RO132953A2 - Generator electric pentru sisteme eoliene cu două turbine contrarotative - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un generator electric pentru sisteme eoliene cu două turbine contrarotative. Generatorul conform invenţiei este alcătuit dintr-un generator sincron cu magneţi permanenţi, situat la interior, şi un generator asincron, situat la exterior, cele două generatoare fiind cuplate electric şi mecanic, în care generatorul sincron este construit dintr-un inductor interior (I) şi un indus situat în interiorul armăturii mediane (II), inductorul interior (I), antrenat într-un sens de turbina de turaţie ridicată (1), fiind format dintr-un circuit magnetic (7) şi magneţi permanenţi (8), acesta producând la nivelul întrefierului (δ) un câmp învârtitor care induce tensiuni electromotoare în spirele înfăşurării polifazate (11) aflate în crestăturile miezului magnetic (10) din interiorul armăturii mediane (II) fixate pe un cilindru nemagnetic (9), ce este antrenat în sens opus de către turbina de turaţie joasă (2), şi care are pe exterior primarul generatorului asincron, alcătuit dintr-un miez magnetic (12) cu crestături în care se află conductoarele unei alte înfăşurări polifazate (13), care este conectată în serie, prin inversarea succesiunii fazelor, cu înfăşurareapolifazată (11) din interiorul armăturii mediane (II), astfel încât curenţii care se închid între cele două înfăşurări polifazate (11, 13) produc la nivelul întrefierului (δ) un câmp învârtitor având acelaşi sens de rotaţie cu cel al armăturii mediane (II), care, la rândul său, induce tensiuni electromotoare în înfăşurarea polifazată (20) a armăturii exterioare fixe (III), ce reprezintă secundarul generatorului asincron, pe la bornele căruia se furnizează putere electrică.

Description

GENERATOR ELECTRIC PENTRU SISTEME EOLIENE CU DOUĂ TURBINE CONTRAROTATIVE

DESCRIERE

Invenția se referă la un generator eolian cu două rotoare care permite conversia energiei mecanice produsă de un sistem eolian cu două turbine care se rotesc în sensuri opuse (contrarotative), în energie electrică.

In literatura de specialitate sunt descrise diferite tipuri de generatoare electrice utilizate în sistemele eoliene cu două turbine contrarotative. în referințele [1] și [2] se prezintă un exemplu de asemenea generator electric cu două armături mobile, dintre care una este echipată cu magneți permanenți, iar cealaltă cu o înfășurare polifazată, de la bornele căreia energia electrică este preluată prin intermediul unor contacte mobile de tip perie-inel.

[1] WO 1992/12343, F03D9 /00, Stobart A.F., „Wind Turbine”, Brevet de invenție, 1992.

[2] Popescu M., Oprina G., Mitulet A., Nicolaie S., Chihaia R., Nedelcu A., Mihăiescu M., Miu M., Marin D., “Aspects regarding the application of electric generators to wind energy conversion using counter rotating turbines”, Proc. of the 8^th Internațional Symposium on Advanced Topics in Electrical Engineering (ATEE 2013), Bucharest, Romania, 2013.

Soluția de mai sus prezintă însă anumite dezavantaje importante reprezentate de prezența periilor care limitează puterea unui astfel de sistem, îi diminuează fiabilitatea și măresc nivelul pierderilor prin frecare și zgomotul acustic.

Invenția, prin soluția tehnică propusă, înlătură dezavantajele soluției prezentate mai sus prin aceea că generatorul electric descris nu necesită perii pentru conversia energiei mecanice de rotație în energie electrică, fiind astfel mai fiabil, mai silențios și cu un nivel al pierderilor prin frecare mai redus.

Prin aplicarea invenției se obțin mai multe avantaje precum:

- Conversia energiei mecanice de rotație în energie electrică este asigurată printr-o soluție cu fiabilitate superioară (soluție fără perii);

- Soluția poate fi utilizată foarte eficient în sisteme eoliene cu două turbine contrarotative, nefiind nevoie de multiplicator de turație;

- Soluția este silențioasă, mai compactă și mai ieftină față de sistemele eoliene echivalente, și prezintă un nivel al pierderilor prin frecare mai redus;

- Soluția poate fi aplicată pentru o gamă de puteri mai largă.

a 2017 00299

18/05/2017 în cele ce urmează se oferă un exemplu nelimitativ, în legătură cu figurile 1-3, care reprezintă:

- Figura 1, Schemă de principiu privind fenomenele de conversie energetică dintr-un sistem eolian cu două turbine contrarotative, echipat cu generatorul electric propus. Secțiune axială cu evidențierea părților componente principale;

- Figura 2, Schema electrică și schema cinematică a generatorului electric propus;

- Figura 3, Secțiune transversală prin generatorul electric cu reprezentarea liniilor câmpului magnetic;

Generatorul electric pentru sisteme eoliene cu două turbine contrarotative, conform invenției, cuprinde un generator electric de tip sincron cu magneți permanenți A și un generator electric de tip asincron B, având o construcție compactă cu o armătura exterioară fixă III, denumită stator, și două armături mobile, una interioară I care se poate roti față de stator prin intermediul unei perechi de rulmenți 3, fiind antrenată într-un sens de turbina 1 de turație ridicată și o armătură mediană II, care se rotește față de armatura interioară I, respectiv față de stator, prin intermediul unei alte perechi de rulmenți 4, fiind antrenată în sens opus de turbina 2 de turație redusă n_L.

Armătura interioară I reprezintă inductorul A1 al generatorului sincron cu magneți permanenți A și este montată pe arborele 5 antrenat de turbina 1, fiind compusă dintr-un miez feromagnetic 7 realizat din tole, pe care sunt fixați magneții permanenți 8 având magnetizația permanentă orientată astfel încât să producă la periferia dinspre întrefierul δχ un câmp magnetic heteropolar cu p\ perechi de poli.

Armătura mediană II, antrenată prin intermediul arborelui 6 de turbina de turație joasă, este alcătuită dintr-un cilindru nemagnetic 9 în interiorul căruia este fixat indusul generatorului sincron A2, ce cuprinde un miez feromagnetic din tole 10, prevăzut cu crestături pe partea dinspre întrefierul δι în care se află dispuse conductoarele unei înfășurări polifazate 11, care are același număr pi de perechi de poli ca și rotorul cu magneți permanenți. Pe exteriorul cilindrului nemagnetic se află fixat primarul B1 al generatorului asincron B care cuprinde un miez feromagnetic 12 realizat din tole prevăzute cu crestături în care sunt poziționate conductoarele unei înfășurării polifazate 13. Această înfășurare are p₂ perechi de poli și o construcție simetrică, având același număr m de faze cu înfășurarea 11 a indusului mașinii sincrone A2, cu care este înseriată. în figurile din descriere s-a considerat că înfășurările sunt trifazate (m = 3), doar pentru fixarea ideilor, acestea putând fi construite în variantă polifazată. De-o parte și de cealaltă a cilindrului nemagnetic sunt fixate prin intermediul unor a 2017 00299

18/05/2017 organe de asamblare două scuturi 14-15 în care se află poziționate lagărele 3 care susțin axul 5 antrenat de turbina 1 și care centrează armatura interioară I în raport cu cea mediană II. Unul dintre scuturi 15 este prevăzut cu un capac 16 pentru închiderea lagărului și cu o piesă de legătură de tip flanșă 17 care permite cuplarea la axul 6 a turbinei 2, asigurându-se rotirea armăturii mediane II de către aceasta.

Armătura exterioară fixă III are o carcasă cilindrică 18 în interiorul căreia este fixat miezul feromagnetic 19 realizat din tole, cu crestături pe partea dinspre întrefierul δ₂, în care se află o înfășurarea polifazată 20 cu p₂ perechi de poli, care reprezintă secundarul B2 al generatorului asincron. Pentru fixarea ideilor s-a considerat că înfășurarea statorului este trifazată (aceasta putând fi polifazată). De-o parte și de alta a carcasei se află două scuturi 21-22 în care se află lagărele 4 ce susțin armaturile interioare și centrează armatura mediană II față de cea exterioară III. Prin lagărul unui scut, notat cu 21, trece arborele 5 care este cuplat la turbina 1, iar prin lagărul scutului 22 trece arborele 6 care este cuplat la turbina 2.

Câmpul magnetic din generatorul eolian este produs de magneții permanenți 8 aflați pe armătura interioară I. Acesta se închide prin miezul armăturii interioare 7, prin magneții permanenți 8, prin întrefierul notat cu δι și prin miezul magnetic interior 10 al armăturii mediane, înlănțuind laturile spirelor poziționate în crestături. Rotirea în sensuri opuse a armăturilor I și II, antrenate de cele două turbine, determină prin fenomenul de inducție electromagnetică apariția, în spirele înfășurării 11 a indusului A2 al generatorului sincron, a unor tensiuni de frecvență f\= pr(n_L-n_H)/60. înfășurarea este concepută astfel încât la bornele ei să se obțină sistem de tensiuni polifazat simetric. Amplitudinea tensiunilor de la bornele generatorului sincron A este proporțională cu suma vitezelor de rotație ale celor două turbine.

Conectarea înfășurării primare 13 a generatorului asincron B în serie cu înfășurarea generatorul sincron cu magneți permanenți A determină apariția unor curenți care formează un sistem polifazat simetric. Acești curenți alternativi, cu o frecvență egală cu cea a tensiunilor induse în înfășurarea generatorului sincron, produc la nivelul fiecărui întrefier câmpuri magnetice învârtitoare. Astfel, la nivelul întrefierului δι al generatorului sincron A apare un câmp magnetic învârtitor care are p\ perechi de poli, se rotește sincron cu armatura I și care, în urma interacțiunii cu câmpul magnetic produs de magneții permanenți 8, determină apariția unui cuplu de natură electromecanică care va acționa în sens contrar asupra armăturilor I și II. în regim stabilizat (neglijând pierderile mecanice) acest cuplu electromagnetic este egal cu cuplul de antrenare furnizat de turbina 1 prin intermediul axului 5.

a 2017 00299

18/05/2017

Conectarea în serie a înfășurării primare 13 a generatorului asincron cu înfășurarea 11 a generatorului sincron este făcută prin inversarea succesiunii fazelor, astfel încât câmpul magnetic învârtitor de la nivelul întrefierului 82 al generatorului asincron cu p₂ perechi de poli să se rotească în același sens cu armatura mediană II. Astfel, viteza de rotație a acestui câmp față de stator este egală cu viteza determinată de frecvența curenților alternativi din înfășurările 11 și 13, la care se adaugă viteza de antrenare a armaturii mediană II de către turbina 2. Acest câmp variabil în raport cu statorul induce tensiuni electromotoare în spirele înfășurării polifazate cu p₂ perechi de poli a secundarului generatorului asincron 20, care este concepută astfel încât la borne se se obțină un sistem simetric de tensiuni. Frecvența tensiunilor induse în înfășurarea statorului este/₂ =/i+j>₂'Wi/60.

La funcționarea în sarcină, curenții absorbiți de aceasta se închid prin înfășurarea polifazată a statorului 20 și produc la rândul lor un câmp învârtitor la nivelul întrefierului δ₂, care are aceeași viteză și același număr de perechi de poli p₂ cu câmpul magnetic produs de curenții din înfășurarea primară 13 a generatorului asincron B. în urma interacțiunii celor două câmpuri se produce un cuplu electromagnetic ce acționează în sens opus asupra armaturilor II și III. La funcționarea în regim stabilizat (neglijând pierderile), cuplul de antrenare al armăturii mediane furnizat de turbina 2 prin intermediul axului 6 va fi egal cu suma cuplurilor electromagnetice produse la nivelul întrefierurilor δι și δ₂.

Puterea electrică activă furnizată de generatorul eolian pe la bornele înfășurării polifazate a statorului către sarcina Z_L are o componentă de mișcare dată de conversia electromagnetică a puterii mecanice de la nivelul întrefierului δ₂ a mașinii asincrone și o componentă de transformare corespunzătoare puterii active produsă de generatorul sincron cu magneți permanenți, respectiv a puterii electromagnetice de la nivelul întrefierului 8_b

Puterea reactivă, necesară magnetizării circuitelor magnetice, este produsă exclusiv de generatorul sincron cu magneți permanenți 8. Acest fapt determină o valoare ridicată a curenților alternativi care se închid între înfășurarea 11 a indusului generatorului sincron și înfășurarea primară 13 a generatorul asincron, deoarece prin intermediul lor se asigură transferul puterii active produsă de generatorul sincron și al puterii reactive necesare funcționării generatorului asincron. O reducere a acestor curenți și implicit o reducere a pierderilor Joule din cele două înfășurări, respectiv o creștere a randamentului, se poate obține prin cuplarea la bornele generatorului eolian a unei baterii de condensatoare cu capacitate reglabilă, C_L care să asigure energia reactivă necesară magnetizării miezului generatorului asincron.

Claims (2)

1. REVENDICĂRI

   1. Generator electric pentru sisteme eoliene cu două turbine contrarotative alcătuit dintr-un generator sincron cu magneți permanenti situat la interior și un generator asincron situat la exterior, cele două fiind cuplate electric și mecanic, astfel încât generatorul sincron este construit dintr-un inductor interior (I) și un indus situat în interiorul armăturii mediane (II), inductorul (I) antrenat într-un sens de turbina de turație ridicată (1) fiind alcătuit din circuitul magnetic (7) și magneții permanenți (8), acesta producând la nivelul întrefierului δι un câmp învârtitor care induce tensiuni electromotoare în spirele înfășurării polifazate (11) aflate în crestăturile miezului magnetic (10) din interiorul armăturii mediane (II) fixată pe un cilindru nemagnetic (9) care este antrenat în sens opus de turbina de turație joasă (2) și care are pe exterior primarul generatorului asincron alcătuit dintr-un miez magnetic (12) cu crestături în care se află conductoarele unei alte înfășurări polifazate (13), care este conectată în serie prin inversarea succesiunii fazelor cu înfășurarea polifazată (11) din interiorul armăturii mediane (ID, astfel încât curenții care se închid între cele două înfășurări polifazate produc la nivelul întrefierului δ₂ un câmp învârtitor, având același sens de rotație cu sensul de rotație al armăturii mediane (II), care la rândul său induce tensiuni electromotoare în înfășurarea polizată (20) a armaturii exterioare fixe (III) care reprezintă secundarul generatorului asincron, pe la bornele căruia se furnizează putere electrică.
2. 2. Generator electric conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că, în scopul reducerii pierderilor Joule din înfășurările (11) și (13), respectiv în scopul creșterii randamentului, la bornele înfășurării polifazate aflate pe armatura fixă (III) se cuplează o baterie de condensatoare cu capacitate electrică reglabilă (23), care asigură puterea reactivă pentru magnetizarea circuitului magnetic (19) al armăturii exterioare (III) și al miezului exterior (12) al armăturii mediane (II).