Переходные и установившиеся режимы электрической части свободнопоточной МИКРОГЭС тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.01, кандидат технических наук Архипцев, Максим Геннадьевич

• Архипцев, Максим Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Архипцев, Максим Геннадьевич

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

1. Конструктивные особенности и методы расчета низкоскоростных генераторов

1.1. Область применения и особенности работы

микрогидроэлектростанций

1.2. Особенности работы турбин в составе микрогидроэлектростанций

1.3. Особенности электрической части для микроГЭС

1.3.1. Генераторы для микроГЭС

1.3.2. Системы управления режимами работы генератора автономных источников

1.4. Математические модели определения параметров синхронных генераторов с постоянными магнитами

1.5. Особенности расчета генераторов с постоянными магнитами

Выводы

2. Математическое моделирование переходных

процессов в генераторе

2.1. Общие сведения

2.2. Математическая модель НТСГ с постоянными магнитами

2.3. Трехфазное короткое замыкание в НТСГ с постоянными магнитами

2.4. Установившийся режим работы НТСГ с постоянными магнитами

2.5. Сброс и наброс нагрузки в НТСГ с постоянными магнитами

Выводы

3. Моделирование магнитного поля в воздушном зазоре торцевого

3.1. Целесообразность моделирования магнитного поля генератора

3.2. Особенности применения программного комплекса для моделирования магнитного поля

3.3. Расчетная модель торцевого синхронного генератора

3.4. Методика моделирования трехмерного магнитного поля в программе Ansoft Maxwell 15

3.5. Исследование формы магнитного поля торцевого синхронного генератора

3.6. Исследование потоков рассеяния торцевого синхронного генератора

Выводы

4. Экспериментальные исследования переходных и установившихся режимов работы генератора микроГЭС

4.1. Описание экспериментального стенда для испытаний генератора микроГЭС

4.2. Автоматическая система управления свободнопоточной микроГЭС

4.3. Стендовые испытания генератора микроГЭС

4.4. Результаты стендовых испытаний генератора

4.5. Результаты исследования переходных процессов на испытательном стенде

Выводы

Заключение

Список использованной литературы

Приложение 1

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Переходные и установившиеся режимы электрической части свободнопоточной МИКРОГЭС»

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы все большее внимание привлекают проблемы использования чистых нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) для нужд энергоснабжения различных сельскохозяйственных, промышленных и жилищно-коммунальных объектов. Актуальность и перспективность данного направления энергетики обусловлена двумя основными факторами: необходимостью снижения негативного экологического влияния на окружающую среду и необходимостью поиска новых видов энергии. Традиционные топливно-энергетические ресурсы (уголь, нефть, газ и т.д.) при существующих темпах развития научно-технического прогресса по оценкам ученых, иссякнут в ближайшие 100-150 лет. Именно по этим причинам, многие развитые страны тратят миллиарды долларов на реализацию программ по внедрению возобновляемых источников.

Однако на пути широкого использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии существует и немало серьёзных препятствий, прежде всего технико-экономического характера. Это крайнее непостоянство большинства таких источников энергии во времени и в пространстве, малая плотность потоков энергии, с чем непосредственно связаны высокая капиталоёмкость строительства и себестоимость энергии, значительная степень разного рода рисков.

Тем не менее, за последние годы в мире был достигнут значительный прогресс в повышении экономического использования нетрадиционных источников энергии. Так, в несколько раз снизились затраты на строительство ветровых и солнечных электростанций, что повысило их конкурентоспособность даже в сравнении с традиционными ТЭС, работающими на органическом топливе.

Из возобновляемых источников энергии, используемых для получения электричества, гидроэнергетика наиболее распространенная. По сравнению с другими традиционными видами электроэнергетики, гидроэнергетика явля-

ется наиболее экономичным и экологически безопасным способом получения электроэнергии.

Объекты малой гидроэнергетики условно делят на два типа: "мини" (обеспечивают единичную мощность до 5000 кВт) и "микро" (работают в диапазоне от 1 до 100 кВт). МиниГЭС - как правило плотинные ГЭС, для строительства которых требуется много подготовительных и земельных работ, влияющих на природный ландшафт. МикроГЭС условно делят на 3 вида: низконапорные; деривационные; свободнопоточные. Для строительства низконапорных плотинных малых ГЭС необходимо выполнение большого объема земляных работ по возведению плотины, что существенно повышает их стоимость и отрицательно влияет на окружающий ландшафт местности. Для деривационных микроГЭС требуются работы по изменению русла реки или созданию деривационного рукава (канала), что тоже влечет за собой объем земляных работ, хотя и меньшем, чем в предыдущем варианте. Для свобод-нопоточной микроГЭС требуется наличие рек с необходимым запасом гидроресурсов.

Использование ГЭС таких мощностей - для России вовсе не новое, а хорошо забытое старое: до 1960-х гг. в России работало несколько тысяч малых ГЭС, пока не началось строительство крупных ГЭС мощностью в сотни и тысячи МВт.

В настоящее время, для энергоснабжения территорий, удаленных от линий электропередач и мелких рассредоточенных потребителей в основном применяются дизельные и бензоэлектрические агрегаты. Наряду с важными преимуществами, такими как транспортабельность, автоматическое регулирование, простота пуска и остановки, эти агрегаты имеют ряд существенных недостатков: использование дефицитного и дорогого дизельного и бензинового топлива, загрязнение окружающей среды выхлопными газами, необходимость создания запасов топлива, высокая пожарная опасность, высокий уровень шума, необходимость постоянного обслуживания и сложность доставки топлива на большие расстояния.

Заменой или дополнением к дизельным и бензоэлектрическим станциям могут служить свободнопоточные микроГЭС, которые могут существенно улучшить энергоснабжение и повысить эффективность множества мелких потребителей. Они позволяют сохранить природный ландшафт, окружающую среду не только на этапе эксплуатации, но и в процессе строительства. При эксплуатации таких ГЭС отсутствует отрицательное влияние на качество воды: она не теряет первоначальных природных свойств и может использоваться для водоснабжения населения. И не оказывает негативного влияния на фауну реки. В отличие от других экологически безопасных альтернативных источников электроэнергии (таких, как солнце, ветер) малая гидроэнергетика меньше зависит от изменения условий окружающей среды.

Перечень потенциальных источников энергии для малой гидроэнергетики необычайно широк. Это небольшие реки, ручьи, естественные перепады высот на озёрных водосбросах и на оросительных каналах ирригационных систем. Турбины малых ГЭС можно использовать в качестве гасителей энергии на перепадах высот питьевых и других трубопроводов, предназначенных для перекачки различных видов жидких продуктов. Установка небольших гидроэнергоагрегатов возможна на технологических водотоках таких как промышленные и канализационные сбросы.

Наиболее конкурентоспособной областью применения микроГЭС являются зоны децентрализованного электроснабжения, которые, как правило, расположены в отдаленных труднодоступных районах. Потребителями энергии в этих районах являются различные сельскохозяйственные объекты, небольшие поселки, коттеджи. Установленная мощность электрических нагрузок составляет от единиц до нескольких десятков кВт, в составе нагрузок преобладают различные бытовые приборы. График нагрузки крайне изменчив, возможна несимметричная нагрузка по фазам источника питания.

Основой электрической части микроГЭС является генератор с системой управления. Основными требованиями, предъявляемыми к генератору,

являются: управляемость, возможность его эксплуатации на открытом воздухе с высокой степенью надежности в течение длительного времени.

Всё большее распространение в автономных электростанциях получают низкоскоростные синхронные генераторы с возбуждением от постоянных магнитов. Они позволяют обеспечить наилучшие массогабаритные и энергетические показатели, а также имеют малый осевой размер. Особенно это заметно при увеличении числа пар полюсов до 10 и более. Применение низкоскоростных торцевых электрических генераторов позволяет существенно упростить конструктивные схемы, за счет отказа от применения мультипликаторов снизить габариты и стоимость. В этой связи, в сторону снижения стоимости и повышения надежности, изменяются технико-экономические и стоимостные показатели электростанций. Асинхронные генераторы применяются реже из-за сложности возбуждения и регулирования выходных электрических параметров. Для низкоскоростного торцевого синхронного генератора важен выбор внутренней геометрии, такой как: ширина полюсного наконечника относительно ширины постоянного магнита; высота, толщина и количество зубцов якоря. Это необходимо для получения качественного выходного синусоидального напряжения. А от выбора такого генератора зависит выбор элементов системы управления, обеспечивающей полностью автоматизированный режим работы.

Системе управления в этом случае необходимо потребителю передавать качественное синусоидальное напряжение без каких-либо перебоев.

Для автономных источников энергии, в системе управления наиболее эффективным способом стабилизации параметров выходного напряжения генератора является применение автобалластных нагрузок для регулирования суммарной выходной мощности в зависимости от энергии речного потока. Использование такой системы управления не вносит искажений в форму выходного напряжения. Она надежна, сравнительно недорогая по сравнению с системой управления с преобразователем частоты и не требуют специализированного сервисного обслуживания.

Целью работы является исследование переходных и установившихся режимов электрической части свободнопоточной микроГЭС на основе математического и трехмерного моделирования процессов в её элементах для формирования рекомендаций по их оптимальному проектированию.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующий комплекс задач:

1. Проанализировать схемные и конструктивные особенности электрической части микроГЭС.

2. Разработать математическую модель переходных электромагнитных процессов торцевого синхронного генератора для оценки величины токов и длительности переходных процессов.

3. Разработать методику исследования электромагнитного поля в объеме НТСГ для определения условий получения синусоидальной формы его выходного напряжения.

4. Средствами трехмерного моделирования выполнить исследование магнитного поля в сегменте НТСГ и сформулировать рекомендации по выбору геометрических параметров его активной части с целью получения синусоидальной формы выходного напряжения.

5. На разработанном экспериментальном стенде провести испытания электрической части свободнопоточной микроГЭС.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является электрическая часть свободнопоточной микроГЭС на основе низкоскоростного торцевого синхронного генератора с магнитоэлектрическим возбуждением и системы управления автобалластной нагрузки.

Предметом исследования являются переходные и установившиеся процессы в НТСГ для свободнопоточной микроГЭС и магнитные поля в его рабочем зазоре.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы теории электромагнитного поля, метод конечных элементов в

трехмерном моделировании, пакеты прикладных программ Word, MathCad, SolidWorks, Ansoft Maxwell 15.

Достоверность полученных результатов. Достоверность предложенных моделей и обоснованность результатов исследования обеспечивается корректным применением теоретических методов и вычислительных экспериментов; подтверждается данными, полученными в стендовых испытаниях низкоскоростного торцевого синхронного генератора и системы управления режимами работы свободнопоточной микроГЭС.

Научная новизна и значимость заключается в исследовании комплекса задач для электрической части свободнопоточной микроГЭС от стадии проектирования, до стадии её испытаний, при решении которых:

1. Создана на основе теории обобщенной электрической машины математическая модель электромагнитных переходных процессов новой конструкции низкоскоростного торцевого синхронного генератора с магнитоэлектрическим возбуждением, позволяющая оценить величины и длительность переходных токов, необходимые для выбора элементной базы системы управления.

2. Разработана методика исследования трехмерного магнитного поля и проанализирована его форма в торцевом синхронном генераторе с постоянными магнитами.

3. Выработаны условия получения синусоидальной формы магнитной индукции в зазоре генератора, обеспечивающие требуемое качество выходного напряжения электрической части свободнопоточной микроГЭС в рабочих режимах.

Практическая ценность работы заключается в следующем: 1. Получены аналитические выражения, которые позволяют определить характер, величину токов и длительность переходных процессов для новой конструкции НТСГ с магнитоэлектрическим возбуждением, необходимые для выбора элементов системы управления.

2. Разработана простая h надежная методика трехмерного моделирования магнитного поля в активной части НТСГ в программе Ansofit Maxwell 15, которая позволяет оценить форму выходного напряжения электрической части свободнопоточной микроГЭС по распределению магнитной индукции в рабочем зазоре генератора.

3. Разработан и изготовлен стенд для проведения экспериментальных исследований электрической части свободнопоточной микроГЭС в лабораторных условиях.

Реализация результатов работы. Полученные в диссертационной работе результаты выполнены в рамках гранта Минобрнауки РФ (2009-2011г.) и проектов Красноярского краевого фонда поддержки научных и научно-технических разработок (2009, 2010, 2011, 2012 г.) и используются на НЛП "Радиосвязь" (г. Красноярск) при подготовке производства свободнопоточ-ных микроГЭС.

На защиту выносятся:

1. Обоснование выбора вариантов генератора и системы управления микроГЭС.

2. Математическая модель переходных процессов в новой конструкции НТСГ с постоянными магнитами на основе теории обобщенного электромеханического преобразователя энергии.

3. Методика и результаты моделирования трехмерного магнитного поля НТСГ в программе Ansofit Maxwell 15 с целью получения условий синусоидальности выходного напряжения.

4. Результаты стендовых испытаний электрической части микроГЭС мощностью 5 кВт.

Личный вклад в работу. Автор непосредственно участвовал в качестве исполнителя на всех этапах проведенных исследований, включая постановку задач, анализ литературы по переходным процессам в генераторах с магнитоэлектрическим возбуждением, исследование и анализ переходных процессов, трехмерное проектирование НТСГ в программе SolidWorks 2010,

рассмотрение и анализ магнитного поля в программе Ansoft Maxwell 15, проведение стендовых испытаний НТСГ мощностью 5 кВт, анализ выходных характеристик после испытаний, обобщение результатов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: XV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных г. Томск, 2009; XII Международной научной конференции "Интеллект и наука" г. Железногорск, 2012; VIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, посвященной 155-летию со дня рождения К.Э. Циолковского: Молодежь и наука г. Красноярск, 2012.

Публикации.

По теме диссертации опубликованы 16 научных работ, в том числе 1 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 9 работ опубликованы в материалах всероссийских и международных конференций, получен 1 патент РФ и 5 свидетельств государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка из 146 наименований. Основная часть работы изложена на 165 страницах машинописного текста, содержит 78 рисунков и 16 таблиц.

1. Конструктивные особенности и методы расчета низкоскоростных генераторов

1.1. Область применения и особенности работы микрогидроэлектростанций

В главе проведено патентное исследование конструкций микроГЭС, генераторов для них и систем управления для регулирования выходных параметров генератора.

Особенности эксплуатации и размещения автономных систем электроснабжения позволяют сформулировать основные требования, предъявляемые к микроГЭС: простота и надежность конструкции; полностью автоматизированный режим работы; высокое качество выходных электрических параметров в статических и динамических режимах; соответствие вырабатываемого электрического тока требованиям ГОСТов по частоте и напряжению; компенсация возможной несимметрии по фазам; экологическая безопасность принятых проектных, конструкторских и технологических решений.

Применительно к различным природным условиям можно выделить два типа микроГЭС: реализующие потенциальную энергию или кинетическую энергию водотока.

Примерами первого типа являются микроГЭС с традиционным оборудованием, русловые либо деривационные, а также разрабатываемые в последние годы так называемые рукавные ГЭС. Они используют только часть руслового стока и, как правило, осуществляют его регулирование.

Низконапорные микроГЭС плотинного типа широко используются во всех странах. При их строительстве требуется выполнение определенного объема земляных работ, затопления площадей и, как следствие, больших первоначальных капитальных вложений. Частота вращения вала турбины 500..3000 об/мин при напоре воды от 3 до 20 метров и более.

Деривационные микроГЭС, как правило, не требуют устройства пло-

тины, но для создания напора воды необходимо строительство канала или укладка трубопровода для подачи воды к гидроагрегату (турбина с генератором). Для деривационных энергоустановок применяют те же гидроагрегаты, что и для низконапорных.

Низконапорные и деривационные микроГЭС не могут производиться серийно, так как все работы по монтажу и созданию напора воды проектируются и выполняются индивидуально, что значительно увеличивает стоимость микроГЭС и сроки реализации проекта. Серийно выпускаются только гидроагрегаты для этих микроГЭС. Для крутосклонных рек небольшой глубины предпочтение следует отдать деривационным (рукавным) микроГЭС, которые требуют меньшего объема земляных работ (в сравнении с плотинными) и дают возможность поставить каскад микроГЭС при использовании одного рукава (канала).

Ко второму типу относятся микроГЭС, которые непосредственно устанавливаются в водоток, так называемые свободнопоточные микроГЭС. Обычно такие микроГЭС содержат в своей конструкции такие обязательные элементы как гидротурбина, электромашинный генератор, система стабилизации выходного напряжения и ряд элементов, наличие и конструкция которых зависит от типа и особенностей станции: определенные гидротехнические сооружения, запорная арматура, балластные нагрузки и т.д.

В качестве гидродвигателей, преобразующих энергию потока воды в механическую могут использоваться все виды турбин: радиально-осевые, ковшовые, капсульные, поворотно-лопастные.

Свободнопоточные микроГЭС не приводят к перегораживанию реки плотиной, практически не требуют земляных работ, поэтому экологичны, являются наиболее экономичными и мобильными, могут выпускаться серийно.

Исходя из этого, патентные исследования направлены на выявление конструкций микроГЭС различного вида турбин и генераторов для них, автоматических систем управления. Кроме того, проведен поиск различных методов расчета переходных процессов и возможностей виртуального модели-

рования распределения магнитного поля в объеме электрической машины.

Запатентованными примерами деривационных ГЭС могут служить следующие установки.

Деривационная микроГЭС (Патент США №Ш4629904 (А), Мкл. ИОЗВ13/08, опубл. 16.12.1986), имеющая осевую гидротурбину (рисунок 1.1), установленную на нижнем конце трубопровода сифонного типа, через который отводится вода из приемного бассейна (1). Генератор (3) находится в некотором удалении от турбины (2) и состоит из замкнутой гидросистемы с насосом, который приводится в движение турбиной, и гидравлическим двигателем, приводящим в движение генератор.

Недостатком данной конструкции, в первую очередь является ее сложность и дороговизна изготовления. Оригинальное исполнение турбины с перепускным клапаном и системой заслонок, гидравлическая схема с генератором — все это требует высокой точности изготовление и сборки, а значит сопряжено с большими затратами. Система трубопровода опять же является нетривиальной и для каждого случая ее нужно проектировать отдельно, что также увеличивает время и стоимость изготовления. Кроме того, не совсем ясно, где устанавливать такую ГЭС, ведь для этого нужно найти постоянно пополняемый заборный бассейн и куда-то убирать сливную воду.

Среди свободнопоточных погружных МГЭС можно выделить автономную водопогруженную свободнопоточную микрогидроэлектростанцию

(патент 1Ш2324068 С2 Мкл. РОЗ В17/06 и БОЗВ13/00 по заявке 2006122147/06, 22.06.2006, опубл. 10.05.2008) - Рисунок 1.2. Устройство содержит наземный блок, включающий электрораспределительное устройство, систему управления и управляемую балластную нагрузку. В конструкции присутствуют неподвижно закрепленный водопогруженный модуль (4), состоит из электрогенератора (3), соединенного с наземным блоком водостойким электрокабелем, размещенную в диффузоре гидротурбину (2) с горизонтальной осью вращения, и коническую решетку (1), расположенную на входе диффузора перед гидротурбиной.

Рисунок 1.2 - Свободнопоточная погружная МГЭС Недостаток такой гидроэлектростанции - сложность и нетехнологичность конструкции герметичного корпуса с устройством откачки воды и привода с механическим мультипликатором, снижающие надежность установки и приводящие к большой трудоемкости и стоимости ее изготовления.

Из зарубежных видов свободнопоточных микроГЭС наиболее интересным исполнением является образец экспериментальной установки немецкой компании Smart Hydro Power мощностью 5 кВт.

Микрогидроэлектростанция (рисунок 1.3) состоит из турбины, которая устанавливается в потоке. Минимально необходимая глубина потока для работы 1,8 м и ширина потока с данной минимальной глубиной 2 м. Скорость

течения должна лежать в рамках от 1,8 м\с до 3,5 м\с. При этом река не запруживается, речное русло и чувствительная экосистема водоема остаются нетронутыми. Станция имеет горизонтальноосевой генератор мощностью 5 кВт. Номинальной мощности турбина достигает при скорости потока 2,75 м\с. Диаметр ротора составляет 1м. Турбина устанавливается на плаву возле поверхности потока.

Рисунок 1.3 - Свободнопоточная микроГЭС мощностью 5 кВт компании Smart Hydro Power Концепция разработки микрогидроэлектростанции позволяет использовать вырабатываемый ток без дополнительных устройств. Встроенная система управления EMS (Energy-Management-System) максимизирует эффективность выработки электрического тока и разделяет полученную электроэнергию для первичных и вторичных потребителей. Встроенная аккумуляторная батарея улучшает выходные характеристики. Так же возможно избыток электроэнергии отдавать в централизованную сеть.

Расчетный срок службы, гарантированный производителем - 10 лет. Стоимость данной установки в Германии от 12 до 18 тыс. евро (около 500800 тыс.руб).

Основным недостатком такой установки является высокая ограниченность её применения из-за требований к скорости течения реки. В природе очень малое количество рек, у которых скорость течения превышает 2 м/с. Помимо этого, другим недостатком является высокая стоимость в условиях российского рынка.

Другим вариантом свободнопоточной микроГЭС является модель, разработанная компанией Hydro Electric Barrel. Установка представляет плавающее водяное колесо (рисунок 1.4), которое может генерировать электричество, находясь подвешенным над рекой или другим потоком воды, независимо от его глубины.

Рисунок 1.4 - Модель свободнопоточной микроГЭС компании

Hydro Electric Barrel Уникальный шеврон в форме ступеней весла дает возможность вращаться вокруг своей горизонтальной оси. Оригинальностью такой конструкции является значительное сокращение прижимных силы (Coanda эффект) и головной волны в передней части, чем увеличивается эффективность машины. Такая установка обеспечивает тихую работу по сравнению с обычным водяным колесом; легкость транспортировки и установки; экологичность; рентабельность производства; низкие капитальные затраты за киловатт; существенно не прерывается течение реки и не создает проблем для рыб.

Главными минусами данной установки является не приспособленность к зимнему использованию и сравнительно высокая стоимость. Данная установка не выполнена в виде опытного образца и существует только в трехмерной модели. Цена установки мощностью 2 кВт при серийном производстве составляет порядка 10000 Евро (около 410 тыс.руб).

Многих из указанных недостатков лишен патент 1Ш №2247859 "Погружная свободнопоточная микрогидроэлектростанция» (рисунок 1.5), содержащий гидротурбину с горизонтальной осью вращения, соединенную с погруженным в воду герметизированным электрогенератором.

Рисунок 1.5 - Погружная свободнопоточная микрогидроэлектростанция Отметим особенности свободнопоточной микроГЭС:

• Основными функциями свободнопоточной микроГЭС являются: генерация электрической энергии промышленной частоты напряжением 220/380 В с передачей ее непосредственно потребителю, с возможностями автоматической стабилизации частоты при изменении параметров водного потока, реализации отвода неиспользованной энергии (балластная нагрузка или параллельная работа с линией электропередач).

• Основной метод применения по назначению - установка микроГЭС в непосредственной близости к потребителям электроэнергии и использование полученной от нее электроэнергии в соответствии с потребностями владельца автономного источника энергии.

4

3

6

• Энергия свободного потока воды снимается с помощью секционированной ортогональной турбины, в которой лопасти секций равномерно распределены по окружности для обеспечения равномерности крутящего момента.

Основными компонентами свободнопоточной микроГЭС являются: ортогональная турбина, низкоскоростной генератор с возбуждением от постоянных магнитов и автоматическая система управления режимами работы микроГЭС.

При этом она оснащена состоящей из секций несущей рамой (3), на концах которой установлены щиты (4, 5), образующие на входе потока кон-фузор, а на выходе - диффузор, повышающие скорость водного потока. В качестве электрогенератора использован низкоскоростной генератор с возбуждением от постоянных магнитов (2), вал которого соединен непосредственно с валом гидротурбины (1), выполненной из отдельных секций, смонтированных в подшипниковых опорах (6, 7).

Каждый из движителей состоит из двух противоположно направленных лопастей (8), представляющих собой профиль NACA. Лопасти установлены на стойках, которые закреплены на валу гидротурбины.

Достоинствами рассмотренной микроГЭС являются простота конструкции, что снижает стоимость ее производства и повышает надежность, возможность укрепления на дне реки. Испытаниями опытных образцов этой микроГЭС доказана ее работоспособность.

Основными достоинствами свободнопоточной микрогидроэлектростанции являются:

1. Стоимость 1 кВт ч электроэнергии, производимой свободнопоточной микроГЭС, в 2 раза ниже по сравнению с низконапорной плотинной ГЭС, в 3 раза ниже по сравнению с деривационной ГЭС, в 3-10 раз ниже по сравнению с дизельной электростанцией.

2. В отличие от напорных микроГЭС, свободнопоточные используют кинетическую энергию потока, а не потенциальную. Это дает возможность исключить необходимость проведения земляных работ и возведения дополни-

тельных гидротехнических сооружений. Свободнопоточные микроГЭС могут быть объединены в группу, образуя каскадную микроГЭС.

3. Мобильность свободнопоточных микроГЭС обеспечивается конструктивно. Кроме того, установка изделия не требует дополнительных построений, таких как плотина или деривационное русло, поэтому микроГЭС может быть установлена в другом месте самим заказчиком без дополнительных затрат и строительных работ.

4. Для установки свободнопоточной микроГЭС не требуется высокая скорость течения водного потока (1,5-2 м/с). При этом, ширина реки должна вариьроваться от 7 до Юме глубиной не менее 2,5 м.

1.2. Особенности работы турбин в составе микрогидроэлектростанций

Для анализа турбин, которые разрабатываются для микроГЭС, выполнен следующий обзор:

Бесплотинная всесезонная гидроэлектростанция (БВГЭС) патент Российской Федерации №2227227 (рисунок 1.6), предназначена для получения электроэнергии, при использовании энергии самотечного потока воды на различной глубине в любое время года.

Рисунок 1.6 - Аксонометрическое изображение БВГЭС БВГЭС содержит крепежную клеть 1, усиленную по центру перегородкой 2. С помощью них в начале встречи потока выполняются рядом два при-

водных барабана 3, а в конце клети (1) по ее углам по барабану холостого хода 4. Барабаны полые и имеют по торцам зубчатые колеса 5, по которым ходит цепная замкнутая передача 6, на которой посредством осей 7 крепятся двустворчатые лопасти 8, петли 9 - правую и левую, разнесенные под углом от центральной перегородки (2). У барабанов (3, 4) фланец 10 и ось 11 выполняется с диаметром, обеспечивающим его прочность, а также возможность свободного и упорядоченного прохода створок лопастей (8).

К недостаткам данной конструкции можно отнести: низкую частоту вращения вала турбины, необходимую для обеспечения максимального КПД ВПГЭС; необходимость применение передаточного механизма с высокими передаточными числами приводит к удорожанию конструкции, и снижению надежности конструкции; применение тяжелого балласта для удержания БВГЭС на дне русла, существенно затрудняет монтаж и демонтаж БВГЭС с целью планового осмотра.

Бесплотинная гидроэлектростанция патент Российской Федерации №2221932 (рисунок 1.7). Бесплотинная ГЭС содержит фундамент 1, в частности с установленными на нем двумя ГЭС башенного типа 2, с вертикально расположенными валами 3, каждый из которых установлен в подпятник 4. Башни ГЭС разделены горизонтальными диафрагмами 5, между которыми размещены турбины 6.

Между диафрагмами 5 установлены пустотелые цилиндрические стойки 24, связь всей конструкции в единое целое и прочность конструкции башни за счет анкерных болтов 7. Сверху на диафрагмах 8 установлены редукторы 9, крепящиеся через муфты 30 с валом 3 и муфты 29 с электрогенератором 10. На каждой диафрагме 5 размещен направляющий аппарат с лопатками 16, 17, 18, 19, 20, а с противоположной стороны диафрагмы колесо турбины 6 закрыто от набегающего потока воды цилиндрическими сегментами 21, выполненными в виде "швеллера" с полками 22 и крепящими к диафрагме шпильками 23.

Рисунок 1.7 - Продольный разрез сдвоенной бесплотинной ГЭС.

Одним из существенных плюсов данной конструкции является возможность ее работы в период ледяного покрова, за счет соединения каждого барабана с валом турбины через обгонную муфту, что дает возможность работать барабанам находящимся под ледяным покровом. К недостаткам можно отнести: низкий КПД турбины, обусловленный использованием ковшовой турбины в свободном потоке; наличие направляющего аппарата, существенно увеличивающего сложность конструкции; высокую материалоемкость; отсутствие механизма защиты от наносов.

Наплавная гидроэлектростанция патент Российской Федерации №2269672, предназначена для преобразования энергии речного потока в электрическую энергию (рисунок 1.8). Устройство содержит плавучее основание 1, выполненное в виде катамарана, на котором размещены привод генераторов тока 2, генераторы тока, система стабилизации параметров тока, подводная активная турбина, способная работать в полностью погруженном состоянии, и ее подъемник 4 на специальном подвесе 3. Турбина 5 выполнена в виде ленточного транспортера, установленного на ребро под углом к потоку реки. По всей ширине и длине транспортерной ленты закреплены лопасти турбины 6, выполненные, например, из эластичного материала. Каждая лопасть выполнена в виде ковша, способного складываться и ложиться на

транспортерную ленту 7 при переходе с рабочей на холостую ветвь транспортера. Подъемник самой турбины имеет в своем составе коромысло, на которое подвешивается турбина, одним концом шарнирно закрепленное на плавучем основании станции, вторым - на раме турбины, с закрепленным на ней коническим редуктором привода генераторов тока. Кроме того, станция оборудована устройствами, позволяющими изменять угол установки турбины к потоку реки в процессе работы станции.

г --и

1 о дйГ"} / /_/ / I Чт-гтЧ I

И F=ll ЕЕЯ F=jfl bJ F=H Ш D

Рисунок 1.8 - Общий вид станции (вид со стороны турбины) К существенным плюсам данной конструкции можно отнести: возможность эксплуатации независимо от рельефа русла; легкость извлечения турбины микроГЭС из воды с целью ее технического осмотра. Использование турбины тягового типа приводит к необходимости точного позиционирования микроГЭС относительно потока, а низкая частота вращения вала турбины требует применение сложного передающего механизма, существенно увеличивающего стоимость микроГЭС.

Другим вариантом турбины для микроГЭС является использование ортогональной турбины. Под ортогональным колесом (турбиной) в дальнейшем понимается свободнопоточная либо низконапорная турбина типа ротора Дарье с прямолинейными лопастями.

В турбине используются лопасти, имеющие в поперечном сечении форму крыла с хорошим аэродинамическим качеством (рисунок 1.9). Часто употребляются, например, симметричные (и другие) профили NACA. Ось

турбины располагается вертикально или горизонтально, но всегда перпендикулярно (ортогонально) вектору набегающего водного потока.

Рисунок 1.9 - Лопасть турбины с экспериментальным профилем Опытный образец ортогональной турбины имеет классическую компоновку узлов (рисунок 1.10).

Рисунок 1.10 - Твердотельная модель ортогональной турбины

На двух подшипниковых опорах расположен вал турбины, имеющий консоли с обоих концов. На трех шейках вала-трубы посажены ступицы, к которым винтами крепятся спицы турбины, на противоположных концах закреплены на винтах и фиксируются штифтами лопасти турбины.

Турбина монтируется на стойках рамы микроГЭС и соединяется с генератором через муфту с упругим элементом. Для варьирования частоты вращения ротора, на траверсах в радиальном направлении расположен мас-

сив отверстий, предназначенных для крепления лопастей. Для компенсации погрешности сборки, а именно несоосности подшипниковых опор, применены сферические двухрядные подшипниковых опорах шариковые подшипники. КПД такой турбины на 20-40% выше, чем у предыдущих вариантов.

В соответствии с проведенным обзором микроГЭС и турбин, можно составить следующую блок-схему (рисунок 1.11):

Рисунок 1.11- Виды микроГЭС и их компоненты

На представленной блок-схеме можно увидеть, что для любой микроГЭС важен выбор турбины и электрической части: генератора, вырабатывающего напряжение, и системы управления, необходимой для регулирования режимов работы микроГЭС. С этой целью, ниже рассматриваются генераторы и системы управления, которые могут обеспечить работу микроГЭС.

1.3. Особенности электрической части для микроГЭС 1.3.1. Генераторы для микроГЭС

Генератор является важнейшим из элементов электрооборудования автономной электроустановки. Основными требованиями, предъявляемыми к генератору, являются: управляемость, возможность его эксплуатации в водном потоке с высокой степенью надежности в течение длительного времени.

Магнитопроводы статоров и роторов большинства выпускаемых в настоящее время электрических машин классической конструкции выполняются шихтованными, т.е. набираются из тонких листов электротехнической стали, пазы и зубцы которых получают путем штамповки на вырубных штампах с неизбежным высоким (40-50%) процентом отхода электротехнической стали при штамповке пластин магнитопровода статора.

Эти недостатки предопределяют повышенный интерес к разработкам нетрадиционных конструкций электрических машин меньшей металлоемкости, выполняемых по малоотходной или безотходной технологии.

Низкоскоростные торцевые синхронные генераторы (НТСГ) с возбуждением от постоянных магнитов позволяют обеспечить наилучшие массога-баритные и энергетические показатели, а также имеют малый осевой размер. В этом случае оказывается возможным снижение массы электрической машины в 2 и более раз, по сравнению с серийными электрическими машинами цилиндрического исполнения. Малый осевой габарит генератора с возбуждением от постоянных магнитов дает возможность обеспечить конструктивную совместимость их с рядом механизмов, компактность и удобство эксплуатации и сборки, при получении требуемых характеристик (напряжение 220/380 В, ток до 15 А) при низких частотах вращения (от 80 об/мин до 600 об/мин).

Применение НТСГ позволяет существенно упростить конструктивные схемы, за счет отказа от применения мультипликаторов снизить габариты и стоимость.

Анализ автономных источников питания потоком показал большое разнообразие конструкций для возобновляемых источников энергии.

На рисунке 1.12 показан " Герметичный бесконтактный синхронный генератор торцевого типа " (Патент РФ № 2101838). Электрическая машина такого типа найдет применение в автономных электроэнергетических установках малой мощности, в частности в погружных гидроэлектростанциях (ПГЭС).

Рисунок 1.12 - Герметичный бесконтактный синхронный генератор

торцевого типа

По периферии рабочего колеса гидротурбины расположен магнитопро-вод индуктора с полюсной системой. Полюсная система индуктора выполнена клювообразной формы в виде двух колец, размещенных на торцевой поверхности рабочего колеса гидротурбины. С торцевой стороны статора установлена неподвижная часть магнитопровода индуктора с обмоткой возбуждения.

Герметичный бесконтактный синхронный генератор совмещен с гидротурбиной (рисунок 9). Рабочее колесо гидротурбины состоит из обода 1, ло-

пастей 2 с радиальными трубчатыми каналами 3, гидравлически соединяющими пазуху 4 обода и пазуху 5 ступицы 6. Полая ось 7 имеет в области пазухи 5 радиальные отверстия 8. Промежутки между полюсными зубцами заполнены немагнитным материалом. Между зубцами полюсов выполнены отверстия, которые соединяют торцевую поверхность с пазухой 4 обода рабочего колеса. Неподвижная часть генератора состоит из магнитопровода статора 9 и витого тороидального сердечника с пазами для укладки трехфазной обмотки 10.

К недостаткам бесконтактного синхронного генератора можно отнести большой вес внешнего магнитопровода. Следует отметить, что применение герметичной конструкции бесконтактной машины эффективно в основном для машин малой мощности (до 0,5-0,6 кВт). Использование более мощных герметичных генераторов данной конструкции нецелесообразно из-за сложности крепления рабочего колеса гидротурбины и большого расхода активных материалов (обмоточной меди и электротехнической стали).

Синхронные торцевые генераторы с электромагнитным возбуждением из-за наличия контактных колец не могут серьезно рассматриваться как возможный элемент автономного источника питания, вследствие невысоких энергетических показателей при малогабаритном исполнении, низкой надежности, необходимости квалифицированного обслуживания и неэффективностью работы на низких частотах вращения.

Другим примером торцевого синхронного генератора является "Многополюсный тихоходный торцевой синхронный электрический генератор" (Яи № 2152118 С1). На валу ротора 1 (рисунок 1.13) многополюсного генератора закреплен диск 2 из немагнитного материала с радиально расположенными с обеих сторон ребрами жесткости 3, выполняющими функцию лопастей вентилятора. Система возбуждения из постоянных магнитов 4 размещена на диске 2, установленными одноименными полюсами навстречу друг другу через проставки 5 из магнитомягкой стали. Статор состоит из двух кольцевых магнитопроводов 6, расположенных соосно и параллельно друг

другу, между которыми помещен диск 2 ротора. На каждом магнитопроводе в радиально профрезерованных пазах уложены катушки 7, образующие обмотку статора.

Магнитная система коллекторного типа, используемая в предлагаемом генераторе, позволяет увеличить магнитный поток в воздушном зазоре в два раза по сравнению с радиальным расположением магнитов путем сложения потоков каждого из них.

К недостаткам многополюсного тихоходного торцевого синхронного электрического генератора можно отнести сложность регулирования выходного напряжения, сложную магнитную систему и большой расход активных материалов (обмоточной меди и электротехнической стали).

и

Рисунок 1.13 - Многополюсный тихоходный торцевой синхронный

электрический генератор Наиболее простыми по конструкции и подходящими для создания маломощного и герметичного источника питания являются магнитоэлектрические генераторы с постоянными магнитами торцевой конструкции (рисунок 1.14). Статорные обмотки 1 размещаются на зубцах магнитопровода. Бруски постоянных магнитов 4 находятся в стальном немагнитном стакане (бандаже) 5; пространство вокруг магнитов заполняется алюминиевым сплавом. Для замыкания магнитных потоков предусмотрены ярма 2 и 3. Механическая прочность ротора обеспечивается бандажом из высокопрочной немагнитной стали.

Достоинство торцевых магнитоэлектрических синхронных генераторов состоит в том, что они предполагают: использование постоянных магнитов простой геометрической формы с весьма высокой удельной магнитной энергией; возможность снижения массы и габаритов из-за применения мощных постоянных магнитов; возможность герметичного исполнения машины путем установки немагнитного экрана между статором и ротором.

Рисунок 1.14 - Торцевой генератор с постоянными магнитами: 1 - статорная обмотка; 2 - ярмо статора; 3 — ярмо ротора; 4 - постоянный магнит; 5 - стальной немагнитный стакан К недостаткам торцевых магнитоэлектрических генераторов можно отнести сложность регулирования выходного напряжения и недостаточно эффективное использование энергии постоянных магнитов.

Одним из запатентованных торцевых синхронных генераторов является "Двухпакетный торцевой генератор" (патент РФ № 2312445), который содержит пакеты 1 и 2 статора (рисунок 1.15), укрепленные на корпусах 3, 4, с расположенными в пазах обмотками 5, 6.

Ротор состоит из ступицы, двух торцевых немагнитных шайб, выполняющих одновременно функции демпфера, и магнитов, снабженных немагнитными пластинами закрепленных с помощью пружинных скоб 12 либо стяжной ленты. В немагнитной пластине каждого магнита установлен технологический винт, обеспечивающий выемку магнита. Магниты вставлены в гнезда ступицы между шайбами 8, 9 поочередно диаметрально. Между кор-

пусами 3, 4 расположен обод с окнами для установки магнитов. Регулировочные шайбы 15, 16 и шпильки-фиксаторы 17 подобраны по фактическим замерам при регулировке рабочих зазоров до установки магнитов. Окна обода закрыты кожухом.

Рисунок 1.15 — Двухпакетный торцевой генератор В предложенной технологии сборки генератора, благодаря использованию съемных средств фиксации, обеспечена возможность установки магнитов в собранную машину, что позволяет сборку и разборку генератора осуществлять без магнитов в роторе.

Приведенная двухпакетная конструкция генератора имеет существенные преимущества, однако конструкция ротора неоправданно сложна и нетехнологична для машин возобновляемых источников энергии, а сама конструкция генератора не обеспечит необходимой герметичности и защиты магнитопро-вода от попадания влаги.

Наиболее близкой по возможностям использования в свободнопоточ-ной микроГЭС является «Торцевая электрическая машина» по патенту 1Ш №2246168. Генератор (рисунок. 1.16) содержит статор, состоящий из двух половин 1, 2, смонтированных на диске 3, укрепленном в корпусе 4, два ро-

тора 5 и 6, установленные на втулке 7, напрессованной на вал 8. Вал 8 закреплен в подшипниках 9, установленных в подшипниковых щитах 10 и 11 соединенных с корпусом 4. Каждая из половин статора содержит ярмо 12, навитое из стальной ленты.

19 26 4 3 14 27 12 2

Рисунок 1.16 — Торцевой низкоскоростной синхронный генератор Распределенная обмотка статора выполнена в виде обмоточных модулей 13, которые крепятся к ярму 12 активными пакетами, состоящими из изолированных стальных пластин (элементарные зубцы) и слоев обмоточного провода. Статор в сборе залит компаундом 14. Каждый из роторов 5, 6 содержит ярмо ротора в виде массивного диска из ферромагнитного материала. На каждом из них размещены постоянные магниты трапецеидальной формы, фиксируемые полюсными наконечниками такой же формы. Полюсные наконечники имеют уменьшенное к краям полюсов сечение для улучшения формы магнитного поля в зазоре машины. Роторы 5, 6 с помощью втулки 7 укреплены на валу 8 машины. Вал 8 закреплен в подшипниках 9, установленных в подшипниковых щитах 10 и 11.

Обмоточные модули 15 каждой половины статора соединены в схему последовательно пофазно, образуя распределенную трехфазную обмотку. В зависимости от мощности генератора фазы каждой половины статора могут соединяться последовательно, что увеличивает величину выходного напря-

жения и уменьшает индуктивное сопротивление рассеяния статорной обмотки, или параллельно, что увеличивает величину тока, снимаемого с генератора, и упрощает обмоточные работы, за счет уменьшения сечения провода. Паз в генераторе такой конструкции может выполняться либо однослойным, либо двухслойным. Это применяется для упрощения сборки, уменьшения его габаритов и индуктивности рассеяния.

Применение сдвоенной конструкции (две половины статора и два ротора) существенно уменьшает диаметр машины, что повышает её надежность, упрощает работу подшипникового узла за счет компенсации усилий роторов. Постоянные магниты выбраны таким образом, чтобы при номинальной нагрузке генератора обеспечить выходное напряжение равное номинальному значению. Частота выходного напряжения определяется частотой вращения ротора и количеством пар полюсов, которое практически не ограничено, что позволяет применить прямой привод между первичным двигателем и генератором при практически любых частотах вращения приводного двигателя.

Особенностями данной конструкции низкоскоростного генератора являются: торцевая конструкция, позволяющая при сравнительно малых габаритах получить требуемую мощность; существенную измельченность поперечной геометрии зубцовой зоны статора, исключающую штамповку магни-топровода статора; магнитоэлектрическое возбуждение с применением высокоэнергетических постоянных магнитов, уменьшающее габариты индуктора и исключающее скользящие контакты; применение поперечного намагничивания, снижающее габариты и массу магнитов; сдвоенную конструкцию генератора; герметичность генератора, позволяющая ему работать в воде.

Эффективность промышленного производства торцевых двигателей и генераторов обусловлены следующими факторами: отсутствие в технологической цепочке специализированного оборудования; использование при их производстве дешевых электротехнических материалов (сталь 3, обмоточный провод ПЭВ-2, ПЭТВ, литьевой алюминий); использование неспециализиро-

ванного, стандартного станочного оборудования; переход на новый типоразмер двигателя или генератора требует замены только технологической оснастки оборудования.

Недостатком этой конструкции является значительный радиальный габарит машины при высокой полюсности (низкой частоте вращения) за счет увеличения внутреннего активного диаметра. При этом свободное пространство занимается специальной вставкой ротора для его размещения на валу машины, что приводит к излишнему расходу металла и непроизводительному повышению массы машины.

В торцевой электрической машине (Патент 1Ш №2406213) повышены эффективность использования активного (внутреннего) объема и удельная мощность торцевой электрической машины [108].

Машина (рисунок 1.17) содержит четыре пакета статора, два из которых большего, а два других меньшего диаметра. Два статорных пакета 1 большего диаметра смонтированы на основании 2, неподвижно закрепленном на внутренней поверхности корпуса 3 машины. Два других пакета 4 статора меньшего диаметра размещены на внутренней поверхности подшипниковых щитов 5 со смещением в осевом направлении относительно статорных пакетов 1 большего диаметра. Каждый из пакетов 1, 4 статора включает ярмо, навитое из ленточной стали, и обмоточные модули, образующие зубцо-вую зону машины со статорной одно- или многофазной обмоткой. На валу 6 с помощью втулки 7 закреплено основание 8, на котором установлены четыре пакета ротора, два из которых большего, а два других меньшего диаметра. Пакеты ротора установлены на основании 8 таким образом, что пара роторных пакетов 9 большего диаметра охватывает пару статорных пакетов 1 большего диаметра, а пара статорных пакетов 4 меньшего диаметра охватывает пару роторных пакетов 10 меньшего диаметра. При этом каждый из пакетов 9, 10 ротора выполнен с полюсами в виде постоянных магнитов, закрытых полюсными наконечниками. Полюсы пары роторных пакетов 10 меньшего диаметра обращены к рабочим поверхностям пары статорных пакетов 4

меньшего диаметра, а полюсы пары роторных пакетов 9 большего диаметра обращены к рабочим поверхностям пары статорных пакетов 1 большего диаметра. Вал 6 установлен в подшипниках, наружные обоймы которых закреплены в подшипниковых щитах 5 корпуса 3 машины.

9 12 3 1 9

Рисунок 1.17- Торцевая электрическая машина

Мощности, отдаваемые статорными обмотками, различны (например, в пакетах 1 статора мощность - 20 кВт, а в пакетах 4 статора - 5 кВт). Машину меньшей мощности можно использовать в качестве стартер-генератора.

1.3.2. Системы управления режимами работы генератора автономных источников

Параметры потока малых рек, где, в первую очередь, предполагается использовать автономные энергетические установки, достаточно нестабильны, изменяются сезонно и существенно зависят от количества осадков в бассейне реки. Соизмеримость мощностей нагрузки и гидравлического привода генератора, а также нестационарный характер энергии малых водотоков определяют задачи стабилизации в нужных пределах частоты и напряжения переменного тока автономной энергоустановки.

К основным показателям качества источников электропитания в соответствии с ГОСТ 4.171-85 относятся параметры выходного напряжения, ха-

растеризуемые номинальной величиной и частотой. Поэтому, важнейшим элементом автономной энергоустановки является система стабилизации, обеспечивающая статически устойчивый режим работы гидроагрегата и стабилизацию его выходного напряжения.

Задачами системы управления микроГЭС, обеспечивающей требуемые режимы её работы являются:

• обеспечение качественного питания основных потребителей электроэнергии и отключение неосновных потребителей при снижении нагрузочной способности генератора;

• полное отключение потребителей и перевод генератора на холостой режим работы при недопустимом снижении выходной частоты;

• включение и регулирование балластной нагрузки генератора в случае роста выходной частоты выше нормы;

• выполнению функции защиты генератора от продолжительной перегрузки по току и коротких замыканий в цепи нагрузки;

• высокой степени надежности, обеспечивающей безотказную работу в течение продолжительного срока эксплуатации при изменении условий окоужающей среды

х «' 1 Г м

Электромеханические системы преобразования энергии потоков воды в электроэнергию необходимого качества можно условно разделить на пять основных классов:

1. Системы со стабилизацией частоты вращения гидротурбины путем воздействия на элементы гидротехнического оборудования;

2. Системы, в которых между гидродвигателем и генератором устанавливаются приводы постоянной скорости;

3. Системы, осуществляющие стабилизацию частоты выходного напряжения с помощью специальных конструкций электрических машин - генераторов стабильной частоты при переменной частоте вращения;

4. Системы с использованием статических преобразователей частоты;

5. Системы, построенные на принципе регулирования тормозного момента генератора с помощью введения дополнительной регулируемой нагрузки.

Первый и второй классы энергоустановок предполагают использование различных электро- и гидромеханических регуляторов, остальные выполнены на основе вентильных электрических машин. Системы, регулирующие мощность гидротурбины или использующие приводы постоянной скорости, управляют приводным двигателем генератора, осуществляя регулирование механической энергии электромеханического преобразователя.

Системы генерирования и стабилизации параметров электроэнергии подразделяются на системы со стабилизацией частоты выходного напряжения при переменной частоте вращения гидротурбины и на системы, стабилизирующие частоту вращения гидроагрегата.

Способы стабилизации параметров микроГЭС, заключаются в регулировании величины её электрической нагрузки [86, 87]. Изменять величину нагрузки автономного источника электропитания возможно включением на выход генератора регулируемой балластной нагрузки. Если под "балластной" нагрузкой понимать некоторую полезную нагрузку, то данный способ стабилизации подразумевает автоматическое перераспределение электрической мощности между некоторыми потребителями, часть из которых допускает снижение величины питающего напряжения или его отключение. Схема энергоустановки с автобалластным регулированием выходных параметров показана на рисунке 1.19.

автобалластного типа

где ГТ - гидротурбина; Г - генератор; Н - полезная нагрузка; БН - балластная нагрузка; РБН - регулятор балластной нагрузки.

Электронная система регулирования может иметь высокое быстродействие, что положительно сказывается на качестве выходного напряжения источника электропитания.

Автобалластный способ стабилизации хорошо сочетается с регулированием выходных параметров асинхронного генератора с емкостным самовозбуждением. Это позволяет применять в автономных микроГЭС как синхронные, так и асинхронные машины.

Использование в системе управления дополнительного синхронного генератора, расположенного на одном валу с гидроагрегатом используется тогда, когда необходимо создать тормозной момент на валу дополнительной электрической машины (рисунок 1.20). В этом случае основной генератор работает на полезную нагрузку, а дополнительный - на балластную, равную по мощности полезной нагрузке.

гт

построенная на базе двух генераторов где ГТ - гидротурбина; Г - генератор; Н - полезная нагрузка; БН - балластная нагрузка; РБН - регулятор балластной нагрузки; СГ - синхронный генератор; ОВ - обмотка возбуждения СГ.

Достоинствами таких схем является простота, небольшая мощность цепей управления, высокое быстродействие.

К недостаткам следует отнести использование двух электрических машин соизмеримой мощности, что значительно ухудшает массогабаритные показатели источника электропитания. Для стабилизации напряжения на полезной нагрузке необходим дополнительный регулятор напряжения основного генератора.

Гораздо эффективнее управлять электрической мощностью генератора микроГЭС, регулируя его нагрузку.

Одним из простейших способов регулирования электрической нагрузки станции является отключение части нагрузок при уменьшении энергии, подводимой к гидродвигателю. Более совершенный тип регулятора предусматривает наличие ряда дозированных нагрузок, которые могут подключаться или отключаться в определенных сочетаниях с помощью тиристорного коммутатора.

Структурная схема микроГЭС с тиристорным коммутатором дискретных балластных нагрузок [86] представлена на рисунке 1.21.

Рисунок 1.21 - Структурная схема микроГЭС с дискретным управлением

При изменении величины полезной нагрузки Н система управления СУ выдает управляющий сигнал на определенные тиристорные ключи К1-Кп, которые коммутируют одну или несколько ступеней балластной нагрузки БН1-БНп. В результате происходит изменение величины тормозного момента генератора, компенсирующее отклонение момента турбины, и частота вращения стабилизируется. Кроме того, регулируется ток якорной обмотки генератора, что положительно сказывается на стабильности его напряжения.

Недостатком таких схем является необходимость использования большого числа управляемых вентилей, что усложняет и удорожает систему регулирования. Для достижения приемлемой точности стабилизации напряжения число дозированных ступеней балластной нагрузки выбирается не меньше, чем п=15

Для возобновляемых источников энергии кроме систем управления с балластными сопротивлениями используют системы управления с преобразователями частоты (патент 2216097).

Устройство для стабилизации частоты и напряжения автономного асинхронного генератора содержит (рисунок 1.22) асинхронный генератор 1, соединенный с конденсаторами возбуждения 2, последовательно соединенные преобразователь частоты 3, выходной фильтр 4, блок трансформаторов

тока 5, блок трансформаторов напряжения 6, выходные зажимы 7, блок косинусной синхронизации 8 соединен с выходом асинхронного генератора 1 и с блоками формирования управляющих сигналов 9, 10, 11, с которыми соединен также задающий генератор частоты 12 и регулятор частоты 13; каждый блок формирования управляющих сигналов 9, 10, 11 содержит первый, второй и третий формирователи импульсов 14, 15, 16, два логических элемента И 17 и 18, два распределителя импульсов 19 и 20, два усилителя импульсов 21 и 22, генератор пилообразного напряжения 23, делитель напряжения 24, датчик тока 25, генератор типа кривой 26.

Принцип стабилизации напряжения асинхронного генератора в этом устройстве заключается в регулировании реактивной мощности, потребляемой генератором, за счет изменения угла сдвига фаз на входе преобразователя частоты. Изменение угла сдвига фаз происходит путем непрерывного смещения участков кривых выходных напряжений положительного и отрицательного типов, формирующихся преобразователем частоты, относительно полярности тока нагрузки. При этом угол сдвига фаз на входе преобразователя может изменяться от -90° до +90°.

Рисунок 1.22 - Структурная схема устройства для стабилизации частоты и напряжения автономного асинхронного генератора

Недостатком такой схемы с преобразователями частоты является то, что регулирование напряжения сопровождается значительным ухудшением качества выходного напряжения генератора за счёт появления в его спектре гармонических составляющих высшего порядка. Чтобы отфильтровать эти составляющие, требуются громоздкие устройства, которые не всегда являются эффективными. Использование конденсаторов в схеме может привести к некачественной работе в условиях окружающей среды.

На выбор элементов системы управления влияют длительность переходных процессов, значение ударного тока и синусоидальность формы магнитного поля в рабочем зазоре генератора. Выполнение этих условий необходимо для создания эффективной и экономичной системы управления, обеспечивающей потребителя качественным синусоидальным напряжением без каких-либо перебоев и заданной величины.

По итогам проведенного обзора микроГЭС, турбин, генераторов и систем управления для микроГЭС, можно сделать следующие выводы:

• Для работы большинства микроГЭС необходима высокая скорость течения водного потока (2-4 м/с). Для установки низконапорных или деривационных микооГЭС нужно пооволить большое количество земляных па-

X X 1

бот, приводящих к изменению природного ландшафта и удорожанию стоимости установки. Таким образом, наиболее перспективной микроГЭС, является свободнопоточная, разработанная в Политехническом институте СФУ. Она может работать при низких скоростях водного потока (1,5-1,8 м/с) и неполном погружении, не требует земляных работ, имеет низкую стоимость и быструю окупаемость.

• Для работы свободнопоточной микроГЭС, целесообразней использовать ортогональную турбину с профилем NACA. У такой турбины высокий коэффициент использования (0,45-0,5) и быстроходности (2-2,5).

• Для выработки напряжения, предпочтительнее использование низкоскоростного торцевого синхронного генератора с магнитоэлектрическим возбуждением, разработанного в Политехническом институте СФУ. До-

стоинством такого генератора является низкая частота вращения, полученная без использования мультипликатора (прямой привод). Высокие энергетические показатели и малые масса и габариты. • Для регулирования режимов работы генератора свободнопоточной мик-роГЭС (мощностью до 20 кВт) наилучшим вариантом является система управления с автобалластным регулирование. Такая система достаточно дешевая, надежная и не вносит искажений в форму выходного напряжения.

1.4. Математические модели электромагнитных процессов синхронных генераторов с постоянными магнитами

Математической моделью называют представление изделия в целом и/или отдельных его элементов в виде математических зависимостей, описывающих геометрию его поверхностей и другие физические параметры.

Математические модели строят, как правило либо на основе полевой

модели через уравнения Максвелла, либо на основе дифференциальных

Заключение диссертации по теме «Энергетические системы и комплексы», Архипцев, Максим Геннадьевич

Выводы

1. Стенд, разработанный в научно-исследовательской лаборатории ПИ СФУ "Возобновляемые источники энергии", позволяет имитировать работу мик-роГЭС.

2. На испытательном стенде проведена экспериментальная проверка переходных режимов: наброс и сброс нагрузки, трехфазное короткое замыкание.

3. Установлено, что:

- разработанный НТСГ в этих режимах не перегревается;

- осциллограммы переходных токов, полученные при испытаниях совпадают с графиками переходных процессов в математической модели, в том числе со значениями ударного тока короткого замыкания (7 = Ю7н);

- осциллограммы формы выходного напряжения совпадают с формой индукции, полученной в результате моделирования в 3 главе;

- электромагнитные постоянные времени переходных процессов в НТСГ полученные экспериментально совпадают с теоретическими (погрешность составляет менее 5% от значений, представленных в таблице 2.4). Время переходного процесса не превышает 0,05 секунд, т.е. не превышает двух с половиной периодов генерируемого напряжения, и является удовлетворительным значением для генераторов такой мощности;

- качество напряжения в условиях лабораторных испытаний соответствует требованиям (ГОСТ Р 54149-2010 п. 4.2.1, 4.2.4.1)

Заключение

В диссертационной работе поставлены и решены задачи теоретических и экспериментальных исследований, способствующие совершенствованию и созданию электрической части для автономных источников питания.

1. На основе теории обобщенной электрической машины, с применением теории электромагнитного поля и магнитных схем замещения разработана математическая модель переходных процессов НТСГ, которая позволяет оценить величину и длительность переходных токов, существенно влияющих на работоспособность и надежность конструкции самого генератора и выбор элементов системы управления.

2. На основании решения дифференциальных уравнений получены выражения для переходных токов и их составляющих, а также токов в установившемся режиме, являющихся основой для выбора элементов системы управления режимами работы генератора.

3. Разработанная методика трехмерного моделирования магнитного поля НТСГ с постоянными магнитами в Ansoft Maxwell 15, который может использоваться в качестве современного инженерного инструментария автоматизации проектирования, конструкторской подготовки их промышленного производства и с достаточной степенью точности с учетом особенностей конструкции отображать реальные процессы, происходящие в машине. По результатам проведенного моделирования установлено, что добиться формы выходного напряжения генератора близкой к синусоидальной, можно соответствующим уменьшением ширины магнита, относительно ширины полюсного наконечника. С целью снижения полей рассеяния постоянных магнитов ротора при проектировании, определена рекомендуемая величина коэффициента относительной ширины магнита кш и коэффициента относительной ширины полюсного наконечника к для низкоскоростных генераторов различной мощности.

4. Проведенные экспериментальные исследования генератора на испытательном стенде, позволяющем имитировать работу микроГЭС, показали адекватность его математической модели и подтвердили работоспособность генератора в переходном и установившемся режимах. Полученные при этом осциллограммы переходных токов, совпадают с результатами математического моделирования. Осциллограммы формы выходного напряжения совпадают с результатами моделирования формы магнитного поля, проведенными в Ansoft Maxwell 15. Качество напряжения в условиях лабораторных испытаний соответствует требованиям (ГОСТ Р 54149-2010 п. 4.2.1, 4.2.4.1).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Архипцев, Максим Геннадьевич, 2013 год

Список используемой литературы

1. Альтман А.Б., Герберг А.Н., Гладышев П.А. и др. Под ред. Пятина Ю.М. Постоянные магниты: Справочник. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1980.-488 е., ил.

2. Архипцев М.Г. Низкоскоростной генератор для свободнопоточной МИКРОГЭС. / М.Г. Архипцев, Е.С. Встовская. // Труды VIII Региональной научно-практической студенческой конференции: электротехника, электромеханика и электротехнологии. Секция 8: Электрические машины. - ТПУ 2008.

3. Архипцев М.Г. Выбор геометрии низкоскоростного торцевого генератора. / М.Г. Архипцев, Е.С. Встовская. // Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных: Молодежь и наука: начало XXI века. Часть 2. - СФУ 2008.

4. Архипцев М.Г. Управление режимами работы свободнопоточной МИКРОГЭС. / М.Г. Архипцев, Е.С. Встовская. // Сборник трудов XV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных: Современная техника и технологии. Том 1. - ТПУ 2009.

5. Архипцев М.Г. Конструктивные особенности низкоскоростного торцевого синхронного генератора. / М.Г. Архипцев, Е.С. Встовская. // Сборник трудов XV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных: Современная техника и технологии. Том 1.-ТПУ 2009.

6. Архипцев М.Г. Низкоскоростной генератор для свободнопоточной МИКРОГЭС. / М.Г. Архипцев. // Труды X Всероссийского студенческого научно-технического семинара: Энергетика: экология, надёжность, безопасность. Том 1 - Электроэнергетическое направление. - ТПУ 2008.

7. Архипцев М.Г. Низкоскоростной торцевой синхронный генератор

МИКРОГЭС и его система управления. / М.Г. Архипцев, Е.С. Встовская. //

165

Труды XI Всероссийского студенческого научно-технического семинара: Энергетика: экология, надёжность, безопасность. Том 1 - Электроэнергетическое направление. - ТПУ 2009.

8. Архипцев М.Г. Особенности конструкции низкоскоростного генератора МИКРОГЭС и его системы управления. / М.Г. Архипцев, Е.С. Встовская. // Сборник материалов V Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных: Молодежь и наука: начало XXI века. Часть 4. - СФУ 2009.

9. Архипцев М.Г. Особенности конструкции и определения параметров многополюсного торцевого синхронного генератора. / М.Г. Архипцев, Е.С. Встовская, A.JI. Встовский // Материалы I Всероссийской научно-практической (заочной) конференции: Актуальный вопросы развития современной науки, техники и технологий. - М. - 2009.

10. Архипцев М.Г. Решение проблемы дефицита энергии за счет внедрения свободнопоточных микрогэс. / М.Г. Архипцев, A.JI. Встовский, М.П. Головин, Е.В. Бочарова // Вестник ассоциации выпускников КГТУ, выпуск 19. -Красноярск 2010.

11. Аохиппев М.Г. Определение индуктивных сопротивлений низкоско-

л. Л ' ' ' V I

ростного торцевого синхронного генератора. / М.Г. Архипцев, A.J1. Встовский, К.С. Федий // Сборник материалов международной заочной научно-практической конференции: Наука и техника в современном мире. - Новосибирск 2012.

12. Архипцев М.Г. Переходные процессы в торцевом синхронном генераторе с магнитоэлектрическим возбуждением. / М.Г. Архипцев, К.С. Федий // Труды XII Международной научной конференции "Интеллект и наука". -Железногорск 2012.

13. Архипцев М.Г. Расчет параметров низкоскоростного торцевого синхронного генератора. / М.Г. Архипцев, К.С. Федий, A.JI. Встовский // Сборник материалов VIII Всероссийской научно-технической конференции сту-

166

дентов, аспирантов и молодых учёных, посвященной 155-летию со дня рождения К.Э. Циолковского: Молодежь и наука. - СФУ 2012.

14. Архипцев М.Г. Математическое моделирование переходных процессов в торцевом синхронном генераторе с магнитоэлектрическим возбуждением. / М.Г. Архипцев, А.Л. Встовский, В.И. Пантелеев, К.С. Федий // Известия Томского политехнического университета. Том 321, выпуск № 4. - ТПУ 2012.

15. Архипцев М.Г. Программно-вычислительный комплекс «Исследование диаграммы магнитов ротора торцевого синхронного генератора». / М.Г. Архипцев, А.Л. Встовский, К.С. Федий // Свидетельство Роспатента о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011615947 от 29.07.2011.

16. Архипцев М.Г. Программно-вычислительный комплекс «Программный модуль исследования распределения магнитного поля статора в рабочем зазоре в пределах полюсной дуги». / М.Г. Архипцев, А.Л. Встовский, К.С. Федий, Е.А. Спирин // Свидетельство Роспатента о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012614061 от 04.05.2012.

17. Архипцев М.Г. Программно-вычислительный комплекс «Программный модуль исследования переходных процессов в торцевом синхронном генераторе». / М.Г. Архипцев, А.Л. Встовский, К.С. Федий // Свидетельство Роспатента о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012614062 от 04.05.2012.

18. Архипцев М.Г. Программно-вычислительный комплекс «Программа исследования распределения магнитного поля в межполюсном пространстве статора торцевого генератора». / М.Г. Архипцев, А.Л. Встовский, К.С. Федий, Е.А. Спирин // Свидетельство Роспатента о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012615286 от 13.06.2012.

19. Архипцев М.Г. Программно-вычислительный комплекс «Программный

модуль исследования магнитной проводимости полюса магнита торцевого

синхронного генератора по продольной оси». / М.Г. Архипцев, А.Л. Встов-

167

ский, К.С. Федий, Е.А. Спирин // Свидетельство Роспатента о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012616219 от 06.07.2012.

20. Атабеков Г.И. Основы теории цепей// Учебник СПб. 2009. - с. 432.

21. Афанасьев А.Ю., Ложеницын B.C., Столов Л.И. Об эквивалентности цилиндрических и торцевых электрических машин // Межвузовский сборник "Электрооборудование летательных аппаратов". - Казань: КАИ, 1982. - с.З.

22. Афонин A.A., Гребенщиков В.В., Фурсенко С.Л. Электромагнитные и геометрические соотношения в дисковых магнитоэлектрических двигателях // Регулируемые асинхронные двигатели. Киев: Ин-т электродинамики HAH Украины, 1998. с. 247-259.

23. Баклин B.C., Хорьков К.А., Специальный курс электрических машин (математические методы исследования электромагнитного поля в электрических машинах). - Томск: Изд-во ТПИ, 1980. - 95 с

24. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 280 с.

25. Басов К.A. ANSYS в примерах и задачах. - М.: Компьютер-пресс, 2002. -223 е., ил.

26. Бастрон А. В. Гидроветроэнергетические установки. // Электронное учебное пособие. Красноярск 2002.

27. Белый П.Н. Принципы построения дисковых магнитоэлектрических двигателей малой мощности // Известия вузов. Электромеханика, 1997. - №6. -с. 18

28. Белый П.Н. Конструктивное развитие дисковых высокомоментных технологических электродвигателей с высококоэрцитивными постоянными магнитами // Электротехника,2001. - №7. - С.20.

29. Бертинов А.И. Авиационные электрические генераторы. М.: Оборонно, 1959.

30. Бозорт Р. Ферромагнетизм. М.: Иностранная литература, 1956.

31. Бородулин Ю.Б., Мостейкис B.C. Попов Г.В. Шишкин В.П.: Под ред. Бородулина Ю.Б. Автоматизированное проектирование электрических машин: Учебное пособие.- М.: Высшая, шк., 1989 - 276 с.

32. Бут Д.А. Голубев C.B. Электрические машины без стального магнито-провода //Электричество. - 2002.-№5. - С. 41-52.

33. Бут Д.А. Анализ и расчет синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов (часть 1) // Электричество, 1996. - №6. - С.25.

34. Бут Д.А. Анализ и расчет синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов (часть 2) // Электричество, 1996. - №7. - С.36.

35. Бут Д.А. Анализ и расчет синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов // Электричество, 1996. - №6. - С.25.

36. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины: Учебн. Пособие для вузов. -М.: Высшая школа, 1990. -416с.

37. Бут Д.А. Основы электромеханики машины.-М.: Издательство МАИ, 1996.

38. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. - Л.: Энергия, 1980. - 256 е., ил.

39. Веников В.А. Применение теории подобия и физического моделирования в электротехнике. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1949.-168с.,ил.

40. Веников В.А. Электромеханические переходные процессы в электрических системах. - М. -Л.: Госэнергоиздат, 1958.-488 е., ил.

41. Веников В.А. Веников Г.В. Теория подобия и моделирования: Учебное пособие для вузов. - 3-е изд., переработ, и доп. - М.: Высшая школа, 1984.439 е., ил.

42. Встовский А.Л. Анализ магнитного поля синхронного генератора с магнитоэлектрическим возбуждением. / А.Л. Встовский, К.С. Федий // ТУ-СУР. - Томск 2009.

43. Встовский А.Л. Анализ магнитного поля торцевого синхронного генератора с магнитоэлектрическим возбуждением. / А.Л. Встовский, В.И. Пан-

169

телеев К.С. Федий // Сборник материалов IV международной научно-технической конференции: Электромеханические преобразователи энергии. -Томск 2009.

44. Галтеев Ф.Ф., Жуков В.Ф., Иванов С.И., Стромов В.М., Таланов Л.Л., Тыричев П.А. Многоканальная автономная система электроснабжения с магнитоэлектрическим синхронным генератором. - Тр./ Моск. энерг. ин-т., 1982, вып. 562, с 31-35.

45. Головин, М.П. Автоматизация проектирования свободнопоточной мик-роГЭС/ М.П. Головин, A.JI. Встовский и др. // Вестн. Краснояр. гос. техн. унт. Вып. 40, Машиностроение. - Красноярск, 2005. - С. 89 - 101.

46. Головин М.П., Разработка конструкции и технологии производства микроГЭС, изготовление опытной партии. Отчет по проекту, регистрационный № 0120.0503869/ М.П. Головин, А.Л. Встовский, К.С. Федий и др.// Красноярск, 2005, 268 с.

47. Гомзяков В. Б., Семенов В.Д. Сравнительная оценка альтернативно -пульсационных и индукторных генераторов // Электротехника. - 1990. - № 10.-С. 58-65.

48. Гоиев A.A. Пеоехолные ппопессы синхпонной машины. - М.: Госэнер-

1 А А ' 1 Г

гоиздат, 1950.-553 с.

49. ГОСТ 54149-2010 Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Введ. впервые; дата введ. 01.01.2013. М.: Стандартинформ, 2012. 20 с.

50. Грибениченко В.Т. Исследование торцевых электрических машин переменного тока. Кандидатская диссертация. М., 1965 г.

51. Гурский Д.А. Вычисления в MathCad. - Минск: Новое знание, 2003. -814 е., ил.

52. Данилевич Я.Б., Домбровский В.В., Казовский Е.Я. Параметры электрических машин переменного тока. - М.: Наука, 1965. - 329 с.

53. Демирчян К.С., Чечурин B.JI. Машинные расчеты электромагнитных полей. М.: Высшая школа, 1986.

54. Демешко Ю.Ф. Михеев В.И. Осипович Л.Д. Сравнительный анализ торцевых электрических машин по массогабаритным показателям //Электрические машины с составными активными объемами: Сб. научных трудов// НЭТИ; Новосибирск, 1989 - С. 15-20.

55. Дикин Ю.И., Лапшин В.К., Мача Д.Я. Пугачев В.А. Расчет магнитного поля в активной зоне аксиальной индукторной машины с постоянными магнитами в пазах индуктора // Бесконтактные электрические машины / Электромагнитные поля в электрических машинах. - Рига: Вып.19. С. 184-198.

56. Зенкевич О., Морган К. Конечные методы и аппроксимация //М.: Мир, 1980.

57. Зечихин Б.С., Куприянов А.Д., Вишнев Ю.Ю., Петрейчук A.B. Автоматизированное проектирование автономных электромеханических преобразователей. Тезисы докладов ежегодной Московской студенческой научно-технической конференции «Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве».М.: МЭИ (ТУ). 1997.

58. Зечихин Б.С.. Стагювойтова Н.П.. Алексеев ИИ, Клейман М. Г. Особенности электромагнитного расчета генераторов с редкоземельными постоянными магнитами. - Электричество, 1985, №11, 27-30с.

59. Иванов-Смоленский A.B. Электрические машины. - М.: Энергия, 1980.-929 с.

60. Иванов-Смоленский A.B. Кузнецов В.А. Универсальный численный метод моделирования электромеханических преобразователей и систем. // Электричество. - 2000. - №7. - С. 24-33.

61. Иванов-Смоленский A.B. Электромагнитные поля и процессы в электрических машинах и их физическое моделирование. - М.: Энергия, 1969. -304 с.

62. Игнатов В.А., Вильданов К.Я. Торцевые асинхронные электродвигатели интегрального изготовления. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

63. Инкин А.И. Электромагнитные поля и параметры электрических машин: Учебн. пособие. - Новосибирск: ЮКЭА, 2002. - 464 с.

64. Иосифьян А.Г., Паластин JI.M. Торцевые электрические машины. Электротехника - 1966г. №1.

65. Ихваненко А.Г., Юрачковский Ю.П. Моделирование сложных систем по экспериментальным данным. - М.: Радио и связь, 1987. - 120 с.

66. Казанский В.М. Бухгольц Ю.Г. Родыгин В.Н. Аналитический расчет рабочих характеристик торцевого синхронного генератора с активным распределенным слоем статора и ротора. Сборник научных трудов, выпуск 4, Новосибирск 1973г.

67. Казанский В.М. Беспазовый статор электрической машины. Авт. свид. №278886 кл. 21 51, опубл. 21.08.1970, Бюлл. № 26.

68. Каплун А.Б. Морозов Е.М. Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. Изд. 2-е, испр. М.: Едиториал УРСС, 2004-272с.

69. Казаков Ю. Б. Параметрический поиск рациональной конструкции электрической машины с постоянными магнитами на деформируемой конечно элементной модели // Электричество. - 2002.-№4. - С. 47-51.

70. Каранкевич А.Г., Леонов C.B. Электромашинный генератор для питания геофизической аппаратуры // Современные техника и технологии: Труды 9-ой международной научно-практической конференции. Часть 2. Томск, 2003.-с. 269.

71. Каранкевич А.Г., Леонов C.B. Торцевое исполнение скважинного электромашинного источника питания инклинометрической системы // НТЖ Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - М.: ОАО "ВНИИОЭНГ", 2003. - № 4.

72. Каранкевич А.Г., Леонов C.B., Калаев В.Е. Исследование магнитного

поля электрических машин с аксиальным магнитным потоком // Электро-

172

энергетика, Электротехнические системы и комплексы: Материалы международной научно-технической конференции. - Томск, 2003. - с. 120.

73. Каранкевич А.Г., Муравлев О.П., Леонов C.B. Моделирование трехмерного магнитного поля торцевого электромашинного генератора // Электротехника, Электромеханика и электротехнологии: Материалы научно-технической конференции с международным участием. Новосибирск, 2003. -с. 16.

74. Каранкевич А.Г., Муравлев О.П., Леонов C.B., Лялин A.B., Федянин А.Л., Калаев В.Е. Моделирование трехмерного магнитного поля торцевого электромашинного генератора // Современные тенденции в развитии и конструировании коллекторных и других электромеханических преобразователей энергии: Материалы восьмой всероссийской научно-технической конференции. Омск, 2003. - с. 83.

75. Климова Т.Н. Литвак В.В. Энергопотребление в регионах с отрицательными среднегодовыми температурами (на примере Томской области) // Электроэнергетика, электротехнические системы и коплексы: Материалы международной научно-технической конференции, 3-5 сентября 2003 г. Томск: ТПУ 2003. - с. 29076. Кононенко Е.В. и др. Электрические машины (спец. курс). Учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1975. - 279 с.

77. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. - М.: Высшая школа, 1994. - 248 с.

78. Копылов И.П. Электрические машины: Учебное пособие для вузов. - 3-е изд., испр. -М.: Высшая школа, 2002. - 488с., ил.

79. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии. - М.: Энергия, 1973. - 400 е., ил.

80. Копылов И.П. Проектирование электрических машин: Учебное пособие для вузов - М.: Энергия 1980.- 496 е., ил.

81. Костенко М.П., Пиотровский JIM. Электрические машины. Ч. 2 - Машины переменного тока. Учебник для студентов высш. техн. учеб. заведений.-Л.: Энергия, 1973. - 648 с.

82. Красковский Д.Г. ANSYS в примерах и задачах. - М.: КомпьютерПресс, 2002.-224 с.: ил.

83. Кузнецов, A.B. Высшая математика: Математическое программирование: Учебник / А. В. Кузнецов; ред. А. В. Кузнецов, 2-е изд., перераб. и доп., - М.: Высшая школа, 2001. - 351 е.: ил.

84. Курбасов A.C. Целесообразность и возможность использования электрических машин дисковой конструкции //Электричество. - 1985,- №2. - С. 28-33.

85. Ледовский А.Н., Ледовская Н.Е. Особенности проектирования торцевых синхронных машин с высококоэрцитивными постоянными магнитами // Известия вузов. Электромеханика, 1984. - №4. - С.8

86. Ледовский А.Н. Электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

87. Лукутин О.Б., Обухов С.Г., Шандарова Е.Б. Автономное электроснабжение от микрогидроэлектростанций /У Монография Томск 2001. - с. 104.

88. Лукутин О.Б., Муравлев О.П., Шандарова Е.Б. Закон регулирования управляемого балласта ВЭУ // Электроэнергетика, электротехнические системы и коплексы: Материалы международной научно-технической конференции, 3-5 сентября 2003 г. Томск: ТПУ 2003. - с. 293.

89. Лукутин О.Б., Муравлев О.П., Шандарова Е.Б. Электромеханический преобразователь энергии ветра с вентильным регулированием // Электротехника, электромеханика и электротехнологии: Материалы научно-технической конференции с международным участием / под ред. Тюкова. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. - с. 71.

90. Лукутин Б.В., Обухов С.Г. Возобновляемые источники энергии для

электроснабжения отдаленных потребителей Томской области // Электро-

174

энергетика, электротехнические системы и коплексы: Материалы международной научно-технической конференции, 3-5 сентября 2003 г. Томск: ТПУ 2003. - с. 272.

91. Лукутин О.Б., Суржикова O.A., Шандарова Е.Б. Возобновляемая энергетика в децентрализованном электроснабжении // Монография Томск 2008. -с. 231.

92. Ледовский А.Н., Ледовская Н.Е. Особенности проектирования торцевых синхронных машин с высококоэрцитивными постоянными магнитами // Известия вузов. Электромеханика, 1984. - №4. - С.8.

93. Лютер P.A. Расчет синхронных машин. - Л.: Энергия, 1979.-272с.

94. Лютер P.A. Теория переходных режимов синхронной машины ( с применением операторного анализа). - Л.: Ленингр. Энергомашиностроительный ин-т усовершенствование ИТР, 1939.-88с.

95. Мамигонянц Л.Г. О переходных процессах в синхронных машинах с успокоительными контурами на роторе // Электричество.-1954.-№7.

96. Мартынов В.А. Сычев Е. К. Математическое моделирование полей и процессов в синхронных двигателях с постоянными магнитами // Электричество. - 1994 г. №3. - С. 47 - 51.

97. Меерович Е.А., Паластин Л.М. Платонов A.M. Попов К.К. и др. Торцевой синхронный генератор без щеточного контакта. Электротехника - 1966 г. - №9.

98. Михеев В.И. Торцевые электрические машины индукторного вида, машины // Электроэнергетика, электротехнические системы и коплексы: Материалы международной научно-технической конференции, 3-5 сентября 2003 г. Томск: ТПУ 2003. - с. 122.

99. Немков B.C., Демидович В.Б. Теория и расчет устройств индукционного нагрева. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 280 с.

100. Никитенко А.Г., Бахвалов Ю.А., Щербаков В.Г. Аналитический обзор методов расчета магнитных полей электрических аппаратов // Электротехника, 1997. -№1. -С.15.

101. Норенков И.П. Системы автоматизированного проектирования: Принципы построения и структура. Кн. I. -М.: Высшая школа, 1986. - 127 с.

102. Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы теории и проектирования САПР: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1990. - 335 с.

103. Орлов И.Н. Маслов С.И. Системы автоматизированного проектирования электромеханических устройств: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энерго-атомиздат 1989. - 296 с.

104. Осин И.Л., Шакарян Ю.Г. Электрические машины: Синхронные машины: Учеб. Пособие для вузов по спец. «Электромеханика»/ Под ред. И.П. Ко-пылова. - М.: Высш. шк., 1990. - с. 304.

105. Патент Российской Федерации № 2076434. Торцевая бесконтактная электрическая машина. МКИ4 H 02 К 19 / 36. Михеев В.И., Елшин А.И., Казанский В.М. от 24.12.92.

106. Патент Российской Федерации № 2101838. Герметичный бесконтактный синхронный генератор торцевого типа МПК H 02 Kl / 08. Базилевский А. Б. от 01.10.98.

107. Патент Российской Федерации № 2202849 Скважинный электромашинный источник питания инклинометрической системы МПК H 02 К 3 / 28 Леонов C.B., Щипков A.A., Хорьков К.А., Малевич Г.И., Ким Ю.В. от 20.04.03.

108. Патент Российской Федерации № 2146849 Торцевой генератор тока МПК H 02 К 29 / 06. Волегов В. Е. 20.03.2000.

109. Патент 2246167 РФ. Торцевая электрическая машина. МПК7 H 02 К 21/24 № 2003123587/09.Головин М. П., Встовский А. Л. Встовский С. А., Головина Л. Н., Супей В. А.№ 2003127811/06. Заявлено 24.07.03. Опубл. 10.02.05, Бюл.:№4.

110. Патент 2246168 Российская Федерация, МПК7 Н 02 К 21/24 / Торцевая электрическая машина / A. JI. Встовский, М. П. Головин и др.; заявитель и патентообладатель Краснояр. гос. техн. ун-т. - № 2003123588/09; заявл. 24.07.03; опубл. 10.02.05, Бюл. №2. - 6 е.: ил.

111. Патент 2406213 Российская Федерация, МПК7 Н 02 К 21/24 / Торцевая электрическая машина / A. J1. Встовский, М. П. Головин, К. С. Федий, Е. С. Встовская, М. Г. Архипцев А.№ 2009120866/07. Заявлено 01.06.09. Опубл. 10.12.10, Бюл.: №34.

112. Пеккер И.И. К расчету магнитных систем методом интегрирования по источникам поля // Изв. вузов. Электромеханика, 1968. - №9. - С.940 - 943.

113. Пеккер И.И. Расчет магнитных систем методом интегрирования по источникам поля // Изв. вузов. Электромеханика, 1964. - №10. - С. 1047 - 1051.

114. Пеккер И.И. Расчет постоянных магнитов путем интегрирования по источникам поля // Изв. вузов. Электромеханика, 1969. - №6. - С.599 - 606.

115. Разработка индукторных генераторов с распределенной структурой активного слоя статора: отчет о НИР / НЭТИ; Научный руководитель Казанский В.М. - ЛЭМ-1-77/Б; № ГР 77023731. - Новосибирск, 1978

116. Саплин Л.А., Шерьязов С.К. Энергоснабжение сельскохозяйственных потребителей с использованием возобновляемых источников: Учебное пособие / Челябинск: ЧГАУ, 2000. - 194 с.

117. Сафьянников И.А., Россомахин И.Н. Дисковый генератор коммутаторного типа // Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы: Материалы международной научно-технической конференции, 3-5 сентября 2003 г. Томск: ТПУ 2003. - с. 137.

118. Сильвестер П., Феррари Р. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров - электриков. Пер. с англ. - М: Мир, 1986. - 229 с.

119. Сипайлов Г.А., Кононенко Е.В., Хорьков К.А. Электрические машины. - М.: Высшая школа, 1987. - 287 с.

120. Сипайлов Г.A., Jlooc A.B. Математическое моделирование электрических машин (АВМ): Учебное пособие для студентов вузов. - М.: Высшая школа, 1980.- 176 с.

121. Соболь, И. М. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями / И. М. Соболь, Р. Б. Статников. - М.: Наука, 1981.

122. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием / Учебник. - М., 2006,- 259 с.

123. Страхов C.B. Переходные процессы в электрических цепях, содержащих машины переменного тока. - М.- Л .: Госэнергоиздат, 1960.-247 с.

124. Татур Т.А. Основы теории электромагнитного поля: Справочное пособие для электротехнических специальностей вузов. - М.: Высшая школа, 1989.-271с.

125. Титко А.И., Счастливый Г.Г., Математическое и физическое моделирование электромагнитных полей в электрических машинах переменного тока. - Киев: Наукова думка, 1976. - 200 с.

126. Тозони О.В., Маергойз И.Д. Расчет трехмерных электромагнитных полей. - Киев: Техника, 1974.

127. Трещев И.PL Электромеханические процессы в машинах переменного тока. - Л.: Энергия, 1980. - 344 е., ил.

128. Тюков В.А., Основич Л.Д., Михеев В.И. Торцевые индукторные машины для автономных источников электропитания // Электромеханические преобразователи и машинно-вентильные системы: Тезисы докладов республиканской научно-технической конференции. Томский политехнический институт. Томск, 1991. - с. 16.

129. Урусов И.Д. Линейная теория колебаний синхронной машины. - М.-Л.: Издательство АН СССР, 1960. - 166 с.

130. Федий К.С. Низкоскоростной торцевой синхронный генератор автономных источников электроснабжения: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.09.01 / К.С. Федий. - Красноярск, 2007. - 20 с.

178

131. Чучалин А.И. Математическое моделирование в электромеханике: Учебное пособие. - Томск: Изд-во ТПУ, 1997. - 100 с.

132. Щедрин Н.Н. Упрощение электрических систем при моделировании. -M.-JL: Энергия, 1966.-159 е., ил.

133. Шуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ: Практическое руководство. Пер. с англ. - М.: Мир, 1982. - 238 е., ил.

134. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств: Учебное пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1988.-479 е., ил.

135. Янко-Триницкий А.А Новый метод анализа работы синхронных двигателей при резкопеременных нагрузках. - М.- JL: Госэнергоиздат, 1958. - 103 с.

136. http://www.masters.donntu.edu.ua/2000/fvti/sugonyak/duscience.htm.

137. http ://www.masters.donntu.edu.ua/2000/fvti/sugonyak/mke.htm.

138. http ://w ww. masters. donntu.edu.ua/2000/fvti/ sugonyak/kmge. htm.

139. http://www.km.ru/education.

140. http ://alice. stup. ac. ru/math/laboratory/numer/2 .htm

141. Axial-air-gap motor "Electrical Engineering" №77 1987

142. Luo X., Lipo T.A. A synchronous permanent magnet hybrid AC machine // IEEE Trans, on energy conversion. - vol. 15. - No 2. - June 2000. - pp. 203-210.

143. Mademlist C., Margaris N. Loss minimization in vector-controlled intererior permanent - magnet synchronous motor driver // IEEE Trans, on industrial electronics. - vol. 49 - No 6. - December 2002. - pp. 1344-1347.

144. Min D., Keihani A., Sebastian T. Torque ripple analysis of a PM brushless DC motor using finite element method // IEEE Trans.

145. Proca A.B., Keihani A., EL - Antably A., Wenzhe L., Min D. Analitical model for permanent magnet motor with surface mounted magnets // IEEE Trans, on energy conversion. - vol. 18. - No 3. - September 2003. - pp. 386-391.

146. Karankevich A., Leonov S., Muravlev O. Calculating program of three-dimentional magnetic fields // Proceedings of the 7th Korea-Russia International Symposium, KORUS 2003. - p.268.

Приложение 1. Методика испытаний НТСГ

Установка генератора на стенд.

Установка генератора на стенд заключается в закреплении его на раме стенда, совмещении центров осей генератора и приводного двигателя (рисунок П1.1), соединении с помощью муфты валов приводного двигателя и генератора, подключении к генератору рабочей нагрузки и системы управления автобалластной нагрузкой.

Рисунок П1.1 - Установка генератора на испытательный стенд Проверка сопротивления изоляции.

Сопротивление изоляции обмоток статора согласно ГОСТ 11828-87 проверяется мегомметром на 1500 В. Замеряют сопротивление изоляции обмотки относительно корпуса генератора, между обмотками фаз статора до

включения их по схеме «звезда». Сопротивление должно быть не ниже 5 Мом.

Измерение сопротивления изоляции производят:

- в практически холодном состоянии испытуемой машины до начала ее испытания;

- в нагретом состоянии при температуре, близкой к температуре номинального режима работы.

Измерение сопротивления изоляции обмоток относительно корпуса машины и между обмотками производят поочередно для каждой электрически независимой цепи при соединении всех прочих цепей с корпусом машины. Сопротивление изоляции должно быть не ниже 20 МОм.

До установки на стенд в генераторе проверяют и при необходимости выставляют воздушные (рабочие) зазоры между статорами и ротором, доводя их до расчетных. Затем замеряют сопротивление изоляции. Поскольку генератор выполнен двухстаторным, необходимо до проведения испытаний соединить фазные обмотки статоров в последовательную цепь, чтобы получить удвоенное напряжение (равное номинальному) каждой фазы обмоток двух статоров Для этого установленный на стенд и закрепленный генератор разворачивают до скорости близкой номинальной. Замеряют фазное напряжение каждого статора. Объединяют одноименные выводы обмоток каждого статора и замеряют фазные напряжения обмоток двух статоров. Если суммарное фазное напряжение близко к нулю, выводы статорных обмоток меняют местами. На рисунке П1.2 показан момент фазирования статорных обмоток.

Рисунок П1.2 - Фазирование обмоток генератора на испытательном стенде

Программа испытаний генератора включает следующие операции:

а) Генератор устанавливают на стенд, и его выходной вал генератора соединяется с валом редуктора муфтой.

б) Проверяется сопротивление изоляции.

в) Определяются сопротивления обмоток статора, через среднее значение

сопротивления по формуле:

1 =

г +г —г 31 12 23

(4.2)

где г ^ г ; - сопротивления, измеренные между выводами соответственно СЗ и С1, С1 и С2, С2 и СЗ (обозначение по ГОСТ 183-74).

г) Измеряется температура обмоток «холодного» генератора по формуле:

АО = . (235 + вх) + вх - в0

(4.3)

где гг - сопротивление обмотки в нагретом состоянии, Ом; гу - сопротивление обмотки в практически холодном состоянии, Ом; вх - температура

обмотки в практически холодном состоянии, С0; в0 - температура охлаждающей среды, С0.

д) Подключаются выходные концы обмотки генератора к измерительным приборам.

е) Подается напряжение на обмотки приводного двигателя и осуществляется его пуск. С помощью лучевого тахометра контролируется достижение генератором номинальной частоты вращения.

ж) Необходимо, чтобы генератор проработал на холостом ходу в течение 10 минут. При необходимости доводят частоту вращения до номинальной, замерив ее лучевым тахометром. Измеряются и записываются в протокол величины фазных и линейных напряжений и его частоту.

з) Подключается нагрузка. Постепенно нагружается генератор, при поддержании частоты вращения постоянной. Заносятся показатели на каждой ступени нагрузки в протокол.

и) Доводят работу генератора до номинальной (расчетной) мощности. При этом необходимо, чтобы генератор при номинальной нагрузке проработал в течение 2 часов, с целью определения изменения температуры обмоток.

к) Останавливается генератор и определяется 1емпература нагрева обмоток статора: производятся замеры активных сопротивлений обмотки, которые сравнивают с первоначальными сопротивлениями и по температурному коэффициенту определяют температуру нагрева обмоток статора генератора.

л) Вновь запускается в ход генератор. Увеличивают его нагрузку, доведя ее до максимального значения. Максимальной нагрузкой генератора следует считать ее значение, которое не изменяется при дальнейшем уменьшении сопротивления нагрузочного реостата, и сопровождается значительным снижением выходного напряжения генератора.

м) Нагрузка снижается и генератор останавливается.

н) Подключается система стабилизации режима работы генератора при изменении нагрузки.

о) Пускается в ход генератор и выполняются пункты е, ж, з, и, к. п) Диапазон изменения нагрузки составляет от холостого хода до максимальной мощности генератора. Нагрузку генератора доводят до максимально возможного значения, при этом контролируя мощности в цепях балластной нагрузки.

р) Для оценки реакции системы управления на внештатные ситуации обеспечивается резкий сброс и наброс нагрузки на генератор.

с) Кроме симметричного режима работы исследуются несимметричные режимы вплоть до отключения отдельных фаз питающего напряжения

т) Выполняются пункты б, в, к, определяются сопротивления изоляции, обмотки статора, ее активное сопротивление и температура нагрева обмоток. Оценивается состояние генератора после стендовых испытаний.