Permanentmagnet-Gleichstromgenerator als Windkraftgenerator

Wir wissen aus dem vorherigen Windturbinen-Tutorial, dass ein elektrischer Generator eine Rotationsmaschine ist, die die von den Rotorblättern (der Antriebsmaschine) erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie oder Leistung umwandelt. Diese Energieumwandlung basiert auf den Faradayschen Gesetzen der elektromagnetischen Induktion, die dynamisch eine EMK induziert. (elektromotorische Kraft) in die Generatorspulen, wenn sie rotieren. Es gibt viele verschiedene Konfigurationen für einen elektrischen Generator, aber ein solcher elektrischer Generator, den wir in einem Windkraftsystem verwenden können, ist der Dauermagnet-Gleichstromgenerator oder PMDC-Generator. p>

Permanentmagnet-Gleichstrommaschinen (DC) können entweder als konventionelle Motoren oder als DC-Windturbinengeneratoren verwendet werden, da es konstruktionstechnisch keinen grundlegenden Unterschied zwischen den beiden gibt. Tatsächlich kann dieselbe PMDC-Maschine elektrisch als Motor angetrieben werden, um eine mechanische Last zu bewegen, oder sie kann mechanisch als einfacher Generator angetrieben werden, um eine Ausgangsspannung zu erzeugen. Damit eignet sich der Permanentmagnet-DC-Generator (PMDC-Generator) ideal als einfacher Windkraftgenerator.

Wenn wir eine Gleichstrommaschine an eine Gleichstromversorgung anschließen, dreht sich der Anker mit einer festen Geschwindigkeit, die durch die angeschlossene Versorgungsspannung und seine magnetische Feldstärke bestimmt wird, und fungiert somit als &8220;Motor&8221; Drehmoment erzeugen. Wenn wir den Anker jedoch mechanisch mit einer Geschwindigkeit drehen, die höher ist als die vorgesehene Motorgeschwindigkeit, indem wir Rotorblätter verwenden, können wir diesen Gleichstrommotor effektiv in einen Gleichstromgenerator umwandeln, der eine erzeugte EMK-Ausgabe erzeugt, die proportional zu seiner Rotationsgeschwindigkeit und seinem Magnetfeld ist Stärke.

Im Allgemeinen befindet sich bei herkömmlichen Gleichstrommaschinen die Feldwicklung auf dem Stator und die Ankerwicklung auf dem Rotor. Das bedeutet, dass sie Ausgangsspulen haben, die sich mit einem stationären Magnetfeld drehen, das den erforderlichen magnetischen Fluss erzeugt. Die elektrische Energie wird über Kohlebürsten direkt vom Anker abgenommen, wobei das Magnetfeld, das die Energie steuert, entweder von Permanentmagneten oder einem Elektromagneten geliefert wird.

Die rotierenden Ankerspulen durchlaufen dieses stationäre oder statische Magnetfeld, das wiederum einen elektrischen Strom in den Spulen erzeugt. In einem Permanentmagnet-Gleichstromgenerator dreht sich der Anker, so dass der gesamte erzeugte Strom durch einen Kommutator oder eine Anordnung aus Schleifringen und Kohlebürsten fließen muss, die an seinen Ausgangsanschlüssen wie gezeigt elektrische Leistung liefern.

Typischer Aufbau eines Gleichstromgenerators

Ein einfacher Gleichstromgenerator kann in Abhängigkeit von der Beziehung und Verbindung jeder der Magnetfeldspulen in Bezug auf den Anker auf vielfältige Weise konstruiert werden. Die beiden Grundschaltungen für eine selbsterregte Gleichstrommaschine sind der „Shunt Wound DC Generator“, bei dem die Hauptfeldwicklung parallel zum Anker geschaltet ist. Beim “Reihengewickelter Gleichstromgenerator” ist die stromführende Feldwicklung in Reihe mit dem Anker geschaltet. Jede Art von Gleichstromgeneratorkonstruktion hat bestimmte Vor- und Nachteile.

Nebenschluss-Gleichstromgenerator – In diesen Generatoren steigt der Feldstrom (Erregerstrom) und damit das Magnetfeld mit der Betriebsgeschwindigkeit, da er von der Ausgangsspannung abhängt. Mit der Drehzahl steigen auch die Ankerspannung und das elektrische Drehmoment. Der Nebenschlussgenerator, der unter wechselnden Lastbedingungen mit konstanter Drehzahl arbeitet, hat eine viel stabilere Ausgangsspannung als der Reihenschlussgenerator. Wenn jedoch der Laststrom zunimmt, führt der interne Leistungsverlust über den Anker dazu, dass die Ausgangsspannung proportional abnimmt.

Infolgedessen nimmt der Strom durch das Feld ab, verringert das Magnetfeld und bewirkt, dass die Spannung noch weiter abnimmt, und wenn der Laststrom viel höher ist als der Entwurf des Generators, wird die Verringerung der Ausgangsspannung so stark, was zu großen internen Ankerverlusten führt und Überhitzung des Generators. Aus diesem Grund werden Nebenschluss-Gleichstromgeneratoren normalerweise nicht für große konstante elektrische Lasten verwendet.

Serie Wound Gleichstromgenerator – Der Feldstrom (Erregerstrom) in einem in Reihe gewickelten Generator ist derselbe wie der Strom, den der Generator an die Last liefert, da beide in Reihe geschaltet sind. Ist die angeschlossene Last klein und nimmt nur wenig Strom auf, ist auch der Erregerstrom klein. Daher ist das Magnetfeld der Reihenfeldwicklung zu schwach und die erzeugte Spannung ebenfalls gering.

Ebenso ist der Erregerstrom hoch, wenn die angeschlossene Last einen großen Strom zieht. Daher ist das Magnetfeld der Reihenfeldwicklung sehr stark und die erzeugte Spannung hoch. Ein Hauptnachteil eines in Reihe gewickelten DC-Generators besteht darin, dass er eine schlechte Spannungsregelung aufweist, weshalb in Reihe gewickelte DC-Generatoren normalerweise nicht für schwankende Lasten verwendet werden.

Sowohl selbsterregte DC-Generatoren mit Nebenschluss- als auch Serienwicklung haben den Nachteil, dass Änderungen des Laststroms aufgrund der Ankerreaktion starke Änderungen der Generatorausgangsspannung verursachen und daher diese Arten von DC-Generatoren selten als Windturbinengeneratoren verwendet werden /p>

Eine “Verbindung” angeschlossener DC-Generator hat eine Kombination aus Shunt- und Reihenwicklungen, die in einem einzigen Generator integriert sind und die so angeschlossen werden können, dass sie entweder einen "Kurz-Shunt-Compound-DC-Generator" oder ein “Long-Shunt-Compound-DC-Generator”. Diese Art des selbsterregten DC-Generatordesigns ermöglicht es, die Vorteile jedes Typs in einer einzigen DC-Maschine zu integrieren.

Eine andere Möglichkeit, die Nachteile eines selbsterregten Gleichstromgenerators zu überwinden, besteht darin, die Feldwicklungen extern anzuschließen. Dies erzeugt dann eine andere Art von DC-Generator, der als separat erregter DC-Generator bezeichnet wird ” loading=”lazy” width=”208″ height=”174″ class=”img-fluid alignleft” title=”Separat erregter DC-Generator” alt=”Separat erregter DC-Generator” />

Wie der Name schon sagt, wird ein fremderregter Gleichstromgenerator von einer unabhängigen externen Gleichstromquelle für die Feldwicklung versorgt. Dadurch kann der Erregerstrom unabhängig von den Lastbedingungen am Anker einen konstanten Magnetfeldfluss erzeugen. Wenn keine elektrische Last an den Generator angeschlossen ist, fließt kein Strom und an den Ausgangsklemmen erscheint nur die Nennspannung des Generators.

Wenn eine elektrische Last über den Ausgang angeschlossen wird, fließt Strom und der Generator beginnt, elektrische Energie an die Last zu liefern.

Ein fremderregter Gleichstromgenerator hat viele Anwendungen und kann in Windturbinengeneratoranwendungen verwendet werden . Gleichstromgeneratoren für Windturbinenanwendungen haben jedoch den Nachteil, dass eine separate Gleichstromquelle benötigt wird, um das Nebenschlussfeld anzuregen. Wir können diesen Nachteil jedoch überwinden, indem wir die Feldwicklung durch Permanentmagnete ersetzen und so einen Permanentmagnet-DC-Generator oder PMDC-Generator schaffen.

Permanentmagnet-Gleichstromgenerator

Der Permanentmagnet-Gleichstromgenerator kann als fremderregter DC-Bürstenmotor mit konstantem Magnetfluss betrachtet werden. Tatsächlich können fast alle Permanentmagnet-Gleichstrom-Bürstenmotoren ( PMDC ) als Permanentmagnet-PMDC-Generatoren verwendet werden, aber da sie nicht wirklich als Generatoren ausgelegt sind, sind sie keine guten Windturbinengeneratoren denn als einfacher Gleichstromgenerator wirkt das Drehfeld wie eine Bremse, die den Rotor abbremst.

Diese Gleichstrommaschinen bestehen aus einem Stator mit Seltenerd-Permanentmagneten wie Neodym oder Samarium-Kobalt zur Erzeugung eines sehr starken Statorfeldflusses anstelle von gewickelten Spulen und einem Kommutator, der wie zuvor über Bürsten mit einem gewickelten Anker verbunden ist.

Permanentmagnet-Gleichstromgenerator

Bei Verwendung als Permanentmagnet-Gleichstromgeneratoren müssen PMDC-Motoren im Allgemeinen viel schneller als ihre Motornenndrehzahl angetrieben werden, um annähernd ihre Motornennspannung zu erzeugen, sodass Gleichstrommaschinen mit hoher Spannung und niedriger Drehzahl einen besseren Gleichstrom erzeugen Generatoren.

Der Hauptvorteil gegenüber anderen Arten von DC-Generatoren besteht darin, dass der Permanentmagnet-DC-Generator sehr schnell auf Änderungen der Windgeschwindigkeit reagiert, da sein starkes Statorfeld immer vorhanden und konstant ist.

Permanentmagnet-Gleichstromgeneratoren sind im Allgemeinen leichter als Maschinen mit gewickeltem Stator für eine bestimmte Nennleistung und haben einen besseren Wirkungsgrad, da es keine Feldwicklungen und Feldspulenverluste gibt.

Außerdem ist der Stator mit einem Permanentmagnetpol versehen System ist es resistent gegen die Auswirkungen eines möglichen Schmutzeintrags. Wenn sie jedoch nicht vollständig versiegelt sind, ziehen die Permanentmagnete ferromagnetischen Staub und Metallspäne (auch Späne oder Späne genannt) an, die interne Schäden verursachen können.

Der Permanentmagnet-DC-Generator ist eine gute Wahl für kleine Windkraftanlagen, da er zuverlässig ist, mit niedrigen Drehzahlen betrieben werden kann und insbesondere bei schwachem Wind einen guten Wirkungsgrad bietet, da sein Einschaltpunkt ziemlich niedrig ist.

Es gibt viele “von der Stange” Permanentmagnet-DC-Generatoren sind in einem breiten Leistungsbereich von wenigen Watt bis zu vielen tausend Watt erhältlich. Die von einer Permanentmagnet-Gleichstrommaschine erzeugte Gleichspannung wird von den folgenden drei Faktoren bestimmt:

• Das vom Stator entwickelte Magnetfeld. Dies hängt von der physischen Größe des Generators und der Stärke und Art der verwendeten Permanentmagnete ab.
• Die Anzahl der Windungen oder Drahtschleifen auf dem Anker. Dieser Wert wird durch die physische Größe des Generators und des Ankers und durch die Größe des Drahtleiters festgelegt. Je mehr Windungen verwendet werden, desto höher ist die Ausgangsspannung. Je größer der Drahtdurchmesser oder die Querschnittsfläche, desto höher der Strom.
• Die Rotationsgeschwindigkeit des Ankers, die von der Geschwindigkeit des bestimmt wird Rotorblätter von Windkraftanlagen relativ zur Windgeschwindigkeit. Bei PMDC-Generatoren und -Motoren ist die Ausgangsspannung proportional zur Drehzahl und im Allgemeinen linear.

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Der gebräuchlichste Typ von Gleichstromgeneratoren für Windkraftanlagen und kleine Windkraftanlagen, die zum Laden von Batterien verwendet werden, ist der Permanentmagnet-Gleichstromgenerator, auch bekannt als Dynamo. Dynamos sind eine gute Wahl für Einsteiger in die Windkraft, da sie groß und schwer sind und im Allgemeinen sehr gute Lager haben, sodass Sie ziemlich kräftige Rotorblätter direkt auf ihre Riemenscheibenwelle montieren können.

Alte Diesel-LKW- oder -Bus-Dynamos sind eine bessere Wahl für Windkraftanlagen, da sie darauf ausgelegt sind, die erforderliche Spannung und den erforderlichen Strom bei langsameren Geschwindigkeiten zu erzeugen, wobei der Schwerpunkt eher auf Effizienz als auf maximaler Leistung liegt. Außerdem können die meisten Bus- und LKW-Dynamos eine Leistung von bis zu 500 Watt bei 24 Volt erzeugen, was mehr als genug ist, um Batterien und Lichter für ein kleines Niederspannungssystem aufzuladen.

Andere Arten von PMDC-Motoren sind das Geeignet für Windkraft-Gleichstromgeneratoren sind Traktionsmotoren, die in Golfcarts, Gabelstaplern und Elektroautos verwendet werden. Normalerweise sind diese Motoren 24-, 36- oder 48-Volt-Typen mit hoher Effizienz und Nennleistung.

Einer der Hauptnachteile eines Permanentmagnet-Gleichstromgenerators besteht darin, dass diese Maschinen kommutierende Bürsten haben, die den vollen Ausgangsstrom des Generators führen, sodass Gleichstrommaschinen, die als Dynamos und Generatoren verwendet werden, regelmäßig gewartet werden müssen, da die verwendeten Kohlebürsten den erzeugten Strom schnell entnehmen verschleißen und erzeugen im Inneren der Maschine viel elektrisch leitfähigen Kohlenstaub. Daher werden manchmal Wechselstromgeneratoren verwendet.

Autolichtmaschinen sind als einfacher Gleichstromgenerator für den Einsatz als Windkraftgenerator ebenfalls sehr beliebt, insbesondere bei Einsteigern und Heimwerkern, da auch mit Lichtmaschinen Niederspannungs-Gleichstrom erzeugt werden kann. Die meisten Fahrzeuggeneratoren enthalten AC-zu-DC-Gleichrichter, die Gleichspannung und -strom liefern. In einer Lichtmaschine dreht sich das Magnetfeld und der variable 3-Phasen-Wechselstrom, der von den stationären Statorspulen erzeugt wird, wird durch eine interne Gleichrichterschaltung in 12 Volt Gleichstrom umgewandelt. Kfz-Lichtmaschinen haben den entscheidenden Vorteil, dass sie speziell zum Laden von 12- oder 24-Volt-Batterien ausgelegt sind.

Geschlossene PMDC-Generatoren werden in Windturbinengeneratorsystemen bevorzugt, um sie vor Witterungseinflüssen zu schützen, aber Standardautolichtmaschinen sind normalerweise offen und werden durch Umgebungsluft gekühlt, die durch den Generator geblasen wird, sodass eine zusätzliche Form des Wetterschutzes erforderlich ist. Sie sind auch in einer Vielzahl von Größen und Nennleistungen erhältlich, die für kleine Autos bis hin zu großen Lastwagen ausgelegt sind, und obwohl sie billig und leicht verfügbar sind, sind sie im Vergleich zu den größeren Permanentmagnet-Gleichstromgeneratoren nicht sehr effizient.

Der Schlüssel zu Einfachheit und erhöhter Effizienz liegt im Bau einer Windkraftanlage mit Direktantrieb, bei der die Turbinenblätter direkt auf der Hauptriemenscheibenwelle des Generators montiert sind. Sobald Sie Zahnräder, Riemen, Riemenscheiben oder andere Möglichkeiten zur Erhöhung oder Verringerung ihrer Geschwindigkeit einführen, führen Sie Energieverluste, zusätzliche Kosten und Komplexität ein.

Obwohl ein guter dreiblättriger Rotor mit einem Durchmesser von 1,5 bis 2 Metern (5 oder 7 Fuß) Drehzahlen von über 1.000 U/min erreichen wird, ist dies immer noch zu langsam, um für die meisten gängigen Autolichtmaschinen geeignet zu sein, die mit Drehzahlen zwischen 2.000 und drehen 10.000 U/min, da sie am Automotor befestigt sind. Dann wäre eine Art Getriebe oder Riemenscheibensystem erforderlich, um die Drehzahl zu erhöhen, mit der sich die Lichtmaschine dreht, und um die Leistung der Lichtmaschine zu erhöhen kleiner Vorstrom (normalerweise durch die Anzeigelampe am Armaturenbrett) zu ihren Feldspulen, um die Erregung und damit den Erzeugungsprozess zu starten, bevor die Lichtmaschine ihre Einschaltdrehzahl erreicht.

Dieser externe Feldstrom könnte von der angeschlossenen Batteriebank geliefert werden, aber das Problem dabei ist, dass die Batterien die Feldwicklung kontinuierlich mit Strom versorgen und möglicherweise die Batterien entleeren würden, selbst wenn die Turbinenblätter in Zeiten ohne oder wenig Wind stationär sind. Ein weiteres Problem bei modernen Fahrzeuggeneratoren besteht darin, dass sie auf Billigkeit und geringes Gewicht ausgelegt sind und daher normalerweise nur kleine Rotorwellen mit 5/8 Zoll oder 17 mm Durchmesser haben, um eine Riemenscheibe zu montieren, auf der möglicherweise etwas zu klein ist, um das Gewicht zu tragen und Belastungen der rotierenden Schaufeln.

Einer der schwierigsten Teile bei der Konstruktion einer kleinen Niederspannungs-Windkraftanlage zur Stromerzeugung ist die Suche nach einem geeigneten Gleichstromgenerator.

Der <Permanentmagnet-Gleichstromgeneratorenist ein Generator mit niedriger Drehzahl, der bei leichtem Wind ziemlich zuverlässig und effizient ist und für den Einsatz in “netzunabhängigen” eigenständige Systeme zum Laden von Batterien oder zum Betreiben von Niederspannungsbeleuchtung und -geräten. Sie haben im Allgemeinen lineare Leistungskurven mit niedrigen Einschaltgeschwindigkeiten von etwa 10 mph. Leider sind Permanentmagnet-Gleichstromgeneratoren im alten Stil, die größer, schwerer und robuster sind, immer schwieriger zu finden.

Neben Permanentmagnet-Gleichstromgeneratoren ist die Autolichtmaschine auch eine weitere beliebte Wahl unter vielen Heimwerkern für den Einsatz als Niederspannungs-Gleichstromgeneratoren für Windkraftanlagen. Als seitlich angeschraubte Lichtmaschine oder Verbrennungsmotor benötigen sie jedoch hohe Drehzahlen zur Stromerzeugung und sind nicht immer sehr effizient. Autogeneratoren benötigen auch eine externe Versorgungsspannung, um die Elektromagnete mit Strom zu versorgen, die das interne Magnetfeld erzeugen.

Autolichtmaschinen begrenzen ihren eigenen Strom durch einen eingebauten Regelkreis, der auch verhindert, dass die Lichtmaschine die angeschlossenen Batterien überlädt. Eine Fahrzeuglichtmaschine sollte jedoch niemals umgekehrt an die Batteriebank angeschlossen oder die Lichtmaschine ohne angeschlossene Batterie mit hoher Geschwindigkeit betrieben werden, da die Ausgangsspannung auf hohe Werte ansteigt (viel mehr als 12 Volt) und den internen Gleichrichter zerstört. < /p>

Eigenständige Windkraft-DC-Systeme mit Niederspannung eignen sich hervorragend zum Laden von Batterien usw. Wir müssen entweder irgendeine Form von Wechselrichter verwenden, um den vom Permanentmagnet-Gleichstromgenerator erzeugten Gleichstrom mit niedriger Spannung in eine Wechselstromversorgung mit höherer Spannung (120 oder 240 Volt) umzuwandeln, oder einen anderen, anderen Typ von Windturbinengenerator installieren.

Im nächsten Tutorial über Windenergie werden wir uns mit dem Betrieb und Aufbau einer anderen Art von elektrischer Maschine befassen, die als Synchrongenerator bezeichnet wird. Der Synchrongenerator unterscheidet sich stark von einem Permanentmagnet-Gleichstromgenerator, da er zur Erzeugung von dreiphasigem, netzgekoppeltem Wechselstrom oder Wechselstrom verwendet werden kann.