автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Автономные генераторные установки возобновляемых источников энергии

На правах рукописи

АВТОНОМНЫЕ ГЕНЕРАТОРНЫЕ УСТАНОВКИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Специальность 05.09.01 -«Электромеханика и электрические аппараты»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена на кафедре электромеханики Московского

энергетического института /Технического университета/.

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

КУЗНЕЦОВ Вячеслав Алексеевич

ЛАБУНЕЦ

Игорь Александрович

кандидат технических наук, доцент

ГРИБКОВ

Сергей Владимирович

Ведущая организация

Всероссийский институт электрификации сельского хозяйства - ВИЭСХ

Защита диссертации состоится "18." июня 2004г. на заседании диссертационного совета Д 212.157.15. при Московском энергетическом институте /Техническом университете/ в аудитории Е-205 в 15 час.00 мин. по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 13.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ /ТУ/.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ /ТУ/, автореферат разослан "_"_2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.15. к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Перспективы развития современного экономичного использования энергетических ресурсов и экологически чистого производства электроэнергии во многом определяются успехами в области разработки и создания бесплотинных гидроэлектрических станций (ГЭС) и ветроэлектрических станций (ВЭС). Существуют многообразные конструкции ГЭС и ВЭС. Бесплотинные наплавные и погружные ГЭС, работающие на свободном течении воды, деривационные ГЭС, преобразующие кинетическую и потенциальную энергию воды в электрическую, ВЭС, преобразующие энергию ветра.

К сожалению, эти станции не получили распространения из-за их относительно высокой капитальной стоимости, так как включают сравнительно большое количество оборудования и из-за проблемы с их серийным производством. Нередко они выполняются по индивидуальным проектам в зависимости от географических параметров места проектируемой электрической станции (ЭС).

Эффективность работы, надежность, гибкость, уменьшение массогабаритных показателей, получение максимального КПД, простота эксплуатации и снижение стоимости таких электрических станций во многом зависят от типа генераторных установок. Энергетики предпринимают поиски в области создания новых видов ЭС на основе нетрадиционных возобновляемых источников, которые не загрязняют окружающую среду и позволяют избежать санкций международных организаций энергетики при производстве энергии на базе исчерпанных и экологически неблагоприятных источников энергии. Гидроэнергетика и ветроэнергетика среди возобновляемых источников являются наиболее используемыми и перспективными. Этой области посвящено множество работ, которые базируются на общем принципе: преобразование механической энергии ветра и воды в электрическую энергию. Использование механической энергии воды для получения электроэнергии только с помощью плотинных ГЭС не всегда целесообразно из-за их высокой стоимости и технически зачастую непросто реализуемо.

Актуальной является задача разработки генераторных установок на основе асинхронных и синхронных генераторов. Достаточно простые установки, спроектированные в расчете на продолжительный режим работы, имеющие улучшенные массогабаритные показатели,

оыть конкурента РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ 1 БИГ^ОТГКА

ст-цбъ

традиционными электростанциями в зависимости от географического положения, плотности населения, климатических факторов, наличия инфраструктуры регионов их установления. Создание и внедрение автономных генераторов должно сопровождаться целым рядом изменений в подходе к конструированию и эксплуатации элементов этих установок. Нежелательно применение промежуточных устройств с переменным передаточным отношением, мультипликаторов скорости вращения/ дополнительных механических решений, а также наличие скользящих контактов в электрических машинах.

Цель работы. Основными целями работы являются: - разработка генераторных установок стабильной частоты генерируемого напряжения без электронных преобразователей частоты при переменных частотах вращения вала; - формирование мотивации использования возобновляемых источников энергии путем повышения установленной мощности оборудования; - разработка требований к построению генераторных установок для реализации их серийного производства; - расширение диапазона рабочих скоростей электрических станций возобновляемых источников;

- исследование вибрационных явлений в машинах генераторных установок.

Методы исследования. При. математическом описании процессов в рассматриваемой электромеханической, системе использовалась вращающаяся система координат со скоростью, совпадающей со скоростью вращения одного из магнитных полей. В работе созданы математические модели разработанных установок на базе схем замещения и уравнений асинхронной машины, трансформатора и синхронной машины. Для облегчения решения дифференциальных уравнений была составлена система с минимальным количеством дифференциальных уравнений, а также преобразующая дифференциальные уравнения установки с периодически изменяющимися параметрами в дифференциальные уравнения с постоянными параметрами с помощью предложенной матрицы преобразования систем координат осей обмоток каскадных электрических машин. Была разработана математическая модель с помощью среды Sitnulink и программного пакета Matlab. Экспериментальным методом на базе трехкаскадного соединения асинхронных машин, в котором одна машина выполняет роль турбины, было подтверждено функционирование разработанной схемы стабилизации частоты выходного напряжения без применения электронных приборов при переменных частотах

вращения вала установки. Была построена и введена в эксплуатацию бесплотинная наплавная микро ГЭС на свободном течении воды на реке Конго.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- сформулированы принципы создания генераторных установок, обеспечивающие стабилизацию частоты выходного напряжения при больших диапазонах изменения частотах вращения вала; - разработаны схемы генераторных установок для работы асинхронных машин при повышенных скольжениях; - предложены матрицы, описывающие зависимости частот магнитных полей обмоток машин каскада по схемам синхронная - асинхронная электрические машины и асинхронная -асинхронная электрические машины, пригодные для любой комбинации чисел пар полюсов; - разработаны математические модели в среде Simulink, позволяющие исследовать динамические процессы различных каскадах электрических машин;

- выполнены аналитические описания, математические и физические моделирование электромеханических преобразователей механической энергии созданных возобновляемых источников при стабильной и при переменной частоте их вращения; -предложены схемы замещения каскада асинхронных машин, позволяющие эффективно рассчитывать характеристики установки в установившихся режимах; -разработана аналитическая модель для расчета вибраций в статорах асинхронной и синхронной машин.

Практическую ценность представляют сформулированные принципы реализации схем и ограничений при создании автономных энергетических установок для определенного класса возобновляемых источников энергии.

Достоверность полученных результатов следует из адекватности и корректности примененных теоретических и вычислительных методов. Она подтверждается результатами экспериментальных измерений опытного образца на базе двух асинхронных машин, а также установки, объединяющей синхронный генератор и электромеханический преобразователь частоты.

Реализация результатов работы. Разработанные установки позволяют создать надежные электрические станции, не требующие постоянного обслуживания. Они с равным успехом могут быть использованы для ветро и гидроустановок повышенной единичной мощности, а также в транспорте, морской и авиационной

технике, а также могут быть успешно применены для стран центральной Африки, которые имеют колоссальные неэксплуатируемые водные энергоресурсы.

В научном плане предложенные математические модели позволяют исследовать каскадные соединения электрических машин. Предложенный аналитический метод расчета вибраций позволяет исследовать уровень вибраций и шумов в установках на этаце Их проектирования. Он был успешно применен в расчетах вибраций синхронных двигателей для Французской кампании «ALSTOM», специализирующейся в конструировании высокоскоростных поездов «TGV».

Основные результаты и выводы

1. Предложенные и созданные установки существенно расширяют диапазон мощностей электромеханических преобразователей энергии и повышают их надежность.

2. Разработанные установки позволяют создать отдельную сеть при их параллельном подключении, так как обладают строгой идентичностью в частоте выходных параметров при малых скоростях вращения без применения мультипликаторов.

3. Установки могут экономично и экологически чисто эксплуатировать энергию различных водных источников энергии, так как могут работать в погружном виде.

4. Генераторные установки унифицированы.

5. Установки работают без обслуживающего персонала.

6.' Разработанный аналитический метод расчета вибрации синхронных и асинхронных машин позволяет прогнозировать вибрации и шумы в указанных машинах на этапе их проектирования.

Апробация работы, результаты работы докладывались на седьмой и восьмой международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов г. Москвы, в 2001-2002 годах, рассматривались на кафедре электромеханики МЭИ /ТУ/, обсуждались на конференциях в Высшей Центральной Школе г. Лилля во Франции в 2002-2004. По работе была подана заявка на получение патента изобретения. Использованная схема с двумя асинхронными машинами защищена официальным решением бюро охраны изобретений во Франции, х Проведены испытания бесплотинной, наплавной микроГЭС на свободном течении воды на реке Конго и на физической модели, выполненной на двух каскадно-

соединенных асинхронных машин.

Структура и состав диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованных источников из 102 наименований и трех приложений. Она содержит 120 страниц основного текста, 14 таблиц и 17 иллюстраций.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Сравнение различных схем генераторных установок, используемых на электростанциях для возобновляемых источников, выбор базисной схемы, содержащий каскадные асинхронные машины.

2. Требования к выбранным схемам генераторных установок для достижения преобразования энергии и стабилизации частоты электрических параметров на выходе установок.

3. Общие правила определения соотношений частот вращения полей статоров и роторов машин в каскадах, содержащих синхронные и асинхронные машины при любых соотношениях чисел их полюсов.

4. Принципы действия, конструктивные и математические описания установок, содержащих каскады асинхронных машин и синхронных машин.

5. Математическое описание и модели установки каскадных асинхронных и синхронных машин в среде 81шиКпк.

6. Схемы замещения каскада асинхронных машин, позволяющие эффективно рассчитывать характеристики установки в установившихся режимах. Алгоритм приведения параметров и расчета приведенных параметров схемы замещения в относительных единицах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении формулируется актуальность работы, ее цель, решаемые задачи, новизна научных положений и их практическая ценность, обосновывается необходимость в условиях рынка нового подхода к совокупности электрооборудования электротехнических установок и систем с позиций техноценоза.

В первой главе диссертации дан обзор состояния и тенденций построения генераторных установок возобновляемых источников энергии (ГУВИЭ) для ВЭУ и

бесплотинкых ГЭС (БПГЭС), их характеристик, экспериментальных и эксплуатационных данных, зарубежных и отечественных достижений в этой области. В ВЭУ и БПГЭС нашли широкое применение синхронные генераторы (СГ) относительно большой мощности, а в автономных ВЭУ и БПГЭС - в основном СГ малой мощности с возбуждением от постоянных магнитов.

Асинхронные генераторы (АГ) оказались весьма эффективными с технической и экономической точки зрения и широко применяются в ВЭУ и в БПГЭС. Диапазон мощностей АГ, используемых в современных нетрадиционных источниках энергии, составляет от 0,5 до 2500 кВт.

Машино-вентильные системы генерирования электроэнергии нашли широкое применение в ВЭУ и в БПГЭС. Они обеспечивают наиболее высокие технические и энергетические характеристики ВЭУ и БПГЭС и выполняются в трех вариантах: синхронный генератор - тиристорный преобразователь частоты (СГ-ТПЧ); асинхронный генератор - тиристорный преобразователь частоты (АГ-ТПЧ); тиристорный преобразователь частоты - асинхронный генератор с фазным ротором в цепи ротора ('ШЧ-АГ). Система СГ-ТПЧ находит применение в установках любого класса мощности в диапазоне от десятков ватт до 750 кВт. Система 'ШЧ-АГ имеет высокие технико-экономические и эксплуатационные показатели, находит применение в установках любого класса мощности в диапазоне от десятков ватт до 2500 кВт.

Система стабилизации частоты напряжения нетрадиционных источников энергии может быть разделена на три группы:

К первой группе стабилизации частоты относятся механические решения поддержания неизменной частоты вращения, как-то: регуляторы угла атаки лопастей, мультипликаторы с автоматическим ступенчатым регулированием коэффициента редукции, мультипликаторы с непрерывным коэффициентом редукции.

Ко второй группе стабилизации частоты можно причислить электрические решения поддержания постоянной частоты выходного напряжения. Переменное напряжение нестабильной частоты генератора с помощью ТПЧ со звеном постоянного тока преобразуется в постоянное напряжение, а постоянное - в переменное стабильной частоты. Существуют, в основном, два конструктивных

варианта: СГ-ТПЧ и АГ-ТПЧ.

К третьей группе стабилизации частоты следует отнести электромеханические решения поддержания постоянной частоты выходного напряжения. Здесь используют возможности асинхронных машин с фазным ротором и ТПЧ, включенного в цепь ротора этих машин, а также электромагнитных и механических регуляторов частоты вращения. Система стабилизации частоты, относящаяся к третьей группе, позволяет различные виды энергии нетрадиционных источников с плавающей частотой объединять в малую автономную энергосистему.

Во второй главе предлагаются различные варианты ГУВИЭ на базе синхронных машин, асинхронных машин и на базе каскада этих машин. На рис Л показана структурная схема ГУВИЭ на базе синхронного генератора, где на выходе синхронного генератора установлен ТПЧ со звеном постоянного тока.

рис.1 I енераторнаи установка лля авгопочиых мектростанцнн на fiate синхронною leHepaiopa сносюиннычи Mai HIIIMMII.

ШУ: автоматическая система стабплпиппп напряжения, защитные аи пара 1Ы, преобраюватель частоты со эвеном постоянного тока (В п И).

У ГУВИЭ такого типа есть следующие преимущества: простота и наличие всего двух элементов оборудования: синхронный генератор и ПЧ, работающий без блока управления. При небольших мощностях используют синхронный генератор с постоянными магнитами (рис.1), а при значительных мощностях можно использовать синхронные генераторы с комбинированным возбуждением (рис.2).

Главным недостатком в этих установках является то, что ПЧ, который в данной

установке играет роль электронного стабилизатора частоты (ЭСЧ), установлен на стороне якоря синхронного генератора. Таким образом, ЭСЧ работает на полную мощность ЭС. Это ограничивает мощность станции, так как предел рабочей мощности ЭСЧ уступает мощности синхронного генератора. Размещение ЭСЧ между, выходами генератора и потребителями ухудшает форму кривых генерируемого напряжения. Она становится далеко не синусоидальной. В таких ГУВИЭ мощность ЭСЧ окажется равным мощностью генератора и становится самым дорогим элементом оборудования,.

~> Юг-

гРи

f щу|- 1

■Î 'Лк1

П>1

' Нагруиа

ИМ и«гк*миммй м.|]нш< В - еыпрямителк, И-инвертор, (синхронный генератор с постоянными магнитами}. ШУ.Шыф управления И п КД- «онтаетор.

• направление мощности, fer • частот! тока статоров синхронного генератора. & частота том статоров синхронных машин, < • скорость и иапвавпение «ращение сага >станов*и.

СГКЛЗ гпнчроннмй 1гн«|11ГО|> t

кмчоинириваиныч ииилллмти.

ОБ • обмотка во)б\-лдгяп(

С1КВ

рис 2

Генераторная) становка ятя автономных э лектростанпип на базе синхронного

генератора с комбинированным возбгааенпем.

ШУ: автоматическая система стабплпзашш напряжения, защитные аппараты,

неуправляемый преобразователь частоты со звеном постоянного тока (В п Щ.

На рис.3 показана автономная генераторная установка (АГУВИЭ) на базе двух асинхронных машин и одного синхронного подвозбудителя с постоянными магнитами. Все три машины установлены на одном валу. На рис.4б укрупненно показана «электромашинная» часть АГУВИЭ с комбинированным возбуждением (рис.4а.).

Сетевая генераторная установка (СГУВИЭ) на рис.5 относительно несложная, она спроектирована в расчете на продолжительный режим работы. Установка СГУВИЭ в ветровой электростанции ВЭС и в водных источниках с низкими скоростями течений не содержит контактных колец и щеточного аппарата, промежуточных

и

устройств с переменным передаточным отношением, мультипликатора скорости вала, механических устройств стабилизации скоростей вращения вала, источников собственных нужд. Это приводит к её упрощению конструкцию, повышению КПД, а также к удешевлению агрегата. Простой по конструкции транзисторный инвертор (И) с целью стабилизации частоты (рис.3 или рис.4.а) подключен на стороне возбуждения и функционирует без блока управления, без датчика положения ротора, без задатчика частоты, без датчика напряжения. Такой инвертор рассчитывается на мощности возбуждения, а не на полную мощность станции.

--ь •

=4 .—=> г

¡1 1(1 - 1411«) - 5

5'Л у

постоянный магнит В ■ выпрямиталь И'Инвертор Г1" • Главный генератор АВ • Асинхронный возбудитель ИРЭ ■ ИСТОЧНИК Р9МТМН0Й энергии 1С ихрэсный •еиератор с постоянными магнитами) ШУ-Шыф управления \ К1 н К2 • контактор

направление мощности

рис.3 \ПЕНЭ Генвраторная установка до автономны* мивро и мини мектростачиий

ШУ . ввтоматнчаекгя система ставмшаиии игпоамния, аашитныа аппараты.

неуправляемый преобразователь частсты еозваиэм псстоясио'о тока (В и И) '«- частота токи статора ьо^лнсм лВ : (сг-чае*етатакг статоров синхронного генератора (р • частота тока роторов асинхронных |гаи>ин, \ • скорость л нлпреегениа еращачи* вала установки Ги- частота напряжения нагрузка

Для полной автономности подвозбудитель ИРЭ проектируется с постоянными магнитами и в зависимости от мощности станции он реализуется в двух типах:

- синхронный генератор с постоянными магнитами на роторе как источник постоянного поля возбуждения для ЭС мощностью до нескольких сотен кВт;

- синхронный генератор с комбинированием возбуждением в случае мошной ЭС.

В третьей главе описаны конструктивные схемы генераторных установок, принципы их работы. Составлены системы дифференциальных уравнений, описывающие процессы в этих установках.

Конструкция энергетической станции возобновляемых источников - ЭСВИ.

ЭСВИ содержит три части: турбину (Т) - источник механической энергии; генераторную установку (ГУ) - электромеханический преобразователь энергии; шкаф управления (ШУ), который осуществляет защиту и регулирование напряжения электростанции.

ГУВИЭ могут бьпь в двух типов: автономная - АГУВИЭ (рис.4а) и подключаемые к сети - СГУВИЭ (рис.5).

СГУВИЭ состоит из двух асинхронных машин с трехфазными обмотками на

роторах с равным числом пар полюсов. Одна машина, - асинхронный преобразователь частоты, - является возбудителем (АВ) и возбуждается со стороны статора от источника требуемой для станции частоты, а вторая, - асинхронизированная синхронная машина, - является главным генератором (ГТ) и возбуждается со стороны ротора. Роторы машин насажаны на общем валу и их обмотки последовательно соединены с соблюдением чередования фаз. Роторная обмотка возбудителя питает роторную обмотку (возбуждения) главного генератора. В обмотках роторов машин протекает общий ток, а созданные им поля вращаются в одном направлении.

Принцип работы. При питании статорной обмотки возбудителя напряжением частоты сети £ по ней протекает ток, который создает магнитный поток циклической частоты юс. Чередование фаз обмотки статора выбрано таким образом, чтобы направление вращения поля статора совпадало с направлением вращения вала установки шв. Возбудитель (АВ) рассчитан так, что его критический момент был бы меньше механического момента, приложенного к валу установки турбиной. Таким образом, направление и скорости вращения вала установки во всех режимах работы определяются направлением и скоростью вращения турбины. Число пар полюсов АВ выбрано так, чтобы частота вращения поля его статора всегда превышала частоту вращения вала установки. В итоге, в обмотке ротора возбудителя

индуктируется ЭДС частоты скольжения fp. Обмотка ротора АВ последовательно соединена с роторной обмоткой возбуждения главного генератора. В каждой фазе обмоток роторов установки потечет ток частоты fp (fP=Sfc), где S- скольжение в АВ. Этот ток создает в роторе ГГ магнитный поток, вращающийся относительно вала установки с частотой ир (сор — S<üc ). Чередование фаз обмоток роторов выбрано таким образом, чтобы направления вращения полей роторов относительно тел роторов совпадали с направлением вращения • вала. В обмотке статора ГГ будет индуктировать ЭДС частоты, определяемой суммой частот вращения вала сов и вращения поля ротор юр. Таким образом, частота поля этого статора равна ис (й>/ =

В обмотке статора ГГ-индуктируется ЭДС частоты совпадающая с частотой тока возбуждения возбудителя. Если обмотка возбуждения возбудителя подключена к сети, то на выходе ЭС генерируется напряжение частоты сети независимо- от изменений скоростей вращения вала установки, без преобразователя частоты и без использования механических решений стабилизации скоростей вращении вала установки.

АГУВИЭ (рис.4а) содержит СГУВИЭ, к которой подключен синхронный подвозбудитель с роторным комбинированным возбуждением, - источник реактивной энергии (ИРЭ). Ротор ИРЭ насажен на один вал с роторами асинхронных машин. Обмотка возбуждения ИРЭ обтекается постоянным током от роторной обмотки возбудителя (АВ) через вращающийся выпрямитель. Постоянные магниты ротора ИРЭ служат для обеспечения гарантированного наличия остаточного потока магнитного поля в машине (рис.4б). Между якорной обмоткой ИРЭ и статорной обмоткой АВ включен шкаф управления, осуществляющий функции управления, защиты и стабилизации частоты.

Принцип работы. При переменных частотах вращения вала вращающееся магнитное поле, созданное постоянными магнитами ротора синхронного подвозбудителя ИРЭ, индуктирует в его обмотке статора ЭДС переменной частоты. Ток статора ИРЭ переменной частоты выпрямляется с помощью мостового полупроводникового выпрямителя преобразователя частоты, далее инвертируется в переменный ток с требуемой частотой. Полученный переменный ток стабильной частоты питает обмотку статора возбудителя АВ. Далее установка АГУВИЭ работает аналогично сетевой установке СГУВИЭ, за исключением того, что

роторная обмотка подвозбудителя ИРЭ подключена к роторной обмотке возбудителя АВ через вращающиеся полупроводниковые выпрямители. В такой схеме достигается полная автономность и бесконтактность.

В СГУВИЭ шкаф управления содержит защитные устройства, устройства автоматического регулирования напряжения и подключается через понижающий трансформатор. Кроме того шкаф управления содержит дополнительно к предыдущему - неуправляемый инвертор, так как частота тока на выходе инвертора устанавливается соответственно требуемой на выходе станции (задатчик частоты), и такой инвертор не нуждается в управлении. Он содержит мостовой полупроводниковой выпрямитель со стороны якоря синхронного подвозбудителя и инвертор стабильной выходной частоты со стороны питания статорной обмотки возбудителя. Инвертор позволяет питать обмотку возбуждения возбудителя током стабильной требуемой частоты без управляющего блока.

В четвертой главе изложены математическое описание установок АГУВИЭ, а также математические модели в среде Simulink, позволяющие воспроизводить работу данных установок. Переходные динамические процессы описываются системой дифференциальных уравнений гальванических объединенных обмоток роторов возбудителя и главного генератора и уравнений обмоток статоров генератора и возбудителя. Уравнения записаны в системе продольно - поперечных осях и в мгновенных значениях.

Система дифференциальных уравнений напряжений обмоток установки по рис. б в обобщенной форме.

Обмоток роторов

О = Rpipd + LfPipi - malfjpq - OJ^LpJpq + P Ч%12 + P - a*2 - <D& %г12

0 = Rpl„ + Ljpipq + o^LpJpd +(OaLpJpd +P + p У<кп 0)

Обмотка статора главного генератора

Обмотка статора возбудителя

Ут ~ ГВ!^В1 + £в1РШ - С0в^в^чв1 +Р^12 - юг\ ¥,,,¡1

идВ1 = гВ1ЦЮ + Ьв,рцю + ов1Ьв11чв1 + Р %.п + (0.1 Ч^п (3)

Система дифференциальных уравнений напряжений обмоток установки по

рис. 6 в преобразованной системе осей координат вращающиеся с частотой

' вращения поля роторов: - ш„ = со,2.

1. Дифференциальные уравнения обмоток роторов -

О = ¡24Г2 + р1с2124 + Р Ущ, + Р %2<к, 0 = 12яТ2 + Р^2Ч + Р %2Ч. + Р ^12чг (4) 2. Дифференциальные уравнения обмотки статора главного генератора

- и91г = Г1г41чг + +рЧ/12Яг " (О^Шг - «^¿«/АЛ- (5)

3. Дифференциальные уравнения обмотки статора возбудителя'

Уи. = + + Оп2-11<)«) + Юл-Фцф,

ич1. = + 1а1е(р1,ч, + а^-Ьсь) +рЧ/12Я* + со^г-Гил, (6)

4. Токи и потокосцеплення обмоток установки

Уш — + . Упав = (¡2<1+¡1л)1'12<Ь , = У^А + .

t

' У.Мг - + 1<а2г 'Л/> = (Ьй + '/¿^¿Шг . ^¿г = ^¿¡г + ¿<т/г .

^ = (Ь« + Г^ , £,<й = Ь„2г + ¿ей«) = Хв2, + Хо2г- (7)

где г2 - сумма активных сопротивлений обмоток роторов возбудителя (В) и главного генератора (ГГ); Ь„2 . Ьо2» + Ьо2г - индуктивности рассеяния обмоток роторов; Ьп,, 1-12г - взаимоиндукгивность обмоток В и 1Т; Ч'пя». ^гь ^щг -поток сцепления обмоток В и ГГ по оси с1 и оси я; , , /1()г, »'цг , ¡и , -соответственно токи статора В и ГГ и роторов по оси ё и я; сэп1г, о^,, шп1,- частоты вращения в преобразованной системе осей соответственно полей, созданных обмоткой статора ГГ, обмотками роторов и обмоткой статора В; Ц^, Цс, Щ, Ц.] -напряжения на входах В и на выходах ГГ по оси ё и по оси Необходимое преобразование координат должно быть проведено с учетом установления частот

вращения магнитных полей всех обмоток (табл.1), где к - отношение чисел пар полюсов ГГ и возбудителя; ©u» ©ir, Ю2«> ©в - соответственно частоты вращения полей статора АВ и ГГ, полей роторов и вала установки.

Табл.1 Соотношения между частотами вращения полей обмоток и преобразованными системами осей.

ап ~ югг £ II II -i

0 0

<»пг» -Яд» 0 0

°>П1Г 0 0

°>mr 0 0 ■

При <оп = ©й из табл.1 имеем '

Опт = (Отг = СйВаг, и &П2В = &П2Г = 0 (8)

Поставляя (8) в (7), получим

" иЛ!г = Ть-Ць + г1в-1ш - ¡мГ2 " Ъ •ФваГ + 1><Л$Ь<Ъ + ^Ы^Ш 'Р^<т2'М +

+ (^¡¿¡41+ и^ои-Ь^ы)-сова, • и а, • ияи = г,г41чг + г„41ч. - 12дГ2 - Ту Ово,-\iudt + + Ъ^ц^-рШ^ +

+ (Ь<7/ ¿/Л + - 1«?»У • &8а> • и„1, (9)

Глава пятая. При расчете статических характеристик, то есть для установившихся процессов, удобно использовать схему замещения двух машин (рис.7). Обмотки роторов последовательно соединены, образуя замкнутую электрическую цепь, по которой протекает один общий ток ¡р = ¡¡в = - ¡2г)- Для удобства сопротивления роторных цепей можно суммировать в одном общем

полном сопротивлении обмоток роторов

Элементы каскада двух асинхронных машин (рис.6) основаны на традиционной Т-образной схеме замещения. Её особенностью является только целесообразность

Zp=j(X2„ + Х2аГ) + 3¿±5

приведения статорных цепей возбудителя (индекс «В») и главного генератора (индекс «Г») к соответствующим роторным цепям с целью избежать различия в токах цепей роторов. Все электрические величины, т. е. токи и напряжения, легко могут быть найдены либо с помощью метода контурных токов, либо методом узловых потенциалов. Необходимо для этого решить уравнения в комплексной форме или в проекциях на действительную и мнимую оси.

Приложения:

Приложение 1: Конструктивные решения для усиления охлаждения и уменьшения масс и габаритов электрических машин, используемых в разработанных установках.

Приложение 2: Описание выполненных операций при монтаже экспериментальной генераторной установки - каскад трех асинхронных машин с разными геометрическими размерами.

Приложение 3: Метод расчета вибраций в асинхронных и в синхронных машинах на этапе их проектирования. Сравнение полученных результатов при расчете вибраций в асинхронной машины проводилось тремя способами: аналитическим, численным и экспериментальным. Разработанный метод позволяет прогнозировать уровень вибраций на этапе проектирования асинхронных и синхронных машин.

3.1. Аналитический метод позволяет определить собственные и вынужденные колебания статора. Он основан на применение принципа Даламбера на кольце со значительной толщиной.

3.2. Деформации статора как эквивалентного цилиндра моделировались численным методом на базе программы Л№У8 (методом конечных элементов).

3.3. Определение собственных частот статора синхронного двигателя его вибраций и опасных резонансных частот было проведено экспериментально на фирме " ALSTOM " на новых типах электрических двигателей для поездов «TGV».

Заключение:

1. Разработаны установки для создания автономных электрических сетей при параллельном подключении нескольких генераторов.

2. Доказана экономичность использования энергии любого типа источника с помощью установок, не требующих значительных капитальных вложений.

3. Разработаны схемы установок для расширенного диапазона рабочих скоростей без применения мультипликаторов, не требующие обслуживающего персонала и пригодные для серийного производства.

4. Предложены принципы проектирования и схемы гидро- и ветроустановок, функционирующие при наличии промышленных и городских электросетей стабильной частоты'.

5. В среде Simulink разработаны модели для исследования динамических процессов в электромеханических каскадах ветроустановок и бесплотинных гидроустановок.

6. Разработана, изготовлена, введена в эксплуатацию и испытана-в течение трех лет микроГЭС мощностью 4 кВт на реке Конго, показавшая свою полную работоспособность в условиях стран, нуждающихся в развитии малой энергетики.

7. Предложена система уравнений, описывающая процессы в каскадном соединении двух гальванических соединенных по роторным цепям электрических машин.

8. Спроектирована, изготовлена и испытана установка на базе каскадного соединения двух асинхронных машин, фазные обмотки роторов которых соединены друг с другом напрямую, подтвердившая стабильность частоты выходных параметров при переменных скоростях вращения.

9. Предложена схема замещения каскада асинхронных машин, позволяющая эффективно рассчитывать характеристики установки в установившихся режимах.

10. Разработана аналитическая модель для определения вибраций в асинхронной и синхронной машинах.

20

Список основных печатных работ

1. Б. Напам, В. А. Кузнецов, А. В. Иванов-Смоленский. Структурная схема генераторной установки для автономной бесплотинной микроГЭС, работающей на свободном течении воды // 7-ая межд. Научно-техн. Конф. Студ. и асп: Тез. Докл.-Т. 2. М.: МЭИ, 2001-С. 26.

2. Б. Напам, В. А. Кузнецов, А. В. Иванов-Смоленский. Математическое моделиро вание генераторных агрегатов для автономных бесплотинных деривационных мини-микроГЭС. //8-ая межд. Научно-техн. Конф. Студ. и асп: Тез. Докл.-Т. 2. М.: МЭИ, 2001-С. 16.

3. В. Napame, V. A. Kuznitsov, P. Brochet, M. Hecquet, M. Gouegou, A. Randria. Трехмерная аналитическая модель расчета вибрации электрических машин. ICEM.-Т.3..2004-Р.46-51.

4. В. Napame, Hait Amine, P. Brochet, M. Hecquet, M. Gouegou, A. Randria. Объемная модель прогнозирования виброакустических явлений в электрических машинах на этапе их проектирования. IEEE, Journal de physique.-T.2., 2004- P. 65 -70.

Подписано в печать£ £ • ^'"Зак. JLX f Тир. Н'О Пл. ^ ^ Полиграфический пентр МЭИ (ТУ)

*»f 1 5 54

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА. 1. СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ ПОСТРОЕНИЯ

ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ - ГУВИЭ

1.1. Использование возобновляемых источников механической энергии в мире

1.2. Ветровая энергия

1.2.1. Запасы энергии ветра

1.2.2. Принцип использования ветровой энергии

1.2.3. Состояние и тенденции построение ветровых установок

1.3. Гидравлическая энергия

ГЛАВА 2. ГЕНЕРАТОРННЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

2.1. Общее положение

2.2. Типы систем стабилизации частоты напряжения

2.3. Типы генераторных установок для возобновляемых источников

2.3.1. Схема генераторной установки для микро и мини электростанций мощностью до 750 кВт

2.3.2. Схема генераторной установки для микро и мини электростанций мощностью до 2500 кВт

2.3.3. Схема генераторной установки для электростанций на базе асинхронного генератора с фазной роторной обмоткой возбуждения

2.3.4. Схема генераторной установки для электростанций на базе асинхронного генератора с двумя соосными вращающимся сердечниками

2.3.5. Генераторная установка для автономных микро и мини электростанций

2.3.6. Генераторная установка для автономных электростанций средних мощностей

2.3.7. Сетевая генераторная установка

ГЛАВА 3. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ

РАЗРАБОТАННЫХ ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК И ПРИНЦИПЫ ИХ ДЕЙСТВИЯ

3.1. Общее описание энергетических станций возобновляемых источников механической энергии - ЭСВИМЭ

3.2. Бесплотинные гидроэлектростанции

3.2.1. Наплавные гидроэлектростанции

3.2.2. Деривационные гидроэлектростанции

3.3. Ветровые электростанции

3.4. Разработанные генераторные установки для возобновляемых источников механической энергии - ГУВЭС

3.4.1. Сетевая генераторная установка возобновляемых источников энергии - СГУВИЭ

3.4.2. Автономная генераторная установка возобновляемых источников энергии - АГУВИЭ

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ АГУВИЭ И

МОДЕЛЬ В СРЕДЕ 81МиЫЖ:

4.1. Система дифференциальных уравнений напряжений обмоток установки по рис. 7 в обобщенной форме

4.1.1.1 Система дифференциальных уравнений напряжений обмоток установки по рис. 7 в преобразованной системе осей координат условна вращающиеся с частотой вращения полей роторов соп

4.2. Преобразование осей координат при моделировании каскадных генераторных установок

4.3. Определение частот вращения полей установки относительно частоты вращения вала

4.4. Соотношения полей установки для их условной неподвижности при разных преобразованных системах осей координат

4.4.1. Система осей координат условно вращающихся с частотой вращения поля статора возбудителя

4.4.2. Система осей координат условно вращающихся с частотой вращения поля ротора возбудителя

4.4.3. Система осей координат условно вращающихся с частотой вращения поля ротора главного генератора

4.4.4. Система осей координат условно вращающихся с частотой вращения поля ротора главного генератора

4.4.5. Система осей координат условно вращающихся с частотой вращения вала установки

ГЛАВА 5. РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

5.1. Расчет параметров схемы замещения генераторной установки СГУВИЭ

5.1.1. Возбудитель - асинхронный преобразователь частоты

5.1.2. Главный генератор — асинхронизированный синхронный генератор

5.2. Приведение параметров статоров установки к роторным цепям

5.2.1. Параметры статора возбудителя приведенные к цепи ротора

5.2.2. Параметры статора ГТ приведенные к цепи ротора

5.3. Параметры схемы замещения установки СГУВИЭ в относительных единицах

5.4. Действительные токи и напряжения установки СГУВИЭ

5.5. Уравнения напряжений установки по одной фазе

5.6. Фазное напряжение образуемой замкнутой цепи роторных обмоток установки

Программа расчета статических характеристик в среде Ма1:1аЬ

Аналитический метод прогнозирования вибраций

ОБОЗНАЧЕНИЯ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В связи с медленным, но неизбежным исчерпанием ресурсов основных энергоносителей, в первую очередь, нефти и газа, а также ограниченностью перспектив развития гидро- и атомной энергетики, во многих странах мира ведутся исследования по расширению использования альтернативных энергоносителей: торфа, горючих сланцев, битумов, нетрадиционных газов, энергии тепла земли, солнца, ветра, океана, биосинтеза и др. В ряде стран в этом направлении достигнуты определенные успехи: из угольных пластов добывается метан, работают солнечные, ветровые и геотермальные электростанции, из отходов вырабатывается биогаз, из биомассы получают моторное топливо и т.д. Работы по использованию альтернативных энергоносителей ведутся и в России.

По оценкам специалистов, технический потенциал возобновляемых источников энергии составляет порядка 4,6 млрд. т. у. т. в год, то есть в пять раз превышает объем потребления всех топливно-энергетических ресурсов России, а экономический потенциал определен в 270 млн. т. у. т. в год, что немногим более 25 процентов от годового внутреннего потребления, энергоресурсов в России. В настоящее время экономически целесообразный потенциал возобновляемых источников энергии существенно увеличился в связи с подорожанием традиционного топлива. Но пока использование альтернативных энергоносителей в основном сопровождается рядом трудностей, в том числе подорожанием киловатт-часа, загрязнением окружающей среды и т. п.

В настоящее время мировая проблема производства электроэнергии лежит в использовании возобновляемых источников энергии, в снижении себестоимости киловатт-часа, полученного на базе возобновляемых источников, в увеличении мотивации энергетиков использовать возобновляемые источники, в снижении загрязнения окружающей среды при производстве и при потреблении электроэнергии.

Перспективы развития современного экономичного использования энергетических ресурсов и экологически чистого производства электроэнергии во многом определяются успехами в области разработки и создания бесплотинных гидроэлектрических станций (ГЭС) и ветроэлектрических станций (ВЭС), которые являются более подходящими для достижения указанной цели.

Существуют многообразные конструкции ГЭС и ВЭС. Бесплотинные наплавные и погружные ГЭС, работающие на свободном течении воды, и деривационные ГЭС, преобразующие кинетическую и потенциальную энергию воды в электрическую. ВЭС, преобразующие энергию ветра в электрическую.

К сожалению, эти станции не получили распространения из-за их относительно высокой капитальной стоимости, так как включают сравнительно большое количество оборудования и из-за проблемы с их серийным производством. Нередко они выполняются по индивидуальным проектам в зависимости от географических параметров места проектируемой электрической станции (ЭС).

Эффективность работы, надежность, гибкость, уменьшение массогабаритных показателей, получение максимального КПД, простота эксплуатации и уменьшение стоимости таких ЭС во многом зависят от используемого типа генераторных установок. В связи с этим энергетики активно предпринимают поиски и исследования в области создания новых видов электрических станций на основе нетрадиционных возобновляемых , источников, которые не загрязняют атмосферу и позволяют избежать санкций международной организации энергетики против производства энергии на базе исчерпанных и загрязняющих источников энергии. Бесплотинная гидроэнергетика и ветроэнергетика среди нетрадиционных возобновляемых источников являются наиболее используемыми и наиболее перспективными.

Этой области посвящено множество работ, которые базируются на общем принципе: преобразование механической энергии ветра и воды в электрическую энергию. Использование механической энергии воды для получения электроэнергии только с помощью плотинных ГЭС не всегда целесообразно из-за их высокой стоимости и бывает технически трудно реализуемо. Например, преобразование механической энергии озер, океанов, морей и широких рек (река Конго, Амазонка .) в электрическую энергию традиционными методами построения ГЭС с плотинами является слишком дорогостоящим и технически почти нереализуемым.

Актуальной является задача разработки генераторных установок, имеющих преимущества асинхронных и синхронных генераторов. Достаточно простые установки, спроектированные в расчете на продолжительный режим работы, имеющие улучшенные массогабаритные показатели с усиленным охлаждением, могут быть конкурентно способны с традиционными электростанциями в зависимости от географического положения, плотности населения, климатических факторов, наличия инфраструктуры.

Создание и внедрение автономных генераторов должно сопровождаться целым рядом изменений в подходе к конструированию и эксплуатации элементов этих установок. Нежелательным будет применение промежуточных устройств с переменным передаточным отношением для стабилизации частоты вращения вала установки, мультипликаторов скорости вращения для увеличения скорости вращения вала установки, дополнительных механических решений, а также наличие скользящих контактов в электрических машинах.

Устойчивость и эффективность работы, обеспечение нужных выходных электрических параметров на меняющихся скоростях, также при малых скоростях вращении вала установки без электронных преобразователей частоты, расширяет диапазон единично установленной мощности установки и диапазон рабочих скоростей, что позволяет осуществлять серийное производство.

Уменьшение количества оборудования в составе установки, отсутствие электронных приборов, в том числе инверторов в силовых цепях (только лишь для защиты и дистанционного управления через понижающий трансформатор), подключение простых неуправляемых электронных приборов с использованием транзисторов вместо управляемых тиристоров на стороне возбуждения — все это повышает мощность и срок службы станции, уменьшает возможные аварии, связанные с выходом из строя электронных приборов, так как эти приборы быстрее выходят из строя по сравнению с электрическими машинами. Промежуточные отключения станции с целью преодоления аварий тоже сокращаются, сроки промежуточных и капитальных планированных ремонтов увеличиваются. Станции, спроектированные с такими генераторными установками, имеют повышенную надежность.

Указанным условиям удовлетворяют предлагаемые в данной работе генераторные установки.

Цель и задачи работы. Задачей настоящей диссертационной работы является разработка генераторной установки, позволяющей уменьшить себестоимость киловатт-часа электроэнергии возобновляемых источников с целью формирования мотивации использования возобновляемых источников энергии, позволяющих выработать чистую электроэнергию, которая носит название «зеленая» электроэнергия.

Для достижения указанной цели в диссертации были рассмотрены и решены следующие вопросы:

• Теоретическое рассмотрение малой электрической станции как необходимый элемента энергосистемы;

• «Зеленая» электроэнергия и введение «зеленого» сертификата в производстве электроэнергии;

• Разработка генераторных установок стабильной частоты генерируемого напряжения без электронных преобразователей частоты при переменных частотах вращения вала;

• Повышение установленной мощности генераторной установки для и возобновляемых источников энергии;

• Разработка требований к построению генераторных установок для осуществления их серийного производства;

• Расширение диапазона рабочих скоростей электрических станций возобновляемых источников.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

• Сформулированы принципы создания генераторных установок, обеспечивающие расширение диапазона регулирования частоты выходного напряжения при переменных частотах вращения вала;

• Разработаны схемы генераторных установок для работы асинхронных машин при повышенных скольжениях;

• Предложены матрицы, описывающие зависимости частот вращений магнитных полей обмоток машин каскада по схемам: синхронная — асинхронная электрические машины и асинхронная — асинхронная электрические машины, подходящие для любой комбинации чисел пар полюсов. А также матрица, описывающая зависимость частот вращения магнитных полей обмоток обобщенного каскада электрических машин при любом соотношении чисел пар полюсов, при любой частоте питаемого тока (постоянный ток или переменный);

• разработаны математические модели в среде ЗптшНпк, позволяющие исследовать динамические процессы различных каскадов электрических машин, в том числе, синхронно-асинхронный и при двух асинхронных машинах;

• выполнены аналитические описания, математическое и физическое моделирование электромеханических преобразователей механической энергии созданных возобновляемых источников при стабильной и при переменной частоте их движения.

• предложены схемы замещения каскада асинхронных машин, позволяющие эффективно рассчитывать характеристики установки в установившихся режимах.

Практическую ценность представляет следующее:

1. Сформулированы принципы реализации схем и ограничений при создании автономных электрических установок для определенного класса возобновляемых источников энергии.

2. Анализ работы разработанной установки при пониженном напряжении возбуждения.

3. Анализ зависимости электрических потерь в роторе разработанной установки при больших скольжениях.

4. Проведено исследование физических моделей генераторных установок на базе синхронного генератора и на базе каскада двух асинхронных машин.

Методы исследований. При математическом описании процессов в рассматриваемой электромеханической системе использовалась вращающаяся система координат со скоростью вращения, совпадающей со скоростью вращения одного из магнитных полей. В работе созданы математические модели разработанных установок на базе схем замещений и систем уравнений асинхронной машины, трансформатора и синхронной машины. Для облегчения задачи решения дифференциальных уравнений была составлена система с минимальным количеством дифференциальных уравнений, а также преобразующая дифференциальные уравнения установки с периодическими параметрами в дифференциальные уравнения с постоянными параметрами с помощью предложенной для этой цели матрицы преобразования систем осей координат обмоток каскадных электрических машин. Была разработана математическая модель с помощью среды БипиНпк и программного пакета МаЙаЬ. Экспериментальным методом на базе трехкаскадного соединения асинхронных машин, в котором одна машина выполняет роль турбины, было подтверждено функционирование разработанной схемы стабилизации частоты выходного напряжения без применения электронных приборов при переменных частотах вращения вала установки и питании обмотки возбуждения возбудителя напряжением и током сетевой частоты. Была построена и введена в эксплуатацию бесплотинная наплавная микро ГЭС на свободном течении воды на реке Конго.

Достоверность полученных результатов следует из адекватности и корректности примененных теоретических и вычислительных методов. Она подтверждается результатами экспериментальных измерений опытного образца на базе двух асинхронных машин. Подтверждение результатов позволяет сделать вывод о работоспособности схемы генераторной установки, объединяющей синхронный генератор и электромеханический преобразователь частоты, содержащий асинхронизированную синхронную машину, асинхронный преобразователь частоты и инвертор со звеном постоянного тока на входе обмотки возбуждения возбудителя.

Реализация результатов работы. Разработанные установки позволяют создать надежные электрические станции, не требующие постоянного обслуживания. Срок их службы определяется сроками службы используемых электрических машин. В отличие от традиционных установок, которые, как правило, устанавливаются в помещениях, разработанные в данной диссертации установки могут работать в погружных и наплавных условиях, а также на высоте до сотен метров, где их обслуживание затруднено. Затруднения в обслуживании являются крупным недостатком, как для производителя энергии, который должен работать в трудных условиях, так и для потребителей (клиентов), которым на длительное время могут отключать энергию. Это часто встречается при использовании синхронных генераторов с контактными кольцами, которые требуют специального обслуживания.

В научном плане предложенные математические модели в среде Ма^аЬ и 81тиНпк позволяют исследовать каскадные соединения электрических машин.

Электростанции на основе данных генераторных установок позволяют экономично и экологически чисто вырабатывать электроэнергию там, где традиционными методами это практически мало реально. Трудности объясняются техническими и технологическими особенностями в их реализации и эксплуатации из-за необходимости больших денежных вложений. К таким местам относятся океаны,, моря, широкие и мощные реки, озера, так как построение плотин в этих условиях практически невозможно.

На сегодняшний день по требованиям международной организации электроэнергии энергетики обязаны перейти на использование возобновляемых источников энергии. По разработанным ею правилам, производителей «зеленой» энергии (чистой энергии) награждают «зелеными» сертификатами (ценная бумага), стоимость которых зависит от количества произведенной энергии, а производителей энергии с помощью атомных электростанций, ядерных электростанций, топливных электростанций, плотинных гидроэлектростанций и т. п., которые вредны для окружающей среды, наказывают штрафами. Введенные штрафы рентабельно платить «зелеными» сертификатами, которые можно приобрести только у производителей «зеленой» электроэнергии. В итоге часть денежных эквивалентов, полученных штрафами, выдается производителям зеленой энергии с целью приближения себестоимости киловатт-часа «зеленой» электроэнергии к себестоимости киловатт-часа электроэнергии, полученной традиционными методами.

Разработанные генераторные установки с равным успехом могут быть использованы для ветро- и гидроустановок с повышенной единичной мощностью, а также на транспорте, морской и авиационной технике. Установки могут быть успешно применены для стран центральной Африки, которые имеют колоссальные неиспользуемые водные энергоресурсы из-за отсутствия финансов и неэксплуатируемые из-за технических и технологических трудностей, переживаемых этими странами.

Что касается республики Конго, разработанные установки откроют путь к решению проблем электрификации страны при условии согласия властей государства. Традиционными способами неразумно вырабатывать энергию на реке Конго, средняя ширина которой составляет 5 км. и средний дебит 50000 м3/с. Аналогичная ситуация встречается и в некоторых странах Центральной Африки, таких как Камерун, Ангола, Демократическая Республика Конго, Габон и Центральноафриканская Республика, а также в странах Южной Америки и некоторых Азиатских странах.

Основные результаты и выводы

1. Предложенные и созданные установки существенно расширяют диапазон мощностей электромеханических преобразователей энергии и повышают их надежность.

2. Разработанные установки позволяют создать отдельную сеть при их параллельном подключении, так как обладают строгой идентичностью в частоте выходных параметров при больших и малых скоростях вращения без применения мультипликаторов, а также при любых переменных скоростях вращения.

3. Установки могут экономично и экологически чисто эксплуатировать энергию различных видов водных источников энергии, так как они работают и в погружном виде в отличие от обычных неспециализированных установок для погружной работы.

4. Генераторные установки унифицированы.

5. Установки работают без обслуживающего персонала.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на седьмой и восьмой международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов г. Москвы в 2001-2002 годах, рассматривались на кафедре электромеханики МЭИ (ТУ), обсуждались на заседаниях лаборатории силовой электроники и электротехники Высшей Центральной Школы в городе Лилле во Франции в 2002-2004 г. По работе была подана заявка на получение патента изобретения. Использованная схема с двумя асинхронными машинами была защищена официальным решением бюро охраны изобретений во Франции. Проведены испытания бесплотинной, наплавной микроГЭС на свободном течении воды на реке Конго и на физической модели, выполненной из двух каскадно-соединенных асинхронных машин.

Публикации. Результаты работы опубликованы в сборниках материалов седьмой и восьмой международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов в г. Москве, в 2001, 2002 годах, а также опубликованы две печатные работы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1.Сравнение различных схем генераторных установок, используемых на электростанциях для возобновляемых источников, выбор базисной схемы, содержащей каскадные асинхронные машины.

2. Требования к выбранным схемам генераторных установок для достижения преобразования энергии и стабилизации частоты электрических параметров на выходе установок.

3. Общие правила определения соотношений частот вращения полей статоров и роторов машин в каскадах, содержащих синхронные и асинхронные машины при любых соотношениях чисел их полюсов.

4. Принципы действия, конструктивные и математические описания установок, содержащих каскады асинхронных и синхронных машин.

5. Математическое описание и модели установки каскадных асинхронных и синхронных машин в среде БтиНпк.

6. Схемы замещения каскада асинхронных машин, позволяющие эффективно рассчитывать характеристики установки в установившихся режимах. Алгоритм приведения параметров и расчета приведенных параметров схемы замещения в относительных единицах.

Структура и состав диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованных источников из 102 наименований и трех приложений.

Заключение.

1. Разработаны установки для создания автономных электрических сетей при параллельном подключении нескольких генераторов.

2. Доказана экономичность использования энергии любого типа источника с помощью установок, не требующих значительных капитальных вложений.

3. Разработаны схемы установок для расширенного диапазона рабочих скоростей без применения мультипликаторов, не требующие обслуживающего персонала и пригодные для серийного производства.

4. Предложены принципы проектирования и схемы гидро- и ветроустановок, функционирующие при наличии промышленных и городских электросетей стабильной частоты.

5. В среде БитИтк разработаны модели для исследования динамических процессов в электромеханических каскадах ветроустановок и бесплотинных гидроустановок.

6. Разработана, изготовлена, введена в эксплуатацию и испытана в течение трех лет микроГЭС мощностью 4 кВт на реке Конго, показавшая свою полную работоспособность в условиях стран, нуждающихся в развитии малой энергетики.

7. Предложена система уравнений, описывающая процессы в каскадном соединении двух гальванических соединенных по роторным цепям электрических машин.

8. Спроектирована, изготовлена и испытана установка на базе каскадного соединения двух асинхронных машин, фазные обмотки роторов которых соединены друг с другом напрямую, подтвердившая стабильность частоты выходных параметров при переменных скоростях вращения.

9. Предложена схема замещения каскада асинхронных машин, позволяющая эффективно рассчитывать характеристики установки в установившихся режимах.

10. Разработана аналитическая модель для определения вибраций в асинхронной и синхронной машинах, в установках возобновляемых источников энергии.

Список основных печатных работ

1. Б. Напам, В. А. Кузнецов, А. В. Иванов-Смоленский. Структурная схема генераторной установки для автономной бесплотинной микроГЭС, работающей на свободном течении воды // 7-ая межд. Научно-техн. Конф. Студ. и асп: Тез. Докл.-Т. 2. М.: МЭИ, 2001- С. 26.

2. Б. Напам, В. А. Кузнецов, А. В. Иванов-Смоленский. Математическое моделирование генераторных агрегатов для автономных бесплотинных деривационных мини- микроГЭС. //8-ая межд. Научно-техн. Конф. Студ. и асп: Тез. Докл.-Т. 2. М.: МЭИ, 2001- С. 16.

3. В. Napame, V. A. Kuznetsov, P. Brochet, M. Hecquet, M. Gouegou, A. Randria. Трехмерная аналитическая модель расчета вибрации электрических машин. ICEM.-T.3., 2004-Р. 46-51.

4. В. Napame, Hait Amine, P. Brochet, M. Hecquet, M. Gouegou, A. Randria. Объемная модель прогнозирования виброакустических явлений в электрических машинах на этапе их проектирования. IEEE, Journal de physique.-T.2., 2004- P. 65 -70.

113

1. Автоматизация научных исследований: Тематический сборник./ Под реакцией Круга Г.К.- М.: МЭИ, 1979.- 100с., ил.

2. Азбукин Ю. И., Аврух В. Ю. Модернизация турбогенераторов.- М.: « Энергия», 1980.- 232с., ил.

3. Акимова Н. А., Котеленец Н. Ф., Сентюрихин Н. И. Монтаж, техническая эксплуатация и ремонт электрического и электромеханического оборудования: Учебное пособие для студента.- М.: Мастерство, 2001.- 296с.

4. Алексеев А. Е., Костенко М. П. Турбогенераторы.- М.-Л.: Государственное энергетическое издательство, 1939.- 348 е., ил.

5. Алексеев Б. А., Луганский Я. Н., Махлин Б. Ю., Сиротина Н. Е., Фези-Жилинская М. С. Словарь по электротехнике (английский, французский, немецкий, нидерландский, русский).- М.: «Русский язык», 1985.-480с.

6. Алиевский Б. Л., Октябрьский А. М., Орлов В. Л. Расчет параметров магнитных полей осесимметричных катушек. М.: Издательство МАИ, 1999.- 320с., ил.

7. Алиевский Б. Л. Специальные электрические машины.- М.: Энергоатомиздат, 1993.- 320с., ил.

8. Анишин В. ILL, Худяков 3. И. Сборка трансформаторов.- М.: Высшая школа, 1991.- 288с., ил.

9. Аугуста Голдин. Океаны энергии. Источники энергии будущего: Пер. с англ. М.: Знание, 1983.

10. Астахов Н. В., Лопухина Е. М., Медведев В. Т. Испытание элекрических микромашин.- М.: «Высшая школа», 1984.- 272с., ил.

11. Афанасьев В. В., Адоньев Н. М., Кибель В. М. Трансформаторы тока.- Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1989.- 416с., ил.

12. Балагуров В. А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока.- М.: Высшая школа, 1982.-272с., ил.

13. Балагуров В. А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. М.: Энергоатомизадат, 1988.- 280с., ил.

14. Беляев И. В. Работа асинхронного двигателя при переменной частоте: Диссертация кандидата технических наук,- М.: МЭИ, 1943.- 138 с.

15. Бергер А. Я. Асинхронный двигатель в анормальных режимах.- Л.: ВЭТА, 1937.- 120 с.

16. Бертинов А. И. Исследование специальных вопросов электрических машин: Диссертация кандидата технических наук.- М.: МАИ, 1970.- 144 с.

17. Борисенко А. И., Данько В.Г., Яковлев А.И. Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах.- М.: «Энергия», 1974.- 560с., ил.

18. Будзко И. А., Веников В. А. Современные проблемы энергетики. М.: Знание,1982.

19. Бут Д. А. Бесконтактные электрические машины.- М.: «Высшая школа», 1990.-416с., ил.

20. Важное А. И. Основы теории переходных процессов синхронной машины.- М.-Л.: Государственное энергетическое издательство, 1960.-312с., ил.

21. Важное А. И. Электрические машины.- Л.: «Энергия», 1968-768с., ил.

22. Важнов А. И. Переходные процессы в машинах переменного тока.- Л.: «Энергия», 1980.-256с., ил.

23. Вершинский Н. В. Энергия океана. М.: Наука, 1986.

24. Ветроэнергетика/Под ред. Д. Де Рензо. М.: Энергоатомиздат, 1982.

25. Виноградов Н.В., Горяинов Ф.А., Сергеев П.С. Проектирование электрических машин.- М.-Л.: Государственное энергетическое издательство, 1950-592с., ил.

26. Вольдек А. И. Электрические машины: Учебник для студентов высших технических учебных заведений.- JL: Энергия, 1978.- 832 е., ил.

27. Геллер Б., Гамата В. Дополнительные поля, моменты и потери мощности в асинхронных машинах: Перевод с английского // Под редакцией Юферова Ф. М.- М.: Энергия, 1964.- 263 е., ил.

28. Гиршвельд В. Я., Князев А. М., Куликов В. Е. Режимы работы и эксплуатации ТЭС. М.: Энергия, 1980.

29. Голицын М. В., Голицын А. М., Пронина Н. М. Альтернативные энергоносители.- М.: Наука, 2004.-159 с.

30. Грузов Л. Н. Методы математического исследования электрических машин.-M.-JL: Государственное энергетическое издательство, 1953.-264с.

31. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде MATLAB: Учебный курс.- Л.: «Питер», 2000.-432с., ил.

32. Демирчян К. С., Чечурин В. Л. Машинные расчеты электромагнитных полей.-М.: «Высшая школа», 1986.- 240с., ил.

33. Денисиенко Г. И. Возобновляемые источники энергии. Киев: Вища школа, 1983.

34. Детинко Ф. М., Загородная Г. А., Фастовский В. М. Прочность и колебания электрических машин.- Л.: Энергия, 1969.- 460с., ил.

35. Дэвид Рос. Энергия волн. Л.: Гидрометеоиздат, 1981.

36. Дмитриев В. Н., Кислицин А. Л. Общие вопросы машин переменного тока. Асинхронные машины.- Ульяновск: УлГТУ, 2000.-92с.

37. Дрейфус Л. Коллекторные каскады.- М.- Л.: Государственное энергетическое издательство, 1934.- 260с., ил.

38. Дунаевский С. Я., Крылов О. А., Мазия Л. В. Моделирование элементов электрических систем.- М.- Л.: «Энергия», 1966.- 304с., ил.

39. Дьяконов В., Круглов В. МАТЬАВ. Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник.- СПб.: Питер, 2002.-448 е., ил.

40. Дэбни Дж., Харман Т. 81МЦЫЫК 4. Секреты мастерства,- М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003.- 403 е., ил.

41. Елаховский С. Б. Гидроэлектростанции в водохозяйственных системах. М.: Энергия, 1979.

42. Зимин В. И., Каплан М. Я., Полей М. М. Обмотки электрических машин.- Л.: «Энергия», 1975.- 488с., ил.

43. Иванов-Смоленский А. В., Кузнецов В. А. Электромагнитные расчеты.- М.: МЭИ, 1979.-82с., ил.

44. Иванов-Смоленский А. В., Кузнецов В. А. Методы расчета магнитных полей-М.: МЭИ, 1979.-72с., ил.

45. Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины.- М.: Энергия, 1980.- 928с., ил.

46. Иванов-Смоленский А. В., Абрамкин Ю. В. Численные методы применения конформного преобразования. Кристоффеля-Шварца в электромагнитных расчетах электрических машин.- М.: МЭИ, 1981.- 110с., ил.

47. Иванушкин В.А., Сарапулов Ф.Н., Шымчак П. Структурное моделирование электрических систем и их элементов.- Щецин, 2000 .- 310с., ил.

48. Калантаров П. Л., Цейтлин Л. А. Расчет индуктивностей: Справочная книга. — Л.: «Энергия», 1970-416с., ил.

49. Калантаров П. Л., Цейтлин Л. А. Расчет индуктивностей.-Л.: «Энергия», 1970.-416с., ил.

50. Клоков Б. К. Методические указания к курсовому проекту по асинхронным машинам.- М.: Издательство МЭИ, 1980.- 20с.

51. Козлов В. Б. Энергетика и природа. М.: Мысль, 1985.

52. Копылов И. П., Клоков Б. П. Справочник по электрическим машинам.- М.: Энергоатомиздат, 1989.- 688с., ил.

53. Копылов И. П., Маринин Ю. С. Тороидальные двигатели.- М.: «Энергия», 1971.- 96с., ил.

54. Копылов И. П. Математическое моделирование электрических машин: Учебник для вузов.- М.: «Высшая школа», 2001,- 327с., ил.

55. Копылов И. П. Проектирование электрических машин.- М.: Энергоиздат, 1993.- 464с., ил.

56. Копылов И. П., Соломахин Д. В. Дифференциальные уравнения нессиметричной асинхронной машины с переменными параметрами.// Электричество, 1972, № 11.-е. 18-25.

57. Костенко М. П. Электрические машины.- М.-Л.: Государственное энергетическое издательство, 1944.-816с.

58. Кравчик А. Э., Шлаф М. М., Афонин В. И., Соболенская Е. А. Асинхронные двигатели серии 4А.- М.: «Энергоиздат», 1982.-504с., ил.

59. Куцевалов В. М., Глухов В. П., Домбур Л. Э. Бесконтактные электрические машины.- Рига: Издательство «Зинатне», 1986.- 236с., ил.

60. Кучинский Г. С., Назаров Н. И. Силовые Электрические конденсаторы.- М.: Энергоатомиздат, 1992. — 320с., ил.

61. Лайбль Т. Теория синхронной машины при переходных процессах.- М. — Л.: Госэнергоиздат, 1957.- 168с., ил.

62. Леон О. Чуа., Пен-Мин Лин. Машинный анализ электронных схем (алгоритмы и вычислительные методы).- М.:»Энергия», 1980.-640с., ил.

63. Лищенко А. И. Бесконтактные синхронные машины с автоматическим регулированием возбуждения.- Киев: «Наукова думка», 1980.- 224с.

64. Мамиконянц JI. Г. Токи и моменты асинхронных и синхронных машин при изменении скорости их вращения // Электричество, 1958, № 8.- с. 54-61.

65. Непорожний П. С., Обрезков В. И. Введение в специальность: Гидроэлектроэнергетика: Учебное пособие для вузов.- М.: Энергоатомиздат, 1990.-352с., ил.

66. Непорожний П. С., Попков В. И. Энергетика мира: Переводы докладов XII конгресса МИРЭК.- М.: «Энергоатомиздат», 1985.-232с., ил.

67. Непорожний П. С. Обрезков В. И. Гидроэлектроэнергетика.- М.: Энергоиздат, 1982.- 304с., ил.

68. Обрезков В. И. Возобновляемые источники электроэнергии. М.: Изд-во МЭИ, 1987.

69. Осин И. Л., Шакарян Ю. Г. Электрические машины: Синхронные машины: Учебное пособие.- М.: Высшая школа, 1990.- 304 е., ил.

70. Петров Г. Н. Электрические машины.- М.-Л.: Государственное энергетическое издательство, 1940.-664с., ил.

71. Петров Г. Н. Электрические машины.- М.-Л.: Государственное энергетическое издательство, 1947.- 332 е., ил.

72. Попов В. И., Ахунов Т. А., Макаров Л. Н. Современные асинхронные электрические машины,- М.: Издательство «Знак», 1999.- 256с., ил.

73. Постников И. М. Теория и методы расчёта синхронных турбогенераторов.-Киев: «Наукова думка«, 1977.- 176с., ил.

74. Постников И. М. Обобщенная теория и переходные процессы электрических машин.- М.: «Высшая школа», 1975.-319с., ил.

75. Проблемы создания высокоэкономичных электромеханических устройств: Тематический сборник // Под реакцией Копылова И. П.- М.: МЭИ, 1980.- 136с., ил.

76. Промышленные тепловые электростанции // Под ред. Е. Я. Соколова. М.: Энергия, 1979.

77. Раевская О.В. Новый французско-русский и русско-французский словарь.- М.: «Русский язык», 1985.-480с.

78. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России // Коллектив авторов.- СПб.: Наука, 2002.-314с.

79. Рихтер Р. Обмотки якорей машин переменного и постоянного токов.- М.-Л.: Госэнергоиздат, 1933.-264с., ил.

80. Сипайлов Г. А., Лоос А. В. Математическое моделирование электрических машин.- М.:« Высшая школа», 1980.- 176с.

81. Скороспешкин А. И. Электрические машины: Межвузовский тематический сборник научных трудолв.- М.: МЭИ, 1975.- 242 с.

82. Современные проблемы энергетики // Под ред. Д. Г. Жимерина. М.: Энергоатомиздат, 1984.

83. Специальные электрические машины: Сборник научных трудов.// Под реакцией:

84. Скороспешкин А. И., Гольдберг О.Д., Зиннер Л.Я.- Куйбышев, 1989.- 178с., ил.

85. Старшинов В. А., Пойдо А. И., Пираторов. Электрическая часть гидроэлектростанций: учебное пособие.- М.: Издательство МЭИ, 2003.- 160 с.

86. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. Перевод с английского.- М.: Издательство «Мир», 1977-360с.

87. Стырикович М. А., Шпильрайн Э. Э., Малышенко С. П., Кулешова Г. Г. Введение в водородную энергетику. М.: Энергоатомиздат, 1984.

88. Сыромятников И. А. Режимы работ асинхронных и синхронных электродвигателей.- М.: Госэнергоиздат, 1963.- 238с., ил.

89. Теоретические основы электротехники. Том I. Основы теории линейных цепей // Под редакцией Ионкина П. А.- М.: «Высшая школа», 1976.- 544с., ил.

90. Теоретические основы электроники. Том II. Нелинейные цепи и основы теории электромагнитного поля. // Под редакцией Ионкина П. А.- М.: «Высшая школа», 1976.- 386с., ил.

91. Технико-экономические характеристики ветроэнергетики. Методическое пособие // Под редакцией Виссарионова В. И.-М.: Издательство1. МЭИ, 1997.-132 с.

92. Торопцев Н. Д. Асинхронные генераторы автономных систем.- М.: Знак, 1997.-288с., ил.

93. Хрущев В.В. Электрические микромашины автоматических устройств.- Л.: «Энергия», 1976.

94. Черных И. В. 81МЦЫЫК: среда создания инженерных приложений. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003.-496с.

95. Шакарян Ю. Г. Асинхронизированные синхронные машины.- М.: Энергоатом-издат, 1984.- 192 е., ил.

96. Шенфер К. И. Асинхронные машины.- М.: ГОНТИ, 1938.- 412 е., ил.

97. Шефтер Я. И. Использование энергии ветра. М.: Энергоатомиздат, 1983.

98. Электрические машины: Сборник статей.- М.: Госэнергоиздат, 1972.- 364 с.

99. Иванов-Смоленский А. В. Электромагнитные силы и преобразование энергии в электрических машинах.- М.: «Высшая школа», 1989.- 312с., ил.