Синхронні генератори з постійними магнітами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Синхронні генератори з постійними магнітами

Безконтактні синхронні генератори з постійними магнітами (СГПМ) мають просту електричну схему, не споживають енергії на збудження і мають підвищений ККД, відрізняються високою надійністю роботи, менш чутливі до дії реакції якоря, чим звичайні машини, їх недоліки пов'язані з невисокими регулювальними властивостями через те, що робочий потік постійних магнітів не можна змінювати в широких межах. Проте у багатьох випадках ця особливість не є визначальною і не перешкоджає широкому їх застосуванню.

Більшість СГПМ, вживаних нині, мають магнітну систему з постійними магнітами, що обертаються. Тому магнітні системи відрізняються одна від одної в основному конструкцією ротора (індуктора). Статор же СГПМ має практично таку ж конструкцію, що і в класичних машинах змінного струму, Зазвичай він містить набраний з листів електротехнічної сталі циліндричний магнітопровід, на внутрішній поверхні якого розташовані пази для розміщення обмотки якоря. На відміну від звичайних синхронних машин робочий проміжок між статором і ротором в СГПМ вибирають мінімальним, виходячи з технологічних можливостей. Конструкція ротора значною мірою визначається магнітними і технологічними властивостями магнітотвердого матеріалу.

Ротор з циліндричним магнітом

Найбільш простим є ротор з монолітним циліндричним магнітом кільцеподібного типу. Магніт 1 виконаний литим, кріпиться на валу за допомогою втулки 2, наприклад, із сплаву алюмінію. Намагнічення магніту здійснюється в радіальному напрямі на багатополюсній установці, що намагнічує. Оскільки механічна міцність магнітів невелика, то при високих лінійних швидкостях магніт поміщають в оболонку (бандаж) з немагнітного матеріалу.

Різновидом ротора з циліндричним магнітом є збірний ротор з окремих сегментів 1 з немагнітною сталевою оболонкою 3 (рис. 5.9, б). Намагнічені радіально сегментні магніти 1 укладені на втулку 2 з магнітом'якіої сталі і будь-яким способом, наприклад, за допомогою клею, закріплені. Генератори з ротором такої конструкції при стабілізації магніту у вільному стані мають форму кривої ЕРС, близьку до синусоїдальної. Перевагою роторів з циліндричним магнітом є простота і технологічність конструкції. Недоліком - низьке використання об'єму магніту внаслідок невеликої довжини середньої силової лінії полюса hi. Зі збільшенням числа полюсів значення hi зменшується і використання об'єму магніту погіршується.

Ротори з циліндричним магнітом: а - монолітний, б - збірний

Ротори з зіркоподібним магнітом

У СГПМ потужністю до 5 кВА широке поширення отримали ротори зіркоподібного типу з явновираженими полюсами без полюсних башмаків (рис. 5.10, а). У такій конструкції магніт-зірочку частіше кріплять на валу за допомогою заливки немагнітним сплавом 2. Магніт може також відпиватися безпосередньо на валу. Для зниження розмагнічуючої дії поля реакції якоря при ударному струмі короткого замикання на роторі у ряді випадків передбачається демпферна система 3. Остання здійснюється, як правило, шляхом заливки ротора алюмінієм. При великих частотах обертання на магніт напресовується немагнітний бандаж.

Проте, при перевантаженнях генератора поперечна реакція якоря може викликати несиметричне перемагнічування країв полюсів. Подібне перемагнічування спотворює форму поля в робочому проміжку і форму кривої ЕРС.

Одним із способів зменшення дії поля якоря на полі магніту є застосування полюсних башмаків з магнітом'якої сталі. Змінюючи ширину полюсних башмаків (регулюючи потік розсіяння полюсів), можна добитися оптимального використання магніту. Крім того, змінюючи конфігурацію полюсних башмаків, можна отримати необхідну форму поля в робочому проміжку генератора.

На рис. 5.10, б наведена конструкція збірного ротора зіркоподібного типу з призматичними постійними магнітами з полюсними башмаками. Радіально намагнічені магніти 1 встановлені на втулці 2 з магнітом'якого матеріалу. На полюсі магнітів накладені полюсні башмаки 3 з магнітної сталі. Для забезпечення механічної міцності башмаки приварені до немагнітних вставок 4, що утворює бандаж. Проміжки між магнітами можуть заповнюватися алюмінієвим сплавом або компаундом.

Ротори зіркоподібного типу: а - без полюсних башмаків; б - збірний з полюсними башмаками

До недоліків роторів зіркоподібного типу з полюсними башмаками слід віднести ускладнення конструкції і зменшення заповнення магнітами об'єму ротора.

Ротори з кігтеподібними полюсами

У генераторах з великим числом полюсів широко використовується конструкція ротора з кігтеподібними полюсами. Кігтеподібний ротор (рис. 5.11) містить циліндричний магніт 1, намагнічений в аксіальному напрямі, розміщений на немагнітній втулці 2. До торців магніту примикають фланці 3 і 4 з магнітом'якої сталі, що мають кігтеподібні виступи, які утворюють полюси. Усі виступи лівого фланця є північними полюсами, а виступи правого фланця - південними. Виступи фланців чергуються по колу ротора, утворюючи багатополюсну систему збудження. Потужність генератора можна значно підвищити, якщо застосувати модульний принцип, розташувавши на валу декілька магнітів з кігтеподібними полюсами.

Недоліками роторів кігтеподібного типу є: відносна складність конструкції, трудність намагнічення магніту в зібраному роторі, великі потоки розсіяння, можливий відгин кінців виступів при високих частотах обертання, мала міра заповнення магнітом об'єму ротора.

Існують конструкції роторів з різними комбінаціями ПМ: з послідовним і паралельним включенням МРС магнітів, з регулюванням напруги за рахунок осьового переміщення ротора відносно статора, системи спільного регулювання збудження СГПМ від ПМ і паралельно працюючою електромагнітною обмоткою та ін. Для безредукторних вітроелектриних установок кращим рішенням є застосування СГПМ багатополюсного виконання. Є досвід в Німеччині, Україні в інших країнах по розробці і застосуванню тихохідних генераторів для безредукторних ВЕУ з частотою обертання 125-375 об/хв.

Із-за головної вимоги для безредукторної ВЕУ - мати низьку частоту обертання генератора - габарити і маса СГПМ виходять завищеними в порівнянні з високооборотними генераторами з приблизно однаковою потужністю. У корпусі 1 (рис. 5.12) розміщений звичайний статор 2 з обмоткою 3. Ротор (індуктор) 4 з наклеєними на зовнішній поверхні пластинками 5 з неодим-залізо-бора встановлений на валу 6 з підшипниками 7. Корпус 1 закріплений на основі 8, пов'язаній з опорою ВЕУ, а ротор 4 сполучений з валом вітротурбини (на рис. 5.12 не показано).

При низьких швидкостях вітру для ВЕУ необхідно використати генератори з низькими швидкостями обертання. В цьому випадку система часто не має редуктора і вісь безпосередньо сполучена з віссю електричного генератора. При цьому виникає проблема отримання досить високої вихідної напруги і електричної потужності. Один із способів її рішення - багатополюсний електрогенератор з ротором досить великого діаметру. Ротор електрогенератора при цьому може бути виконаний з використанням постійних магнітів. Електрогенератор з ротором на постійних магнітах не має колектора і щіток, що дозволяє істотно підвищити його надійність і час роботи без обслуговування і ремонту.

Конструктивна схема СГПМ для безредукторної ВЕУ: 1 - корпус; 2 - статор; 3 - обмотка; 4 - ротор; 5 - пластинки постійних магнітів з Nd-Fe-B; 6 - вал; 7 - підшипники; 8 - основа

Електрогенератор з ротором на постійних магнітах може бути побудований за різними схемами, що відрізняються одна від одної спільним розташуванням обмоток і магнітів. Магніти з полярністю, що чергується, розташовуються на роторі генератора. Обмотки з напрямом намотування, що чергується, розташовуються на статорі генератора. Якщо ротор і статор представляють з себе співісні диски, то такий тип генератора називають аксіальним або дисковим (рис. 5.13).

Якщо ротор і статор представляють з себе коаксіальні співісні циліндри, то такий тип генератора називають радіальним або циліндричним (рис. 5.14). У генераторі радіального типу ротор може бути внутрішнім або зовнішнім по відношенню до статора.

Спрощена схема електрогенератора з ротором на постійних магнітах аксіального (дискового) типу

Спрощена схема електрогенератора з ротором на постійних магнітах радіального (циліндричного) типу

синхронний генератор ротор магніт

Важлива особливість синхронних генераторів з ПМ в порівнянні із звичайними синхронними генераторами - складність регулювання вихідної напруги і його стабілізації. Якщо в звичайних синхронних машинах можна плавно регулювати робочий потік і напругу, міняючи струм збудження, то в машинах з постійними магнітами така можливість відсутня, оскільки потік Ф знаходиться в межах заданої лінії повернення і міняється трохи. Для регулювання і стабілізації напруги синхронних генераторів з постійними магнітами доводиться використати спеціальні методи.

Один з можливих шляхів стабілізації напруги синхронних генераторів - введення в зовнішнє електричне коло генератора ємнісних елементів, сприяючих появі подовжньо-намагнічуючої реакції якоря. Зовнішні характеристики генератора при ємнісному характері навантаження слабо змінюються і навіть можуть містити наростаючі ділянки. Конденсатори, що забезпечують ємнісний характер навантаження, включаються послідовно в коло навантаження безпосередньо (рис. 5.15, а) або через підвишучий трансформатор, який дозволяє зменшити масу конденсаторів за рахунок збільшення їх робочої напруги і зменшення струму (рис. S.1S, б). Можливо також паралельне включення конденсатора в коло генератора (рис. 5.15, є).

Включення стабілізуючих конденсаторів в коло синхронного генератора з постійними магнітами

Хорошу стабілізацію вихідної напруги генератора з ПМ можна забезпечити за допомогою резонансного контура, що містить ємність С і дросель насичення L. Контур включається паралельно навантаженню, як показано на рис. 5.16, а в однофазному зображенні. За рахунок насичення дроселя його індуктивність падає із зростанням струму і залежність напруги на дроселі  від струму дроселя  має нелінійний характер (рис. 5.16, б). В той же час залежність напруги на ємності  від струму  - лінійна. У точці перетину кривих  і , що відповідає номінальній напрузі генератора , в контурі настає резонанс струмів, тобто  і реактивний струм в контур ззовні не поступає.

Стабілізація напруги, синхронного генератора з постійними магнітами за допомогою резонансного контуру: а - схема підключення контуру; б - вольт-амперні характеристики (б)

Якщо напруга знизиться, то, як видно з рис. 4.15, б, при  маємо , тобто контур забирає від генератора ємнісний струм. Подовжньо-намагнічуюча реакція якоря, що виникає при цьому, сприяє зростанню U. Якщо ж , то  і контур забирає від генератора індуктивний струм. Подовжньо-розмагнічуюча реакція якоря призводить до зниження U.

В деяких випадках для стабілізації напруги генераторів використовуються дроселі насичення (ДН), що підмагнічуються постійним струмом від системи регулювання напруги. При зниженні напруги регулятор збільшує підмагнічуючий струм в дроселі, його індуктивність знижується із-за насичення осердя, зменшується дія подовжньо - розмагнічуючої реакції якоря, а також падіння напруги на ДН, що сприяє відновленню вихідної напруги генератора.

Регулювання і стабілізацію напруги генераторів з ПМ можна ефективно здійснювати за допомогою напівпровідникового перетворювача, в кожній фазі якого є два зустрічно-паралельно включених тиристора. Кожна півхвиля кривої напруги  перед перетворювачем відповідає прямій напрузі на одному з тиристорів. Якщо система керування подає сигнали на включення тиристорів з деяким запізнюванням, що відповідає куту управління . Із зростанням  напруга за перетворювачем зменшується, при зниженні напруги на затисках генератора кут  зменшується так, щоб напруга за генератором . За допомогою подібного перетворювача можна не лише стабілізувати, але і регулювати вихідну напругу в широких межах, змінюючи кут . Недолік описаної схеми - погіршення якості напруги при збільшенні  за рахунок появи вищих гармонік.

Описані способи регулювання і стабілізації напруги пов'язані із застосуванням відносно важких і громіздких зовнішніх по відношенню до генератора додаткових пристроїв. Можна забезпечити досягнення поставленої мети шляхом використання в генераторі додаткової підмагнічуваючої обмотки (ПО) постійного струму, що змінює міру насичення сталевих магнітопроводів і змінює, таким чином, зовнішню магнітну провідність по відношенню до магніту.

Размещено на Allbest.ru