Надо произвести предварительный выбор и расчет конструкции электрогенератора для ветроустановки. Мощность должна быть 5кВт, на выходе с инвертора переменка трехфазное, скорость ветротурбины колеблется в диапазоне 60-180 об/мин. Нечто подобное уже есть на 1кВт с системой управления, преобразователями-инверторами, аккумуляторами и т.д., но не устраивает следующее:
1. То что напряжение с генератора колеблется в большом диапазоне (3-3.5 раза) в зависимости от скорости ветра
2. Далее постоянный ток преобразовывается в постоянный, с помощью преобразователя бустерного типа. В случае если на этом преобразователе напряжение колеблется в большом диапазоне, то большие потери.

Основные требования: привод должен быть безредукторный и на роторе не должно быть никаких щеток/колец/коллектора. В принципе можно посадить на ротор постоянные магниты - но это удорожание проекта и это надо обосновывать. Ну и мне лично не нравиться постоянным магниты, так как их надо как-то крепить и мне все время кажется что они через X лет отваляться или еще что-нибудь - потом мне будет стыдно. Или например будет мороз -50 градусов и магниты изменят свои свойства или треснут.

Хорошо то, что ограничений на габариты электрогенератора нет.

Возникают следующие идеи, только вот не знаю с какой начать, что считать вначале и в каком направлении двигаться:
1. Почитал я буржуазные статейки, на ветряки они сейчас ставят вентильные двигатели. В принципе вентильные двигатели я уже считал, но: что делать со скоростью (напряжением/током), которая колеблется в большом диапазоне. Высказывается мысль о том чтобы разместить на статоре две обмотки: обмотка генераторная и обмотка возбуждения, для регулировки магнитного потока в зазоре. Т.е. хочется что бы на генераторной обмотке не было таких скачков. Но какую именно конструкцию выбрать и что считать непонятно...
2. Сделать большой ротор, а статором поставить несколько дугостаторных асинхронных двигателей/генераторов (по сути если ротор будет метра два то дугостаторный двигатель превратиться линейный двигатель/генератор). Нечто подобное уже делали для ветряка на 2кВт (полый ротор был 2 метра диаметром и весил килограмм 12ть + 6ть линейных асинхронных двигателей по периметру) - в эксперименте двигатель/генератор работал и выдавал на нужной скорости нужную мощность, но так как систему управления, инверторы и т.д. делали другие люди + еще какие то проблемы - то вроде бы все было брошено недоделанным и в производство не пошло.
В дугостаторном/линейном двигателе мне не нравиться то что у него разомкнутый магнитопровод, следовательно низкий электрический КПД и низкий коэффициент мощности.
3. То же самое что и пункт 2, но вместо переменного тока, сделать линейный/дугостаторный вентильный генератор. Правда что там будет с КПД я еще не чувствую - но думаю что гораздо лучше чем на переменном токе.
4. Вообще то мне нравиться конструкция вентильно-индукторного реактивного двигателя (можно даже рассмотреть вариант двигателя с внешним ротором) с электромагнитной редукцией момента (много зубчиков на каждом полюсе). Основные конструкции-картинки можно посмотреть, например, здесь _http://www.kaskod.ru/produkt/motorsrm/srm_article02/. Конструкция, которая мне нравиться, на рисунке называется "моментный с внутренним ротором". Все просто в конструкции и следовательно надежно, нет постоянных магнитов, большие моменты на низких оборотах. Но опять же как стабилизировать напряжение/ток на обмотке генератора при колебаниях скорости.
Я предлагал коллегам не запариваться со сложными конструкциями двигателей/генераторов, остановиться на вентильном генераторе и поконопать в области преобразовательной техники и попытаться найти схему преобразователь (DC-DC или АС/DC), у которого КПД будет на так сильно зависеть от выходного напряжения/тока генератора. Но мне отвечают так - что схемы все изобретены и известны уже давным-давно и что проблему с КПД преобразователя и у всей установки таким образом не удастся решить и что надо думать о конструкции электрогенератора...
Думаю еще вот что: так как нет ограничения по габаритам, может в конструкцию вентильного двигателя заложить дискретное регулирование в зависимости от скорости ветра. Если скорость w1, то в двигателе включается N1 полюсов (или N1 секций), если скорость w2, то в фазе двигателя включается N2 полюсов и т.д. Тем самым на генераторной обмотке не будет такого колебания напряжения/тока (3-3.5 раза). Или та же самая идея и вариант №3 (дугостаторный/линейный вентильный генератор) - меняться скорость, меняется число включенных секций/генераторов.
5. любые другие варианты

Подскажите в каком направлении копать и о чем мечтать, т.е. куда смотреть и какую конструкцию в первую очередь считать
Спасибо.

p.s. Моя специализация - это математическое моделирование и расчет на основе метода конечных элементов (Ансис, Comsol и т.д.). Также свободно владею матлабом, симулинком (в том числе и симповерсистемс). Если надо для более глубокого понимания схем могу освоить Оркад. Но думаю что симповерсистемс вполне достаточно. Слабость - то что руки крюки и железяки я только рассчитываю и отвечаю за то что бы расчет сошелся с экспериментом, но от меня другого никогда и не требовалось. А тут же для выбора направления движения надо в голове держать и желательно понимать всю систему в целом: механическая часть ветротурбины, электрогенератор, преобразователи-инверторы, акумуляторная батарея, система управления, резервный дизель-генератор и т.д.

Сообщение отредактировал Владимир_2010 - Jun 21 2010, 13:13

Во делают преобразователи с колебаниями входного напряжения в >6-ть раз
http://www.sma.de/en/products/wind-energy-...0tl-5000tl.html

И ничего, на КПД не жалуются.

А генераторы такой мощности большинство делают на BLDC. Вот уж где точно копать не стоит.

Не жалуются покупатели потому что не вникают в принцип действия девайса или не жалуются изготовители (вернее дипломатично умалчивают)?! Или все действительно хорошо и при колебаниях выходного напряжения КПД хороший?! Где схему можно посмотреть такого или аналогичного девайса, чтобы прикинуть в симповерситсемсе и оценить потери - а то я недоверчивый

BLDC я забыл упомянуть, это тоже в уме держится. Правда конструкции я видел на картинке только для авиамоделей, ну и в принцип действия особо не вникал... На низких оборотах (без редуктора) + при большом диапазоне колебания скорости у этих BLDC электрический КПД как себя ведет?! Пульсации момента и т.д.?!

Сообщение отредактировал Владимир_2010 - Jun 21 2010, 15:07

BLDC и есть ваш вентильный двигатель.
Или первый день в теме?

А на счет инвертеров в Германии которая вся утыкана ветряками и дивайсов фирмы которая занимает половину немецкого рынка я бы не сомневался.

Кстати для лучших солнечных инвертеров входные напряжения могут колебаться даже в 8-мь раз!

Не первый день, но в терминологии путаюсь. Для саморазвития считал как то статический момент для различных SRM на основе МКЭ (FEM), немного покрутил и в динамике, понял для себя - и успокоился...
Вентильный двигатель/генератор мне привычнее называть SRM (switched reluctance motor), SRM with permanent magnet и т.д. То что я видел BLDC для авиамоделей очень похоже на SRM но только + дополнительные полюса + ротор наизнанку (внешний ротор). Здесь кстати http://www.ukrainemotors.com/index.php?page=pub в заглавии на русском некоторые двигатели называются вентильными, а на английском файл содержит "BLDC".


На немецком инверторе думаю будет не интересно по религиозным соображениям... Если информация верна что можно сделать DC/DC инвертор с высоким КПД несмотря на широкий диапазон колебания входного напряжения/мощности то это радует, надо тогда произвести тщательный обзор литературных источников и посмотреть что там великие ученые напридумывали.

Сообщение отредактировал Владимир_2010 - Jun 21 2010, 19:40

Ветрогенератор в 5 кВт -довольно мощное устройство. Потому, строить его по авиамодельной блок-схеме уже не годится.
Мощные ветряки работают с постоянной скоростью вращения, и напряжение стабильно само по себе. Меняется только ток нагрузки (мощность).
Такие ветряки включаются параллельно в сеть и работают как синхронный генератор на обычном электродвигателе переменного тока, желательно 1500 или даже 750 обмин. И мультипликатор соответствующий. Да и инверторов никаких дорогих для сети 220 вольт в этом случае не нужно.
Все эти маленькие хитрости большой стоимости с постоянными магнитами и метровыми роторами никто в серийных изделиях не использует.
Полезно саму основу построения системы пересмотреть своевременно.

Design, Optimization and Comparison of Permanent Magnet Motors for a Low-Speed Direct-Driven Mixer.
См. библиографию.

Свойством обратимости обладают, в основном,
электрические машины с возбуждением от постоянных магнитов.
SR Motors трудно представить в генераторном режиме.
DIRECT-ON-LINE AXIAL FLUX PERMANENT MAGNET
SYNCHRONOUS GENERATOR STATIC AND DYNAMIC
PERFORMANCE.

Сообщение отредактировал evgeny_ch - Jun 21 2010, 21:45

Что же сложного?! Например "Вентильные реактивные электродвигатели / генераторы (Switched Reluctance Motors / Generators)" _http://www.kaskod.ru/produkt/motorsrm/srm_article01/. Поиск гуглем тоже многое даст по этой теме. Статейки буржуйские я читал...


спасибо за ссылку


Сообщение отредактировал Владимир_2010 - Jun 21 2010, 21:36

Извините сирого, но не нашёл в статье по ссылке,
что там является источником поля для генерации.
Как изв. из физики - поле и катушка (пр. с током) в нём должны быть.
Там написано лишь - двигателя/генератора.
Про двигатель понятно, про генератор не очень.
Насколько понимаю, полюса ротора д. б. намагничены?
КПД такого генератора невелик, макс. 70%.
Да, пульсации момента и его зависимость от
зазора оставляют желать лучшего.

Сообщение отредактировал evgeny_ch - Jun 21 2010, 22:25

Я не знаю как объяснить генераторный режим по понятному - если момент считать через тензор натяжений Максвелла, на обмотку подать разность потенциалов то при движении зубца ротора момент меняет знак в зависимости от угла поворота ротора. Скорость не меняется, а мощность P=M*w колеблется в след за моментом. Следовательно возможен как генераторный режим так и двигательный. Главное это когда подаются импульсы напряжения, т.е. в функции угла поворота ротора надо делать, так что бы все время поле работала против движения ротора.
Вот тут http://files.mail.ru/B6E82U есть даже схема инвертора и на конструкции экспериментальной установки четко видно что на роторе нет никаких постоянных магнитов. Есть даже картинки и волшебные слова "SRM generator torque", правда словесного описания нет.
Если работаем на сеть - то у меня не возникает никаких сомнений что можно из SRM сделать генератор. Но вот если установка автономная, позволит ли аккумуляторная батарея + инвертор-преобразователь реализовать этот генераторный режим с высоким КПД.


Насчет КПД тоже слышал скептические высказывания. Но я этому сразу же не поверил. В роторе нет никаких обмоток (алюминий или медь) и следовательно потери в роторе в обмотках нет (раз их нет). Это уже +. Но Вы правильно заметили что надо делать маленький зазор. Ну и еще надо чтобы из-за насыщения стали много потерь не было. Но это все оптимизируется при расчете конструкции... А насчет пульсаций момента - у двигателя с постоянными магнитами он больше.
Вдогонку насчет КПД SRM - вот статейка http://files.mail.ru/ZV83LY, там КПД доходит до 96%, правда машина высокооборотистая. Вот я хочу сделать то же самое, но только на низких оборотах.


Любые конструкции полезны, имеют свои плюсы и минусы и любую идею (часть идеи) можно применить, в другом приложении. Чем больше глаз видит конструкций - тем лучше работает фантазия проектировщика...


Сеть не везде есть, страна большая. Одно из условия техзадания - обеспечить автономный режим. Даже резервный дизель генератор обязателен. Вдруг ветра долго не будет, аккумуляторы разрядятся - будем жечь топливо и загрязнять окружающую среду.


Большие обороты, а скорость турбины маленькая. Я читал в статейке что по статистике редуктор в ветротурбине очень часто выходит из строя. Одно из слабых мест - редукторы. Кроме того в техзадании одно из требования это безредукторный привод. Ну и с моими религиозными убеждениями и пожеланиями это тоже совпадает - чем проще конструкция и меньше ненужных девайсов (редуктор), тем лучше в эксплуатации, обслуживании и надежней. Кроме того с редуктором и генератор на высоких оборотах это везде есть и это не интересно делать - ничего нового.


Я хочу без постоянных магнитов и буду до последнего стоять на этом - проще конструкция, меньше пульсаций момента, надежнее , дешевле и т.д....но я пока что не понял SRM + позволит ли аккумуляторная батарея + инвертор-преобразователь реализовать этот генераторный режим с высоким КПД всей установки. Впрочем писал уже об этом.

Сообщение отредактировал Владимир_2010 - Jun 22 2010, 07:04

Схема то наверняка не идеальна - совершенству нет предела. Вот что я вижу даже особо не вникая: если скорость турбины постоянна, а ветер все время меняется - то наверняка есть проблемы с механикой. Когда порывы ветры сильные и превышают номинальные - тоже что ли с постоянной скоростью крутиться? А что тогда с механикой?! Если с электрической стороны подойти - ветра нет или скорость ветра маленькая, а турбина все равно крутиться с постоянной скоростью - получается что из сети потребляем какую то энергию - ведь так?! У любого решения есть свои + и -...кстати там синхронник или асинхронник ставят чаще всего?!

Сообщение отредактировал Владимир_2010 - Jun 22 2010, 09:20

Меня интересует в принципе возможно или нет на SRM без постоянных магнитов + всякие модные инверторы и батарея аккумуляторная реализовать генератор для автономной установки. Если работать на сеть + SRM генератор то без проблем - это точно делаеться за бугром. Насчет автономности мне просто сложно вообразить все эти схемы сразу же...Но я рассуждаю так - у буржуев есть гибридные машины на SRM, там вроде бы должно быть так: дизель крутит генератор, дальше кондеры+инверторы и судя по всему должен быть аккумулятор. В статье выше что я приводил как раз рассматривается SRM для гибридной автомашины и там точно есть генераторный режим. То есть если мы едем с горки энергия же не просто тупо на нагрев обмотки идет?! Она же наверняка генерируется и запасается где то. Если принципе это все возможно сделать с неплохим кпд (а в статье кпд SRM 95% однако про КПД всего остального ничего не сказанно) - тогда я просто сажусь и считаю низкооборотный SRM (сколько полюсов и т.д - это все уже частный случай и дело техники для меня) на нужную мощность и обороты, а в инверторах я потом по ходу дела разберусь - все равно ведь надо будет делать систему управления. Но если на SRM без постоянных магнитов нельзя реализовать для автономной генераторной ветроустановки ничего хорошего, тогда мне надо думать о другой конструкции двигателя. Но хочется SRM:)

Сообщение отредактировал Владимир_2010 - Jun 22 2010, 10:22

на сколько я понял, СУ сама дает возбуждение... и теми же обмотками и снимает энергию... как - хз ... как вариант возмущения поля при разрыве (выходе зубцов ротора из полюсов на которые было подано возбуждение)...

Так и есть: подаем импульс напряжения на полюс при "выходе" (повороте) полюса ротора. Т.е. когда зуб полюса ротора напротив зуба полюса статора момент ноль, далее при движении и при наличии потенциала на обмотке поле направленно против движения ротора, момент растет и отрицательный, мощность из механической генерируется в электрическую, ток и напряжение противоположны по направлению - энергия в сеть по той же обмотке. Когда полюс ротора "вышел" из под полюса статора и направлен в пустоту момент опять равен ноль. Далее следующий зуб ротора движется к полюсу статора и если есть потенциал на обмотке полюса, то момент растет и момент положительный (двигательный режим), ток и напряжение совпадают по направлению - из сети по той же обмотке. Двигатель/генератор то я вроде бы чувствую и схема как должна работать примерно представляю на сеть, но вот не знаю в автономной системе (без сети) получиться ли реализовать все это с высоким КПД...Т.е. вот у меня в голове пока не укладывается как сделать так: берем с аккумулятора потенциал этот что бы возбудить когда надо (т.е. в момент когда полюс ротора "выходит" из полюса статора) + инверторы и конденсаторы, а параллельно что бы нагрузка (потребитель с лампочками) мог питаться, со стабильным напряжением. Аккумулятор должен заряжаться только когда у потребителя или все выключено или на пониженной нагрузке + при этом маленькие потери хочется во всей установки в целом...

Сообщение отредактировал Владимир_2010 - Jun 22 2010, 12:19

Давайте для начала поймем, что ветродвигатель, как и велосипед, изобрели не Вы и не я. Эта конструкция эволюционировала лет 80 и над нею ломали головы поколения неплохих инженеров. Прежде чем браться за такой проект, неплохо бы посмотреть как это уже сделано.
Да, мощные ветрогенераторы при малой скорости ветра простаивают или крутятся вхолостую, пока не наберут хотя бы на холостом ходу нужные обороты. Да, механика нагружается пропорционально мощности и это не кажется удивительным..
Да, в мощных конструкциях скорость вращения постоянна, практически не зависит от скорости ветра. И это справедливо не только для генератора переменного тока в синхронном режиме. на постоянном токе то же самое. Всегда можно отобрать от турбины мощность, при которой ее скорость будет определенной. Вплоть до полной остановки при коротком замыкании генератора до определенной мощности и времени.
В качестве генератора часто используют обычный двигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором.
Ничего умнее мультипликатора пока мировая мысль не придумала. Потому, если мощность больше нескольких сот ватт, не стоит тратить время на тихоходные чудо-генераторы.
Технологические возможности фирм, выпускающих сотни и тысячи ветрогенераторов в год намного выше, чем у нас с Вами. Однако, никто там по пути безредукторных машин не пошел. Хотя в крупном генераторе масляный радиатор стоит на 10-30 кВт тепла.
А вообще... не диванный ли это проект? Кто-то всерьез намерен 5-киловаттник построить? И в какой местности это стоять будет?
Дизель может оказаться куда экологичнее и дешевле. Считать нужно.