نحوه استفاده از ژنراتورهای سنکرون مغناطیسی دائمی در توربین های بادی

فناوری سنکرون مغناطیس دائمی به طور گسترده در ماشین های الکتریکی مدرن، از موتورهای صنعتی گرفته تا ژنراتورهای برق بادی استفاده می شود.

با این حال، در یک توربین بادی، ماشین آهنربای دائمی معمولاً به عنوان یک ژنراتور عمل می کند، نه به عنوان یک موتور. به همین دلیل، واژه ژنراتور سنکرون مغناطیسی دائمی (PMSG) در مورد واحد اصلی تولید برق در داخل یک توربین بادی دقیق تر از PMSM است.

اصول الکترومغناطیسی ارتباط نزدیکی با هم دارند، اما جهت تبدیل انرژی متفاوت است.

یک PMSM انرژی الکتریکی را به چرخش مکانیکی تبدیل می کند. یک PMSG برعکس عمل می کند: پیشرانه توربین بادی چرخان انرژی مکانیکی را به ژنراتور می رساند که آن را به نیروی الکتریکی تبدیل می کند.

درک این تمایز، تشخیص اینکه کجای فناوری آهنربای دائمی در سیستم‌های برق بادی مدرن قرار می‌گیرد، بسیار آسان‌تر می‌شود.

ژنراتور مغناطیسی دائمی در کجای توربین بادی قرار می گیرد؟

باد پره های توربین و روتور را می چرخاند.

سپس آن چرخش مکانیکی باید توسط ژنراتور به الکتریسیته تبدیل شود.

دو ترتیب پیشرانه گسترده وجود دارد.

توربین های بادی دنده ای

در یک پیشرانه دنده ای، روتور توربین نسبتاً آهسته می چرخد.

یک گیربکس سرعت چرخش را قبل از رسیدن نیروی مکانیکی به ژنراتور افزایش می دهد.

این به ژنراتور اجازه می دهد تا با سرعت چرخشی بالاتری نسبت به روتور توربین کار کند.

بنابراین هدف گیربکس مطابقت با الزامات سرعت مکانیکی روتور و ژنراتور است. نباید صرفاً به عنوان "تطبیق فرکانس شبکه" توصیف شود، زیرا توربین های مدرن با سرعت متغیر معمولاً از الکترونیک قدرت بین ژنراتور و شبکه استفاده می کنند.

توربین های بادی مستقیم

یک سیستم هدایت مستقیم گیربکس اصلی را حذف می کند.

ژنراتور بسیار مستقیم تر به روتور توربین متصل است و بنابراین باید با سرعت بسیار پایین تری کار کند در حالی که گشتاور بالایی تولید می کند.

این به طور قابل توجهی طراحی ژنراتور را تغییر می دهد.

ژنراتورهای مغناطیسی دائمی درایو مستقیم معمولاً دارای قطر بیشتری هستند و از چندین قطب مغناطیسی استفاده می کنند تا بتوان خروجی الکتریکی مفیدی با سرعت چرخش پایین تولید کرد.

چرا از آهنرباهای دائمی استفاده کنیم؟

یک ژنراتور سنکرون با آهنربای دائم میدان مغناطیسی روتور خود را با آهنرباهای دائمی به جای سیم پیچ تحریک روتور ایجاد می کند.

این چندین ویژگی مفید برای کاربردهای انرژی بادی ارائه می دهد.

بدون جریان تحریک روتور

از آنجایی که میدان مغناطیسی توسط آهنرباهای دائمی تولید می شود، روتور به یک سیستم تحریک الکتریکی جداگانه نیاز ندارد.

این می تواند تلفات الکتریکی روتور را کاهش دهد و بخشی از ساختار ژنراتور را ساده کند.

مناسب برای طراحی های کم سرعت و گشتاور بالا

ماشین های آهنربای دائمی را می توان با قطب های زیاد و چگالی گشتاور بالا طراحی کرد.

این امر به ویژه در مورد سیستم‌های بادی مستقیم، که سرعت ژنراتور کم و گشتاور مکانیکی زیاد است، مرتبط است.

سازگار با عملکرد با سرعت متغیر

سرعت باد به طور مداوم تغییر می کند.

کارکردن توربین با سرعت متغیر می تواند به روتور اجازه دهد تا در محدوده وسیع تری از شرایط باد به شرایط کاری آیرودینامیکی ترجیحی خود نزدیک تر بماند.

ژنراتورهای مغناطیسی دائمی معمولاً با مبدل های الکترونیکی تمام توان استفاده می شوند که به آنها امکان می دهد فرکانس ژنراتور مستقل از فرکانس شبکه متفاوت باشد.

این امر عملکرد با سرعت متغیر را بدون نیاز به کارکرد روتور مکانیکی با یک سرعت همزمان ثابت که مستقیماً به شبکه متصل است امکان پذیر می کند.

مبدل برق چه نقشی دارد؟

ژنراتور تنها بخشی از سیستم الکتریکی توربین بادی است.

در بسیاری از توربین‌های بادی با آهنربای دائم، نیروی الکتریکی از ژنراتور قبل از رسیدن به شبکه از یک مبدل AC/DC/AC در مقیاس کامل عبور می‌کند.

این مبدل چندین عملکرد مهم را انجام می دهد.

این امکان را به ژنراتور می‌دهد تا با سرعت متغیر کار کند، خروجی ژنراتور فرکانس متغیر را به توان الکتریکی سازگار با شبکه تبدیل می‌کند و کنترل بر توان اکتیو و راکتیو در پایانه‌های توربین را فراهم می‌کند.

این تمایز اهمیت دارد زیرا قابلیت پشتیبانی از شبکه را نباید به خود آهنرباهای دائمی نسبت داد.

ژنراتور نیروی الکتریکی تولید می کند، در حالی که مبدل و سیستم کنترل توربین نحوه تحویل آن نیرو به شبکه را مدیریت می کنند.

Direct Drive به معنای "همیشه بهتر" نیست

حذف گیربکس می تواند تعداد اجزای پیشرانه را کاهش دهد و یک زیرسیستم مکانیکی اصلی را حذف کند.

در جایی که دسترسی به تعمیر و نگهداری دشوار است، می تواند جذاب باشد.

با این حال، ژنراتورهای درایو مستقیم نیز چالش های مهندسی خود را به همراه دارند.

یک ژنراتور با سرعت پایین معمولاً برای تولید گشتاور مورد نیاز به ساختار الکترومغناطیسی بزرگتری نیاز دارد. سیستم های محرک مستقیم آهنربایی دائمی نیز ممکن است از مقادیر قابل توجهی مواد مغناطیسی خاکی کمیاب استفاده کنند.

به همین دلیل است که هر دو معماری توربین بادی دنده ای و مستقیم به وجود خود ادامه می دهند.

انتخاب مناسب به رتبه توربین، سرعت روتور، طراحی ژنراتور، وزن، استراتژی نگهداری، هزینه مواد و اقتصاد کلی سیستم بستگی دارد.

جایی که فناوری مغناطیس دائمی شار محوری مناسب است

بیشتر مردم ژنراتورهای بادی بزرگ را با ماشین‌های شار شعاعی مرتبط می‌دانند، اما فناوری آهنربای دائمی شار محوری نیز به طرح‌های ژنراتور فشرده و تخصصی مربوط می‌شود.

در یک ماشین شار محوری، شار مغناطیسی عمدتاً در امتداد محور موتور یا ژنراتور حرکت می کند و نه به صورت شعاعی از طریق یک ساختار استوانه ای معمولی.

این معماری می تواند چگالی گشتاور بالا و طول محوری نسبتاً کوتاه را ارائه دهد.

برای ژنراتورهای درایو مستقیم کوچکتر یا کاربردهایی که بسته بندی و چگالی گشتاور مهم است، این امر باعث می شود که فناوری شار محوری در نظر گرفته شود.

جیانگ نان الکتریک در حال حاضر علاوه بر محصولات معمولی PMSM، ماشین‌های آهنربای دائمی شار محوری را توسعه می‌دهد. محدوده شار محوری منتشر شده این شرکت، تنظیمات ولتاژ، سرعت، خنک کننده و نصب متعدد را پوشش می دهد.

پلتفرم الکترومغناطیسی یکسان می‌تواند به توسعه موتور و ژنراتور مرتبط باشد، اما یک محصول موتوری نباید به‌طور خودکار به‌عنوان ژنراتور بادی بدون اعتبارسنجی الکترومغناطیسی، حرارتی و مکانیکی خاص برنامه ارائه شود.

جیانگ نان برق و مغناطیس دائمی کاربردهای برق باد

Hangzhou Jiangnan Electric Motor Co., Ltd. در حال حاضر چندین خانواده موتور سنکرون با آهنربای دائمی، از جمله PMSM های معمولی، طرح های با گشتاور بالا با سرعت پایین و ماشین های آهنربای دائم شار محوری را تولید می کند.

برخی از پلتفرم‌های محصول موجود ویژگی‌هایی را نشان می‌دهند که در توسعه مولد برق بادی نیز مهم هستند.

به عنوان مثال، پلت فرم JNPM520-45 جیانگ نان در 45 کیلو وات و 245 دور در دقیقه با گشتاور نامی 1754 نیوتن متر رتبه بندی شده است. اگرچه برای کاربرد درایو مستقیم صنعتی به جای ارائه در اینجا به عنوان ژنراتور توربین بادی توسعه یافته است، ترکیب سرعت کم و گشتاور بالا نشان دهنده نوع چالش طراحی الکترومغناطیسی است که در سیستم های تولید محرک مستقیم نیز یافت می شود.

مجموعه شار محوری جیانگ نان همچنین شامل ماشین‌های آهنربای دائمی است که حول ساختارهای محوری فشرده و عملکرد با سرعت متغیر طراحی شده‌اند.

وب سایت فعلی این شرکت علاوه بر این، محصولات دارای آهنربا دائمی را برای کاربردهای انرژی باد با سرعت کم و مقیاس کوچک تا متوسط ​​فهرست می کند.

با این حال، برای یک پروژه واقعی بادی، فرآیند انتخاب باید با الزامات ژنراتور شروع شود نه اینکه موتور موجود را فقط با توان نامی انتخاب کنید.

چه اطلاعاتی برای پروژه تولید برق بادی مورد نیاز است؟

قبل از ارزیابی یک ژنراتور با آهنربای دائمی، چندین شرایط عملیاتی باید تعریف شود.

اطلاعات مهم شامل:

• خروجی برق نامی؛
• نامی و حداکثر سرعت روتور؛
• گشتاور پیوسته و اوج;
• ولتاژ خروجی مورد نیاز؛
• محدوده فرکانس ژنراتور؛
• روش خنک کننده؛
• ترتیب نصب؛
• رابط محور یا مستقیم درایو؛
• شرایط محیطی مورد انتظار؛
• سطح حفاظت؛
• توپولوژی مبدل؛
• وظیفه عملیاتی مداوم

برای یک پروژه درایو مستقیم، سرعت روتور و گشتاور بسیار مهم است زیرا ژنراتور باید بار توربین را بدون تکیه بر گیربکس با نسبت بالا کنترل کند.

برای سیستم های بادی کوچک و متوسط، بسته بندی، وزن ژنراتور، هزینه مبدل و الزامات نگهداری نیز ممکن است به شدت بر طراحی نهایی تأثیر بگذارد.

PMSM یا PMSG: اصطلاحات مهم است

موتورهای سنکرون مغناطیسی دائمی و ژنراتورهای سنکرون مغناطیس دائمی بر اساس اصول الکترومغناطیسی نزدیک به هم هستند.

اما نقش های عملیاتی آنها متفاوت است.

یک PMSM معمولاً انرژی الکتریکی را به خروجی مکانیکی تبدیل می کند.

PMSG ورودی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند.

بنابراین در توربین‌های بادی، ماشین اصلی تبدیل انرژی با دقت بیشتری به عنوان PMSG توصیف می‌شود.

برای مشتریانی که در حال توسعه تجهیزات برق بادی هستند، سوال مهم این نیست که آیا یک PMSM موجود را می توان در یک توربین نصب کرد یا خیر.

رویکرد صحیح این است که ابتدا سرعت ژنراتور، گشتاور، ولتاژ، شرایط حرارتی، رابط مکانیکی و سیستم مبدل مورد نیاز را تعریف کنید و سپس ماشین آهنربای دائمی را بر اساس این نیازها طراحی یا انتخاب کنید.

سلب مسئولیت

اطلاعات این مقاله فقط برای مرجع عمومی ارائه شده است. مشخصات محصول، عملکرد، گزینه های پیکربندی و تناسب باید به تفصیل برای کاربرد مورد نظر و شرایط عملیاتی واقعی ارزیابی شود. لطفاً قبل از انتخاب، خرید یا استفاده از یک محصول، جزئیات مربوطه را با جیانگ نان الکتریک تأیید کنید و به مستندات فنی قابل اجرا و مشخصات توافق شده مراجعه کنید. این مقاله جایگزین دستورالعمل های خاص محصول یا ارزیابی مهندسی حرفه ای نمی شود.