كيف يتم استخدام المولدات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم في توربينات الرياح
تُستخدم تقنية التزامن مع المغناطيس الدائم على نطاق واسع في الآلات الكهربائية الحديثة، بدءًا من المحركات الصناعية وحتى مولدات طاقة الرياح.
ومع ذلك، في توربينات الرياح، تعمل آلة المغناطيس الدائم عادة كمولد، وليس كمحرك. لهذا السبب، فإن مصطلح مولد متزامن بمغناطيس دائم (PMSG) أكثر دقة من PMSM عند مناقشة وحدة توليد الطاقة الرئيسية داخل توربينات الرياح.
ترتبط المبادئ الكهرومغناطيسية ارتباطًا وثيقًا، لكن اتجاه تحويل الطاقة مختلف.
يقوم PMSM بتحويل الطاقة الكهربائية إلى دوران ميكانيكي. يقوم نظام PMSG بالعكس: حيث تقوم مجموعة الدفع الدوارة لتوربينات الرياح بتزويد الطاقة الميكانيكية للمولد، والذي يحولها إلى طاقة كهربائية.
إن فهم هذا التمييز يجعل من الأسهل بكثير معرفة أين تتناسب تكنولوجيا المغناطيس الدائم مع أنظمة طاقة الرياح الحديثة.
أين يوجد مولد المغناطيس الدائم في توربينات الرياح؟
تقوم الرياح بتدوير شفرات التوربينات والدوار.
يجب بعد ذلك تحويل هذا الدوران الميكانيكي إلى كهرباء بواسطة المولد.
هناك نوعان من ترتيبات نظام الدفع الواسع.
توربينات الرياح الموجهة
في نظام نقل الحركة المجهز، يدور دوار التوربين ببطء نسبيًا.
يزيد صندوق التروس من سرعة الدوران قبل أن تصل الطاقة الميكانيكية إلى المولد.
وهذا يسمح للمولد بالعمل بسرعة دوران أعلى من دوار التوربين.
وبالتالي فإن الغرض من علبة التروس هو مطابقة متطلبات السرعة الميكانيكية للدوار والمولد. ولا ينبغي وصفها ببساطة بأنها "مطابقة لتردد الشبكة"، لأن التوربينات الحديثة ذات السرعة المتغيرة تستخدم عادة إلكترونيات الطاقة بين المولد والشبكة.
توربينات الرياح ذات الدفع المباشر
يقوم نظام الدفع المباشر بإزالة علبة التروس الرئيسية.
يتم توصيل المولد بشكل مباشر أكثر بدوار التوربين وبالتالي يجب أن يعمل بسرعة أقل بكثير بينما ينتج عزم دوران مرتفع.
هذا يغير تصميم المولد بشكل كبير.
عادةً ما يكون قطر مولدات المغناطيس الدائم ذات الدفع المباشر أكبر وتستخدم أقطابًا مغناطيسية متعددة بحيث يمكن إنتاج خرج كهربائي مفيد بسرعة دوران منخفضة.
لماذا نستخدم المغناطيس الدائم؟
يقوم المولد المتزامن ذو المغناطيس الدائم بإنشاء المجال المغناطيسي للدوار باستخدام مغناطيس دائم بدلاً من ملف إثارة الدوار.
وهذا يوفر العديد من الخصائص المفيدة لتطبيقات طاقة الرياح.
لا يوجد تيار الإثارة الدوار
نظرًا لأن المجال المغناطيسي يتم إنتاجه بواسطة مغناطيس دائم، فإن الجزء المتحرك لا يحتاج إلى نظام إثارة كهربائي منفصل.
يمكن أن يؤدي ذلك إلى تقليل الخسائر الكهربائية للدوار وتبسيط جزء من هيكل المولد.
مناسبة للتصميمات منخفضة السرعة وعزم الدوران العالي
يمكن تصميم الآلات ذات المغناطيس الدائم بعدة أقطاب وكثافة عزم دوران عالية.
وينطبق ذلك بشكل خاص على أنظمة الرياح ذات الدفع المباشر، حيث تكون سرعة المولد منخفضة وعزم الدوران الميكانيكي مرتفع.
متوافق مع عملية متغيرة السرعة
تتغير سرعة الرياح بشكل مستمر.
إن تشغيل التوربين بسرعات متغيرة يمكن أن يسمح للدوار بالبقاء أقرب إلى حالة التشغيل الديناميكية الهوائية المفضلة لديه في نطاق أوسع من ظروف الرياح.
تُستخدم مولدات المغناطيس الدائم بشكل شائع مع المحولات الإلكترونية كاملة الطاقة، مما يسمح لتردد المولد بالتغير بشكل مستقل عن تردد الشبكة.
وهذا يجعل التشغيل بسرعات متغيرة ممكنًا دون الحاجة إلى تشغيل الدوار الميكانيكي بسرعة متزامنة ثابتة مرتبطة مباشرة بالشبكة.
ما هو الدور الذي يلعبه محول الطاقة؟
المولد هو جزء واحد فقط من النظام الكهربائي لتوربينات الرياح.
في العديد من توربينات الرياح ذات المغناطيس الدائم، تمر الطاقة الكهربائية من المولد عبر محول AC/DC/AC واسع النطاق قبل الوصول إلى الشبكة.
يقوم هذا المحول بعدة وظائف مهمة.
إنه يسمح للمولد بالعمل بسرعات متغيرة، ويحول خرج المولد ذو التردد المتغير إلى طاقة كهربائية متوافقة مع الشبكة، ويوفر التحكم في الطاقة النشطة والمتفاعلة في محطات التوربينات.
وهذا التمييز مهم لأن القدرة على دعم الشبكة لا ينبغي أن تعزى إلى المغناطيس الدائم نفسه.
ينتج المولد الطاقة الكهربائية، بينما يقوم نظام التحكم في المحول والتوربين بإدارة كيفية توصيل هذه الطاقة إلى الشبكة.
القيادة المباشرة لا تعني "الأفضل دائمًا"
يمكن أن تؤدي إزالة علبة التروس إلى تقليل عدد مكونات نظام نقل الحركة وإزالة نظام فرعي ميكانيكي رئيسي واحد.
يمكن أن يكون ذلك جذابًا عندما يكون الوصول إلى الصيانة صعبًا.
ومع ذلك، فإن مولدات الدفع المباشر تجلب أيضًا تحدياتها الهندسية الخاصة.
يحتاج المولد منخفض السرعة عمومًا إلى بنية كهرومغناطيسية أكبر لإنتاج عزم الدوران المطلوب. قد تستخدم أنظمة الدفع المباشر ذات المغناطيس الدائم أيضًا كميات كبيرة من المواد المغناطيسية الأرضية النادرة.
وهذا هو السبب وراء استمرار وجود هياكل توربينات الرياح ذات الدفع المباشر والموجهة.
يعتمد الاختيار المناسب على تصنيف التوربين، وسرعة الدوار، وتصميم المولد، والوزن، واستراتيجية الصيانة، وتكلفة المواد واقتصاديات النظام بشكل عام.
حيث تناسب تقنية المغناطيس الدائم Axial-Flux
يربط معظم الناس مولدات الرياح الكبيرة بآلات التدفق الشعاعي، لكن تقنية المغناطيس الدائم للتدفق المحوري ترتبط أيضًا بتصميمات المولدات المدمجة والمتخصصة.
في آلة التدفق المحوري، ينتقل التدفق المغناطيسي في المقام الأول على طول محور المحرك أو المولد وليس بشكل قطري من خلال هيكل أسطواني تقليدي.
يمكن أن توفر البنية كثافة عزم دوران عالية وطول محوري قصير نسبيًا.
بالنسبة لمولدات الدفع المباشر الصغيرة أو التطبيقات التي تكون فيها التعبئة وكثافة عزم الدوران أمرًا مهمًا، فإن هذا يجعل تقنية التدفق المحوري تستحق الاهتمام.
تقوم شركة Jiangnan Electric حاليًا بتطوير آلات ذات مغناطيس دائم ذات تدفق محوري بالإضافة إلى منتجات PMSM التقليدية. يغطي نطاق التدفق المحوري المنشور للشركة تكوينات متعددة للجهد والسرعة والتبريد والتركيب.
يمكن أن تكون نفس المنصة الكهرومغناطيسية ذات صلة بتطوير المحرك والمولد، ولكن لا ينبغي تقديم منتج المحرك تلقائيًا كمولد للرياح دون التحقق من الصحة الكهرومغناطيسية والحرارية والميكانيكية الخاصة بالتطبيق.
تطبيقات طاقة الرياح ذات المغناطيس الدائم والكهربائية في جيانغنان
تقوم شركة Hangzhou Jiangnan Electric Motor Co., Ltd. حاليًا بتصنيع العديد من عائلات المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم، بما في ذلك محركات PMSM التقليدية، وتصميمات عزم الدوران العالي السرعة المنخفضة وآلات المغناطيس الدائم ذات التدفق المحوري.
تُظهر بعض منصات المنتجات الحالية خصائص مهمة أيضًا في تطوير مولدات طاقة الرياح.
على سبيل المثال، تم تصنيف منصة JNPM520-45 من Jiangnan عند 45 كيلووات و245 دورة في الدقيقة مع عزم دوران مقدر يبلغ 1754 نيوتن متر. على الرغم من تطويره لتطبيق الدفع المباشر الصناعي بدلاً من تقديمه هنا كمولد توربينات الرياح، فإن الجمع بين السرعة المنخفضة وعزم الدوران العالي يوضح نوع تحدي التصميم الكهرومغناطيسي الموجود أيضًا في أنظمة توليد الدفع المباشر.
تشتمل محفظة التدفق المحوري لشركة Jiangnan أيضًا على آلات ذات مغناطيس دائم مصممة حول هياكل محورية مدمجة وتشغيل متغير السرعة.
بالإضافة إلى ذلك، يدرج الموقع الإلكتروني الحالي للشركة منتجات المغناطيس الدائم لتطبيقات طاقة الرياح المنخفضة السرعة والصغيرة والمتوسطة الحجم.
ومع ذلك، بالنسبة لمشروع طاقة الرياح الحقيقي، يجب أن تبدأ عملية الاختيار بمتطلبات المولد بدلاً من اختيار محرك موجود فقط من خلال الطاقة المقدرة.
ما هي المعلومات اللازمة لمشروع مولد طاقة الرياح؟
قبل تقييم مولد المغناطيس الدائم، يجب تحديد العديد من ظروف التشغيل.
المعلومات الهامة تشمل:
- تصنيف الانتاج الكهربائي.
- تصنيف وسرعة الدوار القصوى.
- عزم الدوران المستمر والذروة.
- الجهد الناتج المطلوب.
- نطاق تردد المولد
- طريقة التبريد
- ترتيب التركيب
- رمح أو واجهة محرك الأقراص المباشرة.
- الظروف المحيطة المتوقعة؛
- مستوى الحماية
- طوبولوجيا المحول
- واجب التشغيل المستمر.
بالنسبة لمشروع الدفع المباشر، تعتبر سرعة الدوار وعزم الدوران مهمين بشكل خاص لأن المولد يجب أن يتعامل مع حمل التوربين دون الاعتماد على علبة تروس عالية النسبة.
بالنسبة لأنظمة طاقة الرياح الصغيرة والمتوسطة، قد تؤثر التعبئة والتغليف ووزن المولد وتكلفة المحول ومتطلبات الصيانة بشدة على التصميم النهائي.
PMSM أو PMSG: المصطلحات مهمة
تعتمد المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم والمولدات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم على مبادئ كهرومغناطيسية وثيقة الصلة.
لكن أدوارهم التشغيلية مختلفة.
يقوم PMSM عادةً بتحويل الطاقة الكهربائية إلى مخرجات ميكانيكية.
يقوم PMSG بتحويل المدخلات الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.
في توربينات الرياح، يتم وصف آلة تحويل الطاقة الرئيسية بشكل أكثر دقة على أنها PMSG.
بالنسبة للعملاء الذين يقومون بتطوير معدات طاقة الرياح، فإن السؤال المهم ليس ببساطة ما إذا كان من الممكن تركيب PMSM موجود في التوربين.
النهج الصحيح هو تحديد سرعة المولد المطلوبة، وعزم الدوران، والجهد، والظروف الحرارية، والواجهة الميكانيكية ونظام المحول أولاً، ثم تصميم أو اختيار آلة المغناطيس الدائم وفقًا لهذه المتطلبات.
تنصل
يتم توفير المعلومات الواردة في هذه المقالة كمرجع عام فقط. يجب تقييم مواصفات المنتج والأداء وخيارات التكوين والملاءمة بالتفصيل للتطبيق المقصود وظروف التشغيل الفعلية. قبل اختيار المنتج أو شرائه أو استخدامه، يرجى التأكد من التفاصيل ذات الصلة مع شركة Jiangnan Electric والرجوع إلى الوثائق الفنية المعمول بها والمواصفات المتفق عليها. لا تحل هذه المقالة محل التعليمات الخاصة بالمنتج أو التقييم الهندسي الاحترافي.
