Генератор постоянного тока с постоянными магнитами

Генератор постоянного тока с постоянными магнитами как генератор энергии ветра

Из предыдущего руководства по ветряным турбинам мы знаем, что электрический генератор — это вращающаяся машина, которая преобразует механическую энергию, производимую лопастями ротора (первичный двигатель), в электрическую энергию или мощность. Это преобразование энергии основано на законах электромагнитной индукции Фарадея, которые динамически индуцируют ЭДС.(электродвижущая сила) в обмотки генератора по мере его вращения. Существует множество различных конфигураций электрического генератора, но один из таких электрических генераторов, который мы можем использовать в ветроэнергетической системе, — это Генератор постоянного тока с постоянными магнитами или же Генератор КПМД.

Машины постоянного тока (DC) с постоянными магнитами могут использоваться либо как обычные двигатели, либо как генераторы ветряных турбин постоянного тока, поскольку конструктивно между ними нет принципиальной разницы. Фактически, одна и та же машина с постоянным током может иметь электрический привод в качестве двигателя для перемещения механической нагрузки или механический привод в качестве простого генератора для выработки выходного напряжения. Это затем делает генератор постоянного тока с постоянными магнитами (генератор PMDC) идеально подходит для использования в качестве простого генератора ветряной турбины.

Если мы подключим машину постоянного тока к источнику постоянного тока, якорь будет вращаться с фиксированной скоростью, определяемой подключенным напряжением питания и напряженностью его магнитного поля, тем самым действуя как «двигатель», создающий крутящий момент. Однако, если мы механически вращаем якорь со скоростью, превышающей расчетную скорость двигателя, используя лопасти ротора, то мы можем эффективно преобразовать этот двигатель постоянного тока в генератор постоянного тока, производящий генерируемую выходную ЭДС, которая пропорциональна его скорости вращения и магнитному полю. прочность.

Как правило, в обычных машинах постоянного тока обмотка возбуждения находится на статоре, а обмотка якоря — на роторе. Это означает, что они имеют выходные катушки, которые вращаются со стационарным магнитным полем, создающим необходимый магнитный поток. Электроэнергия берется непосредственно от якоря через угольные щетки с магнитным полем, которое регулирует мощность, подаваемую либо постоянными магнитами, либо электромагнитом.

Вращающиеся катушки якоря проходят через это стационарное или статическое магнитное поле, которое, в свою очередь, генерирует электрический ток в катушках.В генераторе постоянного тока с постоянными магнитами якорь вращается, поэтому полный генерируемый ток должен проходить через коммутатор или токосъемные кольца и угольные щетки, обеспечивающие электрическую мощность на его выходных клеммах, как показано.

Типичная конструкция генератора постоянного тока

Простой генератор постоянного тока может быть сконструирован различными способами в зависимости от взаимосвязи и взаимосвязи каждой из катушек магнитного поля с якорем. Двумя основными соединениями для машины постоянного тока с самовозбуждением являются «Генератор постоянного тока с шунтовой обмоткой», в котором основная обмотка возбуждения подключена к параллельно с арматурой. «Генератор постоянного тока с последовательной обмоткой» имеет токонесущую обмотку возбуждения, подключенную к серии с арматурой. Каждый тип конструкции генератора постоянного тока имеет определенные преимущества и недостатки.

Генератор постоянного тока с шунтирующей обмоткой. В этих генераторах ток возбуждения (возбуждения) и, следовательно, магнитное поле увеличивается с увеличением рабочей скорости, поскольку он зависит от выходного напряжения. Напряжение якоря и электрический крутящий момент также увеличиваются со скоростью. Генератор с параллельной обмоткой, работающий с постоянной скоростью при различных условиях нагрузки, имеет гораздо более стабильное выходное напряжение, чем генератор с последовательной обмоткой. Однако по мере увеличения тока нагрузки внутренние потери мощности на якоре вызывают пропорциональное уменьшение выходного напряжения.

В результате ток через поле уменьшается, уменьшая магнитное поле и вызывая еще большее снижение напряжения, а если ток нагрузки намного выше расчетного генератора, снижение выходного напряжения становится настолько серьезным, что приводит к большим внутренним потерям в якоре. и перегрев генератора. Как результат, генераторы постоянного тока с шунтирующей обмоткой обычно не используются для больших постоянных электрических нагрузок.

Генератор постоянного тока с последовательной обмоткой. Ток возбуждения (возбуждения) в генераторе с последовательной обмоткой такой же, как и ток, который генератор подает на нагрузку, поскольку они оба соединены последовательно.Если подключенная нагрузка мала и потребляет лишь небольшое количество тока, ток возбуждения также мал. Следовательно, магнитное поле последовательной обмотки возбуждения слишком слабое, и генерируемое напряжение также низкое.

Аналогичным образом, если подключенная нагрузка потребляет большой ток, ток возбуждения также будет высоким. Поэтому магнитное поле последовательной обмотки возбуждения очень сильное, а генерируемое напряжение высокое. Одним из основных недостатков генератора постоянного тока с последовательной обмоткой является плохая стабилизация напряжения, и, как следствие, генераторы постоянного тока с последовательной обмоткой обычно не используются для переменных нагрузок.

Оба Шунтовая рана а также Серия Ранение Недостаток генераторов постоянного тока с самовозбуждением состоит в том, что изменения тока нагрузки вызывают серьезные изменения выходного напряжения генератора из-за реакции якоря, и в результате эти типы генераторов постоянного тока редко используются в качестве генераторов ветряных турбин.

Однако «составной» генератор постоянного тока имеет комбинацию как шунтирующих, так и последовательных обмоток, включенных в один генератор, и которые могут быть соединены таким образом, чтобы получить либо «составной генератор постоянного тока с коротким шунтом», либо «составной генератор постоянного тока с длинным шунтом». генератор". Этот тип конструкции генератора постоянного тока с самовозбуждением позволяет объединить преимущества каждого типа в одной машине постоянного тока.

Еще один способ преодолеть недостатки генератора постоянного тока с самовозбуждением — позволить обмоткам возбуждения подключаться извне. Затем это производит другой тип генератора постоянного тока, называемый Генератор постоянного тока с независимым возбуждением.

Как следует из названия, генератор постоянного тока с независимым возбуждением питается от независимого внешнего источника постоянного тока для обмотки возбуждения. Это позволяет току возбуждения создавать постоянный поток магнитного поля независимо от условий нагрузки на якорь. Когда к генератору не подключена электрическая нагрузка, ток не течет, и на выходных клеммах появляется только номинальное напряжение генератора.

Если к выходу подключить электрическую нагрузку, потечет ток, и генератор начнет подавать электроэнергию на нагрузку.

Генератор постоянного тока с независимым возбуждением имеет множество применений и может использоваться в генераторах ветряных турбин. Однако недостатком генераторов постоянного тока для ветряных турбин является то, что для возбуждения шунтирующего поля необходим отдельный источник питания постоянного тока. Однако мы можем преодолеть этот недостаток, заменив обмотку возбуждения постоянными магнитами, создав Генератор постоянного тока с постоянными магнитами или же Генератор КПМД.

Генератор постоянного тока с постоянными магнитами

Генератор постоянного тока с постоянными магнитами можно рассматривать как коллекторный двигатель постоянного тока с независимым возбуждением и постоянным магнитным потоком. Фактически, почти все щеточные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами (PMDC) могут использоваться в качестве генераторов постоянного тока с постоянными магнитами, но, поскольку они на самом деле не предназначены для использования в качестве генераторов, они не являются хорошими генераторами ветряных турбин, потому что при работе в качестве простого постоянного тока генератора, вращающееся поле действует как тормоз, замедляющий ротор.

Эти машины постоянного тока состоят из статора с редкоземельными постоянными магнитами, такими как неодим или самарий-кобальт, для создания очень сильного потока поля статора вместо намотанных катушек, и коммутатора, подключенного через щетки к обмотке якоря, как и раньше.

Генератор постоянного тока с постоянными магнитами

При использовании в качестве генераторов постоянного тока с постоянными магнитами двигатели постоянного тока с постоянными магнитами обычно должны приводиться в движение намного быстрее, чем их номинальная скорость двигателя, чтобы производить что-либо близкое к их номинальному напряжению двигателя, поэтому машины постоянного тока с высоким напряжением и низкой частотой вращения лучше подходят для генераторов постоянного тока.

Основное преимущество перед другими типами генераторов постоянного тока заключается в том, что генератор постоянного тока с постоянными магнитами очень быстро реагирует на изменения скорости ветра, потому что их сильное поле статора всегда присутствует и постоянно.

Генераторы постоянного тока с постоянными магнитами обычно легче, чем машины с обмоткой статора для данной номинальной мощности, и имеют более высокий КПД, поскольку отсутствуют обмотки возбуждения и потери в катушках возбуждения.

Кроме того, поскольку статор оснащен системой полюсов с постоянными магнитами, он устойчив к воздействию возможного попадания грязи. Однако, если они не полностью герметизированы, постоянные магниты будут притягивать ферромагнитную пыль и металлическую стружку (также называемую стружкой или опилками), что может привести к внутреннему повреждению.

Генератор постоянного тока с постоянными магнитами является хорошим выбором для небольших ветряных турбин, поскольку они надежны, могут работать на низких скоростях вращения и обеспечивают хороший КПД, особенно в условиях слабого ветра, поскольку их точка включения довольно низкая.

Существует множество готовых генераторов постоянного тока с постоянными магнитами с широким диапазоном выходной мощности от нескольких ватт до многих тысяч ватт. Напряжение постоянного тока, генерируемое машиной постоянного тока с постоянными магнитами, определяется следующими тремя факторами:

• Магнитное поле, создаваемое статором. Это зависит от физических размеров генератора, силы и типа используемых постоянных магнитов.
• Количество витков или петель провода на якоре. Это значение определяется физическими размерами генератора и якоря, а также размером проволочного проводника. Чем больше витков используется, тем выше выходное напряжение. Точно так же, чем больше диаметр провода или площадь поперечного сечения, тем выше ток.
• Скорость вращения якоря, которая определяется скоростью вращения лопастей ротора ветряной турбины относительно скорости ветра. Для генераторов и двигателей с постоянным током выходное напряжение пропорционально скорости и, как правило, является линейным.

$138.99

Наиболее распространенным типом генераторов постоянного тока для ветряных турбин и небольших систем ветряных турбин, используемых для зарядки аккумуляторов, является генератор постоянного тока с постоянными магнитами, также известный как генератор постоянного тока. Динамо. Динамо — хороший выбор для новичков в ветроэнергетике, поскольку они большие, тяжелые и, как правило, имеют очень хорошие подшипники, поэтому вы можете установить довольно здоровенные лопасти ротора прямо на вал их шкива.

Дизельные динамо-машины старого образца для грузовиков или автобусов являются лучшим выбором для ветряных турбин, поскольку они предназначены для выработки необходимого напряжения и тока на более низких скоростях с упором на эффективность, а не на максимальную мощность. Кроме того, большинство динамо-машин для автобусов и грузовиков могут генерировать мощность до 500 Вт при напряжении 24 вольта, чего более чем достаточно для зарядки аккумуляторов и питания осветительных приборов в небольших низковольтных системах.

Другие типы двигателей PMDC, которые подходят для ветряных генераторов постоянного тока, включают тяговые двигатели, используемые в тележках для гольфа, вилочных погрузчиках и электромобилях. Обычно это двигатели на 24, 36 или 48 вольт с высоким КПД и номинальной мощностью.

Одним из основных недостатков генератора постоянного тока с постоянными магнитами является то, что эти машины имеют коммутирующие щетки, которые пропускают полный выходной ток генератора, поэтому машины постоянного тока, используемые в качестве динамо-машин и генераторов, требуют регулярного обслуживания, поскольку угольные щетки используются для быстрого извлечения генерируемого тока. изнашиваются и производят много электропроводной угольной пыли внутри машины. Поэтому иногда используются генераторы переменного тока.

Автомобильные генераторы переменного тока являются еще одним очень популярным выбором в качестве простого генератора постоянного тока для использования в качестве генератора ветряной турбины, особенно среди новичков и энтузиастов-любителей, поскольку низковольтный постоянный ток также может генерироваться генераторами переменного тока. Большинство автомобильных генераторов переменного тока содержат выпрямители переменного тока в постоянный, которые обеспечивают постоянное напряжение и ток. В генераторе переменного тока магнитное поле вращается, и переменный трехфазный переменный ток, генерируемый стационарными катушками статора, преобразуется в 12 вольт постоянного тока с помощью внутренней цепи выпрямителя. Автомобильные генераторы переменного тока имеют то явное преимущество, что они специально разработаны для зарядки 12- или 24-вольтовых аккумуляторов.

Закрытые генераторы PMDC предпочтительны в системах генераторов ветряных турбин для защиты их от элементов, но стандартные автомобильные генераторы переменного тока обычно открыты и охлаждаются окружающим воздухом, вентилируемым через генератор, поэтому требуется некоторая дополнительная форма защиты от атмосферных воздействий. Они также бывают разных размеров и номинальной мощности, предназначенные для небольших автомобилей и больших грузовиков, и, хотя они могут быть дешевыми, легкодоступными, они не очень эффективны по сравнению с более крупными генераторами постоянного тока с постоянными магнитами.

Ключом к простоте и повышению эффективности является создание ветряной турбины с прямым приводом, в которой лопасти турбины установлены непосредственно на валу главного шкива генератора. Как только вы вводите шестерни, ремни, шкивы или любые другие способы увеличения или уменьшения их скорости, вы вносите потери энергии, дополнительные затраты и сложность.

Хотя хороший трехлопастной ротор диаметром от 1,5 до 2 метров будет развивать скорость свыше 1000 об/мин, это все же слишком медленно, чтобы подходить для большинства обычных автомобильных генераторов, которые вращаются со скоростями от 2000 до 10 000 об/мин, поскольку они прикреплены к двигателю автомобиля. Тогда потребуется какая-то коробка передач или система шкивов, чтобы увеличить скорость вращения генератора и увеличить его выходную мощность.

Кроме того, автомобильным генераторам переменного тока требуется дополнительный внешний источник питания для подачи небольшого тока смещения (обычно через индикаторную лампу на приборной панели) на их катушки возбуждения, чтобы начать возбуждение и, следовательно, процесс генерации до того, как генератор достигнет своего предела. врезка скорость.

Этот внешний ток возбуждения может обеспечиваться присоединенным аккумуляторным блоком, но проблема заключается в том, что батареи будут постоянно подавать ток на обмотку возбуждения, возможно, разряжая батареи, даже когда лопасти турбины неподвижны в периоды отсутствия или слабого ветра.Еще одна проблема с современными автомобильными генераторами переменного тока заключается в том, что они созданы из соображений дешевизны и легкого веса, поэтому обычно имеют только небольшие роторные валы диаметром 5/8 дюйма или 17 мм для установки шкива, на который может быть немного мала сторона, чтобы выдерживать вес и напряжения вращающихся лопастей.

Одной из самых сложных частей проектирования небольшой ветряной турбины низкого напряжения для производства электроэнергии является поиск подходящего генератора постоянного тока.

Генераторы постоянного тока с постоянными магнитами это низкоскоростной генератор, который довольно надежен и эффективен при слабом ветре для использования в «автономных» автономных системах для зарядки аккумуляторов или для питания низковольтного освещения и приборов. Как правило, они имеют линейные кривые мощности с низкой скоростью включения около 10 миль в час. К сожалению, становится все труднее найти старые генераторы постоянного тока с постоянными магнитами, которые больше, тяжелее и надежнее.

Помимо генераторов постоянного тока с постоянными магнитами, автомобильный генератор переменного тока также является еще одним популярным выбором среди многих самодельщиков для использования в качестве генераторов постоянного тока низкого напряжения для ветряных турбин. Однако, будучи автомобильным генератором переменного тока, прикрепленным болтами сбоку, или двигателем внутреннего сгорания, они требуют высоких оборотов для выработки мощности и не всегда очень эффективны. Автомобильные генераторы также требуют внешнего источника питания для питания электромагнитов, создающих внутреннее магнитное поле.

Автомобильные генераторы переменного тока ограничивают собственный ток с помощью встроенной схемы регулятора, которая также предотвращает перезарядку подключенных аккумуляторов генератором переменного тока. Тем не менее, автомобильный генератор переменного тока никогда не следует подключать к аккумуляторной батарее в обратном направлении или запускать генератор на высоких скоростях без подключенной батареи, так как выходное напряжение поднимется до высокого уровня (намного больше 12 вольт) и разрушит внутренний выпрямитель.

Низковольтные автономные ветроэнергетические системы постоянного тока отлично подходят для зарядки аккумуляторов и т. д., но если мы хотим питать более крупные устройства, подключенные к сети, или иметь систему, которая «привязана к сети», нам нужно либо использовать какую-либо форму инвертора для изменения низкого напряжения. Постоянный ток, генерируемый генератором постоянного тока с постоянными магнитами, в источник переменного тока более высокого напряжения (120 или 240 вольт) или установить другой тип ветряного генератора.

В следующем уроке об энергии ветра мы рассмотрим работу и конструкцию электрической машины другого типа, называемой синхронным генератором. Синхронный генератор сильно отличается от генератора постоянного тока с постоянными магнитами, поскольку его можно использовать для выработки электроэнергии трехфазного переменного или переменного тока, подключенного к сети.