Ученые нашли способ повысить качество напряжения в генераторах

В ветроэнергетических установках (ВЭУ) прямого привода используются генераторы различных типов: асинхронизированные, синхронные с постоянными магнитами, индукторные и т.д. Для ВЭУ большой мощности, превышающей несколько мегаватт, больше подходят традиционные многополюсные синхронные генераторы с электромагнитным возбуждением. Коллектив ученых электротехнического факультета Самарского политеха (Самарского государственного технического университета) под руководством профессора кафедры «Электромеханика и автомобильное электрооборудование» Юрия Зубкова разработал способы повышения качества выходного напряжения и энергетических параметров синхронного генератора. Результаты исследований опубликованы в журнале «Электроэнергия. Передача и распределение».

Одним из основополагающих в основе работы электрических машин, в том числе генераторов, считается закон электромагнитный индукции, открытый Майклом Фарадеем в 1831 году. Проводя опыты с электричеством, Фарадей заметил, что при изменении магнитного потока вблизи проводника на его концах появляется разница потенциалов – электродвижущая сила. Другими словами, если на полый цилиндр намотать медную проволоку, то в момент введения постоянного магнита внутрь этого цилиндра на концах проводника будет образовываться электродвижущая сила (ЭДС).

Величина ЭДС зависит от величины магнитного потока (магнитных характеристик магнита), числа витков такой катушки и скорости изменения (в рассмотренном случае введения и извлечения магнита из цилиндра) магнитного потока.

«Из школьного курса физики многие запомнили демонстрацию магнитного поля, которое возникает вокруг постоянного магнита: на лист бумаги укладывается металлическая стружка, а под лист – постоянный магнит. Дело в том, что многие металлы (например, железо) являются ферромагнетиками – проводниками магнитного потока, в отличие от воздуха (а также меди и алюминия), который плохо проводит магнитный поток. Это свойство железа получило широкое распространение в электротехнике и используется для концентрации магнитного потока и увеличения его плотности (помним, что от этого зависит величина ЭДС)», – поясняет Зубков. Магнитный поток концентрируется в железных элементах (в электрических машинах используется специальная сталь – электротехническая), которые получили название «магнитопровод». Синхронный генератор с электромагнитным возбуждением состоит из неподвижной и вращающейся частей – статора и ротора соответственно. Обычно статор представляет собой полый цилиндр, внутри которого располагается ротор, между статором и ротором предусмотрен воздушный зазор. В статоре изготавливаются пазы – место для укладки проводников обмотки.

«Развитие электрических машин (и генераторов в том числе) – это постоянная борьба, направленная на снижение габаритных размеров, массы, шумов и вибраций, возникающих при работе (особенно в крупных машинах) и увеличения коэффициента полезного действии и надежности. В связи с зубчатой структурой статора плотность магнитного потока в воздушном зазоре на протяжении одного полюса увеличивается под зубцом статора и уменьшается под пазом (так как зубец имеет маленькое магнитное сопротивление для потока, а паз – большое), – рассказывает доцент кафедры «Электромеханика и автомобильное электрооборудование» Юрий Иванников. – Неравномерность в форме магнитной индукции в зазоре называется зубцовыми пульсациями или гармониками. Это вредное явление вызванное особенностями конструкции, приводит к появлению дополнительных потерь электрической машине (снижая коэффициент полезного действия) и возникновению вибраций и шумов, что снижает надежность машины. В крупных машинах вибрации и шумы, вызванные зубцовыми гармониками, достигают значительных величин».

Ученые Самарского политеха рассмотрели конструкцию ротора, в которой все полюсы разбиты на одинаковые группы по три полюса в каждой. Полюсы внутри группы отличаются расположением полюсного наконечника (часть полюса из электротехнической стали, обращенная к воздушному зазору) относительно соседнего. Все это помогло снизить зубцовые пульсации и пульсации момента (вызванного зубцовыми пульсациями плотности магнитного потока в воздушном зазоре) более чем в 4 раза, что привело к снижению вибраций и шумов, вызванных электромагнитной природой.