Розглянуто фізичні процеси аеродинамічного і електромеханічного перетворень енергії у вітротурбінах та електричних генераторах відповідно, описано сучасні досягнення в галузі вітроенергетики й електромашинобудування. Для основних типів генераторів наведено приклади і результати електромагнітних розрахунків, що порівнюються з дослідними даними. Описано конструкції типових вітроелектричних установок і генераторів, їхні експлуатаційні характеристики. Для студентів вузів, які навчаються за фахом "Нетрадиційні джерела енергії". Може бути корисним фахівцям, що займаються проектуванням і експлуатацією різних енергоустановок для генерування електричної енергії, а також науковцям і аспірантам. Зміст Вступ.....................................................................................................................3 Розділ 1. Загальні характеристики вітроелектричних установок...................9 1.1. Фізичні основи використання енергії вітру ..............................................9 1.2. Типи вітроколіс та їхні основні характеристики .................................... 13 1.3. Апроксимація енергетичних характеристик вітротурбін ...................... 17 1.4. Типи ВЕУ та їхня класифікація .................................................................22 1.5. Різновиди електричних генераторів для ВЕУ ..........................................24 1.6. Узгодження характеристик вітродвигуна і генератора ВЕУ...................26 1.7. Типові схеми генерування електричної енергії вітроустановками ........28 1.8. Узгодження потужностей вітродвигуна і генератора при змінній частоті обертання ВЕУ ...................................................................................................38 1.9. Класи ВЕУ та їхні структурні схеми..........................................................43 Розділ 2. Генератори постійного струму .........................................................49 2.1. Загальні відомості про генератори постійного струму ...........................49 2.1.1. Конструктивна схема машини постійного струму................................49 2.1.2. Фізичні процеси і співвідношення в генераторах постійного струму...51 2.2. Поняття про реакції якоря і комутації ........................................................54 2.3. Схеми збудження генераторів постійного струму ....................................56 2.4. Поняття про самозбудження генератора постійного струму ...................58 2.5. Характеристики генераторів постійного струму .......................................59 2.6. Особливості паралельної роботи генераторів постійного струму……….63 2.6.1. Умови і порядок включення генераторів на паралельну роботу............63 2.6.2. Розподіл і переведення навантаження .....................................................65 2.6.3. Особливості паралельної роботи генераторів змішаного збудження....66 2.6.4. Робота генератора постійного струму на зарядження акумуляторної батареї ....................................................................................................................68 2.6.5. Робота генератора в буфер з акумуляторною батареєю .........................69 2.7. Перехідні процеси в генераторах постійного струму ................................70 2.7.1. Співвідношення в процесі самозбудження ..............................................70 2.7.2. Раптове коротке замикання........................................................................73 2.8. Електрична система ВЕУ з генератором постійного струму ....................75 2.9. Узгодження параметрів генератора постійного струму з характеристиками вітротурбін різних типів..................................................77 2.9.1. Потужнісні характеристики вітротурбін різного типу …………….....77 2.9.2. Суміщення потужнісних характеристик вітротурбін і генераторів.........................................................................................................78 2.10. Експериментальне визначення енергетичних характеристик ВЕУ .......81 Розділ 3. Синхронні генератори .........................................................................87 3.1. Будова і принцип дії синхронних машин ...................................................87 3.1.1. Призначення й основні типи синхронних машин ..................................87 3.1.2. Конструктивна схема синхронної машини .............................................88 3.1.3. Принцип дії синхронного генератора.......................................................89 3.1.4. Принцип дії синхронного двигуна ...........................................................90 3.2. Робота синхронної машини під навантаженням.........................................92 3.2.1. Поняття про реакції якоря..........................................................................92 3.2.2. Рівняння електричної рівноваги і векторні діаграми синхронної машини .............................................................................95 3.2.3. Робота синхронного генератора на автономне навантаження...............96 3.3. Паралельна робота синхронного генератора з потужною мережею ........98 3.і. 1. Умови включення синхронного генератора на паралельну роботу …..98 3.3.2. Загальні принципи регулювання потужності генератора при паралельній роботі з мережею ....................................................................99 3.3.3. V -подібні характеристики синхронної машини...................................102 3.3.4. Кутова характеристика неявнополюсного генератора..........................102 3.3.5. Статична і динамічна стійкість паралельної роботи СГ із мережею ..104 3.3.6. Кутова характеристика явнополюсного синхронного генератора.......107 3.4. Особливості роботи СГ на випрямне навантаження ................................109 3.5. Схеми збудження синхронних генераторів...............................................112 3.6. Синхронні генератори для ВЕУ..................................................................115 3.6.1. Синхронні генератори типу ГС, ГСС, ГСФ серійного виробництва....115 3.6.2. Синхронні генератори типу ВЕГ малої потужності одиничного виробництва ........................................................................................................119 3.6.3. Можливості спрощення конструкції ротора багатополюсного синхронного генератора.................................................................................... 121 3.6.4.Дані розрахунку й випробувань синхронного генератора ВЕГ-5-750..124 3.7. Приклади побудови ВЕУ із синхронними генераторами ........................128 3.7.1. Вітроенергетична установка АВЕ-250С .................................................128 3.7.2. Результати роботи ВЕС з ВЕУ АВЕ - 250С (1993-2000 рр.) ................134 3.7.3. Вітроелектрична установка УВЕ-10....................................................... 134 3.7.4. Особливості ВЕУ серії АВЕУ виробництва "Ветрозн" .......................139 3.7.5. Характеристики роботи ВЕУ серії АВЕУ- 4 із синхронним генератором ВЕГ-5-750............................................................................................................ 140 Розділ 4. Синхронні генератори з постійними магнітами ............................. 146 4.1. Загальна характеристика ........................................................................... 146 4.2. Конструкції генераторів з постійними магнітами .................................. 146 4.3. Основні властивості й характеристики постійних магнітів ................... 150 4.3.1. Параметри і характеристики сучасних магнітотвердих матеріалів ................................................................................ 150 4.3.2. Фізичні процеси взаємодії постійного магніту і магнітного кола ...…155 4.3.3. Співвідношення для розрахунку постійних магнітів .......................... 156 4.3.4. Співвідношення для магнітного кола з постійним магнітом ..............158 4.4. Розрахунок магнітного кола з постійними магнітами............................. 162 4.5. Електромагнітний розрахунок синхронних генераторів з постійними магнітами ............................................................................................................165 4.5.1. Вибір електромагнітних навантажень і визначення головних розмірів СГПМ………………………………………………………165 4.5.2. Розрахунок об'єму постійних магнітів і геометричних розмірів ротора……………………………………………………………………………168 4.5.3. Розрахунок обмотки і магнітопроводу якоря........................................ 171 4.5.4. Розрахунок параметрів обмотки статора.............................................. 177 4.5.5. Розрахунок провідності розсіювання індуктора і визначення розмірів ротора .................................................................................................................. 181 4.5.6. Розрахунок магнітного кола і побудова робочої діаграми магнітів....185 4.6. Режими роботи СГ із постійними магнітами .......................................... 189 4.6.1. ЕРС холостого ходу і параметри СГПМ .............................................. 189 4.6.2. Робота СГПМ при навантаженні. Зовнішня характеристика і векторна діаграма............................................................................................................... 191 4.6.3. Побудова зовнішньої характеристики СГПМ...................................... 198 4.6.4. Активна потужність і електромагнітний момент СГПМ ………….…200 4.6.5. Визначення маси активних матеріалів, втрат і ККД генератора……..201 4.7. Приклад електромагнітного розрахунку синхронного генератора з постійними магнітами з неодиму-залізо-бору..................................................204 4.8. Приклади виконання і застосування СГ із постійними магнітами у ВЕУ……..218 4.8.1. СГ типу ГСМП132-МВ18 Новокаховського ЕМЗ "Південелектромаш" …………………………………………………….218 4.8.2. Можливості спрощення конструкції низькообертових СГ із постійними магнітами...............................................................................220 4.8.3. ВЕУ "Fortis Alize" малої потужності з низькообертовим СГ із постійними магнітами...............................................................................222 4.8.4. Технічні дані окремих ВЕУ малої потужності (Німеччина) із синхронними генераторами з постійними магнітами [158]…………………224 Розділ 5. Асинхронні генератори ......................................................................228 5.1. Загальна характеристика АГ ......................................................................228 5.2. Будова і принцип дії АД ............................................................................230 5.2.1. Будова асинхронної машини....................................................................230 5.2.2. Принцип дії й основні співвідношення в АД.........................................231 5.3. Робота АМ, підключеної до мережі, у генераторному режимі...............237 5.3.1. Фізичні процеси і співвідношення в АГ' ...............................................237 5.3.2. Особливості паралельної роботи АГ з мережею Порівняння зі СГ.....240 5.4.Асинхронна машина з двошаровим ротором у генераторному режимі...244 5.4.1.Асинхронний двигун серії АН 111-4 із двошаровим ротором ...........244 5.4.2. Випробування АМ АН111-4 із двошаровим ротором у генераторному режимі...................................................................................245 5.5. Робота асинхронного генератора в автономному режимі .....................247 5.5.1. Принцип дії асинхронного генератора .................................................247 5.5.2. Самозбудження асинхронного генератора............................................249 5.5.3. Експериментальне визначення ємності конденсаторів збудження ....257 5.6. Характеристики асинхронного генератора в автономному режимі роботи..................................................................................................................260 5.6.1. Робочі характеристики автономного АГ ...............................................260 5.6.2. Експериментальне дослідження зовнішніх характеристик автономного АГ........................................................................................................................268 5.6.3. Енергетична діаграма, втрати і ККД асинхронного генератора …….269 5.6.4. Приклади розрахунку тихохідних АГ малої потужності ................... 273 5.7. Регулювання частоти і напруги автономного АГ...................................275 5.7.1. Загальні проблеми регулювання АГ .......................................................275 5.7.2. Стабілізація напруги і частоти АГ ..........................................................277 5.7.3. Інверторний асинхронний генератор ......................................................281 5.7.4. Автоматична стабілізація навантаження АГ..........................................282 5.8. Приклади побудови ВЕУ з асинхронними генераторами ......................285 5.8.1. ВЕУ малої потужності розробки ХАІ ....................................................285 5.8.2. ВЕУ середньої потужності серії USW 56-100........................................286 5.8.3. Вітроелектрична установка ВЕУ-500......................................................293 5.8.4. Вітроустановки великої потужності з АГ фірми "Nordex"..................298 5.8.5. Міддельгрунденська ВЕС ........................................................................300 Розділ 6. Безконтактні генератори змінного струму з електромагнітним збудженням..........................................................................................................304 6.1. Загальна характеристика безщіткових синхронних генераторів ...........304 6.2. Індукторні синхронні генератори..............................................................306 6.2.1. Принцип дії індукторного СГ .................................................................306 6.2.2. Розподіл магнітного поля в індукторних генераторах .........................308 6.2.3.Магнітні потоки і ЕРС в індукторних генераторах у різних режимах…..310 6.3. Синхронні генератори з кігтеподібними полюсами.................................313 6.3.1. Принцип дії, класифікація і будова синхронних машин з кігтеподібними полюсами.................................................................................313 6.3.2. Синхронні генератори серії СГВМ для ВЕУ серії АВЕУ ...................318 6.3.3. Автомобільні безконтактні генератори малої потужності ..................322 6.4. Безконтактні синхронні генератори зі суміщеними обмотками ...........324 6.4.1. Принцип побудови БСГ зі суміщеними обмотками..............................324 6.4.2. Результати випробувань дослідного БСГ на базі АД серії АІР-90 .....326 6.4.3. Регулятор напруги низькообертового індукторного генератора .........328 6.4.4. Дані розрахунку СГ зі суміщеними обмотками на статорі……….......330 6.4.5. Автономний СГ Одеського НТУ ............................................................331 6.4.6. Випробування різних варіантів індукторного генератора зі суміщеними обмотками на статорі .........................................................................................332 6.5. Безконтактний синхронний генератор зі змінною структурою обмотки ротора ...................................................................................................................334 6.5.1. Принцип дії БСГ зі змінною структурою обмотки .............................334 6.5.2. Співвідношення для ЕРС і струмів обмотки ротора ..........................336 6.5.3. Регулятор збудження для БСГ зі змінною структурою обмотки ротора [136].....339 6.6. Асинхронізовані синхронні машини........................................................341 6.6.1. Принцип дії АСМ...................................................................................341 6.6.2. Асинхронізований генератор для ВЕС .................................................343 Висновок ........................................................................................................... 349 Додатки...............................................................................................................350 Бібліографічний список ...................................................................................379