ГЕНЕРАТОР С ПРЯМЫМ ПРИВОДОМ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ РАЙОНОВ СУРОВОГО КЛИМАТА
GENERATOR WITH DIRECT DRIVE OF WIND POWER PLANT FOR HARSH CLIMATE REGIONS

Изобретение относится в целом к сфере электрических машин, более конкретно к мльтимегаваттным генераторам с прямым приводом ветроэнергетических установок, преобразующим кинетическую энергию ветра в энергию электрическую.
Ветер в природе в подавляющем большинстве случаев является формой энергии излучения Солнца, достигающей поверхности Земли и переносимой атмосферой на большие расстояния. Он обусловлен неравномерным нагревом воздуха, неровностями земной поверхности, наличием водоемов или ледяных полей и растительности, морскими течениями, а также вращением Земли.
Во многих субарктических и арктических районах России существует дефицит электрической энергии, привозное топливо дорого, а из возобновляемых источников энергии, солнечная энергия реально доступна меньшую часть года, в разгар полярного лета. В то же время, ветровые режимы на этих территориях благоприятны для строительства ветроэнергетических установок, которые могут покрывать потребность в энергии полностью или частично большую часть года. Из-за дороговизны топлива, они будут окупаться быстрее, чем в других районах России. Земная атмосфера может стать основным поставщиком важной для развития северных регионов энергии.
С удалением от поверхности земли средняя скорость ветра увеличивается, турбулентность становится меньше, что стимулирует рост единичных мощностей ветроэнергетических установок (до 3-5 и более МВт) и обуславливает увеличение высоты башни (до 80-150 метров) и диаметра турбины (до 100 и более метров). Это приводит и к неуклонному повышению эффективности ветроэнергетических установок с ростом параметров, т.е. к снижению себестоимости киловатт-часа вырабатываемой энергии. Это делает создание ветроэнергетических установок все большей единичной мощности важной народно-хозяйственной проблемой.
Для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию, в современных ветроэнергетических установках используются двух- или трехлопастные ветряные турбины с горизонтальной осью вращения, причем для поддержания наивысшего коэффициента полезного действия, их скорость должна возрастать при усилении ветра. Тогда выходная мощность генератора будет приблизительно пропорциональна кубу скорости ветра, т.е. при удвоении скорости ветра, мощность генератора увеличится почти в восемь раз.
Большинство коммерчески доступных ветроэнергетических установок до последнего времени использовали различные редукторы для привода генератора. Редукторный привод позволяет увеличить скорость генератора, это уменьшает габариты последнего, но коэффициент полезного действия и надежность такой механической системы оказывались пониженными. Также недостатком шестеренчатого привода было то, что он увеличивал уровень шума и стоимость эксплуатации ветроустановки. Стандартные номинальные мощности для наземных турбин, как ожидается, достигнут более 6 МВт в ближайшие несколько лет, а для приморских турбин, вероятно, будут 8-10 МВт или выше. Применение редукторов на таких ветроэнергетических установках становится все более проблематичным.
Наиболее мощные ветряные турбины, предназначенные для мльтимегаваттных генераторов, все чаще выполняются по схеме прямого привода. Это повышает надежность и долговечность ветроустановки, но для обеспечения требуемой величины электродвижущей силы в обмотках при работе генератора, приходится увеличивать его диаметр, чтобы обеспечить необходимую линейную относительную скорость движения полюсов статора и ротора при оптимальной скорости вращения ветряной турбины (8…15 об/мин). Большие диаметры генераторов прямого привода (3…4 м) представляют существенные транспортные и монтажные проблемы, как на заводах-изготовителях, так и в районах установки ветряных турбин. По мере того, как производство ветряных турбин совершенствуется, и их технология улучшается, все более широко предпринимаются попытки разделить как статор, так и ротор на отдельные сегменты для улучшения производства и транспортировки.
Наиболее близким техническим решением по отношению к предложенному является мльтимегаваттный генератор с прямым приводом ветроэнергетической установки для районов сурового климата с радиальным магнитным полем, возбуждаемым постоянными магнитами, и с двойным воздушным зазором, имеющий концентрично закрепленные в корпусе внутренний и внешний статоры с выполненными наборными в виде пакетов из листовой магнитомягкой стали со стяжными шпильками кольцевыми магнитопроводами с зубцами и обмотками на них, а также расположенный в кольцевом промежутке между внутренним и внешним статорами ротор на соосном им валу с внутренним и внешним магнитопроводами, выполненными на базе постоянных магнитов, с обмотками внутреннего и внешнего статоров, выдающими энергию в местную электрическую сеть [11].
2
14
Однако использование таких генераторов в арктических районах сопряжено с большими трудностями, из-за высокой чувствительности постоянных неодимовых магнитов к условиям их работы. Эти магниты применяются наиболее широко в генераторах благодаря создаваемой ими высокой напряженности магнитного поля. Неодимовые магниты (состав NdFeB, изготавливаются из неодимовой керамики методами порошковой металлургии) очень хрупкие, также они чувствительны к механическим напряжениям и к перепадам температур. Кроме того, при высокой влажности до 90% и при температурах 80-90°C керамика таких магнитов начинает необратимо разрушаться. Поэтому, если генератор не будет постоянно, в том числе при длительном отсутствии ветра, обогреваться, при запуске вполне возможно выпадение росы на магнитах с их последующим переувлажнением и деградацией материала. Текущее обслуживание генератора с постоянными магнитами затруднено, оно требует специальных навыков в обращении с магнитопроводами, из-за постоянного, в течение всего срока эксплуатации, присутствия в рабочих зазорах магнитного поля высокой напряженности. Приближение деталей, элементов, инструмента из обычной стали к магнитопроводам, попадание стальной стружки и продуктов износа в рабочие воздушные зазоры должны быть исключены на весь период эксплуатации генератора. Эти недостатки делают применение постоянных магнитов в мльтимегаваттном генераторе проблематичным в суровых условиях арктического климата. Также и высокая цена (до сотни тыс.долл./тонна) неодимовых магнитов будет препятствовать их широкому применению, поскольку на каждый мегаватт номинальной мощности генератора рассматриваемого типа потребуется около 600 кг неодимовых магнитов.
Заявитель ставил перед собой задачу разработать мльтимегаваттный генератор с прямым приводом от ветряной турбины ветроэнергетической установки, простой в конструктивном и технологическом исполнении, способный эффективно работать в субарктических и арктических районах России, где существует дефицит электрической энергии, привозное топливо дорого, а из возобновляемых источников энергии солнечная энергия реально доступна меньшую часть года только в разгар полярного лета. Вышеуказанный практический положительный технический результат был достигнут за счет совокупности существенных конструктивных признаков мльтимегаваттного генератора с прямым приводом ветроэнергетической установки для районов сурового климата, выполненного согласно настоящему изобретению, приведенной в нижеследующей формуле изобретения: «мльтимегаваттный генератор с прямым приводом ветроэнергетической установки для районов сурового климата с радиальным магнитным полем, возбуждаемым постоянными магнитами, и с двойным воздушным зазором, имеющий концентрично закрепленные в корпусе внутренний и внешний статоры с выполненными наборными в виде пакетов из листовой магнитомягкой стали со стяжными шпильками кольцевыми магнитопроводами с зубцами и обмотками на них, а также расположенный в кольцевом промежутке между внутренним и внешним статорами ротор на соосном им валу с внутренним и внешним магнитопроводами, выполненными на базе постоянных магнитов, с обмотками внутреннего и внешнего статоров, выдающими энергию в местную электрическую сеть; внутренний и внешний магнитопроводы ротора разделены, расположенные на зубцах внутреннего магнитопровода ротора обмотки присоединены к обмоткам внешнего магнитопровода ротора через расположенный на роторе дистанционно управляемый выпрямитель/преобразователь, при этом каждый из магнитопроводов ротора имеет зубцы, обращенные в сторону противолежащих им зубцов смежного с ним магнитопровода статора, а в зонах перехода каждого из зубцов к кольцевым частям указанных магнитопроводов, зубцы выполнены со скруглениями радиусом не менее 1/4-1/6 от их ширины; магнитопроводы статора и ротора содержат равномерно распределенные по толщине набора дополнительные листовые прокладки из термостойкого анизотропного материала, при этом стяжные шпильки магнитопроводов выполнены из нержавеющей аустенитной стали 304 или 316; дополнительные листовые прокладки изготовлены из стеклонаполненных полиэфирэфиркетона или полиимидсульфона; для превращения кинетической энергии ветра в электрическую энергию использованы системы обмоток статора, находящихся на упомянутых выше внешнем и внутреннем магнитопроводах статора, причем соотношение величин полезной электрической мощности, снимаемой с них, составляет от 4/1 до 10/1; обмотки внутреннего кольцевого магнитопровода статора при включении генератора выполняют функцию пусковых обмоток, работающих от местной сети или другого постороннего источника питания; обмотки смонтированы на каркасах, а лобовые части обмоток выполнены с опорными прокладками из стеклотекстолита на основе полиэфирэфиркетона или полиимидсульфона; внутренняя и внешняя обмотки ротора выполнены многосекционными, при этом каждая секция изолирована от других и представляет собой самостоятельный блок, состоящий из одной или нескольких катушек внутренней обмотки ротора, присоединенной через управляемый преобразователь к, по меньшей мере, одной катушке внешней обмотки ротора для возбуждения магнитного поля в, по меньшей мере, одном полюсе; для упрощения транспортировки статор и ротор выполнены в виде, по меньшей мере, одного собираемого на месте монтажа блока; опорные подшипники генератора включают шариковые и конические роликовые подшипники; устройство крепления статора содержит активную систему контроля воздушных зазоров между статором и ротором, выполненную с возможностью корректировки их взаимного положения в двух перпендикулярных оси вращения и друг другу направлениях посредством управляемых гидравлических опор».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схематически конструкция мльтимегаваттного генератора с прямым приводом от ветряной турбины ветроэнергетической установки для районов сурового климата, выполненного согласно настоящему изобретению; на фиг. 2 - то же, что на фиг. 1, изометрическое изображение генератора без гондолы; на фиг. 3 - то же, что на фиг 1, пример компоновки элементов магнитопроводов и обмоток генератора; на фиг. 4 - то же, что на фиг. 1, показаны в разрезе два зубца магнитопроводов статоров и ротора с обмотками и каркасами (вид вдоль оси генератора); на фиг. 5 - сечение А-А зубца (повернуто) по фиг. 4; на фиг. 6 - сечение Б-Б магнитопровода (повернуто) по фиг. 4; на фиг. 7 представлена блочная диаграмма потоков электрической энергии в заявляемом генераторе при пуске (показана на эскизе генератора до границы М-М) и при рабочей нагрузке генератора (показана на эскизе ниже границы М-М).
Заявляемый мльтимегаваттный генератор с прямым приводом от ветряной турбины ветроэнергетической установки для районов сурового климата с радиальным магнитным полем, электромагнитным возбуждением и с двойным воздушным зазором имеет концентрично закрепленные в корпусе 1 внутренний 2 и внешний 3 статоры (выделены пунктиром), с их кольцевыми магнитопроводами 4 и 5, выполненными наборными в виде пакетов из листовой магнитомягкой электротехнической стали со стяжными шпильками бис зубцами 7, 8 и обмотками 9 и 10 на них, а также расположенный в кольцевом промежутке между внутренним и внешним статорами 2, 3 ротор 11 (выделен пунктиром) с внутренним 12 и внешним 13 кольцевыми магнитопроводами (выделены пунктиром) на соосном им валу 14. Обмотки 9 внутреннего статора и обмотки 10 внешнего статора присоединены к местной сети 15 соответственно через управляемые преобразователи 16, 17. Внутренний и внешний магнитопроводы 12, 13 ротора 11 отделены друг от друга закрепленной на валу 14 несущей немагнитной фигурной обечайкой 18 (на фиг. 2 частично удалена для наглядности), а расположенные на зубцах 19 внутреннего магнитопровода ротора обмотки 20 присоединены к обмоткам 21 зубцов 22 внешнего магнитопровода ротора через расположенный на роторе дистанционно управляемый выпрямитель / преобразователь 23. Зубцы 19 внутреннего и 22 внешнего магнитопроводов ротора 11 обращены в сторону противолежащих им зубцов 7 и 8 смежных с ними магнитопроводов 4, 5 внутреннего и внешнего статоров с образованием внутреннего 24 и внешнего 25 рабочих воздушных зазоров; при этом в зонах перехода каждого из всех зубцов 7, 8 и 19, 22 к цилиндрическим частям магнитопроводов 4, 5 и 12, 13, зубцы выполнены со скруглениями радиусом "r" (фиг. 4) не менее 1/4-1/8 от их ширины "b".
В магнитопроводы 4, 5 статоров 2, 3 и в магнитопроводы 12, 13 ротора И введены равномерно распределенные по толщине набора 26 из листов электротехнической стали, компенсаторные прокладки 27 с каналами 28 для охлаждающей жидкости (только для обмоток внутреннего и внешнего статоров), выполненные из термостойкого композитного анизотропного материала, а стяжные шпильки 6 магнитопроводов 4, 5, 12, 13 выполнены из немагнитной аустенитной стали 304 или 316. Прокладки 27 изготовлены из стеклонаполненных полиэфирэфиркетона или полиимидсульфона.
Обмотки 9, расположенные на зубцах 7 кольцевого магнитопровода 4 внутреннего статора, при включении генератора выполняют функцию пусковых обмоток, работающих от местной сети или другого постороннего источника питания 15. Так же как и все другие обмотки заявляемого генератора, обмотки внутреннего статора конструктивно выполнены следующим образом. Обмотки 9 смонтированы на каркасах (катушках) 29, а лобовые части 30 этих обмоток усилены выполненными из стеклотекстолита на основе полиэфирэфиркетона или полиимидсульфона опорными прокладками 31 с каналами 28 для охлаждающей жидкости (только для обмоток статоров). Распределение силы сжатия от стяжных шпилек 6 по всему объему набора листов электротехнической стали 26 с компенсаторными прокладками осуществлено посредством нажимных пластин 32.
После выхода генератора на рабочий режим, для превращения кинетической энергии ветра (на фиг. 7 стрелка 33) в электрическую энергию используются системы обмоток 9, 10, находящихся на магнитопроводах 4, 5 внешнего и внутреннего статоров 2, 3, причем соотношение величин полезной электрической мощности, снимаемой с обмоток 9 и 10, составляет от 1/4 до 1/10.
Размещенные по всему периметру ротора 11, его внутренняя и внешняя обмотки 20, 21 могут быть выполнены многосекционными, при этом каждая секция изолирована от других секций и представляет собой самостоятельный модуль, состоящий из одной или нескольких катушек внутренней обмотки 20 ротора 11, присоединяемых через свой отдельный модуль управляемого выпрямителя / преобразователя 23 к одной или нескольким катушкам внешней обмотки 21 ротора 11 для возбуждения магнитного поля в одном или нескольких полюсах. Модульное исполнение обмоток позволяет снизить токи короткого замыкания (КЗ), создает перспективу поточного изготовления катушек с обмотками, что способствует уменьшению процента ручного труда при производстве генераторов.
Для упрощения транспортировки, статоры 2, 3 и ротор 11 могут быть выполнены в виде одного или нескольких отдельных собираемых на месте монтажа генератора блоков.
Крепление статоров 2, 3 выполнено с активной системой контроля внутреннего и внешнего воздушных зазоров 24, 25 между статорами 2, 3 и ротором 11, в которой заложена возможность корректировки их взаимного положения в перпендикулярных оси вращения мльтимегаваттного генератора и друг другу направлениях посредством управляемых гидравлических опор 34 (на чертеже активная система контроля 34 показана только для внешнего статора. Для мощностей генератора в 1…1,5…2 МВт, возможно выполнение упрощенного крепления внутреннего статора 2 к корпусу генератора посредством опорной цилиндрической обечайки 35, как показано на чертеже). Закрепление вала генератора 14 в корпусе 1 осуществлено с помощью опорных подшипников 36.
В состав ветроэнергетической установки, помимо генератора с его корпусом 1, входят также ветряная турбина 37, гондола 38 и опорная башня 39 всей ВЭУ.
Изобретение работает следующим образом:
При возникновении ветра более 2,5…3,0 м/с, ветряная турбина 37 и ротор 11 генератора ветроэнергетической установки начинают вращаться, при этом турбина и гондола 38 разворачиваются системой управления относительно башни 39 ВЭУ для наиболее эффективного использования энергии (стрелка 33) ветрового потока. Запуск генератора производится подключением его к внешней сети 15. Энергия, необходимая для запуска генератора, поступает из внешней сети (стрелка 40) в преобразователь 16, откуда, после приведения частоты и напряжения к параметрам генератора, подается (стрелка 41) на обмотки 9 внутреннего статора 2. Индуцируемое в обмотках 20 внутреннего магнитопровода 12 ротора 11 переменное напряжение передается (стрелка 42) на находящийся на роторе дистанционно управляемый выпрямитель/преобразователь 23, выпрямляется и подается (стрелка 43) на обмотки 21 внешнего магнитопровода 13 ротора, при этом в зубцах 22 создается постоянное по величине магнитное поле. Это магнитное поле, проходя через зазор 25, благодаря вращению ротора 11, индуцирует переменное напряжение в обмотках 10 внешнего статора 3. Появление этого напряжения на входе преобразователя 17 соответствует моменту запуска генератора (пунктирная стрелка 44). Механическая энергия вращения ветряной турбины 37 превращается в электрическую энергию, которая после преобразования частоты и напряжения в преобразователе 17 начинает выдаваться (штриховая стрелка 45) в местную электрическую сеть 15.
После выхода генератора на рабочий режим и набора штатной мощности, отдаваемой обмоткой 10 (стрелки 46, 45), в предлагаемой конструкции генератора предусмотрена возможность передавать через внутренний воздушный зазор 24 дополнительную мощность от вращения ветряной турбины 37 (1/4…1/10 мощности внешнего статора, стрелка 47) путем регулирования напряжения и фазы на выводах обмоток 9 и 12. После приведения частоты и напряжения к параметрам сети в преобразователе 16, электрическая энергия подается (стрелка 48) также в местную сеть 15.
Непосредственно перед запуском в разгар зимнего сезона, температура магнитопроводов и обмоток генератора может составлять в пределе до -45…-600С, в зависимости от климатических условий в месте расположения ВЭУ. При дальнейшей работе, температура может повышаться вплоть до максимальной рабочей +130…1400С. Перепады температуры внутри элементов генератора на 180…2000С предъявляют жесткие требования к используемым материалам не только по их теплостойкости, но и по сочетаемости величин их температурных деформаций. В противном случае, при многократных нагревах-охлаждениях активных материалов генератора, будет происходить неизбежное ослабление креплений обмоток, стяжных шпилек магнитопроводов и т.д. Это в дальнейшем может способствовать возникновению зазоров, усилению вибраций обмоток, находящихся под значительными знакопеременными механическими воздействиями от протекающих рабочих токов, достигающих нескольких кА. Для выравнивания в конструкции генератора температурных деформаций разнородных материалов, авторы использовали следующие меры:
- изготовление каркасов (катушек) обмоток генератора из стеклонаполненных материалов с матрицей на основе полиимидсульфона или ПЭЭК или типа эпоксидной смолы ЕР42НТ-2LTE;
- выполнение стяжных шпилек магнитопроводов из нержавеющих аустенитных маломагнитных сталей 304 или 316;
- введение в пакеты магнитопроводов компенсаторных 27 и опорных 31 прокладок из анизотропных стеклонаполненных материалов с матрицей из ПЭЭК или аналогичных материалов.
Применяя вышеперечисленные меры, можно в процессе длительной эксплуатации обеспечить при многократных нагревах и охлаждениях сохранение монолитности элементов активной зоны генератора, которая в основе своей является неоднородной (сталь, медь, изоляционные материалы), и тем самым добиться большей надежности конструкции.
Применение жидкостного охлаждения магнитопроводов и обмоток генератора посредством выполненных заодно с компенсаторными 27 и опорными 31 прокладками патрубков 28 позволяет эффективно отводить избыточное тепло из активных зон внутреннего и внешнего статоров генератора.
При работе генератора с полной нагрузкой (несколько МВт), усилия на зубцы магнитопроводов, передающиеся от обмоток, очень велики, достигая многих сотен килограмм на каждый зубец. Эти усилия по своей сути являются знакопеременными тангенциальными нагрузками (сила "Р" на фиг. 4), их воздействие вызывает изгибные напряжения в зубцах, которые наиболее опасны в корневом сечении каждого зубца. При традиционном исполнении магнитопроводов, принятом в энергетическом машиностроении (а также и при проектировании генераторов ВЭУ), зубцы переходят в кольцевую часть магнитопровода под прямым углом.
Такой резкий переход может привести, при воздействии многократных изгибающих нагрузок и на фоне значительных температурных перепадов, к развитию усталостных трещин в стали (электротехническая сталь, применяемая для магнитопроводов, разработана исходя из малых потерь на перемагничивание. Ее механические характеристики не столь высоки, как для конструкционных сталей).
Особенно большим нагрузкам зубцы магнитопроводов подвергаются при возникновении режимов короткого замыкания на выводах или где-либо в генераторе. Так как токи КЗ обычно превышают ток рабочего режима примерно в 8-12 раз, то наибольшие механические нагрузки на обмотки и на зубцы магнитопроводов возникают именно в момент короткого замыкания, когда максимальное усилие «Р» может достигнуть 30-100-кратной величины по сравнению с рабочим режимом.
Чтобы обезопасить зубцы магнитопроводов генератора от растрескивания, предложено изменить геометрию сопряжения зубцов с телом магнитопровода, введя в это сопряжение радиус перехода "r" (фиг. 4). Такая геометрия зубцов потребует и введения соответствующего радиуса скругления в форму упрочняющих катушек 29 всех обмоток (фиг. 4). Другой мерой снижения механических нагрузок на генератор при аварийных режимах является секционирование, то есть выполнение их в виде ряда секций или нескольких частей внутренней обмотки ротора, с соединением их через дистанционно управляемый выпрямитель/преобразователь с одной или несколькими частями внешней обмотки ротора для возбуждения магнитного поля в одном или нескольких полюсах.
Применение опорных прокладок 31 из термостойкого стеклотекстолита на основе полиэфирэфиркетона или полиимидсульфона также позволяет предохранить лобовые части обмоток от деформации при протекании по ним рабочего тока и, в особенности, при возникновении короткого замыкания. Изменение технологии изготовления магнитопроводов и каркасов (катушек) обмоток обеспечит более высокую надежность генератора, как при рабочем режиме, так и в аварийных условиях его работы.
Источники информации
1. Патент США №7944076 B2 «Direct drive generator and wind turbine», 290/55 (F03D 1/025), опубликован 17.05.2011.
2. Патент США №7109600 B1l «Direct drive wind turbine», 290/55 (F03D 1/025), опубликован 19.05.2006.
3. Патент США №9124153 B2 «Direct drive generator», 290/55 (F03D 1/025), опубликован 05.01.2011.
4. Патент США №8089175 B2 «Direct drive generator and wind turbine », 290/55 (F03D 1/025), опубликован 21.1 1.2008.
5. Патент США №9371820 B2 «Direct drive wind turbine with slip ring», 290/55, опубликован 21.06.2016.
6. Патент США №9407126 «Direct drive superconducting synchronous generator for a wind turbine», H02K 9/10, опубликован 02.08.2016.
7. Описание изобретения к патенту Российской Федерации №2182674 «Гелиоветростанция», F03D 3/00, заявлено 18.04.2000, опубликовано 20.05.2002.
8. Описание изобретения к патенту Российской Федерации №2174188 «Карусельная гелиоветростанция», F03D 3/00, заявлено 18.04.2000, опубликовано 27.09.2001.
9. Описание изобретения к патенту Российской Федерации №2536648 «Способ и устройство системы Волкова для производства энергии методом «парусного захвата» воздушных потоков и солнечных лучей», F03D1/00, заявлено 29.07.2009, опубликовано 10.02.2011.
10. Описание изобретения к патенту Российской Федерации №2186245 «Гелиоветростанция», F03D 3/00, заявлено 18.12.2000, опубликовано 27.07.2002.
11. Патент США №4517484 «Мльтимегаватный генератор ветроэнергетических установок на базе постоянных магнитов с прямым приводом от ветряных турбин» H02K 19/12 (290/55), опубликован 02.08.2003.
12. Описание изобретения к патенту Российской Федерации №1835116 «Торцевой генератор переменного тока», F03D 3/00, заявлено 09.01.1992, опубликовано 15.08.1993.