RO125352B1 - Generator electric eolian multipolar, polifazat cu magneți permanenți în inductor - Google Patents

Description

Invenția se referă la un generator electric eolian multipolar, polifazat, cu magneți permanenți în inductor, cuplat direct cu turbina eoliană și conectat cu un convertizor static de frecvență și tensiune, pentru conversia energiei mecanice primită la arbore cu turație variabilă în limite largi, în energie electrică cu tensiune și frecvență constante, egale cu cele ale rețelei electrice cu care se interconectează.

Generatoarele electrice eoliene, sincrone, cunoscute sunt cuplate direct cu turbina eoliană, au indusul echipat cu înfășurări trifazate și funcționează pe principiul câmpului magnetic învârtitor, la care tensiunea indusă și pierderile sunt dependente de valoarea maximă a inducției magnetice din întrefier și valoarea frecvenței cu valoarea de 50 Hz (sau 60 Hz). Aceste generatoare prezintă dezavantajul producerii unor pierderi mari în miezul feromagnetic din indus, iar armonicile din curba tensiunii și a curenților din indus produc pierderi suplimentare în indus și în cablurile de legătură dintre generator și convertorul static de frecvență. Generatoarele sincrone cuplate direct sau indirect cu turbina eoliană și conectate direct la rețeaua electrică cu frecvența industrială de 50 Hz (sau 60 Hz), au turația la arbore egală cu turația sincronă și dezavantajul de a nu putea prelua șocurile de cuplu produse de viteza variabilă a vântului. Aceste generatoare sunt excitate în curent continuu și necesită înfășurare de excitație, inele de contact, perii și sursă de curent continuu, pentru alimentarea înfășurării de excitație.

Se cunoaște cererea de brevet JP 2004064807, publicată la data de 26.02.2004, care se referă la un generator eolian, care prezintă o turbină eoliană, un generator cu magnet permanent, un circuit de redresare și o baterie de stocare. Generatorul prezintă o multitudine de prize în mijlocul înfășurării fiecărei faze și este prevăzut cu mijloace de comutare care schimbă înfășurarea per fază. Această construcție permite stabilirea tensiunii generate într-un interval apropiat de tensiunea de încărcare a bateriei, dar are dezavantajul de a nu putea prelua șocurile de cuplu produse de viteza variabilă a vântului.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în reducerea pierderilor în miezul feromagnetic din indus, prin creșterea inducției magnetice din întrefier, și de frecvență, a cărei valoare este redusă (5...25 Hz).

Generatorul electric eolian multipolar, conform invenției, compus dintr-un stator și un rotor, înlătură dezavantajele menționate mai sus, prin aceea că statorul este echipat cu o înfășurare polifazată poligonală, cu numărul de faze m_f= 7...49, tip indus de curent continuu, și anume o înfășurare ondulată simplă sau multiplă, înfășurarea se închide o singură dată și trebuie îndeplinită condiția ca Z și p să fie numere prime între ele, numai în aceste condiții, nu mai sunt necesare conexiuni echipotențiale, înfășurarea statorului (indusului) este prevăzută în partea frontală de partea opusă acționării, cu un număr de prize egal cu numărul de faze, cu pasul y_f = Z/m_f, care fac legătura electrică cu diodele redresorului.

Invenția prezintă următoarele avantaje:

- reducerea masei generatorului electric cu 5...8%;

- creșterea randamentului cu 0,3...0,5%, ca urmare a absenței înfășurării de excitație, a inelelor de contact, a periilor, a sursei de curent contiunu pentru alimentarea circuitului de excitație;

- scăderea încălzirii mașinii, datorită absenței pierderilor din inductor;

- creșterea fiabilității și reducerea cheltuielilor de întreținere, prin absența sistemului de excitație în curent continuu;

- realizarea legăturii electrice în curent continuu dintre nacelă și invertor reduce căderea de tensiune din interiorul sistemului;

- îmbunătățirea sistemului de consolidare a magneților la acțiunea forțelor radiale și tangențiale.

RO 125352 Β1

Se dă, în continuare, un exemplu de realizare a invenției, în legătură cu fig. 1,2,3, 1 și 5, care reprezentă:

- fig. 1, secțiune transversală parțială prin generatorul electric conform invenției; 3

- fig. 2, detaliu pentru fixarea magneților pe jugul rotoric;

- fig. 3, schema desfășurată a înfășurării cu Z= 55 crestături, 6 poli, 4 căi de curent 5 și 11 faze;

- fig. 4, diagrama de fazori ai tensiunilor fazelor înfășurării indusului de tip ondulată, 7 dublă, polifazată cu rrif=11 faze, închisă o singură dată;

- fig. 5, schema bloc a generatorului electric GE, cuplat direct cu turbina eoliană TE 9 și conectat la rețeaua electrică RE, prin intermediul convertorului static de frecvență (Rredresor și l-invertor). 11

Generatorul este compus dintr-un stator și un rotor.

Statorul (indusul), fig. 1, are miezul feromagnetic 1 din tablă silicioasă de grosime 13 0,5...1 mm, echipat cu o înfășurare polifazată poligonală, cu două sau mai multe căi de curent, așezată în crestăturile 2, închiderea crestăturilor se realizează cu pene izolante 3 sau 15 cu pene magnetice.

Rotorul este format dintr-un jug inductor feromagnetic 4, construit din fier masiv sau 17 din tole; pe suprafața exterioară spre întrefier sunt așezați magneții (polii inductori) 5, construiți din magneții permanenți sinterizați din Nd Fe B, care formează un sistem heteropolar. 19 în fig. 2 se prezintă un detaliu privind modul de fixare al magneților 5 pe jugul inductor 4. Pentru o mai bună fixare a magneților 5, se prevăd, la periferia jugului inductor fero- 21 mgnetic 4 al rotorului, alte crestături echidistante, cu o adâncime redusă de 0,5...1 mm și lățime determinată de lățimea magnetului 4, în care se montează magneții 5 prin lipire cu 23 loktite, iar la periferie, peste magneții 5, se aplică un multistrat de 0,5...1 mm din bandă adezivă izolantă, din fibre de sticlă sau carbon 6. 25

Rotorul este montat pe un arbore prin intermediul unui butuc.

Ca exemplu de realizare a înfășurării polifazate poligonale, conform invenției, se pre- 27 zintă o înfășurare poligonală ondulată cu Z = 55 crestături, p = 2, a (nr. de căi de curent) =

4, m_f (nr. de faze al înfășurării) =11. Prizele pentru scoaterea fazelor se realizează la începu- 29 tul bobinelor, cu pasul fazelor y_mf = 5 crestături.

Faza 1 este scoasă de la începutul bobinei 1, faza 2 este scoasă de la începutul 31 bobinei așezată în crestătura cu pasul 1 + y_mf, faza 3 este scoasă la începutul bobinei așezată în crestătura cu pasul 1+ 2y_mf, iar următoarele după acest algoritm. 33 în fig. 3 se prezintă schema desfășurată a înfășurării conform invenției, în care se arată și prizele fazelor. 35

Numărul de bobine al înfășurării este egal cu numărul de crestături al înfășurării cu două straturi. 37

Bobinele în număr de N_b = Z = 55 cu un număr de spire oarecare, cu pasul y, = 9 crestături apropiat de pasul diametral al înfășurării y_d=z/ 2p=6 1/4, se așază în crestăturile 39 armăturii statorului, unde Z este nr. total de crestături, p este numărul de perechi de poli.

Conexiunile dintre bobine se realizează în modul următor: sfârșitul unei bobine se 41 conectează cu începutul altei bobine așezată la un pas rezultant Z_o = (Z-/+m)/p = 19, unde m este ordinal de multiplicitate al înfășurării. în acest caz, înfășurarea va avea 2a = 2m căi 43 de curent. înfășurarea se închide o singură dată și trebuie îndeplinită condiția ca Z și p să fie numere prime între ele; cu această condiție nu mai sunt necesare conexiuni echipoten- 45 țialedespeța2, caîn cazul înfășurărilorînchise de mai multe ori; prin urmare, pasul rezultant este y₀= (55+2)/3 =19. Bobina nr.1 este legată cu bobina 20, apoi cu bobina 39, apoi cu 47 bobina 3 ș.a.m.d.

RO 125352 Β1 în fig. 4 se prezintă diagrama de fazori ai tensiunilor induse în înfășurările de fază pentru o înfășurare ondulată dublă cu 4 căi de curent, închisă o singură dată; ieșirile fazelor sunt conectate la câte o punte redresoare (cu conducție directă, respectiv, inversă) legate la un sistem de două bare (+, respectiv, -), care fac legătura cu invertorul I.

în fig. 5 s-a prezentat schema bloc a componentelor principale ale unei centrale eoliene; în nacela NA, se montează generatorul electric GE cuplat mecanic cu turbina eoliană TE aflată parțial în exteriorul nacelei NA și redresorul R format de 11 punți redresoare, conectat la bornele fazelor generatorului; barele de legătură B, montate în interiorul turnului, dintre redresor și invertorul I plasat în exteriorul nacelei într-o incintă separată la baza turnului de susținere.

Asocierea generatorului electric cu un convertizor static de frecvență, compus dintr-un redresor cuplat cu un invertor, are avantajul obținerii puterii electrice furnizate de centrala eoliană la rețeaua electrică cu parametrii ceruți privind numărul de faze, frecvența și tensiunea electrică, indiferent de valorile acestora la bornele generatorului electric. Această soluție oferă avantajul de a realiza un transfer de putere electrică la rețea, fără a periclita stabilitatea generatorului electric, așa cum se întâmplă în cazul generatorului sincron clasic, care trebuie să funcționeze cu turație și frecvență constante.

Convertizorul static de frecvență, tensiune și număr de faze este compus dintr-un redresor R, conectat la bornele înfășurării statorului, și un invertor I, alimentat de la redresor și conectat direct la rețea (sau prin intermediul unui transformator electric ridicător).

Generatorul eolian multipolar, conform invenției, asociat cu un convertizor static de frecvență, funcționează în modul următor: generatorul antrenat direct de turbina eoliană cu turația n_g convertește puterea mecanică primită pe la arbore și o convertește în putere electrică alternativă polifazată cu frecvența variabilă f_g=p* n_g și tensiunea polifazată U_g = U_ng*n_g/n_ng, unde U_ng este tensiunea nominală a generatorului și n_ng - turația nominală a ansamblului; puterea electrică transmisă de generator pe la borne este redresată în putere continuă de redresor și transmisă invertorului I, care o transformă în putere trifazată, cu frecvența și tensiunea egale cu frecvența și tensiunea rețelei de curent alternativ și este transmisă rețelei electrice.

Claims (3)

1. Revendicări 1

   1. Generator electric eolian multipolar, polifazat, cu magneți permanenți în inductor, 3 compus dintr-un stator și un rotor, caracterizat prin aceea că statorul este echipat cu o înfășurare ondulată, polifazată, poligonală, cu numărul defazem_f= 7...49, tip indus de curent 5 continuu, și anume o înfășurare ondulată simplă sau multiplă, înfășurare care se închide o singură dată și în acest scop trebuie îndeplinită condiția ca Z și p să fie numere prime între 7 ele, numai în aceste condiții nu mai sunt necesare conexiuni echipotențiale, înfășurarea indusului fiind prevăzută în partea frontală de partea opusă acționării, cu un număr de prize 9 egal cu numărul de faze, cu pasul y_f = Z/m_f, care fac legătura electrică cu diodele redresorului. 11
2. 2. Generator electric, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că are o îmbinare între magneții permanenți (5) și jugul inductor feromagnetic (4), pentru a prelua forțele 13 tangențiale și radiale care se exercită asupra magneților, realizată astfel: magneții permanenți (5) sinterizați din Nd Fe B se montează pe jugul inductor (4) feromagnetic al rotorului, 15 la periferia jugului, în alte crestături cu o adâncime mică de 0,5...1 mm și lățime determinată de lățimea magnetului, prin lipire cu loktite, iar la periferie, peste magneți, se aplică un multi- 17 strat de 0,5...1 mm din bandă adezivă izolantă, din fibre de sticlă sau carbon (6).
3. 3. Generator electric, conform revendicărilor 1 și 2, caracterizat prin aceea că este 19 conectat la rețeaua electrică prin intermediul unui convertizor static de frecvență, tensiune și număr de faze, compus dintr-un redresor (R) montat în nacelă (NA) în carcasa genera- 21 torului și un invertor (I) montat în afara nacelei (NA), care convertește puterea electrică continuă în putere electrică trifazată, cu parametrii tensiunea electrică și frecvența egale cu 23 parametrii rețelei electrice.