RU2115020C1 - Wind-driven electric plant - Google Patents
Wind-driven electric plant Download PDFInfo
- Publication number
- RU2115020C1 RU2115020C1 RU96101537/06A RU96101537A RU2115020C1 RU 2115020 C1 RU2115020 C1 RU 2115020C1 RU 96101537/06 A RU96101537/06 A RU 96101537/06A RU 96101537 A RU96101537 A RU 96101537A RU 2115020 C1 RU2115020 C1 RU 2115020C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- windings
- wind
- generator
- sections
- stator
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/70—Wind energy
- Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
Abstract
Description
Изобретение относится к ветроэлектрическим установкам (ВЭУ) малой мощности. Изобретение может быть использовано при проектировании и изготовлении ВЭУ. The invention relates to wind power plants (wind turbines) of low power. The invention can be used in the design and manufacture of wind turbines.
В ВЭУ малой мощности широко используются синхронные генераторы с возбуждением от постоянных магнитов. Конструктивно такие установки состоят из ветроколеса с несколькими лопастями, соединенного непосредственно или через редуктор с осью генератора. На оси генератора собран ротор, состоящий, как правило, из закрепленных в магнитопроводе постоянных магнитов. Ротор вращается внутри статора, состоящего из пакета с пазами и уложенной в них обмотки, однофазной или трехфазной. In wind turbines of low power, synchronous generators with excitation from permanent magnets are widely used. Structurally, such installations consist of a wind wheel with several blades connected directly or through a gearbox to the axis of the generator. A rotor is assembled on the axis of the generator, consisting, as a rule, of permanent magnets fixed in the magnetic circuit. The rotor rotates inside the stator, consisting of a package with grooves and a winding laid in them, single-phase or three-phase.
Особенностью магнитоэлектрического генератора является прямая зависимость выходных параметров (напряжения и частоты) от скорости вращения. A feature of the magnetoelectric generator is a direct dependence of the output parameters (voltage and frequency) on the rotation speed.
В связи с нестабильностью ветрового потока наведенная в обмотке ЭДС имеет переменную частоту. Устойчивая работа потребителей с ВЭУ малой мощности возможна только при наличии буферного устройства (аккумуляторной батареи). Аккумуляторная батарея выполняет функции накопителя энергии и стабилизатора напряжения путем увеличения снимаемой мощности за счет роста тока (без аккумулятора на нагрузке растут одновременно ток и напряжение). Due to the instability of the wind flow induced in the winding EMF has a variable frequency. Sustainable operation of consumers with low-power wind turbines is possible only with a buffer device (battery). The battery acts as an energy storage device and a voltage stabilizer by increasing the removable power due to an increase in current (without a battery, the current and voltage grow simultaneously at the load).
Один из существенных недостатков ВЭУ малой мощности заключается в невозможности использования энергии в широком диапазоне ветров. Известны ВЭУ (ветрогенератор SWIAB 065 фирмы Swedish Windpawer AB-SWIAB; ABE-500, AC-500, AC-750 фирмы "ABE Моравна" г. Брно и "Аэрокрафт" г. Либерец, Чехословакия, ВEТЭН-0,16, Рыбинский завод приборостроения, УВЭ-300-2, ЦНИИ "Электроприбор" г. Санкт-Петербург), в которых номинальная мощность достигается при ветрах 8-10 м/с. При слабых ветрах 1,5-3,5 м/с скорость генератора недостаточна для осуществления заряда аккумулятора. В то же время в ряде регионов страны именно этот диапазон преобладает в розе ветров. Попытки снизить начало заряда до скорости n0, соответствующей скорости ветра 1,5-3 м/с, за счет обмоточных данных генератора приводят к снижению номинальной мощности (срезается верхняя часть нагрузочной характеристики вследствие более раннего проявления размагничивающей реакции якоря на скоростях 8-12 м/с).One of the significant drawbacks of low-power wind turbines is the inability to use energy in a wide range of winds. Wind turbines are known (wind generator SWIAB 065 from Swedish Windpawer AB-SWIAB; ABE-500, AC-500, AC-750 from ABE Moravna Brno and Aerocraft Liberec, Czechoslovakia, VETEN-0.16, Rybinsk Plant instrument engineering, UVE-300-2, Central Research Institute "Elektropribor" St. Petersburg), in which the rated power is achieved with winds of 8-10 m / s. In light winds of 1.5-3.5 m / s, the speed of the generator is insufficient to charge the battery. At the same time, in a number of regions of the country, it is precisely this range that prevails in the wind rose. Attempts to reduce the charge onset to a speed n 0 corresponding to a wind speed of 1.5-3 m / s, due to the winding data of the generator, lead to a decrease in the nominal power (the upper part of the load characteristic is cut off due to the earlier manifestation of the demagnetizing response of the armature at speeds of 8-12 m /from).
Например, в установке C-100-12, описанной в монографии Heinz Schulz "Kleine Windkpaftanlagen", 2-е повторное издание, 1993 г. ISB N 3-922964-31-1 Okobuch Verlag, Stanfen bei Freiburg, стр. 21, 41, начало заряда аккумулятора осуществлено при скорости ветра ≈ 1,5 м/с. Однако при ветрах 5-10 м/с отдаваемая мощность значительно ниже, чем в аналогичной ей установке УВЭ-200 разработки ЦНИИ "Электроприбор", С.-Петербург. For example, in the installation C-100-12 described in the monograph by Heinz Schulz "Kleine Windkpaftanlagen", 2nd reprint, 1993 ISB N 3-922964-31-1 Okobuch Verlag, Stanfen bei Freiburg, p. 21, 41 , the beginning of the battery charge was carried out at a wind speed of ≈ 1.5 m / s. However, with winds of 5-10 m / s, the power output is much lower than in a similar installation of UVE-200 developed by the Central Research Institute Elektropribor, St. Petersburg.
За аналог принята установка УВЭ-300-2, 1991, которая развивает мощность 300 Вт на скорости генератора nн = 600 об/мин (при ветре 9 м/с), максимальную мощность 450 Вт на скорости nмакс = 1000 об/мин. Начальный зарядный ток аккумулятора обеспечивается на скорости n1 = 250 об/мин (при ветре 3,5 м/с).The UVE-300-2 installation, 1991, which develops 300 W power at a generator speed n n = 600 rpm (with a wind of 9 m / s) and a maximum power of 450 W at a speed n max = 1000 rpm, is adopted as an analog. The initial charging current of the battery is provided at a speed of n 1 = 250 rpm (with a wind of 3.5 m / s).
Для решения задачи расширения полезного ветрового диапазона работоспособности ВЭУ в данном изобретении предлагается установить двухобмоточный генератор, выдающий зарядное напряжение при двух значениях скорости вращения ветроколеса n0 и n1.To solve the problem of expanding the useful wind range of wind turbine operability, in this invention it is proposed to install a dual-winding generator that generates charging voltage at two values of the rotational speed of the wind wheel n 0 and n 1 .
Сущность этого устройства заключается в следующем. В статоре генератора наряду с основной обмоткой w1 предусматриваются пазы под закладку дополнительной обмотки w2. При этом выполняется условие выбора зубцов статора Zст и ротора Zр, не имеющих общего кратного делителя, а также независимости расположения секций каждой из обмоток под полюсами ротора.The essence of this device is as follows. In the stator of the generator, along with the main winding w 1 , grooves are provided for laying the additional winding w 2 . In this case, the condition for choosing the stator teeth Z st and the rotor Z p that do not have a common multiple divider, as well as the independence of the location of the sections of each of the windings under the poles of the rotor, is fulfilled.
Соотношение витков в фазах обмоток выбирается в обратной пропорции к скоростям, при которых должно обеспечиваться зарядное напряжение:
w2/w1 = n1/n0 (1).The ratio of the turns in the phases of the windings is selected in inverse proportion to the speeds at which the charging voltage should be provided:
w 2 / w 1 = n 1 / n 0 (1).
Следовательно, в диапазоне скоростей генератора от n0 до n1 зарядный ток аккумулятора поступает с дополнительной обмотки через отдельный выпрямитель. В дальнейшем при n > n1 обе обмотки работают впараллель каждая через свой выпрямитель. Независимо от того, что полюсами ротора в них наводится разная ЭДС, стабилизатором напряжения служит аккумулятор.Therefore, in the generator speed range from n 0 to n 1, the charging current of the battery comes from the additional winding through a separate rectifier. Further, for n> n 1, both windings operate in parallel each through its own rectifier. Regardless of the fact that different emf is induced in the poles of the rotor, the battery serves as a voltage stabilizer.
На фиг. 1 приведена схема включения обеих 3-фазных обмоток генератора через собственные выпрямители на аккумулятор. Поскольку из генератора конструктивно выходит 6 концов статора, мостовые схемы двухполупериодных выпрямителей целесообразно монтировать в корпусе генератора (или располагать рядом), с тем чтобы передающий кабель ВЭУ имел меньшее число проводов (в приведенном варианте кабель двухжильный). In FIG. 1 shows a diagram of the inclusion of both 3-phase windings of the generator through its own rectifiers to the battery. Since 6 ends of the stator are structurally coming out of the generator, it is advisable to mount the bridge circuits of half-wave rectifiers in the generator housing (or place them side by side) so that the wind turbine transmission cable has fewer wires (in this case, the cable is two-wire).
Опасность перегрузки дополнительной обмотки w2 по плотности тока Δ на высоких скоростях генератора устраняется размагничивающей природой реакции якоря.The danger of overloading the additional winding w 2 in current density Δ at high generator speeds is eliminated by the demagnetizing nature of the armature reaction.
При вращении полюсов ротора в зоне секции wC2 за счет реакции якоря происходит их кратковременное размагничивание, чем достигается стабилизация тока I2 на более ранней стадии. Учитывая, что с основной и дополнительной обмоток поочередно взаимодействуют магниты ротора с одинаковой коэрцитивной силой, уровень стабилизированных токов обмоток определится условием:
I1wc1= I2wc2 ⇒ I1w1/q1= I2w2/q2
Если принять стабильным напряжение на аккумуляторе, из последнего условия вытекает выражение, приведенное в формуле изобретения для выбора соотношения числа пазов на полюс и фазу обмоток
Этим условием обеспечивается требуемое распределение мощностей между обмотками, не приводящее к тормозящим моментам, превышающим вращающие моменты ветропривода в диапазоне скоростей от n0 до nн.When the rotor poles rotate in the zone of the section w C2 due to the reaction of the armature, they become demagnetized for a short time, which stabilizes the current I 2 at an earlier stage. Given that the rotor magnets with the same coercive force interact with the main and additional windings, the level of stabilized currents of the windings is determined by the condition:
I 1 w c1 = I 2 w c2 ⇒ I 1 w 1 / q 1 = I 2 w 2 / q 2
If you take a stable voltage on the battery, the last condition implies the expression given in the claims for choosing the ratio of the number of grooves per pole and phase of the windings
This condition provides the required power distribution between the windings, which does not lead to braking moments that exceed the wind drive torques in the speed range from n 0 to n n .
Нагрузочные характеристики предлагаемой ВЭУ и прототипа приведены на фиг. 2 и отличаются наличием полезной мощности на участке n0 - n1 (заштрихованная часть характеристики), согласованной с вращающими моментами ветроколеса. Поскольку малые ветра (2-5) м/с являются в ряде регионов преобладающими, появление дополнительной мощности P2 в зоне низких скоростей генератора существенно повышает эксплуатационно-энергетические характеристики ВЭУ. В то же время по предельной мощности такая ВЭУ не уступает прототипу, т. к. обе обмотки в номинальном режиме работают на нагрузку одновременно (параллельно), тем самым полезно используется весь объем пазов статора. Следовательно, предложенное изобретение позволяет расширить ветровой диапазон ВЭУ вследствие качественно новой нагрузочной характеристики.The load characteristics of the proposed wind turbine and prototype are shown in FIG. 2 and are distinguished by the presence of net power in the area n 0 - n 1 (the shaded part of the characteristic), consistent with the torques of the wind wheel. Since small winds (2-5) m / s are predominant in a number of regions, the appearance of additional power P 2 in the zone of low generator speeds significantly increases the operational and energy characteristics of wind turbines. At the same time, such a wind turbine is not inferior to the prototype in terms of maximum power, since both windings in rated mode operate at the same time (in parallel), thereby using the entire volume of the stator slots. Therefore, the proposed invention allows to expand the wind range of wind turbines due to a qualitatively new load characteristics.
В качестве примера на фиг. 3 приведена схема 3-фазной обмотки статора тихоходного двухдиапазонного синхронного генератора типа ГСПМ-300, имеющего по аналогии с прототипом число полюсов ротора 2р=16 и число зубцов на статоре Zст = 21. Основная обмотка имеет по 5 секций в фазе (на 2 меньше, чем в прототипе):
w1 = q1wc1 = 5,34 = 168
Освободившиеся 2 паза занимает дополнительная обмотка:
w2 = q2wc2 = 2,120 = 240
При таком соотношении витков начало заряда обеспечивается на скорости вращения в ≈ 1,5 раза ниже:
Распределение мощностей между обмотками (или кратность токов) определится по выражению (2):
На фиг. 4 приведены векторные диаграммы ЭДС обеих обмоток, которые построены для случая совпадения полюса ротора с осью секции wс1 первого паза статора (1-я фаза основной обмотки). Угловые положения φwci последующих секций wci определяются по масштабу зубцового деления статора, выраженному в электрических градусах полюсов ротора
и приведены в таблице.As an example in FIG. 3 shows a diagram of a 3-phase stator winding of a low-speed dual-band synchronous generator of type GSPM-300, having, by analogy with the prototype, the number of rotor poles 2p = 16 and the number of teeth on the stator Z st = 21. The main winding has 5 sections per phase (2 less than in the prototype):
w 1 = q 1 w c1 = 5.34 = 168
The released 2 grooves are occupied by an additional winding:
w 2 = q 2 w c2 = 2,120 = 240
With this ratio of turns, the beginning of the charge is provided at a rotation speed of ≈ 1.5 times lower:
The power distribution between the windings (or the multiplicity of currents) is determined by the expression (2):
In FIG. Figure 4 shows the vector diagrams of the EMF of both windings, which are constructed for the case where the rotor pole coincides with the axis of the section w c1 of the first stator slot (first phase of the main winding). The angular positions φ wci of the subsequent sections w ci are determined by the scale of the tooth division of the stator, expressed in electrical degrees of the poles of the rotor
and are given in the table.
Тот факт, что фазные ЭДС дополнительной и основной обмоток образуют 3-фазную систему векторов (с незначительным перекосом), подтверждает возможность реализации предложенного устройства в многополюсном генераторе с постоянными магнитами. The fact that the phase EMFs of the additional and main windings form a 3-phase system of vectors (with a slight bias) confirms the possibility of implementing the proposed device in a multipolar generator with permanent magnets.
Рассмотрим энергетические характеристики, данные в примере двухобмоточного генератора. Коэрцитивная сила магнитных полюсов, изготовленных из феррита бария 22БА-220, составляет Hc ≈ 2200 А/см. При ширине магнита bM = 0,8 см его частичное размагничивание будет происходить под каждой секцией дополнительной обмотки статора при токе I2 = 3,2 А (ток стабилизации). Реакция якоря при этом составит намагничивающую силу
В то время как такая реакция якоря от основной обмотки возникнет при токе
Таким образом, предельной суммарный ток от генератора составит
Iзар = I1 + I2 = 14,7 А (≈ 450 Вт),
что эквивалентно прототипу (фиг. 2). Следовательно, расширение ветрового диапазона ВЭУ предложенным путем не ухудшает ее энергетических характеристик, а также не приводит к перегреву статора генератора.Consider the energy characteristics given in the example of a two-winding generator. The coercive force of the magnetic poles made of 22BA-220 barium ferrite is Hc ≈ 2200 A / cm. With the magnet width b M = 0.8 cm, its partial demagnetization will occur under each section of the additional stator winding at a current I 2 = 3.2 A (stabilization current). The reaction of the armature in this case will amount to magnetizing force
While such an armature reaction from the main winding will occur with current
Thus, the limiting total current from the generator will be
I charge = I 1 + I 2 = 14.7 A (≈ 450 W),
which is equivalent to the prototype (Fig. 2). Therefore, the expansion of the wind range of the wind turbines by the proposed method does not impair its energy characteristics, and also does not lead to overheating of the generator stator.
Claims (1)
где n0, n1 - частоты вращения ветроколеса, при которых обеспечивается напряжение начального заряда аккумуляторных батарей соответственно от обмоток w2 и w1;
q1, q2 - количество секций обмоток на полюс и фазу;
P1, P2 - полезные мощности обмоток генератора.A wind electric installation consisting of a wind wheel, an electric generator with permanent magnets and an electric battery, characterized in that the stator of the electric generator contains two windings with the number of turns in phases w 1 and w 2 = w 1 (n 1 / n o ), each of which connected to the battery through a separate rectifier, and the sections are spaced grooves in space, forming independent stator poles, and the number of sections per pole and phase is selected from the ratio
where n 0 , n 1 - rotational speed of the wind wheel at which the voltage of the initial charge of the batteries from the windings w 2 and w 1 , respectively;
q 1 , q 2 - the number of sections of the windings per pole and phase;
P 1 , P 2 - useful power of the generator windings.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU96101537/06A RU2115020C1 (en) | 1996-01-19 | 1996-01-19 | Wind-driven electric plant |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU96101537/06A RU2115020C1 (en) | 1996-01-19 | 1996-01-19 | Wind-driven electric plant |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU96101537A RU96101537A (en) | 1998-03-27 |
| RU2115020C1 true RU2115020C1 (en) | 1998-07-10 |
Family
ID=20176182
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU96101537/06A RU2115020C1 (en) | 1996-01-19 | 1996-01-19 | Wind-driven electric plant |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2115020C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2499156C2 (en) * | 2008-02-27 | 2013-11-20 | Абб Швайц Аг | Power system |
| US9653977B2 (en) | 2012-05-22 | 2017-05-16 | Wobben Properties Gmbh | Synchronous generator of a gearless wind energy turbine |
| RU2625343C2 (en) * | 2012-05-22 | 2017-07-13 | Воббен Пропертиз Гмбх | Optimized synchronous generator of gearless wind power unit |
-
1996
- 1996-01-19 RU RU96101537/06A patent/RU2115020C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Установка ветроэлектрическая УВЭ-300-2. Описание. - Л.: ЦНИИЭлектроприбор , 1991. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2499156C2 (en) * | 2008-02-27 | 2013-11-20 | Абб Швайц Аг | Power system |
| US9653977B2 (en) | 2012-05-22 | 2017-05-16 | Wobben Properties Gmbh | Synchronous generator of a gearless wind energy turbine |
| RU2621061C2 (en) * | 2012-05-22 | 2017-05-31 | Воббен Пропертиз Гмбх | Gearless synchronous generator of wind power unit |
| RU2625343C2 (en) * | 2012-05-22 | 2017-07-13 | Воббен Пропертиз Гмбх | Optimized synchronous generator of gearless wind power unit |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hoang et al. | Switching flux permanent magnet polyphased synchronous machines | |
| Mueller | Design and performance of a 20 kW, 100 rpm, switched reluctance generator for a direct drive wind energy converter | |
| RU2168062C1 (en) | Windmill generator | |
| EP1458080A4 (en) | Permanent magnet type dynamo-electric machine and wind power generation-use permanent magnet type synchronous generator | |
| CN110971095B (en) | Double-stator wind driven generator and power generation system | |
| CA2402093A1 (en) | Synchronous generator | |
| Khan et al. | Design of a PM wind generator, optimised for energy capture over a wide operating range | |
| Kamiev et al. | Hybrid excitation synchronous generators for small hydropower plants | |
| CN109217599A (en) | A kind of hybrid exciting synchronous motor | |
| RU2115020C1 (en) | Wind-driven electric plant | |
| Fengxiang et al. | Design features of low speed permanent magnet generator direct driven by wind turbine | |
| Beik et al. | High voltage generator for wind turbines | |
| CN113346700B (en) | Controllable magnetic field modulation axial flux generator combined with magnetic suspension | |
| Chalmers et al. | An axial-flux permanent-magnet generator for a gearless wind energy system | |
| CN205829425U (en) | A kind of three stator composite excitation synchro wind generators | |
| CN102005884B (en) | Wide rotation speed range output permanent magnet constant speed generator system | |
| RU2152118C1 (en) | Slow-speed overhung multipole synchronous generator | |
| JP2000345952A (en) | Multipolar wind power generator and wind power generating method | |
| Jian et al. | A novel double-winding permanent magnet flux modulated machine for stand-alone wind power generation | |
| JPS6146149A (en) | Inductor type brushless generator | |
| Nugroho et al. | Design And Implementation Of Ls-Pmsg For Small Scale Hydro Power Plant | |
| CN208445460U (en) | A kind of spoke type for electric vehicle interlocks rotor permanent magnet synchronous motor | |
| Polinder et al. | Design of a PM generator for the Turby, a wind turbine for the built environment | |
| JP3973535B2 (en) | Power generator for distributed power supply | |
| RU18600U1 (en) | SYNCHRONOUS VARIABLE POWER GENERATOR |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050120 |