Автономна безмультиплікаційна вітроелектрична установка на базі генератора торцевого типу
Вантажиться...
Дата
2023
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Коваленко І. Я. Автономна безмультиплікаційна вітроелектрична
установка на базі генератора торцевого типу. - Кваліфікаційна наукова праця на
правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю
141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка в галузі знань 14
«Електрична інженерія». - Національний технічний університет України
«Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2022.
Дисертаційне дослідження присвячене дослідженню та вирішенню
актуального наукового завдання, що полягає в обґрунтуванні методів регулювання
вихідної потужності та розробці математичної моделі генераторного обладнання
безмультиплікаційної автономної вітроелектроустановки, з урахуванням даних
методів, шляхом імітаційного моделювання за змінної частоти обертання ротора
вітроустановки.
В роботі проведено літературно-патентний пошук за темою дисертаційного
дослідження. Проведено оцінку загального стану вітроенергетики в регіональному
контексті та в цілому оцінено світові тенденції розвитку даної галузі. Розглянуто
типи безмультиплікаційних вітроелектричних установок, проаналізовано їх переваги
та недоліки, характерні області застосування. За результатами аналізу літературних
джерел встановлено, що безмультиплікаційні системи наразі складають 20% від
загальної кількості вітрогенераторів на ринку агрегатів малої потужності. Вони
успішно розвиваються і конкурують із редукторними системами, оскільки мають
ряд принципових переваг, таких як простота конструкції, більш висока надійність та
ефективність. Для оцінки існуючих методів та засобів регулювання вихідних
параметрів автономних вітроустановок проведено аналіз способів стабілізації
вихідних параметрів вітроелектороустановок, проаналізовано їх переваги та
недоліки. Предметом регулювання вітроелектричних установок є: вихідна напруга,
вихідна частота та вихідна потужність. Аналіз показав, що практично відсутні
засоби для регулювання вихідної потужності безмультиплікаційних
вітроелектричних установок у складі з магнітоелектричними генераторами з
аксіальним магнітним потоком. Для автономних безмультиплікаційних
вітроустановок використовується специфічний тип електромеханічних
перетворювачів анергії. Вимога до регулювання вихідних параметрів такої системи
потребує використання електрогенераторів спеціальної конструкції. Проведено
порівняльний аналіз генератора торцевого типу з традиційним циліндричним
генератором зі збудженням від постійних магнітів малої потужності. З огляду на
переваги генератора торцевого типу, в роботі обрано за основу саме цей тип
генератора. В роботі проведено розрахунок параметрів та характеристик
магнітоелектричного генератора з аксіальним магнітним потоком та подвійним
статором.
В роботі проведено порівняльний аналіз аеродинамічних характеристик
роторів ВЕУ для відомих профілів – традиційних (Р-ІІ, А-6, BS-10, BS-10, p-11-18),
профілів серії GA(W)-1 та ламінованих FX. При розрахунку енергетичних
характеристик генератора вітроустановки встановлено, що ротори вітроустановок з
профілями лопатей групи традиційних, дозволяють отримати максимальні значення
механічної потужності 91,8…93,3 Вт/м2, при значеннях коефіцієнтів використання
енергії вітру =0,33…0.44 в діапазоні швидкохідності z=4…5. Ротори з профілями
групи 2 дозволяють отримати максимальні значення механічної потужності
114,3…115,7 Вт/м2 при = 0,54…0,55 в діапазоні швидкохідності z = 6…7.
Проведено узгодження аеродинамічних характеристик ротора вітротурбіни з
механічною характеристикою електрогенератора, що дало можливість встановити
межі корекції його за моментом та потужністю за різних значень номінальної
швидкості вітру. Так для профілю лопаті серії GA(W) вона складає за моментом
22%, а за потужністю 9,5%, (за номінальної швидкості 5м/с відносно верхньої межі
діапазона номінальних значень 8м/с). Для реалізації поставленої задачі,
пропонується проаналізувати два методи корекції: приєднання додаткових
конденсаторів до обмотки статора генератора та застосування додаткової обмотки
підмагнічування статора генератора.
В результаті дослідження отримав подальший розвиток метод порівняльного
аналізу аеродинамічних характеристик роторів вітроустановок шляхом урахування
раціонального взаємовпливу коефіцієнта використання енергії вітру і модуля
швидкохідності, що дозволив провести узгодження аеродинамічних характеристик
ротора вітротурбіни з механічною характеристикою електрогенератора та
встановлювати межі корекції його за моментом та потужністю за різних значень
номінальної швидкості вітру.
Для оцінки можливості корекції вихідної потужності автономної
вітроустановки в дисертаційному дослідженні розроблені чисельні імітаційні
моделі. На основі розробленої моделі досліджувались варіанти стабілізації вихідної
потужності та напруги при: використанні генератора вітроелектроустановки з
одностороннім розташуванням магнітів ротора; корекції вихідної потужності
генератора за допомогою введення статичних конденсаторів при дискретних
значеннях швидкості вітру; корекції вихідної потужності генератора за допомогою
додаткового збудження при дискретних значеннях швидкості вітру; використанні
магнітоелектричного генератора з аксіальним магнітним потоком автономної
вітроелектроустановки з двостороннім розташуванням магнітів ротора. За
результатами математичного моделювання проведено: порівняльний аналіз корекції
вихідної потужності генератора за допомогою введення статичних конденсаторів
при дискретних та випадкових значеннях швидкості вітру; порівняльний аналіз
корекції вихідної потужності генератора за допомогою додаткового збудження при
дискретних та випадкових значеннях швидкості вітру.
В дисертаційному дослідженні уточнено математичну
модель безмультиплікаційної вітроелектроустановки у складі з магнітоелектричним
генератором з одностороннім та двостороннім розташуванням магнітів ротора, яка,
на відміну від відомої, враховує наявність впливу параметрів подвійного статора та
додаткової обмотки для підмагнічування магнітної системи, що дозволило
визначити межі корегування вихідної потужності генератора. Обгрунтовано,
шляхом структурного імітаційного моделювання та експериментально
підтверджено, характер впливу корекції вихідної потужності магнітоелектричного
генератора з аксіальним магнітним потоком за допомогою введення статичних
конденсаторів та додаткового збудження статора генератора, що дозволило
провести оцінку величини корегування вихідної потужності за випадкової зміни
швидкості вітру. При підключенні конденсаторів до затискачів генератора
спостерігається збільшення вихідної потужності на 5-10%. Водночас, напруга на
затискачах, при цьому, зменшується в 1,8 рази, що пояснюється падінням напруги
на внутрішніх опорах генератора та ростом активної та реактивної складової струму
якоря генератора 2,2 рази. Більш ефективним способом корекції вихідної
потужності є використання додаткової підмагнічуючої обмотки
магнітоелектричного генератора. При подачі напруги на обмотку збудження Uf=8 В
спостерігається приріст вихідної потужності генератора 30-40% ніж без
регулювання. Встановлено, що величина ємності залежить від параметрів обмотки
якоря електрогенератора, величини взаємоіндукції, характеру та величини
навантаження. Для досліджуваного генератора значення ємності лежать в межах від
4,3 – 32,1 мкФ для чисто активного навантаження та для діапазону потужності 0 – 87
Вт.
В дисертаційному дослідженні розроблено експериментальний стенд для
дослідження параметрів і характеристик автономного магнітоелектричного
генератора у складі без мультиплікаційної вітроелектроустановки. За допомогою
розробленого стенду оцінено можливість корекції вихідної активної потужності
генератора в різних режимах його роботи, а саме: проведено аналіз структурної
схеми автономної роботи вітроелектроустановки з корекцією потужності генератора
додатковою обмоткою підмагнічування; проведено наліз експериментальних
результатів корекції потужності генератора додатковою обмоткою підмагнічування;
порівняльний аналіз результатів експерименту та імітаційного моделювання
корекції потужності генератора збіжність результатів в межах 7-10%, що
підтверджує адекватність розроблених моделей та достовірність отриманих
результатів. Використання підмагнічування додатковою обмоткою дозволяє
підвищити вихідну активну потужність на: 44%, 35,5%, 18,07%, 21,6% при
швидкості обертання 200 об/хв, 350 об/хв, 550 об/хв та 650 об/хв відповідно. 6.
За умови підтримки вихідної напруги генератора U1=14,4 В також
збільшується вихідна потужність на затискачах генератора на 30 % при 200 об/хв,
12,5% при 350 об/хв, 9,7% при 550 об/хв та 17,6% при 650 об/хв.
Опис
Ключові слова
відновлювані джерела енергії, вітроелектрична установка, безмультиплікаційна вітроустановка, автономна вітроустановка, локальна система, вітроелектрична станція, вітротурбіна, генератор вітроустановки, синхронний генератор, магнітоелектричний генератор з аксіальним магнітним потоком, електрична мережа, надійність, автономна система, асинхронний генератор, автономне джерело живлення, Renewable energy sources, wind power plant, multiplierless wind power plant, autonomous wind power plant, local system, wind power plant, wind turbine, wind power generator, synchronous generator, axial flux magnetoelectric generator, electric network, reliability, autonomous system, asynchronous generator, autonomous power source
Бібліографічний опис
Коваленко, І. Я. Автономна безмультиплікаційна вітроелектрична установка на базі генератора торцевого типу : дис. … д-ра філософії : 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка / Коваленко Ірина Яківна. – Київ, 2023. – 170 с.