Вопросы конструирования маломощных ВЭУ

Читать все новости

В настоящее время в СНГ и странах дальнего зарубежья значительно возрос интерес к конструированию ветроэлектрических установок (ВЭУ). В статье приведены конструктивные и технологические решения, существенно упрощающие вопросы изготовления ВЭУ своими руками.0

Наиболее доступны для изготовления своими руками ВЭУ небольшой мощности, благодаря относительной про­стоте конструкции. Такие ВЭУ в большинстве своем не обес­печивают постоянного пита­ния электричеством всех по­требителей загородного дома или дачи, но позволяют эко­номить электроэнергию и обеспечивают работу наибо­лее необходимых электриче­ских устройств при аварий­ном отключении электричес­кой сети, когда даже освещение одной комнаты и питание холодильника может спас­ти ситуацию. Естественно, можно построить или приобрести серийно выпускаемые ВЭУ для индивидуальных домов доста­точной мощности, но это очень дорого и доступно очень не многим. В связи с этим остановимся на конструировании на­иболее распространенных и востребованных генераторов для ВЭУ мощностью до 1 кВт, которые можно построить своими руками.

Выбор конструкции генератора

Есть варианты использования любителями в качестве генераторов электродвигателей постоянного тока со стато­рами на постоянных магнитах, но они требуют высокообо­ротных ветродвигателей. Всем генераторам с роторами на постоянных магнитах и катушками статора с сердечниками присуще свойство магнитного залипания, что требует опре­деленной силы ветра для их запуска. Есть примеры пере­делки генератора с намагниченным ротором для уменьшения залипания путем смещения пластин статора для придания по­люсам наклонной формы и перемотки катушек. В результа­те такая сложная и трудоемкая работа привела только к от­кровенному разочарованию авторов.

В настоящее время с появлением в продаже неодимовых магнитов многие стали интенсивно конструировать генераторы, в которых направление магнитных потоков полюсов ро­тора параллельное его оси вращения. Отсюда произошло их название: осевые или аксиальные. Магнитная энергия нео­димовых магнитов на порядок выше ферритовых, что позво­ляет создать достаточный магнитный поток в катушках ста­тора без сердечников. Это полностью исключает магнитное залипание, что позволяет вращать ротор генератора при ма­лейшем усилии ветродвигателя. Противодействие вращению ротора появляется только в нагруженном генераторе с уве­личением оборотов и тока в нагрузке и катушках, создаю­щего возрастающую электродвижущую силу самоиндукции. Как известно из физики, ЭДС самоиндукции противодейст­вует вызвавшему ее магнитному потоку. Чем больше ток нагрузки, тем больше усилие требуется для вращения гене­ратора. И это естественно, ведь для выработки электро­энергии необходимой мощности требуется и соответствую­щая мощность ветродвигателя.

Конструкции аксиальных генераторов относительно про­сты и содержат ротор из одного или двух дисков из магни­томягкой стали с закрепленными на них неодимовыми маг­нитами с чередованием полюсов. Между ними расположен неподвижный статор с катушками без сердечников. В одно­дисковом генераторе под катушками статора размещается неподвижный витой кольцевой магнитопровод из полосовой трансформаторной стали или полосы из тонкой мягкой ста­ли для замыкания силовых линий магнитных потоков под ка­тушками.

По схемным решениям аксиальные генераторы разделя­ются на однофазные и трехфазные. В однофазных генерато­рах четное количество магнитных полюсов ротора равно ко­личеству катушек статора, соединенных последовательно. Учи­тывая, что магниты ротора расположены с чередованием по­люсов, соседние катушки соединяются между собой противофазно. При этом магнитные потоки, направленные вниз, например, через нечетные катушки и направленные вверх через четные катушки, возбуждают в них полуволну напря­жения одного знака. При смещении магнитных полюсов к сле­дующим катушкам магнитные потоки в них меняются на противоположные и возбуждают в них полуволну напряже­ния противоположного знака. При прохождении двух полю сов через каждую катушку в них генерируется один период переменного напряжения. На выходе генератора получается суммарное синусоидальное напряжение от всех катушек.

В трехфазных генераторах количество полюсов ротора выбирают кратным 4, а количество катушек - кратно 3. По­лярность магнитных полюсов чередуется, как в предыдущем варианте. Катушки фаз А, В и С размещаются друг за дру­гом. Катушки каждой фазы соединяются последовательно и синфазно. На выходе генератора получается три напряжения переменного тока, со сдвигом фаз на 120°. Выводы катушек фаз можно соединять в «звезду» или «треугольник». В лю­бых трехфазных генераторах с другим количеством полюсов и при других углах поворота ротора сдвиг фаз ЭДС всегда будет равен 120°. Чем больше скорость вращения, тем вы­ше частота переменного напряжения и меньше уровень пуль­саций выпрямленного напряжения.

Некоторые авторы публикаций ошибочно утверждают, что частота генерируемого напряжения равна количеству полю­сов ротора при одном обороте за секунду. Как было сказа­но выше, для получения одного периода переменного напря­жения необходимо, чтобы через каждую катушку прошли два противоположных магнитных потока, создаваемых дву­мя соседними полюсами. В результате этого частота генери­руемого напряжения будет кратна половине количества маг­нитных полюсов ротора:

f=N/2·V, где:

N - количество полюсов;
V - количество оборотов ротора в секунду.

Выбор конструкции ветродвигателя

Следует отметить, что аксиальные генераторы могут при­меняться в ВЭУ как с горизонтальным, так и с вертикаль­ным валом. В установках с горизонтальным валом генера­торы устанавливаются на общем валу рядом с ветродвига­телем, то есть на верху мачты. Это усложняет техническое обслуживание генератора и передачу электроэнергии к по­требителю из-за необходимости постоянного вращения вет­родвигателя и генератора вокруг вертикальной оси для ори­ентации на направление ветра.

В установках с вертикальным валом ориентация на ве­тер не требуется, поэтому статор генератора неподвижен, а сам генератор может устанавливаться в любом месте вер­тикального вала. Пропеллерные ВЭУ с горизонтальным ва­лом высокооборотные, поэтому могут выдавать необходимую мощность в нагрузку при меньших габаритах генераторов. Напомню, что ВЭУ с вертикальным валом, в основном, ти­хоходные и бесшумные. Скорость вращения их почти на по­рядок ниже. При скорости ветра 5...10 м/с они вращаются со скоростью примерно 100...200 об/мин. Поэтому для полу­чения необходимой мощности требуются мультипликаторы или многополюсные генераторы. Есть и скоростные ветро­двигатели с вертикальным валом, например ротор Дарье, но они требует принудительного запуска. Увеличение скорости изменения магнитного потока при той же скорости ветро­двигателя можно получить без мультипликатора с тем же количеством полюсов путем увеличения диаметров ротора и статора. При этом линейная скорость полюсов увеличится, а также появится место для увеличенного количества витков катушек, что дополнительно увеличит ЭДС генератора.

Например, у фирмы «ПЛАСТЕК», реализующей ВЭУ с вер­тикальным валом, есть генератор с диаметром ротора око­ло 1500 мм. Мультипликаторы усложняют конструкцию и сни­жают КПД установки. Непосредственная связь ветродвига­теля с генератором делают установку простой, надежной и практически не требующей техобслуживания.

В авторском ветродвигателе в качестве мачты использо­ван вал ветродвигателя из толстостенной трубы диаметром 38 мм. Ветродвигатель установлен на высоте 3,5 м над уров­нем земли. Небольшая высота выбрана для удобства проведе­ния экспериментов с разными конструкциями ветродвигателей.

Первоначально был опробован ротор Дарье, но в усло­виях Запорожской области он практически не вращался. По­этому было решено применить поворотные лопасти, приве­денные автором в [2], но в целях уменьшения дисбаланса масс при их поворотах каждая лопасть состоит из двух узких лопастей. Всего восемь лопастей. Кроме того, лопасти очень легкие и выполнены из ДВП толщиной 2 мм, содер­жат ребра жесткости, пропитанные лаком для паркета. Они опрокидываются ветром не на 180°, а на 135°, что позволя­ет им работать под действием ветра не 180°, а 225°. Для это­го применены отрезки из подпружиненной лески диаметром 2 мм и ограничители из бронзовых зажимов от электричес­ких клеммников, как показано на рис.1 (вид сверху).

Рис. 1

Рис. 1

Поворот лопастей ограничивается в верхней и нижней частях. После поворота ветродвигателя на 225° лопасти ав­томатически устанавливаются параллельно направлению ве­тра, постепенно приближаясь и прижимаясь к вертикальным растяжкам-амортизаторам из эластичной пластмассы, напри­мер, от детской скакалки. Двигаясь против ветра, лопасти почти не создают сопротивления, а по ветру лопасти рабо­тают всей своей плоскостью. В результате этого, данный ве­тродвигатель вращается при самом слабом ветре.

Размеры каждой лопасти 1225х305 мм. Лопасти шарнир­но закреплены на верхней и нижней крестовинах. Расстоя­ние между траверсами крестовин равно 1270 мм. Вверху в несущую рейку запрессован латунный штырь диаметром 4 мм и с выступающей частью 50 мм, который свободно вставля­ется в соответствующее отверстие траверсы диаметром 4,5 мм. Нижняя часть несущей рейки лопасти крепится шурупом, имеющим гладкую поверхность возле головки. Шуруп ввин­чивается в заранее подготовленное отверстие после установ­ки на него четырех шайб между траверсой и рейкой. Меж­ду головкой шурупа и траверсой должен быть зазор не менее 5 мм. Перед установкой штырь, шуруп и шайбы смазы­ваются литолом или графитной смазкой. Внешний вид вет­родвигателя показан на фото в начале статьи.

Электрическая часть ВЭУ

Отдельно следует остановиться на выборе мощности ге­нератора. Люди, незнакомые с вопросами генерирования эле­ктроэнергии, думают, что ветрогенератор непосредственно выдает напряжение 220 В/50 Гц, но это не так. Напряжение, частота и мощность каждой конкретной ВЭУ напрямую за­висят от скорости ветра. Промышленные ВЭУ устанавлива­ют в районах с постоянными и сильными ветрами. Частота 50 Гц генерируемого ими напряжения получается путем ста­билизации скорости вращения ветродвигателя. Но конструк­тивно это очень сложные и дорогие установки.

Маломощные ВЭУ, в основном, работают в условиях по­стоянно меняющихся скоростей и порывов ветра, поэтому об­щепринято от генератора заряжать аккумуляторную бата­рею а затем преобразовывать её энергию в напряжение 220 В/50 Гц с помощью инверторов.

Учитывая, что при малых ветрах напряжение на выходе выпрямителя будет меньше напряжения батареи, последняя будет иметь саморазряд. Во избежание этого в настоящее время разработаны конверторы на специальных микросхе­мах, преобразующих низкое напряжение в напряжение, до­статочное для заряда батареи. Некоторые любители для этой цели применяют обычные низковольтные автогенераторы на одном транзисторе с повышающей обмоткой. Ток заряда при этом может быть хоть и малым, но все же будет.

Перед подключением батареи к выпрямителю генерато­ра она должна пройти техобслуживание и полный заряд от сети. Генератор через соответствующие устройства будет поддерживать ее в состоянии заряда. При временном отключе­нии питающей сети 220 В/50 Гц аккумулятор должен питать минимально необходимое количество электроприборов дома.

При разряде аккумулятора до уровня 0,9 от номинального напряжения, его необходимо отключить от инвертора. Напри­мер, автомобильный аккумулятор с номинальным напряжени­ем 12 В должен быть отключен при разряде до 10,8 В. После этого он может заряжаться от ВЭУ в условиях Запорожской области до напряжения 14 В в течение 5 суток. При напряже­нии более 14,4 В в таком кислотном аккумуляторе начинает­ся выделение газов, что ведет к его быстрому износу.

К сведению: для кислотных аккумуляторов напряжение на один элемент должно быть в пределах 1,8...2,4 В, для щелочных - 1,17...1,8 В. Для полного заряда аккумулятора, например, емкостью 60 А·ч в течение указанного времени требуется ток 0,5 А (0,5 А·120 ч = 60 А·ч), вместо 6 А при десятичасовом заряде. Следует отметить, что длительный за­ряд меньшим током более приемлемый для аккумуляторов.

Исходя из этого и среднегодовой скорости ветра в кон­кретной местности, следует выбирать мощность генератора с некоторым запасом. Аккумуляторные батареи своей энер­гией в течение нескольких часов могут выдавать в нагруз­ку мощность, превышающую мощность генератора. Энергию полностью заряженных батарей можно использовать и при наличии сетевого напряжения для экономии потребления эле­ктроэнергии. При этом нужно иметь несколько батарей, так как отключение сети происходит неожиданно, и можно ос­таться без обоих источников энергии.

Конструкция и технология изготовления рабочего аксиального генератора

Данный генератор сконструирован с учетом выше изло­женного и приведенного в [1] и [3]. Он имеет следующие су­щественные отличия от других известных конструкций:

  • диски ротора крепятся с помощью ступиц непосредст­венно к валу ветродвигателя;
  • между ступицами имеется упорная втулка, препятствую­щая слипанию магнитов ротора и создающая повышен­ный начальный зазор между полюсами и статором, об­легчающий сборку;
  • магниты крепятся к дискам ротора своим магнитным по­лем без клея;
  • для точной ориентации магнитов и препятствия смеще­ния их центробежной силой применены диски фиксации из листового стеклотекстолита;
  • катушки статора имеют цилиндрическую форму с плотно на­мотанным проводом, скрепленным быстросохнущим клеем;
  • статор имеет разъемную конструкцию, позволяющую из­влекать его без разбора ротора генератора при необхо­димости выполнения каких-то работ;
  • каркас статора выполнен из толстой фанеры и состоит из двух одинаковых частей с отверстиями для катушек и крепежа;
  • катушки вставляют в отверстия каркасов, соединяют со­гласно монтажной схеме и покрывают вместе со всей по­верхностью тонким слоем эпоксидного клея. При этом расход его на несколько порядков меньше, чем в описан­ных в литературе конструкциях;
  • в конструкции предусмотрена возможность соосной уста­новки полюсов ротора с катушками статора с точностью до 1 мм;
  • конструкция позволяет регулировать и устанавливать ми­нимальные зазоры между полюсами ротора и катушкам статора, а также увеличивать расстояние между полюса­ми при замене магнитов более толстыми такого же диа­метра без разборки конструкции;
  • в конструкции предусмотрена возможность установки ниже первого других таких же генераторов. Для этого вал гене­ратора должен быть удлинён на необходимую величину.

Конструкция данного генератора показана на рис.2.

Рис. 2

Рис. 2

Ро­тор генератора состоит из двух дисков из листовой стали 3 диаметром 300 мм и толщиной 5 мм, дисков фиксации маг­нитов и 16-ти магнитных полюсов. Диски ротора 13 прикреп­лены к ступицам 1 и 5 тремя болтами 11 каждый. Ступицы состоят из треугольных пластин из такой же стали, которые приварены к стальным втулкам с ребрами жесткости. Диск ротора со ступицей показан на рис.3.

Рис. 3

Рис. 3

Для изготовления ро­тора необходимо также изготовить два диска фиксации маг­нитов. Из стеклотекстолита или другого плотного изоляцион­ного материала толщиной 2...3 мм вырезают круги диамет­ром на 10 мм больше стальных дисков ротора. На одном из кругов циркулем наносят окружность, на которой будут раз­мещены центры магнитов. В донном генераторе применены неодимовые магниты диаметром 30 мм и толщиной 10 мм, поэтому диаметр этой окружности равен 270 мм. На эту ок­ружность наносят центры отверстий для магнитов путем де­ления окружности на 2, 4, 8 и 16. Отверстия для фиксации магнитов и центральные отверстия вырезают кругорезом в обоих кругах одновременно, что обеспечивает точное рас­положение магнитов верхнего и нижнего дисков друг отно­сительно друга. Диск ротора с диском фиксации магнитов по­казан на рис.4.

Рис. 4

Рис. 4

Каркас статора состоит из двух частей размерами 400х200 мм из фанеры толщиной 22 мм. Центральное отверстие выреза­ют на подложке, так как оно предназначено для центровки статора относительно ротора. Диаметр его на 2 мм больше диаметра опорной втулки. Отверстия для катушек диамет­ром 64 мм вырезают отдельно и по частям с обеих сторон для предотвращения сколов наружных поверхностей загото­вок. Катушки статора намотаны проводом ПЭВ-2-1,2 и содер­жат около 300 витков каждая.

Рис. 5

Рис. 5

Намотка производится с помощью приспособления, со­стоящего из каркаса (рис.5) и моталки (рис.6). Между щеч­ками каркаса на валу размещена центральная деревянная втулка, имеющая незначительную конусность для облегчения выпрессовки ее после намотки, и полиэтиленовые диски, пре­пятствующие приклеиванию катушки к щечкам. Наружный ди­аметр втулки равен 28 мм, длина - 22 мм.

Рис. 6

Рис. 6

Процесс намотки катушки начинают с укладки трех сло­ев прокладочной бумаги на втулку и точечного нанесения на боковую поверхность быстросохнущего клея «Жидкий гвоздь» APLAIS с помощью строительного пистолета. Мота­ется катушка до достижения ее диаметра равного 64 мм. Поверхность последнего слоя обмотки равномерно покрыва­ют тонким слоем этого же клея. Катушку выдерживают в каркасе около 5 мин, после чего каркас разбирают и аккурат­но отгибают и снимают полиэтиленовые диски. На боковых поверхностях клей еще сырой и его необходимо разгладить. Центральную втулку выпрессовывают с помощью приспособ­ления, показанного на рис.7. После этого катушки оставля­ют для полного высыхания клея минимум на сутки.

Рис. 7

Рис. 7

Для установки катушек, на ровную поверхность стола кла­дут полиэтиленовую пленку и каркас статора. Катушки вставляют в отверстия до упора в поверхность стола с ориента­цией выводов согласно монтажной схеме (рис.8).

Рис. 8

Рис. 8

Все щели между катушками и каркасом заполняют эпоксидным клеем на время его полимеризации. Затем каркас переворачива­ют и операцию повторяют. После этого выводы катушек ук­ладывают и соединяют путем пайки, подключают к переход­ным и выходным клеммам согласно рис.8. В качестве клемм используют оцинкованные винты с гайками М5. Для защиты статора от влаги все его поверхности покрывают тонким сло­ем эпоксидного клея. Статор, готовый к монтажу, показан на рис.9. Конструкция крепления статора (рис.2) состоит из стальной рамы 9, которая крепится к несущей трубе 6 гене­ратора, и рамки 4 из фанеры толщиной не менее 12 мм, ко­торая крепится к стальной раме четырьмя шпильками 10 с гайками М12. К рамке снизу на противоположных концах при­креплены две деревянные рейки 3 сечением 40х40 мм, к которым крепят статор шурупами. Заготовка рамки, как и статор, имеет размеры 400х400 мм.

Рис. 9

Рис. 9

Важным узлом генератора является крепление вала ге­нератора, который в данной конструкции выполняет функции вала ветродвигателя. Для вала использована труба с внеш­ним диаметром 38 мм. Несущая труба имеет наружный диаметр 90 мм и длину 1 м. В связи с тем, что шарикопод­шипников с внутренним диаметром 38 мм не нашлось, наи­более подходящими оказались радиально-упорные подшип­ники №6-2007108А ступицы автомобиля ВАЗ-2121 «Нива» с внутренним диаметром 40 мм и наружным 68 мм. В резуль­тате поисков решений данной проблемы был принят вариант центровки подшипников втулками с коническими концами. В результате получилась конструкция, показанная на рис.10.

Рис. 10

Рис. 10

Сборку генератора (рис.2) начинают с установки рамы крепления статора с закрепленными шпильками 10. Шпильки 8 крепления рамы затягивают слегка для возможного устранения ее перекоса. На вал 7 надевают верхний диск ротора и крепят на расстоянии 2...4 см от несущей трубы. Стальной диск с диском фиксации максимально приближают к ступице с помощью гаек 11 для создания монтажного зазора.

В отверстия дисков фиксации вставляют магниты с че­редованием полярности полюсов. На концы шпилек 10 на­винчивают гайки, надевают рамку со статором и закрепля­ют нижними гайками с прокладкой шайб. На вал 7 надева­ют втулку упора ступиц 14. Если она не попадает в централь­ное отверстие статора, тогда слегка отпускают гайки креп­ления шпилек 8, и рама 9 со статором смещается до прохо­да втулки через отверстие статора до упора в ступицу. Гайки шпилек 8 затягивают, а втулку 14 временно закрепляют не­сколькими витками изоленты. После этого начинают регули­ровочные работы. Отвинчивая верхние гайки 11, опускают диск ротора вниз, оставляя над гайками по два витка резь­бы. При этом магниты не должны касаться статора. Вращая ротор и верхние гайки, добиваются устранения осевых бие­ний диска. После этого вращением гаек на шпильках 10 под­нимают и слегка прижимают все катушки статора к магни­там ротора и зажимают рамку 4 верхними гайками. Далее равномерно закручивая верхние гайки 11, поднимают ротор на 1 мм с устранением осевых биений.

После этого слегка отпускают регулировочные шурупы и смещением статора в нужную сторону устраняют затирание упорной втулки об статор. Далее завинчивают до упора ре­гулировочные шурупы, еще раз проверяют отсутствие затираний и окончательно закрепляют статор крепежными шуру­пами. После этого нижний диск ротора максимально смеща­ют к ступице, надевают на вал генератора и слегка закреп­ляют болтами крепления ступицы. Устраняют временное креп­ление упорной втулки и устанавливают магниты с чередова­нием полярности.

После этого крепление ступицы ослабляют и поднимают диск до упора втулки 14 в обе ступицы. При этом магнитные силы будут удерживать нижний диск, а полюса сами устано­вятся в нужное положение. Равномерно отвинчивая нижние гайки крепления диска ротора и вращая вал генератора, ус­траняют осевые биения диска и устанавливают зазор меж­ду его магнитами и катушками статора равный 1 мм. Визу­ально проверяют точность расположения магнитов относи­тельно верхнего диска ротора, при необходимости, коррек­тируют и затягивают болты крепления ступицы к валу и контр­гайки крепления диска. После этого генератор готов к под­ключению к электрической части и испытаниям. Смонтированный генератор показан на рис.11.

Рис. 11

Рис. 11

Испытания генератора

Для испытаний в нижней части вала просверлено отвер­стие и закреплена ручка для вращения ротора с определенной скоростью независимо от наличия ветра. При скорости 60 об/мин на нагрузке, состоящей из десяти лампочек напряжением 28 В и общей мощностью 100 Вт, включенных параллельно, гене­ратор вырабатывал напряжение 15 В при токе 5 А. При рабо­те в режиме зарядки автомобильного аккумулятора емкостью 45 А·ч, разряженного до 11 В, через 5 суток было получено на нем напряжение 13,5 В. Этого хватило для питания холо­дильника «Орск-3» и энергосберегающей лампочки мощнос­тью 20 Вт в течение 8 ч при комнатной температуре 21°С.

Литература

  1. Журенков А.Н. Особенности конструирования генерато­ров для ВЭУ//Электрик. - 2012. - №5. - С.62 - 65 и №6.-С.44-47.
  2. Журенков А. Н. Генератор для ветроэлектростанции // Электрик. - 2009. - №5 - С.45 - 49.
  3. Журенков А. Н. Экспериментальный генератор для ВЭУ // Электрик - 2010. №10 - С.60 - 63.

Автор: Анатолий Журенков, г. Запорожье

Возможно, Вам это будет интересно:

Постоянная ссылка на это сообщение: http://meandr.org/archives/30110

Добавить комментарий