Parametry modeli bezrdzeniowych prądnic tarczowych

Podejmowane są próby konstruowania prądnic wolnobieżnych w wykonaniu zarówno cylindrycznym, jak i tarczowym. Istnieje wiele różnych wykonań prądnic tarczowych, lecz brak pełnego rozeznania wad i zalet poszczególnych wariantów. Opis działania prądnic stosowanych w elektrowniach wiatrowych przedstawiono np. w artykułach [1], [2], [3], [4], [5], a wyniki badań modeli prądnic w [6], [7].

Ważną grupę prądnic tarczowych stanowią wykonania bezrdzeniowe. Mają one stosunkowo prostą budowę, nie występują w nich straty w rdzeniu stojana. Nie ma też kłopotów z momentem zaczepowym. Problemem jest uzyskanie z takiej prądnicy dostatecznie dużej mocy. Wykonując i badając kolejne modele starano się zebrać doświadczenia pozwalające na powiększenie mocy prądnicy.

modele z cewkami kołowymi

Do najbardziej rozpowszechnionych konstrukcji należą prądnice tarczowe bezrdzeniowe z kołowymi cewkami, o polu osiowym (rys. 1.).

Parametry pierwszej wersji takiego modelu opisano w artykule [6]. Na każdej z 2 stalowych tarcz prądnicy (o średnicy 500 i grubości 10 mm) umieszczono po 16 magnesów walcowych. Pomiędzy tarczami zamocowano pierścień z 12 cewkami zawierającymi po 200 zwojów drutu o średnicy 1 mm. Znamionowa prędkość obrotowa, odpowiadająca częstotliwości indukowanego napięcia 50 Hz, wynosi 375 obr./min. Na biegu jałowym napięcie fazowe przy znamionowej prędkości osiągnęło 110 V. Maksymalny prąd obciążenia to około 2,5 A. Napięcie prądnicy przy maksymalnym dopuszczalnym obciążeniu wynosi 87 V (spadło o 20%), co daje maksymalną moc prądnicy rzędu 650 W.

Odmianę opisanego modelu (wersję drugą) uzyskano, wymieniając stojan prądnicy. Zastosowano taką samą liczbę cewek i podobny sposób ich nawinięcia. Średnicę drutu zwiększono z 1 mm do 2 mm. Jednak cewki zamiast 200 zwojów miały obecnie po 50 zwojów. Dzięki temu odległość pomiędzy magnesami na obu tarczach (szczelinę powietrzną) udało się zmniejszyć z 25 mm do 20 mm. Objętość miedzi uzwojeń była podobna jak w poprzednim wariancie. Zdjęcia prądnicy przedstawiono na fotografii 1.

Na początku wykonano próbę zwarcia, wymuszając prąd 20 A, w celu ustabilizowania parametrów prądnicy. Następnie badano bieg jałowy prądnicy, czyli mierzono napięcia w funkcji prędkości przy braku obciążenia. Napięcie fazowe przy prędkości znamionowej osiągnęło około 30 V (w poprzedniej wersji 110 V). Ponieważ cewki nowej prądnicy mają 4-krotnie mniej zwojów, z przekładni zwojowej wynika, że nowy model powinien dawać napięcie 110/4=27,5 V. A zatem pomniejszenie szczeliny powietrznej spowodowało wzrost napięcia z 27,5 do 30 V. Przy dużej odległości pomiędzy magnesami, ich przybliżanie dało stosunkowo niewielki efekt.

Następne pomiary dotyczyły próby obciążania. Utrzymując prędkość znamionową 375 obr./min, wszystkie fazy prądnicy obciążano symetrycznie rezystorami. Maksymalny prąd obciążenia prądnicy wynosi 10 A. Przy tym prądzie napięcie na zaciskach obniżyło się do 25,2 V. W związku z mniejszą liczbą zwojów cewek i wykorzystaniem grubszego drutu, impedancja uzwojeń zmalała i charakterystyka prądnicy jest stosunkowo sztywna. Moc odpowiadająca maksymalnemu obciążeniu wynosi około 750 W. Moc wersji II prądnicy jest zatem nieco większa niż wersji I. Wzrost mocy przy tej samej objętości miedzi uzwojeń uzyskano dzięki przybliżeniu tarcz oraz obniżeniu impedancji uzwojenia.

Kolejne badania (model trzeci) dotyczyły prądnicy z kołowymi cewkami, zakupionej w serwisie internetowym (fot. 2.). Wyniki badań przedstawiono w artykule [7]. Maksymalna moc prądnicy przy prędkości 250 obr./min wynosi rzędu 600 W. Jest to znacznie mniej niż deklarował producent.

modele z uzwojeniami typu SEMA

W czwartym modelu zamiast cewek kołowych wykonano uzwojenia typu SEMA. Schemat tych uzwojeń przedstawia rysunek 2., a ich zdjęcia – fotografia 3. Na zdjęciach pokazano kolejne etapy konstruowania uzwojeń stojana – najpierw umieszczono tylko cewki pierwszej fazy, potem drugiej i wreszcie całe uzwojenie trójfazowe. Połączenia czołowe cewek od strony wewnętrznej średnicy pierścienia stojana przed zalaniem żywicą przedstawiono na fotografii 4. Dzięki zastosowanemu wykonaniu cewek (wg [1], [2]), uzyskano lepsze wypełnienie miedzią szczeliny pomiędzy magnesami wirnika – co pozwoliło uzyskać odległość pomiędzy czołowymi płaszczyznami magnesów 15 mm. Każde z uzwojeń fazowych składa się z 30 cewek po 5 zwojów drutu o średnicy 1,8 mm. Jako wirnik wykorzystano te same tarcze co poprzednio, ale na każdej z tarcz umieszczono po 30 magnesów o kształcie trapezów. Wymiary magnesów: podstawy trapezu 35 i 21 mm, wysokość trapezu 70 mm, a grubość (w kierunku magnesowania) 10 mm. Prędkość znamionową prądnicy obniżono do 200 obr./min. Przy tej prędkości napięcie fazowe o częstotliwości 50 Hz ma na biegu jałowym wartość 44 V.

Charakterystykę zewnętrzną prądnicy przedstawiono na rysunku 3. Jako prąd znamionowy przyjęto wartość 8 A (gęstość prądu w uzwojeniu podobna jak w poprzednich wariantach). Przy tym obciążeniu napięcie spadło do 40 V, a uzyskana maksymalna moc prądnicy wynosi 960 W. Moc prądnicy znacznie wzrosła w stosunku do poprzednich wariantów, pomimo obniżenia prędkości znamionowej z 375 do 200 obr./min. Oczywiście, jeśli prądnica będzie współpracowała z prostownikiem, można ją wykorzystywać również przy niższych prędkościach – choć indukowane napięcie będzie miało częstotliwość mniejszą niż 50 Hz, a moc będzie mniejsza proporcjonalnie do prędkości. Z pomiarów mocy wynika, że znamionowa sprawność prądnicy jest rzędu 80%. Biorąc pod uwagę dość prymitywną konstrukcję mechaniczną modelu prądnicy, jest to wartość zadowalająca. Przy precyzyjniejszym wykonaniu prądnicy powinna ona znacząco wzrosnąć. Na rysunku 4. pokazano, jak odległość pomiędzy magnesami na obu tarczach wpływa na zmiany średniego napięcia z trzech faz prądnicy.