автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Разработка и исследование индукторного генератора для безредукторной ветроэлектроэнергетической установки

На правах рукописи

ТИКУНОВ Алексей Владимирович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИНДУКТОРНОГО ГЕНЕРАТОРА ДЛЯ БЕЗРЕДУКТОРНОЙ ВЕТРОЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ

УСТАНОВКИ

Специальность: 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Воронеж - 2004

Работа выполнена в Воронежском государственном техническом университете

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Литвиненко Александр Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Волков Вячеслав Дмитриевич кандидат технических наук, доцент Ливший Геннадий Давыдович

Ведущая организация Липецкий государственный технический

университет

Защита состоится « // » 2004 г. в часов в конференц-

зале на заседании диссертационного совета К212.037.05 Воронежского государственного технического университета по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертационной работой можно ознакомиться в научной библиотеке университета.

Автореферат разослан

2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Медведев В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В последнее время во всём мире возрастает интерес к нетрадиционным источникам энергии, позволяющим использовать энергию экологически чистых, возобновляемых источников. Кроме этого, на сегодняшний день очень актуальным является вопрос развития и использования энергосберегающих технологий.

Из отраслей энергетики, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии, наиболее динамично развивается ветроэнергетика. К сожалению, современная мировая ветроэнергетика на сегодняшний день имеет ряд технических проблем. Это обусловлено действием нескольких факторов:

во-первых, рост единичных мощностей приводит к увеличению диаметра ветроколес и соответственно уменьшению угловой скорости, что ведет к усложнению установки;

во-вторых, возможное использование ветроплотин на основе применения большого числа маломощных быстроходных ветроколес малого диаметра не решает проблему из-за несоответствия угловых скоростей даже быстроходных ветроколес угловым скоростям генераторов.

Таким образом, назрела необходимость проектирования таких ветроэлектроагрегатов, которые бы обладали уменьшенными массогабаритными показателями, по сравнению с известными, что в свою очередь, могло бы способствовать широкому продвижению в практику устройств промышленной ветроэнергетики высокой эффективности.

В связи с изложенным, комплекс вопросов, связанных с решением проблемы создания специального генератора для ветроэнергетической установки (ВЭУ), является актуальным.

Тематика диссертационной работы соответствует одному из основных научных направлений Воронежского государственного университета «Вычислительные системы и программно-аппаратные электротехнические комплексы». Работа также велась в рамках НИР ВГТУ по госбюджетной теме ГБ 2000.01 «Исследование и разработка теоретических основ и практических аспектов технологии использования энергии нетрадиционных возобновляемых источников на территориях с низкими скоростями ветра и средней солнечной активностью», а также в рамках научно-технической программы «Исследование сегментных ветрогенераторов», являющейся региональной частью научно-технической программы Министерства образования Российской Федерации 206.05 «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии».

Объектом исследования является электрический генератор индукторного типа, предназначенный для работы в составе безредукторной ветроэлектроэнергетической установки.

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ| СИБЛПОТЕКА [

Целью работы является разработка и исследование сегментного (ду-гостаторного) электрического генератора индукторного типа для ветро-электроэнергетической установки, который, обладая простотой и технологичностью конструкции, при малой себестоимости, позволил бы исключить из конструкции установки повышающий редуктор. Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

- обоснован выбор и разработка конструкции сегментного (дугоста-торного) индукторного генератора с возбуждением от постоянных магнитов, непосредственно соединённого с ветроколесом;

- разработана математическая модель сегментного (дугостаторного) индукторного генератора и с её помощью получены статические характеристики генератора, проведены теоретические и экспериментальные исследования магнитного поля в активном объёме сегментного (дугостаторного) генератора, а также исследованы электромагнитные, механические и тепловые процессы в номинальном режиме работы;

- произведена проверка адекватности математической модели на основе комплексных экспериментальных исследований опытных образцов.

Методы исследования

Исследования проводились с помощью математических и экспериментальных методов, базирующихся на использовании теории электрических машин, электропривода, теории автоматического управления, численных и аналитических методов решения дифференциальных уравнений, методов моделирования.

В работе получены следующие результаты, отличающиеся научной новизной:

1. Рекомендации на основе комплексного анализа по использованию нетрадиционного способа электромеханического преобразования кинетической энергии ветра в электрическую, при помощи индукторного генератора, интегрированного с ветроколесом, отличающегося эффективным использованием энергии ветра.

2. Обобщённая математическая модель, характеризующая массогаба-ритные показатели сегментного исполнения генератора, при этом показатели, характеризующие дугостаторное и классическое исполнение, являются частными случаями этой модели.

3. Рациональный набор типовых магнитных систем, интегрированных с рабочим механизмом, обеспечивающих максимальное изменение амплитуды магнитного потока, охватывающего рабочую обмотку, на основе моделирования магнитных полей, а также варианты магнитных систем, отличающиеся от известных возможностью работы одного статорного модуля на два ветроколеса.

4. Формализованная связь между формой сегментного роторного элемента и основными характеристиками индукторного генератора, предложена рациональная конструкция сегментного роторного элемента.

5- Взаимная связь параметров индукторного генератора и его конструкции, отличающаяся от известных учётом краевых эффектов.

6. Методика, позволяющая осуществлять согласование сегментного (дугостаторного) генератора с нагрузкой.

Практическая ценность:

- разработаны перспективные конструктивные схемы генераторов с возбуждением от постоянных магнитов для ветроэлектроэнергетической установки, имеющие улучшенные массогабаритные показатели по сравнению с известными.

- разработаны рекомендации по использованию электрических генераторов индукторного типа для работы в составе ВЭУ с вертикальными и горизонтальными ветроколёсами.

- модифицирована методика расчёта дугостаторных и сегментных генераторов.

- проведено комплексное исследование научно-технической и технологической проблемы интеграции индукторного генератора и ветроколеса.

- проведено комплексное компьютерное моделирование влияния геометрических размеров паза на величину изменения магнитного потока, охватывающего рабочую обмотку, выработаны рекомендации, позволяющие выбрать рациональную геометрию паза.

Реализация работы:

- Основные теоретические и практические результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Электромеханических систем и электроснабжения» Воронежского государственного технического университета в лабораторный практикум по дисциплине «Технологии использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии».

- Результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведённых в работе, внедрены в ОАО «Агроэлектромаш» (г. Воронеж).

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на региональной научно-технической конференции «Автоматизация и роботизация технологических процессов», г. Воронеж 2000 г.; на межвузовской научно-технической конференции «Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники», г. Воронеж, 2002, 2003 г.; на региональной научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве», г. Воронеж, 2003 г.; на шестой региональной молодёжной научной и инженерной выставке «Шаг в будущее, Центральная Россия», г. Липецк, 2003 г.; на VI Международном инновационном салоне «Инновации и инвестиции» г. Москва, 2004 г.; на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного технического университета (г. Воронеж 2001-2003 г.), а также на научных семинарах кафедр «Электромеханических систем и электроснабжения» и «Автоматики и информатики в

технических системах» Воронежского государственного технического университета (2000-2004 г.).

Основные положения выносимые на защиту:

1. Комплексная модель генератора с использованием различных конфигурации магнитных систем сегментного (дугостаторного) генератора в зависимости от конструкции ветроколёс, в том числе с возможностью работы на два ветроколеса.

2. Рекомендации по выбору геометрических размеров сегментных роторных элементов в составе типовых конфигураций магнитных систем.

3. Система критериев подобия, позволяющая экстраполировать полученные в диссертационной работе результаты на ветроагрегаты большей мощности;

4. Методика расчёта специфического импульсного режима работы сегментного генератора с использованием разностных уравнений.

Публикации Основное содержание диссертации отражено в 9 печатных работах.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: в /1, 2, 3/ - проведён анализ возможных конфигураций магнитных систем; в работах /4, 7/ - проведено компьютерное моделирование магнитных полей в активной зоне исследуемого генератора; в /5/ - проведён анализ возможных конструктивных решений ветроэлектроэнергетической установки; в /8/ - главы четвёртая и пятая; в /9/ - разработана конструктивная схема дугостаторного индукторного генератора.

Структура и объём работы: Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 182 страницы машинописного текста, 87 иллюстрации, 2 таблицы и список литературы из 82 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, сформулированы цель и задачи исследований и изложены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена анализу современного состояния в области разработок и исследований электрических генераторов с возбуждением от постоянных магнитов, используемые в ветроэлектроэнерге-тических установках.

В настоящее время для ветроэлектроэнергетических установок, как правило, используются асинхронные и синхронные генераторы. Это обстоятельство обусловливает необходимость применения для согласования частот вращения ветроколеса и электрогенератора повышающего редуктора - мультипликатора. Стоимость и масса мультипликатора растут с увели-

чением - передаточного числа, а надежность снижается. Проблема может быть решена путем применения в составе ВЭУ электрогенераторов с низкими частотами вращения. Однако серийное производство специализированных низкооборотных генераторов электроэнергии малой и средней мощности в России в настоящее время не ведется.

Проведённый анализ показал, что индукторные генераторы не нашли широкого применения для нужд ветроэнергетики. Это объясняется тем, что индукторные генераторы классических конструкций используются преимущественно на высоких скоростях вращения, а как показали исследования В.А. Балагурова, на низких скоростях вращения массогабаритные показатели худшие, чем у асинхронных или синхронных машин той же мощности. Этот недостаток можно устранить путём применения сегментной или дугостаторной конструкции.

В ходе проведённых исследований был произведён сравнительный анализ классической конструкции генератора, дугостаторной и сегментной. Величина угла сегмента ротора и статора сегментного генератора:

где г - радиус классической машины, Гг -радиус сегментного генератора, П - число лопастей ветроколеса.

На рис. 1 представлена зависимость а = /(Л^л). Диаметр исследуемого классического генератора составляет 200 миллиметров, а диаметр ветроколеса, а соответственно и радиус ротора сегментного генератора изменяется от 2 до 8 мегров.

Рис. 1. Зависимость а = Г(Я„, п )

Вторая глава посвящена разработке и исследованию индукторного генератора для ветроэлектроэнергетической установки с вертикальным ветро колесом.

Для решения поставленной задачи был произведён анализ известных конструкции индукторных генераторов, позволяющий обосновать необходимость разработки генератора на основе генератора с коммутацией магнитного потока (классической конструкции).

Разработанный генератор имеет дугостаторную конструкцию, построенную по модульному принципу (рис. 2). Ротор генератора состоит из шихтованного магнитопровода 1 и колеса 2. Ротор расположен на валу 3, закреплённом на станине 4. Станина представляет собой литую металлическую плиту, которую можно использовать как подпятник всей ветроэлек-троэнергетической установки. Статорные модули также расположены на основании 4, они состоят из постоянного магнита 5, шихтованных магни-топроводов 6 и рабочей обмотки 7.

Для выбора конфигурации статорного модуля был проведён ряд вычислительных экспериментов. По результатам проведённых экспериментов было принято решение использовать для разработанного генератора гребенчатую зубцовую зону (рис. 3). Статорный модуль состоит из постоянно -го магнита 1, шихтованных магнитопроводов 2 и рабочей обмотки 3.

Достоинством данного решения является то, что оно позволяет получить переменный магнитный поток через рабочую обмотку.

Рис.2. Конструктивная схема дугостаторного Рис.3,

индукторного генератора

При использовании магнитной системы с гребенчатой зубцовой зоной поток зубцового деления, сцепленный с якорной обмоткой, в соответствии с методикой, предложенной А.И. Вольдеком:

ф0 = Ф0А +Ф0й = 2^0 X Я21-1 С05(2|-1)й>/ ,

(2)

где Ф0А — магнитный поток через полуполюс против зубцов которого стоят зубцы ротора; Ф0в - магнитный поток через полуполюс против зубцов которого стоят пазы ротора.

Результирующий поток, сцепленный с рабочей обмоткой,

Ф„ = 2• соз(2/- 1)ю/ + 2-Гасо5(йХ + а) ¿о + ^Л?,««2«^. (3)

Далее было произведено исследование влияния геометрии на выходные параметры генератора. Для этого был произведён ряд вычислительных экспериментов по исследованию влияния ширины и высоты зубцов статор-ного модуля, размера межполюсного окна на величину изменения магнитного потока, охватывающего рабочую обмотку. Результаты экспериментов показали, что максимальное изменение магнитного потока происходит при

отношении ^->8. На рис. 4 представлена графическая зависимость амплитуды изменения магнитного потока, охватывающего рабочую обмотку от геометрии паза.

Рис. 4. Результаты вычислительного эксперимента по анализу влияния геометрии зубцовой зоны на величину изменения магнитного потока, охватывающего рабочую обмотку.

Третья глава посвящена вопросу разработки и исследования индукторного генератора для ветроэлектроэнергетической установки с горизонтальным ветроколесом.

Принципиальная схема безредукторной ветроэлектроэнергетической установки сегментного типа с горизонтальным ветроколесом представлена на рис. 5.

Представленная ветроэлектроэнергетическая установка состоит из стойки 1, двухлопастного ветроколеса с горизонтальной осью вращения 2, устройства ориентации на ветер 3. Ветроколесо и устройство ориентации на ветер закреплены на поворотной платформе 4, к которой снизу крепится трубчатый оголовок 5, снабжённый подшипником 6, на оголовке расположен модуль статора 7. Сегментный роторный элемент 8 закреплён на лопасти ветроколеса.

Для выбора оптимальной геометрии магнитной системы безредук-торной ветроэлектроэнергетической установки сегментного типа был проведён ряд вычислительных экспериментов. Результаты опытов доказали целесообразность использования в генераторе многополюсной магнитной системы (рис. 6).

ЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ ЧЧЧЧЧЧчЧЧЧЧЧЧЧЧ

Рис.5. Безредукторная ветроэнергетическая установка

Рис. 6. Многополюсная конструкция

В ходе исследований был проведён анализ влияния формы сегментного роторного элемента на величину изменения магнитного потока, охватывающего рабочую обмотку. Как показали эксперименты, наилучшие энергетические показатели имеет генератор с трапецеидальной формой сегментного роторного элемента.

Разработанный сегментный генератор относится к импульсным генераторам, в связи с чем его работу можно разделить на режим генерации импульса напряжения в момент прохождения сегментного роторного элемента вдоль расточки статорного модуля и режим паузы

Разработанный генератор с накопительной емкостью, используя методику, предложенную Я.В. Цыпкиным, можно представить в виде эквивалентной схемы показанной на рис. 7.

Пусть в представленной электрической цепи ключ К периодически в течении интервалов времени пТ<1^(п+у)Т подключает конденсатор С через сопротивление к источнику постоянного напряжения 1_1о, а в течении последующих интервалов (п+у)Т<1 <(п + \)Т разряжает его на сопротивление Яг.

Рис. 7. Схема зарядки накопительного конденсатора Уравнение цепи в интервалах времени пТ <( <{п + у)Т имеет вид:

(4)

где - напряжение на конденсаторе.

Уравнение цепи в интервалах времени имеет

вид:

Я,С

Л/,

ей

+и= 0.

Введя новую переменную - относительное время:

- I

,=7>

где Т - период коммутации ключа, и обозначив Т Т Т Т Я,С Тх Л,С Т2 представим уравнения цепи в виде

(5)

(6)

I (Ш.

р Л 1 <шг

+ ис= О, п + у£1йп + 1.

Р" Л

Решение уравнения (7) имеет вид:

При 1 = п+у: ис(1) = ис(п + у).

При 1 = п: ис0) = ис(п).

9

(7)

(8)

Подставляя это значение в решение уравнения (7), находим значение В,: В^ис(п)~и0,

азначит ис0) = ио+[иМ-ио\е~р('"'\ п<,1<п+у. (9)

Решение уравнения (8) имеет вид:

ис(}) = В2е~Р"(,~п), п + у<~1^п + \.

При / = л + у из (8) получаем:

и/1) ~ис(п + у) = ив + [им ~ .

Подставляя это значение в решение уравнения (8) при / = п+у, находим В2:

В2 = и^п+у) ~ио+ [ис(п) - иа\е~рг. Заменяя В2 в решении уравнения (9) его значением, получим:

ис0) = {и0 + [ис(п) - и0]е~Рг ,п + у<}<п + \.(\Щ

Полагая в (10) / = п +1 и вводя обозначение решётчатой функции:

получаем после очевидных преобразований неоднородное линейное разностное уравнение первого порядка с постоянными коэффициентами:

Это разностное уравнение определяет напряжение на конденсаторе

рассматриваемой цепи в дискретные моменты времени / = П. Если тем или иным путём решить уравнение (11) и найти то, подставив его в

(9) и (10), возможно определить законы изменения ис(1) в любой момент времени.

Кроме этого в третьей главе приведены результаты компьютерного моделирования краевого эффекта, обусловленного разомкнутостью магни-топроводов статорного модуля и сегментного роторного элемента. Так в ходе исследований оказалось, что для П-образной магнитной системы, системы с гребенчатой зоной, а также магнитной системы коммутаторного типа, величина магнитных потоков замыкающихся через боковые грани магнитопроводов составляют порядка 25% от основного магнитного потока.

Четвёртая глава посвящена вопросам проектирования генератора для

БВЭУ.

Рассматривается вопрос согласования генератора с нагрузкой. Для регулирования выходной мощности разработанной установки сегментного типа предлагается использовать ступенчатое подключение.

В четвёртой главе приведена методика, позволяющая экстраполировать данные, полученные на макетных образцах, на ветроэлектроэнергети-ческие установки.

Согласно методике, предложенной В.А. Вени-ковым, исследуемый генератор можно представить в виде электрической схемы представленной на рис. 8, где - активное и

индуктивное сопротивления контура обмотки возбуждения, а - активное и индуктивное сопротивления контура рабочей обмотки и нагрузки, причём переменное и зависит от скорости ветра.

Коэффициент взаимоиндукции между контурами обозначен через В целом схема представляет собой систему, состоящую из двух подсистем (контуров 1 и 2). Согласно первому дополнительному положению подобия системы подобны, если соответственно подобны составляющие их подсистемы. Таким образом, необходимо найти критерии подобия каждой из подсистем (контуров).

Разделив соответственно на ¡^ и ¡гГ^г уравнения

и = 1,/?] +¿1 +

о=/2/г2 + ¿2—-л/,2— 11 1 л 1£ л

(12)

Применяя способ интегральных аналогов, находим пять критериев подобия:

¡А

2 /г, I I

(13)

__ТМ\ ¡2

'1 ' '1

Лу -

4 Я21 (

где Тм] = М^ь ТМ2 = М|2^2 —постоянные времени взаимоиндукции соответственно контуров 1 и 2.

ЛУ _ м\2 п 3 '

хУ-Лй1

д _-

5 Л2/

'1 _

Выбираем в качестве независимых параметров ¡|, Щ|, I для первого контура и ?2» < для второго. При этом получим семь критериев подобия:

щ =

'1оО

'1Л1 'I

я,/ / '

яч =

п II

Мл. Я2/ = 1м1 1 II - • 1--

'2

я* = —

(14)

При этом Я"з = л"3гт4, а л/ = жья-] Остальные критерии (,71% совпадают с соответствующими критериями, полученными на базе л-теоремы (Я], Пг, Яз). Запишем критериальные уравнения, соответствующие контурам 1 и 2:

Выражение критерия Я7, эквивалентного критерию Л4, можно подставить в первое критериальное уравнение. В итоге получим критериальное уравнение для системы в целом:

Таким образом, для подобия процессов в простейших цепях с взаимоиндукцией необходимо и достаточно равенство четырех определяющих критериев:

Полученные критерия подобия (17) позволяют экстраполировать результаты полученные на макетных образцах на ветроэлектроэнергетиче-ские установки.

Пятая глава посвящена вопросам технологии изготовления разработанного генератора.

Приводится методика изготовления гребенчатой зубцовой зоны, и приведены результаты вычислительного эксперимента по исследованию влияния технологических погрешностей на величину изменения магнитного потока, охватывающего рабочую обмотку.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана новая конструкция сегментного индукторного генератора для безредукторной модульной ветроэлектроэнергетической установки с буревой защитой и защитой от внешних воздействующих факторов, реализующая высокую окружную скорость конца лопасти ветроколеса с горизонтальной осью вращения, отличающаяся улучшенными массогаба-ритными показателями.

2. Разработана компьютерная модель низкооборотного дугостатор-ного индукторного генератора, предназначенного для работы в составе без-

редукторной ветроэлектроэнергетической установки с вертикальным вет-роколесом.

3. Разработана инженерная методика расчёта выходных параметров генератора, с учётом специфического импульсного режима работы сегментного генератора с использованием разностных уравнений, учитывающая воздействие нагрузки на характеристики генератора.

4. Разработаны рекомендации по совершенствованию типов магнитных систем индукторных генераторов, в зависимости от специфики исполнения первичного двигателя.

5. Подтверждена перспективность использования разработанных генераторов разработкой и изготовлением опытных образцов, испытания которых показали положительные результаты, при этом сравнение теоретических и экспериментальных результатов свидетельствуют об адекватности применения предложенных в диссертационной работе подходов, моделей и конструкций, и целесообразности их использования на практике.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Беляков П.Ю., Писаревский Ю.В., Тикунов А.В. Анализ вариантов магнитных систем индукторного генератора для ветроэлектрической установки // Автоматизация и роботизация технологических процессов: Материалы региональной научно-технической конференции. Воронеж, 2000. С. 168-174.

2. Бирючинских СП., Тикуиов А.В. Анализ вариантов конструкции низкооборотного генератора ветроэнергоустановки с вертикальной турбиной. // Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники: Труды межвузовской научно-технической конференции. Воронеж, 2002. С.55-59.

3. Литвиненко A.M., Тикунов А.В. Безредукторная ветроэнергетическая установка. // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: Труды региональной научно-технической конференции. Воронеж, 2003. С. 112-114.

4. Тикунов А.В., Горемыкин С.А. Моделирование магнитных полей в индукторном генераторе для ветроэнергетической установки с вертикальным ветроколесом. // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: Труды региональной научно-технической конференции. Воронеж, 2003. С.38-40.

5. Литвиненко A.M., Тикунов А.В. Ветроэнергетическая установка сегментного типа // Электротехнические комплексы и системы управления: Сборник научных трудов. Воронеж, 2003. С. 124-129.

6. Тикунов А.В. Двухсторонний статорный модуль для сегментной ветроэнергетической установки // Электротехнические комплексы и системы управления: Сборник научных трудов. Воронеж, 2003. С.141-145.

7. Тикунов А. В. Оптимизация зубцовой зоны индукторного генератора для ветроэнергетической установки // Электротехнические комплексы и системы управления: Сборник научных трудов. Воронеж, 2003. С. 190195.

8. Литвиненко A.M., Тикунов А.В. Проектирование ветроэлектроге-нераторов: Учеб. пособие. - Воронеж: Изд-во «Кварта», 2003. - 96 с.

9. Тикунов А.В., Бегин Е.А., Бураков В.В., Хребтов Р.Н. Низкооборотный генератор для ветроэнергетической установки // Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники: Труды региональной научно-технической конференции. Воронеж, 2003. С. 17-20.

ЛР № 066815 от 25.08.99. Подписано в печать 09.04.2004. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл.печл. 1,0. Тираж 85 экз. Заказ № 120

Воронежский государственный технический университет 394026 Воронеж, Московский просп., 14

í-7456

Введение

1. Состояние вопроса, постановка задач и выбор методов исследова

1.1 Ветроэнергетика как альтернатива традиционным способам произ

1.2 Особенности функционирования ветроэлектроэнергетических установок и специфические требования, предъявляемые к электрогенераторам

1.3 Современное состояние теории и практики в области проектирования и применения специализированных индукторных генераторов для ВЭУ

1.4 Обоснование использования сегментной конструкции генератора для безредукторной ветроэлектроэнергетической установки

1.5 Выбор конструктивной схемы генератора

1.6 Выбор метода расчёта и оптимизации магнитной системы

1.7 Выводы 41 2. Индукторный генератор для ветроэлектроэнергетической установки с вертикальным ветроколесом

2.1 Выбор конфигурации магнитной системы

2.2 Исследование работы генератора водства электрической энергии

2.2.1 Режим холостого хода

2.2.2 Приведение намагничивающей силы рабочей обмотки к намагничивающей силе обмотки возбуждения

2.2.3 Результирующий поток при нагрузке

2.2.4 Коэффициенты магнитного поля

2.2.5 Основные параметры рабочей обмотки

2.3 Кривая магнитного потока в воздушном зазоре

2.4 Выбор формы пазов

2.5 Анализ влияния геометрии паза на энергетические показатели генератора

2.6 Результаты испытания макетного образца индукторного генератора

2.6.1 Сравнение результатов вычислительных экспериментов и результатов полученных в ходе испытания физической модели

2.6.2 Исследование зависимости выходных параметров генератора от скорости вращения ветроколеса

2.6.3 Исследование внешних характеристик генератора

2.7 Выводы

3. Индукторный генератор для сегментной ветроэлектроэнергетической установки

3.1 Выбор магнитной системы для сегментного генератора

3.2 Анализ влияния геометрии многополюсной системы на энергетические показатели генератора

3.3 Исследование влияния формы сегментного роторного элемента сегментного генератора на выходные параметры ветроэлектроэнергетической установки

3.4 Метод расчёта сегментного генератора

3.5 Исследование механического усилия, возникающего между статор-ным модулем и сегментным роторным элементом

3.6 Исследование двухстороннего статорного модуля безредукторной ветроэлектроэнергетической установки сегментного типа

3.7 Краевой эффект

3.8 Расчёт ЭДС сегментного генератора на холостом ходу

3.9 Результаты испытаний ветроэлектроэнергетической установки с встроенным сегментным генератором индукторного типа

3.9.1 Сравнение результатов полученных в ходе вычислительных экспериментов и на макетном образце

3.9.2 Исследование работы генератора на холостом ходу

3.10 Выводы

4. Общие вопросы проектирования генератора для безредукторной ветроэлектроэнергетической установки

4.1 Согласование работы генератора с нагрузкой

4.2 Регулирование выходной мощности ветроэлектроэнергетической установки

4.3 Теория подобия ветроколёс интегрированных с сегментным генератором

4.3.1 Условия подобия ветроколёс

4.3.2 Формулы подобия

4.3.3 Критерий подобия генератора

4.4 Тепловой расчёт

4.5 Выводы

5. Технологические и технико-экономические показатели генератора

5.1 Технология изготовления гребёнчатой зубцовой зоны

5.2 Исследование влияния технологических погрешностей на энергетические показатели генератора

5.3 Сравнительный анализ эффективности сегментных ветроэлектроге-нераторов

5.4 Перспективность разработанных конструкций 158 Заключение 160 Список литературы

Актуальность работы

В последнее время, не только в нашей стране, но и во всём мире, всё более актуальным становится вопрос об истощении запасов «традиционных» источников энергии, таких как нефть, каменный уголь, природный газ. По прогнозу Международного энергетического агентства, при сохранении современных тенденций в мировой энергетике, в период до 2020 г глобальное потребление первичных энергоресурсов может возрасти на 65%. При современных темпах роста потребления ископаемых видов топлива запасов нефти хватит максимум на 75 лет, природного газа — не более чем на 100 лет, угля - на 200 лет.

Кроме этого, в последнее десятилетие во всём мире также актуальным становится вопрос об ухудшении экологической обстановки, а, как хорошо известно, существующие на сегодняшний день технологии получения энергии от ископаемых источников являются одними из наиболее «экологически грязных». В связи с этим, в конце 1997 года на третьей Конференции Сторон Рамочной Конференции ООН по Изменению Климата (РКИК) в Киото, был принят Киотский Протокол РКИК, закрепляющий количественные обязательства развитых стран и стран с переходной экономикой, включая Россию, по ограничению и снижению поступления парниковых газов в атмосферу.

В связи с вышеизложенным, во всём мире возрастает интерес к альтернативным источникам энергии, позволяющим использовать энергию возобновляемых, экологически чистых источников.

Из отраслей энергетики, использующих альтернативные возобновляемые источники энергии, наиболее динамично развивается ветроэнергетика.

В приложении 1 показаны производство электроэнергии на ветровых установках в 2000 - 2003 годах, прирост и темпы прироста ее производства за

9 месяцев 2003 года и основные показатели насыщенности энергетического рынка различных стран электроэнергией, произведенной путем преобразования энергии ветра.

По состоянию на конец сентября 2003 года мировое производство энергии на ветроэнергетических установках приблизилось к 16 ООО МВт в год, что превысило прогнозный показатель на весь 2003 год. При таких темпах прироста ожидается, что, когда данные 2003 года будут обобщены, то производство энергии составит около 16 660 МВт в год, а темпы прироста достигнут 22,66 % при первоначальном прогнозе 20 %.

Долгое время, ведущее место в мире по использованию энергии ветра занимали США. И наибольшее развитие эта отрасль получила в штате Калифорния. Однако, в середине 90-х годов прошлого века по объему установленных ветроэнергетических мощностей Европа (2420 мВт) опередила США (1700 мВт). Среди европейских стран, наиболее успешно развивающих эту отрасль, следует выделить Данию, Германию и Испанию. Например, в земле Шлезвиг-Гольштейн в 2000 году ветроэнергетика обеспечивала 5% потребностей населения в электроэнергии.

В СССР пик активности в разработке ветроэлектроэнергетических установок (ВЭУ) приходился на конец пятидесятых, начало шестидесятых годов прошлого столетия. После чего последовали десятилетия застоя, так как считалось, что широкое применение ветрогенераторов экономически нецелесообразно, поскольку энергия, получаемая от "классических" источников (ГЭС, АЭС, ТЭЦ), дешевле.

Интерес к данному виду энергетики возродился в конце восьмидесятых -начале девяностых годов прошлого века в связи с энергетическим кризисом. Однако в результате произошедших политических процессов и последовавшим за ними экономическим кризисом, начатые разработки не были закончены, и программа не была доведена до конца. В настоящее время, в условиях затяжного кризиса большой энергетики, вновь пробудился интерес к нетрадиционным возобновляемым источникам энергии.

В российской ветроэнергетике в настоящее время имеется ряд технико-экономических проблем, препятствующих ее более широкому применению. Одна из них - невысокая частота вращения первичного двигателя - ветроколеса, обусловленная малой плотностью энергии ветра. Это обстоятельство обуславливает необходимость применения между ветроколесом и электрогенератором достаточно сложной трансмиссии. В состав трансмиссии, как правило, входит повышающий редуктор - мультипликатор, так как выпускаемые промышленностью электрические генераторы, которые разработчики вынуждены применять в ВЭУ, не предназначены для работы на столь низких частотах вращения.

Стоимость и масса мультипликатора растут с увеличением передаточного числа при одновременном снижении надёжности. Мультипликатор по стоимости является вторым узлом после генератора практически в любой автономной энергетической установке, и его исключение одновременно со снижением стоимости и массы установки повышает надежность станции и упрощает ее эксплуатацию. Проблема может быть решена путем применения в составе ВЭУ электрогенераторов с низкими номинальными частотами вращения, что позволит упростить конструктивные схемы, уменьшить габариты и снизить массу мультипликаторов, либо совсем отказаться от них.

Однако серийное производство специализированных генераторов электроэнергии для ветроэлектроэнергетических установок в России в настоящее время не ведется. Одной из главных причин является отсутствие подходящих конструктивных решений. В данном направлении имеются очень немногочисленные разработки, носящие экспериментальный или исследовательский характер.

Кроме того, в последнее время всё более актуальным становится вопрос интеграции электрической машины и устройства, в состав которого она входит, с целью уменьшения массогабаритных и стоимостных показателей установки.

Изложенное определяет целесообразность и актуальность проведения исследований, направленных на разработку специального генератора для ветроэлектроэнергетической установки (ВЭУ).

Настоящая работа посвящена вопросам, связанным с разработкой конструкции генератора для безредукторной ветроэлектроэнергетической установки.

Тематика диссертационной работы соответствует одному из основных научных направлений Воронежского государственного университета «Вычислительные системы и программно-аппаратные электротехнические комплексы».

Актуальность работы подтверждается включением темы: «Исследование и разработка теоретических основ и практических аспектов технологии использования энергии нетрадиционных возобновляемых источников на территориях с низкими скоростями ветра и средней солнечной активностью» в перечень научно-исследовательских работ Воронежского государственного технического университета, финансируемых из государственного бюджета России в 2000 - 2004 г. (тема ГБ 2000.01). Непосредственным исполнителем научных исследований и разработок является кафедра электромеханических систем и электроснабжения, где выполнена настоящая диссертационная работа.

Работа велась также в рамках научно-технической программы «Исследование сегментных ветрогенераторов», являющейся региональной частью научно-технической программы Министерства образования Российской Федерации 206.05 «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии».

Объектом исследования является электрический генератор индукторного типа, предназначенный для работы в составе безредукторной ветроэлектроэнергетической установки.

Целью работы является разработка и исследование сегментного (дугостаторного) электрического генератора индукторного типа для ветроэнергетической установки, который, обладая простотой и технологичностью конструкции, при малой себестоимости, позволил бы исключить из конструкции установки повышающий редуктор. Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи: обоснован выбор и разработка конструкции сегментного (дугостаторного) индукторного генератора с возбуждением от постоянных магнитов, непосредственно соединённого с ветроколесом;

- разработана математическая модель сегментного (дугостаторного) индукторного генератора и с её помощью получены статические характеристики генератора, проведены теоретические и экспериментальные исследования магнитного поля в активном объёме сегментного (дугостаторного) генератора, а также исследованы электромагнитные, механические и тепловые процессы в номинальном режиме работы;

- произведена проверка адекватности математической модели на основе комплексных экспериментальных исследований опытных образцов.

Методы исследования:

Исследования проводились с помощью математических и экспериментальных методов, базирующихся на использовании теории электрических машин, электропривода, теории автоматического управления, численных и аналитических методов решения дифференциальных уравнений, методов моделирования.

В работе получены следующие результаты, отличающиеся научной новизной:

1. Рекомендации на основе комплексного анализа по использованию нетрадиционного способа электромеханического преобразования кинетической энергии ветра в электрическую, при помощи индукторного генератора, интегрированного с ветроколесом, отличающегося эффективным использованием энергии ветра.

2. Обобщённая математическая модель, характеризующая массогабаритные показатели сегментного исполнения генератора, при этом показатели характеризующие дугостаторное и классическое исполнение, являются частными случаями этой модели.

3. Рациональный набор типовых магнитных систем, интегрированных с рабочим механизмом, обеспечивающих максимальное изменение амплитуды магнитного потока, охватывающего рабочую обмотку, на основе моделирования магнитных полей, а также варианты магнитных систем, отличающиеся от известных возможностью работы одного статорного модуля на два ветроколеса.

4. Формализованная связь между формой сегментного роторного элемента и основными характеристиками индукторного генератора, предложена рациональная конструкция сегментного роторного элемента.

5. Взаимная связь параметров индукторного генератора и его конструкции, отличающаяся от известных учётом краевых эффектов.

6. Методика, позволяющая осуществлять согласование сегментного (дугостаторного) генератора с нагрузкой.

Практическая ценность:

- разработаны перспективные конструктивные схемы генераторов с возбуждением от постоянных магнитов для ветроэнергетической установки, имеющие улучшенные массогабаритные показатели по сравнению с известными.

- разработаны рекомендации по использованию электрических генераторов индукторного типа для работы в составе ВЭУ с вертикальными и горизонтальными ветроколёсами.

- модифицирована методика расчёта дугостаторных и сегментых генераторов. проведено комплексное исследование научно-технической и технологической проблемы интеграции индукторного генератора и ветроколеса.

- проведено комплексное компьютерное моделирование влияния геометрических размеров паза на величину изменения магнитного потока, охватывающего рабочую обмотку, выработаны рекомендации, позволяющие выбрать рациональную геометрию паза.

Достоверность полученных результатов следует из адекватности и корректности применяемых в работе теоретических и экспериментальных методов, а также сходимости расчётных и экспериментальных зависимостей.

Реализация работы:

- Основные теоретические и практические результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Электромеханических систем и электроснабжения» Воронежского государственного технического университета в лабораторный практикум по дисциплине «Технологии использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии».

- Результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведённых в работе, внедрены в ОАО «Агроэлектромаш» (г. Воронеж).

Апробация работы: основные положения диссертации докладывались на региональной научно-технической конференции «Автоматизация и роботизация технологических процессов», г. Воронеж 2000 г.; на межвузовской научно-технической конференции «Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники», г. Воронеж, 2002, 2003 г.; на региональной научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве», г. Воронеж, 2003 г.; на шестой региональной молодёжной научной и инженерной выставке «Шаг в будущее, Центральная Россия», г. Липецк, 2003 г.; на VI Международном инновационном салоне «Инновации и инвестиции» г. Москва, 2004 г.; на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного технического университета (г. Воронеж 20012003 г.); на научных семинарах кафедр «Электромеханических систем и электроснабжения» и «Автоматика и информатика в технических системах» Воронежского государственного технического университета.

Основные положения выносимые на защиту:

1. Комплексная модель генератора с использованием различных конфигурации магнитных систем сегментного (дугостаторного) генератора в зависимости от конструкции ветроколёс, в том числе с возможностью работы на два ветроколеса.

2. Рекомендации по выбору геометрических размеров сегментных роторных элементов в составе типовых конфигураций магнитных систем.

3. Система критериев подобия, позволяющая экстраполировать полученные в диссертационной работе результаты на ветроагрегаты большей мощности;

4. Методика расчёта специфического импульсного режима работы сегментного генератора с использованием разностных уравнений.

Публикации Основное содержание диссертации отражено в 9 печатных работах.

В работах опубликованных в соавторстве, и приведённых в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: в /12, 13, 40/ - проведён анализ возможных конфигураций магнитных систем; в работе /59/ - проведено компьютерное моделирование магнитных полей в активной зоне исследуемого генератора; в /41/ - проведён анализ возможных конструктивных решений ветроэлектроэнергетической установки; в /42/ - главы четвёртая и пятая; в /62/ - разработана конструктивная схема дугостаторного индукторного генератора.

Структура и объём работы: Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 182 страницы машинописного текста, 87 иллюстраций, 2 таблицы и список литературы из 82 наименований.

2. Результаты исследования макетных образцов ВЭУ сегментного типа, представленные в диссертационной работе, могут быть экстраполированы на реальные установки при помощи комплексного критерия подобия сегментного генератора.

3. Влияние краевого эффекта в предлагаемых генераторах незначительно, величина магнитных потоков замыкающихся через боковые грани магнитопроводов статорного модуля и сегментного роторного элемента составляют порядка 10% от основного магнитного потока, охватывающего рабочую обмотку.

Глава 5 - Технологические и технико-экономические показатели генератора

5.1 - Вопросы технологии изготовления пакетов статорных модулей и ротора генератора с гребёнчатой зубцовой зоной.

В случае выполнения индукторного генератора с гребёнчатой зубцовой зоной с малым значением зубцового шага очень важным является вопрос изготовления магнитопроводов ротора и статорного модуля.

Кроме этого, учитывая довольно сложную геометрию статорного модуля следует признать, что применение штамповки в данном случае является трудноразрешимой задачей. К тому же изготовление соответствующих штампов является крайне дорогостоящей и длительной по затратам времени операцией.

В связи с этим, в данном случае рекомендуется применять технологию, позволяющую отказаться от штамповки при изготовлении зубцовой зоны статорного модуля и ротора. Технология изготовления макетных образцов включает следующие этапы.

Вначале осуществлялась вырубка гладких заготовок. Затем заготовки изолировались, сжимались в пакет и при помощи металлорежущих станков, с использованием делительного стола нарезались гребёночные зубцы. Изготовление пазов под обмотку осуществлялось аналогично. После нарезки зубцов может быть осуществлена протравка зубцовой поверхности пакетов, с целью удаления образующихся при нарезке перемычек между листами.

Кроме этого известен способ удаления перемычек между листами магнитопровода за счёт создания температурного поля с высокой неоднородностью при воздействии электромагнитного поля высокой частоты в сочетании с вращением магнитопровода /82/. Изготовленный магнитопровод помещается внутри индуктора, питаемого токами высокой частоты. Магнитопровод приводят во вращение, при этом токи высокой частоты воздействуют на поверхность магнитопровода и нагревают её, степень разогрева зависит в первую очередь от его электропроводности. Короткозамкнутые контуры и зоны перемычек между листами магнитопровода имеют повышенную электрическую проводимость по сравнению с проводимостью шихтованного сердечника. Это приводит к разогреву и расплавлению в первую очередь именно указанных перемычек и потере их прочности, а не самого сердечника. Под действием центробежных сил происходит разрушение расплавленных перемычек и удаление их с поверхности магнитопровода.

Приведённая выше процедура нарезки зубцов довольно легко может быть автоматизирована, а оборудование для изготовления зубцовой зоны любой конфигурации быстро переналаживается при минимальных затратах. Таким образом, применение нарезки зубцов статорного модуля и ротора в пакете позволяет реализовать принцип гибкого производства, обеспечивающего широкий набор номинальных частот генераторов.

5.2 Исследование влияния технологических погрешностей на энергетические показатели генератора

Как известно, в индукторных генераторах с коммутацией магнитного потока вопрос точности изготовления зубцовой зоны является одним из важнейших. Это связано с тем, что принцип действия этих генераторов основан на «переключении» магнитного потока при перемещении зубцов ротора относительно расточки статора. При неточности изготовления зубцовой зоны возникает смещение зубцов ротора относительно зубцов статора, что, как очевидно, приведёт в ухудшению выходных показателей генератора. В связи с этим, была поставлена задача исследования величины воздействия технологических погрешностей изготовления зубцовой зоны на энергетические показатели генератора.

Физическое моделирование в данных исследованиях является довольно дорогостоящим из-за необходимости изготовления большого числа статорных модулей с различной величиной сдвига зубцов, поэтому было принято решение использовать математическое моделирование процессов, для этого использовалась программа «Quick field».

В ходе вычислительных экспериментов исследовался генератор для ветроэнергетической установки с вертикальным ветроколесом, имеющий гребенчатую зубцовую зону. Зубцовая зона исследуемого генератора имеет следующие геометрические размеры: ширина зубцов статорного модуля и ротора составляет 3 миллиметра, высота зубцов статорного модуля и ротора — 5 миллиметров. В ходе вычислительных экспериментов исследовалось влияние сдвига зубцов статорного модуля расположенных на полуполюсах 3 и 4 (рисунок 5.1) относительно зубцов ротора, величина сдвиг изменялась от -3 миллиметров (вправо на величину зубца от нулевого положения) до 3 миллиметров (влево на величину зубца от нулевого положения), достигалось это за счёт перемещения полуполюсов относительно их нормального положения.

Результаты проведённых вычислительных экспериментов представлены на рисунке 5.2. Как показали вычислительные эксперименты при сдвиге зубцов статорного модуля относительно зубцов ротора величина изменения магнитного потока, охватывающего рабочую обмотку, значительно уменьшается. Так при сдвиге зубцов статорного модуля относительно зубцов ротора на 0,6 миллиметров суммарное изменение магнитного потока, охватывающего рабочую обмотку уменьшается на 30%, а при сдвиге зубцов на ширину зубца изменение магнитного потока уменьшается практически на 100% (при таком взаимном расположении зубцов статорных модулей и ротора магнитный поток, охватывающий рабочую обмотку, будет не переменным, а пульсирующим).

Рис. 5.2 — Влияние сдвига зубцов статорного модуля относительно зубцов ротора

5.3 Сравнительный анализ эффективности сегментных (дугостаторных) ветроэлектроэнергетическихустановок

Основным общепринятым критерием качества ветроэлектроэнергетических установок является удельная стоимость мощности производимой ими электроэнергии.

Как правило, основное различие между ветроагрегатами заключается в конструкции их ветроколёс. Остальные их элементы достаточно универсальны и могут использоваться с различными типами ветроколёс /26/.

Если обозначить полный срок службы ветроколеса через Т, а текущее время - через t, причём 0< t <Т, то значение удельной стоимости мощности в каждый момент t можно представить в виде:

N (t)

7(0 = -^ (5.1) ся( 0 где Ncp(t) - среднее значение мощности на интервале [0;t]; Cn(t) - текущие затраты на приобретение ветроагрегата, его установку и эксплуатацию за время [0, t].

Так как мгновенные значения мощности ветроагрегата N зависят от его конструкции, геометрических параметров Г и мгновенного значения скорости V(t), то

Ncp{t) = -\N{r,V(t))dt. (5.2) t о

Зависимость N (r,V(t)) для конкретных типов агрегатов может быть определена по методикам их проектирования либо по экспериментальным данным.

Полные текущие затраты можно представить в виде:

Cn(t) = Ce+ct, (5.53) где Св - стоимость ветродвигателя и его установки, с- средняя стоимость обслуживания.

Обычно г|ср оценивают за весь предполагаемый срок службы j\N{r,V{t))dt ° Св +сТ ■ (5'4)

Основные сложности при расчёте заключаются в следующем:

1. Мгновенное значение N (Г, V(t)) зависит от скорости ветра V(t) в данный момент времени t, поэтому необходима дополнительная информация о зависимости V(t) за весь период эксплуатации [0,Т].

2. Величины Св и с для одного и того же типа ветроагрегатов могут значительно колебаться. Это во многом зависит от того, используются ли отечественные или зарубежные узлы и детали (последние, в свою очередь, также значительно различаются по цене).

Долю ветров, имеющих заданную величину скорости V в общем объёме, с точки зрения теории вероятности, логично оценивать с помощью плотности распределения p(V). Смысл данной величины в следующем. При фиксированном значении V=V':

P(V+AV)-P(V-AV)

->о 2 • AV где р(У'+ДV) - вероятность тог, что скорость ветра не превышает V'+ДV; p(V'-AV) - вероятность тог, что скорость ветра не превышает V'-Д V. Исходя из вышеперечисленного: V max

Ncp= jN(r,V)-p(V)dV, (5.6) v ■ min где Vmin(, Vmax - значения скорости ветра, при которых ветроагрегат соответственно начинает и завершает выработку энергии. Данная формула позволяет довольно точно рассчитывать среднее значение мощности ветроагрегата, установленного в конкретном месте.

Расчётные и практические данные показывают, что у всех типов ветроагрегатов удельная стоимость мощности убывает с увеличением их мощности и соответственно размеров. Поэтому основной интерес представляет сравнение различных типов ветроагрегатов, имеющих близкие размеры, поскольку приближённо можно считать суммарные затраты на них одинаковыми. В качестве масштабного размерного параметра логично принять величину площади S, ометаемой лопастями ветроколеса, поскольку данная величина тесно связана с самим принципом преобразования энергии и характеризует общие размеры ветроагрегатов различных типов. Разделив среднюю мощность на ометаемую площадь, получим новую вспомогательную качественную характеристику ветроагрегата и получим относительную мощность: v max jN(r,V)p(V)dV Г1от„=—---• (5-7)

Этот показатель может быть использован в тех случаях, когда по стоимости, монтажу и эксплуатации отсутствуют, то есть например в случае новой конструкции. Связь его с удельной стоимостью мощности следующая:

Цотн ~ Vcp 'сотн> (5.8) где сотн = C/S — удельные полные затраты на единицу площади ометаемого сечения.

Данная методика расчёта может быть применена к ветроагрегатам класса «Фермер» к которым относится разработанный сегментный генератор.

5.4 Перспективность разработанных конструкций

Проведённые исследования позволяют с уверенностью говорить о перспективности сегментной (дугостаторной) конструктивной схемы генератора для ветроэнергетической установки.

Во-первых, разработанные генераторы обладают высокой степенью универсальности и унификации, так как предлагаемые конфигурации магнитных систем позволяют использовать их как для генераторов различной мощности (наращивание мощности за счёт подключения дополнительных статорных модулей), так и для различных типов ветроколёс. Во вторых, разработанные генераторы могут с успехом использоваться в контрроторных ветроэнергетических установках, что позволит увеличить мощность установки.

Кроме этого, в ходе дальнейших исследований в области тепловых и электромеханических процессов протекающих в данном типе машин, возможно уменьшить массогабаритные показатели машины с одновременным увеличением мощности. В частности целесообразно более детально исследовать вопрос использования пластинчатых радиаторов.

Начатые исследования создают базу для создания высокоэффективной системы автоматического управления ветроэлектроэнергетической установкой, которая позволит осуществлять работу установки в режиме максимального отбора мощности.

И, наконец, целесообразно более подробно рассматривать возможность кратковременного аккумулирования электрической энергии при помощи современных конденсаторных накопителей, с перспективой их параллельной работы, а в дальнейшем и полной замены ими, химических аккумуляторных батарей.

Заключение

Выполненные в диссертационной работе исследования позволили сформулировать следующие результаты:

1. Разработана компьютерная модель низкооборотного дугостаторного индукторного генератора, предназначенного для работы в составе безредукторной ветроэлектроэнергетической установки с вертикальным ветроколесом.

2. Разработана новая конструкция сегментного индукторного генератора для безредукторной модульной ветроэлектроэнергетической установки с буревой защитой и защитой от внешних воздействующих факторов, реализующая высокую окружную скорость конца лопасти ветроколеса с горизонтальной осью вращения.

3. Разработана инженерная методика расчёта специфического импульсного режима работы сегментного генератора с использованием разностных уравнений, учитывающая воздействие нагрузки на характеристики генератора.

4. Разработаны рекомендации по совершенствованию типов магнитных систем индукторных генераторов, в зависимости от специфики исполнения ветроколеса.

5. Перспективность использования разработанных генераторов подтверждена разработкой и изготовлением опытных образцов, испытания которых показали положительные результаты, при этом сравнение теоретических и экспериментальных результатов свидетельствуют об адекватности и эффективности применения предложенных в диссертационной работе подходов, моделей и конструкций, и целесообразности их использования на практике.

1. Алексеева М.М. Машинные генераторы повышенной частоты. Л., Энергия, 1967.-344 с.

2. Альпер Н.Я., Терзян А.А. Индукторные генераторы. М., Энергия. 1970,- 192 с.

3. Архипов А.Н., Евсин Н.Ф., Коломейцев Л.Ф., Петраков М.Д. Расчёт электромагнитных процессов в трёхфазном индукторном генераторе, работающем на выпрямительную нагрузку // Изв. вузов «Электромеханика» 1985, №6 - с.34-38

4. Архипов А.Н., Евсин Н.Ф., Коломейцев Л.Ф., Петраков М.Д. Расчёт электромагнитных процессов в трёхфазном индукторном генераторе с классической зубцовой зоной // Изв. вузов «Электромеханика» 1984, №3. - с.29-35

5. Архипов А.Н., Коломейцев Л.Ф., Бахвалов Ю.А. Параметры приведённых контуров для учёта токов в магнитопроводе одноимённополюсного индукторного генератора // Изв. вузов. «Электромеханика» 1985, №5. - с. 60-63

6. Архипов А.Н., Архипова Л.И., Евсин И.Ф. Программное обеспечение оптимального проектирования индукторных генераторов повышенной частоты. // Изв. вузов «Электромеханика» 1989, №10. - с. 58-60

7. Айткулов М.А. Анализ целевой функции при оптимальном проектировании гидрогенераторов для малых ГЭС: Сб. науч. трудов. /М.: МЭИ — 1986.-с. 96-100.

8. Балагуров В.А., Галтеев Ф. Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. М. Энергоатомиздат, 1988.-280 с.

9. Балагуров В.А. Проектирование специальных машин переменного тока: Учеб. пособие для студентов вузов.- М. Высш. школа, 1982.-272 с.

10. Батищев Д.И. Поисковые методы оптимального проектирования. М. «Сов. радио», 1975. 216 с.

11. Бертинов А.И. Авиационные электрические генераторы. М., Обо-ронгиз, 1959 Г.-594 с.

12. Бобов К.С., Винокуров В.А. Авиационные электрические машины. 4.2. Специальные электрические машины. Издание ВВИА им. Н.Е.Жуковского, 1958 г.

13. Боляев И.П. Расчёт тепловых процессов в электрических машинах на электронной модели. // Изв. высш. учеб. заведений: «Электромеханика» -1961.№8.-с. 22-39.

14. Борисов Г.А. Определение индукции в воздушном зазоре электрической машины с постоянными магнитами при нагрузке // Изв. вузов «Электромеханика» 1985, №9. - с. 26-28

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

16. Бычков М.Г., Сусси Р.С. Расчётные соотношения для определения главных размеров вентильно-индукторной машины. // Электротехника 2000 г. №3. - с. 15-19

17. Бурянина Е.В. Низкооборотный торцевой электрический генератор малой мощности: Автореф. дис. канд. техн. наук. Томск, 1999. 26 с.

18. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины: Учеб. пособие для электромех. и электроэнерг. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1990. - 416 с.

19. Веников В.А. Теория подобия и моделирования (применительно к задачам электроэнергетики). Учебное пособие для вузов. Изд. 2-е, доп. и пере-раб. М., «Высш. школа», 1976. — 476 с.

20. Ветроэнергетика / Под ред. Д. де Рензо: перевод с англ.; под ред. Я.Н. Шефтера М.: Энергоатомиздат, 1982. - 272 с.

21. Ветродвигатели / Под ред. Е.М. Фатеева М.: Матгиз, 1962. - 248 с.

22. Володин Г.И. Расчёт магнитных полей и пондемоторных сил в одностороннем линейном индукторном двигателе: Дис.канд. техн.наук. Новочеркасск, 1984. -156 с.

23. Гайтова Т. Б. Особенности преобразования энергии для нетрадиционной энергетики: Тез. докл. Н-П конференции «Улучшение характеристик электротехнических комплексов, энергетических систем и систем электроснабжения» Краснодар, 1996. - с. 24

24. Гданский Н.И., Мальцевский В.В., Соловьёв A.M. Сравнительный анализ эффективности ветродвигателей // Техника машиностроения, 2002, №6. с. 63-65.

25. Гринягин В.М. Анализ магнитной системы генератора с коммутацией магнитного потока // Изв. вузов «Электромеханика». 2000 г. №3

26. Демешко Ю.Ф., Тюков В.А. и др. Индукторные генераторы с улучшенными характеристиками: Информ. листок / Новосибирск, ЦНТИ, № 562-82. -3 с.

27. Демирчан К.С., Чечурин В.П. Машинные расчёты элетромагнит-ных полей: Учеб. пособие для электротехн. и энерг. вузов.-М.: Высш. шк., 1986.- 240 с.

28. Домбур Л.Э. Аксиальные индукторные машины. — Рига: Зинатне, 1984.-247 с.

29. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре: учебник для вузов по спец. «Конструир. и произв. радиоаппаратуры». М.: Высш. шк., 1984.-247 с.

30. Евсин И.Ф., Павлющик Н.А., Мириманян В.Х. Математическая модель теплового расчёта индукторного генератора // Изв. вузов «Электромеханика».-1988 г. №12.-с. 35-39

31. Жежерин Р.П. Индукторные генераторы. М.:Госэнергоиздат, 1961 .217 с.

32. Коломейцев Л.Ф., Павлюков В.М., Птах Г.К. Расчёт тягового усилия индукторного двигателя методом конечных элементов // Изв. вузов «Электромеханика». 1988 г. №2. - с. 10-14

33. Коссович Р.А. Электрические машины для летательных аппаратов. JL, ЛВИКА им. А.Ф. Можайского. 1963 г.

34. Кузнецова В.А., Матвеев А.В. К вопросу определения числа витков обмотки фазы вентильного индукторного двигателя // Электротехника. 2000 г. №3. - с. 10-15

35. Дедовский А.Н. Электрические машины с высококоэрцитивными магнитами.- М.: Энергоатомиздат, 1985.- 168 е., ил.

36. Лившиц А.Л., Отто М.А. Импульсная электротехника. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 352 с.

37. Литвиненко A.M., Тикунов А.В. Безредукторная ветроэнергетическая установка: Труды региональной научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» Воронеж, 2003. - с. 112-114.

38. Литвиненко A.M., Тикунов А.В. Ветроэнергетическая установка сегментного типа: Сб. науч. тр. «электротехнические комплексы и системы управления» Воронеж, 2003. - с. 124-129.

39. Литвиненко A.M., Тикунов А.В. Проектирование ветроэлектроге-нераторов: Учеб. пособие. Воронеж: издательство «Кварта», 2003. - 96 с.

40. Лукутин Б.В., Обухов С.Г. Особенности работы микроГЭС на асинхронный двигатель соизмеримой мощности // Электротехника. 1991, №7. -с. 36-40

41. Магнитное поле в зазоре индукторной машины с пульсирующим потоком зубца ротора.// Исследование специальных авиационных электрических машин: Сб. статей / под ред. А.И. Бертинова. Вып. 133. Оборонгиз, М. -1961 г.

42. Мустафьев Р.И., Курдюков Ю.М., Листенгартен Б.А. Анализ систем регулирования выходной мощности ветроэлектрических установок // Электричество. 1989, №7. - с. 1-6.

43. Назикян Г.А. Влияние насыщения зубцов индукторного генератора с пульсирующим потоком на максимум ЭДС // Изв. вузов Электромеханика. -1986 г. №7 с. 105-107

44. Назикян Г.А., Реднов Ф.А., Поляков В.М. Расчёт потерь в стали статора и ротора высокочастотных индукторных генераторов с пульсирующим потоком // Изв. вузов «Электромеханика». 1998 г. №4. - с.87-88

45. Паластин Л.М. Электрические машины автономных источников питания. М., Энергия, 1972.

46. Постоянные магниты: Справочник/ Альтман А.Б., Герберг А.Н., Гладышев П.А. и др.; Под ред. Пятина Ю.М.,- 2-е изд., перераб. и доп. М. «Энергия», 1980.- 488 е., ил.

47. Птах Г.К., Коломейцев Л.Ф., Евсин Н.Ф., Петраков М.Д. Исследование несинусоидальности формы кривой напряжения однофазного индукторного генератора с помощью вычислительных экспериментов // Изв. вузов. Электромеханика. 1988 г. №4. - с.35-38

48. Свечарник Д.В. Электрические машины непосредственного привода: безредукторный электропривод. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 208 с.

49. Сергеев В.Д., Кулешов Е.В. Автономная ветроэнергетическая установка малой мощности. Структура и режимы работы. Труды ДВГТУ. Вып. 128. Владивосток, 2000. - с. 138-142.

50. Симонян С.А., Мириманян В.Х., Петраков М.Д, Использование второй гармоники поля в двухканальном автономном индукторном генераторе для силового канала небольшой мощности // Изв. вузов. «Электромеханика» -1988 г. №4. с.38-43

51. Соколов М.М., Сорокин JI.K. Электропривод с линейными асинхронными двигателями. М., «Энергия», 1974. 136 с.

52. Смирнов Ю.В. Электромагнитный вентильно-индукторный двигатель // Электротехника. 2000 г. №3. - с. 20-22

53. Специальные электрические машины:(Источники и преобразователи энергии). Учеб. пособие для вузов / А.И. Бертинов, Д.А.Бут, С.Р. Мизюрин и др.; под ред. А.И. Бертинова. М., Энергоатомиздат, 1982. - 552 е., ил.

54. Стрижевский С.Я. Теория и расчёт воздушных винтов. Военно-воздушная инженерная академия имени Жуковского. М., 1948 — 255 с.

55. Тикунов А.В. Двухсторонний статорный модуль для сегментной ветроэнергетической установки: Сб. науч. тр. «Электротехнические комплексы и системы управления» Воронеж, 2003. - с. 141-145.

56. Тикунов А.В. Оптимизация зубцовой зоны индукторного генератора для ветроэнергетической установки: Сб. науч. тр. «Электротехнические комплексы и системы управления» Воронеж, 2003. - с. 190-195.

57. Тикунов А.В., Бегин Е.А., Бураков В.В., Хребтов Р.Н. Низкооборотный генератор для ветроэнергетической установки: Труды региональной научно-технической конференции Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники. Воронеж, 2003.- С. 17-20.

58. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. Второе, перераб. изд., Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, М., 1957-535 с.

59. Шандарова Е.Б. Способы улучшения качества выходного напряжения микроГЭС с автобаластной системой стабилизации: Материалы докладов четвёртого всероссийского н.-т. семинара «Энергетика: экология, надёжность, безопасность. Томск, 1998. - с. 85

60. Шаров B.C. Электромашинные индукторные генераторы, M-JL, Энергоиздат, 1961,- 144 с.

61. Шаров В.П. Высокочастотные и сверхвысокочастотные электрические машины. М., Энергия, 1973.- 248 е., ил.

62. Читечян В.И. Система возбуждения автономных асинхронизиро-ванных генераторов: Тр. ин-та / ВНИИЭ. 1988. - с. 74-79

63. David С. White, Herbert Н. Woodson Electromechanical Energy Conversion, New York, john Wiley and Sons, Inc. 1959.

64. BWE empfiehlt mehr Rucksichtnahme. Sonne Wind und Warme. 2002, №9, C. 18.

65. Frischer Wind Fur die Steckdose. Hofer theo. Techn. Rdsch. 2003. 95, №11, c. 38-39

66. Пат. 2204052 RU, МПК F 03 D 9/00 Ветроагрегат / A.M. Литвиненко (РФ), Воронежский государственный технический университет (РФ). 2204052 С1; Заявлено 31.10.2001. Опубл. 2003. Бюл. №13.

67. Пат. 2204734 RU, МПК F 03 D 9/00 Статор ветроэлектрогенератора / A.M. Литвиненко (РФ), Воронежский государственный технический университет (РФ). 2204734 С1; Заявлено 31.10.2001. Опубл. 2003. Бюл. №14.

68. Пат. 2211366 RU, МПК F 03 D 1/06 Ветроколесо / A.M. Литвиненко (РФ), Воронежский государственный технический университет (РФ). 2211366 С1; Заявлено 14.02.2002. Опубл. 2003. Бюл. №24.

69. Пат. 2211949 RU, МПК F 03 D 9/00 Ветроэлектрогенератор / A.M. Литвиненко (РФ), Воронежский государственный технический университет (РФ). 2211949 С2; Заявлено 31.10.2001. Опубл. 2003. Бюл. №25.

70. Пат. 2211948 RU, МПК F 03 D 9/00 Контрроторный ветроэлектрогенератор / A.M. Литвиненко (РФ), Воронежский государственный технический университет (РФ). 2211948 С2; Заявлено 31.10.2001. Опубл. 2003. Бюл. №25.

71. Пат. 2211951 RU, МПК F 03 D 9/00 Ветроэлектрогенераторная установка / A.M. Литвиненко (РФ), Воронежский государственный технический университет (РФ). 2211951 С1; Заявлено 27.12.2001. Опубл. 2003. Бюл. №25.

72. Пат. 2187019 RU, МПК F 03 D 5/04. Ветроэнергетическая установка / A.M. Литвиненко (РФ), Воронеж, гос.техн.ун-т (РФ). 2001101581/06; Заявлено 16.01.2001; Опубл. 2002. Бюл. №22.

73. А.с. №1409774 СССР, МКИ4 F 03 D 5/04. Ветроэнергетическая установка / А.М.Литвиненко (СССР). №4161164/25-06. Заявлено 08.12.86; Опубл. 1988. Бюл. №26

74. А.с. №1409774 СССР, МКИ4 F 03 D 5/04. Ветроэнергетическая установка / А.М.Литвиненко (СССР). №4161164/25-06. Заявлено 08.12.86; Опубл. 1988. Бюл. №26

75. Пат. 2187019 RU, МПК F 03 D 5/04. Ветроэнергетическая установка / A.M. Литвиненко (РФ), Воронеж, гос. техн. ун-т (РФ). 2001101581/06; Заявлено 16.01.2001; Опубл. 2002. Бюл. №22.

76. Пат. 2208700 RU, МПК F 03 D 5/04 Безредукторный ветроагрегат / A.M. Литвиненко (РФ), Воронеж, гос. техн. ун-т (РФ). 2001129401/06; Бюл. №20,2003 г.

77. А.с.№540331 Н 02 К 15/00. Способ обработки шихтованных магнитопро-водов электрических машин / Л.В.Низовая, В.В.Чумак, А.Н.Низовой, Ю.В .Писаревский (СССР). №4852899/07. Заявлено 25.07.90; опубл. 15.05.93. Бюл .№18