Elektrownie wiatrowe na magnesach neodymowych

pomiary i uruchomienie

Pomiary i uruchomienie prądnicy przed montażem na maszcie

Prądnica sklejona i nawinięta wygląda gotowo, ale nie wiadomo o niej nic poza tym, że się obraca. Cztery pomiary wykonane na stole odpowiadają na pytania, których na maszcie nie da się już zadać: czy uzwojenie jest całe, czy magnesy leżą tak, jak miały leżeć, ile napięcia poleci przy wiatrze roboczym i czy śmigło w ogóle ruszy tę maszynę z miejsca. Każdy z tych pomiarów wymaga miernika za sto złotych i kwadransa czasu. Naprawa wykręconej ze szczytu wieży prądnicy wymaga znacznie więcej.

Poniżej kolejność, w jakiej te pomiary mają sens. Wszystkie liczby przykładowe odnoszą się do prądnicy opisanej na stronie przeróbka silnika z pralki — stojan o 36 zębach, 12 cewek, 12 magnesów neodymowych 40x10x5 klasy N38, ułożonych naprzemiennie ze skosem 24°.

1. Miernik — co wystarczy, a co nie

Do wszystkich pomiarów z tej strony wystarczy zwykły multimetr cyfrowy. Trzy zakresy są konieczne, dwa bardzo się przydają.

Napięcie przemienne (V~) — zakres do 600 V. Prądnica na dwunastu biegunach potrafi przy szybkim ręcznym obrocie dać kilkadziesiąt woltów, a rozpędzona wiertarką znacznie więcej. Miernik przełączony na napięcie stałe pokaże przy przebiegu przemiennym wartość bliską zeru i będzie się wydawać, że uzwojenie jest przerwane. To najczęstsza pomyłka przy pierwszym pomiarze.

Rezystancja (Ω) — z rozdzielczością 0,1 Ω na najniższym zakresie. Uzwojenie prądnicy z pralki ma zwykle od kilku do kilkunastu omów na fazę i miernik pokazujący tylko całe omy nie pozwoli porównać faz między sobą, a to jest cały sens tego pomiaru. Mierniki z zakresem od 200 Ω nadają się dobrze.

Prąd przemienny (A~) — zakres 10 A, przez osobne gniazdo. Uwaga: mierniki cyfrowe do dwustu złotych mierzą prąd przemienny sposobem uśredniającym, wykalibrowanym dla przebiegu sinusoidalnego. Prądnica z magnesami trwałymi na dwunastu biegunach daje przebieg zbliżony do sinusoidy, ale nie idealny, więc wskazanie prądu obarczone jest kilkoma procentami błędu. Do oceny „czy wychodzi tyle, ile powinno" to wystarcza.

Czego nie zastąpi multimetr:

2. Pomiar napięcia jałowego przy ręcznym obrocie

Ten pomiar odpowiada na pytanie, czy uzwojenie w ogóle pracuje i czy wszystkie fazy pracują równo. Wykonuje się go bez żadnego obciążenia — do zacisków podłączony jest wyłącznie miernik.

Prądnica trójfazowa ma trzy wyprowadzenia. Mierzy się trzy napięcia międzyfazowe: U1–U2, U2–U3, U3–U1. Przy uzwojeniu w gwiazdę dostępny bywa czwarty przewód, punkt zerowy — wtedy można zmierzyć też trzy napięcia fazowe względem niego.

Procedura, którą da się wykonać samemu:

Wynik będzie niski — przy 60 obr/min prądnica z dwunastoma biegunami daje zwykle od jednego do kilku woltów. To nie jest wada, to punkt wyjścia do przeliczenia z punktu 3. Ważne jest nie to, ile wyszło, ale czy wyszło tyle samo na wszystkich trzech parach.

Kryterium: trzy napięcia międzyfazowe różniące się o więcej niż 5 procent oznaczają usterkę. Nierówny obrót ręką wprowadza własny rozrzut rzędu kilku procent, więc pomiar warto powtórzyć trzy razy i porównać średnie, a nie pojedyncze odczyty.

Jeśli jedna para daje napięcie wyraźnie niższe od dwóch pozostałych, a różnica utrzymuje się przy powtórzeniach — problem jest w tej jednej fazie i punkt 4 wskaże, gdzie dokładnie. Jeśli wszystkie trzy są zgodne, ale bardzo niskie, przyczyną jest zwykle albo pomyłka w ułożeniu biegunów, albo za duża szczelina powietrzna. Kolejność biegunów N–S opisana jest w doborze magnesów, punkt 5.

3. Przeliczenie: napięcie na obrót → napięcie przy obrotach roboczych

Napięcie prądnicy z magnesami trwałymi jest wprost proporcjonalne do obrotów. Podwojenie obrotów podwaja napięcie. To pozwala z pomiaru przy 60 obr/min wyliczyć, co maszyna zrobi przy obrotach roboczych.

Wielkością, którą się wylicza, jest stała napięciowa:

k = U / n

gdzie U to zmierzone napięcie w woltach, n to obroty w obr/min, a k wychodzi w woltach na obrót na minutę. Przykład: napięcie międzyfazowe 2,4 V przy 60 obr/min daje k = 2,4 / 60 = 0,04 V na obr/min.

Napięcie przy dowolnych obrotach to iloczyn w drugą stronę:

U = k × n

Dla k = 0,04 wychodzi:

obroty napięcie międzyfazowe po prostowniku 3-fazowym (ok.)
60 obr/min2,4 V3,2 V
150 obr/min6,0 V8,1 V
300 obr/min12,0 V16,2 V
450 obr/min18,0 V24,3 V
600 obr/min24,0 V32,4 V

Trzecia kolumna to wartość po wyprostowaniu mostkiem trójfazowym, bez obciążenia. Napięcie stałe na wyjściu prostownika jest przy przebiegu trójfazowym około 1,35 raza wyższe od napięcia międzyfazowego skutecznego, minus spadek na diodach — około 1,4 V na dwie diody przewodzące szeregowo przy mostku krzemowym. Przy niskich napięciach ten spadek jest zauważalny: przy 3,2 V zabiera prawie połowę.

To wyliczenie jest szacunkiem, nie pomiarem. Zaniedbuje reakcję twornika, spadek na rezystancji uzwojenia pod obciążeniem oraz to, że przebieg prądnicy nie jest idealną sinusoidą. Pod obciążeniem napięcie będzie niższe od wyliczonego — o ile, mówi punkt 7.

Do jakich obrotów przeliczać: wiatrak bez przekładni ma obroty prądnicy równe obrotom śmigła. Przy śmigle trójłopatowym o średnicy dwóch metrów obroty przy prędkości znamionowej wiatru rzędu 10–12 m/s mieszczą się zwykle w przedziale kilkuset obrotów na minutę — dokładna wartość zależy od wyróżnika szybkobieżności, który jest cechą konkretnego śmigła. Punkt startu i prędkość znamionową dla różnych konstrukcji opisuje strona o regulacji mocy.

Praktyczny wniosek z tabeli: prądnica o k = 0,04 przy ładowaniu akumulatora 24 V zacznie oddawać prąd dopiero powyżej 450 obr/min. Jeśli śmigło nie ma tyle w wietrze roboczym, trzeba dołożyć zwojów — albo przejść na akumulator 12 V.

4. Pomiar rezystancji faz i co znaczy asymetria

Rezystancja uzwojenia to jedyna wielkość, którą można zmierzyć na nieruchomej prądnicy i która mówi coś jednoznacznego o stanie nawoju. Pomiar wykonuje się przy odłączonym wszystkim — bez prostownika, bez akumulatora, bez obciążenia.

Mierzy się trzy rezystancje międzyfazowe, tak samo jak napięcia w punkcie 2: U1–U2, U2–U3, U3–U1. Przy uzwojeniu w gwiazdę każdy taki pomiar obejmuje dwie fazy szeregowo, więc wynik jest podwójną rezystancją jednej fazy.

Kryterium: różnica między największym i najmniejszym wynikiem powyżej 10 procent wskazuje na zwarcie międzyzwojowe albo na błąd w liczbie zwojów w jednej z faz.

Skąd te 10 procent: uzwojenie nawinięte ręcznie ma naturalny rozrzut kilku procent, wynikający z różnej długości połączeń i z tego, że drut nie układa się w każdej cewce identycznie. Zwarcie choćby paru zwojów wycina je z obwodu i obniża rezystancję fazy skokowo — to widać wyraźnie ponad rozrzut wykonania.

Interpretacja wyników:

Drugi pomiar rezystancją, który warto zrobić od razu: izolacja uzwojenia do korpusu. Jeden przewód miernika na wyprowadzenie fazy, drugi na blachę pakietu stojana. Multimetr powinien pokazać przerwę. Jakakolwiek wartość skończona oznacza, że uzwojenie dotyka blach — przy prądnicy pracującej na niskim napięciu nie jest to jeszcze zagrożenie dla człowieka, ale jest to droga do zwarcia i do korozji. Multimetr sprawdza to tylko powierzchownie: właściwym narzędziem jest miernik izolacji podający napięcie próbne, a nie omomierz.

5. Prąd zwarciowy — jak zmierzyć bezpiecznie

Prąd zwarciowy mówi, ile prądnica ma zapasu i czy uzwojenie jest równomierne pod obciążeniem — a nie tylko na biegu jałowym. Jest to jednak pomiar, przy którym najłatwiej coś zepsuć, więc wykonuje się go ostatni z pomiarów elektrycznych i przy niskich obrotach.

Zagrożenia, które trzeba znać przed pomiarem:

Procedura ograniczająca ryzyko:

Co z tego wynika: trzy prądy zwarciowe różniące się o więcej niż 10 procent potwierdzają asymetrię wykrytą w punkcie 4. Jeśli rezystancje były równe, a prądy nie — przyczyna leży po stronie magnetycznej: nierówna szczelina powietrzna, magnes odklejony lub odwrócony, albo pęknięty magnes tracący część strumienia.

Wartość bezwzględna prądu zwarciowego przy 60 obr/min jest niska i sama w sobie niewiele znaczy — służy do porównania faz między sobą, a nie do oceny mocy prądnicy. Pomiar przy obrotach roboczych ma sens tylko przez amperomierz cęgowy, bez rozcinania obwodu, i tylko pod właściwym obciążeniem — nigdy w zwarciu.

6. Moment zaczepowy: pomiar dynamometrem

Moment zaczepowy to opór, który prądnica z magnesami trwałymi stawia przy nieruchomym wale, bez żadnego podłączonego obciążenia. Bierze się z tego, że magnesy „wolą" pozycję naprzeciw zębów stojana niż naprzeciw żłobków. Wał obraca się szarpnięciami, a nie równo — to jest właśnie ten moment.

Dlaczego jest ważny: śmigło musi go pokonać zanim prądnica zacznie cokolwiek produkować. Prądnica z dużym momentem zaczepowym nie ruszy przy słabym wietrze, choć elektrycznie jest sprawna. To najczęstsza przyczyna wiatraków, które stoją nieruchomo mimo wiatru, przy którym sąsiednie się kręcą. Zakres pracy typowej elektrowni zaczyna się przy 4 m/s (generatory), a punkt startu konstrukcji małych bywa przy 3 m/s (regulacja mocy) — przy takim wietrze moment rozruchowy śmigła jest bardzo mały i moment zaczepowy potrafi go przekroczyć.

Pomiar wagą sprężynową (dynamometrem) albo zwykłą wagą kuchenną:

Przeliczenie na moment:

M = F × r

Waga sprężynowa lub kuchenna pokazuje kilogramy, nie niutony. Przeliczenie: 1 kg wskazania ≈ 9,81 N. Przykład: wskazanie 0,5 kg na ramieniu o długości 0,2 m daje M = 0,5 × 9,81 × 0,2 = 0,98 N·m.

Jak ocenić wynik: nie ma jednej wartości granicznej, bo moment rozruchowy śmigła zależy od jego średnicy, profilu i wyróżnika szybkobieżności — a te dane trzeba wziąć od konstrukcji śmigła, nie z prądnicy. Porównanie ma być między momentem zaczepowym prądnicy a momentem rozruchowym śmigła przy zakładanej prędkości startu. Jeśli moment zaczepowy jest tego samego rzędu lub większy — wiatrak nie ruszy.

Czym się zmniejsza moment zaczepowy: skosem magnesów. W przeróbce opisanej na stronie prądnicy z pralki magnesy ustawiono pod kątem 24° względem osi wirnika i kąt ten zależy od tego, ile zębów obejmuje pojedyncza cewka. Skos rozmywa przejście biegunów pod zębami w czasie, dzięki czemu szarpnięcia się wygładzają. Drugim sposobem jest odstęp między magnesami — w tej samej konstrukcji 18 mm przy magnesach 40 mm długości (dobór magnesów, punkt 2).

Trzeci sposób, o którym warto wiedzieć zanim się kleja: liczba magnesów równa liczbie zębów stojana daje najwyższy możliwy moment zaczepowy. Wszystkie bieguny wchodzą wtedy pod zęby jednocześnie i szarpnięcia się dodają zamiast rozkładać.

7. Próba pod obciążeniem: żarówka, rezystor, akumulator

Wszystkie poprzednie pomiary były na biegu jałowym albo w zwarciu. Dopiero obciążenie pokazuje, ile ta prądnica naprawdę potrafi — bo między jałowym i zwarciem leży cały zakres pracy użytecznej.

Trzy rodzaje obciążenia, w kolejności od najbezpieczniejszego:

Żarówka. Najprostsze obciążenie próbne i jedyne, które daje odczyt bez miernika — świeci albo nie. Żarówki samochodowe 12 V o mocy 5–21 W nadają się dobrze, bo obciążenie jest znane, a przepalenie nie jest kosztowne. Wada: żarówka jest obciążeniem nieliniowym. Rezystancja zimnego włókna jest około dziesięciokrotnie niższa od rozgrzanego, więc przy słabym napięciu żarówka obciąża prądnicę mocniej niż wynikałoby z jej mocy nominalnej. Do porównywania wyników między pomiarami to nie nadaje się.

Rezystor. Obciążenie powtarzalne, o znanej wartości, więc jedyne sensowne do pomiarów porównawczych. Musi być drutowy, na moc z zapasem. Moc, jaka się na nim wydzieli, to P = U² / R. Przykład: rezystor 10 Ω przy napięciu wyprostowanym 24 V rozproszy P = 576 / 10 = 57,6 W. Rezystor „10 Ω 5 W" spali się w tej roli w kilka sekund. Do próby wiatrakowej realistyczne są rezystory drutowe na 50–200 W, chłodzone powietrzem, albo zestaw kilku połączonych równolegle.

Akumulator. To jest właściwe obciążenie docelowe, bo tak prądnica będzie pracować w instalacji. Ma jednak dwie cechy, które odróżniają go od rezystora: jest źródłem napięcia, a nie oporu, i przyjmuje prąd tylko wtedy, gdy napięcie prądnicy przekroczy jego napięcie. Poniżej tego progu prądnica pracuje praktycznie na biegu jałowym, a powyżej — prąd narasta bardzo szybko.

Akumulatora nie podłącza się bezpośrednio do prądnicy przemiennej. Między nimi musi stać prostownik trójfazowy, a przy poważnej instalacji także regulator ładowania. Bez prostownika prąd przez pół okresu płynie w stronę akumulatora, a przez pół w drugą — to nie ładuje, tylko grzeje. Układy konwersji odpowiednie dla różnych zastosowań opisuje strona o generatorach.

Co zapisać z próby pod obciążeniem, przy każdych ustalonych obrotach:

Iloczyn napięcia i prądu daje moc oddawaną. Różnica między napięciem jałowym i napięciem pod obciążeniem, podzielona przez prąd, daje rezystancję wewnętrzną prądnicy w warunkach pracy — wartość zawsze wyższą od rezystancji uzwojenia zmierzonej omomierzem, bo zawiera reakcję twornika.

Kryterium temperaturowe: magnesy neodymowe klasy N38 tracą właściwości powyżej 80 °C — to wartość z katalogu i granica dla całej klasy. Uzwojenie może pracować w wyższych temperaturach, magnesy nie. Jeśli po kwadransie pracy pod obciążeniem korpus jest zbyt gorący, żeby utrzymać na nim rękę, obciążenie jest za duże albo chłodzenie za słabe. Zmniejszenie strumienia magnetycznego przy przegrzaniu jest trwałe i nie wraca po ostudzeniu.

8. Objaw, przyczyna, co sprawdzić

Tabela zbiera to, co wychodzi z pomiarów z punktów 2–7. Kolejność w kolumnie trzeciej jest kolejnością sprawdzania — od najtańszego do najbardziej kłopotliwego.

objaw prawdopodobna przyczyna co sprawdzić
miernik pokazuje zero na wszystkich fazach przy obrocie miernik na napięciu stałym zamiast przemiennym; albo brak połączenia wyprowadzeń przełącz na V~ i powtórz; potem zmierz rezystancję trzech par faz — przerwa na wszystkich oznacza niepodłączony punkt zerowy w gwieździe
jedna faza daje napięcie niższe o ponad 5 procent zwarcie międzyzwojowe w tej fazie zmierz rezystancję trzech par faz — różnica powyżej 10 procent potwierdza zwarcie; obejrzyj wciągnięcia drutu w żłobki na krawędziach blach, tam izolacja przeciera się najczęściej
jedna faza daje napięcie wyższe od dwóch pozostałych więcej zwojów w tej fazie albo błąd w łączeniu cewek zmierz rezystancję trzech par — wyższa rezystancja przy wyższym napięciu potwierdza nadmiar zwojów; przeliczyć zwoje na cewce, jeśli nawój był ręczny
napięcia na trzech fazach zgodne, ale bardzo niskie błąd w kolejności biegunów magnesów albo zbyt duża szczelina powietrzna sprawdź kolejność N–S na wirniku kompasem albo innym magnesem — ma być naprzemiennie; zmierz szczelinę między wirnikiem i stojanem w czterech miejscach
rezystancja jednej pary faz: przerwa (OL) przerwane uzwojenie albo niepołączone wyprowadzenie sprawdź lutowanie w punkcie zerowym gwiazdy — tam wypada najczęściej; potem połączenia między cewkami tej fazy
rezystancja fazy do korpusu stojana nie jest przerwą uzwojenie dotyka blach, izolacja przetarta lub przebita obejrzyj żłobki, szczególnie krawędzie wejściowe; sprawdź, czy wkładki izolacyjne w żłobkach są całe; miernikiem izolacji, nie omomierzem, jeśli jest dostępny
prądy zwarciowe trzech faz różnią się, przy równych rezystancjach problem magnetyczny: magnes odklejony, odwrócony lub pęknięty zmierz szczelinę na całym obwodzie; sprawdź kolejność biegunów; obejrzyj magnesy pod kątem pęknięć powłoki Ni-Cu-Ni i wykwitów rdzy — uszkodzony magnes traci część strumienia
wał obraca się szarpnięciami, trudno ruszyć z miejsca duży moment zaczepowy — brak skosu magnesów albo liczba magnesów równa liczbie zębów zmierz moment dynamometrem w dziesięciu pozycjach i weź maksimum; porównaj z momentem rozruchowym śmigła przy zakładanej prędkości startu; sprawdź, czy magnesy leżą pod skosem
wiatrak stoi mimo wiatru, przy którym powinien się kręcić moment zaczepowy przekracza moment rozruchowy śmigła; albo obciążenie podłączone przed rozruchem odłącz obciążenie i sprawdź, czy śmigło rusza; zmierz moment zaczepowy z punktu 6; jeśli moment jest duży, przekleić magnesy ze skosem lub zmienić liczbę biegunów
napięcie pod obciążeniem spada bardzo mocno wobec jałowego za duża rezystancja uzwojenia — drut za cienki na zakładany prąd policz rezystancję wewnętrzną: (U jałowe minus U obciążone) podzielone przez prąd; porównaj z rezystancją uzwojenia z omomierza — nadmiar to reakcja twornika, ale duża rezystancja samego drutu wymaga grubszego nawoju
uzwojenie grzeje się mocno przy niewielkim obciążeniu zwarcie międzyzwojowe albo za cienki drut zmierz rezystancje trzech par — asymetria wskazuje zwarcie; przy równych rezystancjach przyczyną jest przekrój drutu i trzeba zmniejszyć obciążenie
jedna faza grzeje się wyraźnie mocniej od dwóch pozostałych zwarcie międzyzwojowe w tej fazie — prądnica pracuje, ale będzie się psuć zmierz rezystancje; faza o najniższej rezystancji jest tą uszkodzoną; nie zostawiać do pracy, bo zwarcie rozprzestrzenia się dalej po nagrzaniu izolacji
prądnica po kilku miesiącach pracy oddaje mniej niż na początku przegrzanie magnesów powyżej 80 °C przy klasie N38 — strata trwała; albo korozja magnesów pod uszkodzoną powłoką zmierz napięcie jałowe przy znanych obrotach i porównaj ze stałą k z punktu 3; rozebrać wirnik i obejrzeć magnesy — wykwity rdzy i podniesiona powłoka oznaczają magnes do wymiany
napięcie na wyjściu prostownika znacznie niższe od wyliczonego spadek na diodach mostka; albo uszkodzona dioda przy niskich napięciach spadek 1,4 V na dwie diody zabiera dużą część wyniku — policz z tym; zmierz napięcie przemienne przed mostkiem i porównaj; nierówne napięcie stałe przy równych fazach oznacza uszkodzoną diodę

Wszystkie wymiary magnesów płytkowych używanych w przeróbkach wirników — z podaną klasą, indukcją i udźwigiem — są w katalogu magnesów neodymowych płytkowych, a zasady doboru liczby biegunów i podziałki opisuje strona dobór magnesów do przeróbki silnika.