электрогенератора для ветроустановки, на 5 кВт Опции

[Владимир_2010]

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

[Microwatt]

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.

[Владимир_2010]

Мощные ветряки работают с постоянной скоростью вращения, и напряжение стабильно само по себе. Меняется только ток нагрузки (мощность).

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

[Microwatt]

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?!

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.

[Владимир_2010]

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.

Несогласен что никто не пощел по пути безредукторных машин. Существуют различные ветрогенераторные системы и возможны различные пути развития. Вот есть статейка Overview of different wind generator systems and their comparisons http://sklpe.cqu.edu.cn/KXYJ/ei/ei48.pdf. Там в том числе рассматриваться и безредукторные приложения. Но я не лезу в большие мощности работающие на сеть - пусть там крутиться все с постоянной скорость, пусть будет мультипликатор и ломается механика - я не против...Тут же автономная система и безредукторный генератор - это основное требование потенциального заказчика оборудования, которое совпадает с моими пожеланиями.
Кроме того если потенциальный заказчик желает безредукторный генератор, неужели я вместо того что бы прикинуть проект, буду склонять его к стандартному решению с редуктором/мультипликатором?!

А вообще... не диванный ли это проект? Кто-то всерьез намерен 5-киловаттник построить? И в какой местности это стоять будет?

Всех подробностей я не знаю - мне в политику лезть не положено, мое дело расчеты, но называется цифра - 50 штук в год стоять будут в разных местах - страна большая. На 1кВт у потенциального заказчика уже есть ветроустановка (вместе со всей механикой, лопостями, генератором, акумулятором и автоматикой) и она продается на рынке (генератор не SRM) - там есть свои плюсы и минусы, тут надо выйти на другую мощность и на другой тип двигателя.

т.е. аккумулятор не буфером работает? странное вы что-то, имхо, хотите..

т.е. с генератора хотите получать постоянку, чтобы ее только нарезать в переменку без повышения ?

Буфером. Возможно я что то путаю или высказываю соображения скомкано - моя специализация это расчет на основе теории электромагнитного поля + метод конечных элементов различных электрических девайсов. От меня никогда не требовалось лезть сильно в преобразовательную технику - это делали другие коллеги. Но тут же если рассчитывать SRM генератор то без грамотно выстроенной системы управления, аккумулятора и инверторов ничего не выйдет. SRM генератор для меня не проблема посчитать и выдать проект на нужную мощность и обороты - это просто долго время займет. Но вот я сейчас на раннем этапе и пытаюсь понять - стоит ли вообще смотреть в сторону SRM или о другом типе генератора думать.

Советую все таки посмотреть на традиционные решения в этой области:
http://download.sma.de/smaprosa/dateien/56...1-11_FX1107.pdf

спасибо за ссылку. хотелось бы то же самое но только что бы поподробней расписано что к чему. т.е. из картинки ничего толком не понятно - какие движки на ветряке, какие типы преобразователей и как выглядит система в целом. но думаю что надо ориентироваться на этих немцев и пытаться сделать не хуже и дешевле...я сегодня целый день искал статьи научные на eng где может быть описано что то похожее - но так и не нашел пока что. но найду обязательно - я упорный

Т.е. на самом деле в вашем случае применяется как минимум два инвертера.
Один задающий OFF-grid инвертер который работает от батареи или генератора и формирует базовое AC напряжение. Он также занимается поддержанием батареи в кондиции и запуском генератора в нужных случаях.

Т.е. вы считаете что в принципе это все возможно реализовать и никаких неразрешимых сложностей нет, по аналогии, но с учетом специфики SRM?! Т.е. SRM генератор может работать на автономной ветроустановке?!

А вот двусторонний инвертер который видимо предполагается для случая с SRM будет штучкой очень дорогой. Пожалуй дороже двух простых инвертеров.

Да, это конечно удорожание проекта, но если делать все своими силами - думаю что можно будет на приемлемые цены выйти. Основное требование - это надежность всей системы (маханики, элеткроники и автоматики) - поэтому то и смотрят в сторону безредукторной системы.

Какие безредукторные альтернативы SRM можно рассмотреть?!

Сообщение отредактировал Владимир_2010 - Jun 22 2010, 16:31

[AlexandrY]

хотелось бы то же самое но только что бы поподробней расписано что к чему. т.е. из картинки ничего толком не понятно - какие движки на ветряке, какие типы преобразователей и как выглядит система в целом. но думаю что надо ориентироваться на этих немцев и пытаться сделать не хуже и дешевле..

Если надо конкретики то можете обратится к этим ребятам.
Они активно операторам связи проталкивают свое вот такое решение:
http://www.alpine-energie.com/Content.Node...nglisch_web.pdf
Утвержадают что с 3 тыс. литров диз.топлива спокойно в год гарантировано дают 3 KВт энергии.

На что бы обратил внимание это то, что Windy Boy подключаются исключительно только к генераторам на постоянных магнитах т.е. они же BLDC. Других практически не юзают.
Решения с возбуждением да еще импульсным как в SRM не пользуются популярностью поскольку для настоящей эффективности требуют неслабой real-time модели с предсказанием что в случае с ветром да еще турбулентным сомнительно.

[Владимир_2010]

На что бы обратил внимание это то, что Windy Boy подключаются исключительно только к генераторам на постоянных магнитах т.е. они же BLDC. Других практически не юзают.
Решения с возбуждением да еще импульсным как в SRM не пользуются популярностью поскольку для настоящей эффективности требуют неслабой real-time модели с предсказанием что в случае с ветром да еще турбулентным сомнительно.

Насчет BLDC и SRM опять путаюсь - что Вы понимается под BLDC с магнитами?! Уточните или лучше картинку...У вентильных двигателей без магнитов основная проблема как я понимаю - это то что надо делать маленький воздушный зазор, что бы получить хороший момент. Что бы увеличить индукцию в воздушном зазоре и следовательно момент в зазоре ставят на полюса постоянные магниты - это и есть BLDC?! Но как только мы добавляем постоянные магниты - возникает куча других проблем. Вот есть статья "Сопоставительный анализ вентильных двигателей с пассивным и активным ротором" http://www.blpm-motors.com/articles/SRM_and_BLDC.pdf. Там в конце в качестве выводов расписаны +- обоих конструкции.
Можете уточнить?! Я вот SRM и BLDC считал на досуге для саморазвития описанные в статье выше и не заметил что в SRM что то сложнее - мне показалось даже проще в плане управления. Т.е. если там и там ставить датчик положения ротора - то алгоритмы очень близкие. Если же без датчика - вычислять по матмодели, то это конечно же очень сложно. Но с постоянными магнитами будет ничуть не легче - везде сложная математика/алгоритм и оба решения будет сложно реализовать в железяках в реал-тайм.

Хотя конечно если не удастся насчитать SRM без магнитов с высоким кпд и с реализуемым воздушным зазором, буду думать в сторону ВД с постоянными магнитами. Это и стоит у немцев?! Windy Boy?! Или другой BLDC?!

Генераторы, мсм, побочный продукт.
Поверьте, ваш теоретический рассчёт без
практического макета ничего не стоит.
Причём прикидка делается за час,
а изготовление макета за неделю.
В электродвигателестроении конструктив оптимизируют годами.

Я это все знаю и я понимаю что конечный продукт - это экспериментальная установка с высокими энергетическими характерситками и что теоретический расчет это только лишь один из этапов. Но без теоретического расчета нельзя оптимизировать конструкцию - вернее методом тыка и эмпирическим методом это будет долго и дорого. Вы правильно заметили что оптимизируют конструкцию годами - я один из тех кто может автоматизировать процесс оптимизации расчетной конструкцию на основе современных поисковых методов и с привлечением надежных методов расчета. Кроме того - как только изготавливается макет или девайс - я всегда присутствую на экспериментах и отвечаю если выдал лженауку и мне надо всегда доводить расчеты до ума что бы они сходились с практикой. А далее уже оптимизация конструкции по матмодели (которая вначале должна начать сходиться с практикой)

Попытаюсь найти в архивах для вас доку,
где рассказывают про конструирование ветрогенераторов.

Буду благодарен за любую информацию

Сообщение отредактировал Владимир_2010 - Jun 22 2010, 17:33

[AlexandrY]

Я вот SRM и BLDC считал на досуге для саморазвития описанные в статье выше и не заметил что в SRM что то сложнее - мне показалось даже проще в плане управления. Т.е. если там и там ставить датчик положения ротора - то алгоритмы очень близкие.

Сами же дали ссылку на дизель-генератор с маховиком.
Там SRM генератор решились поставить только на маховик и то видимо потому, что BLDC вращающийся на такой скорости (30000 rpm) просто невозможно сделать.
Для SRM генератора нужна схема возбуждения на ключах (потери), а для BLDC возбуждение не нужно.
Опять же при малейшей ошибке в управлении SRM легко превращается в мотор.
С мощным инерционным маховиком это возможно не страшно, но в варианте ветрогенератора явно будут проблемы с эффективностью управления.

Ну и преведенная схема инвертера с маховиком явно не приспособлена к значительным колебаниям напряжения, нужен бустер.
И тут сразу появляется большая проблема сделать двусторонний инвертер.