Устройство синхронных генераторов на постоянных магнитах

   Синхронные генераторы с постоянными магнитами (СГПМ) имеют рад преимуществ в том, что имеют простую электрическую схему, не потребляют энергии на возбуждение и имеют повышенный КПД, отличаются высокой надежностью работы, менее чувствительны к действию реакции якоря, чем обычные машины.

  Их недостатки связаны с невысокими регулирующими свойствами через то, что рабочий поток постоянных магнитов нельзя изменять в широких пределах. Однако во многих случаях эта особенность не является определяющей и не препятствует широкому их применению.

 Большинство СГПМ, применяемых в настоящее время, имеют магнитную систему с постоянными магнитами, которые вращаются. Поэтому магнитные системы отличаются друг от друга в основном конструкцией ротора (индуктора). Статор же СГПМ имеет практически такую ​​же конструкцию, что и в классических машинах переменного тока, обычно он содержит набранный из листов электротехнической стали цилиндрический магнитопровод, на внутренней поверхности которого расположены пазы для размещения обмотки якоря. В отличие от обычных синхронных машин рабочий промежуток между статором и ротором в СГПМ выбирают минимальным, исходя из технологических возможностей. Конструкция ротора в значительной степени определяется магнитными и технологическими свойствами магнитотвердые материала.

   Наиболее простым является ротор с монолитным цилиндрическим магнитом кольцеобразного типа (рис. 5.9, а). Магнит 1 выполнен литым, крепится на валу с помощью втулки 2, например, из сплава алюминия. Намагничивания магнита осуществляется в радиальном направлении на многополюсной установке намагничивающей. Поскольку механическая прочность магнитов небольшая, то при высоких линейных скоростях магнит помещают в оболочку (бандаж) из немагнитного материала.

Разновидностью ротора с цилиндрическим магнитом является сборный ротор из отдельных сегментов 1 из немагнитной стальной оболочкой 3 (рис. 5.9, б). Намагниченные радиально сегментные магниты 1 заключены на втулку 2 с магнитомьякиои стали и любым способом, например, с помощью клея, закреплены. Генераторы с ротором такой конструкции при стабилизации магнита в свободном состоянии имеют форму кривой ЭДС, близкую к синусоидальной. Преимуществом роторов с цилиндрическим магнитом является простота и технологичность конструкции. Недостатком - низкое использование объема магнита вследствие небольшой длины средней силовой линии полюса h и. С увеличением числа полюсов значение h и уменьшается и использования объема магнита ухудшается.

Рисунок 5.9 - Роторы с цилиндрическим магнитом: а - монолитный, б - сборный

  Роторы с звездообразным магнитом

  В СГПМ мощностью до 5 кВА широкое распространение получили роторы звездообразного типа с явно выраженная полюсами без полюсных башмаков (рис. 5.10, а). В такой конструкции магнит-звездочку чаще крепят на валу с помощью заливки немагнитным сплавом 2. Магнит может также видпиватися непосредственно на валу. Для снижения размагничивающей действия поля реакции якоря при ударном токе короткого замыкания на роторе в ряде случаев предполагается демпферная система 3. Последняя осуществляется, как правило, путем заливки ротора алюминием. При больших частотах вращения на магнит напрессовывается немагнитный бандаж.

Однако, при перегрузках генератора поперечная реакция якоря может вызвать несимметричное перемагничивания краев полюсов. Подобное перемагничивания искажает форму поля в рабочем промежутке и форму кривой ЭДС.

  Одним из способов уменьшения действия поля якоря на поле магнита применение полюсных башмаков с Магнитомягкие стали. Изменяя ширину полюсных башмаков (регулируя поток рассеяния полюсов), можно добиться оптимального использования магнита. Кроме того, изменяя конфигурацию полюсных башмаков, можно получить необходимую форму поля в рабочем промежутке генератора.

На рис. 5.10, б приведена конструкция сборного ротора звездообразного типа с призматическими постоянными магнитами с полюсными башмаками. Радиально намагниченные магниты 1 установлены на втулке 2 с Магнитомягкие материала. На полюсе магнитов наложенные полюсные башмаки 3 с магнитной стали. Для обеспечения механической прочности ба

Рисунок 5.10 - Роторы звездообразного типа: а - без полюсных башмаков; б - сборный с полюсными башмаками

шмакы приварены к немагнитных вставок 4, образующей бандаж. Промежутки между магнитами могут заполняться алюминиевым сплавом или компаундом.

К недостаткам роторов звездообразного типа с полюсными башмаками следует отнести усложнение конструкции и уменьшение заполнения магнитами объема ротора.

Роторы с когтеобразные полюсами.

В генераторах с большим числом полюсов широко используется конструкция ротора с когтеобразные полюсами. Ногтеобразный ротор (рис. 5.11) содержит цилиндрический магнит 1, намагниченный в аксиальном направлении, размещенный на немагнитных втулке 2. К торцам магнита примыкают фланцы 3 и 4 с Магнитомягкие стали, имеют когтеобразные выступления, которые образуют полюса. Все выступления левого фланца является северными полюсами, а выступления правого фланца - южными. Выступления фланцев чередуются по окружности ротора, образуя многополюсную систему возбуждения. Мощность генератора можно значительно повысить, если применить модульный принцип, расположив на валу несколько магнитов с когтеобразные полюсами.

Недостатками роторов когтеобразные типа являются: относительная сложность конструкции, трудность намагничивания магнита в собранном роторе, большие потоки рассеяния, возможен отгиб концов выступлений при высоких частотах вращения, имела мера заполнения магнитом объема ротора.

Существуют конструкции роторов с различными комбинациями ПМ: с последовательным и параллельным включением МРС магнитов, с регулированием напряжения за счет осевого перемещения ротора относительно статора, системы совместного регулирования возбуждения СГПМ от ПМ и параллельно работающей электромагнитной обмоткой и др. Для безредукторных витроелектриних установок лучшим решением является применение СГПМ много-

Рисунок 5.11 - Ротор когтеобразные типа

полюсного исполнения. Есть опыт в Германии, Украине в других странах по разработке и применению тихоходных генераторов для безредукторных ВЭУ с частотой вращения 125-375 об / мин.

Из-за главного требования для безредукторной ВЭУ - иметь низкую частоту вращения генератора - габариты и масса СГПМ получаются завышенными по сравнению с высокооборотными генераторами с примерно одинаковой мощности. В корпусе 1 (рис. 5.12) расположен обычный статор 2 с обмоткой 3. Ротор (индуктор) 4 с наклеенными на внешней поверхности пластинками 5 из неодим-железо-бора установлен на валу 6 с подшипниками 7. Корпус 1 закреплен на основе 8, эт "связано с опорой ВЭУ, а ротор 4 соединен с валом ветротурбин (на рис. 5.12 не показаны).

При низких скоростях ветра для ВЭУ необходимо использовать генераторы с низкими скоростями вращения. В этом случае система часто не имеет редуктора и ось непосредственно соединена с осью электрического генератора. При этом возникает проблема получения достаточно высокой выходного напряжения и электрической мощности. Один из способов ее решения - многополюсный электрогенератор с ротором достаточно большого диаметра. Ротор электрогенератора при этом может быть выполнен с использованием постоянных магнитов. Электрогенератор с ротором на постоянных магнитах не имеет коллектора и щеток, ко-

Рисунок 5.12 - Конструктивная схема СГПМ для безредукторной ВЭУ: 1- корпус; 2 - статор; 3 - обмотка; 4 - ротор; 5 - пластинки постоянных магнитов с Nd-Fe-B; 6 - вал; 7 - подшипники; 8 - основа

ляет существенно повысить его надежность и время работы без обслуживания и ремонта.

Электрогенератор с ротором на постоянных магнитах может быть построен по разным схемам, отличающиеся друг от друга общим расположением обмоток и магнитов. Магниты с полярностью, что чередуется, располагаются на роторе генератора. Обмотки с направлением намотки, что чередуется, располагаются на статоре генератора. Если ротор и статор представляют из себя соосные диски, то такой тип генератора называют аксиальным или дисковым (рис. 5.13).

Если ротор и статор представляют из себя коаксиальные соосные цилиндры, то такой тип генератора называют радиальным или цилиндрическим (рис. 5.14). В генераторе радиального типа ротор может быть внутренним или внешним по отношению к статора.

Рисунок 5.13 - Упрощенная схема электрогенератора с ротором на постоянных магнитах аксиального (дискового) типа

Рисунок 5.14 - Упрощенная схема электрогенератора с ротором на постоянных магнитах радиального (цилиндрического) типа

Важная особенность синхронных генераторов с ПМ по сравнению с обычными синхронными генераторами - сложность регулирования выходного напряжения и его стабилизации. Если в обычных синхронных машинах можно плавно регулировать рабочий поток и напряжение, меняя ток возбуждения, то в машинах с постоянными магнитами такая возможность отсутствует, поскольку поток Ф находится в пределах заданной линии возврата и меняется незначительно. Для регулирования и стабилизации напряжения синхронных генераторов с постоянными магнитами приходится использовать специальные методы.

  Один из возможных путей стабилизации напряжения синхронных генераторов - введение во внешнюю электрическую цепь генератора емкостных элементов, способствующих появлению продольно-намагничивая реакции якоря. Внешние характеристики генератора при емкостном характере нагрузки слабо меняются и даже могут содержать нарастающие участка. Конденсаторы, обеспечивающие емкостной характер нагрузки, включаются последовательно в цепь нагрузки непосредственно (рис. 5.15, а) или через пидвишучий трансформатор, который позволяет уменьшить массу конденсаторов за счет увеличения их рабочего напряжения и уменьшения тока (рис. S.1S, б). Возможно также параллельное включение конденсатора в круг генератора (рис. 5.15, е).

Рисунок 5.15 - включение стабилизирующих конденсаторов в круг синхронного генератора с постоянными магнитами

  Хорошую стабилизацию выходного напряжения генератора с ПМ можно обеспечить с помощью резонансного контура, содержащего емкость С и дроссель насыщения L. Контур включается параллельно нагрузке, как показано на рис. 5.16, а в однофазном изображении. За счет насыщения дросселя его индуктивность падает с ростом тока и зависимость напряжения на дросселе от тока дросселя имеет нелинейный характер (рис. 5.16, б). В то же время зависимость напряжения на емкости от тока - линейная. В точке пересечения кривых и , что соответствует номинальному напряжению генера-

Рисунок 5.16 - стабилизация напряжения, синхронного генератора с постоянными магнитами с помощью резонансного контура: а - схема подключения контура; б - вольт-амперные характеристики (б)

тора , в контуре наступает резонанс токов, то есть и реактивный ток в контур извне не поступает.

Если напряжение снизится, то, как видно из рис. 4.15, б, при имеем , то есть контур забирает от генератора емкостный ток. Продольно-намагничивая реакция якоря, возникающая при этом, способствует росту U . Если же , то и контур забирает от генератора индуктивный ток. Продольно-размагничивающей реакция якоря приводит к снижению U.

  В некоторых случаях для стабилизации напряжения генераторов используются дроссели насыщения (ДН), что пидмагничуються постоянным током от системы регулирования напряжения. При снижении напряжения регулятор увеличивает пидмагничуючий ток в дросселе, его индуктивность снижается из-за насыщения сердечника, уменьшается действие продольно- размагничивающей реакции якоря, а также падение напряжения на ДН, что способствует восстановлению выходного напряжения генератора.

Регулирования и стабилизации напряжения генераторов с ПМ можно эффективно осуществлять с помощью полупроводникового преобразователя, в каждой фазе которого есть два встречно-параллельно включенных тиристора. Каждая полуволна кривой напряжения перед преобразователем соответствует прямом напряжении на одном из тиристоров. Если система управления подает сигналы на включение тиристоров с некоторым запаздыванием, что соответствует углу управления . С ростом напряжения за преобразователем уменьшается, при снижении напряжения на зажимах генератора угол уменьшается так, чтобы напряжение по генератором . С помощью подобного преобразователя можно не только стабилизировать, но и регулировать выходное напряжение в широких пределах, изменяя угол . Недостаток описанной схемы - ухудшение качества напряжения при увеличении за счет появления высших гармоник.

  Описанные способы регулирования и стабилизации напряжения связанные с применением в отношении тяжелых и громоздких внешних по отношению к генератору дополнительных устройств. Можно обеспечить достижение поставленной цели путем использования в генераторе дополнительной пидмагничувающей обмотки (ПО) постоянного тока, меняет мере насыщения стальных магнито проводов и меняет, таким образом, внешнюю магнитную проводимость по отношению к магниту.