Ученые Самарского политеха выяснили, как улучшить работу отечественных ветрогенераторов

Научный коллектив кафедры «Электромеханика и автомобильное электрооборудование» во главе с ее заведующим доктором технических наук Юрием Макаричевым проанализировал разные типы конструкций генераторов ветроэнергетической установки и выяснил, какие из них наиболее перспективные с точки зрения технологии производства и эксплуатации. Результаты последних исследований опубликованы в журнале Russian Electrical Engineering (https://doi.org/10.3103/S1068371224700135).

– Исходя из того, что генераторы ветроэнергетических установок располагаются высоко над землей, то доступ ко всем элементам конструкции весьма ограничен, а значит ремонт, связанный со спуском сломанных устройств на землю материально затратен, – поясняет кандидат технических наук, доцент кафедры «Электромеханика и автомобильное электрооборудование» Юрий Иванников. – Поэтому генераторы (как и другие устройства ветроэнергетической установки) стараются подбирать минимально возможной массы и габаритов, повышенной энергоэффективности, надежности, простоты и технологичности ремонта.

Именно по этой причине в ветроэнергетических установках достаточно часто стараются заменить схему с массивным мультипликатором (устройство, повышающее частоту вращения вала в процессе передачи крутящего момента) на схему с прямым приводом, а также применяют постоянные магниты взамен катушек возбуждения. Чем меньше узлов, которые могут выйти из строя, тем надежнее конструкция в целом.

Для того чтобы сделать конструкцию ветрогенераторов еще более легкой и удобной, ученые исследовали обмотки генератора и совершенствовали геометрию магнитопровода. Они сравнивали генераторы, отличающиеся этими конструктивными элементами по коэффициенту полезного действия и уровню вибраций электромагнитной природы, оказывающих негативное воздействие на механическое состояние узлов ветроэнергетической установки, контролируя при этом величину электрического напряжения, которое создается в обмотках.

В итоге ученые отобрали два типа обмоток: распределенную двухслойную с числом пазов на полюс и фазу больше единицы и распределенную однослойную с числом пазов на полюс и фазу равным единице. Первая обмотка широко применяется в электрических машинах переменного тока всего ряда мощностей. Она обладает такими преимуществами, как высокие энергетические показатели, низкие пульсации момента на валу (в результате преобразования энергии внутри генератора на его валу образуется момент, который пытается остановить ротор), отработанная технология изготовления. Правда, и есть один недостаток – относительная сложность ремонта. Вторая обмотка несколько хуже по энергетическим показателям, но при этом проще в изготовлении и ремонте. Для этих двух типов обмоток ученые провели компьютерное моделирование с варьированием геометрии магнитопровода.

– Геометрия зубцово-пазовой зоны, а также форма полюсов ротора (в нашем случае постоянных магнитов) существенно влияет на величину и форму выходного напряжения, коэффициент полезного действия, пульсации момента, – рассказывает Иванников. – Мы рассматривали такие геометрические данные, как ширина паза и зубца, высота паза, форма магнита, высота и ширина магнита. Подбирал такие комбинации перечисленных переменных, при которых достигаются удовлетворительные значения КПД, величины напряжения, массы магнитов, пульсаций момента на валу.

Крупные ветряные электростанции, работающие в РФ, в основном используют продукты зарубежных производителей, в связи с чем, в последнее время остро встал вопрос импортозамещения в отрасли.

– Зарубежные ветроэнергетические компании успешно построили ветроэнергетические установки единичной мощностью 17–20 МВт, а генераторы мощностью 2–6 МВт выпускают серийно, по объективным причинам не раскрывая ключевые особенности расчета, проектирования и технологии изготовления, – рассказывает Иванников. – Надеюсь, что у нас получится внести свой посильный вклад в развитие возобновляемых источников энергии и укрепление технологического суверенитета государства.