永久磁石同期発電機が風力タービンでどのように使用されるか
永久磁石同期技術は、産業用モーターから風力発電機に至るまで、最新の電気機械に広く使用されています。
ただし、風力タービンでは、永久磁石機械は通常、モーターとしてではなく、発電機として動作します。このため、風力タービン内の主な発電ユニットについて説明する場合は、PMSM よりも永久磁石同期発電機 (PMSG) という用語の方が正確です。
電磁気原理は密接に関連していますが、エネルギー変換の方向は異なります。
PMSM は、電気エネルギーを機械的回転に変換します。 PMSG はその逆を行います。回転する風力タービンのドライブトレインが機械エネルギーを発電機に供給し、発電機がそれを電力に変換します。
この違いを理解すると、永久磁石技術が現代の風力発電システムにどのように適合するかを理解するのがはるかに簡単になります。
永久磁石発電機は風力タービンのどこにありますか?
風によってタービンブレードとローターが回転します。
この機械的回転は、発電機によって電気に変換されなければなりません。
ドライブトレインの配置には大きく分けて 2 つあります。
ギア付き風力タービン
ギア付きドライブトレインでは、タービン ローターは比較的ゆっくりと回転します。
ギアボックスは、機械動力が発電機に到達する前に回転速度を上げます。
これにより、発電機はタービンローターよりも高い回転速度で動作することができます。
したがって、ギアボックスの目的は、ローターと発電機の機械的速度要件を一致させることです。現在の可変速タービンは通常、発電機と送電網の間にパワーエレクトロニクスを使用しているため、単に「送電網の周波数に一致する」と説明すべきではありません。
ダイレクトドライブ風力タービン
ダイレクトドライブシステムによりメインギアボックスが不要になります。
発電機はタービンローターにはるかに直接的に接続されているため、高トルクを生成しながらはるかに低速で動作する必要があります。
これにより、発電機の設計が大幅に変更されます。
直接駆動永久磁石発電機は通常直径が大きく、低速回転速度でも有用な電気出力を生成できるように複数の磁極を使用します。
なぜ永久磁石を使用するのでしょうか?
永久磁石同期発電機は、回転子励磁巻線ではなく永久磁石を使用して回転子磁界を生成します。
これにより、風力発電アプリケーションにいくつかの有用な特性が提供されます。
ローター励磁電流なし
磁場は永久磁石によって生成されるため、ローターには別個の電気励起システムが必要ありません。
これにより、ローターの電気損失を低減し、発電機の構造の一部を簡素化することができます。
低速、高トルク設計に最適
永久磁石機械は、極数が多く、トルク密度が高いように設計できます。
これは、発電機の速度が低く、機械的トルクが高い直接駆動風力システムに特に関係します。
可変速運転に対応
風速は連続的に変化します。
タービンを可変速度で動作させると、ローターをより広範囲の風況にわたって好ましい空力動作状態に近づけることができます。
永久磁石発電機は通常、フルパワー電子コンバータとともに使用され、発電機の周波数を系統周波数とは独立して変更できます。
これにより、機械式ローターがグリッドに直接接続された 1 つの固定同期速度で動作する必要がなく、可変速動作が可能になります。
電力変換器はどのような役割を果たしますか?
発電機は風力タービンの電気システムの一部にすぎません。
多くの永久磁石風力タービンでは、発電機からの電力は系統に到達する前にフルスケールの AC/DC/AC コンバーターを通過します。
このコンバータはいくつかの重要な機能を実行します。
これにより、発電機が可変速度で動作し、可変周波数の発電機出力を系統互換電力に変換し、タービン端子での有効電力と無効電力を制御できるようになります。
グリッド支持能力は永久磁石自体に起因するものではないため、この区別は重要です。
発電機は電力を生成し、コンバータとタービン制御システムはその電力がどのように送電網に供給されるかを管理します。
ダイレクトドライブは「常に優れている」という意味ではありません
ギアボックスを取り外すと、ドライブトレインのコンポーネントの数が減り、主要な機械サブシステムを 1 つ取り除くことができます。
これは、メンテナンスへのアクセスが難しい場合には魅力的です。
ただし、ダイレクトドライブ発電機には、独自のエンジニアリング上の課題もあります。
低速発電機は一般に、必要なトルクを生成するためにより大きな電磁構造を必要とします。永久磁石直接駆動システムでも、大量の希土類磁性材料が使用される場合があります。
これが、ギア付き風力タービン アーキテクチャと直接駆動風力タービン アーキテクチャの両方が存在し続ける理由です。
適切な選択は、タービン定格、ローター速度、発電機の設計、重量、メンテナンス戦略、材料コスト、およびシステム全体の経済性に依存します。
アキシャルフラックス永久磁石テクノロジーが適している場所
ほとんどの人は大型の風力発電機をラジアル磁束機械と関連付けますが、軸方向磁束の永久磁石技術はコンパクトで特殊な発電機の設計にも関連しています。
アキシャル磁束機械では、磁束は従来の円筒構造を半径方向に通るのではなく、主にモーターまたは発電機の軸に沿って伝わります。
この構造により、高いトルク密度と比較的短い軸方向長さを実現できます。
小型のダイレクトドライブ発電機や、パッケージングとトルク密度が重要な用途では、軸方向磁束技術を検討する価値があります。
Jiangnan Electric は現在、従来の PMSM 製品に加えて、アキシャル磁束永久磁石機を開発しています。同社が公開している軸方向磁束範囲は、複数の電圧、速度、冷却、取り付け構成をカバーしています。
同じ電磁プラットフォームはモーターと発電機の両方の開発に関連する可能性がありますが、アプリケーション固有の電磁、熱、機械の検証なしに、モーター製品が自動的に風力発電機として提示されるべきではありません。
江南電力と永久磁石風力発電の応用
Hangzhou Jiangnan Electric Motor Co., Ltd. は現在、従来の PMSM、低速高トルク設計、アキシャル磁束永久磁石機など、いくつかの永久磁石同期モーター ファミリを製造しています。
既存の製品プラットフォームの一部は、風力発電機の開発においても重要な特性を示しています。
たとえば、Jiangnan の JNPM520-45 プラットフォームの定格は 45 kW、245 rpm、定格トルクは 1754 N・m です。ここでは風力タービン発電機としてではなく、産業用ダイレクトドライブ用途向けに開発されましたが、低速と高トルクの組み合わせは、ダイレクトドライブ発電システムにも見られるタイプの電磁設計の課題を示しています。
Jiangnan のアキシャル フラックス ポートフォリオには、コンパクトなアキシャル構造と可変速動作を中心に設計された永久磁石機械も含まれています。
同社の現在のウェブサイトには、さらに、低風速および小規模から中規模の風力発電用途向けの永久磁石製品もリストされています。
ただし、実際の風力発電プロジェクトの場合、定格出力だけで既存のモーターを選択するのではなく、発電機の要件から選択プロセスを開始する必要があります。
風力発電プロジェクトに必要な情報は何ですか?
永久磁石発電機を評価する前に、いくつかの動作条件を定義する必要があります。
重要な情報には次のものが含まれます。
- 定格電気出力。
- ローターの定格および最大速度。
- 連続トルクとピークトルク。
- 必要な出力電圧。
- 発電機の周波数範囲。
- 冷却方法。
- 取り付け配置。
- シャフトまたはダイレクトドライブインターフェイス。
- 予想される周囲条件。
- 保護レベル。
- コンバータトポロジ。
- 継続的な運転義務。
ダイレクトドライブプロジェクトの場合、発電機は高比ギアボックスに依存せずにタービン負荷を処理する必要があるため、ローターの速度とトルクが特に重要です。
中小規模の風力発電システムの場合、パッケージング、発電機の重量、コンバータのコスト、メンテナンス要件も最終設計に大きく影響する可能性があります。
PMSM または PMSG: 用語は重要です
永久磁石同期モーターと永久磁石同期発電機は、密接に関連した電磁原理に基づいています。
しかし、それらの運用上の役割は異なります。
PMSM は通常、電気エネルギーを機械出力に変換します。
PMSG は機械的入力を電気エネルギーに変換します。
したがって、風力タービンでは、主なエネルギー変換機械は PMSG としてより正確に説明されます。
風力発電装置を開発している顧客にとって重要な問題は、単に既存の PMSM をタービンに設置できるかどうかではありません。
正しいアプローチは、必要な発電機の速度、トルク、電圧、熱条件、機械的インターフェイス、およびコンバーター システムを最初に定義し、次にそれらの要件に基づいて永久磁石機械を設計または選択することです。
免責事項
この記事の情報は、一般的な参照のみを目的として提供されています。製品の仕様、性能、構成オプション、適合性は、意図された用途と実際の動作条件に対して詳細に評価する必要があります。製品を選択、購入、または使用する前に、江南電気に関連する詳細を確認し、該当する技術文書および合意された仕様を参照してください。この記事は、製品固有の説明書や専門的な技術評価に代わるものではありません。
