CC BY
34Статья поступила в редакцию 23.10.14. Ред. per. № 2125
The article has entered in publishing office 23.10.14. Ed. reg. No. 2125
УДК 621.313.84
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОЙ
УСТАНОВКИ
12 3
С.Д. Ваулин , С. А. Ганджа , A.C. Мартьянов
Южно-Уральский государственный университет
РФ 454080, Челябинск, пр. Ленина,76 'тел.: (351) 265-65-05; e-mail: s.d.vaulin@susu.ac.ru 2тел.: (351) 267-92-51; e-mail: gandja_sa@mail.ru 3тел.: (351) 267-98-94; e-mail: martyanov_as@mail.ru
йо1: 10.155Wisjaee.2014.19.003
Заключение совета рецензентов: 29.10.14 Заключение совета экспертов: 05.11.14 Принято к публикации: 12.11.14
В настоящее время усилия ряда зарубежных производителей направлены на разработку и внедрение энергетических газотурбинных установок для генерации электрической и тепловой энергии. Особенностью таких установок является высокая частота вращения вала турбины, служащей для привода электрического генератора. Традиционные конструкции генераторов при работе на высоких частотах вращения имеют высокие магнитные потери, что приводит к снижению эффективности преобразования, поэтому для газотурбинной установки должна быть разработана специальная электрическая машина, реализующая стартерный и генераторный режимы. Одним из возможных вариантов, удовлетворяющих требованиям к конструкции, может быть вентильная электрическая машина с возбуждением от постоянных магнитов. В статье рассматриваются различные типы электрических машин для применения в высокоскоростных турбинах, описывается способ преобразования электрической энергии в установке, исследуется возможность применения вентильных электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов в газотурбинных энергетических установках. Предлагается вариант применения вентильной электрической машины с радиальным магнитным потоком, приводится описание прототипа, перечисляются такие характеристики разработанной электрической машины, как крутящий момент, выходная мощность и КПД в зависимости от нагрузки генератора.
Ключевые слова: вентильные электрические машины, синхронные электрические машины с возбуждением от постоянных магнитов, генератор газотурбинной установки.
ALTERNATOR FOR TURBINE ENGINE POWER STATION
12 3
S.D. Vaulin , S.A. Gandja , A.S. Martyanov
South Ural State University, 76 Lenina Av., Chelyabinsk, 454080 Russian Federation 'ph.: (351) 265-65-05; e-mail: s.d.vaulin@susu.ac.ru 2ph.: (351) 267-92-51; e-mail: gandja_sa@mail.ru 3ph.: (351) 267-98-94; e-mail: martyanov_as@mail.ru
Referred 29 October 2014 Received in revised from 5 November 2014 Accepted 12 November 2014
At the present time many of the foreign companies spend a lot of efforts for development and production of electric and heat generating power stations based on gas turbine engines. Main feature of such stations is a high speed of turbine driving shaft that allows reducing the size and mass of electric generator. However, typical well-known generators when operating at high speed have large magnetic losses that reduce efficiency of power station. This reason makes a demand for a special high-speed alternator which can operate in turbine engine power station providing starter and generator modes. The article presents the research in choosing the permanent magnet synchronous generator comparing with other types of electric machines for using in power stations based on gas turbine engines. The flowchart of electrical power conversion in the power station is described. Based on presented analysis, a prototype of
# iSllii
alternator with radial magnetic gap was built; characteristics of prototype like mechanical torque, output voltage and power, efficiency depending on load are shown.
Keywords: brushless DC motors, permanent magnet synchronous generators, alternator for turbine engine power station.
Ваулин Сергей Дмитриевич Vaulin Sergey Dmitrievich
Сведения об авторе: доктор технических наук, член-корреспондент Российской академии ракетных и артиллерийских наук, профессор кафедры «Двигатели летательных аппаратов» ЮжноУральского государственного университета, г. Челябинск.
Образование: кафедра «Двигатели летательных аппаратов» факультета «Двигатели, приборы и автоматы» Челябинского политехнического института; в 2000 году защитил докторскую диссертацию и был избран заведующим этой кафедрой.
Область научных интересов: математическое моделирование процессов в низкотемпературных твердотопливных газогенераторах и энергетических установках.
Публикации: более 150.
Information about the author: PhD, Corresponding Member of Russian Academy of Rocket and Artillery science, Associate Professor of department of Aircraft and Rocket Engines in South Ural State University, Chelyabinsk.
Education: Chelyabinsk Polytechnical Institute, Aerospace faculty, department of Aircraft and Rocket Engines.
Area of researches: mathematical modelling of low temperature solid fuelled engines.
Publications: more than 150.
M, луV.
- С -
'ДО
Й 4é
Ганджа Сергей Анатольевич Gandja Sergey Anatolyevich
Сведения об авторе: доктор технических наук, профессор кафедры теоретических основ электротехники Южно-Уральского государственного университета, г. Челябинск.
Образование: кафедра «Электрические машины и аппараты» Челябинского политехнического института, очная аспирантура и докторантура этой кафедры.
Область научных интересов: разработка электроприводов на базе вентильных электрических машин.
Публикации: более 50.
Information about the author: PhD, Associate Professor of department of theoretical electro technics in South Ural State University, Chelyabinsk.
Education: Chelyabinsk Polytechnical Institute, Power Engineering faculty, department of electric machines and apparatus.
Area of researches: electromechanical drivers based on permanent magnet synchronous machines.
Publications: more than 50.
c о
Î /
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.
-О
N
iSJJIll
№ 19 (159) 2014
Введение
С конца 90-ых годов усилия ведущих зарубежных производителей энергетических установок были направлены на разработку серии газотурбинных установок малой мощности от 20 до 500 кВт с электрическим КПД более 30%. Эти турбины являются новейшим типом энергетических установок, которые используются для генерации электрической и тепловой энергии [1, 2]. Они могут применяться, например, для обеспечения аварийного электроснабжения, когда длительность эксплуатации относительно мала и существенны другие факторы, такие как легкость монтажа и технического обслуживания [3-5].
Особенностью газотурбинных установок является высокая частота вращения вала турбины, служащей для привода электрического генератора [6]. Традиционные конструкции генераторов при работе на высоких частотах вращения имеют высокие магнитные потери, что приводит к снижению эффективности преобразования, поэтому для газотурбинной ус -тановки должна быть разработана специальная электрическая машина [7].
Электрическая машина представляет собой обратимое устройство, то есть она может работать как в
режиме двигателя, так и в режиме генератора. Поэтому оптимальным вариантом с точки зрения получения высоких удельных энергетических показателей является использование одной электрической машины, реализующей стартерный и генераторный режимы. Так как для генераторного режима требуется большая мощность, то габариты и масса электрической машины будут определяться именно этим режимом [8]. Для стартерного режима электрическая машина будет иметь избыточные параметры. Таким образом, для электрической части газотурбинной установки следует разработать электрическую машину, реализующую стартерный и генераторный режимы.
Исходя из требований к генераторному режиму в отношении получения номинальной стандартной частоты 50Гц единственным вариантом электрической схемы при частоте вращения ротора 40...100 тыс. об/мин является выпрямление высокочастотного тока непосредственно с генератора со стабилизацией его амплитуды и инвертирование его в переменный ток с требуемой стандартной частотой [9,10]. Схема преобразования электрической энергии представлена на рис. 1.
№ - с -V
с
о
-А--В--С-
К ПОТРЕБИТЕЛЮ 380В/50ГЦ
Рис. 1. Схема преобразования электрической энергии Fig. 1. Flowchart of power conversion in power station
0
■Cd
1
Оценка предлагаемого решения
Высокая частота вращения не позволяет применять конструкции электрических машин с обмотками на вращающейся части, так как центробежные силы не дадут обмоткам удержаться на роторе. Кроме того, в этих условиях токоподвод со скользящими контактами будет работать крайне ненадежно. Поэтому, если выбирать из конструкций машин без обмоток на роторе, остаются следующие варианты: асинхронная машина с короткозамкнутым ротором, синхронная реактивная машина, вентильно-индукторная машина.
На предварительном этапе асинхронная машина с короткозамкнутым ротором была исключена из рассмотрения. Основная причина заключается в том, что для возбуждения асинхронной машины при от-
сутствии внешней сети необходима конденсаторная батарея. Габариты и вес этой батареи не позволяют выдержать требования к энергетической установке по удельным энергетическим показателям [12].
Известно, что синхронная реактивная машина и вентильно-индукторная машина не имеют в своей конструкции собственного источника магнитного поля в виде постоянных магнитов или обмотки возбуждения, следовательно, они имеют большие габариты в сравнении с магнитоэлектрическими машинами. Кроме того, конструкция ротора этих машин должна иметь явно выраженные полюса, что на высоких частотах вращения приведет к большим потерям на трение о воздух. На основании этих доводов такие классы машин тоже были исключены из рассмотрения.
# ! 29
37
Одним из возможных вариантов, удовлетворяющих требованиям прочности и бесконтактности, может быггь вентильная машина с возбуждением на постоянных магнитах [13]. Для этого класса машин существуют конструкции с диамагнитным якорем (не содержащим электротехнической стали) и отсутствием магнитнык потерь на перемагничивание. Соответственно, эти машины могут иметь высокий КПД.
Таким образом, для более детальной проработки была выбрана вентильная машина с возбуждением от постоянных магнитов с радиальным магнитным потоком по типу аналога фирмы Capstone [11]. Конструкция электрической машины представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Конструкция электрической машины Fig. 2. General view of alternator
Необходимо отметить также, что при таких высоких скоростях вращения магнитного поля (перемаг-ничивания) будет сильно выфажен эффект вихревык токов [14]. Экспериментально установлено, что потери на вихревые токи нелинейным образом зависят от частоты и ширины доменов, а также имеют немонотонную зависимость от угла между осью лёгкого намагничивания и направлением вектора напряжённости магнитного поля. Расчёт потерь на вихревые токи представляет большие трудности [15] и может быть выполнен лишь в простейших случаях, например, для очень тонкого проводящего ферримагнит-ного монокристаллического листа с плоскостью поверхности, параллельной кристаллографической плоскости. Оценочный расчёт показал, что в магнитах будут наводиться вихревые токи, а это приведёт к потерям порядка 1кВт. Дополнительные потери на вихревые токи можно оценить в полной мере лишь на заданной скорости на холостом ходу при номинальной частоте вращения в генераторном режиме. Эти потери будут равны разности полной потребляемой мощности на холостом ходу и потерь на пе-ремагничивание стали, потерь на трение в подшипниках, вентиляционные потери.
Разработка и испытания прототипа
На этапе эскизного проектирования был изготовлен опытный образец стартера-генератора, см. рисунок 4. При изготовлении и испытании электрической машины были проверены основные технические решения в конструкции стартера-генератора и технологические характеристики изделия.
Рис. 3. Опытный образец стартера-генератора Fig. 3. Prototype of high-speed alternator
На представленных графиках рабочих характеристик генератора изображена номиналыная точка (рисунки 4-7).
ISMEE № XT
38
Рис. 4. Зависимость выпрямленного напряжения от тока нагрузки генератора Fig. 4. Output voltage vs load current
На графике видно, что на холостом ходу при номинальной частоте вращения на клеммах генератора напряжение будет 970В. Крутизна внешней характеристики объясняется наличием индуктивности обмотки статора, которая при высоких частотах пере-магничивания становится большим индуктивным
сопротивлением; это также видно исходя из того, что характеристика линейна. Вследствие реакции якоря, характеристика, как правило, нелинейная. В данной машине потоки реакции якоря вынуждены замыкаться по воздушному зазору ввиду бесконечно большого магнитного сопротивления магнитов.
20 15 10
-Крутящий момент, Н_м
50
100 Ток. А
150
200
Рис. 5. Зависимость момента на валу от выпрямленного тока генератора Fig. 5. Torque vs load current
На графике отчётливо виден момент холостого хода, наличие которого объясняется потерями в аэродинамических подшипниках, потерями на пере-
160
магничивание, потерями токов Фуко и реактивным моментом из-за зубцовой конструкции статора. На графике также обозначена рабочая точка генератора.
140
120 100 80 60 40
...... ....... __
■PI. к!
ÍT
— т>-> ,.1 J .
50
100 Ток. А
150
200
Рис. 6. Зависимость входной (механической, P1) и выходной (электрической по выпрямленным значениям, P2) мощности генератора от выпрямленного тока генератора Fig. 6. Mechanical power P1 and electric power P2 vs load current
# iSllii
На рисунке 6 представлена зависимость входной (Р1) и выходной (Р2) мощностей от тока нагрузки генератора на номинальной частоте вращения. График входной мощности начинается не с нуля, что объясняется потерями, возникающими в электрической машине за счет перемагничивания, вихревых токов, трения в подшипниках и реактивного момента
конструкции. По мере увеличения нагрузки отклонение входной мощности от выходной становится нелинейным, что вызвано падениями напряжения на обмотке статора. Мощность, снимаемая с генератора, является электрической, рассчитанной по выпрямленным значениям напряжения и тока.
0,8
0,6
0,4
ОД -
-К]
>0
100
Ток, А
150
200
Рис. 7. Зависимость КПД от выпрямленного тока генератора Fig. 7. Efficiency vs load current
луV. - с -
'ДО
На рисунке 7 отображена зависимость коэффициента полезного действия генератора от нагрузки. Видно, что в номинальной точке генератор работает не на максимальном для него КПД, так как изначально он был рассчитан на большие скорости вращения. Работа генератора в режимах, близких к холостому ходу, является крайне неэкономичной вследствие больших потерь холостого хода.
Выводы
В качестве основного варианта электрической машины для высокоскоростной газотурбинной установки хорошо подходит вентильная машина с возбуждением от постоянных магнитов.
Для стартерного режима предлагается использовать ту же самую электрическую машину без изменений. Источником питания электрической машины в стартерном режиме может служить аккумуляторная батарея напряжением 24В, работающая через устройство повышения напряжения на коммутатор вентильного двигателя.
В ходе проектирования наиболее сложной задачей было найти оптимальный баланс между магнитными потерями, потерями на вихревые токи, теплоёмкостью машины и уменьшением габаритов.
На стадии эскизного проектирования был изготовлен опытный образец стартера-генератора, результаты испытаний которого подтвердили правильность конструкторских решений разрабатываемого изделия.
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. 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" (ISJAEE). 2008. №1. С. 149-151.
2. Цанев С.В., Буров В.Д., Осыка А.С., Земцов
A. С. Газотурбинные энергетические установки. М.: Издательский дом МЭИ, 2011.
3. Турбогенераторы малой мощности для децентрализованных систем энергообеспечения / Я. Б. Данилевич и др. / Ин-т химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Рос. акад. наук. СПб.: Наука, 2009 . 102 с.
4. Wetzel S., Solomin E. Joint Scientific Research of Russian and German Scientists in Renewable Energy // Международный научный журнал "Альтернативная энергетика иэкология"(ISJAEE). 2011. № 11. С. 82-88.
5. Halstead R., Solomin E. Technical Features and Advantages of SRC-Vertical Wind Turbines // Международный научный журнал "Альтернативная энергетика и экология"(ISJAEE). 2010. № 1. С. 36-41.
6. Кручинина И.Ю., Антипов В.Н. Проблемные вопросы создания высокоскоростных мини-турбогенераторов и пути их решения // Информационно-управляющие системы. 2012. № 4. С. 25-34.
7. 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.
8. Голованов Д.В., Коварский М.Е., Магин
B.В., Трунов И.Г. Методы расчета высокоскоростных генераторов для газотурбинных установок // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2012. Т. 126, № 1. С. 3-8.
с о
i-, to I £
-О
N
ISJAEE
№ 19 (159) 2014
Bayлuн CM., Гaнджa C.A., Mapmьянoв A.C. Электрический генератор для газотурбинной установки
9. Мартьянов А.С., Соломин Е.В. Контроллер заряда ветроэнергетической установки // Международный научный журнал "Альтернативная энергетика иэкология"(ШЛЕБ). 2010. № 1. С. 106-109.
10. Волович Г.И., Кирпичникова И.М., Соломин Е.В., Топольский Д.В., Топольская И.Г. О развитии средств автоматизации в энергетике с использованием возобновляемых источников энергии // Международный научный журнал "Альтернативная энергетика и экология" (ISJAEE). 2013. № 9 (131). С. 59-64.
11. Capstone C200 MicroTurbine Technical Reference Manual, 410066 Rev A, Capstone Turbine Corporation, Chatsworth, CA (September 2008)
12. Данилевич Я.Б., Богуславский И.З. Асинхро-низированные синхронные генераторы для ветростанций и малых ГЭС // Международный научный журнал "Альтернативная энергетика и экология" (ISJAEE). 2004. № 7. С. 19-21.
13. 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.
14. 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.
15. Ганджа С.А., Мартьянов А.С. Методика ускоренного расчета синхронных генераторов с аксиальным магнитным потоком // Международный научный журнал "Альтернативная энергетика и экология" (ISJAEE). 2014. № 5 (145). С. 42-44.
References
1. Danilevich Ya.B., Antipov V.N., Kruchinina I.Yu., Hozikov Yu.F. Mikroturbogeneratory povysennoj mosnosti - vozmoznosti i perspektivy. International Scientific Journal "Al 'ternativnaa energetika i ekologia" (ISJAEE), 2008, no. 1, pp. 149-151 (in Russ.).
2. Canev S.V., Burov V.D., Osyka A.S., Zemcov A.S. Gazoturbinnye energeticeskie ustanovki. Moscow: Izdatel'skij dom of MPEI Publ., 2011 (in Russ.).
3. Danilevich Ya.B., Antipov V.N., Kruchinina I.Yu., Hozikov YuF. Turbogeneratory maloj mosnosti dla decentralizovannyh sistem energoobespecenia. Institute of Silicate Chemistry of RAS. St. Petersburg, 2009. (in Russ.)
4. Wetzel S., Solomin E. Joint Scientific Research of Russian and German Scientists in Renewable Energy. International Scientific Journal "Al'ternativnaa energetika i ekologia" (ISJAEE), 2011, no. 11, pp. 82-88 (in Russ.).
5. Halstead R., Solomin E. Technical Features and Advantages of SRC-Vertical Wind Turbines. International Scientific Journal "Al 'ternativnaâ ènergetika i èkologiâ" (ISJAEE), 2010, no. 1, pp. 36-41 (in Russ.).
6. Kruchinina I.Yu., Antipov V.N. Problemnye voprosy sozdaniâ vysokoskorostnyh mini-turbogeneratorov i puti ih reseniâ. Informacionno-upravlâûsie sistemy, 2012, no. 4, pp. 25-34 (in Russ.).
7. Kindryashov A.N., Martyanov A.S., Solomin E.V. Èlektriceskie masiny vetroènergeticeskih ustanovok s vertikal'noj os'û vraseniâ. International Scientific Journal "Al 'ternativnaâ ènergetika i èkologiâ" (ISJAEE), 2013, no. 1-2 (118). pp. 59-62 (in Russ.).
8. Golovanov D.V., Kovarskij M.E., Magin V.V., Trunov I.G. Metody rasceta vysokoskorostnyh generatorov dlâ gazoturbinnyh ustanovok. Voprosy èlektromehaniki. Trudy VNIIÈM, 2012, vol. 126, no. 1, pp. 3-8 (in Russ.).
9. Martyanov A.S., Solomin E.V. Kontroller zarâda vetroènergeticeskoj ustanovki. International Scientific Journal "Al'ternativnaâ ènergetika i èkologiâ" (ISJAEE), 2010, no. 1, pp. 106-109 (in Russ.).
10. Volovich G.I., Kirpichnikova I.M., Solomin E.V., Topol'skij D.V., Topol'skaâ I.G. O razvitii sredstv avtomatizacii v ènergetike s ispol'zovaniem vozob-novlâemyh istocnikov ènergii. International Scientific Journal "Al 'ternativnaâ ènergetika i èkologiâ" (ISJAEE), 2013, no. 9 (131), pp. 59-64 (in Russ.).
11. Capstone C200 MicroTurbine Technical Reference Manual, 410066 Rev A, Capstone Turbine Corporation, Chatsworth, CA (September 2008).
12. Danilevich Ya.B., Boguslavskij I.Z. Asinhroni-zirovannye sinhronnye generatory dlâ vetrostancij i malyh GÈS. International Scientific Journal "Al'ternativnaâ ènergetika i èkologiâ" (ISJAEE), 2004, no. 7, pp. 19-21 (in Russ.).
13. Antipov V.N., Kruchinina I.Yu., Grozov A.D., Ivanova A.V. Zakonomernosti izmeneniâ parametrov razmernogo râda mini-turbogeneratorov dlâ maloraz-mernyh gazoturbinnyh ustanovok. Èlektricestvo, 2013, no. 12, pp. 51-56 (in Russ.).
14. Gandja S.A. Analiz èlektromagnitnoj mosnosti dlâ razlicnyh konstruktivnyh ispolnenij ventil'nyh masin s aksial'nym potokom. Vestnik of South Ural State University, Ser. «Ènergetika», 2010, Issue 14, no. 32. pp. 6469 (in Russ.).
15. Gandja S.A., Martyanov A.S. Metodika usko-rennogo rasceta sinhronnyh generatorov s aksial'nym magnitnym potokom. International Scientific Journal "Al'ternativnaâ ènergetika i èkologiâ" (ISJAEE), 2014, no. 5 (145), pp. 42-44 (in Russ.).
m,
- G -'m1
с о
-О
N
Транслитерация по ISO 9: 1995
# ISJAEE
