авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Вентильный линейный генератор для систем электропитания автономных объектов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Тарашев Сергей Александрович

ВЕНТИЛЬНЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ АВТОНОМНЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара – 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» на кафедре «Теоретическая и общая электротехника»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Высоцкий Виталий Евгеньевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Казаков Юрий Борисович

кандидат технических наук,
доцент

Певчев Владимир Павлович

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-производственное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт электромеханики с заводом имени А.Г. Иосифьяна» 101000, Москва, Хоромный тупик, дом 4, тел. (495)608-84-67,сайт: http://vniiem.ru )

Защита состоится 21 декабря 2011 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, д. 18, учебный корпус №1, ауд. 4.

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, г. Самара, Молодогвардейская ул., 244, Главный корпус, Самарский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04,

факс: (846)2784400, e-mail: aleksbazarov@yandex.ru.

Автореферат разослан 18 ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.217.04,

доктор технических наук, доцент А.А. Базаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в нашей стране и за рубежом большое внимание уделяется совершенствованию систем электропитания (СЭП) электроэнергетических комплексов автономных объектов. Системы электропитания, являясь одной из основных частей автономных объектов, определяют их энергетическое обеспечение, существенно влияют на эффективность и срок активного функционирования. В связи с развитием в последнее время новых прогрессивных технологий появилась необходимость создания и применения в качестве источника питания СЭП линейных генераторов (ЛГ) малой и средней мощности с возвратно-поступательным движением. Отсутствие промежуточного механического звена в виде кривошипно-шатунного механизма, кулачкового валика с толкателем и иного преобразователя движения обеспечивает более высокие технико-экономические показатели колебательных и вибрационных устройств и облегчает их интеграцию с рабочим органом. Такие устройства реализуют широкий диапазон механических частот колебаний и могут с успехом применяться во всех случаях, когда имеются вынуждающие механические колебательные движения или перемещения.



Линейный генератор может быть использован как первичный источник в СЭП транспортного средства. Известна, наряду с этим, конструкция устройства с линейным генератором, для выработки электроэнергии от волнения поверхности воды (волны прибоя, приливные волны, ветер и т.д.). Весьма перспективным и актуальным представляется применение ЛГ в качестве дополнительного источника к имеющимся источникам питания СЭП низкоорбитальных космических аппаратов (КА).

Следует отметить, что применяемые в настоящее время источники электрической энергии СЭП КА – солнечные (СБ) и аккумуляторные батареи (АБ) – не всегда отвечают требованиям надежности, энергоэффективности, а также продолжительности активного функционирования. Солнечное излучение является практически неограниченным источником энергии в космическом пространстве, однако в условиях тени СБ не производят энергии и единственным источником СЭП является АБ. Для КА выведенного на орбиту высотой 600 км происходит 15 затмений в сутки со временем тени 36 мин., таким образом, АБ заряжается-разряжается примерно 5500 раз в год, что обуславливает период активного функционирования КА на уровне 5-7 лет. Использование ЛГ в качестве дополнительного бортового источника КА позволит улучшить характеристики СЭП. Рабочий цикл ЛГ не зависит от продолжительности периода затенения, а наличие такого источника колебаний как термоакустический двигатель (ТАД), обеспечивает надежное функционирование СЭП в течение длительного периода времени. Интеграция ЛГ в СЭП позволит также сократить количество АБ, установленных на борту КА.

Наиболее полно требованиям надежности отвечает линейный генератор с постоянными магнитами (ЛГПМ). Применение в ЛГ высокоэнергетических постоянных магнитов на базе редкоземельных металлов создает возможность резкого уменьшения массы системы возбуждения, и позволяет получить генератор бесконтактного типа. Последнее обстоятельство является решающим в случае выбора ЛГПМ в качестве источника энергии для электроэнергетических комплексов автономных объектов.

Следует отметить, что интеграция в структуру СЭП определяет условия эксплуатации генератора и накладывает ряд ограничений на конструктивное исполнение ЛГ. Для повышения технико-экономических показателей современных СЭП необходима разработка специальных генераторов возвратно-поступательного действия. Они способны надежно функционировать в широком температурном и частотном диапазоне.

В настоящее время по тематике линейных электрических машин предложено значительное число конструктивных решений. Разработаны математические модели и рассмотрены вопросы проектирования электрических машин возвратно-поступательного движения для двигательного режима работы. Основополагающими в области разработки, исследования и проектирования линейных машин являются труды А.И. Вольдека, О.Н. Веселовского, Ф.Н. Сарапулова, Г.С. Тамояна, М.Я. Хитерера, А.И. Москвитина.

Однако многие вопросы в области использования линейных машин остались нерешенными. В частности, не исследованным остается генераторный режим работы. Актуальным является изучение установившегося и динамического режимов работы ЛГ, а также разработка рекомендаций и расчетных моделей для решения задач инженерного проектирования ЛГПМ.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование линейного генератора с постоянными магнитами для повышения надежности, энергоэффективности и срока активного функционирования систем электропитания автономных объектов.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ конструкций линейных генераторов, применяемых в системах электропитания автономных объектов, оценить перспективы развития современных СЭП с ЛГПМ в качестве источника электрической энергии, определить основные требования к линейному генератору;

- разработать математическую модель и программы расчета для исследования установившихся режимов работы ЛГПМ;

- разработать расчетные модели для решения задач инженерного проектирования ЛГПМ;

- провести экспериментальные исследования макетного образца ЛГПМ с целью проверки адекватности разработанных математических моделей и инженерной методики проектирования

Методы исследования. В работе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученных с использованием теории линейных электрических и магнитных цепей, а также теории электромагнитного поля. Поставленные задачи решены автором в диссертационной работе с использованием методов компьютерного эксперимента и экспериментальных методов исследования на макетных и опытных образцах. Достоверность результатов подтверждается удовлетворительным совпадением расчетных и экспериментально полученных данных.

Научная новизна работы.

1. Разработана математическая модель для исследования установившихся режимов работы, позволяющая получить основные характеристики и параметры ЛГПМ в установившемся режиме.

2. Получены рекомендации по выбору рациональных геометрических соотношений для магнитной системы ЛГПМ, а также рекомендации по выбору квазиоптимальных конструкций ЛГПМ, предназначенного для функционирования в составе СЭП КА

3. Предложена методика инженерного проектирования ЛГПМ.

Практическая ценность.

1. Разработана конструкция ЛГПМ, позволяющая обеспечить требования, предъявляемые к источникам питания современных СЭП автономных объектов.

2. Результаты исследований, а также изложенная методика проектирования могут быть использованы при практической реализации линейных электромеханических преобразователей различных типоразмеров.

Реализация работы. Проведенные исследования являются частью перспективных научно-исследовательских и проектных работ, которые проводятся совместно с ГНПРКЦ “ЦСКБ - Прогресс” и реализованы в виде рекомендаций при создании альтернативного источника питания для СЭП низкоорбитальных КА.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель для исследования ЛГПМ, ориентированная на исследование установившихся режимов работы и расчет его характеристик и параметров.

2.Конструкция вентильного ЛГПМ и его компоновка в составе СЭП, обеспечивающие требования, предъявляемые к современным источникам питания автономных объектов.

3. Расчетная модель и методика инженерного проектирования ЛГПМ для электроэнергетических комплексов автономных объектов.

4. Результаты расчетных и экспериментальных исследований характеристик, параметров и свойств вентильного ЛГПМ.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены: на IX-ой Всероссийской межвузовской научно-практической конференции Компьютерные технологии в науке, практике и образовании, Самара, 2010г; на международной конференции «Проблемы повышения энергоэффективности и надежности электрических сетей и систем электроснабжения предприятий нефти и газа», Самара, 2010г; на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий» AПЭЭТ-11, Екатеринбург, 2011г; на VI Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления», Таганрог, 2011г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе три из которых входят в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы диссертации, в нем сформулирована цель и поставлены задачи исследования, указана научная новизна, практическая ценность работы и основные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения о публикациях, структуре и основных вопросах рассмотренных в главах диссертации.

Первая глава диссертации носит обзорный характер и посвящена анализу состояния и перспектив развития современных СЭП с ЛГПМ в качестве источника питания. Рассмотрены конструкции генераторов, применяемые в настоящее время для использования в СЭП автономных объектов. Показана целесообразность применения ЛГПМ в качестве альтернативного первичного источника, указаны основные преимущества системы «термоакустический двигатель – ЛГПМ» перед классическими источниками питания, используемыми для СЭП КА. Проведенный анализ конструкций ЛГПМ, а также анализ существующих моделей СЭП КА и условий их эксплуатации, позволили сформулировать технические требования. Конструкция ЛГПМ должна обеспечивать:

- функционирование в составе СЭП КА, в которой дополнительным первичным источником энергии является термоакустический генератор;

- работу при температуре окружающей среды в диапазоне от 20 до 100° C;





- возможность функционирования в условиях невесомости;

- непрерывную работу в течение всего срока службы;

- высокую надежность и ресурс;

- массогабаритные показатели на уровне 30 Вт/кг;

- электромагнитная совместимость с СЭП КА;

- виброзащищенность конструкции,

- виброактивность не превышающая допустимых пределов для автономных систем;

- предельные допустимые отклонения подвижного элемента в радиальном направлении.

Вторая глава посвящена анализу физических процессов в ЛГПМ и разработке математических моделей, ориентированных на исследование установившихся режимов работы ЛГПМ и решение задач проектирования. Приведены результаты решения задач магнитостатики ЛГПМ. При этом учитываются особенности работы ЛГПМ, обусловленные наличием потоков краевого эффекта и потоков рассеяния . Для анализа магнитной цепи ЛГПМ использовалась картина распределения магнитных потоков (рис.1).

Рис.1. Распределения магнитных потоков в ЛГПМ

Здесь , - ширина первого и второго магнитов соответственно, - ширина немагнитного промежутка, - ширина полюса магнитопровода, , - радиусы, ограничивающие зону потоков краевого эффекта, ,- радиусы, ограничивающие зону потоков рассеяния.

Рассмотренной системе может быть поставлена в соответствие эквивалентная схема магнитной цепи, показанная на рис. 2. Индексы 1 и 2 относятся к левому и правому магнитам соответственно. Здесь и - магнитные сопротивления воздушных зазоров и участков постоянных магнитов, соответствующих потокам и ; и - магнитные сопротивления воздушных промежутков по путям потоков краевого эффекта и участков постоянных магнитов, соответствующих потокам и ; и - магнитные сопротивления воздушных промежутков и по путям потоков рассеяния и участков постоянных магнитов, соответствующих потокам и ; - магнитное сопротивление стальных участков магнитопровода; и - МДС постоянных магнитов; - МДС рабочей обмотки.

Рис. 2. Эквивалентная схема магнитной цепи ЛГПМ

Если пренебречь влиянием магнитного сопротивления стальных участков и выразить магнитные сопротивления через обратные им величины – магнитные проводимости, то выражения для потоков можно записать в виде:

(1)

Определение магнитных проводимостей проводилось методом Ротерса с использованием приведенной на рис. 1 картины вероятных путей прохождения магнитных потоков. При моделировании вводится допущение, что внешние механические воздействия носят синусоидальный характер. Тогда координата возвратно-поступательного движения индуктора за время полного колебания описывается следующим законом:

(2)

Расчеты выполнены для варианта ЛГПМ, имеющего следующие размеры: , , , . Материал магнита Nd-Fe-B , рабочая частота . Расчетная мощность .

Временные диаграммы магнитных потоков приведены на рис. 3. Потоки и показаны пунктиром, результирующий поток - сплошной линией.

 Временные диаграммы магнитных-41

Рис. 3. Временные диаграммы магнитных потоков , ,

При моделировании электромагнитных процессов ЛГПМ приняты следующие основные допущения:

– мощность приводного двигателя много больше мощности генератора и, следовательно, амплитуда колебаний не зависит от нагрузки;

– насыщение магнитной системы не учитывается;

– МДС магнита постоянна и не зависит от положения индуктора;

В соответствие рассматриваемому образцу ЛГПМ может быть поставлена эквивалентная электромагнитная схема рис. 4. Здесь ,– индуктивность и активное сопротивление рабочей обмотки; ,– – сопротивление нагрузки; – ЭДС, наводимая в рабочей обмотке при перемещении магнитов.

Рис. 4. Эквивалентная электромагнитная схема ЛГПМ

Согласно эквивалентной электромагнитной схеме уравнение электрического равновесия можно записать в виде:

. (3)

Постоянные магниты моделируется эквивалентной фиктивной обмоткой возбуждения, включенной на источник тока:

, причем Iм=Iм1=Iм2, w1=w2=1. (4)

Выражение для напряжения нагрузки запишется в виде:

. (5)

Полученная система уравнений (3-5) полностью описывает электромагнитные процессы в ЛГ, учитывает изменение параметров в зависимости от координаты индуктора. Система имеет периодические коэффициенты, вследствие чего точное аналитическое решение ее представляется сложной математической задачей. Решение уравнений выполнено численным методом с использованием программы Mathcad. На рис.5 приведены временные диаграммы напряжения и тока для различных режимов работы ЛГПМ. На графиках пунктирной линией показано напряжение, сплошной – ток.

а) б)

Рис. 5. Напряжение и ток рабочей обмотки при работе: а) активная нагрузка (R=73 Ом), б) активно-индуктивная нагрузка (R=73 Ом, L=0,1 Гн)

Для анализа качества выходного напряжения расчетные кривые были представлены тригонометрическим рядом Фурье:

(6)

коэффициенты определяются по следующему соотношению:

(7)



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:









 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.