Low-speed two-stage synchronous generator for wind power plants

A two-stage synchronous generator (TSSG) described in the paper is proposed as a directly driven converter for a wind power plant. The first stage of TSSG is a synchronous generator excited by surface-mounted high-energy permanent magnets. The second stage is built similarly as a rotor-wound induction machine. Both stages are coupled mechanically and electrically. Due to a double frequency transformation taking place in TSSG, the machine pole-pairs number could be reduced two or even more times, and as a result, the machine overall diameter would be reduced as well. Another advantage of such an arrangement, compared to a conventional synchronous generator of the same rating, is much smaller volume of the permanent magnet material used which decreases the machine capital cost. A simplified equivalent circuit has been used for the generator performance analysis. An expression for a maximum power generated by TSSG as a function of the main reactances and of the pole numbers of both machine stages as well as of the permanent magnets length was developed. The proportion in which both machine stages contribute to mechanical-to-electrical energy conversion was established. The results of evaluation of the maximum power are presented in graphic form.

---

Dwustopniowy generator synchroniczny, opisany w artykule, jest proponowany do zastosowania w elektrowniach wiatrowych pracujących bezpośrednio na sieć sztywną i nie wymagających przekładni mechanicznych. Pierwszy stopień generatora stanowi generator synchroniczny wzbudzany magnesami trwałymi. Drugi stopień jest zbudowany podobnie jak maszyna indukcyjna z uzwojonym wirnikiem. Wirniki obydwu stopni maszyny są ze sobą połączone zarówno mechanicznie jak i elektrycznie w taki sposób, że maszyna indukcyjna pracuje przy poślizgu s większe albo równe 2. Dzięki podwójnej przemianie częstotliwości jaka zachodzi w maszynie, jej liczba biegunów może być zredukowana dwa lub więcej razy, co pozwala na proporcjonalne zmniejszenie średnicy zewnętrznej generatora. Analizę pracy maszyny przeprowadzono na podstawie opracowanego, uproszczonego schematu zastępczego. W pracy przedstawiono uzyskane zależności na moc maksymalną generatora w funkcji głównych reaktancji i liczb par biegunów obydwu stopni oraz w funkcji długośći magnesów trwałych. Ustalono proporcje, w których poszczególne stopnie generatora uczestniczą w przemianie energii mechanicznej na elektryczną. Wyniki analizy zostały zaprezentowane w postaci wykresów.