ПРИМЕНЕНИЕ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ГЕНЕРАТОРА В ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКЕ

АННОТАЦИЯ

В энергетике России и остального мира все стремительнее развивается тренд на использование альтернативной энергетики. Одним из наиболее перспективных направлений является ветроэнергетика. Основным устройством для выработки электроэнергии в ветроэнергетике является ветроэлектрическая установка, состоящая из трех основных элементов: ветротурбины, мультипликатора и генератора. В статье рассмотрено применение в качестве генератора ветроэлектрической установки вентильно-индукторного генератора. Рассмотрены основные преимущества и недостатки вентильно-индукторного генератора.

ABSTRACTS

The trend towards the use of alternative energy is developing more rapidly in the energy sector of Russia and the rest of the world. One of the most promising areas is wind energy. The main device for generating electricity in the wind power industry is a wind turbine consisting of three main elements: a wind turbine, a multiplier and a generator. The article discusses the use of a valve-inductor generator as a generator of a wind turbine installation. The main advantages and disadvantages of a valve-inductor generator are considered.

Ключевые слова: вентильно-индукторный генератор, ветроэнергетика, ветровые электростанции, энергетика.

Keywords: valve-type inductor generator, windenergy, Wind Power Station, energy.

Мировая энергетика с каждым годом сталкивается с новыми вызовами: рост затрат на выработку электрической энергии, исчерпание традиционных энергоресурсов, обстановка с глобальным потеплением и ухудшение экологии планеты. И с каждым годом страны начинают задумываются об альтернативных источниках энергии, запас которых не исчерпаем. Электроустановки, работающие на альтернативных источниках энергии, являются экологически чистыми и не выделяют вредных отходов.

Среди альтернативной энергетики, одной из наиболее развитых является ветроэнергетика. Ветроэнергетика – отрасль альтернативной энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии порывов ветра в электрическую энергию.

Всемирная метеорологическая ассоциация подсчитала, что мировой энергетический запас ветра составляет около 175 тысяч ТВт·ч в год, что способно покрыть мировую потребность в электроэнергии около десяти раз.

Основным устройством, «предназначенным для выработки электрической энергии, является ветрогенератор или ветроэлектрическая установка (ВЭУ), представляющая собой сложное техническое устройство, предназначенное для преобразования кинетической энергии порывов ветра в электрическую энергию». [2] Ветрогенераторы могут классифицироваться по оси вращения ветроколеса, по месту расположения.

Главным достоинством ветроэнергетики является возобновляемость, так как ветер является бесконечным ресурсом и всегда доступен для использования. К достоинствам также относятся экологичность, низкие операционные расходы после установки, приспособленность к разным климатическим зонам.

Пожалуй, главным недостатком ветрогенератора да и всей ветроэнергетики является низкая плотность генерации электрической энергии и её зависимость от погодных условий. Ветряные турбины эффективно работают только при определенной скорости ветра и если ветер недостаточно сильный, то генерация может и вовсе прекратиться, что вынуждает применять дополнительный источник электрической энергии, что сильно повышает стоимость как строительства электростанции, так и стоимость электроэнергии. Также к недостаткам относятся: долгая окупаемость, воздействие на окружающую среду, электромагнитные помехи и уровень шума вблизи ветроэлектростанции.

Основным элементом ветроэлектрической установки является генератор, который и преобразует механическую энергию ротора ВЭУ в электрическую. Наиболее часто применяемыми в ветрогенераторах являются: коллекторные машины постоянного тока; синхронные генераторы и асинхронные генераторы.

В начале развития ВЭУ имели в качестве генератора машины постоянного тока. «В генераторе постоянного тока, ток возбуждения (и, следовательно, магнитного поля) возрастает с увеличением рабочей скорости, в то время как фактическая частота вращения ветродвигателя определяется балансом между крутящим моментом и моментом нагрузки» [1]. Достоинствами ГПТ являются: хорошая регулировочная характеристика, стабильное постоянное напряжение и ток, хорошие пусковые и регулировочные свойства. Однако ГПТ и не лишен недостатков таких как щеточно-коллекторный узел, являющийся очень ненадежным конструктивным элементом, часто выходящим из строя и требующего постоянных ревизий и ремонтов. На данный момент использование ГПТ является не целесообразным, исключением является применение для питания АКБ или приёмников с низким потреблением электроэнергии.

Также среди электрогенераторов распространены синхронные генераторы с постоянными магнитами. Их большим преимуществом является более высокая надежность конструкции в виду отсутствие щеточно-коллекторного узла и поля обмотки возбуждения. На роторе установлены мощные неодимовые магниты, создающие постоянное магнитное поле. К недостаткам синхронных генераторов с постоянными магнитами относится отсутствие возможности регулирования потока возбуждения, значительно большей ценой из-за использования редких металлов.

Простота конструкции и обслуживания, надежность, дешевые материалы изготовления, высокая степень демпфирования. Это те качества, благодаря которым асинхронные генераторы стали повсеместно применяться в ВЭУ. Классифицируются асинхронные генераторы по конструкции ротора: короткозамкнутый ротор (где обмотки ротора закорочены и представляют беличью клетку) и фазный ротор (обмотки ротора выведены на контактные кольца). Однако при колебаниях скорости вращения ветротурбины, начинает изменяться частота генерируемого тока, что вредит качеству электроснабжения, что является большой проблемой асинхронных генераторов. Для решения данной проблемы, в сеть к генератору подключают выпрямитель, преобразующий переменный ток в постоянный, а после постоянный ток проходит через автономный инвертор преобразующий постоянный ток в переменный с параметрами, определяемыми стандартом. Но использование дополнительных силовых преобразователей сказывается на общей цене ветроэлектрической установки.

Однако в инженеры в последнее время все чаще оглядываются в сторону вентильно-индукторных машин, для применения в ВЭУ. Сильными сторонами вентильных генераторов является: простота и надежность конструкции, отсутствие элементов из редкоземельных металлов, расположение обмоток возбуждения только на статоре. Общепринятое обозначение конфигурации вентильной машины состоит из дроби, например, 6/4 где числитель — это количество зубцов в статоре, а знаменатель количество зубцов в роторе. На рисунке 1 представлен ВИМ в конфигурации 6/4.

Рисунок 1. Вентильно-индукторная машина в конфигурации 6/4

Принцип действия вентильно-индукторного генератора прост: При «возбуждении какой-либо из фаз ротор электродвигателя старается занять положение, при котором будет максимальная индуктивность у возбужденной фазы. Такое положение называется согласованным. Соответственно положение, когда индуктивность возбужденной фазы минимальна называется рассогласованным. Индуктивность максимальна при совпадении оси возбужденного зубца статора и зубца ротора, а минимальная при совпадении осей возбужденного зубца статора и оси паза ротора. Датчик положения ротора отслеживает положение зуба ротора и в момент минимального значения индуктивности (рассогласования) возбуждает фазу статора тем самым создавая отрицательный электромагнитный момент, который влечет за собой выработку электрической энергии». [3] Схема ветроэнергетической установки с вентильно-индукторным генератором приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема ветроэнергетической установки с вентильно-индукторным генератором

Вентильно-индукторные генераторы отличаются следующими достоинствами:

• Простая конструкция. Статор и ротор выполнены из листов электротехнической стали.
• Высокая ремонтопригодность;
• Отсутствие механического коммутатора;
• Более простой процесс изготовления;
• Отсутствие нагрева ротора;
• Высокая надёжность.

К недостаткам вентильно-индукторных генераторов относятся:

• Высокие пульсации электромагнитного момента и магнитного потока;
• Большие габариты.

Несмотря на недостатки, мешающие более интенсивному внедрению, вентильно-индукторные генераторы постепенно появляются в ВЭУ, что означает снижение общей стоимости энергоустановки, а также снижение затрат на обслуживание за счет своей простой и надежной конструкции.

Список литературы:

1. Выбор электрогенераторов для ветроэнергетических установок / Ералы Ертайулы Нурахмет, А. А. Гафаров, М. С. Бенке [и др.]. URL: https://moluch.ru/archive/132/36983/ (дата обращения: 06.01.2025).
2. Николаев В.В. Рыбников В.А., Разработка интегрированного стартер генератора на основе вентильно-индукторной машины, с. 2.
3. Степанов В.М. Анализ основных характеристик вентильно-реактивного электродвигателя, работающего в режиме генератора/ Степанов В.М., Авдо шин В.С. // Известия Тульского государственного университета. Технические науки выпуск №8 – 2014 – С.181-183