Od kada su se generatori srednje brzine s trajnim magnetima (MS PMG) pojavili 2011. godine, privlače veliku pozornost na tržištu. Glavne prednosti konstrukcije za srednje brzine uključuju visoku pouzdanost za velike vjetroelektrane na moru, kompaktnu veličinu i manju masu, što omogućuje smanjenje mase gornje glave turbine i lakšu logistiku. Takvi se generatori mogu koristiti s pretvaračima kao cjelovitim konceptom koji osigurava potpuni nadzor i naprednu strategiju sukladnosti s distribucijskim elektroenergetskim mrežama.
Dostupni su MS generatori za snage od više MW, odnosno do 7 MW i više, a mogu se primijeniti na tri različita načina. U potpuno integriranoj konstrukciji, reduktor i generator dijele isti okvir, ležajeve i osovinu. Poluintegrirana konstrukcija ima generator i reduktor spojene preko prirubnice, dok je kod modularne konstrukcije generator zaseban sklop koji se ugrađuje neovisno o reduktoru.
Vjetroturbine snage od više MW usmjerene su na malu masu glave gondole i minimalne napore za kabliranje između generatora, pretvarača i transformatora. Zbog toga je srednji napon (najčešće 3,3 kV) često optimalan odabr napona za sustav jer koristi znatno manje struje nego niskonaponska rješenja pa time smanjuje gubitke u dijelovima za pretvaranje energije (električni pogon) i u dugačkim kabelima.

Specificirati - projektirati - ispitati

Kada je kupac, vodeći proizvođač vjetroturbina, od ABB-a naručio isporuku paketa MS PMG generator - pretvarač, prvi je korak bio odrediti osnovne projektne specifikacije za generator. Nazivna brzina bila je zadana na 400 okr. / min u suradnji s dobavljačem reduktora i kupcem. Nazivna snaga bila je zadana na 7,35 MW s učinkovitošću većom od 98%. Dodatna ograničenja na konstrukciju bila su vodeno hlađenje s ulaznom temperaturom vode od 50 °C te granične vrijednosti mase i dimenzije.
Nakon što se napravila osnovna specifikacija, započelo je projektiranje, uključujući velik broj simulacija, optimiranja, izračuna i analiza. Nakon što je utvrđeno da je optimalna 18-polna konstrukcija, određeni su najbolji oblik pola i konstrukcija polnog nastavka, uz velik napor u analizi, što uključuje stotine iteracija metodom konačnih elemenata. Pazilo se i na frekvenciju ukopčavanja kako bi se izbjegle pobudne frekvencije koji bi mogle izazvati rezonanciju ne samo u rotirajućim dijelovima, nego i u okviru i dijelovima hladnjaka. Taj rad je prethodio stvarnom ispitivanju prototipa jer je to bio jedini način učinkovite procjene kako će međusobno djelovati generator i pretvarač.
Odabran je ABB-ov pretvarač PCS 6000, srednjenaponski pretvarač temeljen na integriranim upravljivim tiristorima (IGCT). Njegova konstrukcija s velikom pouzdanošću i malim gubicima omogućuje rad s promjenjivom frekvencijom ukopčavanja uz osiguravanje dobrih harmoničkih karakteristika izlaznog napona. Konstrukcija s malim gubicima i manjim brojem dijelova znači i niže troškove za energiju tijekom cijelog vijeka korištenja turbine. Daljnja prednost je što modularna izvedba pretvarača omogućuje različite kombinacije za ugradnju, ovisno o tome stavljaju li se u toranj, gondolu ili zasebni spremnik izvan turbine. Pretvarač ima i brojne mogućnosti kako bi se osigurala sukladnost s distribucijskim mrežama.

Usporedno ispitivanje ('back-to-back')

Ispitivanje generatora je provedeno koristeći 'back-to-back' instalaciju u ABB-ovoj tvornici generatora u Helsinkiju u Finskoj. Dva su generatora bila mehanički međusobno spojena i oba su na mrežu bila spojena preko frekvencijskih pretvarača. Prvi pretvarač pogonio je svoj stroj kao motor, a drugi kao generator. Takav spoj je generiranu snagu slao natrag u mrežu preko vlastitog pretvarača. Zbog toga je iz mreže bilo potrebno pokriti samo gubitke cijelog sustava. Instalacija je omogućila da generator radi na nazivnoj djelatnoj snazi.
Ispitivanja su potvrdila da su dosegnute ili premašene gotovo sve projektne specifikacije. Rast temperature generatora bio je klase B, kako je izračunato, a konačne temperature dijelova pretvarača ostale su niže od relevantnih graničnih vrijednosti. Trofazno kratkospojno ispitivanje nakon porasta temperature pokazalo je da je ostvaren projektni cilj zaštite magneta generatora od demagnetizacije. Vibracija generatora i razine emitirane buke bili su ispod relevantnih kriterija prema IEC-u. Učinkovitost generatora u nazivnoj točki bila je 98,17%, a u drugim točkama opterećenja premašila je očekivanja.


Ilustracija 1 - Ispitivanjima je potvrđeno da su dosegnute ili čak premašene gotovo sve projektne specifikacije

Optimiranje uklopne frekvencije

Senzor za mjerenje ubrzanja vibracija postavljen je na sredinu statorskog jarma kako bi se izmjerila vibracijska reakcija jarma na uklopnu frekvenciju. Uklopna frekvencija i/ili njezini viši harmonici mogu pobuditi prirodnu frekvenciju statora što bi moglo dovesti do rezonancije.
Provedena su ispitivanja uklopnih frekvencija po cijelom rasponu brzina. Najbolji rezultati ostvareni su s nepromjenjivom uklopnom frekvencijom preko cijelog raspona brzina, asinkronog modusa, jednakog ili većeg od 720 Hz. Asinkroni modus je dao dobre rezultate jer se ni uklopna frekvencija ni njezini viši harmonici nisu poklapali s opasnim točkama rezonancije kod bilo koje brzine vrtnje.
Usporedna ispitivanja električnog pogonskog sklopa pokazala je da je paket generator - pretvarač zadovoljio specifikacije kupca i zahtjeve prema IEC-u. Kombinacija srednje brzine i srednjeg napona u tom rješenju sada pruža mnoge značajne koristi ne samo kupcu, proizvođaču turbine, nego i operateru vjetroelektrane i krajnjem kupcu. MS PMG-ovi daju nenadmašivu učinkovitost zajedno s kompaktnom veličinom i malom masom. Srednjonaponski sustavi omogućuju rješenja sa slabom strujom koji smanjuju gubitke u sustavu i kabelima, olakšavaju projektiranje generatora i dopuštaju korištenje izuzetno robusnih srednjonaponskih pretvarača uz visoku raspoloživost.