Експериментальна оцінка корекції потужності генератора автономної вітроелектроустановки

Purpose. To evaluate the efficiency of regulating the output active power of the magnetoelectric generator as part of an autonomous wind turbine. Methodology. Analysis of existing methods of adjusting the output parameters of generators. Methods of experimental research of electric generators. Numerical processing methods of the obtained results. Findings. An experimental stand was developed to study the parameters and characteristics of an autonomous magnetoelectric generator as part of a wind turbine in order to assess the effectiveness of correcting the output power of the generator. Experimental studies of the magnetoelectric generator in the idle mode for two cases are carried out: the characteristic of idling at magnetization with use of a third-party capacity and the idle characteristics when magnetized by an additional winding (with DC supply. In this experiment, the output voltage increases from 26% (at a speed of 200 rpm) to 47% (at a speed of 780 rpm). Studies have shown that the use of the method of correcting the output power by connecting additional capacity to the armature winding of the generator is a less effective method of power control than the use of magnetization by the additional winding. The following studies were conducted: study of the efficiency of the magnetizing winding at constant active load and at different speeds (different wind speeds), study of the efficiency of the magnetizing winding while maintaining a constant voltage at the generator terminals 14.4 V. Depth of the output power regulation depends on the rotation speed of the wind turbine rotor and according to the results of experimental studies, for a load of I = 0.8 A is: 1.4% at 350 rpm; 12.5% ​​at 550 rpm; 15.3% at 650 rpm; 22.12% at 750 rpm. A more efficient method is to use an additional sub-magnetizing winding. A comparative analysis of the initial parameters of the magnetoelectric generator is obtained by experimental studies and numerical modeling simulation. Comparison of modeling results with the results of experimental studies shows the convergence of the obtained results within 7-10%, which confirms the adequacy of the developed models and the reliability of the obtained results. Originality.  By means of experimental researches of the magnetoelectric generator the limits of output power correction of the generator as a part of the independent wind electric installation are established. Practical value.  An experimental stand was developed for the study of a magnetoelectric generator with axial magnetic flux to simulate its operation as part of an autonomous wind turbine.Цель работы. Провести оценку эффективности регулирования выходной активной мощности магнитоэлектрического генератора в составе автономной ветроэлектроустановки. Методы исследования. Анализ существующих методов коррекции выходных параметров генераторов. Методы экспериментального исследования электрогенераторов. Численные методы обработки полученных результатов. Полученные результаты. Разработан экспериментальный стенд для исследования параметров и характеристик автономного магнитоэлектрического генератора в составе ветроэлектроустановки с целью оценки эффективности коррекции исходной мощности генератора. Проведены экспериментальные исследования магнитоэлектрического генератора в режиме холостого хода для двух случаев: характеристика холостого хода при подмагничивании с применением сторонней емкости; характеристика холостого хода при подмагничивании дополнительной обмоткой (при подаче постоянного тока. В данном опыте выходное напряжение увеличивается от 26% (при скорости вращения 200 об/мин) до 47 % (при скорости вращения 780 об/мин). метода коррекции выходной мощности путем присоединения дополнительной емкости к обмотки якоря генератора является менее эффективным методом регулирования мощности, чем использование подмагничивания дополнительной обмоткой. проведены следующие исследования: исследование эффективности использования обмотки подмагничивания при постоянной активной нагрузке и при разной скорости вращения (разной скорости ветра); исследование эффективности использования обмотки подмагничивания при поддержании постоянного напряжения на зажимах генератора 14,4 В. Глубин а регулирование выходной мощности зависит от скорости вращения ротора ветроустановки и по результатам экспериментальных исследований, для нагрузки И=0,8 А составляет: 1,4% при 350 об/мин; 12,5% при 550 об/мин; 15,3% при 650 об/мин; 22,12% при 750 об/мин. Более эффективным методом является использование дополнительной подмагничивающей обмотки. Проведен сравнительный анализ исходных параметров магнитоэлектрического электрогенератора, полученных путем экспериментальных исследований и имитационного численного моделирования. Сравнение результатов моделирования с результатами экспериментальных исследований показывают схожесть полученных результатов в пределах 7-10%, что подтверждает адекватность разработанных моделей и достоверность полученных результатов.Мета роботи. Провести оцінку ефективності регулювання вихідної активної потужності магнітоелектричного генератора у складі автономної вітроелектроустановки. Методи дослідження. Аналіз існуючих методів корегування вихідних параметрів генераторів. Методи експериментального дослідження електрогенераторів. Чисельні методи обробки отриманих результатів. Отримані результати. Розроблено експериментальний стенд для дослідження параметрів та характеристик автономного магнітоелектричного генератора у складі вітроелектроустановки з метою оцінки ефективності корекції вихідної потужності генератора. Проведено експериментальні дослідження магнітоелектричного генератора в режимі холостого ходу для двох випадків: характеристика холостого ходу при підмагнічуванні із застосуванням сторонньої ємності; характеристика холостого ходу при підмагнічуванні додатковою обмоткою (при подачі постійного струму. В даному досліді вихідна напруга збільшується від 26% (при швидкості обертання 200 об/хв) до 47 % (при швидкості обертання 780 об/хв). Дослідження показали що використання методу корекції вихідної потужності шляхом приєднання додаткової ємності до обмотки якоря генератора є менш ефективним методом регулювання потужності ніж використання підмагнічування додатковою обмоткою. Проведено серію експериментальних досліджень генератора у складі автономної вітроустановки за різного значення активного навантаження та за різних методів корекції вихідної потужності. При цьому проведено наступні дослідження:               дослідження ефективності використання обмотки підмагнічування при постійному активному навантаженні та за різної швидкості обертання (різної швидкості вітру);дослідження ефективності використання обмотки підмагнічування при підтримці постійної напруги на затискачах генератора 14,4 В. Глибина регулювання вихідної потужності залежить від швидкості обертання ротора вітроустановки і за результатами експериментальних досліджень, для навантаження І=0,8 А становить: 1,4% при 350 об/хв; 12,5% при 550 об/хв; 15,3% при 650 об/хв; 22,12% при 750 об/хв. Більш ефективним методом є використання додаткової підмагнічувальної обмотки. Проведено порівняльний аналіз вихідних параметрів магнітоелектричного електрогенератора отриманих шляхом експериментальних досліджень та імітаційного чисельного моделювання. Порівняння результатів моделювання з результатами експериментальних досліджень показують сходимість отриманих результатів в межах 7-10%, що підтверджує адекватність розроблених моделей та достовірність отриманих результатів. Наукова новизна. Шляхом експериментальних досліджень магнітоелектричного генератора встановлено межі корекції вихідної потужності генератора у складі автономної вітроелектроустановки. Практична цінність. Розроблено експериментальний стенд для дослідження магнітоелектричного генератора з осевим магнітним потоком для імітації його роботи у складі автономної вітроелектроустановки

A Consequent-Pole Hybrid Exciter for Synchronous Generators

In low-to-medium power generating sets, a self powered brushless excitation system is typically employed. This solution is cost-effective, simple and compact, but it suffers from an unreliable voltage build-up at start-up, a slow dynamic response and a relatively low efficiency for the exciter. The push towards more effective, reliable and efficient products has recently led to consider excitation systems equipped with permanent magnet exciters and controlled rotating converters, but their diffusion is limited by their higher complexity and cost. This paper investigates the utilization of a hybrid excitation for the exciter, aiming to join the benefits of field windings and permanent magnets. As a case study, this concept is applied to a commercial mid-size generating set adopting an industrial perspective, aiming to maximize the benefits while minimizing the required modifications in the system design. After a preliminary analysis, a consequent-pole layout with surface-mounted bonded magnets is then selected as the most effective solution. Theoretical considerations, numerical analysis and experimental validation are reported to show that the hybrid excitation concept can actually lead to significant reduction of exciter field losses as well as to other appreciable side benefits with a very limited impact on the present design of the generating set

Overview of novel magnetically geared machines with partitioned stators

This study overviews recent development of a new class of magnetically geared machine topologies, i.e. partitioned stator (PS) machines. They are developed from magnetic gears and magnetically geared machines, as well as stator permanent magnet (PM) machines (switched flux, flux reversal, and doubly saliency PM), wound field, or hybrid PM and field winding machines. Based on the operating principle, i.e. magnetic gearing effect/air-gap field modulation and flux switching by the salient rotor iron poles, various PS machine topologies are developed. All have features of two stators, two air-gaps, and one segmented ferromagnetic rotor identical to a magnetic gear's modulating rotor. Their inherent relationships are revealed, while their electromagnetic performance is compared. Both PM and wound field PS machines are discussed, together with hybrid excited PS-PM machines and Vernier machines. It shows that all of these PS machines share the same torque production principle and the differences are mainly in PM configurations and relative positions of two stators. All PS machines have higher torque density per copper loss compared with their counterparts of single-stator machines. PS switched flux PM machines can produce the highest torque density per copper loss

Novel consequent-pole hybrid excited machine with separated excitation stator

A partitioned stator hybrid excited machine is proposed, in which the permanent magnets and field windings are alternately placed on an inner stator separated from the outer stator having armature windings. This machine inherits the features of brushless machines and benefits from better space utilization. The operating principle and the effects of slot/pole combinations are investigated in detail. Further, based on 2-D finite-element analysis, the electromagnetic performances of the proposed machines, including back-electromotive force, cogging torque, flux regulation range, torque capability, power factor and torque-speed curve, are evaluated. The results reveal that the proposed machines can exhibit wide flux regulation range as well as good torque density. The prototype is manufactured and tested to validate the predictions

Flux-adjustable permanent magnet machines in traction applications

This paper overviews the recent advances in flux-adjustable permanent magnet (PM) machines for traction applications. The flux-adjustable PM machines benefit from the synergies of the high torque density and high efficiency in conventional PM machines as well as the controllable air-gap field in wound-field machines, which are attractive for the traction applications requiring enhanced capabilities of speed regulation and uncontrolled voltage mitigation. In general, three solutions have been presented, namely the hybrid excited (HE), the mechanically regulated (MR), and the variable flux memory (VFM) machines. Numerous innovations were proposed on these topics during the last two decades, while each machine topology has its own merits and demerits. The purpose of this paper is to review the development history and trend of the flux-adjustable PM machines, with particular reference to their topologies, working mechanism, and electromagnetic performance

Permanent magnet Vernier machines for direct-drive offshore wind power: benefits and challenges

Permanent magnet Vernier (PM-V) machines, at low power levels (few kWs), have shown a great potential to improve the torque density of existing direct-drive PM machines without much compromising on efficiency or making the machine structure more complicated. An improved torque density is very desirable for offshore wind power applications where the size of the direct-drive machine is an increasing concern. However, the relatively poor power factors of the PM-V machines will increase the power converter rating and hence cost. The objective of this paper is to review the benefits and challenges of PM-V machines for direct-drive offshore wind power applications. The review has been presented considering the system-level (direct-drive generator + converter) performance comparison between the surface-mounted permanent magnet Vernier (SPM-V) machines and the conventional SPM machines. It includes the indepth discussion on the challenges facing the PM-V machines when they are scaled up for multi-MW offshore wind power application. Other PM-V topologies discussed in literature have also been reviewed to asses their suitability for offshore wind power application

Design and Application of Electrical Machines

Electrical machines are one of the most important components of the industrial world. They are at the heart of the new industrial revolution, brought forth by the development of electromobility and renewable energy systems. Electric motors must meet the most stringent requirements of reliability, availability, and high efficiency in order, among other things, to match the useful lifetime of power electronics in complex system applications and compete in the market under ever-increasing pressure to deliver the highest performance criteria. Today, thanks to the application of highly efficient numerical algorithms running on high-performance computers, it is possible to design electric machines and very complex drive systems faster and at a lower cost. At the same time, progress in the field of material science and technology enables the development of increasingly complex motor designs and topologies. The purpose of this Special Issue is to contribute to this development of electric machines. The publication of this collection of scientific articles, dedicated to the topic of electric machine design and application, contributes to the dissemination of the above information among professionals dealing with electrical machines