Исследование параметров синхронного ветрогенератора с поперечным потоком для арктического региона
Ключевые слова:
поперечный поток, постоянные магниты, синхронный генератор, топология, энергетика арктического региона, характеристики
Аннотация
Конструкция электрических машин с поперечным потоком позволяет реализовать более высокие плотности вращающего момента и рассматривается в качестве перспективной для синхронного генератора мощностью 800 кВт (690 В, 150 мин-1), предназначенного для ветроэнергетики арктического региона. В статье приведен сравнительный анализ параметров машины для двух топологий, имеющих концентрацию магнитного потока. Намагничивание предусмотрено по длине магнита, длина магнита равна ширине обмотки, зубец статора расположен по радиусу ротора. В одной топологии расположение статоров по отношению к ротору двухстороннее, в другой – одностороннее. Проведены электромагнитные расчеты генератора для обеих топологий при широком изменении входных переменных: воздушного зазора, внешнего диаметра статора и длины постоянных магнитов. Для обеих топологий при уменьшении диаметра и воздушного зазора снижается расход материалов, при уменьшении длины магнита уменьшается масса магнитов и масса меди, а масса стали возрастает. Для топологии c односторонним расположением статоров достигается уменьшение осевого габаритного размера практически вдвое, а также экономия активных материалов. По массе активных материалов обе топологии уступают генератору с продольным потоком, по плотности вращающего момента только топология c односторонним расположением статоров превосходит показатели машины с продольным потоком (причем при любой рассчитанной длине магнитов) в 1,23–1,7 раза.
Литература
1. Сопот В.Н., Кузнецова В.Н., Исаков А.С. Применение возобновляемых и нетрадиционных источников энергии для энергоснабжения удаленных населенных пунктов, расположенных в условиях Севера и Дальнего Востока РФ. – Актуальные проблемы естественных и технических наук, 2021, с. 200–216.
2. ПАО «Передвижная энергетика» [Электрон. ресурс], URL: http://mob-energy.ru (дата обращения 14.02.2024).
3. Бутузов В.А., Безруких П.П., Грибков С.В. Российская ветроэнергетика: научно-конструкторские школы, этапы развития, перспективы. – Сантехника, отопление, кондиционирование, 2021, № 5(233), с. 62–76.
4. РAO ЭС Востока и Komai Haltec Inc. планируют локализовать производство ветроэнергетических установок на Дальнем Востоке [Электрон. ресурс], URL: https://www.ruscable.ru/news/2015/10/06/RAO_ES_Vostoka_i_Komai_Haltec_Inc_planiruut_lokali (дата обращения 14.02.2024).
5. Юсупов K.Н., Беляев K.Л. Ветроэнергетическая установка SWT 3.0-101: безредукторная технология от Siemens. – Турбины и дизели, 2011, т. 4, с. 4–9.
6. Polinder H. et al. Comparison of Direct-Drive and Geared Generator Concepts for Wind Turbines. – IEEE Transactions on Energy Conversion, 2006, vol. 21(3), pp. 725–733, DOI: 10.1109/IEMDC.2005.195776.
7. Siemens SWT-1.3-62 [Электрон. ресурс], URL: https://en.wind-turbine-models.com/turbines1457-siemens-swt-1.3-62 (дата обращения 14.02.2024).
8. Bang D.N. Design of Transverse Flux Permanent Magnet Machines for Large Direct-Drive Wind Turbines. – Ph.D. dis., Electr. Eng. Dept., Delft Univ. Technol. The Netherlands, 2010.
9. WWD-1 1 MW Wind Turbine [Электрон. ресурс], URL: https://en.wind-turbine-models.com/turbines/1544-winwind-wwd-1-d56 (дата обращения 14.02.2024).
10. Renewable Generators Medium Speed Permanent Magnet Generator (MS PMG) [Электрон. ресурс], URL: https://abbengines.nt-rt.ru/images/manuals/gen7.pdf (дата обращения 14.02.2024).
11. Harris M.R., Pajooman G.H., Sharkh S.M.A. Comparison of Alternative Topologies for VRPM (Transverse-Flux) Electrical Machines. – IEE Colloquium on New Topologies for Permanent Magnet Machines, 1997, DOI: 10.1049/ic:19970519.
12. Yu Z., Jianyun C. Power Factor Analysis of Transverse-Flux Permanent Machines. – International Conference on Electrical Machines and Systems, 2005, vol. 1, pp. 450–453, DOI: 10.1109/icems.2005.202567.
13. Rang Y., Gu C., Li H. Analytical Design and Modeling of a Transverse Flux Permanent Magnet Machine. – International Conference on Power System Technology, 2002, vol. 4, pp. 2164–2167, DOI: 10.1109/ICPST.2002.1047165.
14. Пат. RU2797363C1. Электрическая машина с поперечным потоком / В.Н. Антипов, А.Д. Грозов, А.В. Иванова, 2023.
15. Антипов В.Н., Грозов А.Д., Иванова А.В. Синхронная машина с поперечным потоком для децентрализованной ветроэнергетики. – Конференция «Энерго- и ресурсосбережение – XXI век», 2022, с. 54–62.
16. Антипов В.Н., Грозов А.Д., Иванова А.В. Подход к проектированию статорных обмоток мощных ветрогенераторов. – Электричество, 2022, № 4, с. 59–65.
17. Husain T. et al. Design Considerations of a Transverse Flux Machine for Direct-Drive Wind Turbine Applications. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2018, vol. 54(4), pp. 3604–3615, DOI: 10.1109/tia.2018.2814979.
18. Pat. US11296585B2. Single Stack Multiphase Transverse Flux Machine / Y. Sozer, T. Husaen, 2022.
19. Заявка на изобретение № 2023122421 от 28.08.2023. Электрическая машина с поперечным потоком / В.Н. Антипов, А.Д. Грозов, А.В. Иванова.
20. Dubois M.R., Polinder H., Ferreira J.A. Comparison of Generator Topologies for Direct-Drive Wind Turbines. – Nordic Countries Power and Industrial Electronics Conference (NORPIE), 2000.
---
Работа выполнена в рамках Госзадания ИХС РАН (регистрационный номер темы 1023032900322-9-1.4.3)
#
1. Sopot V.N., Kuznetsova V.N., Isakov A.S. Aktual'nye problemy estestvennyh i tekhnicheskih nauk – in Russ. (Actual Problems of Natural and Technical Sciences), 2021, pp. 200–216.
2. JSC Mobile Energy [Electron. resource], URL: http://mob-energy.ru (Date of appeal 14.02.2024).
3. Butuzov V.A., Bezrukih P.P., Gribkov S.V. Santekhnika, otoplenie, konditsionirovanie – in Russ. (Plumbing, Heating, Air-Conditioning), 2021, No. 5(233), pp. 62–76.
4. RAO ES [Electron. resource], URL: https://www.ruscable.ru/news/2015/10/06/RAO_ES_Vostoka_i_Komai_Haltec_Inc_planiruut_lokali (Date of appeal 14.02.2024).
5. Yusupov K.N., Belyaev K.L. Turbiny i dizeli – in Russ. (Turbines & Diesels), 2011, т. 4, с. 4–9.
6. Polinder H. et al. Comparison of Direct-Drive and Geared Generator Concepts for Wind Turbines. – IEEE Transactions on Energy Conversion, 2006, vol. 21(3), pp. 725–733, DOI: 10.1109/IEMDC.2005.195776.
7. Siemens SWT-1.3-62 [Electron. resource], URL: https://en.wind-turbine-models.com/turbines1457-siemens-swt-1.3-62 (Date of appeal 14.02.2024).
8. Bang D.N. Design of Transverse Flux Permanent Magnet Machines for Large Direct-Drive Wind Turbines. – Ph.D. dis., Electr. Eng. Dept., Delft Univ. Technol. The Netherlands, 2010.
9. WWD-1 1 MW Wind Turbine [Electron. resource], URL: https://en.wind-turbine-models.com/turbines/1544-winwind-wwd-1-d56 (Date of appeal 14.02.2024).
10. Renewable Generators Medium Speed Permanent Magnet Generator (MS PMG) [Electron. resource], URL: https://abbengines.nt-rt.ru/images/manuals/gen7.pdf (Date of appeal 14.02.2024).
11. Harris M.R., Pajooman G.H., Sharkh S.M.A. Comparison of Alternative Topologies for VRPM (Transverse-Flux) Electrical Machines. – IEE Colloquium on New Topologies for Permanent Magnet Machines, 1997, DOI: 10.1049/ic:19970519.
12. Yu Z., Jianyun C. Power Factor Analysis of Transverse-Flux Permanent Machines. – International Conference on Electrical Machines and Systems, 2005, vol. 1, pp. 450–453, DOI: 10.1109/icems.2005.202567.
13. Rang Y., Gu C., Li H. Analytical Design and Modeling of a Transverse Flux Permanent Magnet Machine. – International Conference on Power System Technology, 2002, vol. 4, pp. 2164–2167, DOI: 10.1109/ICPST.2002.1047165.
14. Pаt. RU2797363C1. Elektricheskaya mashina s poperechnym potokom (Transverse Flux Electrical Machine) / V.N. Antipov, A.D. Grozov, A.V. Ivanova, 2023.
15. Antipov V.N., Grozov A.D., Ivanova A.V. Energo- i resursosberezhenie – XXI vek – in Russ. (Energy and Resource Conservation - XXI century), 2022, pp. 54–62.
16. Antipov V.N., Grozov A.D., Ivanova A.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2022, No. 4, pp. 59–65.
17. Husain T. et al. Design Considerations of a Transverse Flux Machine for Direct-Drive Wind Turbine Applications. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2018, vol. 54(4), pp. 3604–3615, DOI: 10.1109/tia.2018.2814979.
18. Pat. US11296585B2. Single Stack Multiphase Transverse Flux Machine / Y. Sozer, T. Husaen, 2022.
19. Application for an Invention No. 2023122421 от 28.08.2023. Elektricheskaya mashina s poperechnym potokom (Transverse Flux Electrical Machine) / V.N. Antipov, A.D. Grozov, A.V. Ivanova.
20. Dubois M.R., Polinder H., Ferreira J.A. Comparison of Generator Topologies for Direct-Drive Wind Turbines. – Nordic Countries Power and Industrial Electronics Conference (NORPIE), 2000
---
The work was carried out within the framework of the State Assignment of the ISC RAS (topic registration number 1023032900322-9-1.4.3)
2. ПАО «Передвижная энергетика» [Электрон. ресурс], URL: http://mob-energy.ru (дата обращения 14.02.2024).
3. Бутузов В.А., Безруких П.П., Грибков С.В. Российская ветроэнергетика: научно-конструкторские школы, этапы развития, перспективы. – Сантехника, отопление, кондиционирование, 2021, № 5(233), с. 62–76.
4. РAO ЭС Востока и Komai Haltec Inc. планируют локализовать производство ветроэнергетических установок на Дальнем Востоке [Электрон. ресурс], URL: https://www.ruscable.ru/news/2015/10/06/RAO_ES_Vostoka_i_Komai_Haltec_Inc_planiruut_lokali (дата обращения 14.02.2024).
5. Юсупов K.Н., Беляев K.Л. Ветроэнергетическая установка SWT 3.0-101: безредукторная технология от Siemens. – Турбины и дизели, 2011, т. 4, с. 4–9.
6. Polinder H. et al. Comparison of Direct-Drive and Geared Generator Concepts for Wind Turbines. – IEEE Transactions on Energy Conversion, 2006, vol. 21(3), pp. 725–733, DOI: 10.1109/IEMDC.2005.195776.
7. Siemens SWT-1.3-62 [Электрон. ресурс], URL: https://en.wind-turbine-models.com/turbines1457-siemens-swt-1.3-62 (дата обращения 14.02.2024).
8. Bang D.N. Design of Transverse Flux Permanent Magnet Machines for Large Direct-Drive Wind Turbines. – Ph.D. dis., Electr. Eng. Dept., Delft Univ. Technol. The Netherlands, 2010.
9. WWD-1 1 MW Wind Turbine [Электрон. ресурс], URL: https://en.wind-turbine-models.com/turbines/1544-winwind-wwd-1-d56 (дата обращения 14.02.2024).
10. Renewable Generators Medium Speed Permanent Magnet Generator (MS PMG) [Электрон. ресурс], URL: https://abbengines.nt-rt.ru/images/manuals/gen7.pdf (дата обращения 14.02.2024).
11. Harris M.R., Pajooman G.H., Sharkh S.M.A. Comparison of Alternative Topologies for VRPM (Transverse-Flux) Electrical Machines. – IEE Colloquium on New Topologies for Permanent Magnet Machines, 1997, DOI: 10.1049/ic:19970519.
12. Yu Z., Jianyun C. Power Factor Analysis of Transverse-Flux Permanent Machines. – International Conference on Electrical Machines and Systems, 2005, vol. 1, pp. 450–453, DOI: 10.1109/icems.2005.202567.
13. Rang Y., Gu C., Li H. Analytical Design and Modeling of a Transverse Flux Permanent Magnet Machine. – International Conference on Power System Technology, 2002, vol. 4, pp. 2164–2167, DOI: 10.1109/ICPST.2002.1047165.
14. Пат. RU2797363C1. Электрическая машина с поперечным потоком / В.Н. Антипов, А.Д. Грозов, А.В. Иванова, 2023.
15. Антипов В.Н., Грозов А.Д., Иванова А.В. Синхронная машина с поперечным потоком для децентрализованной ветроэнергетики. – Конференция «Энерго- и ресурсосбережение – XXI век», 2022, с. 54–62.
16. Антипов В.Н., Грозов А.Д., Иванова А.В. Подход к проектированию статорных обмоток мощных ветрогенераторов. – Электричество, 2022, № 4, с. 59–65.
17. Husain T. et al. Design Considerations of a Transverse Flux Machine for Direct-Drive Wind Turbine Applications. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2018, vol. 54(4), pp. 3604–3615, DOI: 10.1109/tia.2018.2814979.
18. Pat. US11296585B2. Single Stack Multiphase Transverse Flux Machine / Y. Sozer, T. Husaen, 2022.
19. Заявка на изобретение № 2023122421 от 28.08.2023. Электрическая машина с поперечным потоком / В.Н. Антипов, А.Д. Грозов, А.В. Иванова.
20. Dubois M.R., Polinder H., Ferreira J.A. Comparison of Generator Topologies for Direct-Drive Wind Turbines. – Nordic Countries Power and Industrial Electronics Conference (NORPIE), 2000.
---
Работа выполнена в рамках Госзадания ИХС РАН (регистрационный номер темы 1023032900322-9-1.4.3)
#
1. Sopot V.N., Kuznetsova V.N., Isakov A.S. Aktual'nye problemy estestvennyh i tekhnicheskih nauk – in Russ. (Actual Problems of Natural and Technical Sciences), 2021, pp. 200–216.
2. JSC Mobile Energy [Electron. resource], URL: http://mob-energy.ru (Date of appeal 14.02.2024).
3. Butuzov V.A., Bezrukih P.P., Gribkov S.V. Santekhnika, otoplenie, konditsionirovanie – in Russ. (Plumbing, Heating, Air-Conditioning), 2021, No. 5(233), pp. 62–76.
4. RAO ES [Electron. resource], URL: https://www.ruscable.ru/news/2015/10/06/RAO_ES_Vostoka_i_Komai_Haltec_Inc_planiruut_lokali (Date of appeal 14.02.2024).
5. Yusupov K.N., Belyaev K.L. Turbiny i dizeli – in Russ. (Turbines & Diesels), 2011, т. 4, с. 4–9.
6. Polinder H. et al. Comparison of Direct-Drive and Geared Generator Concepts for Wind Turbines. – IEEE Transactions on Energy Conversion, 2006, vol. 21(3), pp. 725–733, DOI: 10.1109/IEMDC.2005.195776.
7. Siemens SWT-1.3-62 [Electron. resource], URL: https://en.wind-turbine-models.com/turbines1457-siemens-swt-1.3-62 (Date of appeal 14.02.2024).
8. Bang D.N. Design of Transverse Flux Permanent Magnet Machines for Large Direct-Drive Wind Turbines. – Ph.D. dis., Electr. Eng. Dept., Delft Univ. Technol. The Netherlands, 2010.
9. WWD-1 1 MW Wind Turbine [Electron. resource], URL: https://en.wind-turbine-models.com/turbines/1544-winwind-wwd-1-d56 (Date of appeal 14.02.2024).
10. Renewable Generators Medium Speed Permanent Magnet Generator (MS PMG) [Electron. resource], URL: https://abbengines.nt-rt.ru/images/manuals/gen7.pdf (Date of appeal 14.02.2024).
11. Harris M.R., Pajooman G.H., Sharkh S.M.A. Comparison of Alternative Topologies for VRPM (Transverse-Flux) Electrical Machines. – IEE Colloquium on New Topologies for Permanent Magnet Machines, 1997, DOI: 10.1049/ic:19970519.
12. Yu Z., Jianyun C. Power Factor Analysis of Transverse-Flux Permanent Machines. – International Conference on Electrical Machines and Systems, 2005, vol. 1, pp. 450–453, DOI: 10.1109/icems.2005.202567.
13. Rang Y., Gu C., Li H. Analytical Design and Modeling of a Transverse Flux Permanent Magnet Machine. – International Conference on Power System Technology, 2002, vol. 4, pp. 2164–2167, DOI: 10.1109/ICPST.2002.1047165.
14. Pаt. RU2797363C1. Elektricheskaya mashina s poperechnym potokom (Transverse Flux Electrical Machine) / V.N. Antipov, A.D. Grozov, A.V. Ivanova, 2023.
15. Antipov V.N., Grozov A.D., Ivanova A.V. Energo- i resursosberezhenie – XXI vek – in Russ. (Energy and Resource Conservation - XXI century), 2022, pp. 54–62.
16. Antipov V.N., Grozov A.D., Ivanova A.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2022, No. 4, pp. 59–65.
17. Husain T. et al. Design Considerations of a Transverse Flux Machine for Direct-Drive Wind Turbine Applications. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2018, vol. 54(4), pp. 3604–3615, DOI: 10.1109/tia.2018.2814979.
18. Pat. US11296585B2. Single Stack Multiphase Transverse Flux Machine / Y. Sozer, T. Husaen, 2022.
19. Application for an Invention No. 2023122421 от 28.08.2023. Elektricheskaya mashina s poperechnym potokom (Transverse Flux Electrical Machine) / V.N. Antipov, A.D. Grozov, A.V. Ivanova.
20. Dubois M.R., Polinder H., Ferreira J.A. Comparison of Generator Topologies for Direct-Drive Wind Turbines. – Nordic Countries Power and Industrial Electronics Conference (NORPIE), 2000
---
The work was carried out within the framework of the State Assignment of the ISC RAS (topic registration number 1023032900322-9-1.4.3)
