Применение магнитных систем (подвесы) при проектировании ВЭУ

Application of magnetic systems (hangers) in the design of windmills

Aleksey Milyutin

master student, Omsk State University, Russia, Omsk

Evgeny Temnikov

master student, Omsk State University, Russia, Omsk

Pavel Gotfried

bachelor, Omsk State University, Russian Federation, Omsk

Аннотация. В этой статье рассмотрены типы ветроэлектрических установок (ВЭУ), их преимущества перед другими нетрадиционными источниками энергии и проблемы, возникающие при эксплуатации. Выделены основные типы магнитных систем (подвесов) (пассивные магнитные подшипники (ПМП), активные магнитные подшипники (АМП), гибридные магнитные подшипники (ГМП) и сверхпроводниковые магнитные подшипники (СМП)), показана структура таких систем и проведёт их сравнительный анализ. Разобраны достоинства и недостатки каждого типа. На основе проведённого анализа рассмотрена возможность применения магнитных систем (подвесов) в ВЭУ.

Abstract. In this article, the types of wind power plants (VEU), their advantages over other unconventional energy sources and the problems arising during operation are considered.  The main types of magnetic systems (suspensions) (passive magnetic bearings, active magnetic bearings, hybrid magnetic bearings and superconducting magnetic bearings, are shown), the structure of such systems is shown and their comparative analysis is carried out.  The advantages and disadvantages of each type are disassembled.  Based on the analysis, the possibility of using magnetic systems (suspensions) in the wind turbine is considered.

Ключевые слова: ветроэнергетика; энергосбережение; магнитная система; подвес; магнитный подшипник.

Keywords: wind energy; energy saving; magnetic system; suspension; magnetic bearing.

С каждым годом запасы природных ресурсов, таких как нефть, газ и уголь стремительно истощаются, а их добыча пагубно влияет на природу. Для того, чтобы сэкономить эти ресурсы, а в будущем полностью отказаться от их использования и тем самым сохранить природу большое распространение получают нетрадиционные источники энергии. К ним относятся солнце, ветер, океанические приливы, тепло земных глубин. Отличительной особенностью таких источников является их полная экологическая безопасность и возобновляемость.

Одним из наиболее привлекательных направлений развития нетрадиционных источников энергии является ветроэнергетика. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии. При этом ветра дуют зимой и летом, днём и ночью.

Для преобразования ветровой энергии в электрическую применяются ветроэнергетические установки (ВЭУ). ВЭУ бывают двух типов - с горизонтальной и вертикальной осью вращения. Первый тип наиболее распространён (около 98 % всех ВЭУ) [1]. Второй тип получил не такое широкое распространение, при этом его можно использовать в регионах с малыми скоростями ветра, например, в Омской области, где скорость ветра около 5 м/с [3]. Такие ВЭУ, по оценкам специалистов, наиболее перспективны [9, 11] имеют ряд недостатков. Одним из главных недостатков является их большой вес, который давит на опорные подшипники. Вследствие этого снижается срок службы установки, увеличиваются механические потери и, соответственно, снижается КПД.

Решение проблемы

Данный недостаток можно исправит, используя вместо традиционных подшипников магнитные системы (подвес). Магнитный подвес находит огромное применение в современную технологическую эпоху. Это особый тип подшипника, в котором действие подшипника достигается за счет использования магнитных сил между двумя вращающимися поверхностями из магнитного материала противо­положной полярности. Эти две вращающие поверхности не имеют физического контакта, следовательно, нет проблем с износом и малым сроком службы, вызванными контактной усталостью. Магнитные подшипники обладают повышенной долговечностью, высокой надежностью, отсутствием смазки, при этом их можно использовать в экстремальных погодных условиях [14].

По способу создания магнитного поля в воздушном зазоре магнитные системы разделены на 4 группы [5]:

·      сверхпроводниковые магнитные подшипники (СМП);

·      пассивные магнитные подшипники (ПМП);

·      активные магнитные подшипники (АМП);

·      гибридные магнитные подшипники (ГМП);

Принцип действия сверхпроводниковых магнитных подшипников основан на взаимодействии объёмных высокотемпературных сверх­проводников (ВТСП) с магнитным полем. Такие подшипники имеют устойчивую стабилизацию ротора и им не требуется сложная электронная аппаратура. На данный момент разработано несколько конструкций подшипников этого типа, которые отличаются магнитным полем, а также взаимным расположение постоянных магнитов [8, 6, 4, 7]. Одна из таких конструкций приведена на рисунке 1 [2].

Рисунок 1. Конструктивная схема магнитной системы на сверхпроводниковых магнитных подшипниках

СМП имеют ряд недостатков, например, достаточно сложная конструкция, а также чрезмерная стоимость. Поэтому применение их в ВЭУ считается нецелесообразной.

Главным отличием пассивных магнитных подшипников является отсутствие активных элементов, то есть магнитное поле создается с помощью постоянных магнитов. В качестве материала для изготовления постоянных магнитов используется интерметаллическое соединение NdFeB (сплав неодима, железа и бора) [7]. На рисунке 2 условно показан принцип работы ПМП.

Рисунок 2. Пассивный магнитный подшипник

Постоянные магниты кольцом располагаются вокруг ротора и статора. Эффект левитации вала возникает вследствие того, что однои­менные полюса магнита расположены в радиальном направлении. Магнитные системы на ПМП очень просты в создании, не требуют больших затрат, они также не требуют дополнительных источников энергии для поддержания вала в состоянии левитации. Недостатками таких подвесов является то, что они обладают малой механической прочностью и не способны поддерживать стабильное положение вала длительное время, поэтому для использования в ВЭУих нужно приме­нять вместе с традиционными подшипниками (рисунок 3), либо с АМП [20].

Примечание: 1- задний ПМП, 2 - задний опорный подшипник, 3 - генератор, 4 - осевой магнитный подшипник, 5 - передний опорный подшипник, 6 - передний ПМП.

Рисунок 3. Конструктивная схема ВЭУ на ПМП

Активные магнитные подвесы состоят из двух частей - активного магнитного подшипника и электронной системы управления магнитным полем (рисунок 4).

Примечание: 1, 3 - силовые катушки, 2 – вал.

Рисунок 4. Устройство активной магнитной системы (подвеса)

В таких подвесах используется ротор, модифицированный ферромагнитными блоками, он находится в подвешенном состоянии в магнитном поле, которое создается электромагнитными катушка, расположенными радиально на статоре. Среди существующих АМП наиболее классический - восьмиполюсный, предложенный ученым Йоджи Окадой (рисунок 5) [10], [15].

Рисунок 5. Магнитная система с АМП в разрезе

В работах [19], [17], [18] рассмотрены другие типы АМП, которые получили не такое широкое распространение.

Показанным на рисунке 5 магнитным подвесом управляет специ­альная электронная система, отслеживающая положение ротора относительно катушек с помощью датчиков. Если происходит даже незначительное смещение, данная система подаёт управляющий ток на одну из восьми катушек, что обеспечивает поддержание ротора в одном устойчивом положении (рисунок 6).

Рисунок 6. Устройство электронной системы управления

Расчет таких систем более подробно рассмотрен в работе [12].

Достоинствами АМП является их относительно небольшой размер, повышенная износоустойчивость, минимальные потери, высокая надежность и не подверженность вибрациям.

К недостаткам относится: сложность управления, необходимость использования дополнительных (страховочных) подшипников, так как резкая потеря напряжения может привести к выходу из строя всей механической системы, а также нагрев катушек, возникающий из-за протекания тока, который создаёт магнитное поле.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что применение АМП в ВЭУ имеет хорошую перспективу и высокую исследовательскую ценность [20].

Гибридный подшипник лишен недостатков, присущих АМП и ПМП. Магнитные системы (подвесы) на таких подшипниках обладают высокой надежностью, стабильностью и долговечностью. Единственным недостатков является их относительно высокая стоимость [16].

ГМП является одним из наилучших вариантов для использования в ВЭУ, позволяет запускать их с низкоскоростным ветром, а за счет очень низких потерь снижает стоимость производства электроэнергии.

На рисунке 7 показано поперечное сечение ВЭУ, оснащенной ГМП.

Рисунок 7. Структура ветрогенератора с ГМП

Заключение

Проведенные исследования показали перспективность использо­вания магнитных систем (подвеса) в ветроэнергетических установках. Эти системы очень надежны, имеют большой срок службы и высокий КПД, в них отсутствуют трущиеся детали, что позволяет ВЭУ работать при низких скоростях ветра.