Генератор для ветряка своими руками: инструкции и методы сборки

Самостоятельная сборка ветрогенератора в первую очередь предполагает создание самого генератора. И, как оказывается, это можно сделать легко из подручных средств.

к содержанию ↑

Варианты изготовления

За длительное время существования альтернативной энергетики были созданы электрогенераторы самых разных конструкций. Их можно сделать своими руками. Большинство людей думает, что это трудно, так как требуется определенный объем знаний, различные дорогостоящие материалы и т.д. При этом генераторы будут очень низкой производительности по причине большого количества просчетов. Именно эти мысли заставляют желающих отказаться от идеи сделать ветряк своими руками. Но все утверждения являются абсолютно неправильными, и сейчас мы это покажем.

Умельцы чаще всего создают электрогенераторы для ветряка двумя методами:

1. Из ступицы;
2. Переделывают готовый двигатель под генератор.

Рассмотрим эти варианты более подробно.

к содержанию ↑

Изготовление из ступицы

Самым разрекламированным среди всех вариантов является обычный самодельный дисковый генератор для ветряка, который создается с использованием неодимовых магнитов. Главными его преимуществами являются: простота сборки, не требует особых знаний, возможность не придерживаться точных параметров. Даже если будут допущены ошибки — это не страшно, так как в любом случае ветряком вырабатывается электричество и его можно довести до ума с приходом практики.

Итак, для начала нам нужно подготовить основные элементы для сборки ветрогенератора:

• ступица;
• тормозные диски;
• неодимовые магниты 30х10 мм;
• медная лакированная проволока диаметром 1,35 мм;
• клей;
• фанера;
• стеклоткань;
• эпоксидная или полиэфирная смола.

Самодельные дисковые генераторы делаются на основе ступицы и двух тормозных дисков от ВАЗ 2108. Можно с уверенностью говорить, что практически у любого хозяина найдутся в гараже эти части автомобиля.

На тормозных дисках мы расположим неомагниты. Их нужно брать в количестве, делимом на 4. Рекомендуемо применять 12+12 или 16+16 единиц. Это самые приемлемые варианты по эффективности и затратам. Располагать их нужно с чередованием полюсов. Статор нашего самодельного электрогенератора для ветряка также делается с использованием фанеры, которая выпилена по форме. Далее, на него устанавливаются намотанные катушки, и все заливается эпоксидной или полиэфирной смолой. Из стеклоткани рекомендуется вырезать два круга такого же размера, как и статор. Они будут закрывать верхнюю и нижнюю стороны для большей жесткости конструкции.

Неомагниты можно применять любой формы. Старайтесь заполнять полностью все колесо с минимальными зазорами между элементами. Катушки требуется наматывать так, чтобы общее количество витков было в пределах 1000-1200. Это даст возможность генератору выдавать при 200 об/мин 30 В и 6 А. Также будет значительно лучше делать их овальными, а не круглыми. Ветровой электрогенератор станет более мощным благодаря такому решению.
=»Неомагниты для ветрогенератора» width=»640″ height=»480″ class=»aligncenter size-full wp-image-697″ />
Что касается статора нашего будущего генератора для ветряка, то его толщина обязательно должна быть меньше, чем размер магнитов, например, если магниты имеют толщину 10 мм, то статор лучше всего выполнить 8 мм (по 1 мм зазора оставить). Размеры дисков же должны быть больше толщины магнитов. Все дело в том, что через железо все магниты подпитывают друг друга и чтобы вся сила уходила именно в полезную работу требуется выполнять это условие. Если учитывать это, делая электрогенератор своими руками, то можно немного повысить его эффективность.

к содержанию ↑

Подключение катушек

Собранный своими руками генератор для ветряка может быть как однофазным, так и трехфазным. Большинство начинающих выбирают первый вариант, так как он немного проще и легче. Но у однофазного подключения есть недостатки в виде повышенной вибрации под нагрузкой (гайки могут раскручиваться) и своеобразный гул. Если данные показатели не имеют значения, то катушки требуется соединять следующим образом: конец первой нужно спаять с концом второй, вторую катушку с третьей и т.д. Если что-то перепутать — схема работать не будет. Хотя здесь сложно что-то сделать не так.

Трехфазная схема хоть и требует большей внимательности, но при этом установка под нагрузкой не гудит и практически не вибрирует, а разведенные фазы под 120 градусов повышают мощность в определенных режимах работы. Трехфазное подключение катушек своими руками заключается в соединении их через 3 единицы. Например, при использовании 12 катушек распаиваются для первой фазы 1, 4, 7 и 10. Для второй — 2, 5, 8 и 11. Для третьей — 3, 6, 9 и 12. Все шесть получившихся концов можно смело выводить наружу из статора. Соединять фазы можно звездой (для получения большего напряжения) или треугольником (для получения большей силы тока).

Элементы основы можно заказать у токаря. Это будет более верным решением, так как автомобильная ступица и тормозные диски довольно массивные. Также можно сделать небольшую хитрость в виде увеличения диаметра всего колеса, ведь чем он больше, тем выше радиальная скорость ветрогенератора.

Дисковые генераторы имеют простую конструкцию, высокую эффективность и у них отсутствует эффект залипания. Дополнительно, ветровые установки, созданные на их основе, довольно легкие. Но по причине отсутствия сердечников, магнитов требуется использовать в два раза больше. Рассмотренный вариант является самым простым для создания ветряка своими руками.

к содержанию ↑

Изготовление из асинхронного двигателя

Генератор для ветряка также можно сделать благодаря переделке асинхронного двигателя. Для этого требуется или переточить ротор на размер неомагнитов, или сделать его своими руками. Переточка родного ротора предполагает еще и использование стальной гильзы, которая бы замыкала магнитное поле. По этой причине нужно учитывать и ее толщину. Можно использовать как круглые, так и квадратные магниты. Последний вариант более эффективный по причине возможности установить их с большей плотностью.

Вследствие неизбежного залипания ротора, клеить неомагниты нужно с небольшим скосом. Смещение требуется делать по принципу зуб + паз. Делая генератор своими руками нужно также перематывать катушки. Причиной тому является использование обмотки из тонкого провода, который не рассчитан на большие напряжения и ампераж. Если используются низкооборотные двигатели, то перематывать их под генератор не требуется, так как у них уже используется хороший, толстый провод.

Перематывать двигатели под генераторы своими руками несложно, но рекомендуется доверить данную работу электрикам. Это позволит избежать ошибок и при этом ветряки из асинхронников получаются значительно эффективнее.

Решение оборудовать ветровые установки мультипликатором позволяет не перематывать двигатель. Также можно поставить небольшой электромагнит для самовозбуждения. Его запитка производится за счет самого вращения ветряка, а чтобы он не потреблял электричество с аккумулятора устанавливается в цепь мощный диод.

В конце хотелось бы сказать, что сделать самодельный генератор для своего ветряка довольно просто. И для этого не требуется особых знаний. Нужно запастись терпением и готовностью проводить опыты. Но при этом следует помнить о технике безопасности, так как электрогенераторы могут вырабатывать большие токи.

Оцените статью:

Загрузка…

Поделитесь с друзьями:

Ветрогенератор на неодимовых магнитах своими руками

Аксиальный ветрогенератор, который работает на неодимовых магнитах, впервые начали массово изготавливать в странах Запада. И это были вовсе не заводские изделия, а плод труда местных гаражных мастеров, поставивших себе на службу явление левитации. Серьезной популярности именно такие модели ветряка обязаны массовому распространению и дешевизне неодимовых магнитов. Постепенно комплектующие и схемы изготовления стали распространятся по всему миру и в настоящее время магнитный аксиальный ветрогенератор завоевывает признание на просторах Российской Федерации. Ниже описана последовательность создания одной из самых удачных моделей такого ветряка.

к содержанию ↑

Процесс создания ротора

Основой генератора автор разработки решил сделать ступицу автомобиля с дисками тормоза, поскольку она мощная, надежная и идеально сбалансированная. Начав делать ветряк своими руками, в первую очередь следует подготовить основу для ротора — ступицу, — почистить ее от грязи, краски и смазки. После чего приступить к наклейке постоянных магнитов. Для создания данного ветрогенератора, их было использовано по двадцать штук на диске. Размер неодимовых магнитов составил 25х8 миллиметров. Однако, и их количество, и их размер могут варьировать в зависимости от целей и задач человека, своими собственными руками создающего ветрогенератор. Однако всегда будет правильным, для получения одной фазы, равенство количества полюсов числу неодимовых магнитов, а для трех фаз — выдержка соотношений полюсов и катушек — два к трем или три к четырем.

Магниты следует располагать учитывая чередование полюсов, к тому же максимально точно, но прежде, чем приступить к их наклейке, нужно либо создать бумажный шаблон, либо прочертить линии, делящие диск на сектора. Чтобы не перепутать полюса, делаем отметки на магнитах. Главное — выполняем следующее требование — те магниты, которые стоят напротив друг друга, должны быть повернуты разными полюсами, то есть притягиваться.

Магниты приклеиваются к дискам при помощи супер-клея и заливаются. Также нужно сделать бордюрчики по краям дисков и в их центре, либо намотав скотча, либо вылепив из пластилина для недопущения растекания.

к содержанию ↑

Фазы — что лучше — три или одна?

Многие любители электрической техники идут по пути наименьшего сопротивления и, чтобы не заморачиваться, останавливают свой выбор на однофазном статоре для ветряка. Однако у него имеется одна неприятная особенность, нивелирующая простоту сборки, — это вибрация в нагруженном состоянии, по причине непостоянства отдачи тока. Ведь амплитуда такого статора скачкообразна, — достигая максимума, когда неодимовые магниты располагаются над катушками, а после падая до минимума.

А вот, когда генератор сделан по трехфазной системе, то вибрации отсутствуют, и показатель мощности ветряка имеет постоянное значение. Причина такого отличия заключается в том, что ток, падая в одной фазе, в то же время нарастает в другой. И в итоге, ветрогенератор, работающий в трехфазной системе, может быть более эффективным до 50 %, чем точно такой же, но использующий однофазную систему. И главное, — нагруженный трехфазный генератор не дает вибрации, следовательно, мачта не дает повода для жалоб на ветрогенератор в надзирающие органы недоброжелателям из числа соседей, поскольку не создает надоедливого гула.

к содержанию ↑

Способ намотки катушки статора ветряка

Для того, чтобы сделанный своими руками ветрогенератор на неодимовых магнитах работал с максимальной отдачей, статорные катушки следует рассчитывать. Однако большинство мастеров предпочитают делать их на глаз. К примеру, тихоходный генератор, способный заряжать 12 В аккумулятор, начиная со 100 — 150 оборотов за минуту, должен иметь во всех катушках от 1000 до 1200 витков, поровну разделенное между всеми катушками. Увеличение количества полюсов ведет к росту частоты тока в катушках, благодаря чему генератор, даже при малых оборотах, дает большую мощность.

Намотка катушек должна производиться по возможности более толстыми проводами, с целью снижения сопротивления в них. Делать это можно на оправке, либо на самодельном станке.

Для того чтобы разобраться, какой потенциал мощности имеет генератор, покрутите его с одной катушкой, поскольку, в зависимости от того, в каком количестве будут установлены неодимовые магниты и какова их толщина, данный показатель может существенно отличаться. Измерение проводятся без нагрузки при необходимом числе оборотов. Например, если генератор при 200 оборотах за минуту обеспечивает напряжение в 30 В, имея сопротивление в 3 Ом, то следует из 30 В вычесть 12 В (напряжение питания аккумулятора) и полученный результат — 18 делим на 3 (сопротивление в омах) получаем 6 (сила тока в амперах), которые и пойдут от ветрогенератора на зарядку АКБ. Однако, как показывает практика, по причине потерь в проводах и диодном мосту, реальный показатель, который будет производить магнитный аксиальный генератор, будет поменьше.

Магниты для создания ветрогенератора лучше брать в форме прямоугольника, поскольку их поле распространяется по длине, в отличие от круглых, поле которых сосредотачивается в центре. Катушки, как правило, мотают круглыми, хотя лучше делать их несколько вытянутыми, что обеспечивает больший объем меди в секторе, а также более прямые витки. Отверстие внутри катушек должно быть равно или превышать ширину магнитов.

Толщина статора должна быть такой же что и магниты. Форма для него обычно фанерная, для прочности под катушки и поверх них кладут стеклоткань, и все это заливается эпоксидной смолой. Для того, что бы не допустить прилипания смолы к форме, последнюю смазывают любым жиром либо применяют скотч. Провода предварительно выводят наружу и скрепляют между собой, концы каждой фазы после этого соединяют треугольником либо звездочкой.

к содержанию ↑

Мачта для ветрогенератора

Мачту на которой будет расположен данный генератор, можно делать высотой от 6 и выше метров, чем выше, тем больше скорость ветра. Под нее следует вырыть яму и залить основание из бетона, а трубу укрепить таким образом, чтобы магнитный аксиальный ветрогенератор, сделанный своими руками, можно было опускать и поднимать. Делать это можно при помощи механической тали.

к содержанию ↑

Винт ветряка

Его делают из поливинилхлоридных труб, чей оптимальный для этого диаметр — 160 мм. К примеру, ветрогенератор, работающий на принципе магнитной левитации, с диаметром в два метра и шестью лопастями, при скорости ветра в 8 метров за секунду, способен обеспечить мощность до 300 Вт.

к содержанию ↑

Как повысить мощность ветряка?

Для подъема мощности ветрогенератора можно использовать магниты. Попросту на магниты, которые уже установлены наклеить еще по одному такому же или более тонкому. Другой способ основан на установке в катушки металлических сердечников, — пластин трансформатора. Это обеспечит усиление магнитопотока в катушке, однако вызывает небольшое залипание, которое, впрочем, совершенно не ощущается шестилопастным винтом. Стартует такой ветрогенератор при ветре в 2 м/с. Благодаря применению сердечников генератор получил увеличение мощности с 300 до 500 Вт/ч при ветре в 8 м/с. Также следует уделять внимание форме лопастей, — малейшие неточности снижают мощность.

Ветрогенератор из автомобильного генератора своими руками

Ветряки – перспективная альтернатива для традиционной энергетики. Энергия ветра, преобразованная в электричество, обещает стать дешёвой, просто добываемой и малозатратной. А если брать во внимание счета, которые приходят сейчас за электричество, то в целях экономии стоит попытаться собрать собственный ветрогенератор, согласны?

Есть реальные примеры создания установок, вырабатывающих приличный объем энергии. Тем не менее возможности ветряков пока существенно опережают конкурентов, способных противостоять традиционному способу добычи электричества.

Мы представили руководство, следуя которому вы сможете собрать ветрогенератор из автомобильного генератора своими руками. В предложенной к ознакомлению статье подробно разобраны распространенные ошибки, которые допускают при конструировании ветряков. Для наглядности статья сопровождается тематическими фото- и видеоматериалами.

Содержание статьи:

О самодельных ветряках для дома

Особый интерес к ветряной энергии проявляется на уровне бытовой сферы. Это понятно, если краем глаза взглянуть на очередной счёт за потреблённую энергию. Поэтому разного рода умельцы активизируются, используя все возможности получения электричества недорого.

Одна из таких возможностей, вполне реальная, тесно связана с ветряком из автомобильного генератора. Уже готовый прибор – автомобильный генератор – достаточно лишь оснастить , чтобы иметь возможность снимать с клемм генератора какое-то значение электрической энергии.

Правда эффективно работать он будет лишь при условии наличия ветреной погоды.

Пример из практики бытового применения ветряных генераторов. Удачно разработанная и вполне эффективная практическая конструкция ветряка. Установлен трёхлопастной винт, что редкость для бытовых аппаратов

Использование фактически любого автомобильного генератора приемлемо для конструирования ветряка. Но подобрать для дела обычно стараются модель мощную, способную выдавать большие токи. Здесь на пике популярности конструкции генераторов от грузовых автомобилей, крупных пассажирских автобусов, тракторов и т.п.

Помимо генератора для изготовления ветряка потребуется ещё ряд комплектующих деталей:

• винт двух- или трёх- лопастной;
• автомобильный аккумулятор;
• электрический кабель;
• мачта, элементы опоры, крепёж.

Конструкция винта на две или три лопасти считается наиболее оптимальной для классического ветряного генератора. Но бытовой проект зачастую далёк от инженерной классики. Поэтому чаще всего на домашнюю конструкцию стараются подобрать уже готовые винты.

Крыльчатка от вентилятора легкового автомобиля, которая будет использована в качестве винта ветряной домашней установки. Лёгкость и большая полезная площадь для воздушной силы позволяют применять такие варианты

Таким, к примеру, может стать крыльчатка от внешнего блока сплит-системы кондиционирования воздуха или от вентилятора того же автомобиля. Но когда есть желание следовать традициям конструирования ветрогенераторов, придётся сооружать пропеллер ветряка от начала до конца своими руками.

Перед принятием решения о сборке и установке ветрогенератора стоит оценить климатические данные участка и рассчитать окупаемость. Существенную помощь в этом окажет информация весьма , рекомендуемой нами к ознакомлению.

Технология сборки ветрогенератора

Оптимальной основой для генератора домашнего ветряка видится модель АТ-700, взятая от трактора серии ДТ. Правда этот тракторный генератор в его изначальном виде рассчитан на частоту вращения ротора до 6000 об/мин. Под конструкцию домашнего ветряка такой параметр явно чрезмерный.

Есть два выхода из положения:

1. Применить какой-нибудь редуктор-мультипликатор, дающий требуемое передаточное отношение.
2. Перемотать существующую обмотку статора  АТ-700 под малые обороты.

В принципе, оба варианта модернизации прибора достижимы. Но, судя по отзывам состоявшихся конструкторов, вариант с перемоткой обмотки статора более приемлем. Тем более если учитывать вес самого генератора АТ-700, достигающий 6 кг.

Тракторный генератор АТ-700. Многочисленные проекты в бытовой сфере разрабатывались на базе именно этого устройства, обладающего высокой отдачей по току. Но требуется небольшая модернизация

Если прибор дополнить редуктором, вес общего модуля увеличится вдвое. А это важный параметр для конструкции ветряка. Вес всегда стремятся уменьшить.

При использовании в конструкции ветряка генератора К 701 потребуется некоторая модернизация:

Галерея изображений

Фото из

Разборка автогенератора для переделки

Переделка соединений автогенератора

Установка магнитов в выступы ротора

Ротор и статор подготовлены к установке

Перемотка катушки статора по мере необходимости

Подготовка к соединению деталей

Сборка усовершенствованного генератора

Тестирование доработанного генератора

Шаг #1. Винт ветряной электростанции

Материалом для изготовления лопастей винта служит поливная алюминиевая труба (d = 200 мм) длиной 0,7 – 1,0 м. Изначально её разрезают вдоль на четыре отрезка, а затем из двух или трёх полученных частей вырезают лопасти требуемой формы.

Так как алюминий – материал, хорошо поддающийся обработке, вырезать из куска трубы нужную форму лопасти не проблема. Главное – правильно рассчитать и нарисовать шаблон.

Изготовленные лопасти будущего винта необходимо как-то скрепить и насадить на вал генератора. Эта работа более сложная, требует точного баланса и особенно при выполнении трехлопастной конструкции. Есть масса вариантов изготовления диска винта. Один из них – создание этой детали из алюминиевых пластин.

Потребуется рассчитать диаметр диска винта с учётом метровой длины лопастей. Для размаха крыла в 2 метра, расчётный диаметр диска может составлять 150-200 мм. На основании рассчитанного диаметра из листового алюминия вырезается необходимое количество круглых пластин (6-7 шт. ).

Пример изготовления винта ветряного генератора из двухсотмиллиметровой алюминиевой трубы, применяемой на сельскохозяйственных полях для полива урожая. Получается лёгкая и эффективная конструкция

Вырезанные круглые пластины накладывают друг на друга, выравнивают по кромкам и скрепляют. Для скрепления лучше всего использовать качественный эпоксидный клей. Но не исключены также иные методы крепежа.

На готовом склеенном диске необходимо в центральной точке разметить и просверлить отверстие под крепление на валу генератора. Отверстие доработать шпоночным пазом под размер шпонки, установленной на валу ротора генератора.

Приготовленный таким способом пропеллерный диск размечают под крепление лопастей. По намеченным линиям сверлят отверстия для болтов крепления кронштейнов. Эти детали тоже делаются алюминиевыми с подбором по толщине, достаточной для компенсации передаваемых усилий.

Останется приложить изготовленные ранее лопасти к диску в намеченных точках соединения, сбалансировать их на ровной поверхности и закрепить болтами.

Шаг #2. Изготовление мачты из трубы

Тракторный генератор АТ-700, оснащённый самодельным винтом, уже представляет собой реальный ветряк. С целью получения максимального эффекта от конструкции, её желательно поднять метров на 5-7 и к тому же обеспечить круговое перемещение на 360°.

Поэтому флюгер-ветряк ставят на мачту, которую проще всего изготовить на базе металлической трубы.

Установленная мачта из металлической трубы диаметром 50 мм с ветряным генератором наверху. Для обеспечения устойчивости мачты применяются растяжки из металлического троса

Мачта высотой 5-7 метров, оснащённая наверху ветрогенератором, будет испытывать значительные нагрузки. Соответственно диаметр металлической трубы нужен достаточно большой – не менее 50 мм по наружному размеру.

Крепление мачты выполняется за счёт четырёх тросовых растяжек, закреплённых сверху ближе к ветряку и растянутых в противовес друг другу.

Под верхний обрез трубы-мачты, во внутреннюю область, запрессовывается пара подходящих подшипников или крепится каким-то иным способом. Это будет опорный крутящийся блок, куда встанет флюгер с генератором и винтом. Остаётся сделать сам флюгер и установить на него всё необходимое оборудование.

Шаг #3. Как сделать алюминиевый флюгер

Флюгерную конструкцию, на одном конце которой место под автомобильный генератор с винтом, а на другом – место под «хвостовик», рекомендуется делать из лёгкого прочного материала.

Например, алюминиевая труба прямоугольного профиля подошла бы под основание в самый раз. В качестве крепежа генератора к профильной трубе удобнее применить хомуты из мягкой металлической ленты (лучше нержавеющей).

Пример возможного крепления корпуса генератора на профильной трубе флюгера. Здесь используется металлическая рама с передним и задним кронштейнами под болтовое соединение

Хвост флюгера можно соорудить из того же алюминиевого листа и закрепить его к профильной трубе уголками. В точке центра тяжести, на профильной трубе, необходимо укрепить металлический штырь из нержавейки.

Эта деталь – в виде длинного болта (250-300 мм), диаметром около 30 мм (рассчитывается), проходит поперёк сквозь тело профильной алюминиевой трубы и закрепляется снизу гайкой. Поверх гайки ставится контргайка.

Диаметр резьбы болта должен быть чуть меньше внутреннего диаметра колец подшипников, запрессованных в трубе-мачте. В центре болта, по его оси, просверливается отверстие 7-10 мм. Сквозь это отверстие будет пропускаться электрический кабель от генератора и по трубе уходить вниз к месту подключения.

Шаг #4. Установка и подключение ветрогенератора

После всех описанных приготовлений (обязательно в условиях безветренной погоды) приступают к установке:

1. На основании флюгера крепят хомутами тракторный генератор.
2. Поднимают мачту от земли на 1,5 – 2 метра и устанавливают флюгер опорным болтом на подшипники.
3. Одновременно пропускают кабель от генератора сквозь тело болта и дальше внутри трубы до нижней точки выхода.
4. Также чуть ниже флюгерного основания жёстко устанавливают ограничитель, позволяющий вращаться флюгеру на 360° в одну или другу сторону, но не более того.
5. Поднимают мачту окончательно и укрепляют тросовыми растяжками.
6. Подключают концы кабеля к приёмному устройству (обычно через к аккумуляторной батарее).

На этом конструирование ветрового генератора можно считать завершённым. Однако есть ещё масса отдельных деталей процесса, с которыми придётся столкнуться в период применения устройства.

Структурная схема полноценной ветряной установки: 1 – ветряк, 2 – конвертер заряда АКБ; 3 – аккумулятор автомобильный; 4 – инвертор 24/220; 5,6 – выходы напряжений 220В и 24В

Эти детали связаны уже с автоматикой, регулирующей накопление и распределение энергии. Такие устройства как контроллер заряда, инвертор тока и прочие, являются обязательными компонентами ветровых генераторов.

Фото-пример сборки ветряка по шагам

Рассмотрим пример сооружения ветряка на 24 В, собранного на базе автомобильного генератора. Самоделка начинает стабильно работать при силе ветра 5 м/с. В средне-ветреную погоду с порывами от 15 м/с установка поставляет от 8 до 11 А, в дни с сильными ветрами КПД увеличивается. Мощность не более 300 Вт.

Галерея изображений

Фото из

На каждый полюс ротора ( их 24 штуки) устанавливаем и заливаем эпоксидной смолой по два магнита размером 20×5×5мм

Старый автомобильный генератор перед сборкой самоделки надо очистить от ржавчины. Желательно покрасить краской по металлу, исключающей дальнейшее ржавление

Статор перед последующей сборкой перематываем. Для перемотки используем провод сечением 0,56 мм. Наматываем в зависимости от числа катушек, число витков от 33 до 39

Закрепляем подготовленный к работе генератор на выполненной из профиля металлической раме. Ее тоже нужно покрасить

По размеру генератора вырезаем треугольную алюминиевую деталь, к которой будут крепиться лопасти. В примере их вырезали из остатков канализационной ПВХ трубы

Для защиты деталей генератора от воздействия внешней среды заливаем перемотанный статор эпоксидной смолой. После застывания окрашен краской, оберегающей от появления ржавчины

Традиционное для автогенераторов соединение, выполненное в форме треугольника, переделываем в звезду. От нее отводим три проводника к диодному мосту

Собираем самодельный ветрогенератор. К его валу, выполненному из металлической трубы, крепим подшипники и деталь, на которой болтами зафиксированы лопасти

Шаг 1: Заливка магнитов на роторе эпоксидкой

Шаг 2: Чистка ротора от ржавчины и окислов

Шаг 3: Перемотка статора автомобильного генератора

Шаг 4: Фиксация генератора на металлической раме

Шаг 5: Подготовка лопастей с крепежной деталью

Шаг 6: Обработка деталей генератора

Шаг 7: Соединение проводки звездой

Шаг 8: Установка лопастей самодельного ветряка

Фактически вся работа выполнена, остается соединить разрозненные компоненты полезной в быту установки:

Галерея изображений

Фото из

Шаг 9: Установка контроллера ветрогенератора

Шаг 10: Устройство хвостовой части ветряка

Шаг 11: Крепление лопасти к хвосту

Шаг 12: Проверка работоспособности ветряка

Сооруженная своими руками установка развивает 24 В, применять ее можно для зарядки аккумуляторов мобильной техники и для поставки энергии в линии освещения с энергосберегающими светильниками.

Разбор ошибок конструирования

Сборка ветрогенератора в бытовых условиях собственными руками – дело, конечно же, не безошибочное. Даже в конструкциях промышленных ветряков инженерами допускаются ошибки. Но на ошибках учатся, о чём подтверждают вполне состоявшиеся бытовые конструкции.

Итак, среди ошибок при устройстве бытовых ветряных генераторов часто фигурирует такая деталь, как отсутствие в конструкции генератора модуля торможения. Стандартное исполнение таких приборов (автомобильных или тракторных) такой детали не предусматривает. Значит, генератор необходимо дорабатывать.

Однако не каждому «конструктору» хочется заниматься этим тонким делом. Многие игнорируют эту деталь, надеясь на «авось». Как результат – при сильном ветре винт раскручивается до неимоверно высоких скоростей. Подшипники генератора не выдерживают, разбивают посадочные места алюминиевых крышек. Происходит клин ротора.

Разрушенный ветрогенератор по причине недоработок в конструкции. Ошибки конструирования и монтажа подобных конструкций приводят к тяжёлым последствиям

К этой же теме относится недоработка, связанная с отсутствием ограничителя поворота флюгера. Нередко этот компонент попросту забывают установить и вспоминают только тогда, когда потоки ветра начинают раскручивать «петушка» вокруг своей оси, как юлу в передаче «Что? Где? Когда?». Результат плачевный.

Минимум ущерба  – перекручивание и обрыв электрического кабеля, а в тяжёлых случаях – разнос всей конструкции.

Другая примечательная ошибка сборки – неправильный расчёт точки центра тяжести на основании флюгера. В этом случае устройство какое-то время может функционировать нормально. Но со временем образуется перекос на подшипниковом узле, свобода вращения ограничивается, эффективность конструкции по отдаче энергии резко снижается.

О том, как , узнаете из предложенной нами статьи.

Нередко током, полученным от генератора, пытаются напрямую питать аккумуляторную батарею. Совсем скоро начинают удивляться – почему аккумулятор не держит заряд или обнаруживают пробой 2-3 банок.

Это банальная и естественная ошибка, так как в любом случае заряд АКБ должен проходить в условиях определённых токов и напряжений. Здесь нужен контроль этого процесса.

Домашним мастерам, заинтересованным темой , предлагаем ознакомиться еще с одним оригинальным вариантом. В предложенной статье описано изготовление генерирующей установки из бросовых деталей стиралки.

Выводы и полезное видео по теме

Даже обычный электрический шуруповёрт может стать ветряком, если знать основы устройства ветрогенератора.

Интерес к ветрогенераторам не снижается. Напротив, этот вариант добычи электрической энергии всё чаще рассматривается на уровне владельцев загородной недвижимостью.

Очевидно, если совмещать сразу несколько видов энергии – ветра, солнца, гидротурбин или атомных станций, такое совмещение может дать экономический эффект. При этом риски пользователя остаться без электричества сводятся к нулю.

Хотите рассказать о том, как собственноручно собрали ветряк для обеспечения электричеством дачи? Желаете поделиться полезными сведениями, не упомянутыми в статье? Пишите, пожалуйста, комментарии в расположенном ниже блоке, делитесь впечатлениями, только вам известными техническими нюансами и фото по теме статьи.

выбираем маленький ветряной генератор для дома, принцип работы и устройство

Ветряные генераторы уже не представляют собой ничего экзотичного – сейчас их используют и расценивают как наилучшую возможность сэкономить. В статье рассмотрим популярные модели мини-ветрогенераторов для дома, особенности их устройства и принцип работы.

Особенности

Даже мини-ветрогенератор с легкостью преобразовывает всю ту энергию, которую несет в себе ветер. Успешное использование данных установок уже зарекомендовало себя благодаря тому, что их можно использовать как в частных домах, дачах и загородных постройках, так и на производствах и больших фабриках.

Ветряку для того чтобы получить электроэнергию, не нужны топливо и солнце. Это заставляет задуматься о том, как они работают, и какие предложения есть на рынке данных устройств.

Еще к одной особенности ветряного генератора можно отнести то, что его мощность напрямую зависит от размера окружности, что формируют его лопасти. Если увеличить ее диаметр в 2 раза, то при сохранении прежней скорости ветра электроэнергии, которую будет производить генератор, будет в 4 раза больше.

Принцип работы

Конструкция и принцип работы старых ветряных мельниц уверенно перекочевали к их современным последователям – ветряным электрогенераторам.

Сила ветра, вращающая лопасти, заставляет двигаться ось, к которой эти лопасти прикреплены, а она уже, в свою очередь, двигает шестерни и механизмы внутри мельницы.

В наши дни ветряные мельницы для производства электричества устроены практически так же, только энергия ветра заставляет вращаться ротор.

Рассмотрим более детально, как происходит преобразование ветра в электроэнергию.

1. Первичный вал с редуктором начинает вращаться от силы ветра, который толкает лопасти и заставляет их совершать обороты. Затем момент вращения передается на оборудованный магнитами ротор. Благодаря такой последовательности действий в статорном кольце образуется переменный ток.
2. При выработке электроэнергии в таком количестве необходимы аккумуляторы. Для того чтобы заряжать в безопасном режиме, необходим выпрямитель тока, который позволяет избежать скачков напряжения и увеличивает срок службы аккумуляторных батарей.
3. Чтобы создать привычное нам напряжение в 220 В, из аккумуляторов ток подается в инвертор, а затем уже к конечным потребителям. Чтобы ветряк всегда ловил наиболее сильный ветер, устанавливают хвост, который разворачивает лопасти по ветру. Всевозможные датчики позволяют современным моделям иметь системы торможения, складывания и отвода лопастей от ударов ветра.

Виды

Различные виды ветряных мельниц классифицируют по количеству лопастей, по материалу, из которого эти лопасти изготовлены, по шагу винта и еще ряду критериев. Независимо от того, как расположена ось вращения генератора, принцип его работы остается одинаковым для любого вида. Но в основном их разделяют по выбору расположения оси или вала.

• Горизонтальный вид. Это когда поверхность земли расположена параллельно оси вращения генератора.

• Вертикальный вид. У этого вида ветряков вращающий вал расположен перпендикулярно поверхности земли, а лопасти расположены вокруг него.

Составная часть пропеллера или ветроколеса у современных ветряных генераторов может состоять из разного количества лопастей. Уже признано устоявшимся утверждение, что пропеллеры с количеством лопастей до трех вырабатывают большое количество тока лишь при сильном ветре, в то время как многолопастные ветрогенераторы могут довольствоваться небольшими потоками воздуха.

Обзор моделей

Российский рынок отличается большим ассортиментом ветряных генераторов. Перед выбором стоит сравнить характеристики представленных моделей и варианты их применения. Разнообразие устройств представляет солидный ряд, в котором стоят как небольшие ветрогенераторы для дома, так и изделия для промышленного использования более крупных размеров.

• Ветряные генераторы Condor Home. Ветряки предназначены для использования в домашних условиях, мощность 0,5-5 кВт. Эти станции предназначены для использования при низких температурах, а также продуцируют энергию при слабых порывах ветра. Служат как основным, так и вспомогательным источником электричества на участке.

• Маленькие электростанции Falcon Euro. Чаще всего используются в комплексе с солнечными батареями или другими источниками энергии в случае значительного удаления от линий электропередач. Линейка моделей представлена технологичными ветряными генераторами преимущественно с вертикальными валами мощностью 1-15 кВт.

• Генераторы Sokol Air Vertical. Небольшие ветровые установки способны обеспечить электричеством как небольшие дома, так и средние производственные здания. Данные электростанции выпускаются с мощностью 0,5-15 кВт.

• Ветрогенераторы Energy Wind. Данные ветряки замечательно себя зарекомендовали как прекрасный вариант для электрообеспечения жилых домов, коттеджей и жилых построек. Есть как однолопастные, так и трёхлопастные модели с различной мощностью – 1-10 кВт.

• Ветряные мельницы Altek ЕВ. Сегмент загородных домов и дач покорили эти ветротурбины с горизонтальным валом вращения. Номинальная мощность от 1 до 10 кВт. Превосходно подходит для решения задач снабжения электричеством дачные участки.

Как выбрать?

Чтобы выбрать ветряную электростанцию, необходимо определиться с некоторыми пунктами, которые будут влиять на принятие решения. Все расчеты и подобные вычисления требуют большого внимания: нужно собрать и обработать важную информацию.

1. Необходимо рассчитать максимальное и минимальное количество электричества, которого хватит для комфортного обеспечения объекта.
2. Изучить показатели ветра в разное время года, выявить безветренные периоды и понять, какие нужны аккумуляторы, когда энергию от ветряной мельницы нужно заменить чем-то другим.
3. Учитывайте в первую очередь климатические и географические характеристики региона. В том случае, если будут сильные заморозки, ветряной генератор будет нерентабелен.
4. Хорошо изучить рынок, провести сравнение подходящих вам генераторов от всех производителей. И не забывайте про такой показатель, как шум при работе ветрогенератора.

Полный переход на такие электростанции для жилых домов на значительном удалении от линии электропередач не решит проблему целиком. Но может быть отличной альтернативой и выходом из положения в определенных ситуациях, а иногда и единственным способом обеспечить электричеством свой участок. Для того чтобы выбор оказался максимально оправдан, следует учесть каждую характеристику – от размеров, уровня шума, емкости аккумуляторов до способа установки, необходимой для работы скорости ветра и количества вырабатываемого электричества.

Подробнее о ветрогенераторе смотрите в следующем видео.

Изготовление генератора для ветряка из асинхронного двигателя своими руками

Этапы

Создание самодельного ветрогенератора имеет два основных этапа:

• изготовление ротора
• создание генератора

Эти работы между собой не имеют практически ничего общего, так как надо сделать разные по сути и назначению узлы системы. Для изготовления того и другого элемента используются подручные механизмы и приспособления, которые можно использовать или переделать в необходимый узел. Один из вариантов создания генератора, часто используемый при изготовлении ветрогенератора — изготовление из асинхронного электродвигателя, которое наиболее удачно и качественно позволяет решить проблему. Рассмотрим вопрос подробнее:

Изготовление генератора из асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель является наилучшей «заготовкой» для изготовления генератора. Он имеет для этого наилучшие показатели по устойчивости к короткому замыканию, менее требователен к попаданию пыли или грязи. Кроме того, асинхронные генераторы вырабатывают более «чистую» энергию, клирфактор (наличие высших гармоник) у этих устройств всего 2% против 15% у синхронных генераторов. Высшие гармоники способствуют нагреву двигателя и сбивают режим вращения, поэтому их малое количество является большим плюсом конструкции.

Асинхронные устройства не имеют вращающихся обмоток, что в значительной степени снимает возможность выхода их из строя или повреждения от трения или замыкания.

Также важным фактором является наличие на выходных обмотках напряжения в 220В или 380 В, что позволяет подключать приборы потребления прямо к генератору, минуя систему стабилизации тока. То есть, пока есть ветер, приборы будут работать точно так же, как от сети.

Единственное отличие от работы полного комплекса в прекращении работы сразу же после стихания ветра, тогда как аккумуляторы, входящие в комплект, какое-то время питают потребляющие устройства используя свою емкость.

Как переделать ротор

Единственным изменением, которое вносится в конструкцию асинхронного двигателя при переделывании его в генератор, является установка на ротор постоянных магнитов. Для получения большей силы тока иногда перематывают обмотки более толстым проводом, имеющим меньшее сопротивление и дающим лучшие результаты, но эта процедура не критична, можно обойтись и без нее — генератор будет работать.

Ротор асинхронного двигателя не имеет никаких обмоток или иных элементов, являясь, по сути, обычным маховиком. Обработка ротора производится в токарном станке по металлу, обойтись без этого никак нельзя. Поэтому при создании проекта надо сразу решить вопрос с техническим обеспечением работ, найти знакомого токаря или организацию, занимающуюся такими работами. Ротор надо уменьшить в диаметре на толщину магнитов, которые будут на него установлены.

Существует два способа монтажа магнитов:

• изготовление и установка стальной гильзы, которая одевается на предварительно уменьшенный в диаметре ротор, после чего на гильзу крепятся магниты. Этот способ дает возможность увеличить силу магнитов, плотность поля, способствующую более активному образованию ЭДС
• уменьшение диаметра только на толщину магнитов плюс необходимый рабочий зазор. Этот способ проще, но потребует установки более сильных магнитов, лучше всего — неодимовых, которые имеют намного большее усилие и создают мощное поле.

Установка магнитов производится по линиям конструкции ротора, т.е. не воль оси, а несколько смещенными по направлению вращения (на роторе эти линии хорошо видны). Магниты расставляются по чередованию полюсов и фиксируются на роторе с помощью клея (рекомендуется эпоксидная смола). После ее высыхания можно производить сборку генератора, в который отныне превратился наш двигатель, и переходить к испытательным процедурам.

Испытания вновь созданного генератора

Эта процедура позволяет выяснить степень работоспособность генератора, опытным путем определить скорость вращения ротора, необходимую для получения нужного напряжения. Обычно прибегают к помощи другого двигателя, например, электродрели с регулируемой частотой вращения патрона. Вращая ротор генератора с подключенным к нему вольтметром или лампочкой, проверяют, какие скорости необходимы для минимума и каков максимальный предел мощности генератора, чтобы получить данные, на основе которых будет создаваться ветряк.

Можно в испытательных целях подключить какой-либо прибор потребления (например, нагреватель или осветительное устройство) и убедиться в его работоспособности. Это поможет снять все возникающие вопросы и внести какие-либо изменения, если возникнет такая необходимость. Например, иногда возникают ситуации с «залипанием» ротора, не стартующего при слабых ветрах. Это происходит при неравномерном распределении магнитов и устраняется разборкой генератора, отсоединением магнитов и повторным их укреплением в более равномерной конфигурации.

По завершении всех работ в распоряжении появляется полностью рабочий генератор, который отныне нуждается в источнике вращения.

Изготовление ветряка

Для создания ветряка потребуется выбрать какой-либо из вариантов конструкции, которых имеется немало. Так, существуют горизонтальные или вертикальные конструкции ротора (в данном случае термин «ротор» обозначает вращающуюся часть ветрогенератора — вал с лопастями, приводимый в движение силой ветра). Горизонтальные роторы имеют более высокую эффективность и устойчивость в производстве энергии, но нуждаются в системе наведения на поток, которая, в свою очередь, нуждается в легкости вращения на валу.

Чем мощнее генератор, тем труднее его вращать и тем большее усилие должен развивать ветряк, что требует его больших размеров. При этом, чем крупнее ветряк, тем он тяжелее и обладает большей инерцией покоя, что образует замкнутый круг. Обычно используют средние значения и величины, дающие возможность образовать компромисс между размерами и легкостью вращения.

Вертикальные ветряки проще в изготовлении и не требовательны к направлению ветра. При этом, они имеют меньшую эффективность, так как ветер с одинаковой силой воздействует на обе стороны лопасти, затрудняя вращение. Для того, чтобы избежать этого недостатка, создано множество различных конструкций ротора, таких как:

• ротор Савониуса
• ротор Дарье
• ротор Ленца

Известны ортогональные конструкции (разнесенные относительно оси вращения) или геликоидные (лопасти, имеющие сложную форму, напоминающую витки спирали). Все эти конструкции имеют свои достоинства и недостатки, основным из которых является отсутствие математической модели вращения того или иного вида лопастей, делающего расчет крайне сложным и приблизительным. Поэтому действуют методом проб и ошибок — создается экспериментальная модель, выясняются ее недостатки, с учетом которых изготавливается рабочий ротор.

Наиболее простая и распространенная конструкция — ротор Савониуса, но в последнее время в сети появляется множество описаний других ветрогенераторов, созданных на базе других видов.

Устройство ротора несложно — вал на подшипниках, на верхней части которого укреплены лопасти, которые под действием ветра вращаются и передают крутящий момент на генератор. Изготовление ротора осуществляется из доступных материалов, монтаж не требует чрезмерной высоты (обычно поднимают на 3-7 м), это зависит от силы ветров в регионе. Вертикальные конструкции почти не требуют ухода или обслуживания, что облегчает эксплуатацию ветрогенератора.

Рекомендуемые товары

как сделать своими руками тихоходное устройство, его преимущества и недостатки

Генератор для ветряка из автогенератора

Генератор является таким же основным элементом ветряка, как и крыльчатка. Если лопасти рабочего колеса преобразуют энергию ветра во вращательное движение, то генератор вращение превращает в электроэнергию. Его конструкция и возможности определяют производительность и мощность установки, способность работы на слабых потоках ветра.

При изготовлении ветряков вопрос об использовании самодельного или готового генератора встает практически всегда. Чаще всего к решению подходят комбинированным способом — используют готовый автомобильный генератор, иногда без конструктивных изменений, но чаще всего — с некоторыми доработками, повышающими чувствительность или выходную мощность.

Автомобильные генераторы представляют собой готовые устройства, созданные для выработки электрического тока заданного напряжения. Оно постоянно на выходе, что обеспечивает стабилизатор (регулятор) напряжения, удерживающий значения в узких рамках. Единственная особенность, требующая вмешательства, это режим работы — автомобильные генераторы приводятся от двигателя и работают на больших скоростях.

Причем, скорость вращения двигателя автомобиля не постоянна, она меняется на протяжении всего времени работы в значительных пределах — от 800 об/мин до 6000 об/мин, а иногда и больше. Кроме того, автомобильный генератор имеет предел по силе тока, превысить который устройство не сможет ни при каких обстоятельствах.

КПД автогенераторов не превышает 60%, что объясняется наличием потерь в конструкционных узлах, расходом энергии на токи Фуко. Чем выше общая мощность устройства, тем выше его КПД. Производится переменный ток, который преобразуется в постоянный при помощи диодного выпрямителя.

Преимущества и недостатки

Использование автомобильного генератора как элемента ветроэлектростанции дает существенные преимущества:

• Имеется готовый генератор, который может использоваться без вмешательства в конструкцию или с некоторой модернизацией.
• Автомобильный генератор выдает стабильное напряжение, что важно для ветряков с их постоянно меняющейся скоростью вращения.
• Используется стандартное оборудование, доступное и не нуждающееся во вмешательстве в конструкцию.
• Автомобильные генераторы широко распространены, что делает их ремонтопригодными и доступными для замены при необходимости.

Наряду с достоинствами имеются и некоторые недостатки:

• Автомобильный генератор нуждается в высокой скорости вращения, что требует использования повышающего редуктора или изменений в конструкции устройства.
• Ресурс автомобильного генератора ограничен примерно 4000 часами работы (в среднем). Даже новый генератор не выдержит и года непрерывной работы и потребует ремонта.
• Система возбуждения некоторых генераторов требует подачи напряжения на катушку, что вынуждает изменять конструкцию и устанавливать постоянные магниты.

Несмотря на имеющиеся недостатки, автомобильный генератор считается оптимальным вариантом, возможным при самостоятельном создании ветроэлектростанции.

Как сделать своими руками?

Изготовление ветрогенератора складывается из двух основных этапов:

• Создание вращающегося ротора с лопастями.
• Изготовление или модернизация генератора, приводимого во вращение крыльчаткой.

Изготовление крыльчатки требует отдельного подробного описания, так как существует масса вариантов конструкции, выбор наиболее подходящего из них требует определенных познаний и опыта.

Изготовление генератора своими руками требует четкого знания принципа работы устройства, обладания навыками, материалами и необходимыми инструментами. Для ускорения процесса и получения более качественного результата надо использовать готовое устройство, нуждающееся в небольших вмешательствах в конструкцию. Это поможет сэкономить время, усилия и получить устройство с заранее известными параметрами.

Обычным изменением, которое приходится вносить в конструкцию генератора, является установка постоянных неодимовых магнитов вместо обмотки возбуждения. Этот вариант создает возможность самовозбуждения и повышает производительность генератора, но нередко создает эффект залипания, затрудняющий старт вращения ротора.

Также часто изменяют число витков обмотки, индуцирующей ток. Таким образом повышается чувствительность устройства, создается возможность генерации тока на низких скоростях вращения. Примечательно, что все переделки производятся достаточно просто и не требуют глубокого вмешательства в конструкцию. Меняется количество витков и толщина провода обмотки.

Тихоходный генератор

Наиболее предпочтительна конструкция генератора, способного производить ток при малых оборотах. Скорость ветра в регионах России в большинстве средняя и низкая, создать номинальную скорость вращения для автомобильного генератора чрезвычайно сложно. Потребуется установка повышающего редуктора, который будет существенно уменьшать чувствительность.

Вариантов решения вопроса может быть несколько:

• Модернизация автомобильного генератора.
• Использование магнето в качестве основы для создания генератора.
• Создание быстроходного ротора, способного обеспечить необходимый режим работы генератора.

Первый вариант используется чаще всех в силу своей простоты и доступности, хотя изменения, вносимые в конструкцию, требуют использования производственного оборудования (токарный станок), приобретения супермагнитов (неодимовых) и изменения числа витков обмотки статора.

Применение магнето вызывает немало споров, хотя причиной для них становится неподготовленность. Конструкция магнето позволяет создать производительный и относительно тихоходный генератор, требуется лишь изменить параметры трансформатора на соответствующие режиму вращения имеющегося ветряка.

Изготовление быстроходных крыльчаток возможно при наличии естественных условий — наличие достаточно сильных и ровных ветров в регионе. Такое имеется не везде, в большинстве районов ветра слабые и имеют эпизодический характер.

Ветрогенератор из тракторного генератора Г-700

Тракторный генератор Г-700 имеет следующие номинальные параметры:

• Напряжение — 14 В.
• Сила тока — до 50 А.
• Скорость вращения — 5000 об/мин (номинальная), 6000 об/мин (максимальная).

Ротор ветряка не сможет обеспечить такую частоту вращения, поэтому потребуется перемотать обмотку статора для того, чтобы обеспечить нужную производительность при низкой скорости вращения. Для этого надо использовать более тонкий провод, чтобы увеличить число витков в катушках. Обычно используется провод толщиной 0,8 мм, число витков делается максимальным, сколько сможет вместить корпус статора. Обычно делается не менее 80 витков.

Катушка возбуждения также подлежит доработке. Обмотка перематывается таким же проводом, добавляется до 250 витков. В результате получается устройство практически с исходными параметрами, но способное работать на низких скоростях вращения.

После доработки генератор устанавливается на ротор ветряка, испытывается на производительность и чувствительность в рабочем режиме. При необходимости параметры обмоток могут быть изменены, оптимальный режим находится опытным путем на основании эксплуатационных показателей.

Ветряк из автогенератора от бычка

Неплохие результаты показывает автомобильный генератор от грузовика «Бычок». Понадобится перемотать обмотку статора проводом 0,6 мм (получено опытным путем), для трехфазной обмотки понадобится около 90 витков на каждую катушку, всего 18 шт.

Ротор генератора подлежит некоторой доработке — на токарном станке стачивается толщина (диаметр) для того, чтобы получить пространство под неодимовые магниты. Исследования показывают, что наилучший результат достигается при большом числе магнитов.

При этом, необходимо избегать сильного залипания, что можно регулировать увеличением расстояния от магнитов до сердечников статора. Имеется возможность добиться минимального залипания при максимальном выходном напряжении, что потребует некоторых затрат времени, по поможет получить оптимальных результатов.

Подготовленный генератор устанавливается на ветряк, присоединяется к крыльчатке и тестируется на практике.

Инструкция по сбору и установке

После перемотки или установки неодимовых магнитов генератор собирается обычным образом. Гайки на соединительных элементах надежно затягивают, исключая возможность расшатывания собранной конструкции. Провода качественно изолируют, по возможности помещают в гофрированную трубу. Снаружи корпус генератора неплохо защитить корпусом, в качестве которого можно использовать отрезок полипропиленовой трубы с заглушками, в которых проделаны соответствующие отверстия.

Монтаж устройства к ветряку производится согласно выбранной конструкции. Поскольку оптимальным способом является непосредственная установка крыльчатки на вал генератора, следует заранее предусмотреть способ крепления и изоляции от атмосферной влаги. В идеале вращающиеся части должны быть надежно закрыты от доступа внешнего воздуха, что предотвратит появление коррозии, обледенение, появление пылевых наносов.

Оптимальным способом монтажа принято считать фиксацию на опорной штанге при помощи хомутов. Такой вариант не нуждается в использовании крепежных болтов, опасных из-за возможности появления ржавчины и сложностей при ремонте. Проблемы, возникшие с хомутами, решить намного проще – их всегда можно срезать и заменить новыми.

Иногда приходится использовать соединительную муфту. Она устанавливается как переходный элемент с вала ротора ветряка на вал генератора, установленных соосно. Требуется точное соблюдение размеров и прочность крепления муфты, иначе передача вращения прекратится или будет происходить с большими потерями.

Рекомендуемые товары

Технологии ветряных генераторов | IntechOpen

1. Введение

Энергия ветра играет решающую роль в создании экологически устойчивой низкоуглеродной экономики. В этой главе представлен обзор технологий ветряных генераторов и сравниваются их преимущества и недостатки, используемые для использования энергии ветра. Традиционно машины постоянного тока, синхронные машины и индукционные машины с короткозамкнутым ротором использовались для маломасштабной выработки электроэнергии. Для средних и больших ветряных турбин (WT) индукционный генератор с двойным питанием (DFIG) в настоящее время является доминирующей технологией, в то время как генераторы с постоянным магнитом (PM), импульсным сопротивлением (SR) и высокотемпературными сверхпроводящими (HTS) генераторами все активно исследуются и развивалась годами.В этой главе обсуждаются топологии и особенности этих машин с особым вниманием к их практическим соображениям, связанным с проектированием, управлением и эксплуатацией. Надеемся, что в этой главе представлены краткие справочные руководства по разработке систем генерации ветряных турбин.

2. Использование энергии ветра

Использование энергии ветра можно датировать 5000 годом до нашей эры. когда парусные лодки переправлялись через реку Нил. Было зафиксировано, что с 200 г.C. и далее ветер использовался в качестве источника энергии для перекачивания воды, измельчения зерна и управления транспортными средствами и кораблями в древнем Китае и на Ближнем Востоке. Первая задокументированная ветряная мельница была в книге « Пневматика », написанной героем Александрии примерно в первом веке до нашей эры. или I век н. э. [52]. Фактически, эти ветряные мельницы используются для преобразования кинетической энергии в механическую.

Использование энергии ветра для выработки электроэнергии впервые появилось в конце 19, ^, века [35], но не получило широкого распространения из-за преобладания паровых турбин в производстве электроэнергии.Интерес к ветровой энергии возобновился в середине 1970-х годов после нефтяного кризиса и возросшей озабоченности по поводу сохранения ресурсов. Первоначально ветровая энергия начала набирать популярность в производстве электроэнергии для зарядки батарей [17] в удаленных энергосистемах, энергосистемах жилого масштаба, изолированных или островных энергосистемах и коммунальных сетях. Сами по себе эти ветряные турбины, как правило, небольшие (мощностью менее 100 кВт), но могут быть преобразованы в большую ветряную электростанцию ​​(мощностью 5 МВт или около того). Так продолжалось до начала 1990-х годов, когда ветровые проекты действительно начали развиваться, в основном благодаря правительственным и промышленным инициативам.Это было также в 1990-х годах, когда в основных странах ветроэнергетики, особенно в Европе, акцент, казалось, сместился с береговых на морские разработки.

Морские ветряные турбины были впервые предложены в Германии в 1930-х годах и впервые установлены в Швеции в 1991 году и в Дании в 1992 году. К июлю 2010 года в Европе было установлено 2,4 ГВт морских ветряных турбин. По сравнению с наземной ветровой энергией, морская ветровая энергия имеет некоторые привлекательные атрибуты, такие как более высокая скорость ветра, доступность более крупных площадок для разработки, более низкий сдвиг ветра и более низкая собственная интенсивность турбулентности.Но недостатки связаны с тяжелыми условиями работы, высокими затратами на установку и обслуживание. Для морских операций основные компоненты должны быть обработаны дополнительными антикоррозийными мерами и осушающей способностью [24]. Чтобы избежать внепланового технического обслуживания, они также должны быть оснащены функцией устранения неисправностей для повышения их надежности.

Рисунок 1.

Постоянно растущие размеры ветряных турбин с горизонтальной осью [36].

За последние три десятилетия ветряные турбины претерпели значительные изменения, поскольку мировой рынок ветроэнергетики постоянно и быстро растет.К концу 2009 г. мировая мощность достигла 160 ГВт [7]. Прогнозируется, что на мировом рынке электроэнергии проникновение ветровой энергии вырастет с 1% в 2008 году до 8% в 2035 году [45]. Это достигается просто за счет разработки более крупных ветряных турбин и использования большего количества ветряных электростанций. По размерам большие ветряки порядка МВт начали появляться в ЕС, США, а теперь и в Китае и Индии. Как правило, мощность крупных ветряных турбин, установленных в электрических сетях, составляет от 1,5 до 5 МВт, а мощность от 7,5 до 10 МВт находится в стадии интенсивной разработки, как показано на рис.1. В настоящее время современные ветряные турбины надежны, бесшумны, рентабельны и коммерчески конкурентоспособны, в то время как технологии ветряных турбин проверены и отработаны. В настоящее время технические проблемы обычно связаны с постоянно растущими размерами ветряных турбин, передачей энергии, накоплением энергии, энергоэффективностью, стабильностью системы и отказоустойчивостью.

Рис. 2.

Мировой энергетический потенциал наземных ветряных турбин (расчетный выход энергии в кВтч / кВт от ветряной турбины, рассчитанной на скорость 11 м / с) [36].

В настоящее время ветроэнергетика широко признана как основной реальный источник возобновляемой энергии, который можно экономно использовать в больших количествах. Мировая карта потенциала ветровой энергии проиллюстрирована на рис. 2. Если взять, например, Соединенное Королевство, используемой морской ветровой энергии достаточно, чтобы обеспечить в три раза больше, чем требуется в стране, потребление электроэнергии при достаточной поддержке. Тем не менее, энергия ветра колеблется по своей природе, и такие приложения требуют высокой надежности и доступности, в то время как рынок все еще стремится снизить вес, сложность и эксплуатационные расходы.

3. Ветровые турбины

Ясно, что ветроэнергетика занимает важное место в правительственной и институциональной повестке дня. Однако на пути ее широкого распространения есть некоторые камни преткновения.

Ветряные турбины имеют разную топологию, архитектуру и конструктивные особенности. Схема системы генерации ветряных турбин представлена ​​на рис. 3. Некоторые варианты топологий ветряных турбин следующие [35],

• Ориентация оси ротора: горизонтальная или вертикальная;

• Положение ротора: по ветру или по ветру от башни;

• Скорость ротора: постоянная или переменная;

• Ступица: жесткая, качающаяся, карданная или шарнирная лопасти;

• Жесткость: неподвижная или гибкая;

• Количество лезвий: одно, два, три и даже больше;

• Управление мощностью: сваливание, тангаж, рыскание или аэродинамические поверхности;

• Контроль рыскания: активный или свободный.

В этой главе основное внимание уделяется только ветряным турбинам с горизонтальной осью (HAWT), которые являются преобладающим типом топологии ветряных турбин, что подтверждается на рис. 4.

Рис. 3.

Схема системы выработки ветряных турбин [50].

Ветровые турбины включают важные механические компоненты, такие как лопасти и роторы турбины, привод и генераторы. Они стоят более 30% от общих капитальных затрат на морской ветроэнергетический проект [24]. В общем, ветряные турбины предназначены для использования в относительно труднодоступных местах, что накладывает некоторые ограничения на конструкцию несколькими способами.В случае оффшорной среды сайт может быть реально доступен для обслуживания один раз в год. В результате отказоустойчивость ветряной турбины имеет большое значение для развития ветряной электростанции.

Рисунок 4.

Общепринятый тип ветряной турбины и его разновидности [24].

Одним из ключевых компонентов ветряной турбины является привод, который соединяет аэродинамический ротор и электрические выходные клеммы. Оптимизация ветряных турбинных генераторов не может быть реализована без учета механических, конструктивных, гидравлических и магнитных характеристик трансмиссии.Обзор технологий трансмиссии показан на рис. 5 для сравнения. Как правило, их можно разделить на четыре типа в соответствии с их структурой [24]:

• Обычные: редуктор и высокоскоростной генератор с несколькими парами полюсов.

• Прямой привод: любая трансмиссия без коробки передач и тихоходного генератора с большим количеством пар полюсов.

• Гибрид: любая трансмиссия с коробкой передач и частотой вращения генератора между двумя вышеуказанными типами.

• Несколько генераторов: любая трансмиссия с более чем одним генератором.

Топология трансмиссии может вызвать такие проблемы, как интеграция ротора и коробки передач / подшипников, изоляция валов шестерни и генератора от механических изгибающих нагрузок, целостность и пути нагрузки. Хотя обслуживание отдельных компонентов ветровой турбины, таких как редукторы, подшипники и генераторы, может оказаться проще, промышленность все больше отдает предпочтение системной конструкции интегрированных компонентов трансмиссии.

4. Генераторы ветряных турбин

Одним из ограничивающих факторов в ветровых турбинах является технология их генераторов. Среди ученых и представителей промышленности нет единого мнения о лучших технологиях ветряных генераторов. Традиционно существует три основных типа ветряных генераторов (WTG), которые можно рассматривать для различных систем ветряных турбин: это синхронные генераторы постоянного тока (DC), переменного тока (AC) и асинхронные генераторы переменного тока. В принципе, каждый из них может работать с фиксированной или переменной скоростью.Из-за изменчивого характера энергии ветра выгодно использовать WTG с переменной скоростью, что снижает физическую нагрузку на лопатки турбины и привод, а также улучшает аэродинамическую эффективность системы и переходные характеристики крутящего момента.

(a) Технологии генерации постоянного тока

В обычных машинах постоянного тока поле находится на статоре, а якорь — на роторе. Статор состоит из нескольких полюсов, которые возбуждаются либо постоянными магнитами, либо обмотками постоянного тока.Если машина находится в электрическом возбуждении, она обычно работает по принципу генератора постоянного тока с шунтирующей обмоткой.

Рисунок 5.

Технологии трансмиссии системного уровня [24].

Пример системы ветрогенератора постоянного тока показан на рис. 6. Он состоит из ветряной турбины, генератора постоянного тока, инвертора на биполярном транзисторе с изолированным затвором (IGBT), контроллера, трансформатора и электросети. Для генераторов постоянного тока с шунтирующей обмоткой ток возбуждения (и, следовательно, магнитное поле) увеличивается с рабочей скоростью, в то время как фактическая скорость ветряной турбины определяется балансом между крутящим моментом привода WT и крутящим моментом нагрузки.Ротор включает в себя намотанные на якорь проводники, которые соединены с комментатором с разъемным контактным кольцом. Электроэнергия извлекается через щетки, соединяющие комментатор, который используется для преобразования генерируемой мощности переменного тока в выход постоянного тока. Очевидно, что они требуют регулярного обслуживания и относительно дороги из-за использования коммутаторов и щеток.

В целом, эти WTG постоянного тока необычны для ветряных турбин, за исключением ситуаций с низким потреблением энергии [47; 23; 33; 54], где нагрузка физически близка к ветряной турбине, в системах отопления или при зарядке аккумулятора.

Рисунок 6.

Схема системы генератора постоянного тока [33].

(б) Технологии синхронных генераторов переменного тока

С самого начала разработки ветряных турбин были предприняты значительные усилия по использованию трехфазных синхронных машин. Синхронные WTG переменного тока могут принимать постоянное или постоянное возбуждение от постоянных магнитов или электромагнитов и поэтому называются синхронными генераторами с постоянными магнитами (PMSG) и синхронными генераторами с электрическим возбуждением (EESG) соответственно.Когда ротор приводится в движение ветряной турбиной, трехфазная энергия генерируется в обмотках статора, которые подключены к сети через трансформаторы и преобразователи энергии. Для синхронных генераторов с фиксированной скоростью частота вращения ротора должна поддерживаться точно на уровне синхронной скорости. Иначе синхронизация будет потеряна.

Синхронные генераторы — это проверенная машинная технология, поскольку их эффективность для выработки электроэнергии изучалась и широко применялась в течение долгого времени. Схема обычного синхронного генератора в разрезе показана на рис.7. Теоретически характеристиками реактивной мощности синхронных WTG можно легко управлять через цепь возбуждения для электрического возбуждения. Тем не менее, при использовании синхронных генераторов с фиксированной скоростью случайные колебания скорости ветра и периодические возмущения, вызванные эффектами затенения башни и естественными резонансами компонентов, будут передаваться в электросеть. Кроме того, синхронные WTG имеют тенденцию к низкому демпфирующему эффекту, поэтому они не позволяют электрически поглощать переходные процессы трансмиссии.Как следствие, они требуют дополнительного демпфирующего элемента (например, гибкой муфты в трансмиссии) или узла коробки передач, установленного на пружинах и амортизаторах. Когда они интегрированы в электросеть, синхронизация их частоты с частотой сети требует деликатной операции. Кроме того, они, как правило, более сложны, дороги и более подвержены отказу, чем индукционные генераторы. В случае использования электромагнитов в синхронных машинах управление напряжением происходит в синхронной машине, тогда как в машинах с возбуждением от постоянных магнитов управление напряжением достигается в цепи преобразователя.

Рисунок 7.

Разрез синхронного генератора [22].

В последние десятилетия генераторы PM постепенно стали использоваться в ветряных турбинах из-за их высокой плотности мощности и малой массы [39]. Часто эти машины называют синхронными генераторами с постоянными магнитами (PMSG) и рассматривают как предпочтительную машину в небольших ветряных генераторах. Структура генератора относительно проста. Как показано на рис. 8. Прочные PM устанавливаются на ротор для создания постоянного магнитного поля, а генерируемое электричество отбирается от якоря (статора) с помощью коммутатора, контактных колец или щеток.Иногда PM могут быть встроены в цилиндрический литой алюминиевый ротор для снижения затрат [35]. Принцип работы генераторов PM аналогичен принципу работы синхронных генераторов, за исключением того, что генераторы PM могут работать асинхронно. Преимущества PMSG включают отсутствие коммутатора, контактных колец и щеток, что делает машины прочными, надежными и простыми. Использование PM устраняет обмотку возбуждения (и связанные с ней потери мощности), но делает невозможным управление полем, а стоимость PM может быть непомерно высокой для больших машин.

Поскольку фактическая скорость ветра переменная, PMSG не могут вырабатывать электроэнергию с фиксированной частотой. В результате они должны быть подключены к электросети через преобразование переменного тока в постоянное с помощью преобразователей мощности. То есть генерируемая мощность переменного тока (с переменной частотой и величиной) сначала выпрямляется в фиксированный постоянный ток, а затем преобразуется обратно в мощность переменного тока (с фиксированной частотой и величиной). Также очень привлекательно использовать эти машины с постоянными магнитами для прямого привода.Очевидно, что в этом случае они могут устранить неисправные редукторы, которые вызывают большинство отказов ветряных турбин. Машины должны иметь большое число полюсов и быть физически большими, чем редукторные машины аналогичного номинала.

Рисунок 8.

Разрез синхронного генератора с постоянными магнитами [18].

Потенциальным вариантом синхронных генераторов является высокотемпературный сверхпроводящий генератор [31; 27; 49; 55]. См. Рис. 9 для низкоскоростной синхронной системы генератора HTS мощностью несколько МВт.Машина содержит статор железо, медь статора обмотку, HTS полевых катушки, сердечник ротора, опорную конструкцию ротора, ротор систему охлаждения, криостат и внешний холодильник, электромагнитный экран и заслонку, подшипник, вал и корпус. В конструкции машины компоновка статора, ротора, охлаждения и коробки передач может создавать особые проблемы для поддержания катушек HTS в условиях эксплуатации при низких температурах.

Рисунок 9.

Схема системы синхронного генератора HTS [11].

Сверхпроводящие катушки могут пропускать в 10 раз больший ток, чем обычные медные провода, с незначительным сопротивлением и потерями в проводнике. Без сомнения, использование сверхпроводников устранит все потери мощности в цепи возбуждения, а способность сверхпроводимости увеличивать плотность тока позволяет создавать сильные магнитные поля, что приводит к значительному уменьшению массы и размеров генераторов ветряных турбин. Таким образом, сверхпроводящие генераторы являются многообещающими в плане высокой мощности и снижения веса, возможно, лучше подходят для ветряных турбин мощностью 10 МВт или более.В 2005 году компания «Сименс» успешно запустила в производство первый в мире сверхпроводящий ветрогенератор, представляющий собой синхронный генератор мощностью 4 МВт. Тем не менее, существует множество технических проблем, с которыми приходится сталкиваться, особенно в отношении долговечных ветряных турбин, не требующих особого обслуживания. Например, всегда существует необходимость в обслуживании криогенных систем, чтобы время для охлаждения и восстановления работы после остановки было дополнительной проблемой.

(c) Асинхронные генераторы переменного тока

В то время как в традиционной выработке электроэнергии используются синхронные машины, в современных ветроэнергетических системах широко используются индукционные машины в ветряных турбинах.Эти индукционные генераторы делятся на два типа: индукционные генераторы с фиксированной скоростью (FSIG) с роторами с короткозамкнутым ротором (иногда называемые индукционными генераторами с короткозамкнутым ротором — SQIG) [40; 1] и индукционные генераторы с двойным питанием (ДФИГ) с намотанными роторами [9; 29; 19; 32, 43; 13; 34]. Схемы в разрезе индукционного генератора с короткозамкнутым ротором и индукционного генератора с двойным питанием представлены на рисунках 10 и 11 соответственно, а их топология системы дополнительно проиллюстрирована на рисунке 12.

При питании от трехфазного переменного тока При подаче питания на статор через воздушный зазор создается вращающееся магнитное поле.Если ротор вращается со скоростью, отличной от синхронной, возникает проскальзывание и на цепь ротора подается питание. В целом индукционные машины просты, надежны, недороги и хорошо разработаны. Они обладают высокой степенью демпфирования и способны поглощать колебания скорости ротора и переходные процессы трансмиссии (т. Е. Отказоустойчивые). Однако асинхронные машины потребляют реактивную мощность из сети, и поэтому требуется некоторая форма компенсации реактивной мощности, такая как использование конденсаторов или преобразователей мощности.Для индукционных генераторов с фиксированной частотой вращения статор подключается к сети через трансформатор, а ротор подключается к ветряной турбине через редуктор. Скорость ротора считается фиксированной (фактически, варьирующейся в узком диапазоне). До 1998 года большинство производителей ветряных турбин выпускали индукционные генераторы с фиксированной частотой вращения мощностью 1,5 МВт и ниже. Эти генераторы обычно работали со скоростью 1500 оборотов в минуту (об / мин) для электросети 50 Гц [37] с трехступенчатой ​​коробкой передач.

Рисунок 10.

Разрез индукционного генератора с короткозамкнутым ротором [22].

Рисунок 11.

Разрез индукционного генератора с двойным питанием и вращающимся трансформатором [43].

SCIG могут использоваться в ветряных турбинах с регулируемой скоростью, а также в управлении синхронными машинами. Однако выходное напряжение нельзя контролировать, и реактивная мощность должна подаваться извне. Очевидно, что индукционные генераторы с фиксированной частотой вращения могут работать только в очень узком диапазоне дискретных скоростей.Другие недостатки машин связаны с размерами машины, шумом, низкой эффективностью и надежностью. Доказано, что эти машины вызывают серьезные сбои в обслуживании и последующее техническое обслуживание.

Рис. 12.

Схема двух систем индукционных генераторов.

SCIG лидировали на рынке ветряных турбин до последнего тысячелетия [16; 26], уступив место широкому распространению DFIG. В настоящее время более 85% установленных ветряных турбин используют DFIG [41], а самая большая мощность для промышленных ветряных турбин с DFIG увеличилась до 5 МВт в промышленности.В топологии DFIG статор напрямую подключен к сети через трансформаторы, а ротор подключается к сети через силовые преобразователи с ШИМ. Преобразователи могут управлять током в цепи ротора, частотой и сдвигом фазового угла. Такие индукционные генераторы могут работать в широком диапазоне скольжения (обычно ± 30% от синхронной скорости). В результате они предлагают множество преимуществ, таких как высокий выход энергии, снижение механических напряжений и колебаний мощности, а также возможность регулирования реактивной мощности.

Для индукционных генераторов вся реактивная мощность, возбуждающая магнитные цепи, должна поступать от сети или местных конденсаторов. Индукционные генераторы подвержены нестабильности напряжения. Когда конденсаторы используются для компенсации коэффициента мощности, существует риск самовозбуждения. Кроме того, эффект демпфирования может привести к потерям мощности в роторе. Нет прямого управления ни напряжением на клеммах (т.е. реактивной мощностью), ни устойчивыми токами короткого замыкания.

Как показано на рис.12 (b), ротор DFIG механически связан с ветряной турбиной через систему привода, которая может содержать высокоскоростные и низкоскоростные валы, подшипники и коробку передач. Ротор питается от двунаправленных преобразователей напряжения. Таким образом, скорость и крутящий момент DFIG можно регулировать, управляя преобразователем на стороне ротора (RSC). Другая особенность заключается в том, что DFIG могут работать как в подсинхронных, так и в суперсинхронных условиях. Статор всегда передает мощность в сеть, а ротор может передавать мощность в обоих направлениях.Последнее связано с тем, что преобразователи ШИМ способны подавать напряжение и ток с разными фазовыми углами. В подсинхронном режиме преобразователь на стороне ротора действует как инвертор, а преобразователь на стороне сети (GSC) — как выпрямитель. В этом случае активная мощность течет от сети к ротору. В суперсинхронном режиме RSC работает как выпрямитель, а GSC как инвертор. Следовательно, активная мощность течет от статора, а также от ротора к электросети.

Рисунок 13.

Пофазная эквивалентная схема DFIG.

Для анализа характеристик DFIG всегда необходимо использовать его пофазную эквивалентную схему, как показано на рисунке 13. Из этого рисунка можно увидеть, что DFIG отличается от обычной индукционной машины в цепи ротора, где Источник напряжения добавлен для подачи напряжения в цепь ротора. Фактическое управление d — q DFIG аналогично управлению величиной и фазой подаваемого напряжения в цепи.

Матричная форма уравнения для этой схемы:

[VsVr / s] = [Rs + j (Xs + Xm) −jXm − jXmRr / s + j (Xr + Xm)] [IsIr] E1

Входная мощность P _в можно суммировать из выходной мощности P _из и общих потерь P _потерь . Последние включают потери в проводнике статора P _cu1 , потери в проводнике ротора P _cu2 , потери в сердечнике P _{сердечника} , потери на ветер и трение P _wf и потеря паразитной нагрузки P _{случайная} .Среди этих потерь предполагается, что P _cu1 изменяется в зависимости от квадрата тока статора I _с , в то время как P _cu2 изменяется в зависимости от квадрата тока ротора I _р . Потери паразитной нагрузки можно разделить на две части: основной компонент P _fun , возникающий на стороне статора, и P _har на стороне ротора.Таким образом, P _{удовольствие} пропорционально I _s ² , а P _har пропорционально I _r ^{2 .}

Суммарные потери тогда равны

Ploss = 3Is2 (Rs + Rfun) + 3Ir2 (Rr ‘+ Rhar) + Pcore + PwfE2

Эффективность DFIG составляет

η = PoutPin = 3Voutcosφr6Is (Rs + Rfun + Rr’ + Rhar) + 3VoutcosφrE3

КПД можно выразить как функцию тока нагрузки I _с , и эта функция является непрерывной и монотонной.Следовательно, максимальная эффективность может быть найдена, когда

То есть условие максимальной эффективности для DFIG составляет

Pcore + Pwf = Pcu1 + Pcu2 + PstrayE5

Для оптимизации конструкции машины DFIG, ее потери и эффективность должны быть определены численно. или экспериментально. Дополнительным параметром уточнения является рабочая точка машины. Условие возникновения максимального КПД указывает: когда потери, зависящие от нагрузки, уравнивают потери, не зависящие от нагрузки, КПД машины достигает пика.При проектировании и эксплуатации DFIG выгодно согласовывать характеристики генератора с конкретной скоростью ветра, перемещая точку максимального КПД ближе к номинальной или эксплуатационной нагрузке.

Для целей управления математическая модель DFIG основана на синхронной системе отсчета, как показано ниже,

{vsd = rsisd + dψsddt − ωsψsqvsq = rsisq + dψsqdt + ωsψsdE6 {vrd = rrird + dψrddt− (ωs − ωr) ψrqr + dψrqdt + (ωs − ωr) ψrdE7 {ψsd = (Lls + Lm) isd + Lmirdψsq = (Lls + Lm) isq + LmirqE8 {ψrd = (Llr + Lm) ird + Lmisdψrq = (Llr + Lm) irq9 + Lmis rrare сопротивления статора и ротора в Ω, Lls и Llrare индуктивности рассеяния статора и ротора в H, Lm — индуктивность намагничивания в H.ωsis синхронная электрическая скорость в рад / сек. ω — электрическая скорость ротора DFIG и ее связь с механической скоростью ротора ωgisωr = Pωg, где P — пары полюсов.

Электромагнитный крутящий момент определяется как

Te = 32PLm (isqird-isdirq) E10

В DFIG активная мощность используется для оценки выходной мощности, а реактивная мощность отвечает за ее электрические характеристики в сети. DFIG требует некоторого количества реактивной мощности для установления своего магнитного поля. В случае систем, подключенных к сети, генератор получает реактивную мощность от самой сети [48].В случае изолированной работы системы реактивная мощность должна обеспечиваться внешними источниками, такими как конденсаторы [4] или батареи [9].

(d) Технологии генераторов с коммутируемым сопротивлением

ВГТ с коммутируемым сопротивлением имеют выступающие роторы и статор. Когда ротор вращается, сопротивление магнитной цепи, соединяющей статор и ротор, изменяется и, в свою очередь, индуцирует токи в обмотке якоря (статора). См. Рис. 14, где представлена ​​схема системы импульсного генератора реактивного сопротивления.

Рис. 14.

Схема системы импульсного генератора реактивного сопротивления [12].

Реактивный ротор изготовлен из многослойных стальных листов и не имеет обмоток электрического поля или постоянных магнитов. В результате реактивная машина проста, проста в изготовлении и сборке. Очевидной особенностью является их высокая надежность, поскольку они могут работать в суровых или высокотемпературных условиях. Поскольку реактивный крутящий момент составляет лишь часть электрического крутящего момента, переключаемый реактивный ротор обычно больше, чем другие с электрическими возбуждениями для данного номинального крутящего момента.Если реактивные машины объединить с функциями прямого привода, они будут чрезвычайно большими и тяжелыми, что сделает их менее подходящими для применения в ветроэнергетике.

5. Конструктивные особенности и проблемы

В общем, ветряные турбогенераторы можно выбрать из имеющихся в продаже электрических машин с небольшими модификациями или без них. Если требуется, чтобы конструкция ветряной турбины соответствовала конкретному объекту, следует принять во внимание некоторые ключевые моменты. К ним относятся:

• Выбор машин

• Тип трансмиссии

• Топология щеток

• Номинальные и рабочие скорости

• Номинальный и рабочий крутящие моменты

• Передаточное число наконечников

• Мощность и ток

• Регулировка напряжения (синхронные генераторы)

• Способы пуска

• Пусковой ток (индукционные генераторы)

• Синхронизация (синхронные генераторы)

• Охлаждающее устройство

• Компенсация коэффициента мощности и реактивной мощности (индукционные генераторы)

• Топология преобразователя мощности

• Вес и размер

• Защита (морская среда)

• Капитальные затраты и техническое обслуживание.

Среди этих конструктивных соображений особое внимание уделяется выбору рабочей скорости, типа привода, топологии щеток и преобразователя мощности, которые затем подробно анализируются.

(a) Фиксированная или регулируемая скорость?

Очевидно, что выгодно использовать WTG с переменной скоростью. Причин несколько. Когда скорость ветра ниже номинальной, работа скорости ротора со скоростью ветра и поддержание постоянного передаточного числа конечных скоростей гарантируют, что ветряная турбина будет извлекать максимальную энергию.Работа с регулируемой скоростью помогает снизить колебания механических нагрузок на трансмиссию и вал машины, снизить вероятность усталости и повреждений, а также снизить аэродинамический акустический шум. Ротор может действовать как регенеративный накопитель (например, маховик), сглаживая колебания крутящего момента и мощности до входа в трансмиссию. Прямое управление крутящим моментом в воздушном зазоре также помогает минимизировать колебания крутящего момента коробки передач. Поскольку между генератором ветряной турбины и электросетью имеется преобразователь частоты, становится возможным разделить частоту сети и скорость вращения ротора.Это позволяет работать с регулируемой скоростью ротора и контролировать крутящий момент в воздушном зазоре машины. Кроме того, работа с регулируемой скоростью позволяет отдельно контролировать активную и реактивную мощность, а также коэффициент мощности. Теоретически можно использовать некоторые ветряные генераторы для компенсации низкого коэффициента мощности, вызванного соседними потребителями. С экономической точки зрения, ветряная турбина с регулируемой скоростью может производить на 8-15% больше энергии, чем ее аналоги с фиксированной скоростью [45]. Тем не менее, капитальные затраты будут увеличиваться из-за привода с регулируемой скоростью и преобразователей мощности, а также из-за повышенных требований к сложности и управлению.

Рисунок 15.

Система регулирования скорости [35].

В принципе, работа с переменной скоростью может быть достигнута механически с использованием дифференциальных коробок передач или систем бесступенчатой ​​трансмиссии [8], основанных на управлении скоростью и угловой скоростью гироскопов. Но общая практика заключается в достижении этой цели электрическими средствами. Используются два основных метода: регулировка скорости в широком и узком диапазоне [8]. Первое относится к широкому рабочему диапазону от нуля до полной номинальной скорости, а второе относится к узкому рабочему диапазону между долей (до ± 50%) синхронной скорости.В действительности, этого последнего диапазона практически достаточно, и он может значительно сэкономить на силовых электронных преобразователях. Регулирование скорости с обратной связью с помощью такого метода показано на рис. 15.

При проектировании ветряных турбин с регулируемой скоростью необходимо учитывать три аспекта управления, связанных со скоростью ветра. Во-первых, следует поддерживать постоянную оптимизированную скорость наконечника для достижения максимальной аэродинамической эффективности путем изменения скорости ротора в зависимости от фактической скорости ветра. Во-вторых, скорость ротора должна поддерживаться постоянной после того, как ротор достиг своей номинальной скорости, а мощность — нет, в случае умеренного ветра.Когда скорость ветра выше, управление должно поддерживать постоянную номинальную мощность с помощью управления углом тангажа или сваливания. При использовании управления углом наклона шаг лопастей изменяется для управления скоростью ротора вместе с крутящим моментом генератора.

(б) Прямой или редукторный привод?

В ветряной турбине с зубчатой ​​передачей скорость генератора увеличивается вместе с передаточным числом, так что снижение веса машины компенсируется увеличением веса коробки передач. Например, ветряная турбина работает со скоростью 15 об / мин, а генератор рассчитан на работу 1200 об / мин (при 60 Гц) [2].Коробка передач с повышенным числом оборотов 1:80 необходима для согласования частоты вращения / крутящего момента турбины с данными генератора.

Однако исторически отказы редукторов представляют собой серьезную проблему для работы ветряных электростанций. Это особенно верно для морских ветряных турбин, которые расположены в суровых и труднодоступных условиях. Из-за этого все чаще используются системы прямого привода в новых ветроэнергетических установках. Одним из примеров является возбужденный синхронный генератор с возбужденным полевым ротором, конструкция которого хорошо зарекомендовала себя на рынке; и другим может быть популярная конструкция генератора неодимового магнита, которая также привлекает большое внимание на рынке.

Очевидно, что конфигурация с прямым приводом устраняет необходимость в зубчатых колесах и связанные с ними проблемы надежности [46]. Поэтому некоторые производители ветряных турбин сейчас переходят на генераторы с прямым приводом для повышения надежности системы. Поскольку генераторы ветряных турбин работают с силовыми электронными преобразователями, топология прямого привода может обеспечить некоторую гибкость в требованиях к напряжению и мощности машин. Тем не менее недостаток прямого привода связан с низкой частотой вращения турбогенератора.При уменьшении номинальной скорости машины объем и вес ее ротора увеличиваются приблизительно в обратной пропорции для данной выходной мощности. Это можно объяснить следующим уравнением, определяющим выходную мощность любой вращающейся электрической машины [28]:

, где k — постоянная величина, n — скорость вращения ротора, D — диаметр ротора и L — длина ротора в условных единицах.

Прямой привод увеличивает размер электрогенераторов, что эффективно компенсирует снижение веса за счет снятия редукторов.На рис. 16 показан ветрогенератор с прямым приводом, который более чем в 10 раз больше, чем его аналог с редуктором. Более того, для подключения к сети обычно требуются преобразователи мощности с полной номинальной мощностью. Как следствие, всегда необходимо соблюдать баланс между массой машин и редукторов. В гибридных системах используется одна или две ступени шестерен, а не три или четыре, как это требуется в обычных генераторах МВ. Иногда гибридные системы могут предложить лучший компромисс с точки зрения общей производительности ветряной турбины.

Рисунок 16.

Пример ветряного генератора с прямым приводом MW.

Для прямого привода популярной опцией станка являются синхронные машины с постоянным магнитом. Хотя значительные усилия и инвестиции были потрачены на улучшение реактивных машин [10; 15], они по-прежнему не являются коммерчески конкурентоспособными. Прямой привод создает некоторые проблемы при проектировании генератора и преобразователей энергии. Для генераторов с прямым приводом с постоянными магнитами требуется значительное количество дорогостоящих редкоземельных постоянных магнитов [51; 53; 44].Кроме того, необходимо увеличить номинальные характеристики IGBT в обратном преобразователе или интегрировать компоненты преобразователя со стороны машины с обмотками статора. Очевидно, преимуществом прямого привода является удаление редуктора за счет увеличения габаритов и веса ветрогенератора. Как показывает практика, объем машины пропорционален требуемому крутящему моменту и обратно пропорционален рабочей скорости для данной мощности. Увеличенная масса генератора может быть ограничивающим фактором для морских установок, поскольку грузоподъемность обычно ограничивается 100 тоннами, так что мощность генератора с прямым приводом не может превышать 10 МВт.

В гибридном варианте размер и скорость генератора находятся между прямым и редукторным приводом. В этом случае синхронные машины более популярны, чем асинхронные. Как правило, это среднескоростные многополюсные генераторы, которые почти всегда представляют собой машины с постоянными магнитами. Гибридная трансмиссия может облегчить установку большего количества гондол и соответствовать размеру генератора и коробки передач.

(c) Матовая или бесщеточная топология?

В целом, машины постоянного тока, синхронные генераторы с фазным ротором, индукционные генераторы с фазным ротором используют коммутаторы, щетки или токосъемники для доступа к цепям вращающегося ротора.Следовательно, текущее обслуживание и замена приводят к некоторым трудностям при использовании ветроэнергетики, особенно для морских установок. Ясно, что было бы особенно желательно избавиться от любых компонентов, физически связанных с вращающимися частями ветряных турбин. Есть несколько способов добиться этого. Взяв, к примеру, DFIG, решением могут быть бесщеточные генераторы с двойной подачей питания (BDFG). В них используются две обмотки статора (силовая и управляющая) с разным числом полюсов.Ротор может быть с короткозамкнутым ротором, и через ротор устанавливается непрямое соединение двух обмоток статора. Также возможно использование реактивного ротора в этой топологии, где машина стала бесщеточным генератором сопротивления [6, 14, 25]. За счет модификации обычных машин достигается более высокая надежность за счет отсутствия щеток и контактных колец. Наказанием является использование двух машин в машинном ящике.

(d) Двухуровневый, многоуровневый или матричный преобразователь?

Силовая электроника признана ключевым компонентом ветряных турбин.В целом, на ветроэнергетическом рынке широко используются три типа преобразователей. Это двухуровневые, многоуровневые и матричные преобразователи.

Двухуровневые преобразователи мощности обычно называют «параллельными преобразователями ШИМ», как показано на рис. 17 (a). В их состав входят два инвертора источника напряжения (со схемой управления ШИМ), подключенные через конденсатор постоянного тока. Это отработанная технология, но она отличается высокой стоимостью, большими потерями при переключении и большими конденсаторами постоянного тока. Любые преобразователи мощности, имеющие три или более уровней напряжения, называются «многоуровневыми преобразователями».Они проиллюстрированы на рис. 17 (b). Они особенно популярны в ветряных турбинах мощностью несколько МВт, поскольку они обеспечивают лучшее напряжение и мощность, меньшие потери при переключении и общие гармонические искажения. Однако силовые электронные схемы более сложны и дороги.

Рисунок 17.

Три типа преобразователей энергии в ветроэнергетических установках. (а) [21], (б) [42], (в) [5].

Напротив, матричные преобразователи отличаются способом преобразования AC-AC. Они устраняют необходимость в каскаде постоянного тока и напрямую синтезируют форму волны входящего переменного напряжения для согласования с требуемым выходным переменным током.Как показано на рис. 17 (c), они обычно имеют девять силовых электронных переключателей, три из которых находятся на общей ножке. Исключение конденсаторов постоянного тока повышает надежность, размер, эффективность и стоимость преобразователей энергии. Недостатками являются ограниченное напряжение (до 86% входного напряжения), чувствительность к помехам в сети [26] и большие потери проводящей мощности.

5. Сравнение производительности

Количественное сравнение генераторов DFIG, синхронных генераторов и генераторов с постоянными магнитами приведено в таблице 1. Можно видеть, что ветряные генераторы с прямым приводом больше по размеру, но короче по длине по сравнению с аналогами с редуктором.Исходя из этого ограниченного диапазона данных, трехступенчатые редукторы DFIG кажутся самыми легкими; обычные синхронные генераторы — самые тяжелые и дорогостоящие машины.

Кроме того, в таблице 2 приведено сравнение производительности различных ветряных турбин. ступенчатый редуктор 3-ступенчатый редуктор Прямой привод с электрическим возбуждением PM 1-ступенчатый редуктор Прямой привод PM Диаметр воздушного зазора4 (м)