Нетрадиционные электромеханические преобразователи комплексного использования возобновляемых источников энергии.

Гайтов Борис Хамидович,

заслуженный деятель науки и техника РФ, доктор технических наук, профессор, академик РАЭН,

Шарифуллин Сергей Равильевич,

кандидат технических наук, доцент,

Савельев Игорь Васильевич,

адъюнкт,

Краснодарское Высшее Военное Училище

(военный институт).

Достигнутый материальный и научно-технический уровень развития общества всегда обеспечивал возможность соответствующего увеличения энергетических мощностей, но одновременно порождал новые проблемы технического, экономического, экологического и социального характера. В этом смысле ориентация на расширенное использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) имеет объективные основания, так как существенно снижает остроту этих проблем и обусловлена всем ходом материально-технического развитии общества.

Наиболее рациональным решением этого сложного социально-экономического вопроса является освоение одновременно нескольких ВИЭ с целью заметно снизить себестоимость электроэнергии производимой в системе нетрадиционной энергетики. Однако здесь имеется ряд препятствий, главное из которых – отсутствие энергоустановок, комбинирующих несколько ВИЭ с целью суммирования их энергии [1].

Существенная неравномерность поступления ВИЭ, полная невозможность их детерминирования и воздействия на их естественные природные характеристики остро ставят вопрос обеспечения независимости выходных параметров электромеханических преобразователей (например, величины и частоты выходного напряжения в генераторном режиме) от входных параметров (частоты вращения и момента на валу).

Отсюда вытекает основное требование к нетрадиционным электромеханическим преобразователям энергии (ЭМПЭ). Он должен обеспечить удовлетворительный уровень колебания (не более ±10%) выходных параметров (величины и частоты напряжения – в генераторном режиме работы; момента и угловой скорости вращения – в двигательном режиме) при постоянных, резких и многократных по величине колебаниях входных параметров. Это требование принципиально отличает традиционные и нетрадиционные ЭМПЭ и является основой для создания рациональной конструкции нетрадиционных ЭМПЭ.

Этим условиям в значительной степени удовлетворяет двухмерная электрическая машина (ДЭМ) [2], как одна из первых немногих разработок в области нетрадиционной электромеханики. ДЭМ способна одновременно преобразовывать энергию от двух совершенно независимых ВИЭ и обеспечить непрерывность протекания переходного процесса в машине. ДЭМ была разработана под руководством заведующего кафедрой электротехники КубГТУ профессора Гайтова Б.Х. [3]. В настоящий момент ДЭМ награждена золотой медалью и оценена как объект промышленной собственности на сумму в 12.5 млн. руб. на Х международном салоне промышленной собственности «Архимед-2007».

Потребляя одновременно энергию Солнца (предварительно преобразованную в электрическую с помощью фотоэлектрического преобразователя) и механическую энергию, например ветра, на выходе ДЭМ снимается суммарная энергия в виде механической (режим двигателя) или электрической (режим генератора ДЭМ-Г), в зависимости от режима работы машины.

Таким образом ДЭМ-Г может вырабатывать электроэнергию в течении года, потребляя электричество от накопителя энергии лишь ночью, или от накопителя механической энергии в моменты отсутствия или сильного ослабления ветра. Исходя из своеобразной «механико-электрической» сети, разработана конструкция ДЭМ-Г, сочетает в себе комбинацию элементов электрической машины (ЭМ) переменного и постоянного тока.

Компактные ДЭМ при достаточно простой технологии изготовления получаются при выполнении ротора и якоря цилиндрическими, причем якорь у таких машин имеет стандартное исполнение. Это достаточно справедливо для ДЭМ работающих в двигательном режиме работы. ДЭМ-Г отличается конструктивно оригинальным выполнением и ротора и якоря.

На рис. 1 изображен общий вид (в разрезе) предлагаемой ДЭМ-Г. ДЭМ-Г размещается на двух опорах 1 в подшипниках 2, обеспечивающих одновременное вращение якоря и ротора машины. Она содержит якорь 3 машины постоянного тока общепринятой конструкции с обмоткой 4, уложенной в пазах якоря, коллектор 5 с щетками 6, к которым подключены провода 7. Также в пазах якоря уложена трехфазная генераторная обмотка переменного тока 11, соединённая с кольцами 13. Щетки 12 посредством проводов 14 связывают обмотку 11 с сетью переменного тока, с целью передачи выработанной электроэнергии потребителям. В корпус 10 впрессован шихтованный магнитопровод ротора 8, в пазах которого уложена короткозамкнутая обмотка 9 по типу роторных обмоток асинхронных двигателей.

Рис. 1.

Двухмерная электрическая машина – генератор.

Работа ДЭМ основана на электромагнитном взаимодействии магнитного поля якоря Ф_a (Рис. 2) и индуктированного им в обмотке ротора переменного тока при вращении последнего [4]. Если ротор 4 с магнитопроводом 5 привести в движение (например, от вала ветроагрегата), то в короткозамкнутой обмотке 6, индуктируется ЭДС самоиндукции за счет электромагнитного взаимодействия с потоком Ф_a. Эта ЭДС, в свою очередь, создает ток в обмотке ротора создающий свое вращающееся магнитное поле Ф_р. Взаимодействие этих двух полей создает результирующее магнитное поле Ф_δ=Ф_a+Ф_р и результирующий электромагнитный момент М_эa. Якорь 1 приходит во вращение в том же направлении что и ротор, но с угловой скорость n_a большей, чем угловая скорость n_r вращения ротора 4, а в трехфазной генераторной обмотке якоря 11 (рис. 1) возникает переменный электрический ток, который через контактные кольца 13, щетки 12 и провода 14 подается к потребителю.

Рис. 2.

Двухмерная электрическая машина – генератор в поперечном разрезе.

Частота вращения якоря машины постоянного тока определяется зависимостью

,                                                                                                     (1)

где n_а – скорость вращения якоря, U_a – подводимое к якорю напряжение, R_a и I_a – активное сопротивление и ток в обмотке якоря соответственно, с_е – постоянный коэффициент, Ф_р – поток машины.

Из 1 видно, что изменение напряжения U_a приводит к соответствующему изменению частоты вращения якоря, т.е. при повышении напряжения U_a частота вращения растет, и, наоборот, при уменьшении - падает.

Поэтому для стабилизации выходной частоты вращения ДЭМ-Г (а следовательно и частоты выходного напряжения) при всевозможных изменениях механической энергии, необходимо изменять уровень подаваемого напряжения на вход ДЭМ пропорционально этим изменениям. Это можно добиться путем создания гибкой системы управления ДЭМ-Г.

Данная конструкция ДЭМ-Г может быть с успехом использована в САЭ небольших бытовых или промышленных объектов в труднодоступной местности, где установленные мощности потребителей малы и создавать протяженные электрические сети для снабжения этих потребителей дорого и нерационально.

Блок управления может быть полностью автоматизирован, что является ещё одним преимуществом её применения, так как постоянно держать квалифицированный обслуживающий персонал на мелких объектах представляется нерациональным со всех точек зрения.

Развитие теории и практики традиционной электромеханики с широким использованием вычислительных машин для решения расчетных, оптимизационных и других задач изменяет и одновременно упрощает подход к разработке рациональных ЭМПЭ для нетрадиционной энергетики.

ДЭМ аксиальной конструкции имеют ряд преимуществ перед цилиндрическими. Основными преимуществами можно считать безотходную и более простую технологию изготовления технологию их изготовления, меньшие удельные затраты активных материалов. Применительно к ДЭМ-Г у аксиальной конструкции существует ещё один большой плюс – это больший чем у машин цилиндрической конструкции момент инерции ротора и якоря. Так как ДЭМ-Г в силу своей специфики работает нормально в режиме постоянного переходного процесса для обеспечения стабилизации параметров выходного напряжения желательно, чтобы время переходного процесса было максимальным (в отличие от ЭМПЭ традиционной электромеханики). В таком случае система управления ДЭМ-Г успеет сориентироваться и внести нужные корректировки без серьёзных негативных последствий переходного процесса (перенапряжения, максимальные ударные токи и т.д.). При аксиальном исполнении ДЭМ-Г обеспечивается больший момент инерции ротора и якоря при минимальных затратах активных материалов, что обеспечивает “растягивание” переходного процесса. Таким образом, аксиальный ротор, с его большим моментом инерции, работает как инерционный стабилизатор скорости вращения, или скорее как накопитель механической энергии, обеспечивая меньшую чувствительность ДЭМ-Г к резким и кратковременным изменениям внешних воздействий, например порывам ветра. Всё вышесказанное делает ДЭМ-Г аксиальной конструкции предпочтительнее перед цилиндрическими ДЭМ-Г.

Двухмерная электрическая машина – генератор аксиальной конструкции (ДЭМА-Г) представлена на рис. 3.

Двухмерная аксиальная электрическая машина-генератор содержит якорь 1 аксиальной конструкции с обмоткой 2, уложенной в пазах, и щеточно-коллекторным аппаратом машины постоянного тока, и генераторной обмоткой переменного тока 9, также уложенной в пазах якоря, коллектор 3 с щетками 4, к которым подключены провода 5. Шихтованный аксиальный магнитопровод ротора 10, в пазах которого уложена обмотка 18 по типу роторных обмоток аксиальных асинхронных двигателей с фазным ротором.

Обмотка 9 подключена к кольцам 6, изолированным от корпуса диэлектрическими прокладками 8, а щетки 7 связаны с сетью потребителей трехфазного тока.

Подшипниковые щиты 14 с подшипниками 15 и валом 16 обеспечивают аксиальное расположение якоря 1 и ротора 10 и возможность их одновременного вращения. Вал 17, непосредственно связанный с ротором, обеспечивает возможность подвода механической энергии к ротору извне. Обмотка ротора 18 соединена с кольцами 12, изолированным от корпуса диэлектрическими прокладками 11, а щетки 13 связаны трехфазным двухполупериодным тиристорным регулятором системы управления.

Рис. 3.

Двухмерная электрическая машина – генератор аксиальной конструкции.

Литература.

1. Дьяков А.Ф. Состояние и перспективы развития нетрадиционной энергетики в России. «Энергетика» Известия Академии наук № 4 2002 г. Статья

2. Пат. 2091967 Российская Федерация, Двухвходовая электрическая машина / Гайтов Б.Х., Красавин В.В., Гайтова Т.Б.; заявитель и патентообладатель Кубанский государственный технологический институт. – БИ № 27 1997 г.

3. Гайтова Т.Б. Электромеханические преобразователи и системы для нетрадиционной энергетики. Дисс. На соискание научной степени кандидата техн. Наук – Краснодар 1997

4. Шарифуллин С.Р., Гайтова Т.Б., Ариди Ф.М., Самородов А.Н. Расчет потерь в электрической машине для систем автономного электропитания. Деп. в ВИНИТИ, № 908-В98. М.: 1998. 12 с.

Поступила в редакцию 11 сентября 2007 г.