СРАВНЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ

УДК 621.317 Пириева Н.М., Ахмедли А.Н.

Пириева Н.М.

доктор философии по технике, доцент, Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности

Ахмедли А.Н.

магистрант,

Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности

СРАВНЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ

Аннотация: разработка различных видов генераторов для ветроэлектрической установки в настоящее время играет очень большую роль. Наиболее часто для этого применятся асинхронный генератор, т.к. он очень надежен и имеет малую стоимость. Чтобы обеспечить работу ветроэлектрической установки при низких скоростях ветра в настоящее время широко применяются двухскоростные асинхронные генераторы. Потому, что применение этих генераторов позволяет повысить производительность при очень низких скоростях. Поэтому разработка этого генератора для ветроэлектрической установки является актуальной темой.

Ключевые слова: ветроэлектрической установки, асинхронные генераторы, ветряной энергии.

Использование ветряной энергии в последнее время находит наибольшее распространение. Ветроэлектрическая установка (ВЭУ) или ветрогенератор -это установка, которая преобразовывает кинетическую энергию ветрового потока в механическую энергию вращения ротора с дальнейшим

преобразованием в электрическую энергию. Ветрогенераторы относят к возобновляемым источникам энергии. ВЭУ можно разделить на три части: промышленные, коммерческие и бытовые. Промышленные ВЭУ выпускаются государством или крупной энергетической корпорацией. Как известно, их объединяют в сети, в результате чего получается ветростанция. Мощность современных ВЭУ достигает 7,5 МВт. Существует несколько подразделений ВЭУ. Они подразделяются по числу лопастей, по материалу, из которых они сделаны, по оси вращения и по ходу винта. Существует два главных вида ВЭУ: с вертикальной осью вращения и с горизонтальной осью вращения. Несмотря на то, что эти типа ВЭУ имеют почти равный КПД, большую известность получили ветроагрегаты второго вида. Это связано с тем, что они могут быть осуществлены без вращающихся токоведущих соединений. Еще одним достоинством этого типа является то, что работа этого устройства не зависит от направления ветра и может работать при порывистом и вихревом ветре. Эта установка не нуждается в постоянном техническом контроле, поскольку не имеет вращающихся токоведущих частей.

ВЭУ имеет ряд достоинств, что приводит к их широкому применению. Этими достоинствами являются:

1. Применяется полный ВИЭ. Когда влияет солнце, в атмосфере происходит постоянное движение воздушных поток, для создания которых не нужно добыча, транспортировка, сжигание топлива. Источник принципиально неисчерпаем.

2. При действии ВЭУ полностью отсутствует вредные выбросы. Поэтому эта установка считается экологически безопасной.

3. Использование ветроэлектрических установок главным образом оправдано для изолированных мест.

4. Когда вводится в эксплуатацию ВЭС, цена киловаттчаса производимой электрической энергии значительно уменьшается.

5. ВЭУ с переменной частотой вращения способны настраиваться на ветер. При этом регулирование частоты вращения относительно скорости ветра

осуществляется так, чтобы достичь максимальную выработку электроэнергии и т.д.

Еще одним важным преимуществом ветроэлектрических установок является то, что они могут работать даже при скорости ветра 3 м/с, т.е. для их работы не требуется очень высокой скорости ветра.

На рисунке 1.1 изображена ветроэлектрическая установка (ВУ) с горизонтальной осью вращения.

1 } 1 ___ 1 !

Рис. 1. Ветроэлектрические установки с горизонтальной осью вращения.

При этом осью машины является вал ротора, который соединяет лопасти с генератором. Ведущий вал ротора у этой ветроустановки располагается горизонтально. Кроме ВЭУ, имеющие два или три лопасти, имеются и ВЭУ с большим числом лопастей. Эти ВЭУ обычно действуют при малых скоростях вращения, а для ветроустановок с двумя лопастями требуется большая скорость вращения. Если рассмотреть теоретически чем больше количество лопастей ротора, тем эффективнее должна быть его работа. Но это неправильно. Потому, что ВЭУ с большим числом лопастей по сравнению с установками с двумя или тремя лопастями менее эффективны, поскольку лопасти менее прочные и создают друг для друга помехи. На рисунке 2 изображены ВЭУ с вертикальной осью вращения.

Рис. 2. Ветроэлектрические установки с вертикальной осью вращения.

Лопасти таких установок длинные, как правило дугообразные. Эти лопасти прикрепляются к верхним и нижним частям башни. ВЭУ с вертикальной осью вращения в отличие от ВЭУ с горизонтальной осью вращения захватывают ветер, который дует в любом направлении. Для этого им не требуется изменять положение ротора при изменении потоков ветра.

Наиболее известными конструкциями роторов для ВЭУ с вертикальной осью вращения являются ротор Дарье и ротор вида Савониуса. ВЭУ с вертикальной осью вращения наиболее применима в городских средах в связи отсутствием шумов при работе. Так же эти ветроустановки осуществляют работу при меньших скоростях потока ветра. Мощность этих ветроэлектрических установок может быть от сотен Вт до нескольких МВт [3].

Элементами ВЭУ являются ветроколесо, низкоскоростной вал, редуктор, генератор, контроллер, анемометр, флюгер, высокоскоростной вал, гондола, мачта, тормоз и лопасти (рис. 3.).

Рис.3. Устройство ветроэлектрической установки.

Главными компонентами ВЭУ является ветроколесо, который принимает на себя поток ветра и генератор. Дополнительными элементами являются следующие: блок управления, мачта, система ориентации на ветер, система защиты от сильных ветров и т.д. [4]. ВЭУ малой мощности обычно применяются как автономные (рис.4). ВЭУ для снабжения жилого дома может быть мощностью от сотен ватт до 10 кВт в зависимости от нагрузки и энергопотребления. В составе этих ВЭУ имеются аккумуляторные батареи и во многих случаях дизельгенератор, который применяется в качестве резервного источника.

Рис. 4. Структурная схема автономной ветроэлектрической установки.

ВЭУ оказывается приемлемой только в территориях, где среднегодовая скорость ветра достаточно велика. Коэффициент полезного действия для лучших ветроколес достигает приблизительно 0.45. Это говорит о том, например, ветроколесо с длиной лопасти 10 м при скорости ветра 10 м/с моет иметь мощность в лучшем случае 85 кВт. Наиболее широкое распространение из установок, которые подсоединены к электрической сети, в настоящее время получили ВЭУ с единичной мощностью от 100 до 500 кВт. Расчетная скорость ветра для больших ВЭУ как правило принимается на уровне 1115 м/с.

В общем случае можно сказать, что чем больше мощность агрегата, тем на большую скорость ветра он рассчитается. Но согласно непостоянства скорости ветра большой промежуток времени ВЭУ вырабатывают малую мощность. Благоприятным местом для крупной ВЭУ и даже ветровой фермы считается место, где среднегодовая скорость ветра не менее 5 м/с, а эквивалентное число часов в году, при которой выработка номинальной мощности не менее 2000.

На выбор генератора для ВЭУ влияют три главных фактора: 1) Выходная мощность (кВт), определяемая только мощностью преобразователя (инвертора) и не зависящая от скорости ветра, ёмкости

аккумулятора. С помощью этого параметра определяется максимальное число электрических приборов, которые могут одновременно подключаться к системе электрического снабжения. Невозможно одновременно потребить больше электрической энергии, чем разрешает мощность преобразователя. Для повышения выходной мощности может одновременно подключаться несколько инверторов.

2) Время непрерывного действия при отсутствии ветра или при слабом ветре определяется ёмкостью аккумуляторной батареи и зависит от мощности и длительности потребления. Если потребления электрической энергии происходит редко, но в большом количестве, то важно выбрать аккумуляторную батарею с высокой ёмкостью.

3) Скорость заряда батареи зависит от мощности самого генератора. Также это скорость находит в зависимости от скорости ветра, высота мачты, рельеф местности. Чем мощный генератор, тем быстро будет заряжаться аккумуляторная батарея, а это значит, что быстрее будет потребляться электрическая энергия из батареи. Более мощный генератор следует брать в том случае, если ветер в территории установки слабый или потребители потребляют электрическую энергию постоянно, но в малых количествах [9].

Для ВЭУ находит применение следующие виды генераторов:

АГ с к.з. ротором, АГ с фазным ротором, двухскоростные АГ, синхронные генераторы с магнитоэлектрическим возбуждением, синхронные генераторы с электромагнитным возбуждением, асинхронизированные синхронные генераторы и т.д.

Рассмотрим преимущества и недостатки этих генераторов.

Синхронный генератор с магнитоэлектрическим возбуждением. Этот генератор имеет простейшую конструкцию, легок в обслуживании, надежен и имеет высокий КПД. В то же время имеется сложность регулирования и стабилизации напряжения. Поэтому его еще называют синхронным генератором на постоянных магнитах. Благодаря регулированию реактивной мощности, которая поступает в генераторы от конденсаторов осуществляется стабилизация

напряжения. В СГ с магнитоэлектрическим возбуждением важен редуктор, а это означает дополнительные потери. Несмотря на это, этот синхронный генератор является самым распространенным генератором для ВЭУ. Сегодня проводят различные исследования для улучшения конструкции и характеристики синхронного генератора на постоянных магнитах.

Преимущества: Исключение скользящего контакта, большая надежность работы, высокий коэффициент полезного действия.

Недостатки: Важность приобретения дорогостоящих постоянных магнитов, неизменность магнитного потока, невозможность его регулирования, большая стоимость, отсутствие отечественной базы производства.

Синхронный генератор с электромагнитным возбуждением.

Преимущества: Возможность регулирования реактивной мощностью со стороны генератора, при использовании преобразователя постоянного тока с явным звеном и инвертора напряжения при широтно-импульсном управлении появляется возможность получения в токах низкого состава гармоник.

Недостатки: Высокая стоимость, сложное устройство, меньшая надежность по сравнению с АМ, усложненная конструкция, увеличенный вес и цена из-за важности безредукторной установки, схема жесткой зависимости частоты ЭДС от скорости вращения и т.д. В результате этого ограничивается, а в местах с резким порывом ветра делает невозможным, применение синхронного генератора для прямого включения в сеть без ППЧ, необходимо применение преобразователей с явным звеном постоянного тока и инвертором напряжения для того, чтобы обеспечить параметры тока и напряжения с допустимыми техническими характеристиками.

Асинхронизированные синхронные генераторы. В основе своей, особенно при законе регулирования возбуждения, полностью компенсирующего асинхронные э.д.с, наведенные в обмотках ротора со стороны статора, она остается синхронной машиной, обладающей в то же время способностью (в известных пределах скольжения ротора относительно синхронной скорости) работать асинхронно. Асинхронизация синхронной машины возможна при

любой т фазной системе возбуждения (т обмоток на роторе), если т > 2, две обмотки минимальное число. Поскольку любая т -фазная система может быть приведена элементарным путем к двухфазной, то ограничимся исследованием наиболее простой двухфазной системы возбуждения. Будем исследовать АС машину с двумя взаимно-перпендикулярными и идентичными обмотками на роторе: напряжения на кольцах ротора примем равными по амплитуде, но сдвинутыми по фазе на электрических градусов. На рисунке 5 показана схема асинхронные генераторы для ветроэлектрической установки. АГ чаще применяется в качестве ветрогенератора малой и средней мощности, так как она дешевле синхронного генератора на постоянных магнитах.

Рис. 5. Схема асинхронного генератора для ветроэлектрической установки.

В итоге можно сказать благодаря многим свойствам асинхронный генератор, особенно благодаря низкой стоимости широко применяется в ВЭУ. В основном широкое распространение получили двухскоростные АГ.

Применение двухскоростного асинхронного генератора для ВЭУ - это АГ, который работает в двух режимах частоты вращения. Ступенчатая регулировка обеспечивается последовательно-параллельным переключением обмоток статора. В отличие от стандартных асинхронных машин, эти машины имеют дополнительные обозначения скорости вращения. Например, 4/2

(1500/3000 об/мин), 6/4 (1000/1500 об/мин), 8/4 (750/1500 об/мин), 8/6 (750/1000 об/мин), 12/6 (500/1000 об/мин). При такой конструкции двухскоростного генератора, габаритные и присоединительные размеры идентичны

стандартным электрическим моторам. Эти генераторы используются для приводов редукторов, моторредукторов, вентиляторов и других установок, которые требуют изменение скоростного режима. По устройству и назначению двухскоростные машины делятся по:

1) Количеству фаз - однофазные, трехфазные

2) Области применения - общепромышленные, крановые, взрывозащищенные

3) Исполнению корпуса - на лапах, комбинированные, с одним или двумя валами.

Конструктивно двухскоростные машины различаются от стандартных тем, что у них особая конструкция статора, ротор же обычно короткозамкнутый. Наиболее распространёнными типами конструкции двухобмоточных машин являются виды с двумя зависимыми обмотками и с двумя независимыми обмотками. Устройство двухскоростных машин с двумя зависимыми обмотками может различаться благодаря соотношению числа полюсов - 1:2, 3:2, 4:3. Когда имеется соотношение частоты вращения 1:2, применяется одна полюсно-переключаемая обмотка статора по схеме Даландера. При соотношениях 3:2, 4:3 применяется одна полюсно-переключаемая обмотка по методу амплитуднофазной модуляции. При применении зависимых обмоток двухскоростные машины выпускаются в стандартных размерах, независимые имеют немного большие размеры. Принцип действия этих машин заключается в переключении схем подключения обмотки статора, в результате чего изменяется число полюсов. В остальном принцип работы двухскоростных моторов не отличается от односкоростных.

Как ранее утверждали, для увеличения эффективности применения ветра начали применять ступенчатое регулирование скорости. Для того в статоре генератора размещаются две обмотки с разным числом пар полюсов. При низшей

скорости ветра, для того, чтобы сохранить оптимальную быстроходность используется низкая скорость вращения ветроколесо и в генератор включается обмотка с наибольшим количеством пар полюсов. При повышении скорости ветра выше определенных предел, происходит переключение на наименьшее значение числа пар полюсов и допускается повышение скорости вращения.

Преимущества: Невысокий уровень шума, минимальная вибрация, высокая производительность, высокий пусковой момент, простота и надежность конструкции, Возможность работы при двух скоростях. Так как скорость вращения зависит от ветра, ее необходимо регулировать. Ступенчатое регулирование скорости вращения является важным для ВЭУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Рассмотрены особенности ВЭУ и приведены сравнения электрических генераторов, применяемые в ветроэлектрических установках. Разработана методика расчета и осуществлен выбор обмотки статора двухскоростного асинхронного генератора ветроэлектрической установки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Шевченко В.В., Кулиш ЯР. Анализ возможности использования разных типов генераторов для ветроэнергетических установок с учетом диапазона мощности // Вестник НТУ "ХПИ". - 2013. - №65. - С. 107-117;

2. Канов Л.Н. Математическое моделирование ветроэлектрической установки с асинхронным генератором // Электроэнергетика и электромеханика. - 2012. - №5. - С.71-74;

3. Абдулкадыров А.И., Османов С.Д., Алиев Н.А., Алиева Г.А. «О компенсации реактивной мощности ветроэлектрической станции». Х Международная научно-практическая конференция (Полный доклад), Россия, 2015, № 8;

4. Н.М. Пириева. Асинхронный электродвигатель с эффективной системой охлаждения. Проблем Энергетика №4, Баку, 2020 с 34-40;

5. Н.М. Пириева. Возвращение альтернативной энергии от городского транспортного средства. Технический журнал «Автоматизация. Современные технологии» № 1, Москва 2021

г;

6. Абдуллаев Я.Р., Керимзаде Г.С., Пириева Н.М., Маруфов И.М. Применение управляющего индукционного левитатора в ветрогенераторе с вертикальной осью. Известия Высших Технических Школ Азербайджана. Баку. 2020. № 2 (124)., т. 22, стр. 54-60;

7. Пириева Н.М., Гусейнов З.Ф. Характеристики синхронных двигателей. Международный научный журнал «Вестник науки» № 3 (60) Том 4. С.241-246;

8. Rzayeva S.V., Ganiyeva N.A., Piriyeva N.M. Modern methods of diagnostics of electric power equipment. The 19th International Conference on "Technical and Physical Problems of Engineering" 31 October 2023 International Organization of IOTPE. Ruminiya. s.105110

Piriyeva N.M., Ahmadli A.N.

Piriyeva N.M.

Azerbaijan State University of Oil and Industry

Ahmadli A.N.

Azerbaijan State University of Oil and Industry

COMPARISONS OF ELECTRICAL GENERATORS, USED IN WIND ELECTRIC INSTALLATIONS

Abstract: the development of various types of generators for windelectric installations currently plays a very important role. Most often, an asynchronous generator is usedfor this, because it is very reliable and low cost. To ensure the operation of a wind power plant at low wind speeds, twospeed asynchronous generators are currently widely used. Because the use of these generators allows for increased productivity at very low speeds. Therefore, the development of this generator for a wind power plant is a hot topic.

Keywords: wind power plant, asynchronous generators, wind energy.