Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, постановка задач и выбор методов исследования 16
1.1 Ветроэнергетика как альтернатива традиционным способам производства электрической энергии 16
1.2 Особенности функционирования ветроэлектроэнергетических установок и специфические требования, предъявляемые к электрогенераторам 18
1.3 Современное состояние теории и практики в области проектирования и применения специализированных индукторных генераторов для ВЭУ 26
1.4 Обоснование использования сегментной конструкции генератора для безредукторной ветроэлектроэнергетической установки 29
1.5 Выбор конструктивной схемы генератора 33
1.6 Выбор метода расчёта и оптимизации магнитной системы 39
1.7 Выводы 41
2. Индукторный генератор для ветроэлектроэнергетической установки с вертикальным ветроколесом 43
2.1 Выбор конфигурации магнитной системы 43
2.2 Исследование работы генератора 50
2.2.1 Режим холостого хода 51
2.2.2 Приведение намагничивающей силы рабочей обмотки к намагничивающей силе обмотки возбуждения 53
2.2.3 Результирующий поток при нагрузке 60
2.2.4 Коэффициенты магнитного поля 65
2.2.5 Основные параметры рабочей обмотки 67
2.3 Кривая магнитного потока в воздушном зазоре 69
2.4 Выбор формы пазов 76
2.5 Анализ влияния геометрии паза на энергетические показатели генератора 78
2.6 Результаты испытания макетного образца индукторного генератора 82
2.6.1 Сравнение результатов вычислительных экспериментов и результатов полученных в ходе испытания физической модели 84
2.6.2 Исследование зависимости выходных параметров генератора от скорости вращения ветроколеса 85
2.6.3 Исследование внешних характеристик генератора 86
2.7 Выводы 87
3. Индукторный генератор для сегментной ветроэлектроэнергетическои установки 88
3.1 Выбор магнитной системы для сегментного генератора 88
3.2 Анализ влияния геометрии многополюсной системы на энергетические показатели генератора 96
3.3 Исследование влияния формы сегментного роторного элемента сегментного генератора на выходные параметры ветроэлектроэнергетическои установки 99
3.4 Метод расчёта сегментного генератора 105
3.5 Исследование механического усилия, возникающего между статарным модулем и сегментным роторным элементом 110
3.6 Исследование двухстороннего статорного модуля безредукторной ветроэлектроэнергетическои установки сегментного типа 113
3.7 Краевой эффект 115
3.8 Расчёт ЭДС сегментного генератора на холостом ходу 119
3.9 Результаты испытаний ветроэлектроэнергетическои установки с встроенным сегментным генератором индукторного типа 121
3.9.1 Сравнение результатов полученных в ходе вычислительных экспериментов и на макетном образце 123
3.9.2 Исследование работы генератора на холостом ходу 123
3.10.Выводы 125
4. Общие вопросы проектирования генератора для безредукторной ветроэлектроэнергетической установки 126
4.1 Согласование работы генератора с нагрузкой 126
4.2 Регулирование выходной мощности ветроэлектроэнергетической установки 128
4.3 Теория подобия ветроколёс интегрированных с сегментным генератором 136
4.3.1 Условия подобия ветроколёс 136
4.3.2 Формулы подобия 141
4.3.3 Критерий подобия генератора 145
4.4 Тепловой расчёт 147
4.5 Выводы 151
5. Технологические и технико-экономические показатели генератора 152
5.1 Технология изготовления гребенчатой зубцовой зоны 152
5.2 Исследование влияния технологических погрешностей на энергетические показатели генератора 153
5.3 Сравнительный анализ эффективности сегментных ветроэлектроге-нераторов 156
5.4 Перспективность разработанных конструкций 158
Заключение 160
Список литературы 161
- Особенности функционирования ветроэлектроэнергетических установок и специфические требования, предъявляемые к электрогенераторам
- Приведение намагничивающей силы рабочей обмотки к намагничивающей силе обмотки возбуждения
- Исследование влияния формы сегментного роторного элемента сегментного генератора на выходные параметры ветроэлектроэнергетическои установки
- Исследование влияния технологических погрешностей на энергетические показатели генератора
Введение к работе
Актуальность работы
В последнее время, не только в нашей стране, но и во всём мире, всё более актуальным становится вопрос об истощении запасов «традиционных» источников энергии, таких как нефть, каменный уголь, природный газ. По прогнозу Международного энергетического агентства, при сохранении современных тенденций в мировой энергетике, в период до 2020 г глобальное потребление первичных энергоресурсов может возрасти на 65%. При современных темпах роста потребления ископаемых видов топлива запасов нефти хватит максимум на 75 лет, природного газа - не более чем на 100 лет, угля - на 200 лет.
Кроме этого, в последнее десятилетие во всём мире также актуальным становится вопрос об ухудшении экологической обстановки, а, как хорошо известно, существующие на сегодняшний день технологии получения энергии от ископаемых источников являются одними из наиболее «экологически грязных». В связи с этим, в конце 1997 года на третьей Конференции Сторон Рамочной Конференции ООН по Изменению Климата (РКИК) в Киото, был принят Киотский Протокол РКИК, закрепляющий количественные обязательства развитых стран и стран с переходной экономикой, включая Россию, по ограничению и снижению поступления парниковых газов в атмосферу.
В связи с вышеизложенным, во всём мире возрастает интерес к альтернативным источникам энергии, позволяющим использовать энергию возобновляемых, экологически чистых источников.
Из отраслей энергетики, использующих альтернативные возобновляемые источники энергии, наиболее динамично развивается ветроэнергетика.
В приложении ] показаны производство электроэнергии на ветровых установках в 2000 - 2003 годах, прирост и темпы прироста ее производства за
9 месяцев 2003 года и основные показатели насыщенности энергетического рынка различных стран электроэнергией, произведенной путем преобразования энергии ветра.
По состоянию на конец сентября 2003 года мировое производство
энергии на ветроэнергетических установках приблизилось к 16 000 МВт в год,
что превысило прогнозный показатель на весь 2003 год. При таких темпах прироста ожидается, что, когда данные 2003 года будут обобщены, то производство энергии составит около 16 660 МВт в год, а темпы прироста достигнут 22,66 % при первоначальном прогнозе 20 %.
Долгое время, ведущее место в мире по использованию энергии ветра занимали США. И наибольшее развитие эта отрасль получила в штате Калифорния. Однако, в середине 90-х годов прошлого века по объему установленных ветроэнергетических мощностей Европа (2420 мВт) опередила США (1700 мВт). Среди европейских стран, наиболее успешно развивающих эту отрасль, следует выделить Данию, Германию и Испанию. Например, в земле Шлезвиг-Гольштейн в 2000 году ветроэнергетика обеспечивала 5% потребностей населения в электроэнергии.
В СССР пик активности в разработке ветроэлектроэнергетических установок (ВЭУ) приходился на конец пятидесятых, начало шестидесятых годов прошлого столетия. После чего последовали десятилетия застоя, так как считалось, что широкое применение ветрогенераторов экономически нецелесообразно, поскольку энергия, получаемая от "классических" источников (ГЭС, АЭС, ТЭЦ), дешевле.
Интерес к данному виду энергетики возродился в конце восьмидесятых -начале девяностых годов прошлого века в связи с энергетическим кризисом. Однако в результате произошедших политических процессов и последовавшим за ними экономическим кризисом, начатые разработки не были закончены, и программа не была доведена до конца. В настоящее время, в условиях
затяжного кризиса большой энергетики, вновь пробудился интерес к нетрадиционным возобновляемым источникам энергии.
В российской ветроэнергетике в настоящее время имеется ряд технико-экономических проблем, препятствующих ее более широкому применению. Одна из них - невысокая частота вращения первичного двигателя - ветроколеса, обусловленная малой плотностью энергии ветра. Это обстоятельство обуславливает необходимость применения между ветроколесом и электрогенератором достаточно сложной трансмиссии. В состав трансмиссии, как правило, входит повышающий редуктор - мультипликатор, так как выпускаемые промышленностью электрические генераторы, которые разработчики вынуждены применять в ВЭУ, не предназначены для работы на столь низких частотах вращения.
Стоимость и масса мультипликатора растут с увеличением передаточного числа при одновременном снижении надёжности. Мультипликатор по стоимости является вторым узлом после генератора практически в любой автономной энергетической установке, и его исключение одновременно со снижением стоимости и массы установки повышает надежность станции и упрощает ее эксплуатацию. Проблема может быть решена путем применения в составе ВЭУ электрогенераторов с низкими номинальными частотами вращения, что позволит упростить конструктивные схемы, уменьшить габариты и снизить массу мультипликаторов, либо совсем отказаться от них.
Однако серийное производство специализированных генераторов электроэнергии для ветроэлектроэнергетических установок в России в настоящее время не ведется. Одной из главных причин является отсутствие подходящих конструктивных решений. В данном направлении имеются очень немногочисленные разработки, носящие экспериментальный или исследовательский характер.
Кроме того, в последнее время всё более актуальным становится вопрос интеграции электрической машины и устройства, в состав которого она входит, с целью уменьшения массогабаритных и стоимостных показателей установки,
Изложенное определяет целесообразность и актуальность проведения исследований, направленных на разработку специального генератора для ветроэлектроэнергетической установки (ВЭУ).
Настоящая работа посвящена вопросам, связанным с разработкой конструкции генератора для безредукторной ветроэлектроэнергетической установки.
Тематика диссертационной работы соответствует одному из основных научных направлений Воронежского государственного университета «Вычислительные системы и программно-аппаратные электротехнические комплексы».
Актуальность работы подтверждается включением темы: «Исследование и разработка теоретических основ и практических аспектов технологии использования энергии нетрадиционных возобновляемых источников на территориях с низкими скоростями ветра и средней солнечной активностью» в перечень научно-исследовательских работ Воронежского государственного технического университета, финансируемых из государственного бюджета России в 2000 - 2004 г. (тема ГБ 2000.01). Непосредственным исполнителем научных исследований и разработок является кафедра электромеханических систем и электроснабжения, где выполнена настоящая диссертационная работа.
Работа велась также в рамках научно-технической программы «Исследование сегментных ветрогенераторов», являющейся региональной частью научно-технической программы Министерства образования Российской Федерации 206.05 «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии».
Объектом исследования является электрический генератор индукторного типа, предназначенный для работы в составе безредукторной ветроэлектроэнергетической установки.
Целью работы является разработка и исследование сегментного (дугостаторного) электрического генератора индукторного типа для ветроэнергетической установки, который, обладая простотой и технологичностью конструкции, при малой себестоимости, позволил бы исключить из конструкции установки повышающий редуктор. Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
обоснован выбор и разработка конструкции сегментного (дугостаторного) индукторного генератора с возбуждением от постоянных магнитов, непосредственно соединённого с ветроколесом;
- разработана математическая модель сегментного (дугостаторного)
индукторного генератора и с её помощью получены статические
характеристики генератора, проведены теоретические и экспериментальные
исследования магнитного поля в активном объёме сегментного
(дугостаторного) генератора, а также исследованы электромагнитные,
механические и тепловые процессы в номинальном режиме работы;
- произведена проверка адекватности математической модели на основе
комплексных экспериментальных исследований опытных образцов.
Методы исследования:
Исследования проводились с помощью математических и экспериментальных методов, базирующихся на использовании теории электрических машин, электропривода, теории автоматического управления, численных и аналитических методов решения дифференциальных уравнений, методов моделирования,
В работе получены следующие результаты, отличающиеся научной новизной:
Рекомендации на основе комплексного анализа по использованию нетрадиционного способа электромеханического преобразования кинетической энергии ветра в электрическую, при помощи индукторного генератора, интегрированного с ветроколесом, отличающегося эффективным использованием энергии ветра.
Обобщённая математическая модель, характеризующая массогабаритные показатели сегментного исполнения генератора, при этом показатели характеризующие дугостаторное и классическое исполнение, являются частными случаями этой модели.
Рациональный набор типовых магнитных систем, интегрированных с рабочим механизмом, обеспечивающих максимальное изменение амплитуды магнитного потока, охватывающего рабочую обмотку, на основе моделирования магнитных полей, а также варианты магнитных систем, отличающиеся от известных возможностью работы одного статорного модуля на два ветроколеса.
Формализованная связь между формой сегментного роторного элемента и основными характеристиками индукторного генератора, предложена рациональная конструкция сегментного роторного элемента.
Взаимная связь параметров индукторного генератора и его конструкции, отличающаяся от известных учётом краевых эффектов.
Методика, позволяющая осуществлять согласование сегментного (дугостаторного) генератора с нагрузкой.
Практическая ценность:
- разработаны перспективные конструктивные схемы генераторов с возбуждением от постоянных магнитов для ветроэнергетической установки, имеющие улучшенные массогабаритные показатели по сравнению с известными.
- разработаны рекомендации по использованию электрических
генераторов индукторного типа для работы в составе ВЭУ с вертикальными и
горизонтальными ветроколёсами.
- модифицирована методика расчёта дугостаторных и сегментых
генераторов.
проведено комплексное исследование научно-технической и технологической проблемы интеграции индукторного генератора и ветроколеса.
проведено комплексное компьютерное моделирование влияния геометрических размеров паза на величину изменения магнитного потока, охватывающего рабочую обмотку, выработаны рекомендации, позволяющие выбрать рациональную геометрию паза.
Достоверность полученных результатов следует из адекватности и корректности применяемых в работе теоретических и экспериментальных методов, а также сходимости расчётных и экспериментальных зависимостей.
Реализация работы:
- Основные теоретические и практические результаты работы внедрены
в учебный процесс кафедры «Электромеханических систем и
электроснабжения» Воронежского государственного технического
университета в лабораторный практикум по дисциплине «Технологии
использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии».
- Результаты теоретических и экспериментальных исследований,
проведённых в работе, внедрены в ОАО «Агроэлектромаш» (г. Воронеж).
Апробация работы: основные положения диссертации докладывались на региональной научно-технической конференции «Автоматизация и роботизация технологических процессов», г. Воронеж 2000 г.; на межвузовской научно-технической конференции «Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники», г. Воронеж, 2002, 2003 г.; на региональной научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях,
14 проектировании, управлении, производстве», г. Воронеж, 2003 г.; на шестой региональной молодёжной научной и инженерной выставке «Шаг в будущее, Центральная Россия», г. Липецк, 2003 г.; на VI Международном инновационном салоне «Инновации и инвестиции» г. Москва, 2004 г.; на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного технического университета (г. Воронеж 2001-2003 г.); на научных семинарах кафедр «Электромеханических систем и электроснабжения» и «Автоматика и информатика в технических системах» Воронежского государственного технического университета. Основные положения выносимые на защиту:
1. Комплексная модель генератора с использованием различных
конфигурации магнитных систем сегментного (дугостаторного) генератора в
зависимости от конструкции ветроколёс, в том числе с возможностью работы
на два ветроколеса.
2. Рекомендации по выбору геометрических размеров сегментных
роторных элементов в составе типовых конфигураций магнитных систем.
3. Система критериев подобия, позволяющая экстраполировать
полученные в диссертационной работе результаты на ветроагрегаты большей
мощности;
4. Методика расчёта специфического импульсного режима работы
сегментного генератора с использованием разностных уравнений.
Публикации Основное содержание диссертации отражено в 9 печатных работах.
В работах опубликованных в соавторстве, и приведённых в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: в /12, 13, 40/ - проведён анализ возможных конфигураций магнитных систем; в работе /59/ - проведено компьютерное моделирование магнитных полей в активной зоне исследуемого генератора; в /41/ - проведён анализ возможных конструктивных решений
15 ветроэлектроэнергетической установки; в /42/ - главы четвёртая и пятая; в /62/ - разработана конструктивная схема дугостаторного индукторного генератора.
Структура и объём работы: Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 182 страницы машинописного текста, 87 иллюстраций, 2 таблицы и список литературы из 82 наименований.
Первая глава диссертационной работы посвящена анализу современного состояния вопроса разработки и исследования электрических генераторов для ветроэлектроэнергетических установок. Кроме этого, в первой главе произведён выбор конструктивных схем для разрабатываемого генератора, обоснована целесообразность использования сегментного генератора для ВЭУ с вертикальным ветроколесом.
Во второй главе приведены результаты выбора конфигурации магнитной системы низкооборотного дугостаторного генератора для ВЭУ с вертикальным ветроколесом. Представлена методика расчёта электромеханических процессов, и результаты компьютерного моделирования распределения магнитного потока в воздушном зазоре и результаты испытания макетного образца.
Третья глава посвящена вопросу разработки и исследования генератора для безредукторной ветроэлектроэнергетической установки (БВЭУ) с горизонтальным ветроколесом. В ней рассмотрена методика расчёта специфического импульсного режима работы сегментного генератора, с учётом влияния краевого эффекта на выходные параметры генератора.
В четвёртой главе рассмотрены вопросы согласования генератора с нагрузкой, приведена теория подобия сегментного генератора, позволяющая экстраполировать результаты, полученные на макетных образцах, на реальные ветроэлектроэнергетические установки.
В пятой главе рассмотрены вопросы технологии изготовления и экономичности разработанных конструкций генераторов.
Особенности функционирования ветроэлектроэнергетических установок и специфические требования, предъявляемые к электрогенераторам
Ветроэнергетика уже давно стала самостоятельной отраслью энергетики во всём мире. На сегодняшний день в развитых и развивающихся странах функционируют сотни тысяч различных ветроагрегатов различающихся как по назначению, так и по конструкции. Однако с конца прошлого столетия основным применением ветротехники стало производство электрической энергии. В специальной литературе /63/ предлагается следующая классификация ветро-электроэнергетических установок по назначению и мощности: "Фермер" (до 50 кВт), "Микроэлектроустановки" (до 100 кВт), "Малые электроустановки" (до 250 кВт)» "Средние электроустановки" (до 600 кВт), "Большие электроустановки" (до 1000 кВт), "Малые электростанции" (свыше 1000 кВт).
Основными элементами типовой современной ветроэлектроэнергетиче-скоЙ установки средней и большой мощности являются: ветроколесо, повышающий редуктор, генератор, башня, система автоматического управления и регулирования, которая обеспечивает ориентацию ветроколеса на ветер, систему буревой защиты, систему регулирования выходного напряжения и другие вспомогательные системы. ВЭУ малой мощности в целях экономии капиталовложений, как правило, имеют упрощённую конструкцию, обладающую худшими аэродинамическими характеристиками и лишь элементарными средствами регулирования.
На сегодняшний день наибольший интерес в российской ветроэнергетике вызывает вопрос создания высокоэффективных установок малой и средней мощности (класс «Фермер»). Это связано с тем, что на большей территории нашей страны преобладают ветра с малой энергией, порядка 5..8 м/с. Следствием этого является невысокая скорость вращения первичного двигателя - ветро-колеса.
В текущий момент времени современная ветроэнергетика, основанная на использовании традиционных электрических машин, в своем развитии зашла в экономический тупик. Это обусловлено действием нескольких факторов:
во-первых, рост единичных мощностей приводит к увеличению диаметра ветроколес и соответственно уменьшению угловой скорости, что ведет к усложнению установки, которое обусловлено использованием редуктора, удорожанию башни, которая рассчитывается как на массу генератора, так и на массу редуктора;
во-вторых, возможное использование ветроплотин на основе применения большого числа маломощных быстроходных ветроколес малого диаметра не решает проблему из-за несоответствия угловых скоростей даже быстроходных ветроколес угловым скоростям генераторов. Устранение этого несоответствия обычно требует многополюсного исполнения генераторов, что дополнительно усложняет и удорожает ветроагрегат;
в-третьих, любые модификации ветроприемников, в том числе использование крыльчатых движителей с вертикальной осью вращения, не увеличивают кардинальным образом соотношение эффективность/цена, а наоборот ведут к уменьшению этого соотношения за счет необходимости затрат на такие модификации, например, на пусковые устройства для крыльчатых движителей с вертикальной осью.
Таким образом, назрела необходимость нового решительного прорыва в создании ветроэлектроагрегатов, которые обладали бы уменьшенными массо-габаритными показателями. Это, в свою очередь, могло бы способствовать широкому продвижению в практику устройств промышленной ветроэнергетики высокой эффективности.
Коротко укажем пути достижения этой цели: - удаление промежуточной трансмиссии; - использование высоких окружных скоростей концов лопастей ветроко-лес. - увеличение нагрузки и улучшение теплофизических и механических характеристик; - переход к сегментной (дугостаторноЙ) конструкции генераторов Особенности функционирования ветроэлектроэнергетических установок и специфические требования, предъявляемые к электрогенераторам Отличительной особенностью автономных систем электроснабжения является специфичность конструкций и характеристик электрических машин, что объясняется специальными условиями эксплуатации и требованиями, которые предъявляются к ним: - высокая надёжность; - максимальная простота и технологичность изготовления; - удовлетворительные массогабаритные показатели; - малая себестоимость; - простота обслуживания. На сегодняшний день ветроэлектроэнергетические установки малой и средней мощности, как правило, работают на аккумуляторную нагрузку, в связи с этим необходимо иметь на выходе ВЭУ постоянное напряжение. Этого можно достигнуть несколькими путями: либо используя генератор постоянного тока, либо синхронный генератор с выпрямителем. Но при использовании машины постоянного тока существенно снижается надёжность и долговечность установки в целом из-за наличия коллекторно-щёточного узла. Во-первых, по имеющимся статистическим данным щеточный контакт при нормальных условиях работы наряду с изоляцией и подшипниковыми узлами вызывает наибольшее число отказов в работе электрических машин. Например, для коллекторных машин постоянного тока в среднем 25% отказов происходит из-за выхода из строя щеточно-коллекторного узла (в транспортных установках доля таких отказов достигает 44 ...66%). Во-вторых, щеточный контакт создает дополнительные электрические и механические потери, является источником шумов и помех. В-третьих, щеточный контакт значительно сокращает срок службы (ресурс) электрической машины. Наконец, щеточный контакт усложняет обслуживание машины, загрязняет внутренние полости машины графитовой пылью, снижающей электрическую прочность изоляции, препятствует применению в машине высокоэффективного струйного жидкостного охлаждения, ухудшает стабильность параметров машины и т. п. Кроме синхронных генераторов и генераторов постоянного тока в современных ветроэнергетических установках широкое применение нашли и асинхронные генераторы. Но их применение ограничено высокими скоростями вращения. В связи с изложенным, в последние годы в автономных объектах электроснабжения широкое применение получили бесконтактные генераторы различных конструкций: с вращающимися выпрямителями, индукторные, магнитоэлектрические, комбинированного возбуждения, асинхронные, с внутризамк-нутым магнитопроводом (сексины), каскадного типа и др. В ряде случаев для ветроэлектроэнергетических установок используются не только серийные генераторы, но и специализированные, разработанные под конкретные установки.
Приведение намагничивающей силы рабочей обмотки к намагничивающей силе обмотки возбуждения
Для выбора оптимальной геометрии магнитной системы безредукторной ветроэлектроэнергетической установки сегментного типа был проведён ряд вычислительных экспериментов.
В ходе вычислительных экспериментов было проведено сравнение магнитных систем с разным числом полуполюсов и числом зубцов на полуполюсе, при этом использовалась сталь одной и той же марки и магниты одинакового объёма и марки, аксиальная длина всех исследованных магнитных систем составляет 20 миллиметров. Как известно, электродвижущая сила в обмотке возбуждения зависит от магнитного потока, охватывающего рабочую обмотку, поэтому при исследовании магнитных систем за критерий сравнения было выбрано изменение магнитного потока через рабочую обмотку.
На рисунке 3.1 рассмотрена магнитная система с тремя зубцами на полуполюсе шириной 1,6 миллиметров. Подобная конфигурация была использована в генераторе для ветроэлектроэнергетической установки с вертикальным ветроколесом, рассмотренного во второй главе. У данной конфигурации магнитной системы максимальное значение основного магнитного потока составляет 108Е-06 Вб, а потока рассеяния 188Е-07 Вб. Таким образом, у третьей магнитной системы изменение магнитного потока через рабочую обмотку составляет 1784Е-07 Вб.
На рисунке 3.2 представлен второй вариант магнитной системы. Исследуемая система имеет два зубца на полуполюсе, ширина зубца составляет 2,7 миллиметра. В представленной магнитной системе максимальное амплитудное значение основного магнитного потока составляет 144Е-06 Вб, а потока рассеяния 1614Е-08В6. Следовательно, изменение магнитного потока, охватывающего рабочую обмотку, составляет 25572Е-08 Вб. Обе эти конструкции магнитной системы относятся к магнитным системам с гребенчатой зубцовой зоной. Такая конфигурация, как уже говорилось выше, позволяет получать высокие значения частоты, что позволяет получать при низкой скорости вращения промышленную частоту тока. Но в случае ветроэнергетической установки сегментного типа, сегментные роторные элементы будут размещены на лопастях ветроколеса, а, следовательно, даже при малых скоростях вращения ветроколеса будут иметь высокую линейную скорость. В связи с этим нет необходимости использовать в разрабатываемом генераторе гребенчатую зону. Исходя из вышеизложенного, в дальнейшем рассматривались магнитные системы без зубцов на полуполюсах, причём ширина полуполюсов всех исследуемых систем была одинакова. На рисунке 3.3 представлен третий вариант магнитной системы. В данной конфигурации зубцы на полуполюсах отсутствуют, ширина полуполюса 8 миллиметров. Принцип работы представленной магнитной системы аналогичен рассмотренному во второй главе и основан на коммутации магнитного потока. Как показали результаты вычислительного эксперимента основной магнитный поток равен 1566Е-07 Вб (аксиальная длина машины 20 миллиметров), а встречный поток составляет 19Е-06 Вб. Таким образом, амплитудное значение магнитного потока, охватывающего рабочую обмотку, составляет 137Е-06 Вб, то есть, учитывая, что магнитный поток, охватывающий обмотку, при вращении ротора изменяет своё направление, а, следовательно, и знак, получаем, что изменение магнитного потока, охватывающего рабочую обмотку, составляет 27Е-05 Вб. перемещаться вдоль расточки статора, при этом в рабочей обмотке будет наводиться переменная э.д.с. (рисунок 3.4). Для сравнения магнитных систем было принято, что все исследуемые магнитные системы установлены на ВЭУ с диаметром ветроколеса 1 метр, ветроколесо вращается с постоянной скоростью 60 об/мин. Для первой магнитной системы изменение магнитного потока составляет 54Е-05 Вб (так как суммарный магнитный поток, охватывающий рабочую обмотку, изменяет свой знак), это изменение происходит за 0,0051 секунду. Используя выражение (ЗЛО) получаем, что отношение э.д.с. холостого хода к числу витков рабочей обмотки в
Исследование влияния формы сегментного роторного элемента сегментного генератора на выходные параметры ветроэлектроэнергетическои установки
В случае выполнения индукторного генератора с гребенчатой зубцовой зоной с малым значением зубцового шага очень важным является вопрос изготовления магнитопроводов ротора и статорного модуля,
Кроме этого, учитывая довольно сложную геометрию статорного модуля следует признать, что применение штамповки в данном случае является трудноразрешимой задачей. К тому же изготовление соответствующих штампов является крайне дорогостоящей и длительной по затратам времени операцией.
В связи с этим, в данном случае рекомендуется применять технологию, позволяющую отказаться от штамповки при изготовлении зубцовой зоны статорного модуля и ротора. Технология изготовления макетных образцов включает следующие этапы.
Вначале осуществлялась вырубка гладких заготовок. Затем заготовки изолировались, сжимались в пакет и при помощи металлорежущих станков, с использованием делительного стола нарезались гребёночные зубцы. Изготовление пазов под обмотку осуществлялось аналогично. После нарезки зубцов может быть осуществлена протравка зубцовой поверхности пакетов, с целью удаления образующихся при нарезке перемычек между листами.
Кроме этого известен способ удаления перемычек между листами магнито провода за счёт создания температурного поля с высокой неоднородностью при воздействии электромагнитного поля высокой частоты в сочетании с вращением магнитопровода /82/. Изготовленный магнитопровод помещается внутри индуктора, питаемого токами высокой частоты. Магнитопровод приводят во вращение, при этом токи высокой частоты воздействуют на поверхность магнитопровода и нагревают её, степень разогрева зависит в первую очередь от его электропроводности. Короткозамкнутые контуры и зоны перемычек между листами магнитопровода имеют повышенную электрическую проводимость по сравнению с проводимостью шихтованного сердечника. Это приводит к разогреву и расплавлению в первую очередь именно указанных перемычек и потере их прочности, а не самого сердечника. Под действием центробежных сил происходит разрушение расплавленных перемычек и удаление их с поверхности магнитопровода.
Приведённая выше процедура нарезки зубцов довольно легко может быть автоматизирована, а оборудование для изготовления зубцовой зоны любой конфигурации быстро переналаживается при минимальных затратах. Таким образом, применение нарезки зубцов статорного модуля и ротора в пакете позволяет реализовать принцип гибкого производства, обеспечивающего широкий набор номинальных частот генераторов.
Как известно, в индукторных генераторах с коммутацией магнитного потока вопрос точности изготовления зубцовой зоны является одним из важнейших. Это связано с тем, что принцип действия этих генераторов основан на «переключении» магнитного потока при перемещении зубцов ротора относительно расточки статора. При неточности изготовления зубцовой зоны возникает смещение зубцов ротора относительно зубцов статора, что, как очевидно, приведёт в ухудшению выходных показателей генератора. В связи с этим, была поставлена задача исследования величины воздействия технологических погрешностей изготовления зубцовой зоны на энергетические показатели генератора.
Физическое моделирование в данных исследованиях является довольно дорогостоящим из-за необходимости изготовления большого числа статорных модулей с различной величиной сдвига зубцов, поэтому было принято решение использовать математическое моделирование процессов, для этого использовалась программа «Quick field».
В ходе вычислительных экспериментов исследовался генератор для ветроэнергетической установки с вертикальным ветроколесом, имеющий гребенчатую зубцовую зону. Зубцовая зона исследуемого генератора имеет следующие геометрические размеры: ширина зубцов статорного модуля и ротора составляет 3 миллиметра, высота зубцов статорного модуля и ротора — 5 миллиметров. В ходе вычислительных экспериментов исследовалось влияние сдвига зубцов статорного модуля расположенных на полуполюсах 3 и 4 (рисунок 5.1) относительно зубцов ротора, величина сдвиг изменялась от -3 миллиметров (вправо на величину зубца от нулевого положения) до 3 миллиметров (влево на величину зубца от нулевого положения), достигалось это за счёт перемещения полуполюсов относительно их нормального положения.
Результаты проведённых вычислительных экспериментов представлены на рисунке 5.2. Как показали вычислительные эксперименты при сдвиге зубцов статорного модуля относительно зубцов ротора величина изменения магнитного потока, охватывающего рабочую обмотку, значительно уменьшается. Так при сдвиге зубцов статорного модуля относительно зубцов ротора на 0,6 миллиметров суммарное изменение магнитного потока, охватывающего рабочую обмотку уменьшается на 30%, а при сдвиге зубцов на ширину зубца изменение магнитного потока уменьшается практически на 100% (при таком взаимном расположении зубцов статорных модулей и ротора магнитный поток, охватывающий рабочую обмотку, будет не переменным, а пульсирующим).
Исследование влияния технологических погрешностей на энергетические показатели генератора
Основные сложности при расчёте заключаются в следующем: 1. Мгновенное значение N (Г, V(t)) зависит от скорости ветра V(t) в данный момент времени t, поэтому необходима дополнительная информация о зависимости V(t) за весь период эксплуатации [0,Т]. 2. Величины Св и с для одного и того же типа ветроагрегатов могут значительно колебаться. Это во многом зависит от того, используются ли отечественные или зарубежные узлы и детали (последние, в свою очередь, также значительно различаются по цене). Долю ветров, имеющих заданную величину скорости V в общем объёме, с точки зрения теории вероятности, логично оценивать с помощью плотности распределения p(V). Смысл данной величины в следующем. При фиксированном значении V-V: где р(У+Д V) - вероятность тог, что скорость ветра не превышает V +AV; p(V -AV) - вероятность тог, что скорость ветра не превышает V -Д V. Исходя из вышеперечисленного: где Vmin , Vmax - значения скорости ветра, при которых ветроагрегат соответственно начинает и завершает выработку энергии. Данная формула позволяет довольно точно рассчитывать среднее значение мощности ветроагрегата, установленного в конкретном месте. Расчётные и практические данные показывают, что у всех типов ветроагрегатов удельная стоимость мощности убывает с увеличением их мощности и соответственно размеров. Поэтому основной интерес Выполненные в диссертационной работе исследования позволили сформулировать следующие результаты: 1. Разработана компьютерная модель низкооборотного дугостаторного индукторного генератора, предназначенного для работы в составе безредукторной ветроэлектроэнергетической установки с вертикальным ветроколесом. 2. Разработана новая конструкция сегментного индукторного генератора для безредукторной модульной ветроэлектроэнергетической установки с буревой защитой и защитой от внешних воздействующих факторов, реализующая высокую окружную скорость конца лопасти ветроколеса с горизонтальной осью вращения. 3. Разработана инженерная методика расчёта специфического импульсного режима работы сегментного генератора с использованием разностных уравнений, учитывающая воздействие нагрузки на характеристики генератора. 4. Разработаны рекомендации по совершенствованию типов магнитных систем индукторных генераторов, в зависимости от специфики исполнения ветроколеса. 5. Перспективность использования разработанных генераторов подтверждена разработкой и изготовлением опытных образцов, испытания которых показали положительные результаты, при этом сравнение теоретических и экспериментальных результатов свидетельствуют об адекватности и эффективности применения предложенных в диссертационной работе подходов, моделей и конструкций, и целесообразности их использования на практике. мощности (наращивание мощности за счёт подключения дополнительных статорных модулей), так и для различных типов ветроколёс. Во вторых, разработанные генераторы могут с успехом использоваться в контрроторных ветроэнергетических установках, что позволит увеличить мощность установки. Кроме этого, в ходе дальнейших исследований в области тепловых и электромеханических процессов протекающих в данном типе машин, возможно уменьшить массогабаритные показатели машины с одновременным увеличением мощности. В частности целесообразно более детально исследовать вопрос использования пластинчатых радиаторов. Начатые исследования создают базу для создания высокоэффективной системы автоматического управления ветроэлектроэнергетической установкой, которая позволит осуществлять работу установки в режиме максимального отбора мощности. И, наконец, целесообразно более подробно рассматривать возможность кратковременного аккумулирования электрической энергии при помощи современных конденсаторных накопителей, с перспективой их параллельной работы, а Е дальнейшем и полной замены ими, химических аккумуляторных батарей. Выполненные в диссертационной работе исследования позволили сформулировать следующие результаты: 1. Разработана компьютерная модель низкооборотного дугостаторного индукторного генератора, предназначенного для работы в составе безредукторной ветроэлектроэнергетической установки с вертикальным ветроколесом. 2. Разработана новая конструкция сегментного индукторного генератора для безредукторной модульной ветроэлектроэнергетической установки с буревой защитой и защитой от внешних воздействующих факторов, реализующая высокую окружную скорость конца лопасти ветроколеса с горизонтальной осью вращения. 3. Разработана инженерная методика расчёта специфического импульсного режима работы сегментного генератора с использованием разностных уравнений, учитывающая воздействие нагрузки на характеристики генератора. 4. Разработаны рекомендации по совершенствованию типов магнитных систем индукторных генераторов, в зависимости от специфики исполнения ветроколеса. 5. Перспективность использования разработанных генераторов подтверждена разработкой и изготовлением опытных образцов, испытания которых показали положительные результаты, при этом сравнение теоретических и экспериментальных результатов свидетельствуют об адекватности и эффективности применения предложенных в диссертационной работе подходов, моделей и конструкций, и целесообразности их использования на практике.
