автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Энергетическая система с электродинамическими накопителями

Введение.

Глава 1. Обзор и анализ схемно-конструктивных решений ЭДГ. Анализ физических процессов в ЭДН.

1.1. Принцип действия и классификация ЭДГ.

1.2. Типы экранов и активных зон ЭДГ.

1.3. Схемы импульсного конденсаторного возбуждения ЭДГ.

1.4. Общая структура ЭДН и его физическая модель.

1.5. Приближенный анализ индуктивных параметров и электромагнитного момента ЭДГ.

Глава 2. Математические модели процессов в ЭДГ и ЭДН.

2.1. Математическая модель первого типа.

2.2. Математические модели второго типа.

2.3. Основные соотношения энергетического баланса в ЭДН.

Глава 3. Анализ результатов математического моделирования электромеханических процессов в ЭДГ и ЭДН.

3.1. Импульсный ток нагрузки и токи в обмотках ротора.

3.2. Энергия импульса тока в нагрузке и КПД ЭДГ.

3.3. Угловая скорость и электромагнитный момент ЭДГ в процессе генерирования и отбора кинетической энергии от МН.

Глава 4. Основные положения расчета параметров ЭДН.

4.1. Расчет главных размеров и массогабаритных показателей ЭДГ.

4.2. Предельная энергия ЭДГ.

4.3. Методика приближенной оценки теплового состояния активных частей ЭДГ.

4.4. Основные типы маховиков и запасаемая кинетическая энергия.

4.5. Расчетная мощность и масса разгонных двигателей.

4.6. Масса электроэнергетической системы с ЭДН.

4.7. Сопоставление расчета с экспериментальными данными, полученными на макете ЭДН.

4.8. Рекомендации по созданию образцов ЭДГ для ЭДН.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ТЕРМИНОЛОГИЯ.

Системы импульсного электропитания для ряда электрофизических и технологических установок, ускорителей масс, твердотельных оптических квантовых генераторов и других потребителей импульсной мощности в настоящее время активно разрабатываются за рубежом и у нас в стране с использованием электродинамических накопителей энергии (ЭДН).

ЭДН в общем случае содержат механический накопитель энергии (МН) и специальный генератор импульсной мощности - электродинамический генератор (ЭДГ) и систему управления и коммутации. Термин - ЭДГ -объединяет ряд названий специальных электромеханических генераторов с периодическим (циклическим) режимом работы.

Для различных конкретных модификаций таких электрических машин используются названия "ударные генераторы", "генераторы ударной мощности", "компульсаторы", "компрессионные генераторы", "импульсные электромашинные генераторы". Так как во всех специальных электрических машинах данного класса рабочие режимы реализуются на основе нестационарных процессов с быстро изменяющимися напряжениями, токами, магнитными индукциями и электромагнитными силами (электромагнитными моментами) в активной зоне, предложенное профессором Бутом Д.А. название ЭДГ является наиболее общим и достаточно полным. Такие генераторы, основанные на периодической деформации магнитного поля, работают в циклическом неустановившемся режиме, близком к режиму внезапного короткого замыкания синхронных машин.

По сравнению с используемыми для подобных целей емкостными или индуктивными накопителями, ЭДГ обеспечивают высокую частоту следования токовых импульсов, их рациональную форму, хорошие регулировочные качества, естественный спад тока в момент разрыва внешней цепи. По массогабаритным и энергетическим показателям они во многих случаях превосходят свои аналоги. По существу, ЭДГ объединяют в себе -электрическую машину, индуктивный накопитель энергии и согласующее звено, причем ротор ЭДГ обычно выполняет роль механического накопителя энергии, что позволяет создавать автономные высокофорсированные энергетические установки кратковременного действия.

В роторе ЭДГ, как правило, может накапливаться кинетическая энергия, достаточная для генерирования единичных импульсов. Для периодического генерирования десятков и более импульсов мощности запасаемой в роторе ЭДГ кинетической энергии недостаточно, и требуется применение МН (маховика).

По аналогии с названием - электромеханический накопитель (ЭМН), ЭДГ совместно с МН называется электродинамическим накопителем (ЭДН). Исследованию процессов в различных типах ЭДГ посвящен ряд работ Сипайлова Г.А., Хорькова К.А., Jlooca А.В., Бута Д.А., Дружинина А.С., Кучинского В.Г. и др. Сведения о разработках различных типов ЭДГ содержатся также в зарубежных публикациях.

Однако эти исследования касаются, главным образом, процессов в ЭДГ при постоянной угловой скорости без отражения специфики работы ЭДГ в системе импульсного электропитания с ЭДН, когда угловая скорость переменна даже в каждом цикле генерирования и тем более при генерировании серии импульсов.

В данной диссертации исследования проведены с учетом специфики работы ЭДГ в системе импульсного электропитания с ЭДН на основе разработанной обобщенной математической модели различных типов ЭДГ. В этом заключается новизна в общем плане данной работы по сравнению с работами ранее опубликованными.

В работе поставлены следующие цели и задачи.

Цель работы: 6

1. На основе сопоставительного анализа и математического моделирования обосновать рациональный тип ЭДГ для ЭДН.

2. На основе разработанной методики провести оценку энергетических и массогабаритных показателей импульсной электроэнергетической системы (ИЭЭС) с ЭДН.

3. Разработать общие рекомендации по созданию силовых элементов ЭДН.

Задачи работы:

1. Проведение сравнительного анализа трех основных типов ЭДГ для ЭДН.

2. Разработка обобщенной математической модели процесса генерирования импульсов тока и мощности в ЭДН.

3. Разработка методики расчетных оценок массы силовых элементов ЭДН.

4. Разработка методики расчета теплового режима.

5. Расчетные оценки ИЭЭС с ЭДН на различные параметры.

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ СХЕМНО-КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ЭДГ.

АНАЛИЗ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЭДН.

Выводы по главе:

1. Полученное с учетом результатов математического моделирования процессов основное расчетное уравнение для определения главных размеров ЭДГ (аналог основного расчетного уравнения традиционных электрических машин, предназначенных для работы при стационарной нагрузке) распространяется на все три типа ЭДГ с учетом различных численных значений коэффициентов и относительной полезной энергии в импульсе, по результатам математического моделирования.

2. Расчетные значения предельной энергии в импульсе при согласованной с параметрами ЭДГ активной нагрузке (R*„«0,1) для двухполюсных ЭДГ-2 (р=2) с продольным экраном при п0=(200ч-50) об/с, Vp0T пред=( 100^-200) м/с и В8о=1 Тл, находятся приблизительно в диапазоне (0,2-К30) МДж, а импульсная мощность достигает (Юч-500) МВт соответственно, а КПД при этом г|Эдг^0,3. ЭДГ-1 и ЭДГ-3 имеют меньшие предельные значения энергии.

3. Дальнейшее повышение энергии в импульсе WH>30 МДж связано с неизбежным понижением начальной частоты вращения п0<50 об/с (п0<3000 об/мин), а также возможно путем совершенствования конструкции ротора по механической прочности, т.е. Уротпред>200 м/с.

4. Получено общее выражение для расчета предельной запасаемой кинетической энергии различного типа маховиков, на основе которого определены численные значения предельной энергии.

5. Предельная запасаемая маховиком кинетическая энергия при прочих одинаковых условиях тем выше, чем выше отношение допустимого разрывающего напряжения к плотности материала маховика и обратно пропорциональна третьей степени начальной частоты вращения п0. Расчетные значения предельной кинетической энергии Wmh пред различных типов стальных маховиков из легированной стали в диапазоне по=(200ч-50) об/с (12000^-3000 об/мин) находятся приблизительно в пределах

7-И600)МДж.

6. Масса маховика и разгонного двигателя (РД) при одной и той же энергии в импульсе возрастает с увеличением числа циклов генерирования, а масса РД тем больше, чем меньше заданное время выхода ЭДН на режим генерирования.

155

7. Число циклов генерирования в серии для ЭДГ с ферромагнитопроводом ограничивается тепловым режимом ЭДГ. На основе теплового расчета установлено, что при естественном охлаждении и температуре обмоток 250°С для диапазона энергии в импульсе (0,05-г12) МДж допустимое число циклов составляет соответственно от сотен до нескольких тысяч. Увеличение числа циклов в серии требуют применение эффективного принудительного охлаждения.

8. Расчетами установлено, что возможно получить суммарную удельную массу системы импульсного генерирования (суммарную массу, отнесенную к суммарной энергии в активной нагрузке за Nu циклов генерирования) при естественном охлаждении ЭДГ в диапазоне энергии в импульсе W„=(0,054-12) МДж порядка МЕуд*<0,05ч-0,5) кг/кДж при tp=( 150-^600) с. Удельная масса установки (отнесенная к энергии в активной нагрузке за один цикл генерирования) будет находиться в диапазоне МЕуд ]ц«(2^-8)кг/кДж при г|эдг^0,3 и М2уд |Ц«(3-г16) кг/кДж при г|ЭдГ>0,7 при Nu=150 и tp=3600 с.

9. Экспериментальные исследования на макете ЭДН подтверждают основные теоретические положения работы и адекватность разработанных математических моделей и методик расчета.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты, полученные в ходе проведения исследований, охватывают группу расчетно-теоретических вопросов, создание экспериментальной (макетной) установки и проведение экспериментальных исследований, подтвердивших адекватность разработанных математических моделей и методик расчета.

Согласно разработанной структуре системы импульсного электропитания с ЭДН каждый импульсный канал генерирования в общем случае объединяет ряд функциональных элементов (звеньев): разгонный электродвигатель с регулятором частоты вращения, обгонную муфту на валу, механический накопитель (маховик), электродинамический генератор (ЭДГ) и аппаратуру коммутации в цепи импульсной нагрузки.

В соответствии с предложенной классификацией ЭДГ подразделяются на три типа: 1) с активным экранированием магнитного потока (ЭДГ-1); 2) с пассивным экранированием магнитного потока (ЭДГ-2); 3) ЭДГ третьего типа (ЭДГ-3), который обладает частично свойствами ЭДГ первых двух типов (условно с активно-пассивным или пассивно-активным экранированием).

Название ЭДГ объединяет различные типы генераторов импульсной мощности (ударные генераторы, генераторы ударной мощности, компрессионные генераторы, компульсаторы и др.), а различия основных трех типов ЭДГ определяются программами управления работой ключей-коммутаторов в цепях обмоток возбуждения и якоря, схемно-конструктивными признаками и способом сжатия магнитного поля в момент генерирования импульса тока.

На основании разработанных математических моделей ЭДН для каждого типа ЭДГ проведено компьютерное моделирование динамических процессов электромеханического преобразования энергии. В итоге обработки большого массива расчетных данных построены графические зависимости, характеризующие циклические режимы разряда ЭДН для широкого диапазона варьирования относительных параметров.

По разработанной расчетной методике проведены расчеты массо-габаритных и энергетических показателей главных функциональных звеньев системы.

Обоснован выбор типа ЭДГ для ЭДН, разработана методика расчета главных размеров ЭДГ, предельных значений энергии в импульсной нагрузке и аккумулируемой маховиком кинетической энергии. Разработаны основные рекомендации по технической реализации ЭДГ для ЭДН.

Анализ полученной расчетной информации позволил сделать следующие основные выводы.

1. При одинаковых главных размерах, рабочем зазоре, обмоточных данных, параметрах нагрузки, значениях магнитной индукции и прочих равных условиях (начальная частота вращения, число пар полюсов, окружная скорость и др.) наилучшим по эффективности генерирования полезной энергии в нагрузке является ЭДГ-2 с продольным экраном.

2. Поперечный и поперечно-продольный экран на роторе ЭДГ-2 при прочих равных условиях снижает полезную энергию в импульсе и рационален для применения только в тех случаях, когда требуется синтезировать определенную (заданную) форму импульса тока.

Наибольшее уплощение вершины импульса имеет место при смещении магнитной оси экрана на (35+30) электрических градусов относительно оси обмотки ротора.

3. Наибольшее обострение вершины импульса создает продольный экран на роторе ЭДГ-2, а в ЭДГ-1 и ЭДГ-3 он нерационален для применения при возбуждении со стороны статора, так как препятствует проникновению поля в ротор на этапе начального возбуждения.

4. Смещение магнитной оси поперечно-продольного экрана относительно поперечной оси ротора по направлению вращения обостряет задний фронт импульса тока (увеличивает di/dt), а смещение против направления вращения — передний фронт импульса тока.

5. При выполнении ЭДГ всех трех типов без пассивного экрана (что проще технологически и несколько повышает предельную линейную скорость ротора, активный диаметр и объем ЭДГ при no=const, энергию в импульсе) полезная энергия в импульсе ЭДГ-1 в 1,2-1,3 раза выше, чем в ЭДГ-2 и ЭДГ-3.

6. ЭДГ-2 с продольным экраном при одинаковом активном объеме и прочих равных условиях генерирует в активной нагрузке максимальную энергию приблизительно в 1,5-2 раза в больше, чем ЭДГ-1 и в (2,6-2,8) раза больше, чем ЭДГ-3, которые по указанным выше причинам, как правило, выполняются без пассивного экрана.

7. Режиму генерирования с максимальной энергией в импульсе с малым значением активного сопротивления нагрузки R*H<0,1 соответствует низкий КПД "Пэдг^О,25-0,3), так как такой режим близок к режиму короткого замыкания.

Для получения Т|Эдг>(0,7-0,75) при активной нагрузке относительное сопротивление нагрузки должно быть R*H>(0,4-0,6), но при этом примерно в 2-2,5 раза снижается удельная полезная энергия в импульсе и, соответственно, увеличивается масса ЭДГ.

8. Полезная энергия и КПД любого типа ЭДГ выше при чисто активной нагрузке, а при индуктивно-активной нагрузке снижение энергии и КПД тем больше, чем больше значение относительного параметра нагрузки Ph=cooLh/Rh при начальной частоте вращения п0.

9. Преобразование кинетической энергии в энергию сжатого поля и полезную энергию в нагрузке наиболее эффективно при малополюсном исполнении ЭДГ (р =1,2).

10. Предельная энергия в импульсе при согласованной с параметрами ЭДГ активной нагрузке R*H«0,1 для р=2, п0=(200+50) об/с, Vnpea=( 100+200) м/с и Bso=l Тл составляет приблизительно диапазон (0,2+30) МДж, а импульсная мощность достигает величин (10+500) МВт соответственно при г|ЭдГ<0,3. Дальнейшее увеличение предельной энергии в импульсе связано с понижением начальной частоты вращения п0<50 об/с.

11. Для технической реализации следует рекомендовать ЭДГ-2 с пассивным экраном на роторе как наиболее эффективный генератор по электромеханическому преобразованию энергии. Создание ЭДГ целесообразно осуществлять с использованием разработанных основных рекомендаций на базе имеющегося опыта серийной продукции — общепромышленных и специальных (авиационных) синхронных генераторов.

12. Для ЭДН с ЭДГ, выполненным с ферромагнитопроводом, при постоянной энергии импульсов в серии минимальную угловую скорость ротора рационально ограничивать значениями Qmjn>0,65Q0 по условиям насыщения магнитной цепи ЭДГ при регулировании тока возбуждения. При этом отбор кинетической энергии от маховика не должен превышать 58% запасаемой кинетической энергии.

13. Число циклов генерирования в серии для двухполюсных ЭДГ с ферромагнитопроводом ограничивается тепловым режимом ЭДГ. При температуре обмоток не более 250°С и естественном охлаждении для диапазона энергии в импульсе (0,05+12) МДж это число составляет диапазон от нескольких тысяч до сотни. Увеличение числа импульсов в серии требует применения эффективного принудительного охлаждения ЭДГ.

14. При генерировании однократных импульсов или малом их числе в серии (единицы импульсов) и большом времени разгона основной составляющей в суммарной массе установки является масса ЭДГ. Масса маховика и разгонного двигателя при одной и той же энергии в импульсе возрастает с увеличением числа циклов в серии, а масса разгонного двигателя тем больше, чем меньше время разгона, определяющее время выхода системы на режим генерирования. 15. При естественном охлаждении ЭДГ в диапазонах варьирования W„=(0,05-5-12) МДж; Bso=(0,5-l) Тл; п0=( 12000-300) об/мин, Упред=( 100-200) м/с, при времени разгона коллекторного разгонного двигателя постоянного тока tp=( 150-600) с суммарная удельная масса (суммарная масса, отнесенная к суммарной энергии в нагрузке за Nu циклов генерирования) приблизительно составляет М2уд«(0,05ч-0,5) кг/кДж, удельная масса установки (отнесенная к энергии в активной нагрузке за один цикл генерирования) будет находиться в диапазоне М£уд 1ц»(2-8) кг/кДж при г|эдг<0,3 и М£уд 1Ц«(Зч-16) кг/кДж при Лэд^О^ при Nu=150 и tp=3600 с, что существенно меньше подобных импульсных систем генерирования с емкостными и индуктивными накопителями.

Результаты полученные в диссертации использованы в научно-исследовательских работах кафедры, выполненных по

1. НИР № 310-01-06 "Анализ и синтез структурных схем импульсных накопительных установок. Разработка математических моделей и моделирование импульсных установок." (Грант Минобороны и Минобразования), выполнявшейся в 2001 году.

2. НИР № 1-46-96 "Разработка оптимизированных структур автономных электросистем (АЭС), расчетно-конструкторские проработке АЭС и их основных элементов, математические модели АЭС и макетные образцы их элементов." (Грант МЭИ), выполнявшейся в 2000 году.

1. Бут Д.А., Конеев С.-М.А. Электродинамические генераторы// Электричество. 1991. № 11.

2. Накопители энергии/ Бут Д.А., Алиевский Б.Л., Мизюрин С.Р и др. Под ред. Д.А. Бута- М: Энергоатомиздат, 1991.

3. Wehrlen D.J., Gully J.H., Small Caliber Mobile EML.// IEEE Trans on Magnetics, 1986, V. 22, №6.

4. Walls W.A., Spann M.L., Pratap et al S.B. Design of a Sell-excited, Air-core Compulsator for a Skid-mounted Repetitive Fire 9 ML Raildug System.// IEEE Trans on Magnetics, 1989. V. 25, № 8.

5. Дружинин A.C., Кучинский В.Г., Ларионов Б.А. Компрессионные генераторы. В кн.: Физика и техника мощных импульсных систем. М.: Энергоатомиздат, 1987.

6. Сипайлов Г.А., Хорьков К.А. Генераторы ударной мощности. М.: Энергия, 1979.

7. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. Л.: Энергия, 1980.

8. Лайбль Т. Теория синхронной машины при переходных процессах. М-Л: Госэнергоиздат, 1957.

9. Уайт Д., Вудсон Г. Электромеханические преобразователи энергии. Пер. с англ. М-Л.: Энергия, 1964.

10. Ю.Сипайлов Г.А., Лоос А.В. Математическое моделирование электрических машин. М.: Высшая школа, 1980.

11. П.Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. М.: Энергия, 1980.

12. Сверхпроводниковые электрические машины и магнитные системы./ А.И. Бертинов, Б.Л. Алиевский, К.В. Илюшин и др. Под ред. Б.Л. Алиевского. -М.: Издательство МАИ, 1993.

13. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. М.: Высшая школа, 1990.

14. Глебов И.А., Кашарский Э.Г., Рутберг Ф.Р. Синхронные генераторы в электрофизических установках. Л.: Наука, 1977.

15. Астахов Ю.Н., Веников В.А., Тер-Газарян А.Г. Накопители в электрических системах. М.: Высшая школа, 1989.

16. Специальные электрические машины. Книга 2./ Бертинов А.И., Бут Д.А., Мизюрин С.Р. и др. Под ред. Б.Л. Алиевского. М.: Энергоатомиздат, 1993.

17. Нейман JI.P., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. Том 2. JL: Энергоиздат, 1993.

18. Бут Д. А., Мизюрин С.Р., Коробов А.С. Система импульсного электропитания с электродинамическими накопителями энергии.// Электричество, 2000, № 12.

19. Коробов А.С. Электродинамические накопители энергии. Труды ЭКАО-99. М: МЭИ, 1999.

20. Веретенников Л.П. Исследование процессов в судовых электроэнергетических системах. JL: Судостроение, 1975.

21. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. М.: Высшая школа, 1966.

22. Конкордиа И.И. Синхронные машины. M.-JL: ГЭИ, 1959.

23. Гореев А.А. Переходные процессы синхронной машины. M.-JL: ГЭИ, 1950.

24. Трещев И.И. Электромеханические процессы в машинах переменного тока. -Л.: Энергия, 1980.

25. Трещев И.И. Нессиметричные режимы судовых машин переменного тока. -Л.: Судостроение, 1975.

26. Мимикоянц Л.Г. Токи и моменты асинхронных и синхронных машин при изменении скорости их вращения.// Электричество, 1958, № 8.

27. Лютер Р.А. Расчет моментов вращения синхронных машин при коротких замыканиях. В кн: Электросила, 1950, № 7.

28. Казовский Е.А. Некоторые вопросы переходных процессов в машинах переменного тока. M.-JI.: Госэнергоиздат, 1953.

29. Копылов И.П., Мамедов Ф.А., Беспалов В.Я. Математическое моделирование асинхронных машин. М.: Энергия, 1969.

30. Важнов А.И. Движение ротора синхронного генератора при внезапном коротком замыкании. Труды ЛПИ им. М.Н. Калинина. 1958, № 195.

31. Darren Redfern. The Maple Handbook. Springer-Verlag, 1993.

32. Прохорова Г.В., Леденева M.A., Колбеев B.B. Пакет символьных вычислений Maple V. М: Компания Петит, 1997.

33. Говорухин В.Н., Цибулин В.Г. Введение в Maple. Математический пакет для всех. М.: Мир, 1997.

34. Кутеладзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Машгиз, 1962.

35. Авиационные электрические машины/ Аскерко B.C., Бобов К.С., Винокуров В.А. и др. Под ред. В.А. Винокурова Изд. ВВИА им Жуковского, 1969.

36. Базаров В.Н. Тепловые процессы в электромеханических преобразователях энергии ЛА. М.: МАИ, 1991.

37. Лившиц А.Л., Рогачев И.С., Отто М.Ш. Генераторы импульсов. М.: Энергия, 1970.

38. Гулиа Н.В. Маховичные двигатели. М.: Машиностроение, 1976.

39. Гулиа Н.В. Накопители энергии. М.: Наука, 1980.

40. Глебов И.А., Кашарский Э.Г., Рутберг Ф.Г. Синхронные генераторы в электрических установках. П: Наука, 1977.

41. Джента Д. Накопители кинетической энергии./ Пер. с англ. под ред. Г.Г. Портнова. М.: Мир, 1988.