วิธีใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรในกังหันลม

เทคโนโลยีซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องจักรไฟฟ้าสมัยใหม่ ตั้งแต่มอเตอร์อุตสาหกรรมไปจนถึงเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังงานลม

อย่างไรก็ตาม ในกังหันลม เครื่องแม่เหล็กถาวรมักจะทำงานเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ไม่ใช่มอเตอร์ ด้วยเหตุนี้ คำว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร (PMSG) จึงแม่นยำกว่า PMSM เมื่อพูดถึงหน่วยผลิตพลังงานหลักภายในกังหันลม

หลักการทางแม่เหล็กไฟฟ้ามีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด แต่ทิศทางของการแปลงพลังงานนั้นแตกต่างกัน

PMSM แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นการหมุนเชิงกล PMSG ทำสิ่งที่ตรงกันข้าม: ระบบขับเคลื่อนของกังหันลมหมุนจะจ่ายพลังงานกลให้กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า

การทำความเข้าใจความแตกต่างนี้ช่วยให้มองเห็นได้ง่ายขึ้นมากว่าเทคโนโลยีแม่เหล็กถาวรเหมาะสมกับระบบพลังงานลมสมัยใหม่อย่างไร

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวรนั่งอยู่ที่ไหนในกังหันลม?

ลมหมุนใบพัดกังหันและโรเตอร์

การหมุนเชิงกลนั้นจะต้องถูกแปลงเป็นไฟฟ้าโดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

มีการจัดระบบขับเคลื่อนแบบกว้างสองแบบ

กังหันลมแบบเกียร์

ในระบบขับเคลื่อนแบบมีเกียร์ โรเตอร์กังหันจะหมุนค่อนข้างช้า

กระปุกเกียร์จะเพิ่มความเร็วในการหมุนก่อนที่พลังงานกลจะไปถึงเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

ช่วยให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำงานด้วยความเร็วการหมุนที่สูงกว่าโรเตอร์กังหัน

วัตถุประสงค์ของกระปุกเกียร์จึงเพื่อให้ตรงกับความต้องการความเร็วเชิงกลของโรเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ไม่ควรอธิบายง่ายๆ ว่าเป็น "การจับคู่ความถี่ของกริด" เนื่องจากโดยปกติแล้วกังหันที่มีความเร็วแปรผันสมัยใหม่จะใช้ระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังระหว่างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและกริด

กังหันลมแบบขับเคลื่อนโดยตรง

ระบบขับเคลื่อนโดยตรงจะถอดกระปุกเกียร์หลักออก

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเชื่อมต่อกับโรเตอร์กังหันโดยตรงมากกว่ามาก ดังนั้นจึงต้องทำงานที่ความเร็วต่ำกว่ามากในขณะที่ให้แรงบิดสูง

สิ่งนี้ทำให้การออกแบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวรแบบขับตรงมักจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าและใช้ขั้วแม่เหล็กหลายขั้วเพื่อให้สามารถผลิตเอาท์พุตไฟฟ้าที่มีประโยชน์ได้ที่ความเร็วการหมุนต่ำ

ทำไมต้องใช้แม่เหล็กถาวร?

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรจะสร้างสนามแม่เหล็กของโรเตอร์ด้วยแม่เหล็กถาวร แทนที่จะใช้ขดลวดกระตุ้นของโรเตอร์

สิ่งนี้นำเสนอคุณลักษณะที่เป็นประโยชน์หลายประการสำหรับการใช้งานด้านพลังงานลม

ไม่มีกระแสกระตุ้นของโรเตอร์

เนื่องจากสนามแม่เหล็กเกิดจากแม่เหล็กถาวร โรเตอร์จึงไม่จำเป็นต้องมีระบบกระตุ้นไฟฟ้าแยกต่างหาก

สิ่งนี้สามารถลดการสูญเสียทางไฟฟ้าของโรเตอร์และลดความซับซ้อนของโครงสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าบางส่วน

เหมาะสำหรับการออกแบบที่มีความเร็วต่ำและมีแรงบิดสูง

เครื่องแม่เหล็กถาวรสามารถออกแบบให้มีขั้วหลายขั้วและมีความหนาแน่นของแรงบิดสูง

ซึ่งมีความเกี่ยวข้องอย่างยิ่งกับระบบลมขับเคลื่อนโดยตรง ซึ่งความเร็วของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าต่ำและแรงบิดทางกลสูง

เข้ากันได้กับการทำงานความเร็วตัวแปร

ความเร็วลมเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง

การทำงานของกังหันที่ความเร็วตัวแปรสามารถช่วยให้โรเตอร์ยังคงใกล้เคียงกับสภาพการทำงานตามหลักอากาศพลศาสตร์ที่ต้องการในช่วงสภาพลมที่กว้างขึ้น

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวรมักใช้กับตัวแปลงอิเล็กทรอนิกส์กำลังเต็ม ทำให้ความถี่ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแปรผันอย่างอิสระจากความถี่กริด

ทำให้การทำงานด้วยความเร็วหลายระดับเป็นไปได้โดยไม่ต้องให้โรเตอร์เชิงกลทำงานที่ความเร็วซิงโครนัสคงที่ความเร็วเดียวซึ่งเชื่อมโยงกับโครงข่ายโดยตรง

Power Converter มีบทบาทอย่างไร?

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นเพียงส่วนหนึ่งของระบบไฟฟ้าของกังหันลม

ในกังหันลมแม่เหล็กถาวรจำนวนมาก พลังงานไฟฟ้าจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะผ่านตัวแปลง AC/DC/AC เต็มรูปแบบก่อนที่จะถึงโครงข่าย

ตัวแปลงนี้ทำหน้าที่สำคัญหลายประการ

ช่วยให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำงานที่ความเร็วตัวแปร แปลงเอาท์พุตของเครื่องกำเนิดความถี่แปรผันให้เป็นพลังงานไฟฟ้าที่เข้ากันได้กับโครงข่าย และให้การควบคุมพลังงานแบบแอกทีฟและรีแอกทีฟที่เทอร์มินัลกังหัน

ความแตกต่างนี้มีความสำคัญเนื่องจากความสามารถในการรองรับกริดไม่ควรนำมาประกอบกับแม่เหล็กถาวรนั่นเอง

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะผลิตพลังงานไฟฟ้า ในขณะที่ระบบควบคุมตัวแปลงและกังหันจะจัดการวิธีการส่งพลังงานไปยังโครงข่าย

Disc Magnet Motors

การขับตรงไม่ได้หมายความว่า "ดีกว่าเสมอไป"

การถอดกระปุกเกียร์สามารถลดจำนวนส่วนประกอบระบบขับเคลื่อนและกำจัดระบบย่อยทางกลหลักระบบเดียวได้

นั่นอาจดูน่าสนใจในกรณีที่การเข้าถึงการบำรุงรักษาทำได้ยาก

อย่างไรก็ตาม เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบไดเร็กไดรฟ์ยังนำความท้าทายทางวิศวกรรมมาด้วย

โดยทั่วไปเครื่องกำเนิดไฟฟ้าความเร็วต่ำจะต้องมีโครงสร้างแม่เหล็กไฟฟ้าที่ใหญ่กว่าเพื่อสร้างแรงบิดที่ต้องการ ระบบขับเคลื่อนโดยตรงด้วยแม่เหล็กถาวรอาจใช้วัสดุแม่เหล็กหายากของโลกในปริมาณมาก

นี่คือเหตุผลว่าทำไมสถาปัตยกรรมกังหันลมทั้งแบบมีเกียร์และแบบขับเคลื่อนโดยตรงจึงยังคงมีอยู่

ตัวเลือกที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับพิกัดกังหัน ความเร็วโรเตอร์ การออกแบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้า น้ำหนัก กลยุทธ์การบำรุงรักษา ต้นทุนวัสดุ และเศรษฐศาสตร์โดยรวมของระบบ

เมื่อเทคโนโลยีแม่เหล็กถาวรแบบฟลักซ์ตามแนวแกนเหมาะสม

คนส่วนใหญ่เชื่อมโยงเครื่องกำเนิดลมขนาดใหญ่กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบฟลักซ์แนวรัศมี แต่เทคโนโลยีแม่เหล็กถาวรแบบฟลักซ์ตามแนวแกนก็เกี่ยวข้องกับการออกแบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบพิเศษที่มีขนาดกะทัดรัดเช่นกัน

ในเครื่องฟลักซ์ตามแนวแกน ฟลักซ์แม่เหล็กจะเคลื่อนที่ไปตามแกนของมอเตอร์หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นหลัก แทนที่จะเคลื่อนที่ในแนวรัศมีผ่านโครงสร้างทรงกระบอกทั่วไป

สถาปัตยกรรมนี้สามารถให้ความหนาแน่นของแรงบิดสูงและความยาวแกนที่ค่อนข้างสั้น

สำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบไดเร็กไดรฟ์ขนาดเล็กหรือการใช้งานที่ความหนาแน่นของบรรจุภัณฑ์และแรงบิดเป็นสิ่งสำคัญ เทคโนโลยีฟลักซ์ตามแนวแกนจึงคุ้มค่าที่จะพิจารณา

ปัจจุบัน Jiangnan Electric พัฒนาเครื่องจักรแม่เหล็กถาวรแบบฟลักซ์ตามแนวแกน นอกเหนือจากผลิตภัณฑ์ PMSM ทั่วไป กลุ่มฟลักซ์ตามแนวแกนที่เผยแพร่ของบริษัทครอบคลุมแรงดันไฟฟ้า ความเร็ว การทำความเย็น และการกำหนดค่าการติดตั้งที่หลากหลาย

แท่นแม่เหล็กไฟฟ้าเดียวกันสามารถเกี่ยวข้องกับการพัฒนามอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แต่ไม่ควรนำเสนอผลิตภัณฑ์มอเตอร์เป็นเครื่องกำเนิดลมโดยอัตโนมัติหากไม่มีการตรวจสอบความถูกต้องทางแม่เหล็กไฟฟ้า ความร้อน และทางกลเฉพาะการใช้งาน

Brushless DC Electric Motor For Robotics

การประยุกต์ใช้พลังงานลมแบบไฟฟ้าและแม่เหล็กถาวรของ Jiangnan

ปัจจุบัน Hangzhou Jiangnan Electric Motor Co., Ltd. ผลิตกลุ่มมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรหลายกลุ่ม รวมถึง PMSM แบบธรรมดา การออกแบบแรงบิดสูงความเร็วต่ำ และเครื่องแม่เหล็กถาวรแบบฟลักซ์ตามแนวแกน

แพลตฟอร์มผลิตภัณฑ์ที่มีอยู่บางส่วนแสดงให้เห็นถึงคุณลักษณะที่มีความสำคัญในการพัฒนาเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังงานลมเช่นกัน

ตัวอย่างเช่น แพลตฟอร์ม JNPM520-45 ของ Jiangnan มีพิกัดอยู่ที่ 45 kW และ 245 rpm พร้อมแรงบิดพิกัด 1,754 N·m แม้ว่าการพัฒนาสำหรับการใช้งานแบบขับเคลื่อนโดยตรงทางอุตสาหกรรมแทนที่จะนำเสนอที่นี่ในฐานะเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันลม แต่การผสมผสานระหว่างความเร็วต่ำและแรงบิดสูง แสดงให้เห็นถึงความท้าทายในการออกแบบประเภทแม่เหล็กไฟฟ้าที่พบในระบบการสร้างพลังงานลมโดยตรง

กลุ่มผลิตภัณฑ์ฟลักซ์ตามแนวแกนของ Jiangnan ยังรวมถึงเครื่องจักรแม่เหล็กถาวรที่ออกแบบให้มีโครงสร้างแกนขนาดกะทัดรัดและการทำงานแบบความเร็วแปรผัน

เว็บไซต์ปัจจุบันของบริษัทยังแสดงรายการผลิตภัณฑ์แม่เหล็กถาวรสำหรับการใช้งานพลังงานลมความเร็วลมต่ำและขนาดเล็กถึงขนาดกลางอีกด้วย

อย่างไรก็ตาม สำหรับโครงการพลังงานลมที่แท้จริง กระบวนการคัดเลือกควรเริ่มต้นด้วยข้อกำหนดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แทนที่จะเลือกมอเตอร์ที่มีอยู่ตามกำลังไฟพิกัดเท่านั้น

ข้อมูลใดบ้างที่จำเป็นสำหรับโครงการเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังงานลม?

ก่อนที่จะประเมินเครื่องกำเนิดแม่เหล็กถาวร จำเป็นต้องกำหนดเงื่อนไขการทำงานหลายประการ

ข้อมูลสำคัญประกอบด้วย:

พิกัดกำลังไฟฟ้าขาออก
ความเร็วโรเตอร์สูงสุดและสูงสุด
แรงบิดต่อเนื่องและสูงสุด
แรงดันขาออกที่ต้องการ
ช่วงความถี่ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
วิธีการทำความเย็น
การจัดเตรียมการติดตั้ง
เพลาหรือส่วนต่อประสานไดรฟ์ตรง
สภาพแวดล้อมที่คาดหวัง
ระดับการป้องกัน
โทโพโลยีตัวแปลง
ปฏิบัติหน้าที่อย่างต่อเนื่อง

สำหรับโครงการขับเคลื่อนโดยตรง ความเร็วของโรเตอร์และแรงบิดมีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะต้องรองรับภาระของกังหันโดยไม่ต้องอาศัยกระปุกเกียร์ที่มีอัตราส่วนสูง

สำหรับระบบพลังงานลมขนาดเล็กและขนาดกลาง บรรจุภัณฑ์ น้ำหนักเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ต้นทุนตัวแปลง และข้อกำหนดในการบำรุงรักษา อาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อการออกแบบขั้นสุดท้าย

PMSM หรือ PMSG: คำศัพท์เฉพาะเรื่อง

มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรมีพื้นฐานอยู่บนหลักการแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิด

แต่บทบาทการดำเนินงานของพวกเขาแตกต่างกัน

โดยปกติ PMSM จะแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นเอาท์พุตเชิงกล

PMSG แปลงอินพุตเชิงกลเป็นพลังงานไฟฟ้า

ในกังหันลม เครื่องแปลงพลังงานหลักจึงอธิบายได้แม่นยำยิ่งขึ้นว่าเป็น PMSG

สำหรับลูกค้าที่พัฒนาอุปกรณ์พลังงานลม คำถามสำคัญไม่ใช่แค่ว่า PMSM ที่มีอยู่สามารถติดตั้งในกังหันได้หรือไม่

แนวทางที่ถูกต้องคือการกำหนดความเร็วของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แรงบิด แรงดันไฟฟ้า สภาวะความร้อน ส่วนต่อประสานทางกล และระบบตัวแปลงที่ต้องการก่อน จากนั้นจึงออกแบบหรือเลือกเครื่องจักรแม่เหล็กถาวรตามข้อกำหนดเหล่านั้น

ข้อสงวนสิทธิ์

ข้อมูลในบทความนี้มีไว้เพื่อการอ้างอิงทั่วไปเท่านั้น ข้อมูลจำเพาะของผลิตภัณฑ์ ประสิทธิภาพ ตัวเลือกการกำหนดค่า และความเหมาะสมต้องได้รับการประเมินโดยละเอียดสำหรับการใช้งานที่ต้องการและสภาพการทำงานจริง ก่อนที่จะเลือก ซื้อ หรือใช้ผลิตภัณฑ์ โปรดยืนยันรายละเอียดที่เกี่ยวข้องกับ Jiangnan Electric และดูเอกสารทางเทคนิคที่เกี่ยวข้องและข้อกำหนดเฉพาะที่ตกลงกัน บทความนี้ไม่ได้แทนที่คำแนะนำเฉพาะผลิตภัณฑ์หรือการประเมินทางวิศวกรรมมืออาชีพ