Проектирование ветряного генератора на постоянных магнитах

Энергия ветра является самым быстроразвивающимся источником энергии в современном мире. В 2009 году было добыто 37,5 гигаватт энергии и с каждым годом это число только увеличивается. Одной из причин развития этого направления является использование генераторов на постоянных магнитах, поскольку именно они обеспечивают более высокую эффективность и гибкость конструкции.

Компания Indar Electric была основана в 1940 году как производитель малых электродвигателей. В 1997 году она стала частью Ingeteam, испанской компании по возобновляемым источникам энергии, которой в настоящее время принадлежит около 15 процентов мирового рынка компонентов ветроэнергетики. Indar производит широкий спектр генераторов, включая более традиционные индукционные генераторы с двойным питанием (dFIg) и более новые (PMG). PMG обычно обеспечивают более высокий КПД при номинальной нагрузке и больше при частичной нагрузке, поскольку постоянные магниты устраняют необходимость в обмотках ротора, которые, в свою очередь, устраняют омические потери ротора. Генераторы PMG также устраняют необходимость в щетках, что уменьшает вероятность возникновения проблем и уменьшает потребность в техническом обслуживании.

/   Цель проекта 

Indar Electric намеревалась разработать PMG мощностью 2,5 мВт для ветроэнергетики с амбициозной целью достижения беспрецедентного уровня эффективности в 97,7% при номинальной нагрузке. Второй целью было повышение производительности и эффективности при частичной нагрузке, поскольку ветряные турбины часто работают в режиме частичной нагрузки. Традиционные методы сборки и тестирования не могут достичь этих целей в быстрые сроки. Поэтому компания Indar применила моделирование электромагнитного поля и потока жидкости в Ansys Maxwell.

/   Реализация проекта

Команда разработчиков Indar столкнулась с несколькими серьезными проблемами при разработке своей новейшей конструкции. Крутящий момент, вызванный взаимодействием между постоянными магнитами ротора и пазами на сердечнике статора, должен был быть уменьшен до 0,1% от общего крутящего момента. Гармоники напряжения (tHd) на выходе должны быть ниже 0,5%. А система охлаждения должна была поддерживать температуру магнита ниже 100 °C, чтобы гарантировать хорошие характеристики магнитов в течение 20-летнего срока службы.

Инженеры Indar использовали программное обеспечение Ansys Maxwell для моделирования низкочастотного электромагнитного поля, чтобы оценить влияние различной геометрии и магнитных свойств на электромагнитные характеристики генератора. При разработке предварительной конструкции генератора были использованы известные основные уравнения.

Сначала инженеры создали двухмерную, а затем и трехмерную модель генератора, опираясь в первую очередь на производственные чертежи, чтобы воспроизвести геометрию и свойства материал, пластин и катушек ротора и статора. Временной шаг моделирования был скорректирован в соответствии со скоростью вращения генератора и количеством полюсов постоянного магнита. Таким образом, инженеры смоделировали работу предложенной конструкции в условиях холостого хода, полной нагрузки и короткого замыкания.

Результаты моделирования включали форму волны напряжения, создаваемого генератором, измерение, которое сравнивалось с проектными требованиями, чтобы можно было оценить уровни гармоник. Возможность вывода быстрого преобразования Фурье по напряжению в Maxwell обеспечивает напряжение на разных частотах, что упрощает вычисление уровней гармоник для конкретной конструкции.

Еще одним важным моментом было поведение конструкции в случае короткого замыкания. Короткое замыкание может быть вызвано механическим повреждением генератора, пробоем изоляции или неисправностью преобразователя мощности. Инженеры изучили магнитное поле, создаваемое в каждой области постоянного магнита при коротком замыкании чтобы убедиться, что магнит имеет правильные свойства и избежать каких-либо повреждений в дальнейшем. Как правило, при проектировании ГЭУ инженеры Indar учитывают широкий спектр факторов, включая влияние температуры магнита, скорости вращения, частоты переключения и характеристик короткого замыкания (двухфазного и трехфазного) для достижения идеального поведения магнита в течение всего срока службы.

При моделировании полной нагрузки инженеры рассмотрели входные данные, необходимые преобразователям частоты Ingeteam для доступных частот переключения для достижения номинального крутящего момента, высокого тока и низких потерь. команда исследовала уровни индукции в статоре из-за их важного влияния на КПД. Хотя высокие уровни индукции позволяют уменьшить размер генератора, они также увеличивают потери в стали. Результаты в Maxwell показали распределение потерь по геометрии статора, что позволило внести изменения в конструкцию с целью повышения эффективности. Инженеры Indar постоянно модернизировали конструкцию, пытаясь уменьшить потери в меди статора, механические потери и потери, возникающие из-за частоты переключения при работе с преобразователями частоты, — при этом соблюдая другие конструктивные требования.

Из-за высокой напряженности магнитного поля, даже когда ГПМ не вращается, инженеры Indar смоделировали процесс сборки и балансировки ротора, чтобы обеспечить его безопасное выполнение. они определили уровень магнитных сил, возникающих при установке ротора, что позволило определить монтажные инструменты, способные выдержать эти силы. Ротор генератора уравновешивается путем размещения его на опорах, оборудованных ускорителями, которые обнаруживают силы, возникающие в результате дисбаланса в роторе. Электромагнитное поле, создаваемое ротором во время этого процесса, моделировалось с помощью Maxwell, чтобы убедиться, что оно не мешает кабелям, по которым передаются сигналы акселерометра.

Инженеры Indar одновременно изучали систему охлаждения генератора из-за взаимодействия между электрическими и тепловыми характеристиками. Температура магнита играет важную роль в его способности противостоять размагничиванию, поэтому улучшение характеристик охлаждения может повысить способность магнита выдерживать короткое замыкание. Оптимизация контура охлаждения помогает повысить эффективность за счет снижения механических потерь и потерь на охлаждение.

Чтобы оптимизировать контур охлаждения, инженеры использовали программу гидродинамики Ansys Fluent для детального исследования потока жидкости и теплопередачи внутри и вокруг генератора. Cоздание сеток было проблемой из-за разницы в масштабе между небольшим воздушным зазором от 5 до 10 мм. между ротором и статором, где точность была критичной, и большой общей длиной 1 метр генератора и системы охлаждения. Чтобы минимизировать время вычислений, на протяжении большей части процесса проектирования использовался трехмерный стационарный анализ, а размер модели был уменьшен за счет использования осевой симметрии и периодических условий. Результаты гидродинамики включали местные коэффициенты теплопередачи, скорость воздушного потока в каждой точке контура машины, падение давления в воздушном контуре через генератор, температуру и тепловой профиль генератора, а также рабочую температуру магнита. Инженеры использовали эти результаты в качестве руководства для снижения температуры горячих точек за счет уменьшения вариаций охлаждения по длине генератора.

/   Результаты проекта

Использование программного обеспечения от Ansys помогло Indar легко изучить несколько вариантов автоматизированного параметрического проектирования. Моделирование электромагнитного потока и потока жидкости предоставило гораздо больше диагностической информации, чем было получено в результате физических испытаний. Моделирование обеспечивает результаты для любых выходных данных в любой точке вычислительной области, в то время как физическое тестирование дает результаты только в тех местах, где удобно размещать датчики. Инженеры смогли доработать проект, который отвечал всем их спецификациям, задолго до того, как был построен прототип. Всеобъемлющее управление параметрами было выполнено быстро и легко за счет изменения проектных параметров. Эти параметры были распространены по всей системе проектирования, от CAD модели  через сетку и граничные условия до генерации обновленных результатов.

Последним шагом было создание и тестирование прототипа в реальном масштабе для проверки результатов моделирования и проверки работоспособности генератора и ожидаемого срока его службы. На испытательном стенде было проведено два типа испытаний: омологационное испытание генератора при полной нагрузке для подтверждения производительности генератора и испытание на долговечность для проверки его надежности с течением времени. Электрические и тепловые измерения физического прототипа очень хорошо сошлись с результатами моделирования. Например, максимальное отклонение предсказания формы напряжения от измеренных значений составило всего 0,1 %.

В итоге КПД нового генератора составил 97,86%, что выше проектной цели 97,7% и почти в точности соответствует прогнозам моделирования. Моделирование в программных комплексах Ansys позволило достичь поставленные цели менее чем за половину времени, которое потребовалось бы при использовании традиционных методов сборки и тестирования. Прогнозы моделирования хорошо коррелировали с физическими испытаниями, обеспечивая уверенность в том, что Indar может использовать моделирование для оптимизации своих продуктов и обеспечения высокой производительности в самых сложных условиях.