Переходные и установившиеся режимы электрической части свободнопоточной микрогэс
На правах рукописи
Архипцев Максим Геннадьевич ПЕРЕХОДНЫЕ И УСТАНОВИВШИЕСЯ РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЧАСТИ СВОБОДНОПОТОЧНОЙ МИКРОГЭС Специальность 05.14.01 – Энергетические системы и комплексы
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Красноярск – 2013
Работа выполнена на кафедре “Электротехнические комплексы и системы” ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент, Встовский Алексей Львович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, Лукутин Борис Владимирович Национальный исследовательский Томский политехнический университет, кафедра «Электроснабжение промышленных пред приятий», заведующий кафедрой.
кандидат технических наук, доцент, Мизрах Енис Аврумович Сибирский государственный аэрокосмиче ский университет имени академика М.Ф. Ре шетнёва, кафедра “Автоматические системы управления”, профессор.
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Красноярский государственный аграрный университет”
Защита состоится «19» июня 2013 г. в 10.00 часов на заседании диссерта ционного совета Д 212.099.07 при Сибирском федеральном университете по адресу: г. Красноярск, ул. Ленина 70, ауд.204.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Сибирского федерального университета.
Автореферат разослан «17» мая 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Татьяна Михайловна Чупак Актуальность исследования. Для регионов Сибири и Дальнего Востока основным возобновляемым источником энергии является энергия больших и малых рек. Среди разнообразия конструкций деривационных, низконапорных и свободнопоточных мини и микроГЭС – особо перспективными являются послед ние, вследствие простоты их монтажа и сохранения природного ландшафта. Ос новными компонентами электрической части такой микроГЭС являются генера тор и система управления, которые должны обеспечить удовлетворительное каче ство электроэнергии при низких частотах вращения ротора генератора.
Разработанные в Политехническом институте Сибирского федерального университета (ПИ СФУ) свободнопоточные микроГЭС имеют низкую стои мость, могут производиться серийно, обладают малыми габаритами, не требу ют земляных работ по их установке. Такая микроГЭС имеет оригинальной кон струкции ортогональную турбину, обладающую высоким КПД и коэффициен том быстроходности. В качестве электрической части используются разрабо танные в ПИ СФУ низкоскоростные (частотой вращения от 80 об/мин до об/мин) торцевые синхронные генераторы (НТСГ) с возбуждением от постоян ных магнитов и автоматическая система управления с автобалластным регули рованием. НТСГ имеют наилучшие массогабаритные и энергетические показа тели и малый осевой размер. Автоматическая система управления с автобалла стным регулированием простая по схеме и конструкции, дешевая и не вносит искажений в форму выходного напряжения, которая в этом случае зависит только от формы магнитного поля в рабочем зазоре генератора.
Исследование переходных и установившихся режимов НТСГ оригиналь ной конструкции, защищённой патентом РФ является актуальной задачей, без решения которой нельзя обеспечить проектирование и строительство перспек тивных, экологически безопасных свободнопоточных микроГЭС.
Целью работы является исследование переходных и установившихся режимов электрической части свободнопоточной микроГЭС на основе матема тического и трехмерного моделирования процессов в её элементах для форми рования рекомендаций по их оптимальному проектированию.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующий ком плекс задач:
1. Проанализировать схемные и конструктивные особенности электриче ской части микроГЭС.
2. Разработать математическую модель переходных электромагнитных про цессов торцевого синхронного генератора для оценки величины токов и дли тельности переходных процессов.
3. Разработать методику исследования электромагнитного поля в объеме НТСГ для определения условий получения синусоидальной формы его выход ного напряжения.
4. Средствами трехмерного моделирования выполнить исследование маг нитного поля в сегменте НТСГ и сформулировать рекомендации по выбору геометрических параметров его активной части с целью получения синусои дальной формы выходного напряжения.
5. На разработанном экспериментальном стенде провести испытания элек трической части свободнопоточной микроГЭС.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является электрическая часть свободнопоточной микроГЭС.
Предметом исследования являются переходные и установившиеся про цессы в НТСГ для свободнопоточной микроГЭС и магнитные поля в его рабо чем зазоре.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использова лись методы теории электромагнитного поля, метод конечных элементов в трехмерном моделировании, пакеты прикладных программ Word, MathCad, SolidWorks, Ansoft Maxwell 15.
Достоверность полученных результатов. Достоверность предложенных моделей и обоснованность результатов исследования обеспечивается коррект ным применением теоретических методов и вычислительных экспериментов;
подтверждается данными, полученными в стендовых испытаниях низкоскоро стного торцевого синхронного генератора и системы управления режимами ра боты свободнопоточной микроГЭС.
Научная новизна и значимость заключается в исследовании комплекса задач для электрической части свободнопоточной микроГЭС от стадии проек тирования, до стадии её испытаний, при решении которых:
1. Создана на основе теории обобщенной электрической машины математи ческая модель электромагнитных переходных процессов новой конструкции низкоскоростного торцевого синхронного генератора с магнитоэлектрическим возбуждением, позволяющая оценить величины и длительность переходных токов, необходимые для выбора элементной базы системы управления.
2. Разработана методика исследования трехмерного магнитного поля и про анализирована его форма в торцевом синхронном генераторе с постоянными магнитами.
3. Выработаны условия получения синусоидальности формы магнитной ин дукции в зазоре генератора, обеспечивающие требуемое качество выходного на пряжения электрической части свободнопоточной микроГЭС в рабочих режимах.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Получены аналитические выражения, которые позволяют определить ха 1.
рактер, величину токов и длительность переходных процессов для новой кон струкции НТСГ с магнитоэлектрическим возбуждением, необходимые для вы бора элементов системы управления.
Разработана простая и надежная методика трехмерного моделирования 2.
магнитного поля в активной части НТСГ в программе Ansoft Maxwell 15, кото рая позволяет оценить форму выходного напряжения электрической части сво боднопоточной микроГЭС по распределению магнитной индукции в рабочем зазоре генератора.
Разработан и изготовлен стенд для проведения экспериментальных ис 3.
следований электрической части свободнопоточной микроГЭС в лабораторных условиях.
Реализация результатов работы. Полученные в диссертационной рабо те результаты выполнены в рамках гранта Минобрнауки РФ (2009-2011г.) и проектов Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно технической деятельности (2009, 2010, 2011, 2012 г.) и используются на НПП “Радиосвязь” (г. Красноярск) при подготовке производства свободнопоточных микроГЭС.
На защиту выносятся:
1. Обоснование выбора вариантов генератора и системы управления мик роГЭС.
2. Математическая модель переходных процессов в новой конструкции НТСГ с постоянными магнитами на основе теории обобщенного электромеха нического преобразователя энергии и установленных взаимосвязей с теорией электромагнитного поля.
3. Методика и результаты моделирования трехмерного магнитного поля НТСГ в программе Ansoft Maxwell 15 с целью получения условий синусои дальности выходного напряжения.
4. Результаты стендовых испытаний электрической части микроГЭС мощностью 5 кВт.
Личный вклад в работу. Автор непосредственно участвовал в качестве исполнителя на всех этапах проведенных исследований, включая постановку задач, анализ литературы по переходным процессам в генераторах с магнито электрическим возбуждением, исследование и анализ переходных процессов, трехмерное проектирование НТСГ в программе SolidWorks 2010, рассмотрение и анализ магнитного поля в программе Ansoft Maxwell 15, проведение стендо вых испытаний НТСГ мощностью 5 кВт, анализ выходных характеристик после испытаний, обобщение результатов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы док ладывались на следующих конференциях: XV Международной научно практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных г. Томск, 2009;
ХII Международной научной конференции “Интеллект и наука” г. Же лезногорск, 2012;
VIII Всероссийской научно-технической конференции сту дентов, аспирантов и молодых учёных, посвященной 155-летию со дня рожде ния К.Э. Циолковского: Молодежь и наука г. Красноярск, 2012.
Публикации.
По теме диссертации опубликованы 14 научных работ, в том числе 1 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 7 работ опубликованы в материалах все российских и международных конференций, получен 1 патент РФ и 5 свиде тельств государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка из 145 наименований. Основная часть работы из ложена на 165 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков и таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проводимой работы, сформулиро вана ее цель, определены основные задачи для её реализации. Сформулирована научная новизна основных результатов и практическая ценность исследований.
Представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе показано, что среди объектов малой гидроэнергетики особо перспективными являются свободнопоточные микроГЭС. У таких уста новок низкая стоимость и они не требуют земляных работ при установке. Сво боднопоточная микроГЭС состоит из ортогональной турбины и электрической части, объединяющей в себя низкоскоростной генератор, для получения каче ственного выходного напряжения и автоматическую систему управления авто балластной нагрузки для регулирования режимов работы микроГЭС.
Вторая глава посвящена математическому описанию переходных про цессов НТСГ с помощью дифференциальных уравнений на методологической основе обобщенного электромеханического преобразователя. Для определения параметров математической модели используются полевая электромагнитная модель исследуемого генератора и магнитные схемы замещения.
При математическом описании синхронной машины сделан ряд обще принятых допущений, которые дают возможность вместо реальной машины с достаточной степенью точности исследовать идеализированную синхронную машину.
Магнитные свойства стабилизированных магнитов характеризуются внутренней магнитной проводимостью, что позволяет заменить постоянные магниты ротора НТСГ некоторой фиктивной обмоткой возбуждения, подклю ченной к источнику тока и создающей МДС Fм 0, а полюсные наконечники стержнями фиктивной демпферной обмотки.
В качестве системы ортогональных координатных осей использованы оси d и q, жестко связанные с ротором. Использование этих координатных осей по зволяет получить дифференциальные уравнения равновесия напряжений с по стоянными коэффициентами при неизвестных.
Показано, что при анализе переходных процессов типа «сброс-наброс на грузки», «короткое замыкание», демпферную обмотку можно не учитывать в связи с примерным постоянством частоты вращения ротора. В результате урав нения равновесия напряжений синхронного генератора с постоянными магни тами можно записать аналогично уравнениям обычной синхронной машины.
Для проведения расчетов в одной системе координат, выполнено приведение роторной обмотки к статорной.
С учетом вышесказанного дифференциальные уравнения машины пред ставлены в виде:
-u d d d /dt q rа id -u q d q /dt d rа iq u f d f /dt r f I м 0 (1) d Ld id Ldм I м 0 q Lq i q f Lad id Ldм I м где Ld, Lq – полные индуктивности обмотки якоря по продольной и поперечной осям;
u d, u q, u f напряжения обмотки статора и возбуждения, соответственно;
d, q, f – потокосцепления обмотки статора и возбуждения;
Lad главная – индуктивность якоря по продольной оси;
id, iq – токи статора по продольной и поперечной осям, соответственно;
rа, r f активные сопротивления статора и – обмотки возбуждения;
Ldм – взаимная индуктивность между обмоткой возбуж дения и обмоткой якоря;
I м 0 – эквивалентный ток возбуждения;
Ldм I м0 – по токосцепление обмоток статора и ротора по продольной оси с полем постоян ных магнитов.
В уравнения (1) в качестве коэффициентов входят активные сопротивле ния обмоток якоря, возбуждения и индуктивности само- и взаимоиндукции об моток, зависящие от формы магнитного поля в рабочем зазоре и, следователь но, от конструкции ротора. Входящие сомножителями в индуктивности маг нитные проводимости определены по составленным магнитным схемам заме щения, с учетом коэффициентов формы поля, получаемых разложением в гар монический ряд индукций соответствующих полей. Одна из таких схем заме щения магнитной цепи приведена на рисунке 1 а, а распределение магнитного поля потока реакции якоря по продольной оси на рисунке 1 б.
Магнитные проводимости получены как обратная величина соответст вующих сопротивлений в схемах замещения, с учетом значений коэффициен тов формы соответствующих магнитных полей. После этого рассчитываются индуктивные сопротивления.
Так главное индуктивное сопротивление якоря по продольной оси машины:
2 m f1 W12 k xad ad1 (2) p где m – число фаз статора;
f1 – частота питающей сети;
W1 – число витков ста тора;
k 01 – обмоточный коэффициент;
ad1 ad k фd – магнитная проводи мость воздушного зазора по продольной оси, определенная из:
1 / R 1 / R м ad 1 / Rd (3) 1 / Rd 1 / R 1 / R м а) б) Рисунок 1 – Схема замещения магнитной цепи и распределение магнитного поля потока реакции якоря по продольной оси Главное индуктивное сопротивление якоря по поперечной оси машины рассчитывается аналогично.
Полные индуктивные сопротивления якоря:
xS 2 f1 W12 S ;
(4) xd xad x S ;
xq xaq xS (5) Для расчета переходных процессов была разработана математическая мо дель, опирающаяся на математические подходы двух авторов: И.Л. Осина и Г.А. Сипайлова. Достоинство подхода Г.А. Сипайлова заключается в хорошей сходимости получаемых результатов с результатами электромагнитного расче та. Некоторая громоздкость решения и представление тока обмотки возбужде ния величиной переменной, общепринятой для машин с электромагнитным возбуждением, осложняет его применение к генераторам с магнитоэлектриче ским возбуждением. Для НТСГ с постоянными магнитами последние удобнее заменять фиктивной обмоткой возбуждения, питающейся от источника тока постоянной величины. Такой подход описан И.Л. Осиным. Недостатком в нем является неокончательный вывод выражения фазного тока при коротком замы кании. Вследствие этого за основу расчета был выбран подход И.Л. Осина с учетом операторных функций, используемых в подходе Г. А. Сипайлова.
Исходную систему дифференциальных уравнений (1) можно записать в следующем виде:
-u d (p) р d (р ) q (р ) rа i d (р) -u q (р ) р q (р) d (р ) rа i q (р) u f (р ) р f (р) r f I м 0 (6) d (р) x d i d (р ) x dм I м 0 q (р ) x q i q (р ) f (р ) х ad i d (р ) х dм I м где u d (р), u q(р), u f (р) – изображения выходных напряжений генератора;
(р) – изображения потокосцеплений обмоток машины;
i(р) – изображения токов.
Решение системы уравнений (6) относительно токов после несложных преобразований имеет вид:
хad U d (р) Z q(p) U q(р) xq(p) I м 0 (p) p Z q(p) xq(p) r f pxdм (7) id (р) Z d (p) Z q(p) xd (p) xq(p) хad U d (р) xd (p) U q(р) Z d (p) I м 0 (p) Z d (p) p xd (p) r f pxdм iq(р), (8) Z d (p) Z q(p) xd (p) xq(p) где Z d (p) r1 p xd (p), Z q(p) r1 p xq(p) –полные операторные сопротивле ния синхронного генератора по продольной и поперечной осям, соответствен но.
С помощью теоремы разложения определяются корни уравнения. В дан r ном случае они равны: p1 1/ Т d ;
p2,3 1 r1 /x2 2 1 r12 / x'd xq. Выра ' x жение под квадратным корнем можно принять равным мнимой единице, так как r12 х2. Для определения оригиналов токов рассчитываются корни урав нения.
Выражение для свободной составляющей в этом случае выглядит сле дующим образом:
ila t 0,5 2 I ma cos I 2п cos2 t exp t/Ta (9) r xq где I ma – максимальное значение свободной Е о r1 x d x q r12 x d x q ' r xq составляющей тока короткого замыкания;
I 2п Е о 2 r1 x d x q r1 x d x q ' – амплитуда составляющей тока двойной частоты короткого замыкания;
– угол поворота ротора принят равным 0, соответствующим максимальному всплеску свободной составляющей тока короткого замыкания;
x'd x s – переходное индуктивное сопротивление якоря по 1 / x ad 1 / x dм продольной оси;
x s – индуктивное сопротивление рассеяния;
Ta х2 / rа – постоянная времени свободной составляющей тока короткого замыкания, опре ' деляется из корней уравнения p 2,3 ;
Td - постоянная времени обмотки возбуж дения, которая определяется через операторное индуктивное сопротивление x d (p) и равна 0,15-0,2 с.
Свободная составляющая в явнополюсных машинах имеет колебатель ный характер (рис.2, а), это обусловлено тем, что магнитное поле пульсирует с частотой 2 f1 при вращении явнополюсного ротора из-за различной магнитной проводимости по его осям d и q. При максимальном потокосцеплении, поток самоиндукции, создаваемый свободной составляющей тока короткого замыка ния, будучи неподвижным в пространстве, индуцирует ЭДС основной частоты в обмотке вращающегося ротора. В результате этого, на апериодические вспле ски токов в обмотке возбуждения налагаются периодические токи основной частоты. Эти токи создают магнитные потоки, вращающиеся с синхронной час тотой в сторону, противоположную вращению ротора. В результате сложного процесса взаимодействия апериодических токов статора и периодического тока ротора кратность токов в обмотках дополнительно возрастает.
В машинах с постоянными магнитами, x q x d вследствие низкой маг нитной проницаемости магнитов ( м 2 0 ). При x q x d пульсации свободной составляющей тока практически отсутствуют.
Вынужденная составляющая тока короткого замыкания описывается сле дующим выражением:
i'кп t I m exp t/Td cos t ' ' (10) x x q q где I` Ео – амплитуда вынужденной составляю r 2 x' x r x x m 1 d q dq щей тока короткого замыкания.
Общее выражения для результирующего тока трехфазного короткого за мыкания выглядит следующим образом:
ik t ila t I ` exp t/Td I km cos t ' (11) m Ео xq где I km 2 – амплитуда установившегося тока короткого замыкания.
r1 x d x q По разработанной математической модели рассчитаны токи трехфазного короткого замыкания для низкоскоростного торцевого синхронного генератора мощностью 5 кВт, напряжением промышленной частоты 220/380 В и частотой вращения 250 об/мин, рис. 2 б.
Кривая суммарного тока короткого замыкания представлена на рисунке 2, б. Амплитуда вынужденной составляющей тока уменьшается с изменением ин дуктивных сопротивлений от значения x'd до x. Знакопеременные моменты, d возникающие в результате взаимодействия магнитных потоков движущихся относительно друг друга, весьма велики и опасны для целостности обмоток.
а) б) Рисунок 2 – Кривые изменения свободной составляющей (а) и результирующего токов короткого замыкания (б) В начальный момент короткого замыкания машина испытывает сильный удар, за счет резко возросших токов статорной обмотки и кинетической энер гии ротора. В результате этого возникает тормозящий момент, имеющий харак тер кратковременного импульса.
Процесс внезапного короткого замыкания, происходящего при работе машины под нагрузкой, имеет более сложный характер, но в главнейших чер тах аналогичен рассмотренному выше случаю, когда короткое замыкание про исходит при холостом ходе. Величина ударного тока короткого замыкания при этом также существенно не изменяется.
В третьей главе представлена модель активной части НТСГ и результа ты моделирования трехмерного магнитного поля в его сегменте (рисунок 3) в зависимости от ширины полюсного наконечника.
Цель моделирования – выработать рекомендации по проектированию низкоскоростного торцевого синхронного генератора с синусоидальной формой выходного напряжения;
определить условия снижения потоков рассеяния в межполюсных промежутках ротора и получения магнитной индукции в рабо чем зазоре НТСГ с формой, близкой к синусоидальной.
Учитывая сложность электромеханического оборудования, его высокую стоимость, а также высокую конкуренцию на этом рынке, можно утверждать, что использование современных систем трехмерного моделирования является практически единственным способом достоверно оценить рабочие, технологи ческие и энергетические характеристики установки еще на стадии концепту ального проектирования.
В низкоскоростных генераторах с постоянными магнитами получение синусоидального напряжения на выходе генератора возможно лишь соответст вующим выбором геометрии ротора. Моделирование магнитного поля в объеме генератора проводилось в зависимости от соотношения геометрических пара метров магнита и полюсного наконечника. Достоинством исследуемой конст рукции нового низкоскоростного генератора является возможность изменения геометрии ротора без замены технологического оборудования: достаточно сме ны технологической оснастки.
В Политехническом институте Сибирского федерального университета разработана и изготовлена экспериментальная партия НТСГ с постоянными магнитами мощностью 1 кВт. Анализ результатов стендовых испытаний гене раторов показал, что форма его выходного напряжения несинусоидальная, что неприемлемо для ряда потребителя, усложняет систему регулирования авто балластной нагрузки, снижая ее надежность и эффективность. Основной слож ностью проектирования НТСГ является необходимость жесткого ограничения его радиального габарита, невыполнение которого приводит к существенному увеличению материалоемкости, усложнению элементов их конструкции, не возможности использования серийного технологического оборудования.
Для устранения недостатков экспериментальной партии НТСГ и опреде ления условия получения синусоидального напряжения в проектируемом гене раторе мощностью 5 кВт проведено трехмерное моделирование с учетом соот ношения геометрических параметров полюсов ротора НТСГ мощностью 1 кВт.
Решение задачи определения условий синусоидальности электромагнит ного поля в зазоре генератора проведено с помощью метода конечных элемен тов (МКЭ) в программе Ansoft Maxwell 15.
В качестве геометрической модели, в программном пакете Solid Works 2010, была построена трехмерная модель НТСГ мощностью 5 кВт.
Для сокращения машинного времени и ограничения вычислительных мощностей ЭВМ, рассматривался сегмент равный четверти активного объема НТСГ (рисунок 3) с циркуляцией магнитного потока. Сегмент состоит из: зуб цов – 3;
ярма статора и ротора – 1;
полюсов – 2, состоящих из постоянных маг нитов и стальных полюсных наконечников. На каждый полюс генератора при ходится по 5 зубцов статора.
Для оценки результатов моделирования, корректного их описания и вы работки рекомендаций при проектировании НТСГ, введены 2 коэффициента:
коэффициент относительной ширины магнита kш bм ср, где bм – ширина магнита по среднему диаметру;
ср – полюсное деление по среднему диаметру и коэффициент относительной ширины полюсного наконечника k мр bпн ср, где bпн – ширина полюсного наконечника. Моделирование проводилось поша гово, при уменьшении ширины магнита относительно ширины полюсного на конечника.
Первоначально моделирование проводилось на холостом ходу при равен стве полюсного наконечника и магнита ( bм bпн 0,05 мм, ср 0,056 мм), как принято в изготовленном генераторе мощностью 1 кВт (с коэффициентами 0, 0,893 ). При этом индукция имеет форму, стремящуюся к трапе k ш k мр 0, цеидальной. При уменьшении коэффициента kш до значения k ш 0,8 (за счет уменьшения ширины магнита относительно ширины полюсного наконечника на 2,5 мм с каждой стороны) при прежних значениях k мр и межполюсноных промежутков магнитная индукция имеет форму, стремящуюся к синусоидаль ной, что является условием получения качественного выходного напряжения.
Рисунок 3 – Девяностоградусный сегмент НТСГ в Ansoft Maxwell Для определения амплитудного значения индукции и анализа формы поля при нагрузке, с использованием функции программы Ansoft Maxwell 15 была построена гистограмма распределения магнитной индукции по зубцам статора при k мр k ш 0,893 и k мр 0,893, k ш 0,8 (рисунок 4). Из нее видно, что при равной ширине магнита и полюсного наконечника ( k мр k ш 0,893 ) значение индукции больше на 0,05-0,1 Тл, чем при их разной ширине. Но при этом, по являются провалы магнитного потока (огибающая – штриховая линия). Такие провалы существенно сказываются на качестве выходного напряжения.
Для их исключения, необходимо уменьшать коэффициент k ш за счет уменьшения ширины магнита. В этом случае можно будет добиться формы магнитной индукции, близкой к синусоидальной, при некотором снижении зна чения магнитной индукции. При k ш 0,8 (ширина полюсного наконечника больше, чем ширина магнита), форма поля сглаживается и становится близкой к синусоиде (огибающая – сплошная линия). Из гистограммы видно, что максимальное значение индукции в зубцах статора при k ш 0,893 равно 1, Тл., а при k ш 0,8 – 1,67 Тл. Данные значения магнитной индукции совпадают с результатами электромагнитного расчета НТСГ ( Bz1 1.665 при k ш 0,893 и B 1.645 при k ш 0,8 ). Получить меньшую ширину магнита при сохранении z прежних энергетических соотношений возможно за счет применения магнитов с большей остаточной индукцией (Вr=1,4-1,45 Тл), а также применением ком пьютерных технологий проектирования и конструирования генератора.
Рисунок 4 – Гистограмма распределения магнитного поля в объеме генератора при нагрузке С учетом результатов моделирования формы поля НТСГ мощностью кВт был спроектирован генератор такой мощности и изготовлен на НПП “Ра диосвязь” по технологии, максимально приближенной к условиям промышлен ного производства, с учетом технологических возможностей предприятия и на его технологическом оборудовании. При этом полюсный наконечник выполнен шире магнита. При испытаниях НТСГ мощностью 5 кВт, было замечено сни жение выходного напряжения примерно на 9%. Одной из основных причин яв ляются возникающие потоки рассеяния при недостаточном расстоянии между полюсами ротора.
Исходя из результатов проведенного ранее моделирования НТСГ мощностью 1 кВт в программном пакете Ansys, для НТСГ мощностью 5 кВт значение межполюсного расстояния было выбрано равным 6 мм ( k мр 0,893, k ш 0,8 ). Для исследования потоков рассеяния с целью их уменьшения, было проведено моделирование при номинальном токе, равном 9,5 А и на холостом ходу (рисунок 5). Значения коэффициентов, как и для оценки формы поля рассматривались для двух случаев: k мр 0,893, k ш 0,893 и k мр 0,893, k ш 0,8.
На холостом ходу и в установившемся режиме, на краях полюса сосредоточены большие потоки рассеяния между полюсами ротора, возникающие из-за недостаточной величины межполюсных промежутков для генератора большей мощности. Поэтому, практическая реализация при коэф фициентах k мр 0,893 и k ш 0,8 нецелесообразна, так как величина потоков рассеяния практически не уменьшилась по сравнению с k мр 0,893 и k ш 0,893.
Для определения зависимости величины потоков рассеяния от геометри ческих параметров ротора, проводилось моделирование при пошаговом умень шении коэффициентов kш, k мр за счет уменьшения ширины магнита и полюс ного наконечника при неизменном диаметре генератора. В результате модели рования была найдена оптимальная величина коэффициентах ширины ( k мр 0,86 и k ш 0,77 ) при которой получена синусоидальная форма магнит ного поля с незначительными потоками рассеяния на краях полюсов. По итогам моделирования НТСГ мощностью 5 кВт и полюсностью 2р=16 была построена зависимость выбора коэффициента kш от мощности генератора (рисунок 6).
Аналогичные зависимости построены для НТСГ различной мощности и полюс ности. Полученные значения коэффициента k мр для генераторов различной мощности и полюсности приведены в таблице 1.
Рисунок 5 – Векторное распределение индукции в зубцах статора на холостом ходу Таблица 1 – Величина коэффициента k мр Мощность Величина k мр в зависимости от полюсности генераторов генераторов 2р=16 2р=20 2р= Р=14,5 кВт 0,8150,845 0,8050,84 0,780, Р=59,5 кВт 0,8450,875 0,8250,855 0,8150, Р=1015 кВт 0,850,92 0,830,91 0,820, Рисунок 6 – Зависимость мощности от коэффициента kш при 2р= Трехмерное моделирование в программе Ansoft Maxwell 15 показало вы сокую точность совпадения с расчетами, проведенными по математической мо дели.
Основными рекомендациями по проектированию НТСГ являются:
Для получения в воздушном зазоре формы индукции, близкой к сину соидальной, необходимо ширину полюсного наконечника выполнять больше, чем ширину магнита, пользуясь значениями коэффициентов, приведенными в таблице 1.
Для уменьшения величины потоков рассеяния, использовать во время проектирования соответствующий выбор коэффициента по таблице и по кри вым в зависимости от мощности и полюсности генератора. При проектирова нии других (чем в табл. 1) вариантов генераторов следует искать компромисс ное решение между k мр и k ш (то есть между шириной полюсного наконечника и величиной межполюсного расстояния) или проводить моделирование по ме тодике, разработанной и приведенной в реферируемой работе.
Проектирование с использованием коэффициентов k ш и k мр и прове дением трехмерного моделирования позволит максимально использовать имеющееся технологическое оборудование завода-изготовителя, изготавливая лишь необходимую технологическую оснастку.
Используя полученные рекомендации, можно будет добиться формы поля близкой к синусоидальной с минимальными потоками рассеяния практически без ухудшения массогабаритных показателей генератора.
В четвертой главе приводятся ход и результаты стендовых испытаний;
снятие электромагнитных выходных данных и осциллограмм тока и напряже ния в переходных режимах низкоскоростного торцевого синхронного генерато ра с постоянными магнитами мощностью 5 кВт с использованием автоматиче ской системы управления с автобалластным регулированием.
Система управления является одним из важнейших элементов энергоус тановки, обеспечивающих статически устойчивый режим работы гидроагрегата и стабилизацию его выходного напряжения.
Задачами системы управления микроГЭС, обеспечивающей требуемые режимы её работы являются: обеспечение качественного питания основных по требителей электроэнергии;
отключение неосновных потребителей при сниже нии нагрузочной способности генератора;
полное отключение потребителей и перевод генератора на холостой режим работы при недопустимом снижение выходной частоты;
включение и регулирование балластной нагрузки генерато ра в случае роста выходной частоты выше нормы;
нормализация электрическо го режима генератора при несимметричных нагрузках по фазам выходного на пряжения;
высокая степень надежности, обеспечивающая безотказную работу в течение продолжительного срока эксплуатации.
Система управления разработана с использованием автобалластных со противлений. Достоинствами данного способа стабилизации являются: практи ческое отсутствие дополнительных искажений формы выходного напряжения, что значительно улучшает качество получаемой потребителями электроэнергии и возможность стабилизации частоты вращения гидроагрегата, обеспечение удовлетворительных значений напряжения и частоты за счет соотношения ве личин полезной и балластной нагрузок микроГЭС.
Разработанная система управления модулем (СУ) и алгоритм её работы представлены на рисунке 7. Напряжение с частотой генератора через фильтр нижних частот (ФНЧ), восстанавливающий синусоидальную его форму, посту пает на компаратор (ФПН), формирующий прямоугольный импульс, длитель ность которого определяется периодом входного переменного напряжения.
Этот период заполняется импульсами высокостабильной частоты (узел БЗП) и подаётся на преобразователь последовательности импульсов в параллельный двоичный код (ПКС). Данный двоичный код сравнивается с кодом, соответст вующим частоте 50 Гц (ССК), и в зависимости от знака отклонения формиру ются сигналы управления в коде 1-2-4-8.
а) б) Рисунок 7 – Блок-схема управления системы управления (а) и алгоритм работы схемы управления (б) Система защиты от ошибок формирования (БЗФ) не позволяет коду дос тигнуть переполнения или опустошения. Сигналы управления через оптронную гальваническую развязку (БГР) и выходные усилители (ВУ) подаются на сило вые ключи коммутатора балластных резисторов. На рис. 7 ДЧГ – датчик теку щей частоты генератора;
ГОЧ – генератор образцовой (кварцированной часто ты);
ЗКЧ – задатчик кода стабилизируемый частоты;
ФСУ – формирователь управляющих ключами сигналов.
Для рассмотрения переходных процессов в НТСГ с постоянными магни тами, спроектированного по разработанной математической модели (см. главу 2), были проведены стендовые испытания. Главная задача испытаний, заключа лась в доказательстве адекватности математической модели переходных про цессов и анализе формы выходного напряжения на холостом ходу и при на грузке.
Вид осциллограммы тока при коротком замыкании (рисунок 8, а) совпадает с графиком короткого замыкания, полученным ранее по математической модели (рисунок 8, б). Большинство амплитудных точек, полученной осциллограммы совпадают с амплитудными значениями расчетной кривой тока при коротком замыкании (рисунок 8, б). Это указывает на то, что математическая модель достаточно точно отражает переходные процессы в нем. Несовпадение отдельных точек амплитуд тока при испытаниях с точками, полученных в результате расчета математической модели, обусловлено тем, что в ней не учтено насыщение стали. Величина ударного тока равна: I уд. 10I н.
Ток генератора снижается до амплитудного значения установившегося тока I уст. 4 I н. Вследствие недостаточной мощности приводного двигателя, его скорость снижалась, и частота изменения тока уменьшалась.
Для проверки результатов моделирования формы поля, описанной в главе, были сняты осциллограммы выходного напряжения (рисунок 9 а, б).
а) б) Рисунок 8 – Осциллограмма тока при трехфазном коротком замыкании (а) и кривая тока при коротком замыкании (б) На холостом ходу (рисунок 9 а), осциллограмма напряжения имеет форму с небольшими провалами, возникающими из-за соотношения между шириной паза и шириной зубца. Этот факт подтвержден трехмерным моделированием зубчатости на полюсном наконечнике, проведенным в 3 главе. При постепенном увеличении нагрузки, форма напряжения сглаживалась (рисунок б) вследствие влияния поперечного магнитного поля статора.
а) б) Рисунок 9 – Осциллограммы напряжения на холостом ходу (а) и при нагрузке (б) По итогам испытаний и для сравнения с результатами математической модели, была построена внешняя характеристика НТСГ (рисунок 10). 4 темных точки – это значения, снятые при испытаниях. По этим точкам построена внешняя характеристика. Она ниже расчетной на величину U. Как было ска зано выше, это обусловлено потоками рассеяния, возникающими между полю сами ротора. Сравнение результатов, посчитанных по математической модели с результатами, полученными по итогам испытаний приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Сравнение результатов Значения по Значения по математической результатам модели испытаний U, В I, А U, В I, А 1 238 0,5 220 0, 2 235 4 225 3 232 7 214 4 228 9,5 218 9, Рисунок 10 – Внешняя характеристика НТСГ Полученные экспериментальные значения и осциллограммы тока имеют удовлетворительную сходимость с аналитическими и расчетными исследованиями.
Основные выводы и результаты работы 1. На основе теории обобщенной электрической машины, с применением теории электромагнитного поля и магнитных схем замещения разработана ма тематическая модель переходных процессов НТСГ, которая позволяет оценить величину и длительность переходных токов, существенно влияющих на рабо тоспособность и надежность конструкции самого генератора и выбор элемен тов системы управления.
2. На основании решения дифференциальных уравнений получены выраже ния для переходных токов и их составляющих, а также токов в установившемся режиме, являющихся основой для выбора элементов системы управления ре жимами работы генератора.
3. Разработанная методика трехмерного моделирования магнитного поля НТСГ с постоянными магнитами в Ansoft Maxwell 15, который может использоваться в качестве современного инженерного инструментария автоматизации проектирования конструкторской подготовки их промышленного производства и с достаточной степенью точности с учетом особенностей конструкции отображать реальные процессы, происходящие в машине. По результатам проведенного моделирования установлено, что до биться формы выходного напряжения генератора близкой к синусоидальной, можно соответствующим уменьшением ширины магнита, относительно шири ны полюсного наконечника. С целью снижения полей рассеяния постоянных магнитов ротора при проектировании, определена рекомендуемая величина ко эффициента относительной ширины магнита k ш и коэффициента относитель ной ширины полюсного наконечника k мр для низкоскоростных генераторов различной мощности.
4. Проведенные экспериментальные исследования генератора на испытатель ном стенде, позволяющем имитировать работу микроГЭС, показали адекватность его математической модели и подтвердили работоспособность генератора в пере ходном и установившемся режимах. Полученные при этом осциллограммы пере ходных токов, совпадают с результатами математического моделирования. Ос циллограммы формы выходного напряжения совпадают с результатами модели рования формы магнитного поля, проведенными в Ansoft Maxwell 15. Качество напряжения в условиях лабораторных испытаний соответствует требованиям ГОСТ Р 54149-2010 (п. 4.2.1, 4.2.4.1).
Научные публикации по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК Архипцев М.Г. Математическое моделирование переходных процессов в 1.
торцевом синхронном генераторе с магнитоэлектрическим возбуждением. / М.Г.Архипцев, А.Л Встовский, В.И.Пантелеев, К.С.Федий // Известия Томского политехнического университета. Том 321, выпуск № 4. – ТПУ 2012.
Патенты и авторские свидетельства Патент 2406213 Российская Федерация, МПК7 Н 02 К 21/24 / Торцевая 2.
электрическая машина / А. Л. Встовский, М. П. Головин, К. С. Федий, Е. С.
Встовская, М. Г. Архипцев А.№ 2009120866/07. Заявлено 01.06.09. Опубл.
10.12.10, Бюл.: № Архипцев М.Г. Программно-вычислительный комплекс «Исследование 3.
диаграммы магнитов ротора торцевого синхронного генератора». / М.Г. Архип цев, А.Л. Встовский, К.С. Федий // Свидетельство Роспатента о государствен ной регистрации программы для ЭВМ № 2011615947 от 29.07.2011.
Архипцев М.Г. Программно-вычислительный комплекс «Программный 4.
модуль исследования распределения магнитного поля статора в рабочем зазоре в пределах полюсной дуги». / М.Г. Архипцев, А.Л. Встовский, К.С. Федий, Е.А.
Спирин // Свидетельство Роспатента о государственной регистрации програм мы для ЭВМ № 2012614061 от 04.05.2012.
Архипцев М.Г. Программно-вычислительный комплекс «Программный 5.
модуль исследования переходных процессов в торцевом синхронном генерато ре». / М.Г. Архипцев, А.Л. Встовский, К.С. Федий // Свидетельство Роспатента о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012614062 от 04.05.2012.
Архипцев М.Г. Программно-вычислительный комплекс «Программа ис 6.
следования распределения магнитного поля в межполюсном пространстве ста тора торцевого генератора». / М.Г. Архипцев, А.Л. Встовский, К.С. Федий, Е.А.
Спирин // Свидетельство Роспатента о государственной регистрации програм мы для ЭВМ № 2012615286 от 13.06.2012.
Архипцев М.Г. Программно-вычислительный комплекс «Программный 7.
модуль исследования магнитной проводимости полюса магнита торцевого син хронного генератора по продольной оси». / М.Г. Архипцев, А.Л. Встовский, К.С. Федий, Е.А. Спирин // Свидетельство Роспатента о государственной реги страции программы для ЭВМ № 2012616219 от 06.07.2012.
Другие научные публикации по теме диссертации Архипцев М.Г. Управление режимами работы свободнопоточной МИК 8.
РОГЭС. / М.Г. Архипцев, Е.С. Встовская. // Сборник трудов XV Международ ной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учё ных: Современная техника и технологии. Том 1. – ТПУ 2009.
Архипцев М.Г. Низкоскоростной торцевой синхронный генератор МИК 9.
РОГЭС и его система управления. / М.Г. Архипцев, Е.С. Встовская. // Труды ХI Всероссийского студенческого научно-технического семинара: Энергетика:
экология, надёжность, безопасность. Том 1 – Электроэнергетическое направле ние. – ТПУ 2009.
10. Архипцев М.Г. Особенности конструкции низкоскоростного генератора МИКРОГЭС и его системы управления. / М.Г. Архипцев, Е.С. Встовская. // Сборник материалов V Всероссийской научно-технической конференции сту дентов, аспирантов и молодых учёных: Молодежь и наука: начало XXI века.
Часть 4. – СФУ 2009.
11. Архипцев М.Г. Особенности конструкции и определения параметров многополюсного торцевого синхронного генератора. / М.Г. Архипцев, Е.С.
Встовская, А.Л. Встовский // Материалы I Всероссийской научно-практической (заочной) конференции: Актуальный вопросы развития современной науки, техники и технологий. – М. – 2009.
12. Архипцев М.Г. Определение индуктивных сопротивлений низкоскорост ного торцевого синхронного генератора. / М.Г. Архипцев, А.Л. Встовский, К.С.
Федий // Сборник материалов международной заочной научно-практической конференции: Наука и техника в современном мире. – Новосибирск 2012.
13. Архипцев М.Г. Переходные процессы в торцевом синхронном генераторе с магнитоэлектрическим возбуждением. / М.Г. Архипцев, К.С. Федий // Труды ХII Международной научной конференции “Интеллект и наука”. – Железно горск 2012.
14. Архипцев М.Г. Расчет параметров низкоскоростного торцевого синхрон ного генератора. / М.Г. Архипцев, К.С. Федий, А.Л. Встовский // Сборник мате риалов VIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспи рантов и молодых учёных, посвященной 155-летию со дня рождения К.Э. Ци олковского: Молодежь и наука. – СФУ 2012.