Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 1/2014 (101) 39

Zbigniew Goryca, Politechnika Świętokrzyska, Kielce Wojciech Kwolek, Nikomet, Jasienica Rosielna

WOLNOOBROTOWY GENERATOR DO MAŁEJ ELEKTROWNI

WODNEJ

LOW SPEED GENERATOR FOR SMALL HYDROPOWER PLANT Streszczenie: W artykule przedstawiono projekt generatora do małej elektrowni wodnej pozbawionej prze-kładni. Generator ten to wielobiegunowa maszyna, w której mały moment zaczepowy uzyskano przez odpo-wiedni dobór liczby żłobków stojana. Projektowe obliczenia elektromagnetyczne modelu generatora przepro-wadzono w programie COMSOL Multiphisics w wersji 3.3 wykorzystującej metodę elementów skończonych. Przeprowadzone obliczenia pokazują niewielką wartość momentu zaczepowego. Przy mocy 10 kW i prędkości 125 obr/min generator ma małą masę.

Abstract: The paper presents design of generator for small gearless hydroelectric. It is multi-pole machine, whose cogging torque has been minimized through the application of odd number of stator teeth. Designing calculations of flat model of generator were carried out with the use of package COMSOL Multiphysics v3.3 using finite element method. The simulation result shows negligible value of cogging torque for such solution. The generator has low mass at the power of 10 kW and the speed of 125 rev/min.

Słowa kluczowe: generator, moment zaczepowy, elektrownia wodna

Keywords: generator, cogging torque, hydropower plant

1. Wstęp

Duże zaintersowanie poprzednim artykułem [1] skłoniło autorów do budowy nowego genera-tora o znacznie większej mocy i mniejszej prę-dkości obrotowej. Może on być stosowany w małych elektrowniach wodnych lub wiatro-wych, w których wyeliminowano przekładnie mechaniczne. Szacuje się, że w Polsce jest około 12000 miejsc, w których mogą być zainstalowane niewielkie elektrownie wodne na rzekach o małym przepływie przy niewielkim spiętrzeniu wody. W celu podwyższenia spra-wności przetwarzania energii wody w energię elektryczną buduje się konstrukcje [2], [3], [7], [8], [9], w których turbina wodna mocowana jest bezpośrednio z wałem generatora. W pracy przedstawiono konstrukcję generatora o niskiej prędkości obrotowej i małej masie. Generator ma wzbudzenie w postaci magnesów trwałych i dlatego może on być stosowany do pracy wyspowej, niezależnej od sieci energetycznej. W przypadku współpracy z siecią niezbędne jest stosowanie odpowiedniego falownika umożliwiającego zwrot energii do sieci.

2. Założenia konstrukcyjne

Przy projektowaniu generatora przyjęto nastę-pujące, podstawowe założenia:

- moc 10 kW - napięcie wyjściowe 3X230 V - częstotliwość 50 Hz - prędkość obrotowa 125 obr./min.

Mała prędkość obrotowa (125 obr./min.) przy częstotliwości napięcia wyjściowego 50 Hz na-rzuca liczbę biegunów wirnika równą 48.

3. Konstrukcja generatora

Podstawowym problemem w wielobieguno-wych elektrycznych maszynach z magnesami trwałymi jest duży moment zaczepowy [2], [4], [5], [6] wynikający z dużej liczby biegunów. Duży moment zaczepowy wywołuje drgania maszyny podczas pracy i związany z nimi hałas. Najprostszym i najczęściej stosowanym sposobem minimalizacji tego momentu jest stosowanie skosu żłobków stojana [4], [6]. Można go jednak stosować w przypadkach, gdzie długość pakietu blach stojana jest zna-czna. Przy małej długości pakietu następuje wyraźne ograniczenie powierzchni użytkowj żłobka i trudności z umieszczeniem w nim uzwojenia. Innym popularnym sposobem mini-malizacji momentu zaczepowego jest stosowa-

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 1/2014 (101) 40

nie skosu lub pseudoskosu (kilka magnesów na długości wirnika przesuniętych względem sie-bie o określony kąt) magnesów [5]. Rozwią-zanie to wymaga stosowania drogich przyrzą-dów do klejenia magnesów i nie daje tak dob-rych efektów jak skos zębów stojana. W przedstawionej konstrukcji minimalizację momentu zaczepowego uzyskano przez zasto-sowanie nietypowej, nieparzystej liczby zębów stojana różnej o trzy od liczby biegunów magnetycznych wirnika. Obliczenia projektowe modelu płaskiego wykonano przy użyciu pro-gramu COMSOL Multiphysics w wersji 3.3. Do obliczenia zadanego obwodu magnetycz-nego program ten korzysta z metody elementów skończonych. Poniższy rysunek prezentuje ob-raz indukcji magnetycznej w elementach ob-wodu magnetycznego prądnicy.

Rys. 1. Rozkład indukcji w obwodzie magnety-

cznym prądnicy

Z uwagi na dużą średnicę generatora blachy stojana wykonano w postaci segmentów rys. 2. Dzięki temu znacznie obniżono koszty związa-ne z wykonaniem pakietu blach stojana oraz zwiększono wykorzystanie blach (mniejsze odpady blach).

Rys. 2. Kształt blach stojana

Na poniższych rysunkach przedstawione są elementy i całość wykonanego generatora.

Rys. 3. Widok wirnika

Rys. 4. Fragment uzwojonego pakietu stojana

Rys. 5. Widok generatora na stanowisku ba-

dawczym

4. Badania generatora

Badania generatora obejmowały wyznaczenie zależności napięcia indukowanego od prędko-

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 1/2014 (101) 41

ści obrotowej przy biegu jałowym oraz wyzna-czenie charakterystyki obciążenia, czyli zależ-ności napięcia wyjściowego od prądu obciąże-nia przy stałej prędkości obrotowej. Poniższa tabela pokazuje zależność napięcia między-przewodowego od prądu oraz moc pobieraną z generatora przy prędkości obrotowej równej 125 obr/min.

Tabela. 1.

U12 [V] J1 [A] P [W]

317 0,0 0 312 3,1 1673 309 5,5 2940 307 6,2 3293 300 9,2 4775 292 11,6 5860 283 14,0 6854 274 16,5 7821 266 18,5 8513 255 20,5 9044 234 24,0 9716 232 25,5 10234

Badany generator napędzany był przez prze-kładnię mechaniczną trójfazowym silnikiem asynchronicznym o mocy 15 kW i prędkości obrotowej 2900 obr/min. Silnik zasilany był z falownika. Generator obciążany był symetry-cznie, rezystancyjnie za pomocą zestawu grza-łek łączonych w taki sposób, aby moc obcią-żenia wzrastała stopniowo od zera do obciąże-nia znamionowego.

Wykres na rys. 6 ilustruje zależność napięcia międyprzewodowego od prądu podaną w tab. 1.

Rys. 6. Zależność napięcia międzyprzewodo-

wego od prądu obciążenia

5. Wnioski

W małych elektrowniach wodnych coraz częściej stosowane są generatory z magnesami trwałymi. Niewątpliwą zaletą tych generatorów są: wysoka sprawność oraz brak prądu wzbu-dzenia pobieranego z sieci energetycznej. Dzię-ki temu generatoty te mogą pracować w ukła-dach autonomicznych nie związanych z siecią. Prezentowana w pracy konstrukcja ma małą prędkość obrotową i dlatego można ją sprzęgać z turbiną wodną bezpośrednio - bez przekładni mechanicznej. Zaletą jest także mała masa i ge-nerowanie napięcia w całym zakresie prędkości obrotowych.

6. Literatura [1]. Goryca Z., Malinowski M.: Prądnica do małej,

bezprzekładniowej elektrowni wodnej, Energetyka Wodna nr 04, 2012, s. 36-37. [2]. Czuczman J., Czerepanjak M., Sczur I., Golubowski P.: Generatory synchroniczne do

autonomicznych, bezprzekładniowych elektrowni

wiatrowych, XII Konferencja „Problemy Eksploatacji Maszyn i Napędów Elektrycznych”, Ustroń 18-20 maj, 2005. [3]. Glinka T.: Maszyny elektryczne wzbudzane

magnesami trwałymi, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002. [4]. Goryca Z.: Wolnoobrotowy generator tarczowy

do małej elektrowni wiatrowej, XVI Konferencja „Problemy Eksploatacji Maszyn i Napędów Elek-trycznych”, Rytro 28-30 maj, 2008. [5]. Łukaniszyn M., Młot A.: Analiza momentu

elektromagnetycznego i składowych pulsacji w bez-

szczotkowym silniku prądu stałego wzbudzanym

magnesami trwałymi, Przegląd Elektrotechniczny nr 10 2005. [6]. Gajewski M.: Analiza pulsacji momentu w sil-

nikach bezszczotkowych z magnesami trwałymi, rozprawa doktorska, Politechnika Warszawska, Wy-dział Elektryczny, 2007. [7]. Goryca Z., Młodzikowski P.: Analiza konstruk-

cji bezprzekładniowych prądnic do małych elek-

trowni wiatrowych, Konferencja Podstawowe Pro-blemy Energoelektroniki, Elektromechaniki i Me-chatroniki” PPEEm, Wisła 14-17.12.2009. [8]. Polak A., Beżański A.: Małe elektrownie

wiatrowe-przykłady praktycznego zastosowania, XII Konferencja „Problemy Eksploatacji Maszyn i Na-pędów Elektrycznych”, Ustroń 18-20 maj, 2005. [9]. http://www.elektrownie-wiatrowe.org.pl/t_typy_ewi.htm-2008.01.15. [10]. Goryca Z., Malinowski M., Pakosz A.: Wielo-

biegunowa maszyna z magnesami trwałymi o zredu-

kowanym momencie zaczepowym, Zgłoszenie paten-towe nr P-395663 z dnia 15.07.2011.

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 1/2014 (101) 42

Autorzy

dr hab. inż. Zbigniew Goryca prof. PŚk. Politechnika Świętokrzyska, Wydział Inżynierii Środowiska, Geomatyki i Energetyki, Katedra Fizyki Budowli i Energii Odnawialnej, Al. 1000-lecia Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce, tel. +(48-41) 34-24-855, 601-25-05-30, e-mail: tgoryca@kki.net.pl

Wojciech Kwolek NIKOMET Orzechówka 319, 36-220 Jasienica Rosielna, tel.: 695-774-598 e-mail: nikomet@onet.eu