ref_30 Prądnica o małej prędkości obrotowej przeznaczona do stosowania w odnawialnych źródłach energii.pdf

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 84/2009

157

Konrad Dąbała, Zdzisław Krzemień

Instytut Elektrotechniki, Warszawa

PRĄDNICA O MAŁEJ PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ PRZEZNACZONA

DO STOSOWANIA W ODNAWIALNYCH ŹRÓDŁACH ENERGII

LOW-SPEED GENERATOR DESTINED TO RENEWABLE ENERGY SOURCES

Abstract: Devices destined to convert renewable energy (wind, water) to mechanical energy – wind and wa-

ter turbines – have generally low speed. So, it is necessary to use gears, which generate losses, noises and

decreased reliability of construction.

The best solution is using low-speed generators in this type of system. In Electrotechnical Institute in Warsaw

It was designed, manufactured and tested of prototype of synchronous generator with permanent magnets and

rated power 1 kW, speed 100 rpm.

1. Wstęp

Urządzenia stosowane do przetwarzania energii

odnawialnej (wiatr, woda) na energię mecha-

niczną – turbiny wodne i wiatrowe – mają zwy-

kle niewielką prędkość obrotową. Otrzymana

energia mechaniczna jest z reguły zamieniana

na energię elektryczną. Przetworniki energii

mechanicznej na elektryczną, czyli różnego ty-

pu prądnice, mają zwykle znaczną prędkość ob-

rotową co wymusza stosowanie podwyższają-

cych przekładni mechanicznych. Przekładnie te

powodują straty, hałas i zmniejszają niezawod-

ność konstrukcji. Sposobem na wyeliminowa-

nie tych niedogodności jest instalowanie w ta-

kich systemach prądnic o małej znamionowej

prędkości obrotowej.

Podaż na rynku prądnic o małej prędkości obro-

towej i stosunkowo małej mocy jest niewielka.

Tylko pojedyncze firmy oferują takie produkty.

Przeważnie są to prądnice o prędkości obroto-

wej około 300 obr/min i znacznej masie.

Ponieważ nawet w Polsce istnieje wielu poten-

cjalnych inwestorów małych elektrowni o nie-

wielkiej mocy, wykorzystujących odnawialne

źródła energii, zainteresowanie takimi prądni-

cami jest zauważalne.

Elektrownie takie nadają się do zasilania

w energię elektryczną obiektów wydzielonych,

np: domków letniskowych, biwaków, przyczep

kempingowych, a także wspomagania zasilania

w obiektach mieszkalnych lub gospodarczych

w celu zmniejszenia ilości energii pobieranej

z sieci energetycznej.

Wychodząc naprzeciw temu zapotrzebowaniu

w Zakładzie Maszyn Elektrycznych Instytutu

Elektrotechniki zaprojektowano i wykonano

prototyp prądnicy o dużym stopniu uniwersal-

ności (możliwość stosowania w mikroelektrow-

niach wiatrowych i wodnych) o stosunkowo

niewielkiej znamionowej prędkości obrotowej

i przewidzianej do pracy w szerokim zakresie

temperatur otoczenia przy różnych rodzajach

obciążenia.

Prądnica ta może współpracować z turbiną

wiatrową lub wodną przy następujących rodza-

jach pracy:

 obciążenie rezystancyjne – grzanie wody lub

powietrza;

 obciążenie poprzez prostownik: ładowanie

akumulatorów;

 praca poprzez urządzenia energoelektro-

niczne i transformator na odbiory wymaga-

jące stałej częstotliwości 50 Hz przy napię-

ciu 230 V.

W elektrowniach o niewielkich mocach (kilka,

kilkanaście kilowatów) prądnice synchroniczne

wzbudzane magnesami trwałymi wydają się

być najlepszym rozwiązaniem. Brak uzwojenia

w wirniku i elementów elektronicznych wirują-

cych sprawia, że prądnice te cechują się wysoką

niezawodnością. Również sprawność jest wyż-

sza, a wymiary maszyny są mniejsze w porów-

naniu z rozwiązaniami klasycznymi.

Najbardziej właściwym zastosowaniem takich

elektrowni jest praca na odbiory wydzielone.

Ich współpraca z siecią nie wydaje się być eko-

nomicznie uzasadniona bowiem realne dochody

byłyby niewielkie, a formalności związane

z podłączeniem do sieci energetycznej są bar-

dzo skomplikowane i takie same jak w przy-

padku dużej elektrowni. Jednakże taką możli-

wość należy również brać pod uwagę.

158

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 84/2009

Z punktu widzenia użytkownika elektrownia

taka powinna być tania, bezpieczna w eksplo-

atacji, łatwa do montażu, obsługi i konserwacji.

2. Zaprojektowanie i wykonanie prądni-

Przyjęto następujące podstawowe założenia

projektowe:

- konstrukcja tradycyjna, trójfazowe uzwojenie

twornika;

- moc znamionowa – 1 kW;

- znamionowa prędkość obrotowa –

100 obr/min.;

- napięcie znamionowe – 52,5 V.

Przyjęto, że liczba biegunów będzie równa 24,

częstotliwość napięcia wyjściowego przy pręd-

kości obrotowej 100 obr/min. będzie wynosić

20 Hz. Bezpośrednio prądnica ta będzie mogła

pracować jedynie na odbiory rezystancyjne, na-

tomiast w przypadku pracy na ładowanie baterii

akumulatorów lub na odbiory wymagające na-

pięcia 230 V przy 50 Hz konieczne będzie sto-

sowanie elektronicznego układu pośredniczące-

go.

Prądnicę oznaczono typem GM 180M-24. Na

rysunku 1 przedstawiono fotografię stojana

i wirnika prądnicy.

Magnesy były klejone do powierzchni wirnika.

Obliczone naprężenia rozciągające na po-

wierzchni klejenia magnesów mają znikome

wartości wobec dopuszczalnych dla zastosowa-

nego kleju, zarówno przy znamionowej pręd-

kości obrotowej jak i przy 300 obr/min. Uznano

więc, że stosowanie bandaży jest niecelowe.

Masa prądnicy wynosi 50 kg.

Na rysunku 2 przestawiono fotografię komplet-

nej prądnicy.

Rys. 2. Kompletna prądnica typu GM 180M-24

3. Wyniki badań prądnicy

Prądnica napędzana była poprzez wałek skręt-

ny, silnikiem indukcyjnym zasilanym z falow-

nika. Obciążeniem był regulowany układ rezy-

storów.

Przyrost temperatury uzwojenia stojana prądni-

cy mierzony był za pomocą mostka do pomiaru

rezystancji pod obciążeniem metodą superpo-

zycji. Temperaturę kadłuba mierzono za pomo-

cą termometru kontaktowego i termometru lase-

rowego.

Moment zaczepowy (początkowy) wyznaczany

był w stanie statycznym przy pomocy pomiaru

siły działającej na ramieniu przymocowanym

do wału prądnicy w trzech położeniach wirnika.

Średnia wartość zmierzonego momentu wynios-

ła 2,1 Nm.

Charakterystykę napięcia biegu jałowego

w funkcji prędkości obrotowej przedstawiono

na rysunku 3. Ze względu na zależność parame-

trów magnesów od temperatury próby wykona-

no dla stanu zimnego i stanu nagrzanego prąd-

nicy.

Pomiary wykazały jednak, że zastosowane

magnesy wykazują stosunkowo małą zależność

parametrów od temperatury: napięcia przewo-

dowe prądnicy w stanie zimnym i w stanie na-

grzanym różnią się tylko o około 2 V.

Rys. 1. Stojan i wirnik prądnicy GM 180M-24

Znaczna ilość biegunówsprawia, że maszyna ta

ma stosunkowo krótki obwód magnetyczny

przy dość dużej średnicy. Wznios maszyny wy-

nosi 180 mm. Wymagało to wykonania specjal-

nego kadłuba, nie można było zastosować ka-

dłubów od standardowych silników.

Niewielka prędkość obrotowa – znamionowa

100 obr/min. – sprawia, że uznano montowanie

na wale maszyny wentylatora za bezzasadne.

Spowodowałoby to wydłużenie maszyny, a sku-

teczność działania wentylatora przy tej pręd-

kości obrotowej byłaby wątpliwa.

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 84/2009

159

250

bierano tak, aby prąd fazowy był zbliżony do

wartości obliczonej w projekcie, przy czym

przyjmowano, że moc powinna wynosić pełne

setki watów. Moc obciążenia dla poszczegól-

nych prędkości obrotowych wynosiła 800,

1000, 1600, 2200, 2800 W. Ponieważ stwier-

dzono, że istnieje pewna rezerwa cieplna ma-

szyny część prób wykonano przy zwiększonej

mocy, a mianowicie 1100 W przy f = 20 Hz,

1800 W przy f = 30 Hz, 3000 W przy f = 50 Hz.

W tablicy 1 przedstawiono zestawienie wyni-

ków prób nagrzewania.

Tablica 1. Zestawienie wyników prób nagrze-

wania

U [V]

200

150

100

--- temp. uzwojenia - 24 st.

- - temp. uzwojenia - 65 st

Ustalona

temperatura

kadłuba

 k

obr/min W K º C

100 1000 33 45

1100 50 57

150 1600 36 47

1800 53 60

200 2200 41 49

250 2800 43 51

3000 52 60

Wykonane próby nagrzewania wskazują, że

prądnica ta może pracować przy obciążeniach

większych niż przyjęto w projekcie

W tablicy 2 przedstawiono zestawienie ustalo-

nych parametrów prądnicy odczytanych po

próbach nagrzewania.

Próby obciążenia przeprowadzono bezpośred-

nio po próbach nagrzewania – w stanie nagrza-

nym prądnicy dla czterech wartości częstotli-

wości napięcia wyjściowego. Na rysunku 5 ze-

stawiono charakterystyki U = f(I) przy różnych

prędkościach obrotowych prądnicy.

Tablica 2. Porównanie ustalonych parametrów

prądnicy po próbach nagrzewania

Ustalony

przyrost

temp. uzw.

Δ Cu

100

200

300

400

n [obr/min]

Rys. 3. Zależność napięcia międzyfazowego od

prędkości obrotowej: linia ciągła – prądnica

w stanie zimnym, temperatura otoczenia równa

24 °C; linia przerywana - prądnica w stanie

nagrzanym, temperatura uzwojenia równa 65°C

Rys. 4. Oscylogramy napięcia fazowego (1)

i międzyfazowego (A) przy biegu jałowym,

n = 100 obr/min. (f = 20 Hz, U p = 63,5 V)

Na rysunku 4 przedstawiono oscylogramy na-

pięcia przewodowego oraz fazowego przy bie-

gu jałowym prądnicy i prędkości obrotowej

100 obr/min. Napięcie międzyfazowe ma prze-

bieg praktycznie sinusoidalny. Zawartość wyż-

szych harmonicznych jest niewielka. Efekt ten

osiągnięto poprzez zastosowanie skosu żłobków

w pakiecie stojana.

Próby nagrzewania prądnicy przeprowadzono

przy obciążeniu rezystancyjnym utrzymując

stałą prędkość obrotową. Próby te wykonano

dla następujących częstotliwości napięcia wyjś-

ciowego: 20, 30, 40 i 50 Hz. Wartość mocy do-

I η

obr/min

1000 53.1

11.07

84.45

100

1100 50.1

12.70

81.52

1600 81.4

11.45

88.35

150

1800 78.7

13.26

86.22

200

2200 113.3

11.27

90.72

250

2800 143.3

11.32

92.16

3000 141.3

12.33

91.54

160

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 84/2009

150

przy tej prędkości obrotowej wykorzystanie

wynosi 62 kg/kW;

- prądnica produkcji krajowej o mocy 3,5 kW

przy n = 150 obr/min. i masie 170 kg. Przy

100 obr/min. moc jest równa 2,3 kW, czyli

wykorzystanie wynosi wówczas 74 kg/kW.

Prądnica GM180M-24 ma współczynnik wyko-

rzystania 50 kg/kW czyli lepszy odpowiednio

o 24% i 48% od prądnic dostępnych na rynku,

a jeśli przyjmiemy, że moc tej prądnicy wynosi

1,1 kW wartości te ulegną dalszemu wzrostowi.

5. Wnioski

 Wyniki przeprowadzonych badań wykazują,

że prądnica typu GM 180-24 charakteryzuje

się bardzo dobrymi własnościami eksploata-

cyjnymi i może być stosowana w odnawial-

nych źródłach energii.

 Prądnica ta ma znacznie lepszy współczyn-

nik wykorzystania materiałowego w porów-

naniu z innymi dostępnymi na rynku prądni-

cami.

 Istnieje możliwość pracy prądnicy przy

prędkościach obrotowych znacznie wyż-

szych niż przyjęto w projekcie uzyskując

odpowiednio zwiększone moce.

 Wyniki badań i uzyskane doświadczenie

stanowić będą podstawę do zaprojektowania

i wykonania całej serii wolnoobrotowych

prądnic przeznaczonych do współpracy

z odnawialnymi źródłami energii.

Praca wykonana w ramach projektu rozwojowego

NR01-0006-04 zatytułowanego: „Nowatorska elek-

trownia rzeczna o małych nakładach inwestycyjnych

z turbiną ślimakową”.

[V]

f = 50 Hz

f = 40 Hz

100

f = 30 Hz

f = 20 Hz

I [A]

Rys. 5. Charakterystyki U = f(I) przy różnych

prędkościach obrotowych prądnicy

Tablica 3. Porównanie spadków napięcia wyjś-

ciowego prądnicy przy różnych prędkościach

obrotowych prądnicy

Napięcie

biegu

jałowego

Napięcie przy

obc. prądem -

11.5 A

Spadek

napięcia

Hz V V V

20 61.2 51.0 10.2

30 93.0 81.2 11.8

40 123.8 111.7 12.1

50 155.2 142.8 12.4

W tablicy 3 zestawiono spadki napięcia wyjś-

ciowego prądnicy przy obciążeniu prądem

11,5 A. Wynoszą one od 16,6% przy 20 Hz do

8% przy 50 Hz. Nachylenie charakterystyk ob-

ciążeniowych jest zbliżone przy różnych pręd-

kościach obrotowych prądnicy.

4. Porównanie parametrów dostępnych

na rynku prądnic

Znaleziono następujące dostępne na rynku

prądnice o stosunkowo niewielkiej mocy i pręd-

kości obrotowej:

- prądnica produkcji chińskiej o mocy 3,3 kW

przy n = 250 obr/min. i masie 80 kg. Przy

100 obr/min. moc jest równa 1,3 kW, czyli

Autorzy

Dr inż. Konrad Dąbała,

tel. 0-22 812-30-20

e-mail: k.dabala@iel.waw.pl

Dr inż. Zdzisław Krzemień,

e-mail: z.krzemien@iel.waw.pl

Instytut Elektrotechniki,

Zakład Maszyn Elektrycznych

ul. Pożaryskiego 28,04-703 Warszawa

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: