Hur synkrona generatorer med permanentmagneter används i vindkraftverk

Permanent-magnet synkron teknologi används ofta i moderna elektriska maskiner, från industrimotorer till vindkraftsgeneratorer.

I ett vindturbin fungerar dock permanentmagnetmaskinen normalt som en generator, inte som en motor. Av denna anledning är termen Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) mer exakt än PMSM när man diskuterar den huvudsakliga kraftgenereringsenheten inuti ett vindturbin.

De elektromagnetiska principerna är nära besläktade, men riktningen för energiomvandlingen är annorlunda.

En PMSM omvandlar elektrisk energi till mekanisk rotation. En PMSG gör tvärtom: den roterande vindturbinens drivlina levererar mekanisk energi till generatorn, som omvandlar den till elektrisk kraft.

Att förstå denna skillnad gör det mycket lättare att se var permanentmagnetteknologi passar in i moderna vindkraftssystem.

Var sitter den permanenta magnetgeneratorn i ett vindkraftverk?

Vinden vrider turbinbladen och rotorn.

Den mekaniska rotationen måste sedan omvandlas till elektricitet av generatorn.

Det finns två breda drivlinsarrangemang.

Växlade vindkraftverk

I en växlad drivlina roterar turbinrotorn relativt långsamt.

En växellåda ökar varvtalet innan mekanisk kraft når generatorn.

Detta gör att generatorn kan arbeta med en högre rotationshastighet än turbinrotorn.

Syftet med växellådan är därför att matcha rotorns och generatorns mekaniska hastighetskrav. Det ska inte bara beskrivas som att "matcha nätfrekvensen", eftersom moderna turbiner med variabel hastighet normalt använder kraftelektronik mellan generatorn och nätet.

Direktdrivna vindkraftverk

Ett direktdrivet system tar bort huvudväxellådan.

Generatorn är mycket mer direkt kopplad till turbinrotorn och måste därför arbeta med ett mycket lägre varvtal samtidigt som det producerar högt vridmoment.

Detta förändrar generatorns design avsevärt.

Direktdrivna permanentmagnetgeneratorer är vanligtvis större i diameter och använder flera magnetiska poler så att användbar elektrisk uteffekt kan produceras vid låg rotationshastighet.

Varför använda permanenta magneter?

En synkrongenerator med permanentmagnet skapar sitt magnetiska rotorfält med permanentmagneter snarare än en rotorexcitationslindning.

Detta erbjuder flera användbara egenskaper för vindkraftstillämpningar.

Ingen rotorexciteringsström

Eftersom magnetfältet produceras av permanentmagneter, kräver rotorn inget separat elektriskt excitationssystem.

Detta kan minska rotorns elektriska förluster och förenkla en del av generatorstrukturen.

Lämplig för konstruktioner med låg hastighet och högt vridmoment

Permanentmagnetmaskiner kan utformas med många poler och hög vridmomentdensitet.

Det är särskilt relevant för direktdrivna vindsystem, där generatorhastigheten är låg och det mekaniska vridmomentet är högt.

Kompatibel med drift med variabel hastighet

Vindhastigheten ändras kontinuerligt.

Att driva turbinen med variabel hastighet kan tillåta rotorn att förbli närmare dess föredragna aerodynamiska drifttillstånd över ett bredare intervall av vindförhållanden.

Permanentmagnetgeneratorer används ofta med elektroniska omvandlare med full effekt, vilket gör att generatorfrekvensen kan variera oberoende av nätets frekvens.

Detta gör drift med variabel hastighet möjlig utan att den mekaniska rotorn behöver köras med ett fast synkront varvtal direkt kopplat till nätet.

Vilken roll spelar Power Converter?

Generatorn är bara en del av vindkraftverkets elsystem.

I många permanentmagnetiska vindturbiner passerar elkraften från generatorn genom en fullskalig AC/DC/AC-omvandlare innan den når nätet.

Denna omvandlare utför flera viktiga funktioner.

Den tillåter generatorn att arbeta med variabel hastighet, omvandlar generatorns uteffekt med variabel frekvens till nätkompatibel elektrisk kraft och ger kontroll över aktiv och reaktiv effekt vid turbinterminalerna.

Denna distinktion är viktig eftersom nätstödskapacitet inte bör tillskrivas själva permanentmagneterna.

Generatorn producerar elektrisk kraft, medan omvandlaren och turbinens styrsystem styr hur den kraften levereras till nätet.

Direct Drive betyder inte "alltid bättre"

Att ta bort växellådan kan minska antalet komponenter i drivlinan och eliminera ett större mekaniskt delsystem.

Det kan vara attraktivt där underhållet är svårt.

Men direktdrivna generatorer har också sina egna tekniska utmaningar.

En låghastighetsgenerator behöver i allmänhet en större elektromagnetisk struktur för att producera det erforderliga vridmomentet. Permanenta magnetiska direktdrivna system kan också använda betydande mängder magnetiskt material från sällsynta jordartsmetaller.

Det är därför både växlade och direktdrivna vindkraftsarkitekturer fortsätter att existera.

Det lämpliga valet beror på turbinens klassificering, rotorhastighet, generatorkonstruktion, vikt, underhållsstrategi, materialkostnad och övergripande systemekonomi.

Där Axial-Flux Permanent-Magnet Technology passar

De flesta förknippar stora vindgeneratorer med radialflödesmaskiner, men axialflödes permanentmagnetteknologi är också relevant för kompakta och specialiserade generatorkonstruktioner.

I en maskin med axiellt flöde rör sig magnetiskt flöde huvudsakligen längs motorns eller generatorns axel snarare än radiellt genom en konventionell cylindrisk struktur.

Arkitekturen kan erbjuda hög vridmomentdensitet och en relativt kort axiell längd.

För mindre direktdrivna generatorer eller applikationer där förpackning och vridmomentdensitet är viktiga, gör detta axialflödesteknik värd att överväga.

Jiangnan Electric utvecklar för närvarande permanentmagnetmaskiner med axiellt flöde utöver konventionella PMSM-produkter. Företagets publicerade axialflödesområde täcker flera spännings-, hastighets-, kylnings- och monteringskonfigurationer.

Samma elektromagnetiska plattform kan vara relevant för både motor- och generatorutveckling, men en motorprodukt bör inte automatiskt presenteras som en vindgenerator utan applikationsspecifik elektromagnetisk, termisk och mekanisk validering.

Jiangnan elektriska och permanentmagnetiska vindkraftapplikationer

Hangzhou Jiangnan Electric Motor Co., Ltd. tillverkar för närvarande flera synkronmotorfamiljer med permanentmagneter, inklusive konventionella PMSM, låghastighetskonstruktioner med högt vridmoment och permanentmagnetmaskiner med axiellt flöde.

Några av de befintliga produktplattformarna uppvisar egenskaper som också är viktiga för utvecklingen av vindkraftsgeneratorer.

Till exempel är Jiangnans JNPM520-45-plattform klassad till 45 kW och 245 rpm med 1754 N·m nominellt vridmoment. Även om den är utvecklad för en industriell direktdriftsapplikation snarare än att presenteras här som en vindturbingenerator, illustrerar kombinationen av låg hastighet och högt vridmoment den typ av elektromagnetisk designutmaning som också finns i direktdrivna genereringssystem.

Jiangnans axialflödesportfölj inkluderar även permanentmagnetmaskiner designade kring kompakta axiella strukturer och drift med variabel hastighet.

Företagets nuvarande webbplats listar dessutom produkter med permanentmagnet för låga vindhastigheter och små till medelstora vindkraftstillämpningar.

För ett verkligt vindkraftsprojekt bör dock urvalsprocessen börja med generatorkrav snarare än att välja en befintlig motor endast efter märkeffekt.

Vilken information behövs för ett vindkraftsgeneratorprojekt?

Innan en permanentmagnetgenerator utvärderas måste flera driftsförhållanden definieras.

Viktig information inkluderar:

• nominell elektrisk effekt;
• nominell och maximal rotorhastighet;
• kontinuerligt och toppvridmoment;
• erforderlig utspänning;
• generatorns frekvensområde;
• kylningsmetod;
• monteringsarrangemang;
• axel eller direktdriven gränssnitt;
• förväntade omgivningsförhållanden;
• skyddsnivå;
• omvandlartopologi;
• kontinuerlig drift.

För ett direktdrivet projekt är rotorhastigheten och vridmomentet särskilt viktigt eftersom generatorn måste hantera turbinbelastningen utan att förlita sig på en växellåda med hög utväxling.

För små och medelstora vindkraftsystem kan förpackning, generatorvikt, konverterkostnad och underhållskrav också påverka den slutliga designen.

PMSM eller PMSG: Terminologin spelar roll

Permanentmagnetiska synkronmotorer och permanentmagnetsynkrona generatorer är baserade på närbesläktade elektromagnetiska principer.

Men deras operativa roller är olika.

En PMSM omvandlar normalt elektrisk energi till mekanisk effekt.

En PMSG omvandlar mekanisk input till elektrisk energi.

I vindkraftverk beskrivs den huvudsakliga energiomvandlingsmaskinen därför mer exakt som en PMSG.

För kunder som utvecklar vindkraftsutrustning är den viktiga frågan inte bara om en befintlig PMSM kan installeras i en turbin.

Det korrekta tillvägagångssättet är att först definiera erforderlig generatorhastighet, vridmoment, spänning, termiska förhållanden, mekaniskt gränssnitt och omvandlarsystem, och sedan designa eller välja permanentmagnetmaskinen utifrån dessa krav.

Ansvarsfriskrivning

Informationen i den här artikeln tillhandahålls endast för allmän referens. Produktspecifikationer, prestanda, konfigurationsmöjligheter och lämplighet måste utvärderas i detalj för den avsedda användningen och faktiska driftförhållanden. Innan du väljer, köper eller använder en produkt, vänligen bekräfta relevant information med Jiangnan Electric och hänvisa till tillämplig teknisk dokumentation och överenskomna specifikationer. Den här artikeln ersätter inte produktspecifika instruktioner eller en professionell teknisk bedömning.