор с постоянными магнитами, который будет, по меньшей мере частично, решать некоторые вышеуказанные проблемы.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с настоящим изобретением предложена система преобразования энергии в электрическую, включающая две машины с постоянными магнитами, при этом первая из двух машин с постоянными магнитами имеет неподвижный статор, который может быть соединен с электрической системой, и вторая из двух машин с постоянными магнитами имеет ротор, который может быть соединен с механической системой, причем система отличается тем, что две машины с постоянными магнитами связаны свободно вращающимся ротором с постоянными магнитами и магнитно отделены одна от другой.

Другие признаки изобретения предусматривают, что машины с постоянными магнитами являются генераторами, предпочтительно первая машина с постоянными магнитами является синхронным генератором, и вторая машина с постоянными магнитами является асинхронным генератором, и ротор асинхронного генератора является ротором короткозамкнутого типа.

Другие признаки изобретения предусматривают, что свободно вращающийся ротор включает по меньшей мере две части ротора, причем каждая часть ротора снабжена последовательностью постоянных магнитов, разнесенных по ее периметру, и имеет модульную конструкцию с частями ротора, съемно прикрепляемыми друг к другу, что позволяет эксплуатировать эти машины с постоянными магнитами вместе, когда части ротора прикреплены одна к другой, и отдельно, когда части ротора отсоединены одна от другой.

Другие признаки изобретения предусматривают, что машины с постоянными магнитами устанавливают торец к торцу в соосно выровненными относительно общего вала, когда они работают вместе; что свободно вращающийся ротор с постоянными магнитами вращается синхронно с ротором асинхронного генератора; и что асинхронный генератор (27) работает на скорости скольжения по отношению к синхронно вращающемуся ротору с постоянными магнитами.

Другие признаки изобретения предусматривают, что две последовательности постоянных магнитов будут механически связаны, чтобы вращаться вместе; что последовательность постоянных магнитов на первой части ротора будет выполнена так, чтобы передавать возбуждение на катушки неподвижного статора синхронного генератора; и что последовательность постоянных магнитов на второй части ротора будет выполнена так, чтобы передавать возбуждение на катушки ротора асинхронного генератора. Первая часть ротора может быть съемно прикреплена к второй части ротора в соосном выравнивании.

Другие признаки изобретения предусматривают, что ротор асинхронного генератора является асинхронным ротором короткозамкнутого типа, имеющим неперекрывающиеся стержневые обмотки; что асинхронный ротор короткозамкнутого типа будет иметь сосредоточенные обмотки и двухслойные обмотки; что система будет введена в ветровую турбину с лопатками ротора ветровой турбины, прикрепленными к ротору асинхронного генератора; и что система будет системой с прямым приводом и непосредственным соединением с сетью.

Изобретение также предлагает систему преобразования энергии в электрическую, включающую два ротора и статор, причем первый из двух роторов является короткозамкнутым ротором асинхронного типа, и второй из двух роторов является свободно вращающимся ротором с постоянными магнитами, причем свободно вращающийся ротор с постоянными магнитами включает две соосно выровненных, магнитно разделенных части ротора, при этом каждая часть ротора имеет последовательность постоянных магнитов, разнесенных по ее периметру, части ротора расположены так, чтобы позволять последовательности магнитов на первой части ротора передавать возбуждение на катушки статора и последовательности магнитов на второй части ротора передавать возбуждение на катушки короткозамкнутого ротора асинхронного типа; а также предлагает ветровую турбину, включающую систему преобразования энергии в электрическую, которая описана в настоящем документе.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На чертежах:

Фиг.1 - электрическая схема цепи привода обычной ветровой турбины;

Фиг.2 - электрическая схема типичного асинхронного генератора с постоянными магнитами (АГПМ);

Фиг.3 - вид в разрезе традиционно подсоединенного асинхронного генератора с постоянными магнитами;

Фиг.4 - эквивалентная электрическая схема асинхронного генератора с постоянными магнитами с Фиг.3;

Фиг.5 - разделенный асинхронный генератор с постоянными магнитами в соответствии с изобретением;

Фиг.6 - вид в разрезе разделенного асинхронного генератора с постоянными магнитами в соответствии с изобретением;

Фиг.7 - эквивалентные схемы dq стабильного состояния и векторные диаграммы (a) АГ и (b) синхронного генератора (СГ);

Фиг.8 - виды в поперечном разрезе и КЭ графики (a) двухслойного АГ, (b) однослойного АГ и (c) однослойного СГ;

Фиг.9 - эквивалентная электрическая схема разделенного асинхронного генератора с постоянными магнитами с Фиг. 5 и 6;

Фиг.10 - трехмерный график, показывающий чувствительность момента от зубцовых гармонических помех поля к изменениям в шаге магнитов и раскрытия паза в асинхронном генераторе в соответствии с изобретением;

Фиг.11 - двухмерный график, показывающий момент от зубцовых гармонических помех поля и шаг магнитов на графике с Фиг. 10;

Фиг.12 - график, показывающий средний момент против изменения в шаге магнитов в системе согласно изобретению;

Фиг.13 - таблица, показывающая размеры машины, полученные посредством оптимизации конструкции и минимизации момента от зубцовых гармонических помех поля;

Фиг.14 - график, показывающий индуктивности dq против тока dq системы АГ согласно изобретению;

Фиг.15 - график, показывающий момент от зубцовых гармонических помех поля и неравномерность момента при полной нагрузке против положения ротора в системе машины согласно изобретению;

Фиг.16 - график, показывающий момент против процента скольжения в системе машины согласно изобретению;

Фиг.17 - график, показывающий процент КПД системы машины согласно изобретению для некоторого диапазона моментов нагрузки;

Фиг.18 - график, показывающий изменение реактивной мощности с нагрузкой в системе машины согласно изобретению; и

Фиг.19 - график, показывающий опережающий ток СГ в условиях низковольтной сети в системе машины согласно изобретению, который измерен в лаборатории.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СО ССЫЛКАМИ НА ЧЕРТЕЖИ

Система преобразования энергии в электрическую (11), в текущем примере также именуемая разделенным асинхронным генератором с постоянными магнитами (“Р-АГПМ”), которая показана на Фиг. 5 и 6, в общем включает ветровую турбину (13), включающую комплект роторных лопаток (15), короткозамкнутый ротор асинхронного типа (17), общий ротор (19) с постоянными магнитами (ПМ) и соединенный с сетью статор (21).

Р-АГПМ (11) электромагнитно разделен на два ПМ генератора (25 и 27), связанных свободно вращающимся модульным ротором (19) с постоянными магнитами. Первый генератор (25) является синхронным генератором (СГ) с его неподвижным статором (21), электрически соединенным с электрической сетью. Второй генератор (27) работает как асинхронный генератор (АГ) с его короткозамкнутым ротором (17), механически соединенным с турбиной (13), которая работает на скорости скольжения по отношению к синхронно вращающемуся ротору (19) с постоянными магнитами. Ротор (17) АГ соединен с турбиной (13) посредством монтажной пластины (29).

Ротор (19) с постоянными магнитами включает две закрепленных соосно оболочки (31 и 33) ротора, каждая из которых имеет последовательность постоянных магнитов (39), разнесенных по ее периметру на ее внутренней поверхности. Первая оболочка (31) ротора работает с СГ (25) и вторая (33) с АГ (27). Этот ротор (33) с постоянными магнитами АГ (27) установлен на ротор (31) с постоянными магнитами СГ (25), а не перекрывающаяся стержневая обмотка и вал (35) АГ (27) установлены на монтажную пластину (29); в случае однослойной не перекрывающейся стержневой обмотки ротора стержневые катушки короткозамкнутого одновиткового ротора могут быть изготовлены отдельно и затем введены в пазы ротора. Следует понимать, что монтажная пластина (29) также может действовать как замыкающий проводник ротора (17).

Магнитно разделенный АГПМ таким образом может быть смоделирован как две раздельные, не связанные машины (как также понятно из фазовой эквивалентной схемы, показанной на Фиг.9). Индуцируемые фазовые напряжения в обеих машинах являются результатом вращения ротора (19) с постоянными магнитами; в случае СГ (25) напряжение индуцируется в статоре (21) на частоте сети и в случае АГ (27) напряжение индуцируется в асинхронном роторе (17) на скорости скольжения. Во время работы вращательная энергия турбины (13) механически передается на асинхронный ротор (17) и магнитно передается на ротор (19) с постоянными магнитами, откуда она опять магнитно передается на статор (21) СГ и затем в сеть.

Не перекрывающиеся обмотки используются для СГ (25) и АГ (27). Следует понимать, что это создает огромное преимущество в смысле снижения эффектов момента от зубцовых гармонических помех поля и неравномерности момента нагрузки. Кроме того, число катушек меньше. Низкий момент от зубцовых гармонических помех поля очень важен, поскольку он влияет, помимо прочего, на стабильность свободно вращающегося ротора (19) с постоянными магнитами, в частности на низких скоростях скольжения.

Должно быть сразу же очевидно, что АГ (27) может быть полностью удален, и ветровая турбина (13) установлена непосредственно на монтажную пластину (37) СГ. Генератор (11) тогда будет просто обычным ветровым генератором с постоянными магнитами с прямым приводом.

Следует сказать, что осевая длина ротора (17) АГ меньше осевой длины статора (21) СГ, причем оба имеют одинаковую номинальную мощность; это является результатом оптимизации конструкции, описанной ниже.

И оптимизация конструкции, и оценка технико-эксплуатационных характеристик Р-АГПМ, приведенная ниже, выполнены на машине в стабильном состоянии и в системе отсчета dq, привязанной к ротору. Уравнения стабильного состояния dq АГ (27) и СГ (25) выражены уравнениями (1) и (2) соответственно (в качестве выходящего взят положительный ток) как

$$\begin{array}{l}O=-I_{qr}{R}_r-{\omega }_{sl}{L}_{dr}{I}_{dr}+{\omega }_{sl}{\lambda }_{mr}\hfill \\ O=-I_{dr}{R}_r-{\omega }_{sl}{L}_{qr}{I}_{qr}\hfill \end{array}\text{ (1)}$$ ; $$\begin{array}{l}{V}_{qs}=-I_{qs}{R}_s-{\omega }_s{L}_{ds}{I}_{ds}+{\omega }_s{\lambda }_{ms}\hfill \\ V_{ds}=-I_{ds}{R}_s-{\omega }_s{L}_{qs}{I}_{qs}\hfill \end{array},\text{ (2)}$$

где ω_sl - скорость электрического скольжения, равная ω_sl=ω_t-ω_s, и ω_t - частота вращения турбины, и ω_s=2πf - синхронная частота вращения, и где подстрочный индекс “r” обозначает ротор (27) АГ, и “s” обозначает статор (21) СГ.

Угол Δ нагрузки, угол α тока и угол θ=Δ-α_s коэффициента мощности СГ определены на векторных диаграммах на Фиг.7. Общие отношения напряжения, тока и потерь в меди выражены уравнениями (3)-(6) как

$$\left[\begin{array}{c}{V}_{qs}\\ V_{ds}\end{array}\right]=\sqrt{2}{V}_{rms}\left[\begin{array}{c}\cos \Delta \\ \sin \Delta \end{array}\right];\left[\begin{array}{c}{I}_q\\ I_d\end{array}\right]=\sqrt{2}{I}_{rms}\left[\begin{array}{c}\cos \alpha \\ \sin \alpha \end{array}\right].\text{ (3)}$$

$$V_{qs}^2+V_{ds}^2=2V_{rms}^2\left[{\text{V}}_{\text{rms}}={\text{V}}_{\text{grid}}\right];\text{ (4)}$$

$$I_q^2+I_{ds}^2=2I_{rms}^2\text{ (5)}$$

и $$I_{rms}^2=\frac{P_{cu}}{3R}.\text{ (6)}$$

P_cu в уравнении (6) является потерями в меди обмотки ротора или статора. Момент, развиваемый АГ и СГ, выражен уравнением

$$T_g=\frac{3}{4}p\left[\left(L_q-L_d\right)I_d{I}_q+{\lambda }_m{I}_q\right],\text{ (7)}$$

где индуктивности dq определены как

$$L_q=\frac{{\lambda }_q}{-I_q};L_d=\frac{{\lambda }_d-{\lambda }_m}{-I_d}.\text{ (8)}$$

КПД АГПМ выражено уравнением

$$\eta ={\eta }_{IG}{\eta }_{SG},\text{ (9)}$$

где $${\eta }_{IG}=\frac{P_{gr}}{P_t}=\frac{T_{gr}{\omega }_{sm}}{T_{gr}{\omega }_{tm}}\text{ (10)}$$

и

$${\eta }_{SG}=\frac{P_{gs}}{P_{gr}}=\frac{T_{gr}{\omega }_{sm}-\left(P_{ecs}+P_{wfs}\right)-P_{cus}}{T_{gr}{\omega }_{sm}}\text{ (11)}$$

и где подстрочный индекс “m” обозначает механическую частоту вращения. В уравнении (11) P_wfs и P_ecs являются, соответственно, потерями на ветер и трение и потерями на вихревые токи и в сердечнике СГ. Заметим, что P_wfr и P_ecr АГ практически равны нулю, так что из уравнения (10) только остающиеся потери (в меди) выражены как $$P_{cur}=T_{gr}{\omega }_{slm}$$ . Момент СГ также выражен из уравнения (11) как

$$T_{gs}=T_{gr}-\frac{\left(P_{ecs}+P_{wfs}\right)}{{\omega }_{sm}}.\text{ (12)}$$

P_ecs в уравнениях (11) и (12) включает потери на вихревые токи в магнитах и ярме ПМ в СГ, которые могут быть значительными при использовании сплошных магнитов и сплошных ярм. При работе генератора на постоянной частоте вращения P_wfs в моделировании считается постоянным и вычисляется один раз. Потери в сердечнике статора СГ вычисляют по эмпирической формуле с использованием, помимо прочего, данных по плотности потока в воздушном зазоре из КЭ анализа. Потери на вихревые токи в магнитах и ярме постоянных магнитов в СГ также определяют один раз (после оптимизации конструкции) из вычислений мгновенных потерь методом КЭ. В заключение, потребляемая мощность и реактивная мощность СГ, отбираемая из сети или подаваемая в сеть, выражаются как

$$\left[\begin{array}{l}{P}_{gs}\hfill \\ Q_{gs}\hfill \end{array}\right]=3V_{rms}{I}_{rms}\left[\begin{array}{l}\cos \theta \hfill \\ sim{\theta }^{\ast }\hfill \end{array}\right].\text{ (13)}$$

Поперечные разрезы и КЭ моделирование неперекрывающейся обмоток АГПМ и СГПМ показаны на Фиг.8. Когда частота сети равна 50 Гц, и номинальная частота вращения турбины составляет 150 об/мин, количество полюсов для СГ составляет p=40; в этом случае то же количество полюсов также используют для АГ. При p=40 и выборе комбинации из 10-12 полюсов-пазов с высоким обмоточным коэффициентом пять полюсов и шесть пазов образуют секцию машины в КЭ модели с использованием отрицательных периодических граничных условий. Для АГ и СГ используют постоянные магниты, устанавливаемые на поверхности. Для АГ были исследованы однослойные и двухслойные стержневые обмотки ротора, но для СГ рассматривалась только однослойная обмотка с предварительно выполненными катушками. В случае АГ используют сплошные ярма ротора, так как частоты вихревых токов очень низкие. В случае СГ рассматривались как ламинированные, так и сплошные, частично сегментированные ярма ротора.

Здесь рассмотрены оптимальная конструкция только ротора с постоянными магнитами и обмотки ротора АГ, показанные на Фиг.8 (a) и (b). Оптимизация конструкции АГ на 15 кВт была выполнена с учетом требуемых технико-эксплуатационных характеристик машины, выраженных U_IG и G_IG как

$$U_{IG}=\left[\begin{array}{l}{P}_{gr}\hfill \\ {\omega }_{sm}\hfill \\ {\eta }_{IG}\hfill \end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}15.96kW\\ \text{15}\text{.71 rad/s}\\ \text{98}\text{,3 \%}\end{array}\right]\Rightarrow G_{IG}=\left[\begin{array}{c}{T}_{gr}\\ P_{cur}\\ {\omega }_{slm}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}1016\text{ Nm}\\ \text{276 W}\\ \text{0}\text{.27 rad/s}\end{array}\right]\text{ (14)}$$

где P_gr=15 кВт/η_SG при данном ηSG=94% и где синхронная частота вращения составляет 150 об/мин. КПД АГ был взят очень высоким в уравнении (15), чтобы обеспечить общий КПД η>92%. Отметьте из уравнения (14), что номинальное скольжение составляет 1,73% и что меньший требуемый КПД будет повышать номинальное скольжение.

Оптимизация конструкции АГ была выполнена путем максимизации момента на потери в меди машины. Максимизация момента на потери в меди при фиксированной частоте вращения является такой же, как максимизация КПД АГ, когда потери в сердечнике АГ практически равны нулю. Объективная функция, которая будет максимизирована при оптимизации, таким образом, выражается как

$$F\left(X\right)=\frac{T_{gr}}{P_{cur}}\left(X\right).\text{ (15)}$$

где X - размерный вектор, который включает все размеры оптимизируемой машины. Эти размеры включают шаг магнитов, шаг пазов (в случае однослойной обмотки), раскрытие паза, ширину паза, высоту ярм, высоту магнитов и диаметр воздушного зазора в АГ. Диаметры наружного и внутреннего комплекта магнитов такие же, как и у СГ, и выдерживаются постоянными при оптимизации. После оптимизации конструкции длину осевого комплекта АГ регулируют так, чтобы получить требуемые технико-эксплуатационные характеристики согласно уравнению (14) при номинальных потерях в меди. При этой новой осевой длине выполняют дальнейшую оптимизацию конструкции, чтобы подтвердить оптимальную конструкцию.

Оптимизацию конструкции выполняют посредством алгоритма оптимизации (алгоритм Пауэлла), который интегрирован с КЭ программой. При каждой итерации алгоритм оптимизации вызывает КЭ-программу, чтобы вычислить значение функции из уравнения (15) для данного X. КЭ-программа затем реорганизует структуру элементов машины согласно X и вычисляет значение функции посредством некоторого количества нелинейных статических КЭ решений. Это осуществляется следующим образом:

(i) I_rms вычисляют по уравнению (6) при номинальных потерях в меди из уравнения (14) и с R_r, вычисленным аналитически согласно данным размерам пазов.

(ii) При известном I_rms и α_r=0 λ_mr сначала вычисляют из одного КЭ решения путем преобразования вычисленных по КЭ фазовых потокосцеплений в параметры dq, используя преобразование Парка. Таким образом учитывают влияние тока q-оси, I_qr, на λ_mr.

(iii) При известном I_rms и при относительно малом выбранном угле тока α_r вычисляют начальные значения для I_dr и I_qr.

(iv) При известных токах и угле тока решение КЭ используют для вычисления λ_dr и λ_qr, и отсюда L_dr L_qr согласно уравнению (8).

(v) При известных λ_mr, I_rms и начальных значениях ДЛЯ L_dr и L_qr вычисляют новые значения для I_dr и I_qr и скорость скольжения ϖ_sl вычисляют путем одновременного решения уравнений (1) и (5).

(vi) С новыми значениями токов I_dr, I_qr и новым углом тока α_r шаги (iv) и (v) повторяют для повышения точности при вычислении токов dq; при необходимости можно выполнить еще одну итерацию.

(vii) При известных значениях токов и индуктивностей в заключение вычисляют T_gr из уравнения (7) и F(X) из уравнения (15) и возвращаются к алгоритму оптимизации. Для вычисления значения функции таким образом используют три - четыре решения КЭ.

После получения оптимальной конструкции способом, описанным выше, далее был минимизирован момент АГ от зубцовых гармонических помех поля путем дальнейших регулировок шага магнитов и раскрытия пазов в АГ; эти размеры оказывают наибольшее влияние на момент от зубцовых гармонических помех поля. Была использована процедура анализа чувствительности, чтобы определить чувствительность момента от зубцовых гармонических помех поля к изменениям в шаге магнитов и раскрытии пазов. Эти результаты показаны на Фиг. 10 и были получены из большого количества статических КЭ решений. Из Фиг. 10 и Фиг. 11 понятно, что существуют области, где момент от зубцовых гармонических помех поля практически не зависит от изменений размеров и где момент от зубцовых гармонических помех поля очень мал (меньше 1%). На Фиг. 12 также показана относительно низкая чувствительность создаваемого момента к изменению шага магнитов, практически не зависящая от раскрытия пазов.

Окончательные размеры машины, найденные при оптимизации конструкции и минимизации момента от зубцовых гармонических помех поля, приведены в таблице, показанной на Фиг. 13; оптимальные схемы поперечного разреза АГ показаны на Фиг.8(a) и (b). Также в таблице на Фиг.13 приведены номинальные технико-эксплуатационные характеристики АГ. При относительно высоком КПД 98,3% активная масса АГ оптимальной конструкции составляет 70% от активной массы СГ оптимальной конструкции, в основном из-за гораздо лучшего коэффициента заполнения с использованием стержней ротора.

Поскольку система ветрового генератора АГПМ является неуправляемой, должны быть получены решения токов из уравнений (1) и (2), чтобы симулировать работу АГПМ в стабильном состоянии против нагрузки, т.е. против скорости скольжения.

Для быстрых результатов симулирования индуктивности dq для АГ и СГ сначала определили как функции тока. Это было выполнено путем вычисления λm при отсутствии нагрузки и потокосцеплений dq под нагрузкой из статических КЭ решений и последующего использования уравнения (8). Индуктивности dq, вычисленные таким образом, например, для АГ, показаны на Фиг. 13. Это показывает резкое влияние насыщения и перекрестного намагничивания на индуктивности dq (даже) для машины с ПМ, установленными на поверхности.

Для симулирования технико-эксплуатационных характеристик АГ против нагрузки скорость скольжения $${\omega }_{sl}={\omega }_t-{\omega }_s$$ из (1) взята как заданный входной параметр. Затем вычислили I_dr и I_qr путем одновременного решения уравнения (1) с использованием начальных значений для L_dr и L_qr, полученных из Фиг. 14. С новыми значениями I_dr и I_qr значения L_dr и L_qr обновили во второй итерации из Фиг. 14, после чего вычислили I_dr и I_qr путем повторного решения уравнения (1). Для повышения точности можно использовать дальнейшие итерации. При известных I_dr и I_qr и L_dr и L_qr момент и КПД АГ для данной скорости скольжения можно определить из уравнений (7) и (10).

Точно таким же образом, как и для АГ, токи dq I_ds и I_qs для СГ определяют путем одновременного решения уравнения (2). В этом случае V_rms и ω_s известны, и Δявляется переменным входным параметром; V_ds и V_qs, таким образом, известны из уравнения (3). На каждой скорости скольжения и при каждом вычисленном моменте АГ Δ итеративно увеличивается, чтобы увеличивать момент СГ до получения требуемого момента из уравнения (12). При этом значении Δ мощность и реактивную мощность СГ вычисляют из уравнения (13).

Некоторые из результатов симулирования и измерения технико-эксплуатационных характеристик приведены на Фиг. 15-19. Получен почти нулевой процент момента от зубцовых гармонических помех поля, как показано на Фиг. 14. На Фиг. 16 показана характеристика момента против скольжения АГ и СГ с короткозамкнутым ротором; АГ развивает номинальный момент даже при менее чем 2% скольжении и имеет предельный перегрузочный момент 2,0 на единицу. Превосходный общий КПД более 92% получен для широкого диапазона момента, как показано на Фиг. 17. Кроме того, измеренный КПД СГ очень хорошо согласуется с вычисленными результатами. Изменение реактивной мощности с нагрузкой, как показано на Фиг. 18, при параметре напряжения сети очень интересное - оно подразумевает, что генератор может быть выполнен так, чтобы при малых нагрузках подавать реактивную мощность в сеть, но при больших нагрузках отбирать реактивную мощность, что точно соответствует тому, как осуществляется компенсация напряжения сети. Или же, если поток реактивной мощности нежелателен, можно использовать трансформаторы с переключаемыми отводами. На Фиг. 18 показан опережающий ток СГ в условиях низкого напряжения сети, измеренный в лаборатории.

Доказано, что этот новый предложенный разделенный АГПМ с не перекрывающимися обмотками для АГ и СГ дает хорошие результаты в смысле КПД в широком диапазоне нагрузок. Насыщение и перекрестное намагничивание оказывают значительное влияние на индуктивности dq и развиваемый момент АГ и СГ с установленными на поверхности постоянными магнитами. Относительно высокий измеренный момент от зубцовых гармонических помех поля 4,5% для АГ отнесен на счет различий в магнитах и производстве. С не перерывающейся стержневой обмоткой ротора номинальный момент АГ получен при достаточно низкой скорости скольжения, менее чем 2%; предельный перегрузочный момент 2,0 на единицу прогнозируется для этого типа обмотки. Доказано, что осуществляет автоматическую компенсацию при изменении напряжения сети. В прототипе АГПМ СГ составил приблизительно 60% от совокупной массы генератора, и АГ (с медными стержнями ротора) приблизительно 40% массы. Предложенная конструкция АГПМ на 15 кВт решает проблемы конструкции, обычно имеющиеся в АГПМ. Эта конструкция особенно хорошо подходит для использования с однослойными стержневыми обмотками ротора АГ. Этот тип конструкции можно использовать для небольших и средних ветровых турбин. Увеличение активной массы из-за АГ в этом конкретном случае составляет 67%, но ожидается, что увеличение общей массы гондолы будет намного меньше.

Следует понимать, что для увеличения электрической стабильности системы АГПМ часть машины с постоянными магнитами (синхронный генератор) непосредственно соединяют с сетью, и часть АД (асинхронный генератор) соединяют непосредственно с лопатками ротора ветровой турбины. Поскольку эти машины магнитно разделены, это подразумевает, что машины АД и СМ работают независимо друг от друга, так как каждая имеет свой собственный комплект постоянных магнитов. Поэтому энергия передается между двумя роторами с постоянными магнитами, которые механически связаны.

Действие скольжения, типичное для АД, обеспечивает, что стохастические моменты, индуцируемые лопатками ротора ветровой турбины, сглаживаются до того, как эти моменты передаются на ротор машины с постоянными магнитами. Этот сглаживаемый поток энергии позволяет подсоединять машину с постоянными магнитами непосредственно к сети.

Сложности, специфические для традиционной механической конструкции АГПМ, упрощаются настоящим изобретением путем введения модульной, раздельной схемы машины. Это подразумевает, что машина с постоянными магнитами и АД конструируются отдельно и взаимозаменяемы. При использованных способах разработки часть АД в действительности намного легче сконструировать чем обычную машину с постоянными магнитами. Конечную сборку осуществляют путем установки машины АД перед машиной с постоянными магнитами. Этот модульный подход позволяет эксплуатировать Р-АГПМ как полный АГПМ (ПМ и АГ) или как традиционный синхронный генератор с ПМ (без АД).

Следует понимать, что Р-АГПМ настоящего изобретения поэтому является АГПМ модульной, разделяемой механической конструкции, в которой использованы специфические электрические преимущества электрических машин с АД и ПМ с независимым намагничиванием, следовательно, устраняется необходимость в тяжелых редукторах и дорогостоящих силовых преобразователях.

Если разделенный АГПМ (Р-АГПМ) настоящего изобретения сравнивать с известными соединенными АГПМ (С-АГПМ), очевидно следующее: (i) количество материала ПМ, используемого в Р-АГПМ, обычно такое же, как и в С-АГПМ; (ii) масса ярма Р-АГПМ может быть больше, но она будет небольшой в машинах с большим количеством полюсов относительно совокупной массы; (iii) количество полюсов и размер АГ и СГ в Р-АГПМ могут быть разными, что имеет преимущество с точки зрения разработки; это невозможно для С-АГПМ; (iv) в Р-АГПМ не перекрывающиеся обмотки можно использовать как в СГ, так и в АГ, что является огромным преимуществом в смысле снижения момента от зубцовых гармонических помех поля, неравномерности момента под нагрузкой и меньшем количестве катушек; низкий момент от зубцовых гармонических помех поля нельзя недооценивать, поскольку он влияет на пуск АГПМ и стабильность свободно вращающегося ротора с постоянными магнитами, особенно на низких скоростях скольжения; (v) в Р-АГПМ с АГ и СГ, установленными один за другим, как показано на Фиг. 5 и 6, диаметры воздушного зазора в АГ и СГ могут быть доведены до максимума, чтобы максимизировать создаваемый момент.

Также следует понимать, что или перекрывающиеся, или не перекрывающиеся обмотки могут быть использованы для АГ и СГ, но что, в частности, модульная конструкция машины в соответствии с изобретением делает возможным использование не перекрывающихся обмоток. Хотя предполагается, что перекрывающиеся обмотки могут в некоторых случаях давать более хорошие результаты, использование не перекрывающихся обмоток дает значительные преимущества в стоимости, что сделает машину более экономически привлекательной.

Поэтому изобретение предлагает разделенную асинхронную машину с постоянными магнитами, которая имеет магнитное разделение синхронного и асинхронного генераторов, что подразумевает наличие двух самостоятельных электрических машин, работающих вместе как один генерирующий агрегат. Механическая конструкция машины настоящего изобретения придерживается модульного, разделяемого подхода путем установки асинхронной машины на синхронной машине с возможностью их последующего разделения.

Насколько известно изобретателю, предложенное изобретение представляет собой первый АГПМ с низкой частотой вращения и большим количеством полюсов, а также первый АГПМ, который будет испытан и реализован в системе преобразования ветровой энергии.

Путем устранения необходимости в редукторе или силовом преобразователе общая стоимость систем преобразования ветровой энергии может быть значительно снижена. При меньшем числе активных компонентов результатом будет более надежная и долговечная система. Таким образом, чтобы использовать весь потенциал АГПМ, необходимо экономичное решение в виде простой конструкции АГПМ, которое предложено в настоящем документе.

Следует понимать, что еще одним преимуществом модульной конструкции системы согласно изобретению является то, что из-за эффективной самостоятельной работы обеих машин для них можно использовать любой тип конфигурации.

Так, например, АД с осевым потоком может быть связан с СМ с радиальным потоком. Кроме того, также можно использовать разные топологии ротора, например, постоянные магниты, введенные во внешний кожух ротора (т.е. сосредоточение потока).

Вышеприведенное описание предназначено только для примера, и в описанный вариант осуществления могут быть внесены многочисленные изменения и модификации без нарушения объема изобретения. В частности, можно предвидеть, что синхронные и асинхронные генераторы могут быть магнитно разделены в нескольких альтернативных конфигурациях, например, установлены радиально, а не соосно, как сказано выше. Система может включать, например, одну машину с перекрывающимися обмотками и одну машину с не перекрывающимися обмотками или машину с радиальным потоком на одной стороне и машину с осевым потоком на другой стороне. Кроме того, количество полюсов на разных машинах необязательно должно быть одинаковым. Короткозамкнутая часть ротора и вторая часть ротора с постоянными магнитами также могут быть взаимозаменяемыми с второй частью ротора с постоянными магнитами, прикрепленной к турбине, и короткозамкнутой частью, прикрепленной к общему ротору с постоянными магнитами. В сущности для обоих агрегатов можно использовать любую конфигурацию машины, если они имеют одинаковый момент и номинальную мощность. Также предусматривается, что обмотки второй машины с постоянными магнитами также могут быть короткозамкнутыми или быть соединены с электрической системой. При этом типе соединения можно добиться работы с переменной частотой вращения.

Изобретение относится к системе преобразования механической энергии в электрическую, которая, в частности, подходит для использования в системах преобразования ветровой энергии. Технический результат заключается в создании преобразователя ветровой энергии в электрическую с прямым приводом и непосредственным соединением с сетью. Система включает две магнитно разделенные машины с постоянными магнитами, связанные свободно вращающимся ротором, на котором расположены постоянные магниты. Первой машиной обычно является синхронный генератор, а второй машиной является асинхронный генератор. Синхронный генератор имеет неподвижный статор, который может быть соединен с электрической системой, такой как электрическая сеть. Асинхронный генератор имеет ротор, который может быть соединен с системой механического привода, такой как, например, ветровая турбина. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Система преобразования энергии в электрическую, включающая две машины с постоянными магнитами, причем первая из двух машин с постоянными магнитами имеет неподвижный статор, который может быть соединен с электрической системой, и вторая из двух машин с постоянными магнитами имеет ротор, который может быть соединен с механической системой, и причем система отличается тем, что две машины с постоянными магнитами имеют общий свободно вращающийся ротор, в котором размещены постоянные магниты, и магнитно отделены одна от другой.

2. Система преобразования энергии в электрическую по п.1, отличающаяся тем, что машины с постоянными магнитами являются генераторами.

3. Система преобразования энергии в электрическую по п.1, отличающаяся тем, что свободно вращающийся ротор включает по меньшей мере первую и вторую части, причем каждая часть ротора несет последовательность постоянных магнитов, разнесенных по ее периметру.

4. Система преобразования энергии в электрическую по п.3, отличающаяся тем, что свободно вращающийся ротор имеет модульную конструкцию, и части ротора могут быть съемно прикреплены друг к другу, этим позволяя совместно эксплуатировать машины с постоянными магнитами, когда части ротора прикреплены одна к другой, и раздельно, когда части ротора отсоединены одна от другой.

5. Система преобразования энергии в электрическую по п.4, отличающаяся тем, что машины с постоянными магнитами установлены торец к торцу соосно выровненными относительно общего вала, когда они работают вместе.

6. Система преобразования энергии в электрическую по п.3, отличающаяся тем, что первой машиной с постоянными магнитами является синхронный генератор, второй машиной с постоянными магнитами является асинхронный генератор, и ротор асинхронного генератора является короткозамкнутым ротором.

7. Система преобразования энергии в электрическую по п.6, отличающаяся тем, что свободно вращающийся ротор с постоянными магнитами вращается синхронно с ротором асинхронного генератора, и асинхронный генератор работает на скорости скольжения по отношению к синхронно вращающемуся ротору с постоянными магнитами.

8. Система преобразования энергии в электрическую по п.6, отличающаяся тем, что две последовательности постоянных магнитов механически связаны так, чтобы вращаться вместе, причем последовательность постоянных магнитов на первой части ротора выполнена так, чтобы передавать возбуждение на катушки неподвижного статора синхронного генератора, и последовательность постоянных магнитов на второй части ротора выполнена так, чтобы передавать возбуждение на катушки ротора асинхронного генератора.

9. Система преобразования энергии в электрическую по п.4, отличающаяся тем, что первая часть ротора может быть съемно прикреплена к второй части ротора в соосном выравнивании.

10. Система преобразования энергии в электрическую по п.6, отличающаяся тем, что ротор асинхронного генератора является короткозамкнутым ротором асинхронного типа, имеющим не перекрывающиеся стержневые обмотки ротора.

11. Система преобразования энергии в электрическую по п.10, отличающаяся тем, что короткозамкнутый ротор асинхронного типа имеет сосредоточенные обмотки и двухслойные обмотки.

12. Система преобразования энергии в электрическую по п.6, которая введена в ветровую турбину с роторными лопатками ветровой турбины, прикрепленными к ротору асинхронного генератора.

13. Система преобразования энергии в электрическую по п.1, которая является системой с прямым приводом и непосредственным соединением с сетью.

14. Система преобразования энергии в электрическую, включающая два ротора и статор, причем первый из двух роторов является короткозамкнутым ротором асинхронного типа, и второй из двух роторов является свободно вращающимся ротором с постоянными магнитами, причем свободно вращающийся ротор с постоянными магнитами включает две соосно выровненные, магнитно разделенные части, и причем каждая часть ротора имеет последовательность постоянных магнитов, разнесенных на ее периметре, и части ротора расположены так, чтобы позволить последовательности магнитов на первой части ротора передавать возбуждение на катушки статора, и последовательности магнитов на второй части ротора передавать возбуждение на короткозамкнутый ротор асинхронного типа.

15. Ветровая турбина, включающая систему преобразования энергии в электрическую по любому одному из предшествующих пунктов.