Содержание к диссертации
Введение
1. Тенденции развития энергетики в различных регионах и странах мира 5
1.2. Виды и перспективы использования НВИЭ 6
1.3. Проблемы конвертирования энергии морских волн 10
1.4. Цель и задачи диссертационной работы 13
2. Особенности электромагнитных и механрїческих процессов в магнитоэлектрических линейных генераторах для преобразования энергии морских волн 14
2.1. Краткий обзор практически реализованных схем ПЭВ 14
2.1.1. Прибрежные преобразователи, устанавливаемые в береговой линии 14
2.1.1.1. Преобразователь "TAPCHAN" 14
2.1.1.2. Преобразователи, использующие осциллирующий столб щ воды(0\УС) 15
2.1.2. Преобразователи, устанавливаемые на удаленном от береговой линии расстоянии 16
2.1.2.1. Преобразователь «Floating Wave Power Vessel» 16
2.1.2.2. Преобразователь « Mighty Whale» 17
2.1.2.3. Преобразователь «Hose Pump» (шланговый насос) 17
2.1.2.4. Преобразователь «McCabe Wave Pump» 18
2.1.2.5. Преобразователь IPS OWEC Buoy 19
2.1.2.6. Преобразователь «Archimedes Wave Swing» 19
2.2. Выбор видаПЭВ и обоснование его конструкции 20
2.3. Основные характеристики и параметры энергии морских волн 24
2.4. Особенности расчета электромагнитных процессов в линейном генераторе для преобразования энергии морских волн 26
2.4.1. Расчет и анализ характера изменения и значений э.д.с. и токов в обмотке статора МЭЛГ 27
2.4.2. Выбор рациональных значений длин индуктора и статора 39
2.4.3. Выбор параметров механической колебательной системы движения индуктора 43
2.5. Выводы 51
3. Расчет и исследование магнитных полей в магнитоэлектрическом линейном генераторе 54
3.1 Исследование магнитного поля индуктора 54
3.1.1. Влияние пазовой геометрии статора и размеров постоянных магнитов на индукцию в зазоре 54
3.1.2. Трапецеидальные постоянные магниты 61
3.1.3. Влияние высоты постоянного магнита и величины воздушного зазора 62
3.2. Исследование магнитного поля и параметров обмотки статора ЛГПМ 68
3.2.1. Общие замечания и положения 68
3.2.2. Расчетная область и граничные условия при численном моделировании магнитного поля обмотки статора 70
3.2.3. Определение собственных и эквивалентных индуктивностей обмотки статора по продольной и поперечной осям 72
3.2.4. Исследование влияния конструкции индуктора, на индуктивные параметры обмотки статора 76
4. Исследование нагрузочных режимов работы мэлг и пэв в различных схемах питания электропотребителей 84
4.1. Общие замечания и положения 84
4.2. Моделирование и исследование работы МЭЛГна выпрямительную нагрузку 84
4.3. Совместная работа двух линейных генераторов на различные виды нагрузки 93
4.4. Исследование и анализ работы МЭЛГ на автономный инвертор с регулируемым коэффициентом модуляции 98
4.5. Выводы 102
Выводы и заключение 105
Литература 107
- Проблемы конвертирования энергии морских волн
- Выбор видаПЭВ и обоснование его конструкции
- Исследование магнитного поля и параметров обмотки статора ЛГПМ
- Моделирование и исследование работы МЭЛГна выпрямительную нагрузку
Введение к работе
Эволюционный характер развития экономики и энергетики делает возможным составление различных кратко- и среднесрочных прогнозов показателей их изменения для ряда стран и регионов. Так, в частности, по оценкам экспертов Всемирного банка развития и реконструкции [14] темп роста мирового энергопотребления вплоть до 2020 года сохранится на уровне 1980-1990 годов и составит 2,1% в год (см. табл.1 Л). В результате среднее по миру удельное энергопотребление к 2020 году увеличится до 2.9 тонн условного топлива на человека в год (т.у.т. - единица измерения энергии, равная 29,3 ГДж). Мировое потребление конечной энергии может составить в 2050 г. примерно 350 млн. ТДж/год, а в 2100 г. - 450 млн. ТДж/год (при современном потреблении, как видно из табл. 1.2, около 300 млн. ТДж/год).
Структура потребляемой первичной энергии изменится в сторону увеличения доли природного газа (с 21% до 29%), уменьшения доли угля (с 27 до 23%) и уменьшения доли ядерной энергии (с 6 до 3.5%). Доля потребления нефти сохранится достаточно высокой (37 - 39%), а доля возобновляющихся источников энергии стабилизируется на уровне 8%. В последующий период до 2030 г. значительного изменения цен на энергоресурсы не ожидается, и, следовательно, изменение существующей структуры энергетики не произойдет. Однако уже к середине XXI века, в связи с необходимостью в переработке других видов нефти (тяжелая нефть, нефтяные пески, натуральные битумы) и освоения новых месторождений, цена нефти может возрасти в 3 раза, что вызовет кардинальную перестройку структуры энергетики, обусловленную переходом к преимущественному использованию нетрадиционных возобновляющихся источников энергии (НВИЭ), ядерной и термоядерной энергии [14, 74].
Потенциал НВИЭ чрезвычайно велик, но его освоение связано с решением целого ряда технических, экономических и социальных проблем, которые в краткой форме рассмотрены в следующем подразделе введения.
1.2. Виды и перспективы использования НВИЭ
Для удобства сопоставительного анализа потенциала различных видов НВИЭ в табл. 1.3 приведены соответствующие данные по России, полученные Специальной комиссии Комитета Государственной Думы РФ по природопользованию [32].
Как видно из табл. 1.3, несмотря на огромный валовой потенциал, техническая возможность и экономическая целесообразность использования ряда НВИЭ невелики. Так, в частности, ежегодно на Земле образуется около 250 млрд. т биологических продуктов в пересчете на сухую массу. Из них около 0.5% потребляется человечеством в качестве пищи и 0.84% - в качестве топлива. В целом, мировые ресурсы биомассы для энергетики теоретически равны 1700 млн. ТДж/год (50000 млн. т.у.т./год.). Однако технически реализуемые ресурсы составляют всего 96 млн. ТДж/год из-за ограничений, накладываемых на их использование сельским хозяйством (размером и урожайностью биоплантаций) и индустрией конструкционных материалов, а также социальной сферой и экологией. Кроме этого, требуются большие экономические затраты на концентрирование, сбор и переработку биотоплива. Поэтому при валовом потенциале энергии биомассы в России, равном 10000 млн. т.у.т./год, экономический потенциал составляет всего 35 млн. т.у.т./год.
Имея большой экономический потенциал (115 млн. т.у.т./год), геотермальная энергия обладает наиболее низким техническим потенциалом (20 млн. т.у.т./год), так как более 97% геотермальных ресурсов относятся к классу низкопотенциальных (низкотемпературных) и не пригодны для производства электроэнергии. Кроме того, при их использовании из земных недр извлекается большой объем вредных газов и рассолов, а интенсивное освоение геотермальных ресурсов в ограниченном районе может стимулировать землетрясения и вызвать просадки почвы на больших площадях.
Ежегодное поступление солнечной энергии к поверхности земли составляет около 2500 млрд. ТДж/год, но ее мировой экономический потенциал для энергетики равен в настоящее время 183.5 млн. ТДж/год. Распределение его по странам и регионам зависит, естественно, от широты местности и природно-климатических условий. В нашей стране технический потенциал солнечной энергии составляет 2300 млн. т.у.т./год, а экономический потенциал не превышает 13 млн. т.у.т./год, что сопоставимо с энергией ветра, но в пять раз меньше потенциала малой гидроэнергетики (см. табл. 1.3).
Около 25% солнечной радиации, достигающей нижних слоев атмосферы, превращается в кинетическую энергию ветра. По миру в целом ее теоретические ресурсы составляют приблизительно 415 млрд. ТДж/год., что более чем в два раза превышает суммарные извлекаемые традиционные ресурсы нефти, газа и угля. Основной ветропотенциал сосредоточен в прибрежных регионах планеты, которые, за исключением побережья северных морей России, Канады и Аляски, характеризуются высокой плотностью населения, развитыми коммуникациями, промышленностью и сельским хозяйством, что крайне ограничивает возможности размещения и эксплуатации ветряных ферм, поскольку они являются источниками шума и радиопомех, а также визуально загрязняют окружающую среду. Поэтому мировые потенциальные ветроресурсы не превышают 2% от теоретических ресурсов, а технически возможные ресурсы меньше еще на порядок. В нашей стране технический и экономический потенциалы ветроэнергии практически равны потенциалам солнечной энергии и составляют соответственно 2000 млн. т.у.т./год и 10 млн. т.у.т./год.
Важно отметить, что в области ветроэнергетики Россия в 30-60-е годы прошлого столетия была в числе ведущих стран мира. С началом промышленной эксплуатации нефтегазовых месторождений Западной Сибири освоение НВИЭ в стране практически прекратилось - их доля в структуре энергетики стала меньше 1%. Интерес к использованию НВИЭ стал возрастать в начале 80-х годов прошлого века под влиянием мировых энергетических кризисов, удорожания собственной нефтедобычи, растущего беспокойства со стороны ученых по поводу ухудшения состояния окружающей среды. По оценкам экспертов возможный вклада НВИЭ в мировой энергетический баланс в 2020 году достигнет уровня 8 - 12% [13, 14]. Однако в нашей стране, согласно различным сценариям Энергетической стратегии России на период до 2020 года [14], удельный вес НВИЭ в структуре внутреннего потребления всех первичных источников энергии к 2020 году составит лишь 1.7 - 2,5%, что совершенно не способствует устойчивому развитию экономики и только усугубляет отставание нашей страны от ведущих индустриальных стран. Поэтому различные виды НВИЭ следует рассматривать как стратегический ресурс нашего государства. Они должны иметь самостоятельную нишу в перспективной национальной энергетической политике.
Наиболее перспективным видом НВИЭ является энергия морских и океанских волн, имеющая наибольшую плотность по сравнению с остальными возобновляющимися источниками [3, 5, 35, 45]. Так, если период волны составляет 7-10 сек, а ее амплитуда равна 2 м, то среднее значение переносимой мощности достигает 40 - 70 кВт на единицу ширины волны [20, 27, 50 -52, 88].
Мировые ресурсы энергии морских волн составляют ориентировочно 10 ТДж/год. Наиболее благоприятные районы, со среднегодовым уровнем мощности порядка 20-70 кВт/м и выше, располагаются в местах частых и сильных штормов, на широтах порядка 30-60°. Также привлекательными считаются районы, расположенные на широтах ±30°, где постоянно дуют ветры, и более низкий уровень мощности компенсируется более регулярным характером волн [1,2,4, 6, 61].
В настоящее время во многих странах, обладающих значительным потенциалом энергии волн, проводятся интенсивные исследования возможности ее эффективного использования для выработки электроэнергии. Соответствующие проекты в Дании, Франции, Германии, Греции, Ирландии, Италии, Португалии, Нидерландах, Швеции и Великобритании осуществляются при поддержке правительства в научно-исследовательских группах целого ряда университетов, а также на основе их сотрудничества с промышленными предприятиями. Широко используются и возможности совместных теоретических разработок и проектов на международном уровне. В частности, Россия, Индонезия, Иран и Мексика участвуют в работах университетов других стран Европы и Азии. Важная роль в обмене идеями и практическими результатами, в обсуждении возникающих проблем принадлежит международным конференциям по способам конвертирования морской энергии. Эти конференции проводились в Великобритании (1993), Португалии (1995), Греции (1998), Дании (2000), Ирландии (2003) при поддержке Европейской Комиссии, созданной в 1986 г. для наблюдения и координирования проводимых исследований.
Анализ публикаций по результатам выполнения государственных программ и международных проектов [19, 27, 44, 92, 107], а также материалов.; международных конференций [24, 25, 29, 45, 57, 61, 65, 78, 83, 96] показывает, что возможность практического использования энергии морских волн связана с необходимостью решения комплекса сложных научно-технических, технико-экономических, экологических и социальных задач. Часть из них, непосредственно определяющих цель и задачи настоящей диссертационной работы, рассмотрены в следующем подразделе введения.
1.3. Проблемы конвертирования энергии морских волн
Основные проблемы конвертирования энергии морских волн обусловлены самой природой морской стихии, присущей ей нерегулярностью амплитуды, фазы и направления движения волн, малой скоростью их вертикального перемещения ( 1 м/сек), значительными силовыми воздействиями, превышающими их среднее значение в несколько десятков раз во время штормов и ураганов. Поэтому при разработке технологических схем и проектировании преобразователя энергии волн (ПЭВ) необходимо учитывать случайный характер изменения его выходной электрической мощности, низкую и переменную частоту генерируемого несинусоидального напряжения и, как следствие, потребность в утилизации и (или) накоплении энергии, перегрузки в штормовых условиях, коррозию металла в морской воде, влияние ПЭВ на морских рыб, птиц и млекопитающих. Для достижения высокого уровня конкурентоспособности на мировом рынке потребления энергии ПЭВ должен обладать высокой эффективностью и надежностью эксплуатации по сравнению с альтернативными НВИЭ, простотой конструкции и минимальными затратами на обслуживание.
К настоящему времени в мире разработано и практически реализовано большое количество технологических схем, способов и устройств для преобразования кинетической энергии волн в электрическую энергию [15, 16, 19, 26, 30, 33, 34, 49, 53 - 56, 66 - 73, 77, 84, 109, 114]. Среди них конструкции, использующие осциллирующий (колеблющийся) столб воды (OWC) [64, 87, 99 - 102], точечные абсорберы («поплавки») Archimedes Wave Swing (AWS), Point Absorber Wave Energy Converter [45, 64, 108], преобразующие движение волны через механическую или гидравлическую системы в возвратно-поступательное или вращательное движение индуктора электрического генератора, плавающие (Floating Wave Power Vessel [http://www.seabased.com/ (30.06.2004)]) или неподвижные (преобразователь «TAPCHAN» [27, 102]) бассейны, заполняемые набегающими волнами, а также оригинальные системы на основе использования гидравлических насосов Hose Pump [27], McCabe Wave Pump [44, 101], Salter Duck rhttp://www-stud.fht-esslingen.de/proiects/alt energy/water/wave.html, (09.08.2004)], Cockerell Raft [45] и др. [56, 101].
Большинство из отмеченных технологических схем имеют в своем составе турбины, гидравлические насосы и механические редукторы для передачи возвратно-поступательного движения воды или воздуха к традиционному электрическому генератору. Подобные устройства имеют, как будет показано в разделе 2, очень сложную и дорогостоящую конструкцию, что снижает технико-экономические показатели и надежность работы преобразователя, усложняет его обслуживание и эксплуатацию.
Альтернативой указанным устройствам является безредукторный преобразователь, состоящий из магнитоэлектрического линейного генератора (МЭЛГ), соединенного с точечным абсорбером - буем, лежащим на морской поверхности. Наличие «электромагнитного редуктора» в виде многополюсного индуктора с постоянными магнитами позволяет при малой скорости его вертикального перемещения получить в обмотке статора значительную э.д.с, кардинально упростить конструкцию, увеличить эффективность и надежность работы преобразователя. Именно поэтому во многих промышленно-развитых странах мира ведутся интенсивные работы по созданию поплавковых ПЭВ с линейными электрическими генераторами [45, 64], причем, и это важно подчеркнуть, в рамках выполнения государственных программ, то есть при непосредственной финансовой поддержке государства. В выполнении одной из таких программ «Возобновляющиеся источники энергии» на кафедре «Электричество и исследование грозовых разрядов» факультета Электроэнергетики в Университете г. Упсала (Швеция) автор диссертации принимал непосредственное участие [37-7-43].
Анализ публикаций [45, 64] по разработке линейных генераторов с постоянными магнитами показал, что при их расчете и проектировании не рассматриваются, как правило, вопросы рационального выбора геометрических размеров элементов магнитной цепи, не учитываются реальный характер движения индуктора и, главное, необходимость и способы утилизации электрической энергии генератора в условиях нестабильности амплитуды, частоты и направления движения волн. Исследованию этих вопросов, а также разработке методики электромагнитного расчета магнитоэлектрических линейных генераторов для конвертирования энергии морских волн и посвящена настоящая диссертационная работа. Ее цель и основные задачи, определяю щие укрупненную структуру диссертации в качестве законченной научной работы, сформулированы и изложены в последнем подразделе введения.
1.4. Цель и задачи диссертационной работы
Целью диссертационной работы являлась разработка конструкции и практических рекомендаций по расчету и проектированию магнитоэлектрического линейного генератора для конвертирования энергии морских волн на основе математического моделирования и анализа в нем электромагнитных полей и физических процессов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
1. Анализ существующих технологических схем конвертирования энергии морских волн и выбор конструкции разрабатываемого МЭЛГ..
2. Исследование особенностей электромагнитных и механических процессов преобразования энергии в МЭЛГ.
3. Количественная оценка влияния геометрических размеров элементов магнитной цепи МЭЛГ на гармонический состав кривой изменения индукции магнитного поля в воздушном зазоре между статором и индуктором.
4. Расчет и анализ электромагнитных параметров обмотки статора на основе расчета ее магнитного поля по продольной и поперечной осям.
5. Моделирование нагрузочных режимов работы МЭЛГ в различных технологических схемах ПЭВ.
6. Разработка практических рекомендации по расчету и проектированию МЭЛГ на основе полученных в диссертации результатов исследований.
Результатам решения всех указанных задач и посвящены последующие разделы диссертационной работы.
Проблемы конвертирования энергии морских волн
Основные проблемы конвертирования энергии морских волн обусловлены самой природой морской стихии, присущей ей нерегулярностью амплитуды, фазы и направления движения волн, малой скоростью их вертикального перемещения ( 1 м/сек), значительными силовыми воздействиями, превышающими их среднее значение в несколько десятков раз во время штормов и ураганов. Поэтому при разработке технологических схем и проектировании преобразователя энергии волн (ПЭВ) необходимо учитывать случайный характер изменения его выходной электрической мощности, низкую и переменную частоту генерируемого несинусоидального напряжения и, как следствие, потребность в утилизации и (или) накоплении энергии, перегрузки в штормовых условиях, коррозию металла в морской воде, влияние ПЭВ на морских рыб, птиц и млекопитающих. Для достижения высокого уровня конкурентоспособности на мировом рынке потребления энергии ПЭВ должен обладать высокой эффективностью и надежностью эксплуатации по сравнению с альтернативными НВИЭ, простотой конструкции и минимальными затратами на обслуживание.
К настоящему времени в мире разработано и практически реализовано большое количество технологических схем, способов и устройств для преобразования кинетической энергии волн в электрическую энергию [15, 16, 19, 26, 30, 33, 34, 49, 53 - 56, 66 - 73, 77, 84, 109, 114]. Среди них конструкции, использующие осциллирующий (колеблющийся) столб воды (OWC) [64, 87, 99 - 102], точечные абсорберы («поплавки») Archimedes Wave Swing (AWS), Point Absorber Wave Energy Converter [45, 64, 108], преобразующие движение волны через механическую или гидравлическую системы в возвратно-поступательное или вращательное движение индуктора электрического генератора, плавающие (Floating Wave Power Vessel [http://www.seabased.com/ (30.06.2004)]) или неподвижные (преобразователь «TAPCHAN» [27, 102]) бассейны, заполняемые набегающими волнами, а также оригинальные системы на основе использования гидравлических насосов Hose Pump [27], McCabe Wave Pump [44, 101], Salter Duck rhttp://www-stud.fht-esslingen.de/proiects/alt energy/water/wave.html, (09.08.2004)], Cockerell Raft [45] и др. [56, 101].
Большинство из отмеченных технологических схем имеют в своем составе турбины, гидравлические насосы и механические редукторы для передачи возвратно-поступательного движения воды или воздуха к традиционному электрическому генератору. Подобные устройства имеют, как будет показано в разделе 2, очень сложную и дорогостоящую конструкцию, что снижает технико-экономические показатели и надежность работы преобразователя, усложняет его обслуживание и эксплуатацию.
Альтернативой указанным устройствам является безредукторный преобразователь, состоящий из магнитоэлектрического линейного генератора (МЭЛГ), соединенного с точечным абсорбером - буем, лежащим на морской поверхности. Наличие «электромагнитного редуктора» в виде многополюсного индуктора с постоянными магнитами позволяет при малой скорости его вертикального перемещения получить в обмотке статора значительную э.д.с, кардинально упростить конструкцию, увеличить эффективность и надежность работы преобразователя. Именно поэтому во многих промышленно-развитых странах мира ведутся интенсивные работы по созданию поплавковых ПЭВ с линейными электрическими генераторами [45, 64], причем, и это важно подчеркнуть, в рамках выполнения государственных программ, то есть при непосредственной финансовой поддержке государства. В выполнении одной из таких программ «Возобновляющиеся источники энергии» на кафедре «Электричество и исследование грозовых разрядов» факультета Электроэнергетики в Университете г. Упсала (Швеция) автор диссертации принимал непосредственное участие [37-7-43].
Анализ публикаций [45, 64] по разработке линейных генераторов с постоянными магнитами показал, что при их расчете и проектировании не рассматриваются, как правило, вопросы рационального выбора геометрических размеров элементов магнитной цепи, не учитываются реальный характер движения индуктора и, главное, необходимость и способы утилизации электрической энергии генератора в условиях нестабильности амплитуды, частоты и направления движения волн. Исследованию этих вопросов, а также разработке методики электромагнитного расчета магнитоэлектрических линейных генераторов для конвертирования энергии морских волн и посвящена настоящая диссертационная работа. Ее цель и основные задачи, определяю щие укрупненную структуру диссертации в качестве законченной научной работы, сформулированы и изложены в последнем подразделе введения.
Целью диссертационной работы являлась разработка конструкции и практических рекомендаций по расчету и проектированию магнитоэлектрического линейного генератора для конвертирования энергии морских волн на основе математического моделирования и анализа в нем электромагнитных полей и физических процессов. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
Выбор видаПЭВ и обоснование его конструкции
За исключением ПЭВ с точечными абсорберами, все рассмотренные в 2.1 преобразователи имеют весьма сложную конструкцию и большие мас-согабаритные показатели, содержат в своем составе гидравлические или воз-душные турбины, механические редукторы и вращающиеся электрические генераторы, трудоемки в изготовлении и эксплуатации. ПЭВ с точечными абсорберами и многополюсными линейными генераторами, благодаря непосредственной связи абсорбера с индуктором генератора, лишены указанных недостатков и, как следствие, имеют высокую надежность и эффективность эксплуатации, что делает их наиболее перспективными для массового практического использования.
Совершенствуя конструкции ПЭВ с точечными абсорберами в направ лении их упрощения и повышения надежности, на кафедре «Электричество и # исследование грозовых разрядов» факультета Электроэнергетики в Универ ситете г. Упсала (Швеция) в рамках выполнения государственной программы «Возобновляющиеся источники энергии» был разработан при непосредственном участии автора диссертации ПЭВ, элементы конструкции которого представлены на рис. 2.9. Рис. 2.9. Конструктивная схема разработанного ПЭВ
Разработанный ПЭВ состоит из линейного генератора, статор которого жестко укрепляется на фундаменте, неподвижно лежащем на морском дне, а индуктор соединен тросом с буем и связан пружиной с фундаментом. Буй движется вверх и вниз, следуя за волной, приводя в возвратно-поступательное движение индуктор генератора. На поверхности индуктора закреплены постоянные магниты из композиционного материала NdFeB, что позволяет сделать их размеры небольшими и всю машину компактнее, поскольку такие магниты создают значительный магнитный поток по сравнению с магнитами из менее намагниченного материала того же размера. Число магнитов (пар полюсов р) выбирается максимально возможным (по электромагнитным и технологическим ограничениям) для заданной длины статора, определяемой двойной амплитудой волны 2А. Тем самым решается проблема малой ( 1 м/с) скорости движения волн и, как следствие, низкой мощности, генерируемой преобразователями, приводимыми в движение точечными аб сорберами. Наличие «электромагнитного редуктора» («электромагнитной коробки передач») в виде многополюсного индуктора с постоянными магнитами позволяет получить в трехфазной обмотке статора значительную для дальнейшего преобразования э.д.с, увеличить эффективность и надежность работы преобразователя в целом.
Важным вопросом обоснования конструкции магнитоэлектрического линейного генератора (МЭЛГ) является выбор числа его секторов п - числа независимых отдельных МЭЛГ, закрепленных в общем, корпусе (см. рис.2.9). В публикациях по расчету МЭЛГ [37, 38, 40] рассматривается возможность намотки проводников обмотки статора вокруг его цилиндрической или многогранной поверхности, что позволяет, по мнению авторов, за счет отсутствия лобовых частей уменьшить активные и индуктивные сопротивления обмотки, улучшить использование меди, уменьшить электрические потери и увеличить к.п.д. генератора. При этом, однако, не учитывается, что соленоидальная обмотка статора потребует формирование иных путей протекания униполярного магнитного потока индуктора, что может привести к увеличению массы ферромагнитных материалов, усложнению конструкции и повышению стоимости изготовления генератора.
При многогранной конструкции статора рациональный выбор п зависит от степени использования меди обмотки - соотношения активной длины проводника обмотки секции статора 1а и длины его лобовой части /, = (1.2-М .3)-т, или, как нетрудно показать, от отношения наружного диаметра статора Д. к полюсному делению т. Действительно, суммарная длина меди активной части всех секторов МЭЛГ где Z - число пазов статора, Sn - число проводников в пазу, a N- полное число проводников обмотки статора.
Исследование магнитного поля и параметров обмотки статора ЛГПМ
При расчете собственных и взаимных индуктивностей фаз обмотки статора линейного генератора достаточно принимать в рассмотрение лишь двойное полюсное деление 2т, являющееся элементом симметрии магнитной цепи МЭЛГ. При проведении компьютерного моделирования при помощи вычислительного пакета Elcut 5.3 в данной работе магнитные поля обмотки статора рассчитываются на трех двойных полюсных делениях, а собственные, взаимные и эквивалентные индуктивности фаз определяются на центральном двойном полюсном делении, с фазными зонами (см. рис.3.14) А\ — Z\-B\-X\-C\- Y\, поскольку в этой области магнитное поле симметрично. Очевидно, что количество двойных полюсных делений может быть выбрано любым, более того можно рассматривать одно двойное полюсное деление, ограничив его ферромагнитными пластинами с двух сторон для обеспечения пути протекания магнитного потока.
В практике расчетов электрических машин для определения индуктивностей обмоток используются два метода: расчет через потокосцепление с контуром или через энергию магнитного поля отдельных областей электрической машины [9, 22, 28]. Первый способ используется при определении взаимных индуктивностей обмоток, имеющих относительно несложную конфигурацию. Второй способ применяется в случае сложных систем обмоток, используя векторный потенциал магнитного поля А, который определяется из уравнения Пуассона: где j - плотность тока и // - магнитная проницаемость среды.
Связь между энергией и векторным потенциалом определяется соотношением вида:
Применение энергетического способа является целесообразным, когда ввиду сложного характера поля приходится полные индуктивности разбивать на составляющие, соответствующие отдельным областям пространства, таким как, например области активных и лобовых частей. При этом линии магнитной индукции проходят через поверхности раздела подобных областей и подразделение индуктивностей на составляющие возможно лишь тогда, когда они определяются через энергию магнитного поля соответствующих областей [9, 48, 63]. В теории электрически машин широко используется понятие эквивалентной индуктивности фазной обмотки для симметричной системы токов.
Энергия, запасенная в магнитном поле, выражается через токи фаз (контуров) и их собственные и взаимные индуктивности следующим образом:
Эквивалентная индуктивность фазы обмотки с учетом взаимных индуктивностей соседних фаз, когда векторы токов составляют симметричную звезду, может быть выражена как: где т - число фаз обмотки, 1т - амплитуда тока в фазе обмотки [9, 85, 86].
В модели, содержащей несколько контуров с различными токами, пото-косцепление с одним из контуров выражается следующим образом:
При расчете магнитного поля помощью лицензированной программы Elcut 5.3, задавая один из его источников и отключая все остальные, через соответствующие потокосцепления можно определить собственную индуктивность контура и взаимные индуктивности его с другими контурами, а при использовании энергетического подхода можно определить только собственную индуктивность контура.
В данной работе индуктивности определяются и сопоставляются с помощью обоих вышеуказанных подходов. Схематичное изображение области моделирования для определения ин-дуктивностей обмотки при активной нагрузке показано на рис. 3.14. На границе расчетной области, изображенной на рис. 3.14, задано условие нулевого векторного магнитного потенциала А = О, что позволяет удерживать магнитное поле вн три исследуемой области.
Моделирование и исследование работы МЭЛГна выпрямительную нагрузку
Для понимания сущности и особенностей работы МЭЛГ на выпрямительную нагрузку сначала была смоделирована и рассмотрена работа лишь одной его фазы (однофазный генератор) через мостовой диодный выпрями Математическая модель однофазного линейного генератора, показанная на рис. 4.1, состоит из подсистемы Real Generator (см. рис. 4.2,а), работающей через последовательную ветвь собственных параметров генератора на выпрямительный диодный мост Universal Bridge, подключенный через разделительный диод к активно-индуктивной нагрузке. Для измерения действующих значений напряжений и токов разработана подсистема, представленная на рис. 4.2,6 (на рис. 4.1 Subsystem 1 - 4 и 7), а для определения среднего значения мгновенной мощности (тока, напряжения)- подсистема, показанная на рис. 4.2,в (на рис. 4.1 Subsystem 5,6 и 8). В качестве метода интегрирования (Туре) исходных дифференциальных уравнений был выбран ode 15s -многошаговый метод переменного порядка (от 1 до 5), использующий формулы численного дифференцирования [113]. При этом время решения задачи составляло от 80 до 600 с. Для визуального наблюдения за характером изменения во времени измеряемых параметров использовались виртуальные осциллографы (Scope). В целом, модель позволяет исследовать характер изменения во времени и измерить действующие и средние значения напряжений, токов и мощностей в генераторе и в выпрямительной нагрузке при широком варьировании ее параметров в любой момент времени.
На рис. 4.3, в качестве иллюстративного примера, представлены зависимости напряжений и токов в линейном генераторе ugen, igen и в его нагрузке после выпрямителя ung, ing, а в табл.4.1 сведены расчетные данные для трех режимов работы генератора при активной и активно-индуктивной нагрузках.
Как видно из рис.4.3 и данных табл. 4.1, несмотря на увеличение в два раза частоты пульсаций выходного напряжения выпрямительного моста по сравнения с частотой напряжения генератора и соответствующего возрастания индуктивного сопротивления нагрузки, действующие значения токов в генераторе и в нагрузке увеличиваются благодаря, как известно, противо-э.д.с. катушки индуктивности, то есть энергетическая эффективность работы генератора на выпрямительную нагрузку выше (в рассматриваемом примере на 52%), чем на ту же нагрузку без выпрямления. Вместе с тем, характер выпрямленного напряжения, обусловленный по-прежнему модуляцией низкой частотой морской волны, не позволяет использовать его для последующего инвертирования без аккумулирования энергии или использования пассивных интегрирующих цепей. Поэтому несомненный интерес представляет рассмотрение работы генератора при шунтировании цепи нагрузки (выпрямителя через развязывающий диод) емкостью.
РисАА. Зависимости напряжений и токов в линейном генераторе ugen, igen и в его нагрузке после выпрямителя ung, ing.
С теоретической точки зрения при сохранении параметров нагрузки (R = 40 Ом и L = 0.4 Гн) значение шунтирующей емкости Сш должно быть выше 0.01 Ф (10000 мкФ). Для максимальной наглядности была рассмотрена работа МЭЛГ и ПЭВ при значении Сш = 0.1 Ф. Соответствующие зависимости и энергетические показатели представлены на рис. 4.4 и в табл.4.1. Из их рассмотрения следует, что пульсации напряжения на нагрузке не превосходят 15%, ток в генераторе и его мощность составляют соответственно 49.2 А и 29270 Вт, а в нагрузке - 24.73 А и 24480 Вт. Таким образом, за счет увеличения практически в 2 раза тока в генераторе и на 16% его мощности по
