Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Синхронные генераторы возвратно- поступательного движения с постоянными магнитами, состояние вопроса 10
1.1 Преобразование энергии механических колебаний в электрическую энергию, состояние вопроса 10
1.2 Классификация линейных генераторов 16
1.3 Выбор и анализ конструктивной схемы генератора возвратно- поступательного движения для системы преобразования энергии механических колебаний малых и средних мощностей 26
1.4 Обзор методик проектирования линейных машин 30
Выводы по первой главе и постановка задач работы 35
ГЛАВА II. Особенности конструкции, механических и электромагнитных процессов в синхронном генераторе возвратно-поступательного движения с постоянными магнитами 37
2.1 Особенности конструкции синхронного генератора возвратно- поступательного движения с постоянными магнитами 37
2.1.1 Выбор материала постоянных магнитов и числа пар полюсов 38
2.1.2 Выбор конструктивных размеров и числа модулей 42
2.2 Анализ характера изменения ЭДС в обмотке статора в зависимости от характера движения индуктора 47
2.3 Выбор значений длин статора и индуктора 52
2.4 Выбор колебательной системы движения индуктора 56
Результаты и выводы по второй главе 63
ГЛАВА III. Расчет и исследование магнитных полей в синхронном генераторе возвратно-поступательного движения с постоянными магнитами 65
3.1 Топология систем возбуждения с постоянными магнитами 65
3.2 Описание исходных данных для моделирования 68
3.3 Исследование магнитиого поля индуктора 74
3.3.1 Влияние размеров постоянных магнитов на величину индукции в воздушном зазоре 75
3.3.2 Влияние величины воздушного зазора на величину индукции в воздушном зазоре 79
3.3.3 Влияние высоты постоянных магнитов на величину индукции в воздушном зазоре 80
3.4 Определение индуктивностей обмотки статора по продольной и поперечной осям 82
Выводы по третьей главе 88
ГЛАВА IV. Исследование динимаческих характеристик синхронных генераторов возвратно-поступательного движения с постоянными магнитами 89
4.1 Общие замечания 89
4.2 Моделирование и исследование работы однофазного синхронного генератора возвратно-поступательного движения на выпрямительную нагрузку 91
4.3 Моделирование и исследование работы трехфазного синхронного генератора возвратно-поступательного движения на выпрямительную нагрузку 97
4.3 Моделирование и исследование работы трехфазного синхронного генератора возвратно-поступательного движения на выпрямительную нагрузку с учетом массы и характера движения индуктора 103
Выводы по четвертой главе 106
- Обзор методик проектирования линейных машин
- Выбор материала постоянных магнитов и числа пар полюсов
- Влияние размеров постоянных магнитов на величину индукции в воздушном зазоре
- Моделирование и исследование работы однофазного синхронного генератора возвратно-поступательного движения на выпрямительную нагрузку
Введение к работе
Актуальность проблемы. В последние годы все большее внимание уделяется исследованию и применению возобновляемых источников энергии. Одним из перспективных направлений является использование энергии механического движения морских и речных волн, колебания, тряски, вибрации какого-либо физического тела или среды для выработки электроэнергии для локальных потребителей.
Большое количество публикаций посвящено теоретическому обоснованию, разработке и практической реализации технологических схем и устройств для преобразования энергии механических колебаний в электрическую энергию.
При разработке новых систем преобразования энергии механических колебаний (СПЭМК), синхронные генераторы возвратно-поступательного движения с постоянными магнитами (СГВПД с ПМ) рассматриваются как перспективные электромеханические преобразователи энергии. Они характеризуются простотой конструкции, малыми массогабаритными показателями, высокой надежностью и эффективностью эксплуатации.
Основные возможности использования электромеханических преобразователей возвратно-поступательного движения как источников электрической энергии определены в работах Хитерера М.Я., Овчинникова И.Е., Москвитина А.И., Ряшенцева Н.П., Baker J., Vining J., Boldea I., Leijon M., Mueller M.A. и др. Но детальная проработка и анализ различных конструктивных исполнений генераторов возвратно-поступательного движения в них отсутствует. Большинство исследований зарубежных авторов являются труднодоступными для широкого применения.
Поэтому исследование возможностей применения генераторов возвратно-поступательного движения в качестве преобразователей энергии механических колебаний, поиск перспективных конструкций, проработка отдельных конструктивных частей генератора для выбора оптимальных конструктивных решений являются актуальной научной задачей.
Цель работы. Анализ основных характеристик и обоснование применения синхронных генераторов возвратно-поступательного движения с постоянными магнитами для преобразования энергии механических колебаний в электрическую энергию.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
Анализ современного состояния и перспектив создания систем преобразования энергии механических колебаний на основе СГВПД с ПМ.
Разработка конструктивной схемы СГВПД с ПМ для СПЭМК малых и средних мощностей.
Поиск квазиоптимальной конструкции СГВПД с ПМ на основе исследования и анализа особенностей электромагнитных и механических процессов преобразования энергии в нем.
Разработка конечно-элементных моделей для анализа электромагнитных процессов в СГВПД с ПМ.
Количественная оценка влияния размеров элементов магнитной цепи СГВПД с ПМ на величину индукции магнитного поля в воздушном зазоре между индуктором и статором.
Исследование выходных характеристик СГВПД с ПМ и системы преобразования энергии механических колебаний.
Методы исследования. При решении задач использованы методы численного моделирования стационарных электромагнитных полей в программе Femm 4.2; численные расчеты теоретических зависимостей проведены с помощью универсальной системы математических расчетов MathCad 15; математическое моделирование и исследование выходных характеристик проведено с помощью программного пакета Simulink системы Matlab 7.11.
Научная новизна работы:
1. Разработаны рекомендации по выбору квазиоптимальных конструкций СГВПД с ПМ для работы на подвижном и неподвижном основаниях в зависимости от характера механических воздействий.
Определены границы применимости СГВПД с ПМ для различных параметров механических воздействий.
Разработаны структурные модели СПЭМК, учитывающие характер механических воздействий и позволяющие исследовать статические и динамические характеристики при различных режимах нагрузки.
Практическая ценность.
1. Классификация линейных генераторов, в том числе генераторов воз
вратно-поступательного движения, для систем преобразования энергии механиче
ских колебаний.
2. Конечно-элементные модели для исследования электромагнитных про
цессов в СГВПД с ПМ.
3. Оценка влияния различных параметров магнитной системы на вели
чину магнитного поля индуктора, позволяющая дать практические рекомендации
с целью снижения расхода активных материалов.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на ХШ-ой, XV-ой, XVI-ой и XVII-ой ежегодных международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2007 г., 2009 г., 2010 г., 2011 г.); на П-ей международной научной заочной конференции "Актуальные вопросы современной техники и технологии" (Липецк, 2010); на ХШ-ой международной конференции "Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты" (Крым, 2010 г.); на V-ой международной молодежной научной конференции "Тинчуринские чтения" (Казань, 28-29 апреля 2010 г.); на 1-ой региональной научно-технической конференции молодых ученых, студентов, аспирантов (с международным участием) «Новые технологии на транспорте в энергетике и строительстве» (Омск, 2-3 декабря, 2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликована 10 работ, из них 2 статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях из Перечня ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка использованной литературы из 109 наименований. Основной текст диссертации изложен на 118 страницах, содержит 7 таблиц и 54 рисунка.
Обзор методик проектирования линейных машин
В настоящее время существует несколько важных технико- экономических проблем, и одна из них - энергетическая проблема. Потребление энергии, а вместе с тем и её стоимость, увеличиваются во всем мире и наша страна не исключение. Ресурсы планеты истощаются, все большую тревогу вызывает состояние экологии.
Развитые страны сейчас активно занимаются использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) по нескольким причинам [1,2,3]:
Во-первых, экологический фактор. Необходимость снижения выброса парниковых газов от энергетики, что нашло концентрированное выражение в Киотских протоколах, рассматривается в странах самым серьёзным образом. Выделяются громадные государственные средства и разрабатываются экономические меры привлечения частных инвестиций. Экологический фактор рассматривается в западных странах самым серьёзным образом. Тем более что атомная энергетика не может стать панацеей от энергетического голода, т. к. связана со значительными рисками — опасностью ядерных инцидентов, утечками с хранилищ отработавшего ядерного топлива и радиоактивных отходов, их транспортировкой и переработкой.
Во-вторых, обеспечение энергетической безопасности в связи с повышением цен на энергоносители. Западные страны очень остро почувствовали зависимость от импорта нефти во время топливного кризиса 1973 года. Примерно на период 1973-1975 годов приходится разработка планов развития возобновляемой энергетики, которые все реализованы с превышением. В настоящее время актуальность использования ВИЭ вновь повышается в связи с появлением признаков нового энергетического кризиса (повышение цен на нефть и газ).
В-третьих, с учетом реализации планов по уменьшению зависимости от традиционных невозобновляемых энергоносителей, правительства многих стран мотивируют своих граждан покупать гибридные «зеленые» автомобили. Над созданием автомобилей гибридного типа трудятся все крупные автоконцерны - от Peugeot и Audi до Ferrari (Ferrari 599 Hybrid) и Rolls-Royce (102ЕХ Phantom Experimental Electric). Показательно, что даже компании из Китая, где пока мало кого волнует охрана окружающей среды, начинают инвестировать колоссальные средства в создание и развитие линеек «зеленых» автомобилей. В-четвертых, сохранение запасов энергоресурсов для будущих поколений.
По оценке Американского общества инженеров-электриков, если в 1980 году доля производимой электроэнергии на ВИЭ в мире составляла 1%, к 2005 году 5%, а к 2020 г. достигнет 13% и к 2060 г. - 33%. По данным Министерства энергетики США в этой стране к 2020 году объём производства электроэнергии на базе ВИЭ может составить от 11 до 22% от общего производства.
В планах Европейского Союза увеличение доли использования ВИЭ в энергопотреблении (т.е. производства электричества и тепла) с 6% в 1996 г. до 13% в 2012 г. Исходная ситуация в странах ЕС различна. Если в Дании доля возобновляемых источников энергии в 2000 году достигла 10%, то Нидерланды планируют увеличить долю возобновляемых источников энергии с 3% в 2000 г. до 10% в 2020г. Основной результат в общей картине определяет Германия, в которой планируется увеличить долю возобновляемой энергетики с 5,9% в 2000 году до 12% в 2012. Перечисленные и многие другие причины объясняют постоянно растущий интерес к ВИЭ, потенциал которых чрезвычайно велик. Наиболее перспективным видом ВИЭ является преобразование энергии механического движения речных, морских и океанских волн, имеющих наибольшую плотность по сравнению с остальными возобновляющимися источниками [4,5,6] и колебания, тряски, вибрации какой-либо среды или физического тела в электрическую энергию [7,8,9]. В данной работе исследуются возможности преобразования энергии механических колебаний в электрическую энергию. Под колебаниями в данном исследовании понимаются колебания речных или морских волн и естественные или вынужденные механические колебания (тряски, вибрации, возмущения). Основные проблемы конвертирования энергии механических колебаний обусловлены стохастическим характером их изменения и, соответственно, нерегулярностью амплитуды, частоты колебаний, иногда малой скоростью осевого перемещения. В силу этого, при разработке технологической схемы системы преобразования энергии механических колебаний необходимо учитывать случайный характер изменения выходной электрической мощности и переменную и низкую частоту генерируемого несинусоидального напряжения. Кроме того для достижения высокого уровня конкурентоспособности СПЭМК должна обладать: - высокой эффективностью; - надежностью эксплуатации; - простотой конструкции; - минимальными затратами на обслуживание. В настоящее время разработано и реализовано большое количество устройств, технологических схем и способов для преобразования кинетической энергии механических колебаний волн или вибраций в электрическую энергию [10- 22]. Зачастую они содержат промежуточные механические звенья в виде кривошипно-шатунных механизмов, кулачковых валиков с толкателем или иных преобразователей движения, гидравлических насосов, турбин или механических редукторов. Кроме того, известны традиционные вращающиеся электромеханические преобразователи, дополненные механическими устройствами, преобразующими вращательное движение в линейное. КПД промежуточного механизма не превышает 70% и его габариты зачастую превосходят габариты самого электромеханического преобразователя. Подобные устройства имеют очень сложную и дорогостоящую конструкцию, что снижает технико-экономические показатели и, в ряде случаев, надежность работы преобразователя, усложняет его эксплуатацию и обслуживание.
Выбор материала постоянных магнитов и числа пар полюсов
Модели, основанные на теории цепей, широко применяются для получения инженерных методик расчета, с помощью которых определяются основные параметры и характеристики преобразователей на начальных этапах проектирования. Методы теории цепей основаны на упрощенном представлении о магнитной системе и магнитном поле в виде магнитной цепи. Магнитные схемы замещения сводят задачу к расчету магнитной цепи, параметры которой представляют собой участки конструкции при моделировании всего устройства. При использовании схем замещения электрическая машина представляет собой совокупность магнитных и электрических цепей.
Преимуществом цепного подхода заключается в большей гибкости по отношению подробностей представления элементов конструкции машин.
Значительный вклад в теорию линейных индукционных преобразователей внес А.И. Вольдек - долгое время для расчетов применялась одномерная упрощенная модель [71,72]. Эта же модель встречается у других авторов с теми или иными вариациями. Однако, очевидно и то, что эта модель ориентирована на достаточно узкую аналитическую задачу, так как в нее жестко заложены допущения о бесконечной длине индуктора и статора, постоянности линейной токовой нагрузки, симметричности многофазного источника питания и т.д.
Одной из современных работ по разработке теории и созданию математических моделей линейных электромеханических преобразователей является работа М.Я. Хитерера и И.Е. Овчинникова [25]. В ней показаны исследования генераторного режима работы с возбуждением от постоянных магнитов, для которых определены магнитные потоки, электромагнитные силы и на этой основе изучены переходные и установившиеся режимы работы для различных нагрузок.
Математические модели на основе теории поля, использующие численные методы (метод конечных элементов и метод конечных разностей) универсальны. Численные методы расчета электромагнитного поля линейных машин позволяют получать наиболее полную картину [73]. С их помощью учитывается специфика геометрии линейной машины, насыщение участков магнитопровода, неравномерность воздушного зазора, различие магнитных свойств среды на границах рабочей и торцевой зоны. При анализе электромагнитных полей электромагнитных преобразователей использование метода конечных элементов или метода конечных разностей требует применения мощных пакетов прикладных программ, реализующих методы в двумерной и трёхмерной постановке.
Поэтому, с одной стороны, использование полевых методов целесообразно только в случае предварительного сужения области поставленной задачи. С другой стороны, в настоящее время численный эксперимент стал один из средств научно-технического исследования и прогнозирования. Многократный расчет модели для различных исходных данных позволяет определить входные параметры для достижения тех или иных характеристик.
Исследовать модель при заданных граничных условиях можно с помощью, например, обобщенного метода начальных параметров, метода сеток, метода конечных разностей, метода конечных элементов (МКЭ), метод Ритца [76]. Выбор метода исследования модели может существенно сказаться на устойчивости процедуры компьютерного моделирования.
Основные математические аспекты МКЭ впервые были представлены в работе Р.Куранта [74]. Основная идея МКЭ состоит в том, что любую непрерывную величину можно аппроксимировать моделью, состоящей из отдельных элементов [73]. На каждом из этих элементов исследуемая величина аппроксимируется кусочно-непрерывной функцией, которая строится по значениям исследуемой непрерывной величины в конечном числе точек рассматриваемого элемента. Для, удобства задания информации об этих элементах и обеспечения требуемой гладкости допустимых функций используются простые, с геометрической точки зрения, подобласти: в двумерной области - прямоугольники, треугольники, в трехмерной - тетраэдры, параллелепипеды. В результате область представляется в виде " объединения N элементов, соседние из которых имеют общие стороны (или грани). В общем случае нужно определить значения непрерывной величины в дискретных точках области объекта. Такую модель можно построить, если предварительно задать граничные условия (определить численные значения искомой величины в узлах конечных элементов на границах области объекта). По теоретическому обоснованию МКЭ имеется множество фундаментальных работ [75,77], в которых изложена прикладная теория метода и обширная библиография.
Построение приемлемой математической модели, которая как достаточно полно отражает физику протекающих процессов, так и может быть решена на персональном компьютере, должно осуществляться путем постепенного уточнения.
Таким образом, анализ публикаций, посвященный линейным электромеханическим преобразователям показывает, что развиваются оба подхода в теории и четкой границы между ними нет. Любая цепная задача с увеличением частоты может перерасти в полевую (появляются дополнительные параметры и резко возрастает генерация энергии в окружающее пространство).
Кроме этого можно отметить, что для расчета электромагнитных полей широко применяются как численные и аналитические методы, так и их комбинация [77]. В публикациях указывают на возможность использования двух подходов к созданию конечно-элементных моделей с фиксированной структурой и моделей с воспроизведением движения. Фиксированная структура предполагает анализ поля в конкретный момент времени. При этом часто применяются различные приемы, направленные на упрощение модели объекта. Воспроизведение движения предполагает использование исключительно мощных программных ресурсов.
Стоит отметить, что известно небольшое количество работ, посвященных непосредственно исследованию генераторов возвратно- поступательного движения [25]. Отсутствие развитой теории не позволяет в полной мере реализовать потенциальные возможности синхронных генераторов возвратно-поступательного движения с постоянными магнитами для преобразования энергии механического движения волн в сигнальных устройствах на акваториях морей и рек; для систем, использующих локальные источники питания.
Влияние размеров постоянных магнитов на величину индукции в воздушном зазоре
В общем случае 3 состоит из 3пр, а также из плотности тока смещения в диэлектрике, плотности стороннего тока и плотности тока переноса [92].
Кроме всего, основной полевой величиной является векторный магнитный потенциал А, имеющий единственную ср компоненту, т.е. = (0, ,0). Электромагнитный расчет методом конечных элементов состоял из следующих этапов: 1. Выбор типа анализа и создание геометрии модели для МКЭ; 2. Выбор типа элементов, ввод свойств материалов, назначение свойств материалов; 3. Разбиение областей модели на сетку конечных элементов; 4. Приложение к модели граничных условий; 5. Выбор типа электромагнитного анализа, численное решение системы уравнений. Создание конечно-элементной модели является трудоемким этапом расчета МКЭ. Это связано с воспроизведением по возможности более точной геометрии объекта и описанием физических свойств его областей. Обоснование граничных условий тоже представляет определенные трудности. Следует подчеркнуть, что в ходе конечно-элементного моделирования главной задачей является определение структуры моделей: выбор конечных элементов, описание физических свойств материалов в различных областях. Основная концепция метода конечных элементов заключается в том, что все части модели делятся на множество конечных элементов достаточно простой формы, соединенных между собой в вершинах. Существует большое количество используемых типов конечных элементов. В данной работе используется метод конечных элементов с, так называемыми, треугольными элементами первого порядка. Для этого типа элемента потенциал изменяется линейно относительно координат внутри элемента. Стоит отметить, что существуют конечные элементы и более высоких порядков, например, второго, для которых потенциал имеет квадратичную зависимость от координат внутри элемента. Естественно, существуют и другие типы конечных элементов с более сложной геометрией границ. Теоретически такие элементы более точны. Однако опыт показывает, что и элементы первого порядка при аккуратном их использовании дают прекрасные результаты. Параметры поля определяются с помощью аппроксимирующих функций [92]. Границы конечных элементов при двумерном анализе могут быть кусочно-линейными (первого порядка) или параболическими (второго порядка). Кусочно-линейные элементы имеют прямые стороны и соединены только в углах. Параболические элементы могут быть криволинейными, так как могут иметь промежуточный узел вдоль каждой из сторон элемента. Главными факторами влияния на точность результатов при расчете и анализе СГВПД с ПМ являются погрешности, связанные с воспроизведением геометрии объекта в модели и аппроксимацией нелинейных свойств материалов его областей. Проблема оценки точности получаемого решения задачи содержит в себе достоверность математической модели и корректность использования метода конечных элементов и погрешность реализации этого метода при формировании систем уравнений на компьютере. Стоит отметить, что весьма важны принимаемые допущения для исследования СГВПД с ПМ. Основными источниками неточностей при постановке задачи являются некорректно выбранный тип конечных элементов или их размеры и некорректное задание граничных условий. При выборе конечного элемента необходимо учитывать степень аппроксимирующего полинома [92]. Решение системы уравнений (3.1) выполняется автоматически и определяется машинными ресурсами используемой вычислительной техники. Методика исследования электромагнитного поля в СГВПД с ПМ малых и средних мощностей в установившемся режиме одинакова для генераторов разных мощностей. Учитывая, что в данной работе сделан акцент на длиннопериодных колебаниях с небольшими амплитудами, приведено исследование на примере генератора мощностью 400 Вт. Исходными данными для расчета являлись: Частота возвратно-поступательного движения Амплитуда возвратно-поступательного движения Выходное напряжение ГВПД с ПМ Выходная мощность ГВПД с ПМ Исходными данными для электромагнитного расчета являются заданные конструктивные параметры; использованы соответствующие кривые размагничивания постоянных магнитов; намагничивания ферромагнитных материалов. Для расчета совокупности всех геометрических размеров СГВПД с ПМ использовалась методика на основе классической теории машин. Физические свойства сплава постоянных магнитов ИсП еВ задавались в соответствии с параметрами и кривыми размагничивания, указанными изготовителем.
Моделирование и исследование работы однофазного синхронного генератора возвратно-поступательного движения на выпрямительную нагрузку
Разработанная модель для анализа динамических процессов и эффективности энергопреобразования в трехфазном синхронном генераторе возвратно-поступательного движения с постоянными магнитами включает силовые блоки, блоки измерения электрических величин - напряжения, электрического тока и средней мощности и виртуальные осциллографы для визуализации результатов расчета.
Задавая жесткость механических пружин и демпфера, массу индуктора и величину возможной присоединяемой массы (в случае работы генератора) на подвижном основании, характер внешних возмущающих колебаний, можно анализировать характер выходных параметров: напряжения, тока и мощности.
Если внешние возмущающие колебании носят синусоидальный характер, то, в общем случае, напряжения и токи генератора за 3 периода колебаний будут иметь вид, представленный на рис.
В каждом конкретном случае для разного характера колебаний будут требоваться дополнительное рассмотрение и анализ выходных характеристик. Результаты и выводы по четвертой главе 1. В интегрированной среде создания инженерных приложений 8шшНпк системы инженерных и научных вычислений МаЙаЬ разработаны модели однофазного и трехфазного СГВПД с ПМ, позволяющие исследовать характер изменения во времени действующих значений токов, напряжений и мощностей при различных режимах нагрузки. 2. Количественно показано, что энергетическая эффективность работы однофазного генератора на выпрямительную нагрузку в 1,6 раза выше, чем на ту же нагрузку без выпрямительного моста. 3. Показано, что энергетические показатели трехфазного СГВПД с ПМ выше, чем у однофазного генератора, работающего на ту же нагрузку. 4. Разработаны структурные модели, которые позволяют анализировать динамические процессы и оценивать эффективность энергопреобразования в однофазных и трехфазных синхронных генераторах возвратно-поступательного движения в составе системы преобразования энергии механических колебаний. 1. Показано, что для СГВПД с Г1М малых и средних мощностей целесообразно применять многомодульную конструкцию. Установлено, что рациональное число модулей в СГВПД с ПМ мощностью до 10 кВт равно четырем. 2. Определены рациональные соотношения конструктивных параметров СГВПД с ПМ (длин статора, индуктора, числа пар полюсов и полюсного деления) для работы на подвижном и неподвижном основаниях в зависимости от характера механических колебаний. 3. Выполнена количественная оценка влияния геометрических размеров магнитной цепи на величину первой гармонической индукции магнитного поля в воздушном зазоре, позволившая дать практические рекомендации по уменьшению расхода активных материалов. 4. Разработаны структурные модели СПЭМК, позволяющие проводить анализ статических и динамических характеристик при широком варьировании параметров нагрузки с учетом характера механических колебаний и взаимосвязи с аккумуляторным накопителем энергии. Разработанные модели позволяют проводить анализ и синтез СПЭМК с СГВПД с ПМ. 5. Разработаны рекомендации по выбору квазиоптимальной конструкции СГВПД с ПМ и показано, что четырехмодульиый СГВПД с ПМ может использоваться как дополнительный источник энергии для автономных локальных потребителей.
