Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния автономного электроснабже ния и источников генерации электроэнергии для сельскохозяйственных объектов 14
1.1 Современное состояние развития альтернативных источников энергии для электроснабжения сельскохозяйственных объектов 14
1.2 Технология содержания и характеристика электрооборудования овчарни 20
1.3 Схемы генерирования электроэнергии ветроустановками в автономных условиях работы на сельских территориях 28
1.4 Анализ электрогенераторов, используемых в ветроэнергетических установках небольшой мощности 33
1.5 Обоснование научной проблемы и цели исследований 45
2 Обоснование параметров и режимов работы синхронного генератора в составе автономной системы электроснабжения овчарни 48
2.1 Разработка автономной ветроэнергетической системы с усовершенствованным синхронным генератором на постоянных магнитах для электроснабжения овчарни 48
2.2 Обоснование параметров автономной ветроэнергетической системы электроснабжения овчарни и мощности синхронного генератора .
2.3 Методика расчета параметров магнитной цепи одной секции синхронного генератора с ферромагнитными вставками и треугольными магнитными полюсами в статическом режиме 60
2.4 Обоснование выходных характеристик синхронного генератора в динамическом режиме работы 79
2.5 Выводы 89
3 Моделирование статических процессов магнитной системы синхронного генератора с ферромагнитными вставками и треугольными магнитными полюсами 91
3.1 Общие принципы и задачи компьютерного моделирования магнитной системы синхронного генератора 91
3.2 Обоснование эффективности ферромагнитных вставок, магнитных полюсов в магнитной системе синхронного генератора 94
3.3 Моделирование рационального размещения плоских ферромагнитных пластин и высоты обмотки в магнитной системе синхронного генератора 104
3.4 Выводы 115
4 Программа и методика проведения экспериментальных исследований параметров и режимов работы синхронного генератора 117
4.1 Программа проведения исследований по определению параметров и режимов работы синхронного генератора с ферромагнитными вставками и треугольными магнитными полюсами 117
4.2 Методика проведения экспериментальных исследований по выявлению эффекта ферромагнитных вставок и треугольных магнитных полюсов в магнитной системе синхронного генератора на постоянных магнитах 118
5 Результаты экспериментальных исследований 129
5.1 Обработка данных проводимых экспериментов 129
5.2 Выводы 147
6 Технико–экономическое обоснование применения вэу для электроснабжения овчарни 149
6.1 Расчет стоимости оборудования ветроустановки и синхронного генератора с ферромагнитными вставками и треугольными магнитными по люсами в составе автономной системы электроснабжения овчарни 149
6.2 Выводы 157
Заключение 158
Список литературы
- Технология содержания и характеристика электрооборудования овчарни
- Обоснование параметров автономной ветроэнергетической системы электроснабжения овчарни и мощности синхронного генератора
- Обоснование эффективности ферромагнитных вставок, магнитных полюсов в магнитной системе синхронного генератора
- Методика проведения экспериментальных исследований по выявлению эффекта ферромагнитных вставок и треугольных магнитных полюсов в магнитной системе синхронного генератора на постоянных магнитах
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В соответствии с федеральным законом №261 об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности, госпрограммой "Энергоэффективность и развитие энергетики", а также «Стратегией социально-экономического развития Северо-Кавказского федерального округа до 2025 года» развитие отдаленных территорий связано с ограниченным подключением к электрическим сетям в связи с нехваткой мощностей и износом энергетического оборудования. Небольшие хозяйства удалены от систем централизованного электроснабжения, а прокладка к ним линий электропередачи (ЛЭП) обходится дорого и экономически нецелесообразна.
Электропитание удаленных от ЛЭП маломощных объектов осуществляется за счет автономных систем электроснабжения (АСЭ) на основе бензо-дизельных электростанций, недостатками которых считаются большой расход топлива, высокая себестоимость вырабатываемой электроэнергии, а также загрязнение окружающей среды. Применение ветроэнергетических установок (ВЭУ) для электроснабжения потребителей является наиболее привлекательно в связи с постоянным ростом стоимости на традиционные энергоносители. Однако современные ВЭУ имеют сложную систему автоматической подстройки под колебания ветра и низкие удельные характеристики генераторов, что снижает эффективность их использования в автономном электроснабжении с.-х. объектов.
Входящие в состав АСЭ электрогенераторы сложны и габаритны, так как имеют системы запуска, устройства стабилизации оборотов (частоты) вращения или намагничивающие обмотки с дополнительными источниками возбуждения. Более простой конструкцией обладают синхронные генераторы на постоянных магнитах (СГПМ), предназначенные для заряда аккумуляторных батарей (АКБ). Однако магнитные системы таких генераторов не совершенны, что приводит к большим потерям магнитной энергии в виде потоков рассеивания и выпучивания. В результате через сечения катушек генератора проходит незначительная часть магнитных силовых линий, приводящих к слабому потокосцеп-лению с витками обмоток, малому по величине магнитному потоку и к низким значениям зарядного тока и выходной мощности. Малая сила тока в катушках генератора негативно сказывается на времени заряда АКБ и эффективности работы АСЭ с ветроустановкой при небольших скоростях ветрового потока.
Исходя из этого, следует разрабатывать автономные системы электроснабжения с СГПМ, у которых процент магнитных потоков рассеяния и выпучивания сводится до минимума. Достижение поставленной цели возможно за счет введения в конструкцию генератора ферромагнитных элементов и дополнительных магнитных полюсов, предназначенных для усиления основного магнитного потока, проходящего через витки катушки. Предложенные конструктивные решения требуют теоретического обоснования и практического подтверждения. Поэтому исследования в данной области являются актуальными, представляя научный и практический интерес для автономного электроснабжения на основе ВЭУ для потребителей небольшой мощности, овцеводческой фермы.
Работа выполнена в рамках государственного контракта №240/16 от 25 ноября 2016 года с Министерством сельского хозяйства Ставропольского края.
Степень разработанности темы. Использование АСЭ для сельскохозяйственных объектов на основе ВЭУ посвящены исследования в нашей стране и за рубежом: Е.М. Фатеев, В.С. Кривцов, С.В. Грибков, С.М. Воронин, О.В. Григо-раш, Г.В. Никитенко, А.М. Олейников, Р.А. Амерханов, В.С. Ядыкин, Dr. Va-dirajacharya и т.д. Применение электрических машин в АСЭ рассматриваются в работах таких ученых, как В.А. Балагуров, В.А. Соболев, А.И. Яковлев, Н.Н. Левин, Ю.А. Макаричев и т.д. В России из ведущих научных организаций в области ветроэнергетики являются ВИЭСХ, НИИЦ «ВИНДЭК-энерго», ООО «ГРЦ-Вертикаль», КБ Мехатроники, ЗАО «Ветроэнергетическая компания» и др.
Анализ существующих АСЭ показывает, что для повышения эффективности электроснабжения необходимы технические решения, направленные на улучшение мощностных характеристик и массогабаритных параметров входящих в состав конструкций генераторов.
Цель работы. Обоснование параметров и режимов работы синхронного генератора на постоянных магнитах с ферромагнитными вставками и дополнительными магнитными полюсами, а также принципиальной электрической схемы автономной ветроэнергетической системы электроснабжения овчарни.
Задачи исследования:
-
Разработать принципиальную электрическую схему для автономной ветроэнергетической системы электроснабжения овчарни с учетом технических характеристик синхронного генератора на постоянных магнитах с ферромагнитными вставками и дополнительными магнитными полюсами.
-
Выявить связь между геометрическими размерами ветроколеса, выходными характеристиками синхронного генератора на постоянных магнитах, емкостью аккумуляторной батареи и скоростью воздушного потока.
-
Провести теоретическое обоснование эффективности использования ферромагнитных вставок и дополнительных треугольных полюсов в конструкции магнитопровода синхронного генератора.
-
Обосновать схему замещения одной секции магнитопровода и разработать методику расчета характеристик магнитного поля в статическом режиме, а также выявить особенности работы синхронного генератора в динамическом режиме работы.
-
Осуществить компьютерное моделирование в электронной среде ELCUT параметров магнитного поля одной секции магнитопровода с различными элементами конструкции с целью определения степени влияния ферромагнитных вставок и треугольных полюсов на магнитные и электрические характеристики синхронного генератора. Определить рациональное размещение плоских ферромагнитных вставок, установленных за обмоткой и эффективную высоту секционной обмотки относительно внутренней стороны постоянных магнитов.
-
Экспериментально проверить работоспособность синхронного генератора и снять основные выходные характеристики, подтверждающие теоретические положения.
7. Определить экономическую эффективность от внедрения автономной ветроэнергетической системы электроснабжения на основе синхронного генератора на постоянных магнитах в систему электроснабжения овчарни.
Объектом исследования считается конструкция синхронного генератора с ферромагнитными вставками и дополнительными магнитными полюсами и режимы его работы в составе автономной ветроэнергетической системы электроснабжения овчарни.
Предметом исследования является зависимость электрических параметров синхронного генератора с ферромагнитными вставками и дополнительными треугольными магнитными полюсами от величины магнитного потока, пронизывающего витки обмотки секции магнитопровода, работающего в составе автономной ветроэнергетической системы электроснабжения овчарни.
Научная гипотеза. Разработка синхронного генератора на постоянных магнитах с ферромагнитными вставками и дополнительными треугольными магнитными полюсами, предназначенными для перераспределения магнитных потоков в сечении секции магнитопровода, позволит повысить выходную мощность и эффективность работы автономной системы электроснабжения овчарни.
Научная новизна работы:
разработана принципиальная электрическая схема АСЭ овчарни с ветро-установкой, в состав которой входит синхронный генератор на постоянных магнитах с ферромагнитными вставками и дополнительными магнитными полюсами;
разработана методика расчета, связывающая скорость ветра, геометрические размеры ветроколеса, мощность генератора и емкость аккумуляторных батарей;
обоснована схема замещения магнитной системы и получены аналитические уравнения для расчета параметров магнитной цепи синхронного генератора с ферромагнитными вставками и дополнительными магнитными полюсами;
- получены графические зависимости, доказывающие эффективность
использования в магнитной системе электрогенератора ферромагнитных
вставок и дополнительных магнитных полюсов, влияющих на повышение
концентрации магнитных силовых линий в витках обмотки и как следствие
на рост тока в обмотках и выходной мощности синхронного генератора;
- на основании результатов компьютерного моделирования установлена
связь между характеристиками магнитного поля в объеме катушки и рассто
янием между постоянным магнитом и плоской ферромагнитной вставкой;
- получены результаты экспериментальных исследований, доказываю
щие повышение выходной мощности синхронного генератора в зависимости
от конструктивных особенностей магнитной системы, а также эффективность
совместной работы с накопителями энергии.
Теоретическая и практическая значимость работы:
- обоснована принципиальная электрическая схема АСЭ овчарни на основе синхронного генератора на постоянных магнитах с ферромагнитными вставками и треугольными магнитными полюсами, позволяющая преобразовывать переменное напряжение в постоянное с номиналом, необходимым для
зарядки аккумуляторов, а затем снова инвертировать в переменное напряжение для подключения синусоидальной нагрузки;
предложена методика расчета автономной ветроэнергетической системы, связывающая между собой емкость аккумуляторных батарей, геометрические размеры ветродвигателя, мощность синхронного генератора и энергетические характеристики ветрового потока;
создана конструкция синхронного генератора на постоянных магнитах с ферромагнитными вставками и треугольными магнитными полюсами;
предложена математическая модель расчета магнитопровода одной секции синхронного генератора на основе схемы замещения и теории магнитных цепей;
получены рекомендации с использованием результатов компьютерного моделирования и экспериментальных исследований, устанавливающие связь между величиной магнитной индукции и конфигурацией ферромагнитных вставок, треугольных магнитных полюсов и высотой секционной обмотки;
разработана прикладная программа расчета параметров синхронного генератора с ферромагнитными вставками и треугольными магнитными полюсами с применением электронной среды Mathcad.
Методы исследований базировались на теории магнитных полей, математическом описании динамических процессов, компьютерном моделировании, натурном эксперименте, табличной и графической интерпретации полученных результатов.
На защиту выносятся следующие положения:
принципиальная электрическая схема автономной ветроэнергетической системы электроснабжения на основе синхронного генератора на постоянных магнитах;
методика расчета, связывающая между собой электрические параметры синхронного генератора, емкость аккумуляторных батарей и геометрические размеры ветроколеса со скоростью ветра;
- конструкция синхронного генератора на постоянных магнитах с фер
ромагнитными вставками и треугольными магнитными плюсами;
схема замещения магнитной системы и алгоритм математического описания параметров магнитной цепи, одной секции синхронного генератора в статическом режиме;
графики функций, доказывающие повышение выходной мощности синхронного генератора в зависимости от последовательности вводимых в конструкцию ферромагнитных элементов магнитопровода и роста оборотов вращения синхронного генератора;
кривые, показывающие связь между изменением средней магнитной индукции в обмотке и расстоянием между постоянными магнитами и плоскими ферромагнитными вставками, установленными за обмотками синхронного генератора;
результаты экспериментальных исследований, подтверждающие повышение выходной мощности электрогенератора в зависимости от вводимых в магнитную систему ферромагнитных вставок и треугольных полюсов, а также доказывающие эффективность использования синхронного генератора
на постоянных магнитах в составе АСЭ для заряда аккумуляторной батареи и работу на активную и активно-индуктивную нагрузку овчарни.
Степень достоверности и апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований обсуждались на следующих мероприятиях: в финальном этапе федеральной программы У.М.Н.И.К. 2013 г.; на Петербургской технической ярмарке–выставке Hi-Tech» (серебряная медаль, г. Санкт-Петербург, март 2014 г.); на XVI и XVII Российской агропромышленной выставке «Золотая осень» (серебряная и золотая медали, Москва); в VI Международной научно-практической конференции «Научно – техническое творчество молодежи – путь к обществу, основанному на знаниях» (2-е место, г. Москва, июнь 2014 г.); на Международном научном форуме «Наука будущего – наука молодых» (г. Севастополь сентябрь 2015 г.); на 8-м международном биотехнологическом форуме – выставке «Ро-сБиоТех-2014», (золотая медаль, Москва, октябрь 2015 г.); на Северо-Кавказском молодежном форуме «Машук-2015».
Реализация и внедрение результатов исследований. Рекомендации по созданию промышленного образца СГПМ с ферромагнитными вставками и треугольными магнитными полюсами в соответствии с конструкторской документацией представлены для проектирования и создания автономной ветроэнергетической установки на базе ООО «АЭРОСТАРТ». Методические рекомендации по выбору электромеханических параметров АСЭ овчарни переданы для практической реализации в К(Ф)Х «Кривошеев Сергей Сергеевич», а также использованы в учебном процессе ФГБОУ ВО «Ставропольский ГАУ».
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 22 работы, из них 6 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 4 в материалах Международных научно-практических конференций, 11 в других изданиях и получен 1 патент РФ на изобретение. Общий объем публикаций 6,96 п.л., в т. ч. доля автора 4,14 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 188 наименований и 9 приложений. Диссертация изложена на 178 страницах машинописного текста, включая 29 страниц приложений, содержит 55 рисунков, 19 таблиц.
Личный вклад автора состоит в обосновании структуры, параметров и режимов работы СГПМ в составе автономной ветроэнергетической системы электроснабжения овчарни.
Технология содержания и характеристика электрооборудования овчарни
Учитывая географическое расположение, Северный Кавказ является перспективным для развития альтернативной энергетики, тем более субъекты СКФО являются аграрными, а значит, экономически целесообразно развивать сельскохозяйственные объекты, использующие автономные системы, преобразующие возобновляемые ресурсы в электроэнергию. Обуславливается это тем, что в течение восьми месяцев в году происходит интенсивное солнечное облучение, а ветровые потоки степей и горных ущелий дуют весь год со средней скоростью 5 м/с [10, 23, 81, 146]. Применение альтернативной энергетики обеспечит необходимые функции и технологические процессы для получения сельскохозяйственной продукции в уделенных территориях.
Учитывая специфику СКФО, множество отдаленных хозяйств не подключены к централизованному электроснабжению, а те, которые присоединенные к линиям электропередачи потребители испытывают частые аварийные отключения. Такими объектами потребления являются дачные участки, пчеловодческие пасеки, кошары, небольшие тепличные хозяйства, отдаленные крестьянские и фермерские хозяйства, а также объекты сельского и горного туризма. В результате негативные факторы заставляют фермера серьёзно задуматься об альтернативных способах электроснабжения, а выбор энергоснабжения от ВИЭ дает основания экономии средств на энергоносители, а также делает его энергонезависимым. В том числе, анализ технологических процессов в современном сельскохозяйственном производстве показывает большую перспективу возможностей применения альтернативной энергетики [6, 21, 34, 36, 120, 151, 171].
Водоснабжение представляет ту область, где наиболее удобно и выгодно применение ветродвигателей. При наличии водонапорной башни с баком для запаса воды на одни-двое суток, можно полностью обеспечить хозяйство водою за счет энергии ветра. Накачивая воду в бак, ветродвигатель аккумулирует энергию ветра в виде поднятой воды [125, 173, 186]. Использование энергии ветра может дать в некоторых случаях вполне удовлетворительное решение задачи механизации орошения и особенно небольших участков овощных культур и садов. В периоды, когда орошение не требуется, целесообразно работу ветродвигателя совместить с другой работой, например, на электроосвещение или дробление зерна и жмыха, резку силоса и мытье корнеплодов. Подробно данную тематику затрагивал Е.М. Фатеев [155, 156].
Аккумулированная энергия, выработанная ветрогенераторами или фотопреобразователями энергии, расходуется на охлаждение молока в танках молочных ферм в период отключений при ремонтных работах на ЛЭП, на питание рефрижераторных установок при первичном охлаждении продуктов овощеводства, а также на зарядку аккумуляторных батарей осветительных установок, расположенных вдали от населенных пунктов и т.д. [56].
Развитие эффективного производственного процесса тепличных хозяйств небольших мощностей на территории Северо-Кавказского федерального округа сопровождается сложностью их электроснабжения в горной местности. Трудозатраты на подведение линий электропередачи требуют значительных капиталовложений в этой местности. Поэтому наиболее выгодно использовать электроснабжение от ветроэнергетических установок. К тому же, горная местность СКФО богата ветровыми потоками со средней скоростью 5 м/с, что позволяет максимально использовать мощность ветроустановок для обеспечения теплиц электричеством.
Переносными ветроустановками мощностью до 3 кВт можно обеспечить электроэнергией летние пастбищные хозяйства, кошары, лесничие домики, летние лагеря и т.д. [100, 103, 106].
В последнее время интерес фермера в использовании автономного энергоснабжения на основе возобновляемых источников энергии подкрепляется новыми промышленными технологиями создания энергогенерирующих устройств, преобразователей и аккумуляторов энергии [9, 68]. Все чаще производственные процессы автономных сельхоз объектов становятся эффективнее, благодаря технологиям энергосбережения и внедрения источников энергоснабжения на основе фотоэлектрических панелей, геотермальных, ветроэнергетических установок и биотоплива Генерация от солнечной энергии напрямую зависит от плотности потока солнечного излучения в любой момент времени. Эксплуатация гелиоприемника происходит под изменяющимся потоком излучения и зависит от дневного изменения высоты солнца, а также фактором экстинкции, характеризующим степень поглощения света в атмосфере. К тому же, чтобы поддерживать постоянные вольтамперные характеристики гелиоприемника, необходимо учитывать ориентацию его светопри-емной поверхности на перемещение солнца, применяя дополнительные концентраторы или трекеры [16]. В сравнении с автономными ветроэнергетическими установками небольшой мощности солнечные преобразователи уступают в цене, установке и обслуживании на территории СКФО.
Отличительным принципом генерирования электроэнергии обладают ветроэнергетические установки, преобразующие энергию ветра посредством лопастей ветроколеса в механическое вращение, которое затем преобразуется электрогенератором в электрический ток. Определяющую особенность в работе ВЭУ играет ветровой поток, повышение скорости которого могут существенно повысить эффективность генерации электроэнергии, а при снижении скорости ветра негативно отразиться на электроснабжении объекта. К тому же ветроэнергетическая система стремится заряжать аккумуляторную батарею быстроходностью генератора, которая зависит от вращения ветроколеса [101, 107]. Это в значительной степени влияет на длительность заряда аккумуляторной батареи и износ конструкции.
Обзор зарубежной [174, 185, 187] и отечественной литературы [6, 21, 35, 44, 76, 82] показывает, что существующие автономные ВЭУ требуют значительных модификаций, направленных на улучшение удельно-мощностных, функционально-стоимостных и эксплуатационных показателей ветроагрегата. В том числе ветроагре-гаты должны быть транспортабельными и легки в обслуживании для применения в отдаленной местности от населенных пунктов и линий электропередачи. В последнее время мировая практика показывает проявляющийся интерес в этом направлении.
Оптимальная работа ветрогенератора для электроснабжения потребителя зависит от использования установленной мощности ВЭУ. Она зависит от величины ветро-потенциала и характера его проявления в течение сезона. Соотношение мощности ветроэлектростанции к коэффициенту использования установленной мощности (КИУМ) нагрузки потребителя должно быть примерно равно единице, иначе при увеличении частоты и величины ветровых потоков генерируемая мощность ВЭУ возрастает и КИУМ понижается, а при уменьшении ветропотенциала система электроснабжения становится недогруженной [37]. К примеру, с увеличением ветропотенциала на 25% выше номинального генерируемая мощность ветродвигателя превышает потребляемую мощность нагрузки потребителя в 1,25 раз и расходуется в холостую. Поэтому экономически выгодно рассчитать ВЭУ таким образом, чтобы ветропотенциал определенной местности удовлетворял коэффициенту использования установленной мощности нагрузки. Наряду с выше изложенным следует, что проектирование ветроэнергетических установок для автономных сельхоз объектов необходимо вести с учетом производственных особенностей, потребляемой мощности и суточного графика распределения нагрузки.
При достаточном уровне проработанности темы применения альтернативной энергетики в сельском хозяйстве незатронутой остается направление автономного электроснабжения овцеводческих хозяйств выгульного типа. Формирование и ведение таких хозяйств сопровождается их удаленным расположением от инженерной инфраструктуры, что ведет к ухудшению как бытовых условий для рабочего персонала, так и технологии содержания овец. В таком случае разработка автономного электроснабжения на базе ветроэнергетической установки небольшой мощности поможет создать благоустроенное рабочее пространство в овчарне [106].
Обоснование параметров автономной ветроэнергетической системы электроснабжения овчарни и мощности синхронного генератора
В качестве преобразователя энергии ветрового потока в электрическую энергию широко применяются асинхронные генераторы [45], благодаря простоте конструкции, высокой надежности в эксплуатации в параллельной работе с сетью и другими источниками электроэнергии. Вращающийся магнитный поток асинхронного генератора обеспечивается ветроколесом. При этом самовозбуждение АГ происходит при наличии остаточного намагничивания Фост , в ферромагнитных частях магнитной цепи который создает в обмотке статора ЭДС остаточное поле Еост, под влиянием которого при вращении ротора в цепи параллельной емкости возникает опережающий ток, который подмагничивает машину. В результате работы на выходе асинхронного генератора поддерживается постоянная частота синусоиды при изменении оборотов вращения ветродвигателя, что также отражается на устойчивой работе с сетью.
Недостаток такой системы выражается в том, что из-за больших токов намагничивания, которые пропорциональны квадрату напряжения, происходит уменьшение коэффициента мощности, и при одинаковых ветровых режимах она вырабатывает меньше энергии, чем синхронная машина. Чтобы повысить коэффициент мощности АГ, прибегают к конструктивному изменению и усложнению. Так известны конструкции асинхронного генератора с питаемым ротором или генераторы с вентильным возбуждением [139].
Известны ветроэнергетические системы с генерированием электрической энергией синхронной машиной [94]. Основой преобразования энергии синхронным генератором является также принцип электромагнитной индукции. В проводниках обмотки статора индуктируется ЭДС, если обмотка возбуждения на роторе под ключена к возбудителю, а ротор вращается от приводного механизма с постоянной скоростью . К недостаткам синхронного генератора в работе с ветродвигателем относится то, что определенные ветровые условия могут повлиять на синхронную машину, при которых она перейдет в двигательный режим и начнет потреблять энергию из сети, а при резких порывах ветра выпадет из синхронизма [84].
В генераторах с большим числом полюсов широко используется конструкция ротора с когтеобразными полюсами (рисунок 1.8 д). Когтеобразный ротор содержит цилиндрический магнит, намагниченный в аксиальном направлении и размещенный на немагнитной втулке. К торцам магнита примыкают стальные фланцы, имеющие когтеобразные выступы, которые образуют полюсы. Все выступы левого фланца являются северными полюсами, а выступы правого фланца - южными. Выступы фланцев чередуются по окружности ротора, образуя многополюсную систему возбуждения. Недостатками роторов этого типа являются относительная сложность конструкции, трудность намагничивания стали в собранном роторе, большие потоки рассеяния, малая степень заполнения объема ротора [182]. Данная конструкция была усовершенствована для больших ВЭУ Ozan Keysan и Markus А. Mueller из Institute for Energy Systems (Edinburgh, UK), предлагают суперпрово-дящий генератор с поперечным высокотемпературным управлением [179].
Анализ традиционных конструкций генераторов электрической энергии в ветроэнергетических установках показал, что существующие способы повышения мощности электрогенераторов не обходятся без увеличения массогабаритных размеров магнитной системы, где основная масса определяется количеством стали. Стальная система сопутствует работе магнитного потока и поглощает его часть на свое насыщение. Как известно, электротехническая сталь - это магнитомягкий насыщаемый материал с магнитной проницаемостью цНО2... 105, от нее зависит индукция и напряженность (В = ццоН) магнитного поля в рабочем зазоре генераторов, поэтому стальная конфигурация ротора и статора влияет на эффективность генерации электроэнергии. Чтобы улучшить магнитные свойства стали, применяют специальные подмагничивающие или демпферные обмотки, намагничивающие магнитопровод [13,145], для их возбуждения требуется дополнительное подключение источника питания. Но в период неравномерных ветровых потоков, когда скорость ветра не обеспечивает расчетное намагничивание при работе генератора, в стали поглощается большое количество магнитного потока [32]. В результате генератор не развивает расчетных параметров работы и не удовлетворяет надежным обеспечением электроэнергией потребителя [109]. В совокупности перечисленные недостатки негативно влияют на соотношение производительности и стоимости ВЭУ. Поэтому для ветроэнергетических установок автономного электроснабжения потребителей, не подключенных к дополнительным источникам энергии, применяют синхронные генераторы на постоянных магнитах.
Большинство синхронных генераторов с постоянными магнитами (СГПМ), применяемых в настоящее время в ветроустановках, имеет магнитную систему с вращающимися постоянными магнитами. Поэтому магнитные системы отличаются друг от друга в основном конструкцией ротора. Можно выделить две основных разновидности сборных роторов с призматическими магнитами: типа «звездочка» и коллекторного типа (рисунок 1.9). В первом случае применяют магниты с радиальным, а во втором – с тангенциальным намагничиванием [14, 69, 70, 84, 91]. Такие конструкции ротора содержат намагниченные в радиальном или тангенциальном направлении постоянные магниты (N/S), которые своими внутренними торцами, с чередующейся полярностью полюсов, примыкают к магнитомягкой втулке, закрепленной на валу генератора или к стальному кольцеобразному внешнему ротору.
Обоснование эффективности ферромагнитных вставок, магнитных полюсов в магнитной системе синхронного генератора
Постоянный магнит условно разделен на источники МДС, каждая из которых эквивалентна поверхностным токам, протекающим по границе постоянного магни та в направлении, ортогональном плоскости модели. Плотность такого тока равна величине скачка тангенциальной компоненты коэрцитивной силы на границе маг нита. Поэтому на рисунках 2.4 – 2.5 постоянные магниты представлены совокупно стью поверхностных токов, протекающих по верхней и нижней границам. Эффек тивный ток, протекающий по верхней границе, численно равен , а по нижней границе и равен [99, 50, 176].
Постоянные магниты по секции образуют циркуляцию магнитных потоков Ф1 – Ф8, где: Ф1 – поток ферромагнитной пластины по верхней кромке; Ф2 – поток ферромагнитной пластины среднего сечения; Ф3 – поток фер 67 ромагнитной пластины по нижней кромке; Ф4 - поток треугольного магнитного полюса S - полярности; Ф5 - поток треугольного магнитного полюса N - полярности; Ф6 - поток воздушного зазора около треугольного полюса; Ф7 - поток среднего сечения трапецеидальной катушки; Ф8 - поток воздушного зазора и плоских ферромагнитных вставок.
На распределение магнитного потока в магнитной системе предлагаемой конструкции синхронного генератора влияют сопротивления ферромагнитных элементов и воздушных зазоров, варьирование их параметров и конфигурации отражается на изменении мощности генератора.
Конструктивные места стыков элементов магнитопровода являются границами изменения магнитных свойств, на схеме замещения 2.3 - 2.5 они обозначены буквами русского алфавита и соответствуют расчетным отрезкам для определения магнитных сопротивлений, где: а - а, б - б1, в - в1 - магнитные сопротивления ферромагнитной пластины Кфп1,Кфп2,Кфп3,Кфп4,Кфп5 пото кам Ф1, Ф2, Ф3; в - ж и в1 - ж1 магнитное сопротивление ферромагнитной пластины К-фп3в-г и в:-г:, треугольного магнитного полюса RТРS г_з и RTPN г:-з:, воздушного зазораR81 з-ж и R83 з:-ж: потокам Ф4 и Ф5; ж1- ж магнитные сопротивленияR81,R82,R83 воздушного зазора потоку Ф6 ; е1 - е магнитное сопротивлениеR 85 воздушного зазора потоку Ф7 ; д1 - д магнитные сопротивления воздушного зазора R84 для д - и, R87 для к-к1, Rsg для д1 - и1 и ферромагнитных вставок ЯфвS для и - к,ЯфвN для и1 - к1 потоку Ф8.
На рисунке 2.5 представлена магнитная схема замещения секции синхронного генератора с ферромагнитными вставками и треугольными магнитными полюсами, содержащая одинаковые по величине, разные по направлению источники магнитодвижущей силы, производящие сконцентрированные магнитные потоки Ф1 - Ф9. Схема образует 7 магнитных ветвей, включающих магнитные сопротивления, при этом в каждой ветви по направлению часовой стрелки распределяется независимый магнитный поток.
Схема замещения магнитной системы секции синхронного генератора с ферромагнитными вставками и треугольными магнитными полюсами Распределение магнитного потока по элементам магнитопровода осуществляется неравномерно, это приводит к разному насыщению отдельных участков магнитной цепи. В этом случае магнитные проводимости ферромагнитных элементов синхронного генератора существенно зависят от положения постоянных магнитов. Конфигурация ферромагнитных элементов обеспечивает шунтирование и направляющее воздействие на магнитный поток постоянных магнитов. Распределение потока через ферромагнитные вставки из магнитопроводящего материала, например электротехническая сталь, встречает магнитное сопротивление. В таком случае магнитные сопротивления ферромагнитных вставок и треугольных магнитных полюсов являются функциями от магнитных проводимостей и проницаемостей . Поэтому расчет статических характеристик необходимо производить с учетом нелинейности магнитных свойств ферромагнитного материала [19, 53].
Магнитная проницаемость каждого элемента магнитопровода является функцией от напряженности магнитного поля и определяется конкретно для каждого участка магнитной системы.
Благодаря магнитодвижущей силе FH происходит распределение магнитно го потока по всему объему секции магнитопровода, включая ферромагнитные вставки, пластины и треугольные магнитные полюса, а также воздушные зазоры. Схожие по направлению вектора силовых линий магнитного потока образуют гео метрические фигуры согласно сконцентрированным потокам, которые иллюстри рованы на рисунке 2.6. Магнитные свойства среды таких фигур обладают опреде ленной проводимостью, а с другой стороны представляют магнитные сопротивле ния распределению магнитного потока. Вычисление проводимостей объемных фи гур производится по методу Ротерса [24, 41, 142, 143], по которому на основе гео метрических размеров источников МДС, ферромагнитных пластин и вставок, тре угольных магнитных полюсов и воздушных зазоров между ними, от которых зависят условия проводимости и проницаемости или магнитного сопротивления .
Методика проведения экспериментальных исследований по выявлению эффекта ферромагнитных вставок и треугольных магнитных полюсов в магнитной системе синхронного генератора на постоянных магнитах
Исследуемая конструкция синхронного генератора с ферромагнитными вставками и магнитными полюсами [131] имеет идентичные секции с одинаковым набором физических свойств, поэтому для упрощения моделирования решение магнитной системы ограничивается созданием модели одной секции генератора.
Результат моделирования магнитного поля в секциях магнитных систем сравниваемых конструкций выглядит на рисунке 3.1. В моделях учитывается влияние на магнитный поток от постоянных магнитов действия ферромагнитных пластин, треугольного магнитного полюса, плоских ферромагнитных вставок, воздушных зазоров, стальной или немагнитной обоймы якоря, а также стального или немагнитного полюса статора. На рисунке 3.1 отмечен контур исследования значений индукции, соответствующей среднему (L) расстоянию между постоянными магнитами и основанием обмотки.
Сравнительная иллюстрация результата компьютерного моделирования при одинаковом масштабе исследования потока в моделях 0,0018 Вб представлена на рисунке 3.1. Модель с ферромагнитными вставками и магнитными полюсами 1 по сравнению с моделью 2 без ферромагнитных вставок и магнитных полюсов имеет меньше внешних ФВПЧ1 и внутренних ФВПЧ2 выпучивающихся силовых линий. Рассеивающиеся линии магнитного поля постоянных магнитов, благодаря экранирующему воздействию ферромагнитных пластин 2 и действию треугольного магнитного полюса 3, переходят в магнитный поток, пронизывающий рабочий зазор ФР.З , т.е. в области катушки. Треугольный магнитный полюс 3 образует поток наименьшего магнитного сопротивления ФТМП между магнитами и усиливает потенциал силовых линий поля. Со стороны основания катушки магнитные линии устремляются через плоские ферромагнитные вставки 5, образующие шунтирующийся поток ФФВ через свое магнитное сечение. Плоские ферромагнитные вставки 5 у катушек усиливают индукцию и равномерно распределяют плотность магнитных линий в обмотке. Рисунок 3.1 – Моделирование магнитного потока в секции синхронного генератора на постоянных магнитах: 1) – с ферромагнитными пластинами 2, треугольным магнитным полюсом 3 закрепленными на немагнитном кольце якоря 1 и плоскими ферромагнитными вставками 5 установленными на немагнитном сердечнике статора 4; 2) – без ферромагнитных элементов c закрепленными постоянными магнитами (N, S) на немагнитном кольце якоря 1 и с немагнитным сердечником статора 4; 3) – с ферромагнитной пластиной 2 и треугольным магнитным полюсом 3 закрепленными на стальной обойме якоря 6 и плоскими ферромагнитными вставками 5 установленными на стальном сердечнике статора 7; 4) – с закрепленными магнитами на стальной обойме якоря 6 без ферромагнитных элементов и стальном сердечнике статора 7 без плоских ферромагнитных пластин Рассматривая модель 3, видно, что синхронный генератор, содержащий полюса статора и обойму якоря из электротехнической стали, с добавлением ферромагнитных вставок, треугольных полюсов и плоских ферромагнитных вставок, имеет преимущества над моделями 2 и 4, проявляющимися в минимальном внешнем ФВПЧ1 и выпучивающимся ФВПЧ2магнитных потоках, а также большей плотности силовых линий от постоянных магнитов, стремящихся замкнуться через стальной явно выраженный полюс. В зоне катушки, приближенной к треугольному магнитному полюсу у модели 3, очевидна равномерная ориентация потока между магнитами. Однако у этой модели из-за стальной обоймы якоря и сердечника из электротехнической стали наблюдается серьезный недостаток, проявляющийся в резко возрастающих массогабаритных параметрах стале-магнитной системы по сравнению с моделью 1, в том числе магнитный поток в такой системе неравномерно распределяется по катушке, где большая силовых линий стремится замкнуться через сталь, при этом часть энергии тратится на насыщение стального сердечника. Очевидно, что плотность магнитного потока у модели 3 неравномерна и имеет повышенную концентрацию магнитных линий в стали, что не позволяет полностью использовать весь объем проводника обмотки с достаточной эффективностью. Такая конструкция имеет перспективы использования в системах, где соблюдаются стабильные обороты вращения якоря, так как насыщение, а, следовательно, и намагниченность стали при высокой угловой скорости выводит магнитную систему генератора на максимальную эффективность характеристик магнитного поля в витках катушек.
Исходя из наглядной иллюстрации распределения силовых линий магнитного поля в моделях синхронных генераторов на рисунке 3.1, можно предположить, что конструкция модели 1 имеет магнитостатические преимущества. Благодаря магнитопроводу из ферромагнитных пластин 2, треугольного магнитного полюса 3 и плоских ферромагнитных вставок 5 положительный эффект проявляется в усилении циркуляции и плотности магнитного потока, где его силовые линии без потерь энергии на выпучивание и рассеяние сосредоточенно устремляются через обмотку генератора. Однако выдвинутое предположение необходимо обосновать с помощью исследования характеристик магнитной индукции в рабочем зазоре генератора, где размещаются витки обмотки.
Для определения положительного эффекта сравниваются характеристики индукции в области катушек сравниваемых моделей магнитной системы синхронного генератора. Результаты компьютерного анализа ELCUT обработаны с помощью офиса Microsoft Excel и отображены кривыми индукции на рисунке 3.2. Иллюстрация графиков описывается рядами с номерами моделей (1-4), где L представляет контур исследования среднего сечения по ширине катушки статора.
Результат исследования установил, что магнитная индукция у моделей 1 и 3 с ферромагнитными вставками и треугольными магнитными полюсами имеют наилучшие значения. Средняя магнитная индукция этих моделей в области «обмотка» превосходит в 1,2 - 1,4 раза модель 4, в качестве которой рассматривается конструкция классического генератора, и на 48 % модель 2 без магнитопровода. Повышение индукции в обмотке у модели 1 происходит из-за шунтирования и усиления магнитного поля плоскими ферромагнитными вставками, установленными в качестве противоположных подмагничивающих полюсов у основания обмоток, а также из-за введения ферромагнитных пластин и треугольных магнитных полюсов в моделях 1 и 3, улучшающих распределение и плотность магнитного поля через витки катушки.