Введение к работе
Актуальность работы. В связи с неравномерностью потребления электроэнергии промышленными предприятиями и крупными электрофизическими установками возникает проблема ее накопления, концентрации и консервации в специальных аккумулирующих устроит ствах, являющихся вторичными источниками энергии.
Одним из способов решения проблемы неравномерности энергопотребления считается развитие техники инерционных аккумуляторов, наиболее перспективными из которых являются маховичные агретаты вертикального типа, имеющие высокую единичную энергоемкость и мощность при относительно низкой виброактивности ротора. Важной задачей, возникающей при проектировании подобных аккумулирующих устройств, является повышение их эффективности, достигаемое за счет увеличения их удельных массогабаритных показателей /удельной мощности, удельной массовой и объемной энергоемкости/. Улучшение массогабаритных характеристик инерционных накрпителей энергии вертикального типа монет быть осуществлено посредством замены традиционного компоновочного решения аккумулятора, предполагающего установку двигатель-генератора над маховиком, альтернативным вариантом, при котором электрическая машина размещается внутри маховика. Однако в этом случае на движение ротора-маховика будут оказывать возмущающее действие как электрическая машина, так и электромагнитные элементы подвеса самого маховика. Таким образом, актуальность темы диссертационной работы связана с необходимостью прогнозирования параметров электромеханических инерционных- накопителей энергии подобного типа на основе математического моделирования движения ротора маховика под действием ряда механических и электромагнитных фактороЕ.
Цель работы. Целью работы является создание математической модели динамики ротора-маховика инерционного накопителя энергии вертикального типа с учетом механической неуравновешенности маховика, гироскопических сил, упругой и демпфирующей сил упругой опоры, неуравновешенных электромагнитных сил и моментов в асинхронной электрической машине и элементе подвеса ротора-маховяка.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:
- разработка математической модели движения вертикального ротора-маховика в шарнирной и упругой опорах при наличии элактромаг-
нитного компенсатора веса ротора, уменьшающего нагрузку на шарнирную опору, с учетом электромеханических явлений в инерционном накопителе энергии;
разработка методики расчета экономичного электромагнитного компенсатора веса ротора-маховика;
определение аналитических закономерностей изменения неуравновешенных электромагнитных сил и моментов в асинхронной электрической машине и компенсаторе веса при появлении неравномерности их рабочих зазоров, обусловленной угловым поворотом ротора;
экспериментальная проверка основных теоретических положений работы.
Методика исследования. Математическая модель движения ротора инерционного накопителя энергии разработана на основе уравнений динамики твердого тела, имеющего остаточную механическую неуравновешенность и вращающегося в шарнирной и упругой опорах. Электромагнитные силы и моменты, действующие на ротор-маховик со стороны электрической машины'и компенсатора веса, рассчитаны аналитическими методами без учета полей рассеяния в приближении бесконечной Магниткой проницаемости их магнитопроводов. Численный анализ математической модели динамики ротора-маховика выполнен методом Рунге-Кутта. Результаты численного анализа, а также результаты аналитического расчета электромагнитных явлений в компенсаторе веса, подтверждены экспериментально на опытном образце накопителя энергии.
Научная новизна. В рамках данной работы впервые решены следующие задачи.
Разработана математическая модель нестационарного и стационарного движения вертикального ротора-маховика в шарнирной и упругой опорах при наличии компенсатора веса ротора, в которой, кроме механических явлений, учтены неуравновешенные электромагнитные силы и моменты в асинхронной электрической машине и компенсаторе веса ротора-маховика при появлении неравномерности их рабочих зазоров вследствие углового поворота ротора.
Разработана методика расчета экономичного броневого электромагнита постоянного тока произвольных размеров, выполняющего функции компенсатора веса ротора-маховика.
Разработаны методики аналитического расчета неуравновешенных электромагнитных сил и моментов, действующих на ротор накопителя энергии со стороны асинхронной электрической машины и
компенсатора веса в случае неравномерности их рабочих зазоров, возникающей при угловых отклонениях ротора в процессе его колебаний.
В результате математического моделирования предложены конструктивные параметры и режимы работы накопителя энергии, на основе которых разработан и изготовлен опытный образец инерционного аккумулятора вертикального типа с энергоемкостью маховика до I ЬЩж. проведенные исследования опытного образца подтвердили адекватность математического и экспериментального моделирования электромеханических явлений в инерционном накопителе энергии.
Достоверность результатов. Корректность математической модели движения ротора инерционного накопителя энергии основывается на использовании уравнений динамики твердого тола в шарнирной и упругой опорах, имеющего остаточную механическую неуравновешенность. Достоверность результатов численного анализа, полученных на основе математической модели, подтверждается как тестированием программы с помощью аналитического решения линеаризованной исходной задачи, так и сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными данными, полученными на опытном образце накопителя энергии, прошедшем лабораторные испытания. Обоснование корректности аналитических соотношений, учитывающих электромагнитное влияние электрической машины и компенсатора веса.на динамику ротора-маховика, выполнено путем сопоставления результатов расчета с экспериментальными данными, полученными на специальной установке в лабораторных условиях. Во всех случаях получено удовлетворительное качественное и количественное совпадение расчет-' ных и экспериментальных результатов.
Практическая ценность. Разработанная математическая модель движения ротора-маховика и методики расчета неуравновешенных электромагнитных сил и моментов в электрической машине и компенсаторе веса предназначены для проектирования электромеханических инерционных накопителей энергии вертикального типа, а также могут быть использованы для расчета параметров динамических систем с рертикальным ротором в шарнирной и упругой опорах.
Предложенные на основе математического моделирования параметры накопителя энергии реализованы в опытном образце с энергоемкостью маховика до I ДЦж, который изготовлен и прошел лабораторные испытания.
Результаты проведенных исследований используются г НПО
"Энергия" при проектировании новой техники.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсувдались:
на семинаре в Институте машиноведения им.А.А.Благонравова. Москва, 1984, 1965 г.г.;
на семинаре кафедры Теоретической электротехники Уральского политехнического института. Свердловск, 1987, 1988 г.г.;
на всесоюзной конференции "Маховичные накопители энергии". Житомир, 1985, 1939 г.г.;
на семинаре Отдела физико-механических проблем технологии Института машиноведения УрО РАН. Пермь, 1992 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано II работ.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы из 208 наименований и приложения. Работа изложена на 178 стр., содержит 46 рисунков и 8 таблиц.