Как сделать ветрогенератор из асинхронного двигателя

Дата публикации: 22 февраля 2019

Содержание

• Принцип работы асинхронного двигателя и генератора
• Изготовление ветрогенератора своими руками из асинхронного двигателя
• Тестирование генератора
• Правила эксплуатации асинхронного ветрогенератора
• Преимущества и недостатки ветрогенератора из асинхронного двигателя

Для самодельного ветряка удобно использовать асинхронный генератор. Он сразу вырабатывает переменный ток, и нет необходимости подключать инвертор, что упрощает схему сборки. Это означает, что всеми бытовыми приборами можно пользоваться прямо от ветряка. Сделать асинхронный генератор своими руками несложно. Достаточно найти старый асинхронный двигатель (АД) от какого-либо бытового прибора и использовать его в качестве основы для ветряка. Понадобится, правда, несложная переделка.

Принцип работы асинхронного двигателя и генератора

Асинхронный двигатель — это электродвигатель переменного тока. Его особенность состоит в том, что магнитное поле, которое производится током обмотки статора, и ротор вращаются с разной частотой. В синхронных двигателях их частота совпадает. Наиболее распространенная конструкция АД включает в себя фазный ротор и статор, между которыми находится воздушный зазор. Но встречаются и двигатели с короткозамкнутым ротором. Активная часть АД — это магнитопровод и обмотки. Остальные элементы обеспечивают жесткость конструкции, возможность вращения и охлаждение. Ток в таком двигателе появляется благодаря электромагнитной индукции, которая возникает при вращении магнитного поля с определенной скоростью.

В свою очередь, асинхронный ветрогенератор — это двигатель, который работает в генераторном режиме. Приводной ветродвигатель вращает ротор и магнитное поле в одном направлении. При этом возникает отрицательное скольжение ротора, на валу появляется тормозящий момент, после чего энергия передается на аккумулятор. Для возбуждения ЭДС в дело идет остаточная намагниченность ротора, а усиление ЭДС происходит за счет конденсаторов.

Изготовление ветрогенератора своими руками из асинхронного двигателя

Чтобы приспособить АД под ветряк, вам нужно создать в нем движущееся магнитное поле. Для этого проведите ряд преобразований:

1. Подберите неодимовые магниты для ротора. От их силы и количества зависит сила магнитного поля.
2. Проточите ротор под магниты. Это можно сделать при помощи токарного станка. Снимите пару миллиметров со всей поверхности сердечника и дополнительно сделайте углубления под магниты. Толщина проточки зависит от выбранных магнитов.
3. Сделайте разметку ротора на четыре полюса. На каждом разместите магниты (от восьми штук на полюс, но лучше больше).
4. Теперь нужно зафиксировать магниты. Сделать это можно при помощи суперклея, но тогда удерживайте элементы пальцами до тех пор, пока клей не схватится (при контакте с ротором магниты будут менять свое положение). Или закрепите все элементы скотчем.
5. Следующий шаг — заполнение свободного пространства между магнитами эпоксидной смолой. Для этого обмотайте ротор с магнитами бумагой, поверх нее намотайте скотч, а концы бумажного кокона загерметизируйте пластилином. После изготовления такой защиты внутрь можно заливать смолу. Когда эпоксидка окончательно высохнет, удалите бумагу.
6. Зачистите поверхность ротора наждачкой. Для этого используйте бумагу средней зернистости.
7. Определите два роторных провода, которые ведут к рабочей обмотке. Остальные провода обрежьте, чтобы не путаться.

На этом основные преобразования завершены. Дополнительно вы можете приобрести контроллер, а из кремниевых диодов сделать выпрямитель для вашего ветрогенератора. Кроме того, проверьте вращение двигателя. Если ход тугой, замените подшипники. Быстрый совет: если хотите увеличить силу тока, а также снизить напряжение в вашем агрегате, то не поленитесь и перемотайте статор толстой проволокой.

Тестирование генератора

Перед установкой готового генератора на осевую конструкцию или мачту нужно его протестировать. Для тестирования понадобится дрель или шуруповерт, а также какая-нибудь нагрузка, например, обычная лампочка, которую вы используете в быту. Подсоедините их к вашему агрегату и посмотрите, на каких оборотах лампочка горит ярко и ровно.

Если тестирование показывает хорошие результаты, то можно приступать к монтажу ветряка. Для этого необходимо изготовить лопастные элементы, осевую конструкцию, подобрать аккумулятор. Подробнее о том, как собрать ветрогенератор, можно почитать здесь.

Правила эксплуатации асинхронного ветрогенератора

Такой ветряк обладает рядом особенностей, которые нужно учитывать при эксплуатации:

• Будьте готовы, что КПД готового устройства будет постоянно колебаться (в пределах 50%). Устранить этот недостаток невозможно, это издержки процесса преобразования энергии.
• Позаботьтесь о качественной изоляции, а также заземлении ветрогенератора. Это обязательное требование безопасности.
• Сделайте кнопки для управления устройством. Это значительно упростит его использование в дальнейшем.
• Кроме того, предусмотрите места для подключения измерительных приборов. Это обеспечит вас данными о работе вашего агрегата, позволит проводить диагностику.

Преимущества и недостатки ветрогенератора из асинхронного двигателя

Если сравнивать асинхронный и синхронный ветрогенераторы, то у асинхронных есть как преимущества, так и недостатки.

Преимущества заключаются в следующем:

• Мощные устройства с простой конструкцией, небольшими размерами и весом.
• Высокий уровень эффективности при выработке энергии.
• Нет необходимости в инверторе, потому что такой ветрогенератор производит переменный ток (220/380В). Он может непосредственно питать бытовые устройства или работать параллельно с сетью централизованного энергоснабжения.
• Выходное напряжение очень стабильно.
• Частота на выходе не зависит от скоростей ротора.
• Обладает высокой устойчивостью к коротким замыканиям, защищен от влаги и грязи.
• Может служить многие годы, так как содержит мало изнашивающихся элементов.
• Работает на конденсаторном возбуждении.

Недостатки такие:

• При отсутствии аккумулятора асинхронный генератор может затухать в моменты перегрузки. Это является ограничителем для использования такого агрегата. Но для ветряка такой недостаток неактуален, потому что его конструкция предполагает накопитель энергии. О том, как выбрать аккумулятор для ветряка, можно прочитать здесь.
• Конденсаторные батареи имеют высокую стоимость, поэтому переделка старого АД — это оптимальное решение вопроса.
• Оборотность генератора находится в обратной зависимости от его массы.

Таким образом, ветрогенератор своими руками из асинхронного трехфазного двигателя — это недорогое и удобное решение для дома.

Как сделать ветрогенератор из асинхронного двигателя

Содержание

Как сделать генератор для ветряка из асинхронного двигателя своими руками

Эти работы между собой не имеют практически ничего общего, так как надо сделать разные по сути и назначению узлы системы. Для изготовления того и другого элемента используются подручные механизмы и приспособления, которые можно использовать или переделать в необходимый узел. Один из вариантов создания генератора, часто используемый при изготовлении ветрогенератора — изготовление из асинхронного электродвигателя, которое наиболее удачно и качественно позволяет решить проблему. Рассмотрим вопрос подробнее:

Изготовление генератора из асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель является наилучшей «заготовкой» для изготовления генератора. Он имеет для этого наилучшие показатели по устойчивости к короткому замыканию, менее требователен к попаданию пыли или грязи. Кроме того, асинхронные генераторы вырабатывают более «чистую» энергию, клирфактор (наличие высших гармоник) у этих устройств всего 2% против 15% у синхронных генераторов. Высшие гармоники способствуют нагреву двигателя и сбивают режим вращения, поэтому их малое количество является большим плюсом конструкции.

Асинхронные устройства не имеют вращающихся обмоток, что в значительной степени снимает возможность выхода их из строя или повреждения от трения или замыкания.

Также важным фактором является наличие на выходных обмотках напряжения в 220В или 380 В, что позволяет подключать приборы потребления прямо к генератору, минуя систему стабилизации тока. То есть, пока есть ветер, приборы будут работать точно так же, как от сети.

Единственное отличие от работы полного комплекса в прекращении работы сразу же после стихания ветра, тогда как аккумуляторы, входящие в комплект, какое-то время питают потребляющие устройства используя свою емкость.

Как переделать ротор

Единственным изменением, которое вносится в конструкцию асинхронного двигателя при переделывании его в генератор, является установка на ротор постоянных магнитов. Для получения большей силы тока иногда перематывают обмотки более толстым проводом, имеющим меньшее сопротивление и дающим лучшие результаты, но эта процедура не критична, можно обойтись и без нее — генератор будет работать.

Ротор асинхронного двигателя не имеет никаких обмоток или иных элементов, являясь, по сути, обычным маховиком. Обработка ротора производится в токарном станке по металлу, обойтись без этого никак нельзя. Поэтому при создании проекта надо сразу решить вопрос с техническим обеспечением работ, найти знакомого токаря или организацию, занимающуюся такими работами. Ротор надо уменьшить в диаметре на толщину магнитов, которые будут на него установлены.

Существует два способа монтажа магнитов:

• изготовление и установка стальной гильзы, которая одевается на предварительно уменьшенный в диаметре ротор, после чего на гильзу крепятся магниты. Этот способ дает возможность увеличить силу магнитов, плотность поля, способствующую более активному образованию ЭДС
• уменьшение диаметра только на толщину магнитов плюс необходимый рабочий зазор. Этот способ проще, но потребует установки более сильных магнитов, лучше всего — неодимовых, которые имеют намного большее усилие и создают мощное поле.

Установка магнитов производится по линиям конструкции ротора, т.е. не воль оси, а несколько смещенными по направлению вращения (на роторе эти линии хорошо видны). Магниты расставляются по чередованию полюсов и фиксируются на роторе с помощью клея (рекомендуется эпоксидная смола). После ее высыхания можно производить сборку генератора, в который отныне превратился наш двигатель, и переходить к испытательным процедурам.

Испытания вновь созданного генератора

Эта процедура позволяет выяснить степень работоспособность генератора, опытным путем определить скорость вращения ротора, необходимую для получения нужного напряжения. Обычно прибегают к помощи другого двигателя, например, электродрели с регулируемой частотой вращения патрона. Вращая ротор генератора с подключенным к нему вольтметром или лампочкой, проверяют, какие скорости необходимы для минимума и каков максимальный предел мощности генератора, чтобы получить данные, на основе которых будет создаваться ветряк.

Можно в испытательных целях подключить какой-либо прибор потребления (например, нагреватель или осветительное устройство) и убедиться в его работоспособности. Это поможет снять все возникающие вопросы и внести какие-либо изменения, если возникнет такая необходимость. Например, иногда возникают ситуации с «залипанием» ротора, не стартующего при слабых ветрах. Это происходит при неравномерном распределении магнитов и устраняется разборкой генератора, отсоединением магнитов и повторным их укреплением в более равномерной конфигурации.

По завершении всех работ в распоряжении появляется полностью рабочий генератор, который отныне нуждается в источнике вращения.

Изготовление ветряка

Для создания ветряка потребуется выбрать какой-либо из вариантов конструкции, которых имеется немало. Так, существуют горизонтальные или вертикальные конструкции ротора (в данном случае термин «ротор» обозначает вращающуюся часть ветрогенератора — вал с лопастями, приводимый в движение силой ветра). Горизонтальные роторы имеют более высокую эффективность и устойчивость в производстве энергии, но нуждаются в системе наведения на поток, которая, в свою очередь, нуждается в легкости вращения на валу.

Чем мощнее генератор, тем труднее его вращать и тем большее усилие должен развивать ветряк, что требует его больших размеров. При этом, чем крупнее ветряк, тем он тяжелее и обладает большей инерцией покоя, что образует замкнутый круг. Обычно используют средние значения и величины, дающие возможность образовать компромисс между размерами и легкостью вращения.

Вертикальные ветряки проще в изготовлении и не требовательны к направлению ветра. При этом, они имеют меньшую эффективность, так как ветер с одинаковой силой воздействует на обе стороны лопасти, затрудняя вращение. Для того, чтобы избежать этого недостатка, создано множество различных конструкций ротора, таких как:

• ротор Савониуса
• ротор Дарье
• ротор Ленца

Известны ортогональные конструкции (разнесенные относительно оси вращения) или геликоидные (лопасти, имеющие сложную форму, напоминающую витки спирали). Все эти конструкции имеют свои достоинства и недостатки, основным из которых является отсутствие математической модели вращения того или иного вида лопастей, делающего расчет крайне сложным и приблизительным. Поэтому действуют методом проб и ошибок — создается экспериментальная модель, выясняются ее недостатки, с учетом которых изготавливается рабочий ротор.

Наиболее простая и распространенная конструкция — ротор Савониуса, но в последнее время в сети появляется множество описаний других ветрогенераторов, созданных на базе других видов.

Устройство ротора несложно — вал на подшипниках, на верхней части которого укреплены лопасти, которые под действием ветра вращаются и передают крутящий момент на генератор. Изготовление ротора осуществляется из доступных материалов, монтаж не требует чрезмерной высоты (обычно поднимают на 3-7 м), это зависит от силы ветров в регионе. Вертикальные конструкции почти не требуют ухода или обслуживания, что облегчает эксплуатацию ветрогенератора.

Самодельный ветрогенератор из асинхронного двигателя

Для самодельного ветряка удобно использовать асинхронный генератор. Он сразу вырабатывает переменный ток, и нет необходимости подключать инвертор, что упрощает схему сборки. Это означает, что всеми бытовыми приборами можно пользоваться прямо от ветряка. Сделать асинхронный генератор своими руками несложно. Достаточно найти старый асинхронный двигатель (АД) от какого-либо бытового прибора и использовать его в качестве основы для ветряка. Понадобится, правда, несложная переделка.

Принцип работы асинхронного двигателя и генератора

Асинхронный двигатель — это электродвигатель переменного тока. Его особенность состоит в том, что магнитное поле, которое производится током обмотки статора, и ротор вращаются с разной частотой. В синхронных двигателях их частота совпадает. Наиболее распространенная конструкция АД включает в себя фазный ротор и статор, между которыми находится воздушный зазор. Но встречаются и двигатели с короткозамкнутым ротором. Активная часть АД — это магнитопровод и обмотки. Остальные элементы обеспечивают жесткость конструкции, возможность вращения и охлаждение. Ток в таком двигателе появляется благодаря электромагнитной индукции, которая возникает при вращении магнитного поля с определенной скоростью.

В свою очередь, асинхронный ветрогенератор — это двигатель, который работает в генераторном режиме. Приводной ветродвигатель вращает ротор и магнитное поле в одном направлении. При этом возникает отрицательное скольжение ротора, на валу появляется тормозящий момент, после чего энергия передается на аккумулятор. Для возбуждения ЭДС в дело идет остаточная намагниченность ротора, а усиление ЭДС происходит за счет конденсаторов.

Изготовление ветрогенератора своими руками из асинхронного двигателя

Чтобы приспособить АД под ветряк, вам нужно создать в нем движущееся магнитное поле. Для этого проведите ряд преобразований:

1. Подберите неодимовые магниты для ротора. От их силы и количества зависит сила магнитного поля.
2. Проточите ротор под магниты. Это можно сделать при помощи токарного станка. Снимите пару миллиметров со всей поверхности сердечника и дополнительно сделайте углубления под магниты. Толщина проточки зависит от выбранных магнитов.
3. Сделайте разметку ротора на четыре полюса. На каждом разместите магниты (от восьми штук на полюс, но лучше больше).
4. Теперь нужно зафиксировать магниты. Сделать это можно при помощи суперклея, но тогда удерживайте элементы пальцами до тех пор, пока клей не схватится (при контакте с ротором магниты будут менять свое положение). Или закрепите все элементы скотчем.
5. Следующий шаг — заполнение свободного пространства между магнитами эпоксидной смолой. Для этого обмотайте ротор с магнитами бумагой, поверх нее намотайте скотч, а концы бумажного кокона загерметизируйте пластилином. После изготовления такой защиты внутрь можно заливать смолу. Когда эпоксидка окончательно высохнет, удалите бумагу.
6. Зачистите поверхность ротора наждачкой. Для этого используйте бумагу средней зернистости.
7. Определите два роторных провода, которые ведут к рабочей обмотке. Остальные провода обрежьте, чтобы не путаться.

На этом основные преобразования завершены. Дополнительно вы можете приобрести контроллер, а из кремниевых диодов сделать выпрямитель для вашего ветрогенератора. Кроме того, проверьте вращение двигателя. Если ход тугой, замените подшипники. Быстрый совет: если хотите увеличить силу тока, а также снизить напряжение в вашем агрегате, то не поленитесь и перемотайте статор толстой проволокой.

Тестирование генератора

Перед установкой готового генератора на осевую конструкцию или мачту нужно его протестировать. Для тестирования понадобится дрель или шуруповерт, а также какая-нибудь нагрузка, например, обычная лампочка, которую вы используете в быту. Подсоедините их к вашему агрегату и посмотрите, на каких оборотах лампочка горит ярко и ровно.

Если тестирование показывает хорошие результаты, то можно приступать к монтажу ветряка. Для этого необходимо изготовить лопастные элементы, осевую конструкцию, подобрать аккумулятор. Подробнее о том, как собрать ветрогенератор, можно почитать здесь.

Правила эксплуатации асинхронного ветрогенератора

Такой ветряк обладает рядом особенностей, которые нужно учитывать при эксплуатации:

• Будьте готовы, что КПД готового устройства будет постоянно колебаться (в пределах 50%). Устранить этот недостаток невозможно, это издержки процесса преобразования энергии.
• Позаботьтесь о качественной изоляции, а также заземлении ветрогенератора. Это обязательное требование безопасности.
• Сделайте кнопки для управления устройством. Это значительно упростит его использование в дальнейшем.
• Кроме того, предусмотрите места для подключения измерительных приборов. Это обеспечит вас данными о работе вашего агрегата, позволит проводить диагностику.

Преимущества и недостатки ветрогенератора из асинхронного двигателя

Если сравнивать асинхронный и синхронный ветрогенераторы, то у асинхронных есть как преимущества, так и недостатки.

Преимущества заключаются в следующем:

• Мощные устройства с простой конструкцией, небольшими размерами и весом.
• Высокий уровень эффективности при выработке энергии.
• Нет необходимости в инверторе, потому что такой ветрогенератор производит переменный ток (220/380В). Он может непосредственно питать бытовые устройства или работать параллельно с сетью централизованного энергоснабжения.
• Выходное напряжение очень стабильно.
• Частота на выходе не зависит от скоростей ротора.
• Обладает высокой устойчивостью к коротким замыканиям, защищен от влаги и грязи.
• Может служить многие годы, так как содержит мало изнашивающихся элементов.
• Работает на конденсаторном возбуждении.

• При отсутствии аккумулятора асинхронный генератор может затухать в моменты перегрузки. Это является ограничителем для использования такого агрегата. Но для ветряка такой недостаток неактуален, потому что его конструкция предполагает накопитель энергии. О том, как выбрать аккумулятор для ветряка, можно прочитать здесь.
• Конденсаторные батареи имеют высокую стоимость, поэтому переделка старого АД — это оптимальное решение вопроса.
• Оборотность генератора находится в обратной зависимости от его массы.

Таким образом, ветрогенератор своими руками из асинхронного трехфазного двигателя — это недорогое и удобное решение для дома.

Как сделать ветрогенератор из асинхронного электродвигателя

Чтобы получать бесплатную электроэнергию, очень выгодно использовать ветрогенератор, там где нет стационарной сети. В отличие от солнечных панелей, он может генерировать электричество даже ночью, главное, чтобы был достаточный ветер. Собрать ветрогенератор можно из обычного асинхронного электродвигателя с минимумом затрат, и получать в итоге 220 В после преобразования для питания бытовых приборов.

Материалы:

• Электродвигатель асинхронный;
• неодимовые магниты — http://ali.pub/4yy1yd
• диодный мост 50 А — 2 шт. — http://alii.pub/5nfe4v
• конденсаторы — 2 шт.;
• аккумуляторы 12 В – 4 шт.;
• пластиковая канализационная труба 110 мм;
• фанера 10 мм;
• инвертор 220В — старый бесперебойник.

Процесс изготовления установки

Генератор изготавливается из обычного асинхронного электродвигателя на 220 В.

Нужно снять его якорь, и вырезать в сердечнике полости для мощных неодимовых магнитов. Для этого делаются надпилы, затем металл высверливается и стачивается.

Магниты вклеиваются в пазы с чередованием полярности.

В таком виде генератор сможет производить переменный ток, напряжением около 12-50 В на низких оборотах, но с большими скачками напряжения. Нужно преобразить его в постоянный ток, чтобы подзаряжать аккумуляторы.

Для этого собирается предложенная схема из диодных мостов и конденсаторов.

Из пластиковой канализационной трубы вырезаются лопасти для ветрогенератора.

Под этот двигатель их длина делается 42 см, ширина с одной стороны 9 см, а с другой 3 см. Нужно вырезать 3 лопасти. Если генератор сделан из большого мотора, который сложно раскрутить, то длина и ширина лопастей увеличивается.

Из фанеры с помощью корончатого сверла высверливается диск для крепления лопастей. С двух сторон он укрепляется меньшими дисками. Заготовка размечается и просверливается, затем к ней прикручиваются лопасти.

Полученная крыльчатка прикручивается к валу генератора. В последнем предварительно сверлится отверстие, и нарезается резьба под болт.

Ветрогенератор с крыльчаткой устанавливается на верху в хорошо продуваемом месте. Через собранную из диодных мостов схему от него заряжаются 4 аккумулятора по 12В, соединенные последовательно.

Накопленный на них заряд преобразуется в 220 В переменного тока с помощью инвертора, который подходит для питания бытовых приборов.

Смотрите видео

Источник https://energo.house/veter/generator-dlya-vetryaka.html

Источник https://altenergiya.ru/veter/samodelnyj-vetrogenerator-iz-asinxronnogo-dvigatelya.html

Источник https://sdelaysam-svoimirukami.ru/8022-kak-sdelat-vetrogenerator-iz-asinhronnogo-jelektrodvigatelja.html

Технологии ветряных турбин — ESIG

Автор:  EnerNex ^[1] , Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии ^[2]

Доминирующей технологией для коммунальных приложений является ветровая турбина с горизонтальной осью. Типичные номинальные значения варьируются от 500 кВт до 5 МВт. В настоящее время используются самые разнообразные технологии ветряных турбин. Типичные ветряные электростанции состоят из сотен турбин, обычно использующих одну и ту же технологию. Эти технологии различаются по стоимости, сложности, эффективности извлечения энергии ветра и используемому оборудованию. Типичная ветряная турбина использует узел ротора с лопастями и ступицей для извлечения энергии из ветра, зубчатую передачу для увеличения скорости вращения вала при медленном вращении ротора до более высоких скоростей, необходимых для привода генератора, и асинхронный генератор в качестве генератора. электромеханическое устройство преобразования энергии. Асинхронные машины популярны в качестве генераторных установок из-за их асинхронной природы, поскольку поддержание постоянной синхронной скорости для использования синхронного генератора затруднено из-за переменного характера скорости ветра. Силовые электронные преобразователи могут использоваться для регулирования активной и реактивной выходной мощности турбины.

Базовая информация

Почти все ветряные турбины, развернутые на крупных ветряных электростанциях в США за последние десятилетия, можно в целом описать одной из конфигураций, перечисленных ниже

Индукционный (асинхронный) генератор с прямым подключением (тип I)

Основная статья: Асинхронный генератор с прямым подключением индукционный генератор. Генератор напрямую подключен к линии и может иметь автоматически переключаемые шунтирующие конденсаторы для компенсации реактивной мощности и, возможно, механизм плавного пуска, который отключается после подачи питания на машину. Диапазон скоростей турбины определяется зависимостью крутящего момента от скорости асинхронного генератора. Некоторые из этих турбин не имеют возможности наклона лопастей.
Хотя эта технология относительно прочна и надежна, у нее есть существенные недостатки, а именно то, что улавливание энергии ветра неоптимально и требуется компенсация реактивной мощности.

Индукционный генератор с фазным ротором и управлением внешним сопротивлением (тип II)

Основная статья: Индукционный генератор с фазным ротором и управлением внешним сопротивлением

Иногда называемые ветряными турбинами с переменным управление величиной тока ротора с помощью регулируемых резисторов внешней цепи ротора и регулирование шага лопастей турбины для помощи в управлении скоростью. Диапазон скоростей турбины расширен за счет внешних резисторов.

Асинхронный генератор с двойным питанием — DFAG (тип III)

Основная статья: Асинхронный генератор с двойным питанием — DFAG

В ветряных турбинах, иногда называемых асинхронными генераторами с двойным питанием (DFIG), используется асинхронный генератор с фазным ротором, в котором ротор Цепь подключается к клеммам линии через четырехквадрантный силовой преобразователь. Преобразователь обеспечивает векторное (по модулю и углу фазы) управление током цепи ротора даже в динамических условиях и существенно расширяет диапазон рабочих скоростей турбины. Управление вектором потока роторных токов позволяет отделить активную и реактивную мощность, а также максимизировать отбор энергии ветра и снизить механические напряжения. Поскольку преобразователь обрабатывает только мощность в цепи ротора, его не нужно рассчитывать на полную мощность машины. Скорость турбины в основном регулируется за счет активной регулировки шага лопастей турбины.

Турбина с регулируемой скоростью и преобразователем мощности полной номинальной мощности (тип IV)

Основная статья: Турбина переменной скорости с преобразователем мощности полной номинальной мощности преобразователь номинальной мощности между электрогенератором и сетью. Преобразователь мощности обеспечивает существенное отделение динамики электрического генератора от сети, так что часть преобразователя, подключенная непосредственно к электрической системе, определяет большинство характеристик и поведения, важных для исследований энергосистемы. Эти турбины могут использовать синхронные или асинхронные генераторы и обеспечивать независимое управление активной и реактивной мощностью.

Технологические тенденции

Ценность технологии переменной скорости для больших ветряных турбин была подтверждена рынком за последнее десятилетие и будет преобладающей технологией в будущем. Работа с переменной скоростью имеет преимущества с точки зрения управления механическими нагрузками на лопатки турбины, трансмиссию и конструкцию. Преимущества со стороны сети также значительны и включают в себя динамическое управление реактивной мощностью, улучшенный динамический контроль над выработкой электроэнергии и возможности для дальнейшего улучшения характеристик интеграции турбины в сеть.

Электрическая надежность

Поставщики ветряных турбин теперь хорошо осведомлены о необходимости повышения электрической надежности турбины, особенно с точки зрения способности преодолевать неисправности в системе передачи. Усовершенствованный низковольтный режим уже является опцией для нескольких коммерческих турбин и, вероятно, станет стандартной функцией в ближайшие несколько лет. Ожидается, что в дальнейшем ветряные турбины будут не более чувствительны к отключению из-за сбоев в системе передачи, чем обычные генераторы, и обеспечат гибкость в отношении «программирования» режимов их отключения для событий в сети.

Real Power Control

В настоящее время коммерческие ветряные турбины обычно работают для максимального производства энергии. Когда скорость ветра равна или выше номинальной скорости, электрическая мощность «ограничена» номинальным значением, указанным на паспортной табличке. Однако при слабом и умеренном ветре турбина работает для захвата как можно большего количества энергии, так что выходная мощность будет колебаться при колебаниях скорости ветра. Эти колебания не являются оптимальными с точки зрения сети, поскольку они могут привести к колебаниям напряжения и потенциально увеличить нагрузку по регулированию на уровне зоны управления. В будущих поколениях ветрогенераторов можно будет «сгладить» эти колебания в большей степени, чем это достигается сейчас одной лишь механической инерцией. Более сложные схемы регулирования шага, улучшенная аэродинамическая конструкция лопастей и более широкий диапазон рабочих скоростей позволят ограничить кратковременные изменения мощности турбины и в то же время свести к минимуму потери производительности. Такая функция может быть включена только там и тогда, когда она имеет экономическую ценность, превышающую потери производства. Расширение этого типа управления позволит ветряным турбинам участвовать в автоматическом управлении генерацией (AGC). В этом режиме турбина должна была бы работать на уровне несколько ниже максимально возможного от ветра, чтобы обеспечить возможность «разгона» в ответ на команды EMS. Опять же, стоимость предоставления этой услуги должна быть оценена по стоимости с точки зрения более низкого производства, а также стоимости приобретения этой услуги из другого источника. Технически, однако, такая работа возможна даже с некоторыми существующими коммерческими технологиями ветряных турбин и ветряных электростанций.

Динамические характеристики

Динамические характеристики более передовых промышленных технологий турбин являются сложными функциями общей конструкции турбины и схем управления. До сих пор мало внимания уделялось тому, что представляет собой желательное динамическое поведение с точки зрения энергосистемы. На сегодняшний день большая часть внимания в этой области сосредоточена на вопросе сквозного проезда. Как только этот вопрос будет решен, могут появиться возможности для точной настройки динамической реакции турбины на сбои в сети передачи, чтобы обеспечить максимальную поддержку восстановления системы и повысить общую стабильность. Учитывая сложность, присущую топологии и схемам управления будущих ветряных турбин, должна быть возможность запрограммировать реакцию до такой степени, чтобы достичь таких преимуществ стабильности. Такая функция позволила бы ветровой турбине / ветряной электростанции участвовать в обширной схеме восстановительных действий (RAS) или специальной системе защиты (SPS), как это иногда делается сейчас с клеммами преобразователя HVDC и новыми устройствами FACTS.

Ссылки

1. ↑ Документация, поддержка пользователей и проверка моделей ветряных турбин и установок (DE-EE0001378), сентябрь 2012 г., [онлайн]. Доступно: http://www.osti.gov/bridge/servlets/purl/1051403/1051403.pdf. [По состоянию на май 2013 г.].
2. ↑ NREL, Динамические модели ветряных турбин и ветряных электростанций (NREL/SR-5500-52780), октябрь 2011 г. , [онлайн]. Доступно: http://www.nrel.gov/docs/fy12osti/52780.pdf. [По состоянию на февраль 2013 г.].

Асинхронный генератор ветровой турбины в изолированной сети
— MATLAB и Simulink

Открытая модель

В этом примере показан асинхронный генератор ветровой турбины в изолированной сети.

Р. Рейд, Б. Солнье, Р. Ганьон; Гидро-Квебек (IREQ)

Описание

В этом примере представлена ​​общая модель ветро-дизельной системы высокого проникновения без хранения (HPNNSWD) [1]. Эта технология была разработана компанией Hydro-Quebec для снижения затрат на электроснабжение отдаленных северных населенных пунктов [2]. Оптимальное проникновение ветра (установленная ветровая мощность/пиковая потребность в электроэнергии) для этой системы зависит от стоимости доставки топлива на объект и доступного ветрового ресурса. Первое коммерческое применение технологии HPNSWD было введено в эксплуатацию в 1999 компанией Northern Power Systems (Вермонт, США) на острове Сент-Пол, Аляска [3]. Система HPNSWD, представленная в этом примере, использует синхронную машину 480 В, 300 кВА, ветряную турбину, приводящую в движение асинхронный генератор 480 В, 275 кВА, нагрузку потребителя 50 кВт и переменную вторичную нагрузку (от 0 до 446,25 кВт).

При низких скоростях ветра для питания нагрузки требуется как асинхронный генератор, так и синхронный генератор с дизельным приводом. Когда мощность ветра превышает потребность нагрузки, можно отключить дизель-генератор. В этом полностью ветровом режиме синхронная машина используется в качестве синхронного конденсатора, а ее система возбуждения регулирует напряжение сети на его номинальном значении. Блок вторичной нагрузки используется для регулирования частоты системы за счет поглощения энергии ветра, превышающей потребительский спрос.

Блок Wind Turbine использует двумерную справочную таблицу для вычисления выходного крутящего момента турбины (Tm) как функции скорости ветра (w_Wind) и скорости турбины (w_Turb). Когда вы открыли этот пример, характеристики Pm (w_Wind, w_Turb) были автоматически загружены в вашу рабочую область (массив psbwindgen_char). Чтобы отобразить характеристики турбины, дважды щелкните блок, расположенный под блоком Wind Turbine.

Блок вторичной нагрузки состоит из восьми наборов трехфазных резисторов, соединенных последовательно с тиристорными переключателями GTO. Номинальная мощность каждого набора соответствует двоичной прогрессии, так что нагрузка может изменяться от 0 до 446,25 кВт с шагом 1,75 кВт. GTO моделируются идеальными переключателями.

Частота управляется блоком Discrete Frequency Regulator. В этом контроллере используется стандартная трехфазная система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) для измерения частоты системы. Измеренная частота сравнивается с эталонной частотой (60 Гц) для получения погрешности частоты. Эта ошибка интегрирована для получения фазовой ошибки. Фазовая ошибка затем используется пропорционально-дифференциальным (PD) контроллером для создания выходного сигнала, представляющего требуемую мощность вторичной нагрузки. Этот сигнал преобразуется в 8-битный цифровой сигнал, управляющий переключением восьми трехфазных вторичных нагрузок. Чтобы свести к минимуму возмущения напряжения, переключение выполняется при переходе напряжения через нуль.

Моделирование

Например, скорость ветра (10 м/с) такова, что ветряная турбина производит достаточно энергии для питания нагрузки. Дизель-генератор (не смоделированный) останавливается, а синхронная машина работает как синхронный конденсатор с механической потребляемой мощностью (Pm), установленной на ноль. Пример иллюстрирует динамические характеристики системы регулирования частоты при включении дополнительной нагрузки потребителя мощностью 25 кВт.

Запустите моделирование и наблюдайте за напряжениями, токами, мощностями, скоростью асинхронной машины и системной частотой на двух осциллографах. Начальные условия (вектор xInitial) были автоматически загружены в вашу рабочую область, чтобы симуляция запустилась в установившемся режиме.

Поскольку асинхронная машина работает в режиме генератора, ее скорость немного выше синхронной скорости (1,011 о. е.). По характеристикам турбины при скорости ветра 10 м/с выходная мощность турбины составляет 0,75 о.е. (206 кВт). Из-за потерь в асинхронной машине ветроустановка вырабатывает 200 кВт. Поскольку основная нагрузка составляет 50 кВт, вторичная нагрузка потребляет 150 кВт для поддержания постоянной частоты 60 Гц. При t=0,2 с включается дополнительная нагрузка 25 кВт. Частота на мгновение падает до 590,85 Гц, а регулятор частоты снижает мощность, потребляемую вторичной нагрузкой, чтобы вернуть частоту к 60 Гц. Напряжение остается на уровне 1 о.е., мерцания не наблюдается.

Регенерировать начальные условия

Этот пример настроен со всеми инициализированными состояниями, так что моделирование начинается в установившемся режиме. Начальные условия сохранены в файле «power_windgen.mat». Когда вы открываете эту модель, обратный вызов InitFcn (в свойствах/обратных вызовах модели) автоматически загружает в вашу рабочую область содержимое этого файла .mat (переменная «xInitial»).

Если вы модифицируете эту модель или измените значения параметров силовых компонентов, начальные условия, хранящиеся в переменной «xInitial», больше не будут действительными, и Simulink® выдаст сообщение об ошибке. Чтобы заново сгенерировать начальные условия для измененной модели, выполните шаги, перечисленные ниже:

1. На панели «Параметры конфигурации» снимите флажок с параметра «Исходное состояние» и установите флажок «Конечные состояния».

2. Дважды щелкните блок 3-Phase Breaker и отключите переключение выключателя (отмените выбор параметров «Переключение фазы X» для фаз A, B и C»).

3. Измените время остановки моделирования на 20 с. Обратите внимание, что для создания начальных условий, соответствующих частоте 60 Гц, время остановки должно быть целым числом циклов 60 Гц.

4. Запустить моделирование. Когда моделирование завершено, убедитесь, что достигнуто устойчивое состояние, посмотрев на формы сигналов, отображаемые на осциллографах. Конечные состояния, сохраненные в массиве «xFinal», можно использовать в качестве начальных состояний для будущих симуляций. Выполнение следующих двух команд копирует эти окончательные условия в «xInitial» и сохраняет эту переменную в новом файле (myModel_init.