CC BY
45КОМПЛЕКСНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
УСТАНОВКИ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ
INTEGRATED MODELING OF VERTICAL-AXIS
WIND TURBINES
Статья поступила в редакцию 23.10.14. Ред. per. № 2126 The article has entered in publishing office 23.10.14. Ed. reg. No. 2126
УДК 621.313.84
АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ПОМОЩЬЮ
ANSYS MAXWELL
1 2 A.C. Мартьянов , Н.И. Неустроев
Южно-Уральский государственный университет РФ 454080, Челябинск, пр. Ленина,76 тел./факс: (351) 267-98-94; 'e-mail: martyanov_as@mail.ru 2e-mail: neustroev.nikolai@mail.ru
doi: 10.15518/isjaee.2014.19.005
Заключение совета рецензентов: 29.10.14 Заключение совета экспертов: 05.11.14 Принято к публикации: 12.11.14
С развитием средств компьютерного моделирования и численных методов решения сложных аналитических задач у разработчика появляется все больше инструментов, пригодных для применения в повседневной практике. При этом часто довольно трудно определить наиболее эффективный путь решения поставленной задачи по причине недостаточной информации о возможностях того или иного программного пакета. Предлагаемая статья (предназначена про) описывает возможности программного комплекса ANSYS Maxwell в качестве инструмента для анализа вентильных электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов применительно к задаче проектирования электрического генератора для газотурбинной установки. Показано, что на рынке существует программный продукт, удовлетворяющий самым серьезным требованиям разработчика и исследователя, продемонстрированы различные возможности программного комплекса для определения и исследования характеристик вентильных электрических машин. Приведены результаты сравнения расчетов, выполненных с помощью программного комплекса и традиционных методик расчета по схемам замещения, демонстрирующие качество расчета описываемого программного комплекса, что подтверждает пригодность его для применения не только при проектировании электрических машин, но и при исследовании электромагнитных процессов в различных электромеханических устройствах.
Ключевые слова: ANSYS Maxwell, вентильная электрическая машина, анализ характеристик электрических машин, расчет вентильных электрических машин.
ANALYSIS OF ELECTROMECHANICAL SYSTEMS USING ANSYS MAXWELL
1 2 A.S. Martyanov , N.I. Neustroyev
South Ural State University, 76 Lenina Av., Chelyabinsk, 454080 Russian Federation ph.: +7 (351) 267-98-94; 'e-mail: martyanov_as@mail.ru 2e-mail: neustroev.nikolai@mail.ru Referred 29 October 2014 Received in revised from 5 November 2014 Accepted 12 November 2014
Progress in the development of technique and methodology of mathematical modelling and numeric computation stimulates a rise of different scientific and engineering software. Meanwhile making a choice of proper software becomes more difficult because of wide possibilities supplied with the different software. This article describes ANSYS Maxwell software, which can be used to analyze different electromechanical systems including permanent magnet synchronous motors and generators which can be used in turbine engine power stations. This software calculates electromagnetic fields using finite element analysis that provides high-precision results. Presented a brief review of major software possibilities used to estimate performance and efficiency of electric generator for high-speed application. All
characteristics of examined machine were verified by calculation carried out according to well-known handmade calculation technique that allows recommending ANSYS Maxwell for researchers and engineers interested in having the modern and comfortable tool for electromagnetic calculations.
Keywords: ANSYS Maxwell, brushless DC motor, permanent magnet synchronous motor, finite element analysis, electromagnetic field calculation.
Мартьянов Андрей
Сергеевич Martyanov Andrey Sergeevich
Сведения об авторе: инженер кафедры электротехники и возобновляемых источников энергии Южно-Уральского государственного университета.
Образование: Южно-Уральский государственный университет, приборостроительный факультет в 1997 г. по специальности «Конструирование и производство радиоэлектронных средств».
Область научных интересов: возобновляемая энергетика, ветроэнергетические установки, системы генерации, преобразования и использования электрической энергии.
Публикации: более 20.
Information about the author: engineer of department of electricity and renewable energy at South Ural State University; involved in research and design of electric and electronic devices for small electric power stations.
Education: South Ural State University in 1997, Electronic Engineering faculty, department of Designing and Technology of Electronic Devices.
Area of researches: renewable energy, power electric and electronic, generation, distribution and utilization of electric power.
Publications: more than 20.
- С -'м1
Неустроев Николай
Игоревич Neustroyev Nikolay Igorevich
Сведения об авторе: студент ЮжноУральского государственного университета по специальности «Электромеханика и электромеханические системы» Образование: высшее.
Область научных интересов: электрические машины и др. электромеханические системы.
Information about the author: student of department of electric machines and electromechanical systems at South Ural State University.
Education: high school.
Area of researches: electric machines and other electromechanical systems.
с о
Введение
На сегодняшний день в условиях рынка остро стоят вопросы экономичности и скорости обработки вариантов решений в электромеханической промышленности, то есть требуется быстро и с минимальными затратами анализировать различные электромеханические системы [1]. При этом расчёт ручным способом по известным методикам [2,3] трудоемок и требует много времени. Целью данной статьи является знакомство читателя с современными способами анализа электромеханических систем на примере программного пакета для электромагнитных расчетов ANSYS Maxwell [4].
Типичным применением этого программного пакета может быть автоматизированный расчет электрических машин с заданными характеристиками [5], например, расчет электрического генератора для газотурбинной установки [6,7]. Изначально на рассмотрение было предложено 3 варианта электрических машин: асинхронный генератор и два вентильных генератора с постоянными магнитами, с радиальным магнитным потоком и аксиальным магнит-
ным потоком. По условиям прочности и по причине больших потерь в роторе был исключён асинхронный генератор [8,9]. Электрическая машина с аксиальным зазором [10] была также оставлена в качестве запасного варианта ввиду большой трудоёмкости, уникальности, трудности балансировки и, как следствие, дороговизны, однако, следует отметить, что при принятии соответствующих технических решений аксиальная машина конкурентоспособна. В качестве основного варианта благодаря высокой технологичности, простоте конструкции, отработанной методике производства, отсутствию необходимости токоподвода к вращающимся частям машины, несущественному воздействию реакции якоря [11,12] была выбрана радиальная машина.
Таким образом, была поставлена задача расчётного проектирования вентильного генератора с постоянными магнитами. Для исследования возможности ускорения расчета при одновременном повышении точности вычислений и, соответственно, повышения качества проектирования, использовалось современное программное обеспечение - в данном случае программный пакет ANSYS Maxwell [4].
-О
N
Описание возможностей ANSYS Maxwell для анализа вентильных электрических машин
Этот набор программ предназначен для моделирования электромагнитных полей при проектировании и исследовании моделей двигателей, датчиков, трансформаторов и других электрических и электромеханических устройств различного применения. ANSYS Maxwell построен на основных уравнениях Максвелла и для расчетов использует метод конечных элементов Finite Element Method (FEM), что позволяет рассчитывать электромагнитные и электрические поля, а также переходные процессы в полевых задачах.
В пакете программ имеется большая библиотека шаблонов известных электрических машин. В этих шаблонах достаточно ввести основные геометриче-
ские размеры, материалы, предполагаемые к использованию, и по этим исходным данным выполнить расчет характеристик исследуемой электрической машины. Есть возможность расчета и анализа на трёх различных уровнях:
- ускоренный анализ по схемам замещения;
- расчет методом конечных элементов в двумерной постановке задачи;
- расчет методом конечных элементов в трехмерной постановке задачи.
На последних двух уровнях существует возможность решения магнитостатической задачи, динамической задачи, есть возможность подключения электрической схемы системы, как изображено на рисунке 1, а значит, есть возможность анализа работы электрической машины при подключении полупроводниковой техники, различной нагрузки и т.д.
Рис. 1. Пример подключения электрической схемы к общему анализу электромеханического преобразователя Fig. 1. Attachment an external circuit diagram to electromagnetic analysis
Кроме того, имеется возможность ознакомиться с различными осциллограммами, как показано на рисунке 2, увидеть величину индукции, картину путей замыкания силовых линий потока, как показано на
рисунке 3, произвести расчёт магнитных, электрических потерь, а также потерь, вызванных генерацией вихревых токов в магнитопроводных частях системы.
Рис. 2. Осциллограммы токов в обмотках, полученные в программе ANSYS Maxwell Fig. 2. Diagram of currents in windings calculated in ANSYS Maxwell software
Рис. 3. Силовые линии магнитного поля с учётом реакции якоря Fig. 3. Magnetic field streamlines of cogging torque in the alternator
дикам [2, 3]. В ходе проверки были рассчитаны магнитная цепь и потери в электрической машине, построены рабочие характеристики и осциллограммы напряжений и токов идеализированной системы. С целью наглядности результаты расчёта сведены в таблицу 1.
Таблица 1
Сравнение результатов расчетов, выполненных вручную и с применением ANSYS Maxwell
Table 1
Comparison of calculation results made by ANSYS Maxwell and handmade technique
Результаты расчета электрической машины
Для проверки качества расчета, выполненного программным пакетом, был проведён проверочный расчёт вентильного генератора с радиальным расположением постоянных магнитов по известным мето-
Сравниваемый параметр ANSYS Maxwell Вручную
Индукция в воздушном зазоре 0,5066 0,5013
Номинальный ток фазы 127,77 17,25
Номинальный момент 16,7 1,69
Магнитные потери 5979,6 5980,1
Электрические потери 505,3 501,2
Все расчёты, проведённые вручную, полностью подтвердили результаты расчета с помощью программы Maxwell. При этом следует отметить, что Maxwell предоставляет некоторые дополнительные возможности, которые недоступны при расчете вручную, такие как броски напряжений и скачки токов, потери от вихревых токов и пульсации электромагнитного момента.
Выводы
По результатам проектирования и анализа был изготовлен и испытан генератор, параметры которого полностью соответствуют расчётным данным.
Анализируя результаты проделанной работы по расчету электрической машины можно сделать следующие выводы:
- точность расчета электрических машин в программном пакете ANSYS Maxwell не уступает точности вычислений по традиционным методикам расчета;
- для выполнения первоначально оценочного расчета электромеханической системы и определения основных размеров целесообразно воспользоваться упрощенными оценочными методиками проектирования;
- для анализа и проверки расчётов, проведения оптимизации следует применять современное программное обеспечение, которое позволит повысить точность вычислений и ускорить получение практического результата.
Работа выполнялась при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках проекта «Создание производства модельного ряда микротурбинных энергоустановок нового поколения» по договору № 02.G25.31.0078 от 23.05.2013 г.
Список литературы
1. Голованов Д.В., Коварский М.Е., Магин В.В., Трунов И.Г. Методы расчета высокоскоростных генераторов для газотурбинных установок // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2012. Т. 126, № 1. С. 3-8.
2. Зильберман С.З. Разработка и исследование бесконтактных моментных двигателей постоянного тока: Автореф. дис. канд. техн. наук. Свердловск, 1978. 14 с.
3. Ганджа С.А., Мартьянов А.С. Методика ускоренного расчета синхронных генераторов с аксиальным магнитным потоком // Международный научный журнал "Альтернативная энергетика и экология" (ШАБЕ). 2014. № 5 (145). С. 42-44.
4. Клявлин А. Новые возможности ANSYS в области моделирования электромагнитных полей // САПР и графика. 2012. № 3 (185). С. 44-46.
5. Антипов В.Н., Данилевич Я.Б. Быстроходные электрические машины для энергетики: состояние и тенденции развития // Электротехника. 2007. № 6. С. 2-5.
6. Данилевич Я.Б., Антипов В.Н., Кручинина И.Ю., Хозиков Ю.Ф. Турбогенераторы малой мощности для децентрализованных систем энергообеспечения // Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН. Санкт-Петербург, 2009.
7. Данилевич Я.Б., Антипов В.Н., Кручинина И.Ю., Хозиков Ю.Ф. Микротурбогенераторы повышенной мощности - возможности и перспективы // Международный научный журнал "Альтернативная энергетика и экология" (Ш1АЕЕ). 2008. № 1. С. 149-151.
8. Киндряшов А.Н., Мартьянов А.С., Соломин Е.В. Электрические машины ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения // Международный научный журнал "Альтернативная
энергетика и экология" (ISJAEE). 2013. № 1-2 (118). С. 59-62.
9. Данилевич Я.Б., Богуславский И.З. Асинхронизированные синхронные генераторы для ветростанций и малых ГЭС // Международный научный журнал "Альтернативная энергетика и экология" (ISJAEE). 2004. № 7. С. 19-21.
10. Ганджа С.А. Анализ электромагнитной мощности для различных конструктивных исполнений вентильных машин с аксиальным потоком // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика», 2010. Вып. 14, № 32. C.64-69.
11. Кручинина И.Ю., Антипов В.Н. Проблемные вопросы создания высокоскоростных мини-турбогенераторов и пути их решения // Информационно-управляющие системы. 2012. № 4. С. 25-34.
12. Антипов В.Н., Кручинина И.Ю., Грозов А. Д., Иванова А.В. Закономерности изменения параметров размерного ряда мини-турбогенераторов для малоразмерных газотурбинных установок // Электричество. 2013. № 12. С. 51-56.
References
1. Golovanov D.V., Kovarskij M.E., Magin V.V., Trunov I.G. Metody rasceta vysokoskorostnyh generato-rov dla gazoturbinnyh ustanovok. Voprosy elektromeha-niki. Trudy VNIIÉM, 2012, vol. 126, no. 1, pp. 3-8 (in Russ).
2. Zil'berman, S.Z. Razrabotka i issledovanie beskon-taktnyh momentnyh dvigatelej postoannogo toka : synopsis of PhD dissertation, 1978, 14 p (in Russ).
3. Gandza S.A., Mart'anov A.S. Metodika uskoren-nogo rasceta sinhronnyh generatorov s aksial'nym mag-nitnym potokom. International Scientific Journal "Al 'ternativnaa energetika i ekologia" (ISJAEE), 2014, no. 5 (145), pp. 42-44 (in Russ).
4. Klavlin A. Novye vozmoznosti ANSYS v oblasti modelirovania elektromagnitnyh polej SAPR i grafika,
2012, no. 3 (185), pp. 44-46 (in Russ).
5. Antipov V.N., Danilevic A.B. Bystrohodnye elektriceskie masiny dla energetiki: sostoanie i tendencii razvitia. Elektrotehnika, 2007, no. 6, pp. 2-5 (in Russ).
6. Danilevic A.B., Antipov V.N., Krucinina I.U., Ho-zikov U.F. Turbogeneratory maloj mosnosti dla decen-tralizovannyh sistem energoobespecenia. Institut himii silikatov im. I.V. Grebensikova RAS, Sankt-Peterburg, 2009 (in Russ).
7. Danilevic A.B., Antipov V.N., Krucinina I.U., Ho-zikov U.F. Mikroturbogeneratory povysennoj mosnosti -vozmoznosti i perspektivy. International Scientific Journal "Al 'ternativnaa energetika i ekologia" (ISJAEE), 2008, no. 1, pp. 149-151 (in Russ).
8. Kindrasov A.N., Mart'anov A.S., Solomin E.V. Elektriceskie masiny vetroenergeticeskih ustanovok s vertikal'noj os'ü vrasenia. International Scientific Journal "Al'ternativnaa energetika i ekologia" (ISJAEE),
2013, no. 1-2 (118), pp. 59-62 (in Russ).
9. Danilevic A.B., Boguslavskij I.Z. Asinhroniziro-vannye sinhronnye generatory dla vetrostancij i malyh GES. International Scientific Journal "Al 'ternativnaa energetika i ekologia" (ISJAEE), 2004, no. 7, pp. 19-21 (in Russ).
10. Gandza S.A. Analiz elektromagnitnoo mosnosti dla razlicnyh konstruktivnyh ispolnenij ventil'nyh masin s aksial'nym potokom. Vestnik ÜUrGU. Seria «Energetika.», 2010, issue 14, no. 32, pp. 64-69 (in Russ).
11. Krucinina I.U., Antipov V.N. Problemnye voprosy sozdania vysokoskorostnyh mini-turbogeneratorov i puti ih resenia. Informacionno-upravläüsie sistemy, 2012, no. 4, pp. 25-34 (in Russ).
12. Antipov V.N., Krucinina I.U., Grozov A.D., Ivanova A.V. Zakonomernosti izmenenia parametrov raz-mernogo rada mini-turbogeneratorov dla malorazmernyh gazoturbinnyh ustanovok. Elektricestvo, 2013, no. 12, pp. 51-56 (in Russ).
Транслитерация no ISO 9:1995
M, Sxys, - о ~
'и1
с о
-О
N
- ТАТД — v . - :
