Какая синхронная машина имеет обращенную конструкцию

Общие сведения об электрических машинах — Синхронные машины

Электрическими машинами, вырабатывающими электроэнергию на электростанциях практически любого вида и масштаба, являются трехфазные синхронные генераторы.
В качестве двигателей синхронные машины применяются относительно редко. Жесткая характеристика (постоянное число оборотов), необходимость дополнительного устройства в виде возбудителя, обеспечивающего возбуждение, большая сравнительно с асинхронным двигателем производственная трудоемкость и стоимость машины, сложность пусковой и защитной аппаратуры являются причинами того, что синхронный двигатель не может быть массовым. Считается, что синхронные двигатели техно-экономически целесообразны при мощности Р — 50—100 квт. Асинхронные двигатели работают при коэффициенте мощности В режиме генератора синхронная машина обладает высокими эксплуатационными свойствами, что и определяет ее исключительное распространение как источника электрической энергии. Прообразом современного трехфазного генератора является генератор П. Н. Яблочкова (1878 г.), но его фазные обмотки не были соединены в систему. Это было сделано М. О. Доливо-Добровольским в 1891 г., создавшим впервые синхронный генератор именно трехфазного тока.
Основные части синхронного генератора — обмотка якоря, полюсная система (полюсы) и система возбуждения. Номинальную мощность синхронного генератора измеряют в киловольт-амперах (кВА); она не определяет допустимой активной нагрузки. Для этого должно быть указано значение коэффициента мощности, обычно принимаемое = 0,8.
На статоре — неподвижной части синхронной машины, как правило, расположена обмотка якоря, то есть обмотка, в которой генерируется э. д. с., на роторе — вращающейся части синхронной машины — полюса. Синхронные генераторы малой мощности (до 10—12 квт) могут иметь обращенную конструкцию: обмотка якоря — на роторе, полюсы — на статоре. Но, начиная уже с мощности выше 10 квт, такая конструкция нецелесообразна. Снимать энергию с вращающейся части машины через скользящий контакт (кольцо, щетка) при повышении напряжения с ростом мощности довольно трудно; также сложно надежно изолировать вращающуюся обмотку якоря высокого напряжения.
Для возбуждения синхронного генератора средней мощности питают его обмотку возбуждения от генератора постоянного тока небольшой мощности, сидящего обычно на одном валу с синхронным генератором. Генератор постоянного тока называется машинным возбудителем; его мощность составляет 0,3—3% номинальной мощности синхронного генератора. Напряжение возбудителя обычно не превосходит 110—220 в.
По конструкции синхронные генераторы прежде всего подразделяются на явнополюсные и неявнополюсные, что, в свою очередь, связано со скоростью вращения первичного двигателя, приводящего во вращение синхронный генератор. Применять редукторы для мощности 150—200 квт нерационально, так как ухудшается надежность работы агрегата, снижается общий коэффициент полезного действия. Редукторы при малых скоростях вращения первичного двигателя громоздки и дороги. Поэтому синхронные генераторы соединяются со своими первичными двигателями, как правило, непосредственно, и это справедливо и для агрегатов малой мощности.
По скорости вращения первичные двигатели условно делятся на две группы: тихоходные при 1000 об/мин и быстроходные при более 1000 об/мин. К тихоходным относятся водяные турбины, двигатели внутреннего сгорания (дизели, автотракторные двигатели, нефтяные, газогенераторные двигатели) и редко встречающиеся в качестве первичных двигателей электрических генераторов локомобили. К быстроходным относятся паровые турбины, газовые турбины и некоторые типы дизелей.

Явнополюсные синхронные генераторы

При тихоходных первичных двигателях прочно утвердилась конструкция явнополюсного генератора. Ротор выполняют с выступающими полюсами, которые в машинах средней и крупной мощности крепят к выступам вала, к втулке вала или к ободу крестовины при помощи Т-образных хвостов (рис. 193). Сердечники полюсов набирают из листов конструкционной стали толщиной 1—2 мм и стягивают шпильками. Обмотку возбуждения выполняют в виде катушек прямоугольного сечения, размещенных на сердечниках полюсов и укрепленных полюсными наконечниками. При выполнении очертания полюсного наконечника, согласно зависимости

распределение индукции магнитного поля полюсов в воздушном зазоре приближается к синусоиде. Отсчет х ведется от центра полюса.
Статор синхронных генераторов как явнополюсных, так и неявнополюсных в общем не отличается от статора асинхронных машин. Он состоит из активной части, то есть сердечника и корпуса (станина со щитами), предназначенного для закрепления стали и создания системы вентиляционных каналов. В пазах сердечника, равномерно распределенных по его внутренней окружности, размещена обмотка одного из типов, рассмотренных выше.
Сердечник статора выполняют из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 и 0,35 мм. В осевом направлении сердечник статора состоит из пакетов толщиной 3—б см, разделенных вентиляционными каналами шириной 5—10 мм.
Сжатием с обеих сторон посредством нажимных плит из немагнитного чугуна или стали системе статорной стали можно придать надлежащую жесткость.

Рис. 194. Гидрогенераторы: а — подвесное исполнение; б — зонтичное исполнение;1 — возбудитель; 2 — верхний направляющий подшипник; 3 — подпятник; 4 — грузонесущая крестовина; 5 — ротор; 6 нижний направляющий подшипник; 7 —нижняя крестовина; 8 — верхняя крестовина; 9 — направляющий подшипник.

Рис. 193. Явнополюсный ротор:1 — вал; 2 — роторная звезда; 3 — обод; 4 — катушки возбуждения.

Ротор явнополюсной конструкции прост в исполнении и надежен в эксплуатации, так как тихоходность агрегата ограничивает центробежные силы и потери на трение полюсов о воздух.
Машинный возбудитель, кроме расположения на одном валу с синхронным генератором, может быть соединен с ним эластичной муфтой при установке на общей фундаментной плите или посредством клиноременной передачи при мощности возбудителя не более 40—50 кет, иначе клиноременная передача становится громоздкой.
Синхронные генераторы, соединяемые с гидротурбиной, называются гидрогенераторами. Широкий диапазон скоростей вращения гидрогенераторов (1000—50 об/мин) связан с большим разнообразием напоров и расходов воды на гидроэлектростанциях. Скорость вращения тем меньше, чем меньше напор и больше мощность турбины. Гидрогенераторы изготавливаются для вертикальной и горизонтальной установки. На равнинных реках при небольших напорах вертикальные гидроагрегаты облегчают конструкцию здания станции, сокращают строительные размеры. Объясняется это тем, что при вертикальных гидротурбинах проще решается задача передачи мощности из турбинной камеры к генератору (через вал) (рис. 194).
Вертикальные гидрогенераторы по исполнению подразделяются на подвесные и зонтичные. При подвесном исполнении (рис. 194, а) подпятник расположен выше ротора, в верхней крестовине. Она в этом случае грузонесущая, и весь агрегат подвешен к этой крестовине и к подпятнику. При зонтичном исполнении (рис. 194,б) грузонесущая крестовина опирается на фундамент под статором, а не на корпус. При этом уменьшается габарит по высоте, что особенно заметно в крупногабаритных машинах. Подпятник находится на нижней крестовине, и генератор в виде зонта расположен над подпятником. Ось направляющего подшипника приближена к массе ротора, что позволяет ограничиться только одним направляющим подшипником.
Подпятник — ответственнейшая деталь вертикального гидроагрегата. Он должен быть рассчитан на восприятие вертикальной нагрузки не только от веса ротора с валом, но и от веса вала и колеса гидротурбины, а также давления воды на колесо. Нагрузка от колеса гидротурбины с учетом давления воды больше веса ротора гидрогенератора в 2—3 раза. Особенно трудны условия работы подпятника при пуске и тем более остановке агрегата, так как возникающая при нормальной скорости вращения масляная пленка между скользящими поверхностями подпятника при малой скорости не образуется. Для уменьшения продолжительности вращения агрегата с низкой скоростью при его остановке применяются тормозные устройства.
При подвесном исполнении подпятник более доступен, чем при зонтичном, в частности для наблюдения за ним при эксплуатации.
Установить точно границы целесообразности каждого исполнения
трудно; обычно при отношении диаметра ротора к его длине
исполнение зонтичное, при меньших значениях — подвесное.
На одном валу с гидрогенератором в верхней его части установлен возбудитель. У низкоскоростных гидрогенераторов при этом может получиться нерациональная конструкция возбудителя и неоправданно увеличиться высота агрегата и здания электростанции; лучше применять отдельные высокоскоростные возбудительные двигатель-генераторные агрегаты.
Сопряжение синхронного генератора с гидротурбиной вносит ряд усложнений в его конструкцию. При сбросе номинальной нагрузки гидроагрегат за несколько секунд может приобрести скорость вращения, превышающую нормальную в 2 раза и более. Такая скорость называется угонной. Генератор может достигнуть угонной скорости при неисправности направляющего аппарата турбины. При исправной работе системы регулирования скорость хотя и меньше угонной, но превышает при сбросе нагрузки номинальную, причем величина превышения зависит от качества системы регулирования, при разработке которой приходится считаться с тем объективным фактом, что быстрое прекращение доступа большой массы воды может вызвать гидравлический удар.
Механическая часть, прежде всего ротор, должна быть рассчитана на угонную скорость; в обычных синхронных генераторах механическую часть рассчитывают на усилия, возникающие при 1,2. Увеличенное сечение магнитного обода должно выдерживать не только собственную центробежную силу, но и центробежную силу полюсов. Диаметр вала у гидрогенератора делают больше, чем у обычной синхронной машины. Статические элементы делают более прочными, чтобы избежать вибраций при угонной скорости; на эту же скорость рассчитывают и фундаменты под генераторы.
В эксплуатации скорость вращения синхронного генератора должна оставаться синхронной, несмотря на изменение нагрузки. Следовательно, за счет регулирования расхода воды соответственно должен меняться крутящий момент турбины. Однако регуляторы, обладая инерцией, не могут обеспечить внезапных изменений расхода; скорость вращения в известной мере поддерживается постоянной за счет кинетической энергии ротора. Поэтому необходим большой маховой момент ротора. В колесо гидротурбины вложить большие маховые массы нельзя, и задачу решают путем соответствующего оформления конструкции ротора: увеличивают вес обода ротора генератора, предельно большим делают отношение. Последнее наиболее рационально, так как маховой момент растет пропорционально квадрату диаметра инерции и только первой степени веса ротора.
Гидрогенераторы мощностью не только до несколько тысяч киловатт, но и более крупные исполняют также с горизонтальным валом. Горизонтальный вал имеют так называемые капсульные гидрогенераторы, получившие распространение в последние годы. Такие генераторы заключают в водонепроницаемую оболочку (капсулу), которая с внешней стороны обтекается потоком воды, проходящим через турбину. Капсульные гидрогенераторы применяются для низконапорных ГЭС, позволяют отказаться от машинного зала, достигнуть большой компактности станции, их изготовляют на мощности до нескольких десятков тысяч киловатт.
Синхронные машины с горизонтальным валом широко используются при сопряжении генераторов с дизелями (агрегат называется дизель-генератором), а также в качестве двигателей. Дизель-генераторы имеют обычно один подшипник, вал генератора жестко соединен с валом дизеля, и в качестве второй опоры ротора генератора используется подшипник дизеля. Чтобы сгладить влияние неравномерности вращающего момента дизеля, дизель-генератор снабжают маховиком или ротор выполняют с повышенным маховым моментом.
Гидрогенераторы часто представляют собой машины индивидуального исполнения, так как мощность и скорость вращения турбины, к которой подбирают генератор, определяются напором и расходом воды. Наряду с синхронными генераторами индивидуального исполнения средней и крупной мощности электропромышленность изготовляет большое число гидрогенераторов мощностью до 4000 квт для малых и средних ГЭС, обслуживающих, в частности, сельское хозяйство. Примером являются разработанные в годы Великой Отечественной войны заводом Уралэлектроаппарат так называемые уральские серии вертикальных гидрогенераторов (обозначение ВГС) с широкой унификацией отдельных деталей и целых конструктивных узлов. В настоящее время освоено пять унифицированных серий вертикальных генераторов ВГС мощностью от 200 до 5000 кВА, со скоростями вращения от 100 до 428 об/мин. Каждая серия объединяет ряд гидрогенераторов, различных по мощности и скорости вращения, выпускаемых в одном габарите (внешний диаметр активной стали), отличающихся длиной активной стали и числом полюсов.
Одна из серий предназначена для работы с поворотнолопастными гидротурбинами (в обозначении добавляется буква П). Вал ротора имеет сквозное центральное отверстие для пропуска тяг механизма поворота лопастей. Шкала мощности согласована с имеющимися типами гидротурбин.
Гидрогенераторы не требуют маховика, так как нужный маховой момент обеспечен большим диаметром ротора (у машин с малым осевым размером отношениедоходит до 0,06—0,05). Наибольшая мощность, при которой еще целесообразна разомкнутая вентиляция, доходит до 5000 кВА.
Примером гидрогенераторов с горизонтальным валом могут служить трехфазные генераторы СГТ мощностью 220—3050 кВА, изготавливаемые на различные скорости вращения до 1000 об/мин.
Трехфазные синхронные генераторы мощностью от 320 до 3200 кет со скоростями вращения от 100 до 1000 об/мин объединены в единую серию совместно с асинхронными машинами. Генераторы имеют обозначение СГН, при закрытом исполнении добавляется буква 3. Генераторы СГН предназначены для сопряжения с двигателями внутреннего сгорания, локомобилями, электродвигателями.
К генераторам малой мощности условно можно отнести машины, у которых 100 кВА. Основными типами этих машин являются: ДГФ мощностью 12—75 кВА, ЕССМ мощностью 5—75 кВА и ЕСС-М мощностью 12—75 кВА.
Вторая буква С в двух последних типах означает, что генератор относится к разряду самовозбуждающихся и обмотка ротора получает питание через блок твердых выпрямителей, подключенных к обмотке статора генератора. Поскольку в схеме возбуждения в цепь нагрузки последовательно включены трансформаторы тока (см. рис. 197,г), то при увеличении нагрузки увеличивается возбуждение генератора, что позволяет стабилизировать напряжение генератора на определенном уровне при различных нагрузках. Генератор носит название компаундированного. Точность регулирования напряжения в генераторах ЕССМ и ЕСС-М лежит в пределах от ±2 до ±5%.
Генераторы типа ЕСС-М на холостом ходу допускают пуск ненагруженного асинхронного двигателя, номинальная мощность которого не превосходит 70% мощности генератора. Посадка напряжения при этом не превышает 50% номинального значения напряжения генератора.

Синхронные машины — двигатели, генераторы и компенсаторы

Синхронные машины – это электрические машины переменного тока, в которых ротор и магнитное поле токов статора вращаются синхронно.

Синхронный генератор является основной электрической машиной, генерирующей в электрических системах как активную, так и реактивную мощность.

В качестве двигателя синхронная машина также имеет весьма широкую область применения. Естественно, что при разнообразии условий работы синхронной машины в нормальных и ненормальных режимах, а также в переходных процессах развитию ее теории придается большое значение.

Важнейшими вопросами, связанными с обеспечением надежности работы синхронной машины в эксплуатации, являются:

• поведение синхронной машины в асинхронных режимах;
• устойчивость работы синхронной машины;
• поведение синхронной машины в несимметричных режимах;
• регулирование возбуждения синхронной машины;
• работа синхронной машины на сеть соизмеримой мощности.

Трехфазные синхронные генераторы – самые мощные электрические машины. Единичная мощность — синхронных генераторов на ГЭС — 640 МВт, а на ТЭС – 8 — 1200 МВт.

У синхронной машины одна из обмоток присоединена к электрической сети переменного тока, а вторая — возбуждается постоянным током. Обмотку переменного тока называют якорной.

Обмотка якоря преобразует всю электромагнитную мощность синхронной машины в электрическую и наоборот. Поэтому ее обычно располагают на статоре, который называют якорем.

Обмотка возбуждения потребляет 0,3 — 2% от преобразуемой мощности, поэтому ее располагают обычно на вращающемся роторе, который называют индуктором и малую мощность возбуждения подводят через контактные кольца или устройства бесконтактного возбуждения.

Магнитное поле якоря вращается с синхронной скоростью n1 = 60f1/p, об/мин,

где p =1,2,3 . 64 и т.д. — число пар полюсов.

При частоте промышленной сети f1 = 50 гц, ряд синхронных скоростей при различных числах полюсов: 3000, 1500, 1000 и т.д.). Так как магнитное поле индуктора неподвижно относительно ротора, то для непрерывного взаимодействия полей индуктора и якоря ротор должен вращаться с той же синхронной скоростью.

Конструкция синхронных машин

Статор синхронной машины с трехфазной обмоткой не отличается от конструкции статора асинхронной машины, а ротор с обмоткой возбуждения бывает двух видов — явнополюсный и неявнополюсный.

При больших скоростях и малом числе полюсов применяют неявнополюсные роторы, как имеющие более прочную конструкцию, а при малых скоростях и большом числе полюсов применяют явнополюсные роторы сборной конструкции. Прочность таких роторов меньше, но они проще в изготовлении и в ремонте.

Явнополюсный ротор:

Применяются в синхронных машинах с большим числом полюсов и соответственно относительно низкой n. ГЭС (гидрогенераторы) — частота n от 60 до нескольких сотен об/мин.

Самые мощные гидрогенераторы имеют диаметр ротора — 12 м при длине – 2,5 м, p – 42 и n= 143 об/мин.
Неявнополюсный ротор:

Обмотка — в пазах ротора диаметр d = 1,2 – 1,3 м, активная длина ротора не более 6,5 м. ТЭС, АЭС (турбогенераторы). S = 500 000 кВА в одной машине n = 3000 или 1500 об/мин (1 или 2 пары полюсов).

Кроме обмотки возбуждения на роторе располагают демпферную или успокоительную обмотку, которую в синхронных двигателях используют для запуска.

Эту обмотку выполняют аналогично короткозамкнутой обмотке типа «беличья клетка», только значительно меньшего сечения, так как основной объем ротора занимает обмотка возбуждения. В неявнополюсных роторах роль демпферной обмотки выполняют поверхности сплошных зубцов ротора и токопроводящие клинья в пазах.

Постоянный ток в обмотку возбуждения синхронной машины может подаваться от специального генератора постоянного тока, установленного на валу машины и называемого возбудителем, или от сети через полупроводниковый выпрямитель.

Смотрите также по этой теме:
Назначение и устройство синхронных машин

Синхронная машина может работать генератором или двигателем. Синхронная машина может работать в качестве двигателя, если подвести к обмотке ее статора трехфазный ток из сети. В этом случае в результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора поле статора увлекает за собой ротор. При этом ротор вращается в ту же сторону и с такой же скоростью, как и поле статора.

Наибольшее распространение получил генераторный режим работы синхронных машин, и почти вся электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами. Синхронные двигатели применяются при мощности более 600 кВт и до 1 кВт как микродвигатели. Синхронные генераторы на напряжение до 1000 В применяются в агрегатах для автономных систем электроснабжения.

Агрегаты с этими генераторами могут быть стационарными и передвижными. Большинство агрегатов применяются с дизельными двигателями, но приводом их могут быть газовые турбины, электродвигатели и бензиновые двигатели.

Синхронный двигатель отличается от синхронного генератора лишь пусковой успокоительной обмоткой, которая должна обеспечивать хорошие пусковые свойства двигателя.

Схема шестиполюсного синхронного генератора. Показаны сечения обмоток одной фазы (три обмотки, соединенные последовательно). В показанные на рисунке свободные пазы укладываются обмотки двух других фаз. Фазы соединяются в звезду или треугольник.

Режим генератора: двигатель (турбина) вращает ротор, на обмотку которого подается постоянное напряжение и возникает ток, создающий постоянное магнитное поле. Магнитное поле вращается вместе с ротором, пересекает статорные обмотки и наводит в них одинаковые по модулю и частоте ЭДС, но сдвинутые на 1200 (симметричная трехфазная система).

Режим двигателя: обмотку статора подключают к трёхфазной сети, а обмотку ротора к источнику постоянного тока. В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля машины с постоянным током обмотки возбуждения, возникает вращающий момент Мвр, который приводит ротор во вращение со скоростью магнитного поля.

Механическая характеристика синхронного двигателя – зависимость n(M)– представляет собой горизонтальный отрезок прямой.

Учебный диафильм — «Синхронные двигатели», созданный фабрикой учебно-наглядных пособий в 1966-году.
Посмотреть его можно здесь: Диафильм «Синхронный двигатель»

Применение синхронных двигателей

Массовое использование асинхронных двигателей с существенными недогрузками осложняет работу энергетических систем и станций: снижается коэффициент мощности в системе, что приводит к дополнительным потерям во всех аппаратах и линиях, а также и к их недоиспользованию по активной мощности. Поэтому возникла необходимость в применении синхронных двигателей, особенно для механизмов с приводами большой мощности.

Синхронные двигатели имеют по сравнению с асинхронными большое преимущество, заключающееся в том, что благодаря возбуждению постоянным током они могут работать с cos фи = 1 и не потребляют при этом реактивной мощности из сети, а при работе, с перевозбуждением даже отдают реактивную мощность в сеть. В результате улучшается коэффициент мощности сети и уменьшаются падение напряжения и потери в ней, а также повышается коэффициент мощности генераторов, работающих на электростанциях.

Максимальный момент синхронного двигателя пропорционален U, а у асинхронного двигателя U 2 .
Поэтому при понижении напряжения синхронный двигатель сохраняет большую нагрузочную способность. Кроме того, использование возможности увеличения тока возбуждения синхронных двигателей позволяет увеличивать их надежность работы при аварийных понижениях напряжения в сети и улучшать в этих случаях условия работы энергосистемы в целом.

Вследствие большей величины воздушного зазора добавочные потери в стали и в клетке ротора синхронных двигателей меньше, чем у асинхронных, благодаря чему к. п. д. синхронных двигателей обычно выше.

С другой стороны, конструкция синхронных двигателей сложнее, чем короткозамкнутых асинхронных двигателей, и, кроме того, синхронные двигатели должны иметь возбудитель или иное устройство для питания обмотки возбуждения постоянным током. Вследствие этого синхронные двигатели в большинстве случаев дороже асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

При эксплуатации синхронных двигателей возникли существенные трудности с их пуском. В настоящее время эти трудности преодолены.

Пуск и регулирование скорости вращения синхронных двигателей также сложнее. Тем не менее преимущество синхронных двигателей настолько велико, что при больших мощностях их целесообразно применять всюду, где не требуется частых пусков и остановок и регулирования скорости вращения (двигатель-генераторы, мощные насосы, вентиляторы, компрессоры, мельницы, дробилки и пр.).

Синхронные компенсаторы

Синхронные компенсаторы предназначаются для компенсации коэффициента мощности сети и поддержания нормального уровня напряжения сети в районах сосредоточения потребительских нагрузок. Нормальным являемся перевозбужденный режим работы синхронного компенсатора, когда он отдает в сеть реактивную мощность.

В связи с этим компенсаторы, как и служащие для этих же целей батареи конденсаторов, устанавливаемые на потребительских подстанциях, называют также генераторами реактивной мощности. Однако в периоды спада потребительских нагрузок (например, ночью) нередко возникает необходимость работы синхронных компенсаторов также в недовозбужденном режиме, когда они потребляют из сети индуктивный ток и реактивную мощность, так как в этих случаях напряжение сети стремится возрасти и для поддержания его на нормальном уровне необходимо загрузить сеть индуктивными токами, вызывающими в ней дополнительные падения напряжения.

Для этого каждый синхронный компенсатор снабжается автоматическим регулятором возбуждения или напряжения, который регулирует величину его тока возбуждения так, что напряжение на зажимах компенсатора остается постоянным.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Какая синхронная машина имеет обращенную конструкцию

Синхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой равна или кратна частоте вращения вращающегося в зазоре магнитного поля, создаваемого током якорной обмотки. Принцип действия синхронных машин основан на явлении электромагнитной индукции при взаимодействии магнитных полей .

Общее устройство синхронных машин

Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор (обмотка возбуждения).

Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле (так называемое поле реакции якоря), которое сцепляется с полем индуктора и таким образом происходит преобразование энергии. В генераторах поле реакции якоря создается переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора.

Индуктор состоит из полюсов — электромагнитов постоянного тока или постоянных магнитов. Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При неявнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, не заполненное проводниками (так называемый большой зуб). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса.

Для уменьшения магнитного сопротивления, то есть для улучшения прохождения магнитного потока применяются ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную конструкцию из электротехнической стали (то есть набранную из отдельных листов). Электротехническая сталь обладает рядом интересных свойств. В том числе она имеет повышенное содержание кремния, чтобы повысить её электрическое сопротивление и уменьшить тем самым вихревые токи Фуко.

Синхронный двигатель

Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося переменного магнитного поля якоря и постоянных магнитных полей полюсов индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор — на роторе. В мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся через скользящий контакт), в маломощных — постоянные магниты. Есть так-же обращенная конструкция двигателей, где якорь расположен на роторе, а индуктор — на статоре (в устаревших двигателях, а так же в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники)

Двигатель требует разгона до номинальной скорости вращения или частотного пуска, прежде чем может работать самостоятельно. При такой скорости вращающееся магнитное поле якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индуктора (если индуктор расположен на статоре, то получается, что вращающееся магнитное поле вращающегося якоря (ротора) неподвижно относительно постоянного поля индуктора (статора), если индуктор на роторе, то магнитное поле вращающихся полюсов индуктора (ротора) неподвижно относительно вращающегося магнитного поля якоря (статора)) — это называется «вошел в синхронизм». Для разгона до номинальной скорости обычно используется дополнительный двигатель (чаще всего асинхронный). Так-же используется частотный пуск, когда частоту тока якоря постепено увеличивают от очень малых до номинальных величин.

Частота вращения (об/мин) синхронного двигателя напрямую связана с частотой тока питающей сети соотношением,

где — число пар полюсов машины.

Синхронные двигатели обладают ёмкостной нагрузкой, поэтому их выгодно использовать для компенсации индуктивной нагрузки (повышения коэффициента мощности). Синхронные двигатели применяют там, где нет необходимости частого пуска/остановки и регулирования скорости вращения (например в системах вентиляции).

Синхронный генератор

Обычно в синхронных генераторах якорем является статор, а индуктором — ротор. В индуктор через щётки подают постоянный ток, вращают ротор, тем самым создавая вращающееся магнитное поле, под действием которого в якоре индуцируется переменный ток, который отдаётся в сеть.

Частота вырабатываемого тока (Гц) напрямую связана с частотой вращения ротора (об/мин) соотношением:

где — число пар полюсов машины.

Разновидности синхронных машин :

• Гидрогенератор — явно полюсный синхронный генератор, предназначенный для выработки электрической энергии в работе от гидравлической турбины (при низких скоростях вращения).
• Турбогенератор — неявнополюсный синхронный генератор, предназначенный для выработки электрической энергии в работе от паровой или газовой турбины (при скоростях вращения ротора 6000, 3000, 1500 об/мин.).
• Компенсатор — синхронная электрическая машина (в большинстве случаев неявнополюсная), предназначенная для выработки реактивной мощности (представляет из себя синхронный двигатель на холостом ходу, генерирование реактивной мощности регулируется током возбуждения обмотки индуктора).

Многополюсные синхронные электрические машины обращенной конструкции тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат наук Иванов, Николай Сергеевич

Оглавление диссертации кандидат наук Иванов, Николай Сергеевич

ГЛАВА 1. Состояние разработок в области многополюсных электрических машин обращенной конструкции

1.1. Области применения многополюсных синхронных машин обращенной конструкции

1.2. Классификация синхронных электрических машин обращенной конструкции

1.3. Сравнительный анализ электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов и с электромагнитным возбуждением

ГЛАВА 2. АНАЛИТИЧЕСКАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА МНОГОПОЛЮСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ОБРАЩЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

2.1. Постановка двухмерных задач о распределении магнитных полей

2.2. Аналитические решения задачи расчета двухмерных магнитных полей в активной зоне неявнополюсной синхронной машины обращенной конструкции

с постоянными магнитами

2.2.1 Структура решения в воздушном зазоре

2.2.2. Структура решения в области постоянных магнитов

2.3. Основные параметры неявнополюсной синхронной электрической машины обращенной конструкции с постоянными магнитами

2.4. Результаты расчета параметров синхронной машины обращенной конструкции с постоянными магнитами

2.5. Методика расчета синхронной машины обращенной конструкции с постоянными магнитами

ГЛАВА 3. Аналитическая методика расчета многополюсных синхронных электрических машин обращенной конструкции с электромагнитным возбуждением

3.1 Постановка задачи расчета двухмерных магнитных полей в синхронной машине обращенной конструкции с электромагнитным возбуждением

3.2 Аналитическое решение задачи расчета двухмерных магнитных полей в активной зоне неявнополюсной синхронной машины обращенной конструкции с электромагнитным возбуждением

3.2.1 Решение о распределении магнитных полей от токов индуктора

3.2.2 Решения о распределении магнитных полей от токов якоря

3.2.3 Суперпозиция двухмерных магнитных полей в активной зоне синхронной машины от токов обмотки возбуждения и обмотки якоря

3.3 Основные параметры неявнополюсной синхронной машины обращенной конструкции с электромагнитным возбуждением

3.4 Результаты расчета параметров синхронной машины с электромагнитным возбуждением

3.5 Сравнительный анализ синхронной машины обращенной конструкции с постоянными магнитами и электромагнитным возбуждением на основе высокотемпературных сверхпроводящих проводов

ГЛАВА 4. ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И ПАРАМЕТРОВ МНОГОПОШОСНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С Постоянными магнитами И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

4.1. Поверочный расчет и сравнение с существующими машинами

4.1.1. Методика расчета синхронного генератора с постоянными магнитами обращенной конструкции

4.1.2. Высокотемпературный сверхпроводниковый синхронный двигатель с постоянными магнитами мощностью 4 кВт

4.1.3. Выскокотемпературный сверхпроводниковый синхронный двигатель мощностью 200 кВт для электротранспорта

4.1.4. Высокотемпературный сверхпроводниковый синхронный генератор для ветроэнергетической установки мощностью 1 МВт

4.1.5. Синхронный генератор «ВИНДЭК» 1 кВт

4.1.6. Синхронный гиромотор «ГМС-200»

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Электромеханика и электрические аппараты», 05.09.01 шифр ВАК

Разработка синхронных электрических машин с композитными и объемными сверхпроводниками в роторе 2012 год, доктор технических наук Пенкин, Владимир Тимофеевич

Новые типы синхронных ВТСП электрических машин с радиально-тангенциальными постоянными магнитами 2009 год, кандидат технических наук Некрасова, Юлия Юрьевна

Многополюсные синхронные электрические машины для летательных аппаратов 2019 год, кандидат наук Тулинова Екатерина Евгеньевна

Электромеханические преобразователи энергии с модулированным магнитным потоком 1999 год, доктор технических наук Шевченко, Александр Федорович

Сверхпроводниковый синхронный генератор с когтеобразными полюсами и постоянными магнитами для транспортных систем 2018 год, кандидат наук Дубенский, Александр Андреевич

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многополюсные синхронные электрические машины обращенной конструкции»

Актуальность темы. Современный уровень потребления электроэнергии определяет повышенные требования к электромеханическим преобразователям. Появление новых материалов, таких как сверхпроводники, позволяет увеличить удельную мощность до 2-3 кВт/кг для традиционных электрических машин и до 4-6 кВт/кг для специальных электрических машин аэро-космической техники [47, 56, 62]. Темпы роста потребления электроэнергии определяют увеличение генерирующих мощностей. Развитие перспективных устройств, таких как более электрифицированный самолет (БЭС) и полностью электрифицированный самолет (ПЭС), так же увеличивает требования к удельной мощности современных электромеханических преобразователей. Однако, дальнейшее увеличение мощности единичной электрогенерирующей установки зачастую невозможно лишь за счет увеличения массы и габаритов электрического генератора.

Кроме того, в последние годы большое внимание уделяется вопросам защиты окружающей среды и одновременному повышению энергоэффективности. Возобновляемые и альтернативные источники энергии (ВИЭ) могут быть перспективной заменой традиционным углеводородным топливам. Ветроэнергетика является одним из наиболее важных ВИЭ. В настоящее время стоимость выработки 1 кВт электроэнергии ветроэнергетическими установками (ВЭУ) постоянно снижается. [55] Вместе с тем АИЭ по сравнению с традиционными, имеют более слабую технологическую базу, их использование требует освоения новых типов электромеханических преобразователей.

Разработка новых типов электромеханических преобразователей (ЭМП), особенно на основе современных высокотемпературных сверхпроводящих материалов, требует, в первую очередь, разработки соответствующих методик расчета и проектирования таких ЭМП.

В настоящее время большая часть генераторов, используемых в преобразовании механической энергии в электрическую, представляют собой синхронные генераторы различного исполнения.

Большое распространение получили синхронные генераторы с постоянными магнитами, благодаря высокому КПД, надежности и простоте конструкции. На основе генераторов с возбуждением от постоянных магнитов (ПМ) сегодня начинают производиться безмультипликаторные ветроэнергетические установки большой мощности [82, 76]. Простота и надежность генераторов с возбуждением от ПМ делает их особенно предпочтительными для использования в системах автономного электроснабжения.

В то же время генераторы, включенные непосредственно в сеть, требуют регулирования. Для обеспечения регулирования применяют синхронные генераторы с электромагнитным возбуждением. Вместе с тем, генераторы с возбуждением от ПМ имеют ограничение по максимальной мощности, которое определяется характеристиками применяемых магнитных материалов.

Синхронные генераторы с электромагнитным возбуждением обладают рядом преимуществ по сравнению с генераторами с возбуждением от постоянных магнитов, главным из которых является возможность глубокого регулирования потока возбуждения.

В литературе широко рассмотрены вопросы расчета и проектирования синхронных машин, как с электромагнитным возбуждением, так и с возбуждением от постоянных магнитов (ПМ) [24, 11, 21]. Однако, вопросы аналитических методик, позволяющих проводить оценку рационального использования в качестве источника магнитодвижущей силы (МДС) ПМ или обмоток возбуждения, выполненных из меди, или из сверхпроводящих проводов, освещен недостаточно полно. В частности, в литературе отсутствуют данные о сопоставительном анализе машин обращенной конструкции с возбуждением от

ПМ и от обмоток возбуждения, не приведены оценки эффективности использования тех или иных типов машин (с ПМ или с электромагнитным возбуждением) обращенной конструкции, отсутствуют методики оценки эффективности использования того или иного типа машин с точки зрения мощности единичного агрегата.

Современный уровень развития сверхпроводниковых технологий [Лаверик] делает возможным разработку генераторов обращенной конструкции с улучшенными массогабаритными показателями. Основные преимущества синхронной машины обращенной конструкции:

1. Возможность выполнения конструкций, которые не могут быть реализованы при использовании ЭМП традиционной конструкции;

2. Увеличенный кинетический момент ротора;

В этой связи тема диссертационной работы является актуальной.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка аналитических методик расчета многополюсных синхронных электрических машин обращенной конструкции с постоянными магнитами и электромагнитным возбуждением.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

— разработать аналитическую методику расчета синхронных электрических машин обращенной конструкции с возбуждением от постоянных магнитов;

— разработать аналитическую методику расчета синхронных электрических машин обращенной конструкции с электромагнитным возбуждением, в том числе на основе сверхпроводников;

— провести сопоставительный анализ машин обращенной конструкции с возбуждением от ПМ и обмотки возбуждения;

Предметом исследования являются синхронные машины обращенной конструкции с возбуждением от постоянных магнитов и обмоток возбуждения, сравнительный анализ их параметров, вывод критерия для оценки целесообразности применения ВТСП проводов при проектировании ЭМП обращенной конструкции;

Методы исследований. При решении задач диссертации использовались методы математической физики, теории поля, электромеханики и прикладной сверхпроводимости; численные методы решения уравнений в частных производных (метод конечных элементов). Для решения уравнений и построения диаграмм использовался пакет математического моделирования MathCAD 11; для решения задач методом конечных элементов использовался пакет прикладных программ Elcut Professional 5.4; «твердотельное» моделирование было осуществлено на базе пакета Solidworks 2011; эскизное проектирование было осуществлено на базе пакета Компас-ЗБ V12; для построения графиков использовалась программа Grapher 7.0.

Разработана новая методика электромагнитного расчета синхронных машин обращенной конструкции с возбуждением от постоянных магнитов, основанная на аналитическом расчете двухмерных распределений магнитных полей в активной зоне синхронной машины.

Разработана новая методика расчета синхронных машин обращенной конструкции с электромагнитным возбуждением, включая возбуждение на основе высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) проводов. Методика построена на базе аналитического расчета распределения магнитных полей в активной зоне машины.

Данные методики учитывают свойства материалов, структуру и геометрию активной зоны.

На основе полученных аналитических решений проведен сравнительный анализ синхронных машин обращенной конструкции с возбуждением от ПМ и электромагнитным возбуждением.

Сформулирован критерий, по которому можно проводить оценку целесообразности применения ВТСП проводов при проектировании ЭМП обращенной конструкции.

Практическая ценность работы.

— Разработаны методики расчета двухмерных магнитных полей и параметров синхронных машин обращенной конструкции с ПМ и с электромагнитным возбуждением;

— Разработана методика численного расчета синхронной машины обращенной конструкции с ПМ;

— Получено значение МДС обмотки возбуждения (ОВ), эквивалентное значению МДС ПМ, которое может быть использовано при оценке целесообразности применения ОВ или ПМ в индукторе машины.

Перечисленные результаты получены лично автором или при его непосредственном участии.

Реализация результатов. Материалы диссертации используются в курсах лекций по дисциплинам «Электромеханика», «Криогенные и сверхпроводниковые электроэнергетические установки», «Основы научных исследований», а также вошли в методические пособия по курсовому и дипломному проектированию, предназначенные для студентов электромеханических и энергетических специальностей. Также результаты работы использованы в ряде НИОКР.

Апробация работы. Основные результаты обсуждались и докладывались

1. Московской молодежной научно-практической конференции «Инновации в авиации и космонавтике-2012». 17-20 апреля 2012 г., МАИ, г. Москва;

2. Международном межотраслевом молодежном научно-техническом форуме «Молодежь и будущее авиации и космонавтики-2012» (результаты отмечены дипломом третьей степени), г. Москва;

3. Двадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», 27-28 февраля 2014 г., МЭИ, г. Москва;

4. Девятой Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия -2014», 16-17 апреля 2014 г., ИГЭУ, г. Иваново;

5. Конкурсе докладов по тематике РНК СИГРЭ, 17 апреля 2014 г., ИГЭУ, г. Иваново.

6. Московской молодежной научно-практической конференции «Инновации в авиации и космонавтике-2014», 22-24 апреля 2014 г., МАИ, г. Москва

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 работы в журналах, входящих в перечень ВАК.

1. Ковалев Л.К., Ковалев К. Л., Тулинова Е.Е., Иванов Н.С. Многополюсные синхронные генераторы с постоянными магнитами для ветроэнергетических установок. Электричество, 2013, №8, стр. 2-8;

2. Иванов Н. С., Тулинова Е. Е. Синхронные генераторы обращенной конструкции с постоянными магнитами для ветроэнергетических установок и малой гидроэнергетики, Труды МАИ, 2013, №68;

3. Ковалев Л.К., Ковалев К.Л, Тулинова Е.Е., Иванов Н.С. Методика расчета распределения магнитного поля в активной зоне синхронных генераторов с электромагнитным возбуждением в автономных электроэнергетических установках, Электричество, 2014, №5, стр. 12-17.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем основного текста диссертации — 154 страницы, включающих 60 рисунков, 14 таблиц. Список литературы состоит из 87 наименований.

На защиту выносятся.

1. Аналитическая методика расчета основных параметров синхронной машины обращенной конструкции с возбуждением от ПМ, учитывающая полюсность машины, размеры активной зоны, объем ПМ.

2. Аналитическая методика расчета синхронной машины обращенной конструкции с электромагнитным возбуждением, включая возбуждение на основе современных ВТСП проводов; учитывающая геометрию активной зоны, число пар полюсов и размеры ОВ.

3. Получено значение МДС обмотки возбуждения, эквивалентное значению МДС ПМ, которое может быть использовано при оценке целесообразности применения ОВ или ПМ в индукторе синхронной машины обращенной конструкции.

4. Сформулирован критерий, по которому можно проводить оценку целесообразности применения ВТСП проводов при проектировании ЭМП обращенной конструкции.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК В ОБЛАСТИ МНОГОПОЛЮСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ОБРАЩЕННОЙ

Настоящее время остро обозначило перед человечеством проблему энергетического обеспечения среды обитания. Влияние современных технологий на мировой климат, проблемы энергетических ресурсов, нарастающее загрязнение окружающей среды промышленными отходами и многие другие аспекты глобализации требуют от мирового сообщества системного подхода к решению вопросов крупного масштаба и в первую очередь улучшения энергетической эффективности и качества технологических процессов. [47]. Появление новых материалов, таких как сверхпроводники, позволяет увеличить удельную мощность до 4-6 кВт/кг для специальных электрических машин аэро-космической техники и открывает новые пути реализации таких перспективных разработок как полностью электрифицированного самолета. Темпы роста потребления электроэнергии определяют увеличение генерирующих мощностей. Однако, дальнейшее увеличение удельной мощности единичной электрогенерирующей установки зачастую невозможно с применением традиционных материалов и подходов к проектированию ЭМП. В таблице 1.1 приведены данные по суммарной выработке электроэнергии в России в период с 2000 по 2008 год [50]. Видно, что производство электроэнергии в 2008 году на 18% выше аналогичного показателя в 2000 году. Также видно, что основным источником наряду с атомными и теплоэлектростанциями являются гидроэлектростанции, часть из которых относится к малым гидроэлектростанциям. Таким образом, данная таблица свидетельствует о необходимости применения генерирующих установок различной мощности.

Таблица 1.1. Производство электроэнергии электростанциями в 2000-2008 гг.

Единицы 2000 2002 2003 2004 2005 2006 2007 200g измерения

ГЭС АЭС ГЭС+АЭС млрд кВт-ч 164.6 164,2 157.7 177.9 174.5 175.2 179,4 166,8

млрд. кВт-ч 130.8 141,6 150,4 144,7 149.4 156,4 159,9 163

млрд. кВт-ч 295,4 305,8 308,1 322,6 323,9 331,6 339,3 329,8

ТЭС млрд. кВт-ч 580,6 585,5 608.2 609,3 629,2 664.2 676,0 707,4

вся электроэнергия млрд. кВт-ч 876,0 891,3 916,3 931,9 953,1 995,8 1015,3 1037,2

к уровню предыдущего года % 103,6 100,0 102,8 101,7 102,3 104,5 102,0 102,2

% к 2000 г % 100.0 101.7 104,6 106.4 108,8 113.7 115,9 118,4

Электроэнергия млрд. кВт-ч 9Д 5,1 8,2 12,2 10,3 5,1 5,7 3,5

Электроэнергия млрд. кВт ч 22,8 18,1 21,6 19,2 22,6 20,9 18,5 20,9

Синхронные машины широко используются в промышленности. Основная область их применения — преобразование механической энергии в электрическую. Преобладающая часть энергии, используемой в народном хозяйстве и в бытовых целях, производится с помощью синхронных трехфазных турбогенераторов и гидрогенераторов.

В настоящее время существует большое количество типов синхронных электрических машин, отличающихся по конструктивному исполнению, типу возбуждения, применяемым материалам и т.д. (см. рисунок. 1.2). В условиях постоянно увеличивающихся потребностей человечества в электроэнергии на первое место выходят такие параметры электрических машин как удельная мощность единичного агрегата и надежность. В этой связи наибольшее распространение получили бесконтактные синхронные электрические машины как с возбуждением от ПМ, так и с электромагнитным возбуждением. Так же с развитием альтернативных источников энергии (ветроэнергетика, малая гидроэнергетика) возрос интерес к тихоходным многополюсным генераторам.

По области применения:

3. Синхронный двигатель

4. Синхронный компенсатор

Рисунок 1.2. Классификация синхронных электрических машин

Обращенные конструкции электрических машин в ряде случае позволяют увеличить момент, развиваемый единичным агрегатом. Так же обращенная конструкция электрической машины является наиболее предпочтительной для некоторых конструкций в силу технологических и конструктивных соображений. В данной главе рассматриваются основные области применения многополюсных синхронных ЭМП обращенной конструкции, а также рассматривается вопрос сравнения преимуществ электрических машин с возбуждением от ПМ и электромагнитным возбуждением.

1.1. Области применения многополюсных синхронных машин обращенной конструкции

Одной из областей применения многополюсных генераторов являются гидроэлектростанции (ГЭС). Так, частота вращения гидрогенераторов колеблется в пределах от 50 до 600 мин»1. Большие частоты вращения относятся к высоконапорным ГЭС с турбинами небольшой мощности, меньшие частоты — к низконапорным ГЭС с крупными турбинами. Особенности условий работы гидрогенератора накладывают отпечаток на конструкцию этих машин. Так как частота вращения мала, а число полюсов велико, ротор генератора выполняется с большим диаметром и сравнительно малой активной длиной. Обычно ротор имеет

По типу активных материалов:

2. Неявнополюсн ые

явнополюсное исполнение. Активные части у этой тихоходной машины занимают сравнительно малую долю общего объема (см. рисунок 1.3) [28].

Рисунок 1.3. Ротор и статор гидрогенератора

Помимо уже ставших традиционными ГЭС большой мощности сегодня работают и вводятся в эксплуатацию большое количество ГЭС небольшой мощности. В таблице 1.1 представлены некоторые примеры действующих малых ГЭС.

Таблица 1.2. Действующие малые ГЭС.

Производитель Страна размещения Мощность Год установки

Siemens Австрия 2*4МВт 2005

Греция 2*1,35 МВт, 1*1,25 МВт 2007

Чехия 2*1,4 МВт 2009

ИНСЭТ Россия 3*35кВт 2003

Россия 2*315 кВт 2007

Россия 2*160 кВт 2009

Белоруссия 2*130кВт 2007

Армения 2*1700 кВт 2009

Огромное количество энергии можно получить от морских волн. Под поверхностью океанов приливные силы являются практически неиссякаемым источником чистой энергии. По сравнению с ветром плотность энергии воды в 800 раз выше, поэтому генерация выполняется гораздо более эффективно. Кроме того, выход энергии океанской электростанции можно точно прогнозировать, что повышает надежность электроснабжения, поскольку приливные течения возникают под действием притяжения Луны и Солнца. Поэтому океанские электростанции можно устанавливать в любом месте, где приливы и отливы создают достаточно сильные течения [84, 60]

Подобная глобальная доступность данного ресурса приводит к тому, что его потенциал оценивается в 800 ТВт ч в год — этого объема электроэнергии хватит на снабжение чистой энергией 250 миллионов домохозяйств [84, 60].

В 2008 году начала работу первая в мире коммерческая приливная электростанция SeaGen (см. рисунок 1.4), расположенная у побережья Ирландии. Она производит 1,2 МВт электроэнергии. Этого достаточно для снабжения города, в котором проживают 1,5 тыс. семей, исключительно энергией приливов. Система разработана британской компанией Marine Current Turbines Ltd [78].

Рисунок 1.4. Приливная электростанция SeaGen

С технической точки зрения, станция SeaGen выглядит как подводная ветряная мельница. Она состоит из двух двойных роторов осевого потока, установленных на опоре. Каждый из двух синхронных генераторов обращенной конструкции весит 27 тонн, а диаметр ротора составляет 16 метров. Для снижения стоимости монтажа опора или траверса ставится на единое основание. Для использования энергии течений как при приливах, так и отливах лопасти на роторе способны поворачиваться на 180°. Это означает, что система производит электроэнергию на протяжении до 20 ч в сутки независимо от погодных условий и стоимости первичных энергоресурсов. При работе роторы размещаются на глубине не менее трех метров. Однако для безопасного и удобного обслуживания траверсу можно поднять на поверхность. Этот проект — только начало. Компания Siemens продолжает совместно с партнерами инвестировать средства в данную технологию. [84, 78].

Российская компания «ИНСЭТ» специализируется на создании экологически чистого оборудования для микро и малых гидроэлектростанций.

Данной компанией разработаны гидроэлектростанции МикроГЭС50Пр, ГА1, ГА8 и др. Уровень мощностей ГЭС, производимых компанией «ИНСЭТ» — от 5 кВт до 5 МВт; частота вращения вала генератора — от 200 об/мин. Оборудование «ИГСЭТ» установлено на различных ГЭС: МГЭС «Тельман» (мощность 100 кВт, Таджикистан), «Талин» (мощность 5 МВт, Армения), Амсарская МГЭС (мощность 500 кВт, РФ) и др [49]. Во всех перечисленных ГЭС используются синхронные генераторы обращенной конструкции.

Второй областью применения синхронных электрических машин обращенной конструкции является применение их в качестве привода гребных винтов морских судов. Низкие обороты этих машин обусловлены тем, что гребные винты могут работать только на небольших оборотах — до 300 об/мин. В настоящее время активно развивается направление сверхпроводниковых электродвигателей для морских судов. Применение сверхпроводников позволяет значительно увеличить удельную мощность единичного агрегата. В таблице 1.3. приведены характеристики разработанных за рубежом электрических машин различной мощности с использованием сверхпроводниковых технологий.

Таблица 1.3. Характеристики электродвигателей на основе сверхпроводниковых технологий

Организация Страна п а Тип изделия Мощность, МВД о || О з § — г Масса, т .о о4 -ч 2 и « 0 Р 1 £ 2 ~ ВТСП материал

АМБС США 2001 Электродвигатель 3.8 1800 6.8 ВБССО

Оь\\м1(1 Германия 2002 Моментиый электродвигатель 0,2 ВТСП массив

$¡¿1110115 Германия 2002 Генератор 0.4 1500 96.8 ВБССО

АМБС США 2003 Судовой электродвигатель 5 230 8 млн. иво ВБССО

Б^теп; Германия 2005 Гено-рэтор 3600 7 98.7 ВБССО

КЕЫ/Оооип Корея 2007 Электродвигатель 0,08 ВБССО

Зшпйото Е1ес-ик 1шЗи51пе$ Япония 2007 Судовой электродвигатель 0,365 250 4,4 ВЭССО

АМБС США 2007 Судовой электродвигатель 36,5 120

51е1ие1Б Германия 2008 Судовой электродвигатель •1 120 ВБССО

КЕМ/ Боокт Корея 2011 Электродвигатель 5 ВЙССО

Сопуепетп’ геиегру/ Е.ОК Германия 2009 Гидрогенератор 1,25 214 >98 3.44 млн. Е1Ж ВБССО

Сопгепепт/ гепещу/ Великобритания 2010 Ветрогенертор 8 12 ввссо

ОТи/Уе$Ш Даши 2010 Ветрогенертор Не решено

АШС/ТЕСО \Vesimghouse США 2012 Ветрогенертор 10 11 120 6.8 млн. иэо Не решено

В Японии альянс из нескольких крупных промышленных компаний также достиг больших успехов в области создания гребных ВТСП двигателей. В настоящее время там проходит испытания система из двух винтов, вращающихся в противоположном направлении (рисунок 1.5) Приводом для них служат два ВТСП двигателя мощностью 50 и 400 кВт., один из которых имеет обращенную конструкцию. Следует отметить, что обе эти машины являются низкооборотными (200 мин»1) и предназначены для установки вместе с системой криообеспечения в специальную гондолу за кормой судна. [63] Такая компоновка позволяет значительно улучшить маневренность корабля, особенно с большим водоизмещением. Еще одним достижением японских инженеров является создание первого в мире полностью сверхпроводникового (с ВТСП обмоткой как на статоре, так и на роторе) электродвигателя [57].

Рисунок 1.5. Размещение приводного двигателя в поворотной гондоле под

Рисунок 1.6. а — ВТСП мотор мощностью 400 кВт для морских судов (Япония); б

— внешний вид ВСТГТ электродвигателя

Тихоходные электрические машины обращенной конструкции также используются в судоподъемниках различной конструкции. Судоподъёмник представляет собой комплекс механизмов, позволяющий осуществлять подъём и спуск судов с одного уровня водного пути на другой, например, для пропуска судов через плотины гидроэлектростанций. Низкая скорость перемещения судов

на судоподъемниках обуславливает низкую частоту вращения приводного двигателя.

Синхронные машины обращенной конструкции находят применение в различных устройствах. Во многих случаях они позволяют решать задачи, для решения которых машины обычной конструкции не могут быть применены. Так, магнитоэлектрический синхронный генератор обращенной конструкции, описанный в [32], применяется в системах генерирования ГТСПЧ (переменная скорость — постоянная частота) или в вентильных генераторах постоянного тока с приводом от турбины, частота вращения которой непостоянна, например, авиационной турбины. Продольный разрез такой машины представлен на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7. Продольный разрез синхронной машины обращенной конструкции с

Мотор-генератор обращенной конструкции используется в кинетическом накопителе энергии (КНЭ) мощностью 0,5 МДж., разработанном на каф. 310 МАИ. Продольный разрез данного КНЭ показан на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8. КНЭ 0,5 МДж, разработанный в МАИ. 1- корпус, 2 — сердечник статора, 3 — обмотка, 4 — полюса ротора, 5 — маховик, 6 — постоянные магниты, 7 -проставки, 8 — кольцевой блочный массив, 9 — криостат, 10 — опора, 11 — штуцер для подачи жидкого азота, 12 — штуцер для отвода жидкого азота

Кинетический накопитель энергии содержит корпус 1, в котором размещен мотор-генератор, включающий сердечник статора 2 мотор-генератора, который может быть выполнен либо ферромагнитным, либо безжелезным, имеющий пазы, распределенные по его наружной поверхности, в которых размещена многофазная многополюсная обмотка 3, маховик 5 в форме дискообразного ненасыщенного ферромагнитопровода, с осевым отверстием с закрепленными на его внутренней поверхности полюсами ротора 4 мотор-генератора из редкоземельных (РЗМ) ПМ, магнитный аксиальный ВТСП подвес, содержащий расположенные на нижней поверхности маховика постоянные магниты 6, разделенные проставками из немагнитного материала 7 (дюраль, пластик и др.), и кольцевой блочный массив 8 из ВТСП УВСО керамики, размещенной в неподвижном криостате 9 и работающей в криогенной среде при температуре жидкого азот. Для удержания маховика 5 при активации магнитного ВТСП подвеса при захолаживании ВТСП керамики и в случае расхолаживания магнитного ВТСП подвеса на валу в

подшипниках размещена чашеобразной формы опора 10 с конусообразной торцевой поверхностью, позволяющая центрировать маховик 5. В нижней части криостата выполнены отверстия для заполнения его внутренней полости с ВТСП керамикой жидким азотом 11 и отвода газообразного азота 12 [36, 53].

Внешний вид статора мотор-генератора КНЭ показан на рисунках 1.9-1.10 .

Рисунок 1.9. а — пакет статора мотор-генератора, б -статор обмотанный

Рисунок 1.10. а — внешний вид статора мотор-генератора КНЭ; б — внешний вид

ротора мотор-генератора КНЭ

Другим применением синхронного двигателя обращенной конструкции является электродвигатель бесконтактный постоянного тока ДБУ-100 (рисунок 1.11). Датчиком положения ротора является датчик Холла.

Двигатель отличается высокой надежностью, длительным безрегламентным сроком службы (более 20000 часов), низким уровнем шума (менее 50 дБ), экологической чистотой (нет щёточной пыли и других продуктов износа). Он разработан для привода медицинской функциональной трёхсекционной кровати КФ-2 производства ОАО «Биомашприбор», г. Йошкар-Ола. Проводятся работы по его применению в приводах другой медтехники [67].

Похожие диссертационные работы по специальности «Электромеханика и электрические аппараты», 05.09.01 шифр ВАК

Разработка и исследование модификаций магнитоэлектрических синхронных машин 2005 год, кандидат технических наук Вандюк, Наталия Юрьевна

Синхронные электрические двигатели на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников и постоянных магнитов 2008 год, кандидат технических наук Дежин, Дмитрий Сергеевич

Криогенная электрическая машина без ферромагнитопровода с обмотками на основе высокотемпературных сверхпроводниковых материалов 2022 год, кандидат наук Дежина Ирина Николаевна

Высокоиспользованные электрические машины для современной энергетики: проблемы создания и исследований 2013 год, доктор технических наук Кручинина, Ирина Юрьевна

Исследование многополюсных синхронных магнитоэлектрических генераторов с дробными зубцовыми обмотками 2012 год, кандидат технических наук Честюнина, Татьяна Викторовна

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Иванов, Николай Сергеевич, 2014 год

1. Алиевский Б.Л. Специальные электрические машины. Книга 1. -М.: Энергоатомиздат, 1993 — 320 с.

2. Арбузов Ю.В., Делекторский Б.А. Гиродвигатели. — М.: Машиностроение, 1983 — 176 с.

3. Аскерко B.C., Бобов К.С. Винокуров В.А. Авиационные электрические машины. — М.: Типография ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1959 — 532 с.

4. Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока. — М.: Высшая школа, 1982.

5. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф., Ларионов А.Н. Электрические машины с постоянными магнитами. — М.: Энергия, 1964 — 480 с.

6. Бертинов А.И. Авиационные электрические генераторы. — М.: Оборонгиз, 1959 — 594 с.

7. Бертинов А.И. Специальные электрические машины. — М.: Энергоатомиздат, 1982 — 552 с.

8. Бинс К., Лауренсон П. Анализ и расчет электрических и магнитных полей. -М.: Энергия, 1970. — 375с.

9. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов // -М.: Наука, 1981.

10. Бут Д.А. Основы электромеханики. — М.: Издательство МАИ, 1996-467 с.

11. Бут Д. А., Богданович Е.Г. Электромеханические преобразователи энергии для энергетических установок ЛА: методические указания к курсовому проектированию. — М.: Издательство МАИ, 1989 — 60 с.

12. Бухгольц Г. Расчет электрических и магнитных полей. — М.: Из-во иностранной литературы, 1961-712.

13. Вольдек А.И. Электрические машины. — М.: Энергия, 1966 -782с.

14. Г.А. Сломянский, А.В. Агапов, Е.М. Родионов, С.И. Румянцев, А.Д. Тимофеева. Детали и узлы гироскопических приборов. Атлас консрукций. — М. Машиностроение, 1975 — 364 с.

15. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля. — М.: Энергия, 1968-488 с.

16. Гольдберг О.Д., Турин Я.С., Свириденко И.С. Проектирование электрических машин. -М.: Высшая Школа, 1984.

17. Григорьев И.С., Мейлихов Е.З. Физические величины. Справочник. -М.: Энергоатомиздат, 1991 — 1232 с.

18. Дежин Д.С., Ильясов Р.И. Электромеханика для начинающих: просто о сложном. — М.: Буки Веди, 2011 — 240 с.

19. Дежин Д.С., Кавун Ю.Ю., Ковалев JI.K. Синхронные электродвигатели с радиально тангенциальными магнитами // Электричество. — 2007. — №11. — С. 16-23.

20. Делекторский Б.А., Мастяев Н.З., Орлов И.Н. Проектирование Гироскопических электродвигателей. — М.: Машиностроение, 1968 -252 с.

21. Домбровский В.В. Справочное пособие по расчету электромагнитного поля в электрических машинах. — JI.: Энергоатомиздат, 1983 -256 с.

22. Жерве Г.К. Обмотки электрических машин. — Д.: Энергоатомиздат, 1989 — 400 с.

23. Зечихин Б.С. Автоматизированный расчет авиационного синхронного генератора. — М.: Из-во МАИ, 1989 — 64 с.

24. Зечихин Б.С., Чварков Э.А. Автоматизированный расчет Синхронного генератора с постоянными магнитами. — М.: Издательство МАИ, 1991 -47с

25. Зимин В.И., Каплан М.Я., Палей A.M. Обмотки электрических машин -М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961 -476 с.

26. Зоммерфельд А. Электродинамика. — М.: Иностранная литература, 1958.

27. Иванов Н. С., Тулинова Е. Е. Синхронные генераторы обращенной конструкции с постоянными магнитами для ветроэнергетических установок и малой гидроэнергетики // Труды МАИ-2013-№68;

28. Иванов-Смоленский A.B. Электрические машины. — М.: Энергия, 1980-928 с.

29. Иванов-Смоленский A.B. Электромагнитные силы и преобразование энергии в электрических машинах. — М.: Высшая школа, 1989.

30. Казаков Ю.Б., Тихонов А.И. Программирование численного эксперимента с использованием конечно-элементной модели магнитного поля в объектах электромеханики. — Иваново, 2008 — 80 с.

31. Казовский Е.Я., Карцев В.П., Шахтарин В.Н. Сверхпроводящие магнитные системы. — Л.: Наука, 1967 — 323 с.

32. Калугин В.Н. Магнитоэлектрический синхронный генератор обращенной конструкции. Патент №907713.

33. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. — М.: Наука, 1973. — 576с.

34. Кацман М.М. Электрические машины. — М.: Высшая школа, 2001 -463 с.

35. Ковалев Л.К., Ковалев К.Л, Тулинова Е.Е., Иванов Н.С. Методика расчета распределения магнитного поля в активной зоне синхронных генераторов с электромагнитным возбуждением в автономных электроэнергетических установках // Электричество — 2014 — №5 — стр. 12-17.

36. Ковалев Л.К., Ковалев К.Л., Дежин Д.С., Полтавец В. Н., Вержбицкий Л.Г. Кинетический накопитель энергии с ВТСП-магнитным подвесом // News Кабель — №2 — март-апрель 2011.

37. Ковалев Л.К., Ковалев К.Л., Конеев С.М.-А., Пенкин В.Т., Полтавец В.Н., Ильясов Р.И., Дежин Д.С. Электрические машины и устройства на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников. — М.: Физматлит, 2010 — 396 с.

38. Ковалев Л.К., Ковалев К.Л., Конеев С.М-А., Пенкин В.Т., Полтавец В.Н. Электротехнические преобразователи на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников. — М.: Изадательство МАИ, 2008 — 440 с.

39. Ковалев Л.К., Ковалев К.Л., Тулинова Е.Е., Иванов Н.С. Многополюсные синхронные генераторы с постоянными магнитами для ветроэнергетических установок // Электричество — 2013 — №8 — стр. 2-8.

40. Коген-Далин В.В., Комаров Е.В. Расчет и испытание систем с постоянными магнитами. — М.: Энергия, 1977 — 247 с.

41. Комисар М.И. Электрические машины гироскопических систем. — М.: Оборонгиз, 1963 — 288 с.

42. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. — М.: Высш. шк., 1987 — 248 с.

43. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. — М.: Энергия, 1980-496 с.

44. Кузнецов В.А. Моделирование магнитных полей и процессов в электромеханических преобразователях. Труды МЭИ. 1993. Вып. 665.

45. Куприянов, А. Д. Автоматизированное проектирование электромеханических преобразователей с возбуждением от редкоземельных постоянных магнитов: дис. . канд. техн. наук: 05.09.01 / Куприянов Андрей Дмитриевич. — М., 2004. — 131 с

46. Курбатов П.А., Аринчин С.А. Численный расчет электромагнитных полей. -М.: Энергоатомиздат, 1984 — 168 с.

47. Левин A.B., Мусин С.М., Харитонов С.А., Ковалев К.Л., Герасин A.A., Халютин С.П. Электрический самолет: концепция и технологии -Уфа: УГАТУ, 2014 — 388 с.

48. Лютер P.A. Расчет синхронных машин. — Л.: Энергия. 1979 — 272 с.

49. Межотраслевое научно-техническое объединение «ИНСЭТ» [Электронный ресурс]. — http://www.inset.ru/

50. Министерство энергетики Российской федерации [Электронный ресурс]. — http://minenergo.gov.ru/

51. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов. Elcut. Руководство пользователя. [Электронный ресурс]. -http://elcut.ru/free doc r.htm.

52. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники.-Л.: Энергоиздат, 1981.-Т. 1-2.

53. Полтавец В.Н., Ковалев Л.К., Ковалев К.Л., Егошкина Л.А., Колчанова И.П. Патент №. 133986 от 27 октября 2013г. (Заявка № 2013116214 от 09 апреля 2013г.).

54. Производственный кооператив «ТОР» [Электронный ресурс]. -http://www.elcut.ru/.

55. Российская ассоциация ветроиндустрии [Электронный ресурс]. -www.rawi.ru

56. Роуз-Инс А., Родерик Е. Введение в физику сверхпроводимости. -М.: Мир, 1972.

57. Сверхпроводники для электроэнергетики // Информационный бюллетень. [Электронный ресурс] — http://perst.isssph.kiae.ru/supercond

58. Сергеев П.С. Проектирование электрических машин. — М.: Энергия, 1969-632 с.

59. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. -М.: Из-во Наука, 1972 — 735 с.

60. Удалов С.Н. Возобновляемые источники энергии. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2008. — 432 с.

61. Шимони К. Теоретическая электротехника. — М.: Мир, 1964. -760с.

62. Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников. — М.: МДННО, 2000.

63. Щербаков В.И. ВТСП моторы и генераторы для нужд флота // Инф. бюллетень «Сверхпроводники для электроэнергетики» — 2007. -Т.4. -Вып.З.

64. Электровентиляторы 1,1 ЭВ-1,4-3-1270. Промышленно-производственная группа «Иолла». Каталог продукции [Электронный ресурс]. http://www.iolla.info/products/maloshumnye/164/

65. Электрогенератор для ветроэнергетических установок прямого привода с постоянными магнитами [Электронный ресурс] -http://www.elektromehanicka.narod.ru/HTMLs/3_l.htm

66. Электрогенераторы ВИНДЭК для ветряков и микро ГЭС [Электронный ресурс]. — http://rosinmn.ru/elektro/alternator_windec.htm

67. Электродвигатель бесконтактный постоянного тока ДБУ-100. Отраслевые каталоги [Электронный ресурс]. -http://www.avtomash.ru/katalog/pred/electro/miela/dbulOO.htm

68. Электродвигатель бесконтактный управляемый постоянного тока ДБУ 260. Отраслевые каталоги [Электронный ресурс]. -http://www.avtomash.ru/katalog/pred/electro/miela/dbu260.htm

69. American Superconductor. [Электронный ресурс]. — amsc.com

70. Charles Р Pools, Horacio A. Farach, Richard J. Creswick. Superconductivity. — Academy Press. 1995 — 620 p.

71. Creating Magic NdFeB. Catalogue. ZHmag, 2012

72. D Dezhin, R Ilyasov, S Kozub, К Kovalevl, L Verzhbitsky. Synchronous motor with HTS-2G wires. 11th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS2013) IOP Publishing Journal of Physics: Conference Series 507 (2014) 032011 doi: 10.1088/17426596/507/3/032011

73. Enercon. Wind turbines [Электронный ресурс]. -http://www.enercon.de/en-en/Windenergieanlagen.htm

74. European Wind Energy Association [Электронный ресурс]. -http://www.ewea.org/

75. Freyhardt H. Coated conductors // EUCAS — 2001, Copenhagen. 26 -30 August 2001

76. Goldwind 1.5 MW permanent magnet direct-drive platform [Электронный ресурс]. — http://www.goldwindamerica.com/technologv-capabilities/l-5-mw-pmdd/

77. К Kovalev, L Kovalev, V Poltavets, S Samsonovich, R Ilyasov, A Levin, M Surin. Synchronous Generator with HTS-2G field coils for Windmills with output power 1 MW. 11th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS2013) IOP Publishing Journal of Physics: Conference Series 507 (2014) 032023 doi: 10.1088/1742-6596/507/3/032023

78. Marine Current Turbines [Электронный ресурс]. -http://www.marineturbines.com/

79. Masson P.J. HTS Machines As Enabling Technology [Text] // P.J.Masson, G.V. Brawn, D.S. Soban, C.A. Luango / for All-Electric Airboth Vechiles NASA Glenn Research Center. 26.04.2007.

80. Moon Fr. Superconductivity Levitation. — Cornel University, 1996.

81. Murakami M. Recent development of bulk high temperature in Japan. — 3rd Intern. Workshop on Processing and Application of Superconducting (Re)BCO Large Grain Materials. 11-13 July. Seatle, USA.

82. Siemens SWT-2.3-113-product brochure [Электронный ресурс ]. -http://www.energv.siemens.com/hq/pool/hq/power-

83. Siemens. 6MW_directdrive_offshore_wind_turbine [Электронный ресурс]. —

https://www.swe.siemens.com/spain/web/es/energy/energias_renovables/eoli ca/Documents/6MW_direct drive offshore wind_turbine.pdf

85. Smag. Magnet Grade and Properties. Catalogue.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.

• Разработка синхронных электрических машин с композитными и объемными сверхпроводниками в роторе
• Новые типы синхронных ВТСП электрических машин с радиально-тангенциальными постоянными магнитами
• Многополюсные синхронные электрические машины для летательных аппаратов
• Электромеханические преобразователи энергии с модулированным магнитным потоком
• Сверхпроводниковый синхронный генератор с когтеобразными полюсами и постоянными магнитами для транспортных систем
• Разработка и исследование модификаций магнитоэлектрических синхронных машин
• Синхронные электрические двигатели на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников и постоянных магнитов
• Криогенная электрическая машина без ферромагнитопровода с обмотками на основе высокотемпературных сверхпроводниковых материалов
• Высокоиспользованные электрические машины для современной энергетики: проблемы создания и исследований
• Исследование многополюсных синхронных магнитоэлектрических генераторов с дробными зубцовыми обмотками

Digital Science & Education LP (Company number LP022131), 85 Great Portland Street, First Floor, London, United Kingdom, W1W 7LT