Nå er girløse vindturbiner plutselig populære. Hvorfor?

[Redaksjonen.]

Nå er girløse vindturbiner plutselig populære. Hvorfor?

[aanundo]

Savner mer informasjon rundt det med AC vs. DC.

Synkrongeneratorer har vært normalen på land, men regner med at DC er blitt normalen i vindturbinparkene, da strømmen skal sendes langt og DC gir minst tap.

Dersom DC er normalt skulle en tro generatoren med fordel kunne ligne på AC dynamoen i en bil. AC ut fra selve generatoren, og likeretting før strømmen sendes til et batteri og vekselrettes til rett spenning og frekvens nær forbruker.

Denne type generatorer kan gå med forskjellig turtall og en skulle tro konstruksjonen til en bildynamo er både enkel og robust, og skulle egne seg i en vindturbin.

Er det teknologien bak bildynamoen som brukes, og i tilfelle ikke, hvorfor?

Jeg spør fordi dette er noe jeg har lurt på en stund.

[1P4XZQB7]

aanundo skrev (På 29.4.2020 den 18.16):

Savner mer informasjon rundt det med AC vs. DC.

Dersom DC er normalt skulle en tro generatoren med fordel kunne ligne på AC dynamoen i en bil.

Først må vi slå fast at der ikke finnes noe slikt som en DC-motor eller -generator. Det vi så allikevel omtaler som DC-motor, er bare enkleste form av Universalmotor. En altetende motor som går like fint dårlig på AC som DC. Eller, universalmotoren sliter faktisk allerede ved 50Hz, noe som igjen er grunnen til at jernbanenettet den dag i dag er matet med 16 og 2/3 Hz.

 

Nettfrekvensen har i Universalmotoren intet med "motorfrekvensen" å gjøre – den blir bare akseptert som påtrykt RMS spenning. I Universalmotoren produseres den egentlige "motorfrekvensen" av mekanisk kommutator. Altså den oppstykkede sleperingen med tilhørende børster. Kommutator produserer den nødvendige vekselspenningen synkronisert med rotorposisjon  

 

Universialmotoren brukt som generator har fått navnet dynamo. Spenningen ut er ikke regulerbar men derimot direkte proposjonal med turtallet inn. Dessverre har vi på norsk fortsatt kalle også den etterfølgende synkrongeneratoren for dynamo, mens den på engelsk har fått det mer beskrivende navnet Alternator. Spenningen ut av denne er kontrollerbar ved å justere strømmen påtrykt rotorviklingen. Og jo, slike trefase synkronmaskiner  er i høyeste grad i bruk i vannkraftverk rundt om. Og i vindkraft. 

• Danish Wind Industry Association - Generators - Synchronous machines

• Modeling a Wind Turbine Synchronous Generator

• Synchronous Generator as a Wind Power Generator (Leketøy)

 

Vil i denne anledning også få henvise til en OpEd artikkel i TU tilbake i 2017 som omtaler temaet, der Dr. Kristiansen Nøland demonstrerer hvordan han klarte kvitte seg med børstene i nettopp synkrongeneratoren:

 

• BØRSTELØSE GENERATORER I VANNKRAFT

 

Også verd å få med seg er en spesialversjon av overstående klassiske synkronmotor, nemlig den dobbeltmatede synkronmotoren. I prinsippet samme sak, men der også rotor utrustes med tre viklinger (i stedet for en enkelt DC vinkling.) Dermed kan rotorfeltet roteres elektrisk (virtuelt) gjennom påtrykke rotor syntetisert trefase av ønsket frekvens, noenlunde uavhengig av rotorens faktiske omløpshastighet. Motsatt kan denne dobbeltmatede synkrongeneratoren da produsere fast 50 Hz trefase ut, selv med varierende turtall inn på generatoren. Og følgelig kobles direkte på distribusjonsnettet ut, uten AC-DC-AC omformer i mellom.

 

 

Det jeg savner i artikkelen er en diskusjon rundt disse rent magnetiske girkassene, eller også slike hybrid BLDC–Magenetgir–Reluktansmotor/-generator kombinasjoner. Finnes en god del papir på dette, hvorav jeg plukket et par tre. Men kanskje enklest forklart i YouTube videoen:

 

• MAGNOMATICS' MAGNETIC GEAR AND PDD® MOTOR/GENERATOR  (YouTube)

• Magnetic gear generator for wind energy [PDF]

• Magnetic Geared Radial Axis Vertical Wind Turbine for Low Velocity Regimes  [PDF]

• A Rare-Earth Free Magnetically Geared Generator for Direct-Drive Wind Turbines. [PDF]

• PDD technology is prepared for wind turbine trials

 

 

• Electromagnetic design and analysis of a novel magnetic-gear-integrated wind power generator

 

 

Endret 13. mai 2020 av 1P4XZQB7

[Börje Forssell]

Ordet nacelle kommer fra fransk som så mange termer i fly og romfart. Opprinnelsen er navicella som betyr liten båt på italiensk. Det ordet kommer i sin tur fra latinets navis som betyr skip. Den franske termen betegnet opprinnelig kabinen med passasjerer som hang under et luftskip.

[Alain Ferber]

Etymologi: "Nacelle" er ikke opprinnelig et engelsk ord. Fra latin: "navis" (fartøy/båt) => til sen latin og italiensk "navicella" => fransk (tidlig på 20ende århundre) "nacelle" => senere til engelsk "nacelle". Nå på norsk pga. vindturbiner

[Per Østensen]

Det var veldig langt svar fra 1P4XZQB7 på et enkelt spørsmål. Jeg antar svaret er dette: En bildynamo må nødvendigvis kunne brukes på mange forskjellige hastigheter siden den følger turtallet på motoren. En vindturbin er derimot svære saker, og det vil være begrenset hvor fort den kan rotere før den blir ødelagt av sentrifugalkraften.

[Peter Michael M Rasmussen]

Vindmølle vs vindturbine.

Denne artikkel

https://www.tu.no/artikler/na-er-girlose-vindturbiner-plutselig-populaere-hvorfor/491030#_=_

er i sin originale utgave

https://ing.dk/artikel/spoerg-fagfolket-hvorfor-gearloese-vindmoeller-pludselig-saa-populaere-nu-232255

et godt eksempel på noe jeg har undret meg over de siste uker.

På norsk er det plutselig blitt "vindturbiner".

Hvorfor det ?

En turbine går vanligvis med høyt turtall.

En energiomformer for vind til strøm vil vanligvis holde et lavt turtall på rotor.

Så det undrer meg at begrepet "turbine" her er komme inn.

 

[aanundo]

Per Østensen skrev (36 minutter siden):

Det var veldig langt svar fra 1P4XZQB7 på et enkelt spørsmål. Jeg antar svaret er dette: En bildynamo må nødvendigvis kunne brukes på mange forskjellige hastigheter siden den følger turtallet på motoren. En vindturbin er derimot svære saker, og det vil være begrenset hvor fort den kan rotere før den blir ødelagt av sentrifugalkraften.

Rett nok kan ikke en vindturbin gå med like store omdreininger som en bilmotor, men prinsippene bak vekselstrømsdynamoen burde kunne brukes med lite turtall også etter min mening.

En måte er selvsagt gear, som ikke er aktuelt da dette er en artikkel om vindturbiner uten gear.

Et annet alternativ er at zik-zak utformingen av rotor på dynamoen gjør at frekvensen kan opprettholdes med flere tagger når diameteren på rotor til generatoren kan økes, slik som på en vindturbin.

Den relative farten mellom feltet i rotor og statorviklingene skulle nødvendigvis ikke bli mindre med lavere turtall.

En bildynamo med rotordiameter på 10 cm i forhold til en rotordiameter på 5 m i generatoren til en vindturbin skulle i prinsippet fungere like godt.

Det spesielle med vekselstrømsdynamoen, da den kom, var nettopp at den var effektiv ved lave turtall.

[Halvor Sølvberg- the MOV]

Per Østensen skrev (20 timer siden):

Det var veldig langt svar fra 1P4XZQB7 på et enkelt spørsmål. Jeg antar svaret er dette: En bildynamo må nødvendigvis kunne brukes på mange forskjellige hastigheter siden den følger turtallet på motoren. En vindturbin er derimot svære saker, og det vil være begrenset hvor fort den kan rotere før den blir ødelagt av sentrifugalkraften.

Synest det er alle tiders med lange komentarer som 1P4XZQB7 har en del av, når Det vil læres bort noe, med referanser og et godt språk.

[Inge Bakke]

Et tilleggspørsmål til diskusjonen om generatortyper: Er det noen som kan forklare hvorfor "switched reluctance generators" ikke er brukt til vindmøller? Siden denne generatortypen ikke bruker permanentmagneter og sies å ha høy effektivitet over ulike hastigheter og også er billigere, må det være en svakhet som slår ut negativt. Men hva?

[1P4XZQB7]

Inge Bakke skrev (16 timer siden):

Et tilleggspørsmål til diskusjonen om generatortyper: Er det noen som kan forklare hvorfor "switched reluctance generators" ikke er brukt til vindmøller? Siden denne generatortypen ikke bruker permanentmagneter og sies å ha høy effektivitet over ulike hastigheter og også er billigere, må det være en svakhet som slår ut negativt. Men hva?

 

Vel, slike «Flux switching alternators» finnes da. Riktignok bare i Interkontinentale Ballistiske Missiler [ICBM] og dets like, uten at jeg skal bruke akkurat det mot konstruksjonen… 

 

 

Denne generatortypen er plaget med det samme som råker rent variabel reluktans motorer — de er et h… å regulere. Og da ikke bare reguleringssløyfa, reluktansmotoren krever mye godt også en annen topologi kraftelektronikk. Eksempelvis er alle statorviklingene unipolart drevet, i motsetning til den klassiske stjernekoblede trefaseviklingen på både synkron- og asynkronmotoren. Skulle tro dette var en fordel, men som alltid, the devil is in the details. På ingen måte umulig, men det blir mye skrål for lite ull. 

 

Problemet med reluktans er at effekten er høyst ulineær med graden av opplinjering. Dette i motsetning til Lorentz kreftene mellom to eksisterende magnetfelt fra stator og rotor, respektive, i  ordinære elektriske maskiner. Konsekvensen av denne ulineariteten er at reluktansmotorer har en rykkete gange ( torque ripple.)  Man klarer bare ikke nulle ut hele ujevnheten i reguleringssløyfen. Men dess fortere motoren snurrer, dess mindre merkbar blir denne rykkingen. Reluktansgeneratorer er derfor egnet i kombinasjon med høyhastighets turbiner, eksempelvis ICBM eller kanskje også turbofan på passasjerfly? 

 

 

Nå skal det sies at man ikke trenger en rendyrket reluktans motor for å oppnå eller utnytte reluktanseffekten. Alle elektriske maskiner med jernkjerne vil på et eller annet vis oppvise magnetisk reluktans, også BLDC. Og da kanskje spesielt Internal Permanent Magnet Motor, slik som på f.eks. i3 og Model 3. Der er ganske enkelt mange måter å flå en katt på…

 

 

 

Det interessante er at man kan konstruere motoren slik at reluktanseffekten og Loretz krefter ikke har sammenfallende maksima. Dette gir muligheter til tuning, noe vinnerlaget av Formula Student Electric fra Karlsruhe Elektrotechnisches Institut har visst å utnytte. Eller i hvert fall deres professorer, Dr.-Ing. Patrick Winzer, Prof. Dr.-Ing. Michael Braun og Prof. Dr.-Ing. Martin Doppelbauer. Disse har flere papir sammen, men i denne sammenheng finner jeg et spesielt papir interessant, der Winzer og Doppelbauer forklarer hvordan man kan hale ut det beste av både PMSM og Reluktansmotoren, samtidig:

 

• Comparison of Synchronous Machine Designs with Displaced Reluctance Axis Considering Losses and Iron Saturation

Endret 2. mai 2020 av 1P4XZQB7

[J-Å]

Jeg festet meg ved denne uttalelsen i 1P4XZQB7 sin link til Danish Wind Industry Association. "Most wind turbines in the world use a so-called three phase asynchronous (cage wound) generator, also called an induction generator to generate alternating current.". Jeg antar at dette var skrevet for noen år siden, men dette alternativet bør også nevnes. Den kan  brukes både direkte mot nettet og via en "rectifier/inverter", En"OptiSlip" løsning er også nevnt, hvor man har elektronikk som sitter på selve rotoren og øker motstanden i denne for å øke slip, slik at responsen blir  "mykere" ved vindskift.

En slik induksjonsmotor/generator (IM) brukes også bl.a. som frontmotor i Tesla Model 3 (den bakre motoren er forøvrig en PMASynRM- Permanent Magnet Assisted Synchronous Reluctance Motor). I en bil med flere motorer/generatorer har en IM den store fordelen at den kan rotere fritt uten å bremse, når den ikke trengs. I en elbil med bare induksjonsmotorer (som eldre Tesla og Audi E-tron) er det noe utfordrende å regulere dem slik at de stopper bilen helt og holder den i ro uten bruk av bremsene, nettopp fordi de er asynkrone. Altså må feltet rotere motsatt av den veien bilen vil rulle.

Endret 2. mai 2020 av J-Å