Вентильный линейный генератор для систем электропитания автономных объектов

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.

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)