CC BY
22
УДК 620.424.1
М.Ю. Медведев, В.А. Костюков, А.М. Маевский, Д.Д. Павленко
РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ СИЛОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ НАДВОДНЫХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ ПЛАТФОРМ*
В настоящей статье рассматриваются перспективы использования силовых установок на базе возобновляемых источников энергии для дополнительного и аварийного электропитания надводных робототехнических комплексов. Такого рода комплексная силовая энергетическая установка (КСЭУ) может быть построена на базе преобразователей ветровой и солнечной энергий и вырабатывать не менее 10-15 % всей потребной для судна электрической энергии. Рассматривается одна из основных проблем конструирования такого рода КСЭУ - создание перспективной ветроэнергетической установки (ВЭУ), удовлетворяющей ряду необходимых критериев, касающихся надежности, мощности, уровня создаваемого шума, конструктивных ограничений самой надводной платформы. Обосновывается конструкция такой ВЭУ, которая в дальнейшем оптимизируется по критериям аэродинамической мощности на подвижной своей части с учетом указанных ограничений. Проведенное аэродинамическое сравнение показывает превосходство рассматриваемой конструкции ВЭУ по отношению к аналогам по всем важнейшим критериям качества. Рассматриваются особенности математической модели такой ВЭУ. Рассматриваются конструкция, электрические схемные решения и особенности управления выходными характеристиками КСЭУ на базе предлагаемой ВЭУ, включающей также и солнечные панели. Для роботизированного корабля с заданной мощностью двигательной установки разработана КСЭУ, позволяющая выработать не менее 10 % этой мощности.
Комплексная силовая энергетическая установка; роботизированная надводная платформа; перспективная ветроэнергетическая установка; ограничения и критерии аэродинамической оптимизации.
M.Yu. Medvedev, V.A. Kostyukov, A.M. Maevsky, D.D. Pavlenko
DEVELOPMENT OF INTEGRATED POWER ENERGY INSTALLATION FOR UNDERWATER ROBOTIC TECHNOLOGY PLATFORMS
In this article the prospects of using power plants based on renewable energy sources for additional and emergency power supply of surface robotic complexes are considered. Such a complex power plant (CPP) can be built on the basis of converters of wind and solar energy and produce at least 10-15 % of the total electrical energy required for the vessel. One of the main problems of constructing this type of CPP is the creation of a promising wind power plant (WPP) that meets a number of necessary criteria relating to reliability, power, noise level, constructive limitations of the surface platform itself. The design of such WPP is substantiated, which in the future is optimized according to the criteria of aerodynamic power on its mobile part taking into account these limitations. The conducted aerodynamic comparison shows the superiority of the considered design of the windmill with respect to analogues for all the most important quality criteria. The peculiarities of the mathematical model of such a wind turbine are considered. We consider the design, electrical circuit design and control features of the output characteristics of CPP based on the proposed WPP which also includes solar panels. For the robotized ship with a given power of the propulsion system, the CPP is designed, which allows it to generate at least 10 % of this power.
Complex power plant; robotic surface platform; perspective wind power plant; limitations and criteria for aerodynamic optimization.
*
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №18-08-00473 а, от 25/12/2018 на тему: «Разработка и исследование методов оптимизации и управления процессами преобразования энергии в силовых установках комплексного типа, в том числе преобразующими поток сплошной среды».
Введение. В настоящее время существует большая группа морских объектов, стационарного базирования и подвижных, в том числе робототехнических комплексов, нуждающаяся во вспомогательных автономных источниках энергии.
Дизельные генераторы, используемые в качестве таких источников энергии, весьма дорогие. Также весьма дорогое топливо, используемое такими установками. Кроме того, оно сильно загрязняет окружающую среду.
Разработкой и внедрением альтернативных источников энергии на морских надводных платформах с целью снижения общего потребления ими топлива занимаются многие международные компании.
Например, международная технологическая компания Eco Marine Power Co. Ltd. (EMP) (Япония) разрабатывает инновационные технологии сокращения топлива и снижения выбросов для судоходства. Эти технологии включают запатентованную систему Aquarius MRE, EnergySail и Aquarius MAS [1].
Компания Ocius Technology Limited (Австралия), ранее известная как Solar Sailor Holdings Limited, с ее дочерними фирмами является поставщиком морских технологий, которые находятся на переднем крае развития двигателей и автоматизированных систем с использованием возобновляемых источников энергии [2].
Одним из подходов, позволяющим значительно увеличить эффективность такого источника энергии, т.е. экономически ощутимо (более чем на 10%) снизить потребление обычного топлива, является использование комплексной силовой энергетической установки, состоящей из ВЭУ и установки на солнечных батареях.
В связи с этим возникают три проблемы: 1) выбор типа ВЭУ, подходящей для установки на стационарную/мобильную платформу как элемент указанной КСЭУ; 2) выбор типа установки на солнечных панелях (СП), подходящей для установки на стационарную/мобильную платформу как элемент указанного КСЭУ; 3) разработка оптимальной конфигурации СП и ВЭУ, подбор типов этих подсистем, а также соответствующих параметров, позволяющих оптимизировать функционирование КСЭУ по критерию максимальной вырабатываемой мощности при жестких ограничениях, накладываемых требованиями безопасности и надежности функционирования всех систем носителя.
КСЭУ может состоять в общем случае из нескольких одиночных однотипных ветроэнергетических модулей, каждый из которых связан со своим генератором, выпрямителем; одиночные установки расположены на единой несущей конструкции в определенной фиксированной/настраиваемой конфигурации и связаны с общим для всех установок набором аккумуляторных батарей, регулятором и инвертором.
Постановка задачи. Необходимо разработать комплексную силовую энергетическую установку на базе возобновляемых источников энергии, вырабатывающую не менее 10 % от номинальной мощности Рдв = 1 0 кВт движителей катера малого водоизмещения (длиной L = 1 0 м).
Возможный внешний вид такого катера с установленной на нем КСЭУ приведен на рис. 1. Систему солнечных панелей берем стандартную, поэтому далее сосредоточимся на необходимых требованиях, предъявляемых к конструкции и особенностям работы ВЭУ.
Из требований безопасности и эффективности функционирования надводного корабля вытекают определенные ограничения, накладываемые на используемую конструкцию ВЭУ, которая вследствие этого должна: 1) быть компактной, для того чтобы её установка на катер не увеличивала сильно парусность под воздействием потоков ветра; 2) превосходить по мощности все аналоги тех же целевых размеров при одних и тех же скоростях ветра; 3) обладать пониженным уровнем шума по сравнению с указанными аналогами; 4) обладать достаточной проч-
ностью конструкции; 5) не зависеть от направления воздушного потока относительно подвижной своей части; 6) обладать эффективной системой останова ротора при достижении критических его оборотов; 7) подлежать легким монтажу, демонтажу и ремонту.
Рис. 1. Упрощенная 3ё-модель маломерного катера с установленной на нём КСЭУ
Требованиям 1, 3, 4 и 5 классические горизонтально-осевые ВЭУ не удовлетворяют. Требованиям 1 и 4 и 7 также не соответствуют вертикально-осевые с достаточно возвышающимися лопастями подвижной части. Остаются те конструкции вертикально-осевых ВЭУ, которые имеют подвижную часть роторного типа, для которых отношение высоты ротора к его диаметру минимально. Для учета требований 1 и 4 целесообразно использовать ВЭУ со специальными статическими элементами, которые бы, помимо аэродинамической нагрузки, также предохраняли ротор от повреждения.
Необходимо также разработать структурную электрическую схему КСЭУ, учитывающую особенности функционирования ВЭУ перспективного типа, удовлетворяющую указанным выше требованиям, совместно с солнечными панелями.
Синтез и обоснование конструкции перспективной ВЭУ, которая может быть интегрирована в КСЭУ. В работах [3-9] обоснована одна из возможных конструкций ВЭУ вихревого типа, удовлетворяющая всем означенным условиям, и показаны её аэродинамические преимущества как в отношении вырабатываемой мощности, так и в отношении минимизации уровня шума, по сравнению с аналогами, в том числе рассмотренными в [10-18].
Запатентованная конструкция механической части этой ВЭУ включает следующие основные составляющие [3-6, 19]: восьмилопастную турбину специальной формы, верхнюю часть статора - раструб, нижнюю часть статора - направляющую структуру, стойку-держатель раструба и ротора; вал ротора.
Электрическая часть ВЭУ включает в себя: генератор электроэнергии на базе синхронной машины, систему стабилизации выходного напряжения, силовые преобразователи, систему управления преобразованием энергии.
В табл. 1 приведены основные характеристики разрабатываемой КСЭУ для малого катера длиной Ь = 1 0 м с учетом предлагаемой конструкции ВЭУ; значения мощностей ВЭУ, СП и КСЭУ даны для трех значений скоростей набегающего потока воздуха: V = 3 , 5 и 1 0 м/с. Если считать, что значение V=3 м/с соответствует минимальному скоростному режиму, с учетом как скорости воздушных потоков на море, так и собственной скорости движения катера, то при этом полная средняя мощность разрабатываемой КСЭУ равна РКСЭУ = 2 кВт, что составляет 20 % от заданной мощности двигательной установки Рдв = 1 0 кВт; причем на ВЭУ приходится рассчитанная мощность РВЭУ = 0, 1 кВт, а на СП - РСП = 1,9 кВт, полученная из расчета, что с 1 м 2 СП снимается в среднем мощность 190 Вт, что соответствует КПД СП Т]СП = 1 9 % . При V=10 м/с значения мощностей ВЭУ, КСЭУ соответственно равны: РВЭУ = 3 , 7 кВт, РКСЭУ = 5 , 6 кВт, что с учетом РСП составляет уже 56 % от потребной мощности движителей.
Таблица 1
Основные технические характеристики разрабатываемой КСЭУ для роботизированного катера малого водоизмещения
Параметры КСЭУ Значение Примечание
Средние мощности: ВВЭУ/СП/КСЭУ, кВт, не менее 0,1 / 1,9 / 2 При рабочей скорости набегающего потока воздуха V=3 м/с
1,27 / 1,9 / 3,17 При рабочей скорости набегающего потока воздуха V=5 м/с
3,7 / 1,9 / 5,6 При рабочей скорости набегающего потока воздуха V=10 м/с
Напряжение 3-фазн./1-фазн., В 380/220
Частота, Гц 50
Масса КСЭУ, кг, не более 160
Максимальные габариты ВЭУ, м 2,4х1,6х2,4 Вертикальный размер может быть снижен за счет использования уже существующих конструктивных элементов катера в качестве нижней части статора
Максимальные габариты модуля на солнечных панелях, м х м х м, не более 2,2х2,5х2,9
Срок эксплуатации КСЭУ, лет, не менее 15
Период между техническим обслуживанием, лет, не менее 5
Стоимость (в серии), тыс. руб., не более 260 Не включая монтаж
Принцип действия вихревой ветроэнергетической установки основан на следующих аэродинамических эффектах (см. рис. 2,а):
1) специальная закрученная форма лопастей ротора способствует тому, что установка воспринимает как горизонтальные ветровые потоки в плоскости вращения ротора, так и вертикальные восходящие; 2) направляющая структура увеличивает эффективную окрестность ВЭУ, где используется энергия ветра; 3) раструб формирует такую вихревую структуру, энергия которой рассеивается значительно меньше (по сравнению с одиночным ротором); это усиливает вращающий момент ротора; 4) раструб также формирует перепад давлений между нижней и верхней своими частями, при этом создается вертикальная сила тяги, которая способствует повышению крутящего момента ротора.
Таким образом, в данной конструкции ВЭУ существенно используется принцип полезной аэродинамической интерференции между статической и роторной частями установки.
Как показывает мировая практика использования винтов, значительно повысить эффективность взаимодействия последних со сплошной средой возможно, если использовать расширенную, комплексную установку, неподвижная часть которой - статор - служит не только как несущий элемент конструкции или канал прокладки электрических и прочих коммуникаций, но и выполняет специальную функцию структуризации набегающего потока с целью повышения коэффициента его использования и быстроходности установки. При этом используется полезная интерференция статора и ротора. Статор в такой установке может сам по себе представлять сложную многокомпонентную систему и быть составленным из специальных обтекателей, экранов, дефлекторов, перфорированных стенок специального профиля, каналов отвода и подвода воздуха и т.п. (3,15,16).
Простейшей такой компоновкой, давно и широко используемой в мореходном деле, воздухоплавании и авиации, является вариант «ротора в кольце». Она значительно уменьшает потери, вызванные отрывом потока на концах лопастей [20]. Кроме того, использование вместе с кольцом еще и выходного устройства -раструба, приводит к значительному уменьшению минимальной скорости запуска ротора: до 45 % от начальной скорости ветра.
Рис. 2. Предлагаемая конструкция перспективной ВЭУ: а - по принципу действия; б - разработанная 3й-модель конструкции, оптимизированной по критерию максимума момента на роторе с учетом массогабаритных и прочностных ограничений
В результате проведенной аэродинамической оптимизации указанной конструкции ВЭУ по критерию максимума аэродинамического момента ротора [3-6] удалось получить такую конструкцию ВЭУ, представленную на рис. 2,б, которая не менее чем в 2 раза эффективнее по мощности по сравнению с горизонтально-осевыми ВЭУ, и не менее чем на 30 % превосходит по мощности аналоги - вертикально-осевые ВЭУ современных типов, при прочих равных условиях.
Был проведен сравнительный численный аэродинамический анализ предлагаемой конструкции ВЭУ и ряда используемых в настоящее время типов вертикально-осевых и классической горизонтально-осевой ВЭУ. Предварительно модели всех рассматриваемых установок были приведены к одной и той же ометаемой потоком площади, соответствующей перпендикулярному потоку сечению тела вращения ротора. Из результатов этого анализа, часть которых представлена на
а
б
рис. 3, следует, что значения аэродинамического полезного момента, вырабатываемого ВЭУ предлагаемой конструкции, превосходят соответствующие значения для всех остальных рассматриваемых типов ВЭУ, причем для обеих скоростей минимальные относительные отклонения значений моментов для ВЭУ-аналогов от соответствующих значений для перспективной ВЭУ составляют свыше 30 % и достигаются для вертикально-осевой установки с раструбом рупорного типа.
Рис. 3. Значения полезного аэродинамического момента на подвижных частях предлагаемой ВЭУ и аналогов при фиксированной ометаемой потоком площади тел вращения этих подвижных частей Ба=0,7 мЛ2 для скоростей ветра
¥=2,5 м/с и 5 м/с
На рис. 4 представлены характерные распределения полей скорости и давления в малых окрестностях ротора и статора ВЭУ оптимизированной конструкции, свидетельствующие о достижении значительного перепада давления между верхней и нижней частями верхнего статора, необходимого для создания вертикальной силы тяги, раскручивающей ротор [7-9].
Рис. 4. Визуализация характерных распределений полей скорости и давления в окрестности ВЭУ оптимизированной конструкции
Механическая стабилизация выходных характеристик ВЭУ с помощью изменяемых элементов их геометрии. Заслуживает особого внимания вопрос о механическом управлении ВЭУ перспективного типа. В настоящее время управление горизонтально-осевыми ВЭУ в подавляющем большинстве случаев ограничивается регулированием поворотным механизмом ориентации оси вращения лопастей для её быстрого выравнивания по направлению ветра. Кроме этого используется также регулирование шага установки лопастей для выхода на номинальный режим работы ВЭУ.
Один из простейших и эффективных вариантов управления лопастями ВЭУ горизонтального типа предложен в работе [21] и заключался в наличии самонастройки угла установки лопастей в зависимости от скорости и направления ветра. Авторы разработали специальную конструкцию ВЭУ с самонастраивающимися лопастями ротора и показали, что мощность такой ВЭУ при одинаковых скоростях воздушного потока и радиусе роторов больше, чем мощность соответствующей ВЭУ с заклиненной лопастью.
Однако этими возможностями далеко не исчерпывается потенциал управления современными ВЭУ, не говоря уже о ВЭУ перспективных типов. На сегодняшний день практически не исследованным является вопрос использования в ВЭУ специальных изменяемых элементов геометрии (ИЭГ), которые являлись бы варьируемой частью геометрии и регулирование которыми, с учетом собственных аэродинамических свойств каждого из элементов ВЭУ и их интерференции, позволило бы успешно решать такие важнейшие задачи, как стабилизация частоты вращения лопасти/турбины ВЭУ, запуск и ускорение запуска ВЭУ, максимизация полезной аэродинамической энергии, получаемой за данный период времени и т.д.
Кроме того, в связи с проблемой эффективного управления ВЭУ при наличии различных внешних ветровых нагрузок и возмущений её собственных конструктивных параметров необходимо поставить и решить задачи разработки специальных конструкций ВЭУ с изменяемыми элементами геометрии и синтеза соответствующей системы управления [4-7].
Предположим, что ВЭУ содержит конструктивно неизменную (не варьируемую в зависимости от условий её работы) геометрию и варьируемую её составляющую 1^0, которой можно управлять с целью адаптации работы ВЭУ ко внешним переменным аэродинамическим условиям. Последние будем приближенно описывать некоторым вектором параметров , включающим в том числе вектор скорости ветра. Наличие 11^0 подразумевает, что мы указали такие элементы геометрии ВЭУ, ориентация которых вместе или порознь может изменяться относительно «статичных» элементов этой геометрии 1 р £ в некоторых вполне определенных пределах.
Ниже предполагаем, что задача синтеза и их начальной ориентации
относительно решена. Пусть - вектор всех варьируемых геометрических
параметров, характеризующих положение . Тогда определяющее уравне-
ние движения ротора в общем случае принимает вид
] (0 ^ = м [ъ (0 , ш (0, ю (0 ] + Мс [] (0 , а (о, Ю ( 0 ] , (1)
где ]= ]0 + ] д(0 , а(= а0 + ад , ]0,а0 - начальные неуправляемые значения соответствующих величин, - их регулируемые приращения.
В качестве примера рассмотрим для ВЭУ, полученной нами ранее оптимизированной формы (см. рис. 2,б), постановку и решение задачи поддержания заданной угловой скорости вращения ротора в заданном диапазоне при наличии возмущений в виде апериодической функции модуля скорости ветра при фиксированном его направлении:
V (t) = V * (t) = V0 + exp (<% t) s in t) , (2)
где V0, Av, aV, £2v - некоторые постоянные значения. Считаем, что система управления снабжена специальными датчиками, позволяющими с определенной частотой получать значения .
Будем предполагать, что ВЭУ имеет один управляемый геометрический параметр h - расстояние от верхней части нижней части статора до верхней части ротора (на рис. 2,а этот параметр - h х).
В этом случае в уравнении (1), описывающем вращение ротора ВЭУ, векторы Ъ и W вырождаются в скаляры h и V соответственно. Конструктивные параметры /, а предположим неизменными.
Численное исследование указанной оптимизированной формы ВЭУ с диаметром ротора привело к следующей аппроксимирующей зависимости для аэродинамического момента на валу:
М(V, ш, h) = V К + а2 (V - Vo)ш] /м(h) , (3)
где функция дана выражением
!а3
— + а4, при h 6 [hx; h2 ] ;
hlt при h < hx; (4)
при
а постоянные коэффициенты в (3), (4) равны а l = 0,684 Н ■ с, а 2 = 1 , 5 5 Ох х 1 0 - 3 Н ■ с3/м, а3 = 0,092 1 м, а4 = 0,8 5 8, V0 = 3 м /с, hx = 0, 0 2 м , h2 = 0, 6 5 м .
Приведенный момент инерции полагаем равным / = 1 0 0 кг ■ м2, а момент сопротивления на валу ротора будем задавать аппроксимирующей зависимостью, полученной на основании экспериментального исследования ВЭУ вихревого типа, описанной в [22]:
Мс = — Ъ ■ ш, (5)
где Ъ = 0 , 0 0 1 9 Н-м-с.
Динамический диапазон регулирования по моменту вращения (3), т.е. отношение максимального значения этого момента к минимальному при варьировании h, составляет /си = 2 , 7. Минимальное значение управляющего расстояния ^ обусловлено технологическим ограничением, а максимальное - нивелированием аэродинамического влияния нижней направляющей структуры на ротор ВЭУ при достаточном её удалении от последнего.
Пусть допуск на отклонение частоты от номинального значения составляет А шт йж = 0 , 3 рад/с, а внешнее ветровое возмущение дано равенством (2) со значениями коэффициентов м с м с с рад .
Инерционность срабатывания исполнительного устройства ИЭГ будем характеризовать уравнением первого порядка [23]:
h + К ( t) h = 0 , (6)
где - некоторая гладкая функция, пусть , где с -
постоянное время затухания переходного процесса при срабатывании ИЭГ.
Необходимо найти закон управления h ( t) , обеспечивающий отклонение угловой скорости от заданного номинального значения рад с не ниже
А шт йж и соответствующий допустимый диапазон значений параметра Г.
В результате синтеза соответствующего закона управления h ( t) получим [3-6]:
h (t) = h * (t) + [h (0) — h * (0) ] exp (— t/Г), (7)
( ) ÖÜJ -a4V(t) [Oi+^^t) -V0) ÜJ0] ' ( )
На рис. 5 и 6 приведены графики зависимости и соответствующих им управлений от времени для нескольких значений амплитуд колебаний ветра: 0, 1 ; 1 ; 1,5 ; 2 м при начальных условиях к (0) = 0, 3 м; ю (0) = 6п + 0, 1 рад/с.
Рис. 5. Графики зависимостей ю (Ь) для
нескольких значений амплитуд колебаний Ау ветра: Ау = 0,1; 1; 1,5 ; 2 м/ с (горизонтальными штрихпунктирной
и пунктирной прямыми показан коридор для допустимого отклонения от ю 0)
Рис. 6. Графики зависимостей к ( Ь) для
нескольких значений амплитуд колебаний А у ветра: А ¥ = 0, 1; 1; 1, 5 ;2м (горизонтальными пунктирной и сплошной прямыми показан допустимый коридор для 1г)
Из графиков, приведенных на рис. 5, видно, что при заданном динамическом диапазоне управления механическая стабилизация частоты вращения ро-
тора с заданной точностью Аштах = 0, 3 — возможна при амплитудах колебания скорости ветра, по крайней мере, удовлетворяющих условию . При
скорости Ау = 2 м /с в максимуме соответствующая функция ю ( Ь) превышает допустимый диапазон на 50 %.
Из графиков, приведенных на рис.6, видно, что в течение первых 30 секунд отклонения графиков для различных становятся не заметными, поскольку в зависимости (10) ветровых колебаний от времени присутствует экспоненциальный фактор ехр ( — 0 , 5 Ь) . Функции к ( Ь) не являются гладкими во всем временном диапазоне вследствие принудительной их отсечки при достижении граничных значений .
Для увеличения диапазона амплитуд колебаний ветровых возмущений, при котором возможно стабилизировать частоту вращения, необходимо увеличить динамический диапазон регулирования по , либо увеличить допустимое максимальное отклонение Ашт ах.
Ясно, что введение дополнительных изменяемых элементов геометрии потенциально способно повысить динамический диапазон регулирования момента вращения.
Результаты численного анализа по механическому регулированию частоты вращения ротора ВЭУ за счет управления изменяемыми элементами её геометрии показывают, что использование этого регулирования в комплексе с обычными методами электрической стабилизации частоты способно значительно повысить эффективность и надежность работы ВЭУ, а также качество вырабатываемой электроэнергии.
Анализ электромеханической схемы управления КСЭУ. Рассмотрим обобщенную структурную электромеханическую схему комплексной силовой энергетической установки, включающей ВЭУ с изменяемыми элементами геометрии, блок солнечных панелей и резервный дизельный генератор (рис. 7).
Для модуля ВЭУ используется классическая схема, содержащая синхронный генератор с постоянными магнитами, фильтр низких частот, выпрямитель, инвертор, контроллер заряда (зарядного устройства) и аккумуляторные батареи (АКБ). Вводимой нами особенностью здесь является аэродинамическое торможение ротора при превышении скорости его вращения предельно допустимого значение Vmax. В большинстве случаев используется более энергозатратный процесс механического или электромагнитного торможения.
Когда скорость ветра больше значения Vmin, определяющейся скоростью запуска ветродвигателя, и меньше Vmax, управляемый ключ 1 находится в положении 1, если АКБ уже заряжена полностью. При этом сложное по форме выходное напряжение с синхронного генератора выпрямляется, инвертируется с получением трехфазного напряжения №380 В частоты £=50 Гц и далее - поступает на нагрузку.
Если же АКБ заряжена не полностью, то ключ 1 процессором переводится в положение 2, при котором нагрузка начинает питаться от АКБ через инвертор.
Если скорость V>=Vmax, то при этом контроллер начинает ограничивать ток с выпрямителя, и напряжение на генераторе повышается. В этом случае электромеханический момент сопротивления вращению ротора уменьшается и последний может раскрутиться еще сильнее. Для препятствования развитию такого аварийного режима обычно предусматривают один из двух вариантов: а) аварийный останов ветроколеса; б) сбрасывание энергии от генератора на дополнительное балластное сопротивление.
В разрабатываемой ВЭУ предлагается использовать аэродинамический тормоз за счет управляемого втягивания ротора вверх, уменьшения ометаемой ветром поверхности ротора с возможностью её полного обнуления. Для осуществле-
ния торможения ротора предлагаемой конструкции ВЭУ целесообразно использовать два управляемых параметра изменяемой части геометрии этой ВЭУ: расстояний от нижней части ротора до верхнего края нижнего статора , и до края верхнего статора И^) соответственно (см. рис. 2,а).
В том случае, когда скорость ветра становится больше Vmax, возможны два случая. Если ключ 1 находился в положении 2, то контроллер заряда спустя очень короткое время начинает фиксировать полный заряд АКБ и тут же отключает её от генератора. Одновременно с этим процессор дает команды исполнительным устройствам аэродинамического тормоза на отработку останова ротора.
В том случае, когда превышение V>Vmax детектируется процессором в положении 1 ключа 1, то вначале производится переключение этого ключа в положение 2, а затем осуществляются уже описанные действия по отключению АКБ от генератора и торможение ротора.
Заметим, что предаварийные скорости вращения ротора могут детектироваться не только прямо - по показанию анемометра, но также и косвенно - по показаниям датчиков тока и напряжения на выходе генератора. Кроме того, аналогичные датчики на нагрузке позволяют дополнительно реагировать на значения тока и напряжения нагрузки, а также на их градиенты, и заблаговременно проводить останов ротора.
Использование дополнительно солнечных панелей (СП) требует подключения соответствующего контроллера заряда СП. Заметим, что использование одного контроллера заряда для ВЭУ и СП невозможно, так как транзисторы, как правило, использующиеся в контроллере заряда от СП, сгорят при напряжении на генераторе, близком к напряжению холостого хода при большой скорости вращения ротора в предаварийном режиме.
Для варьирования вырабатываемой на роторе аэродинамической мощности Ма используются изменяемые элементы геометрии ВЭУ (ИЭГ), которые отклоняются соответствующими исполнительными устройствами (ИУ) от своих нормальных положений для реализации заданного взаимодействия ветрового потока с ротором и статором ВЭУ. Для осуществления обратной связи по управлению ИЭГ используются соответствующие датчики их отклонения (ДИЭГ). Управляющие сигналы для ИУ вырабатываются в специальном блоке формирования управляющих импульсов для ИЭГ, регулируемого процессором.
Выводы. В работе произведено обоснование конструкции ВЭУ, которая может быть структурным элементом комплексной силовой энергетической установки, подлежащей применению на надводных кораблях малого водоизмещения с целью экономии топлива, в том числе на роботизированных платформах.
На основании вышеизложенного видно, что конструирование такой ВЭУ на основе принципа полезной интерференции статора и ротора и с использованием изменяемых элементов её геометрии является перспективным.
В работе проведен анализ конкретной формы ВЭУ с вертикальной осью вращения, осесимметричными статором и ротором, специальные формы которых и их компоновка получены в результате аэродинамической оптимизации по критерию максимума момента вращения ротора. В работе показано, что предлагаемая конструкция ВЭУ удовлетворяет всем ключевым требованиям по обеспечению безопасности, надежности и экономичности, обусловленным использованием соответствующей КСЭУ на судне малого водоизмещения, в том числе робототехнической надводной платформе, и значительно превосходит аналоги по вырабатываемой мощности - не менее чем на 30 % для самых лучших типов вертикально-осевых ВЭУ из перечня сравнения.
Для катера малого водоизмещения с мощностью двигательной установки Рдв = 1 0 кВт синтезирована обобщенная конструкция КСЭУ, вырабатывающая не менее чем 20 % энергии от Рдв при принятом минимальном значении относительной скорости потока V = 3 м/с.
Предложена система управления частотой вращения ротора с помощью одного изменяемого элемента геометрии разрабатываемой ВЭУ и показано, что перспективой дальнейшего развития ВЭУ в плане повышения эффективности их управления является использование изменяемых элементов геометрии. Эти элементы способны значительно повысить адаптивность системы управления выходными характеристиками ВЭУ, а следовательно - КСЭУ на её основе, существенно расширить динамический диапазон регулирования момента на роторе ветроэнергетической установки, а также робастность указанных характеристик к внешним ветровым и внутренним конструкционным параметрическим возмущениям.
В работе синтезирована обобщенная структурная электромеханическая схема КСЭУ, учитывающая особенности функционирования разрабатываемого ветроэнергетического модуля совместно с солнечными панелями.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Материалы официального сайта компании Eco Marine Power Co. Ltd. (EMP).
- http://www.ecomarinepower.com/en/about-us.
2. Материалы официального сайта фирмы Ocius Technology Limited. - http://ocius.com.au/ wind-assisted-shipping/opening-flat-plate-sails/.
3. Kostjukov V.A., Medvedev M. Y., Maevskiy A.M., Poluyanovich N.K., Dubyago M.N. Adaptive Mechatronic management System of Wind-Driven Power-Plant with Variable Geometry // 18th International Conference on micro/nanotechnologies and Electron Devices.
4. Kostjukov V.A., Medvedev M. Y., Maevskiy A.M., Poluyanovich N.K., Dubyago M.N. Control Law Synthesis of the Wind-Driven Power-Plant with Variable Geometry - ICEMIT-RAIEIC'2016.
5. Kostjukov V.A., Medvedev M. Y., Maevskiy A.M., Poluyanovich N.K. Research prospective wind power plant with a layout type "Rotor fairing" - XIII International Conference SAUM 2016.
6. Kostjukov V.A., Medvedev M. Y., Maevskiy A.M., Poluyanovich N.K. Optimization of constructive forms and mathematical model of wind-driven power-plant in tasks of increasing aerodynamic power - ICMEA 2016 international conference on material engineering and application.
7. Костюков В.А., Медведев М.Ю., Маевский А.М., Полуянович Н.К., Савченко В.В. Исследование перспективной ветроэнергетической установки с типом компоновки «ротор в раструбе» // Вестник ДГТУ. - 2017. - № 1 (88). - С. 85-91.
8. Костюков В.А., Медведев М.Ю., Маевский А. М., Полуянович Н.К., Савченко В.В. Оптимизация форм геометрии раструба ветроэнергетической установки типа «ротор в раструбе» // Вестник ДГТУ. - 2017. - № 4 (91). - С. 61-68.
9. Костюков В.А., Маевский А. М., Полуянович Н.К. Метод регулирования частоты вращения ротора ветроэнергетической установки за счет управления изменяемыми элементами геометрии // Сб. трудов 46 Международной научно-практической конференции «Фёдоровские чтения - 2016». - 2016.
10. Ying P., Chen Y.K., Xu Y.G., Tian Y. Computational and experimental investigations of an omni-flow wind turbine // Applied Energy. - 15 May 2015. - Vol. 146. - P. 74-83.
11. Rafal Wrozynski, Mariusz Sojka, Krzysztof Pyszny, Krzysztof Pyszny. The application of GIS and 3D graphic software to visual impact assessment of wind turbines // Renewable Energy.
- October 2016. - Vol. 96, Part A. - P. 625-635.
12. Qing'an Li, Junsuke Murata, Masayuki Endo, Takao Maeda, Yasunari Kamada. Experimental and numerical investigation of the effect of turbulent inflow on a Horizontal Axis Wind Turbine (part II: Wake characteristics) // Energy. - October 2016. - Vol. 113, 15. - P. 1304-1315.
13. Young Gun Heoa, b, Nak Joon Choic, Kyoung Ho Choib, Ho Seong Jia, Kyung Chun Kima. CFD study on aerodynamic power output of a 110 kW building augmented wind turbine // Energy and Buildings. - October 2016. - Vol, 129, 1. - P. 162-173.
14. Lin Wanga, Xiongwei Liub, Athanasios Koliosa. Renewable and Sustainable Energy Reviews. - October 2016. - Vol. 64. - P. 195-210.
15. Михненков Л.В. Ветроэнергетическая установка планетарного типа // Научный Вестник МГТУ ГА. Сер. «Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов». - 2002. - № 49. - С. 110-113.
16. Михненков Л.В. Ветроэнергетическая установка планетарного типа // Научный вестник МГТУ. - 2008. - № 125.
17. Wenyi Liu. Design and kinetic analysis of wind turbine blade-hub-tower coupled system // Renewable Energy. - August 2016. - Vol. 94. - P. 547-557.
18. Горелов Д.Н. Энергетические характеристики ротора Дарье (обзор) // Теплофизика и аэромеханика. - 2010. - Т. 17, № 3. - С. 325-333
19. Пат. на полезную модель «Устройство преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию с использованием нижней направляющей структуры» / Костюков В.А., Медведев М.Ю., Маевский А.М., Полуянович Н.К., Савченко В.В., от 11.08.2016 г. № 175397.
20. Хаскин Л.Я. Аэродинамика ветроколеса с обтекателем и выходным устройством // Ученые записки ЦАГИ. - 1993. - T. 24, № 4.
21. Оборский Г.А., Моргун Б.А., Бундюк А.Н. Методика расчета ветроколеса с самонастраиваемой лопастью // Пращ Одеського полггехшчного утверситету. - 2014. - Вип. 2 (44).
22. Пат. РФ № 2552635. (от 08 мая 2015г.). Устройство для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию / Савченко В.В., Степанов В.С. Опубликовано 10.06.2005 БИ № 16.
23. Пшихопов В.Х. Математические модели манипуляционных роботов: учебник. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008. - 117 с.
REFERENCES
1. Materialy ofitsial'nogo sayta kompanii Eco Marine Power Co. Ltd. (EMP) [Materials of the official website of Eco Marine Power Co. Ltd. (EMP)]. Available at: http://www.ecomarinepower.com/en/about-us.
2. Materialy ofitsial'nogo sayta firmy Ocius Technology Limited [Materials of the official website of Ocius Technology Limited]. Available at: http://ocius.com.au/ wind-assisted-shipping/opening-flat-plate-sails/.
3. Kostjukov V.A., Medvedev M. Y., Maevskiy A.M., Poluyanovich N.K., Dubyago M.N. Adaptive Mechatronic management System of Wind-Driven Power-Plant with Variable Geometry, 18th International Conference on micro/nanotechnologies and Electron Devices.
4. Kostjukov V.A., Medvedev M. Y., Maevskiy A.M., Poluyanovich N.K., Dubyago M.N. Control Law Synthesis of the Wind-Driven Power-Plant with Variable Geometry - ICEMIT-RAIEIC'2016.
5. Kostjukov V.A., Medvedev M. Y., Maevskiy A.M., Poluyanovich N.K. Research prospective wind power plant with a layout type "Rotor fairing" - XIII International Conference SAUM 2016.
6. Kostjukov V.A., Medvedev M. Y., Maevskiy A.M., Poluyanovich N.K. Optimization of constructive forms and mathematical model of wind-driven power-plant in tasks of increasing aerodynamic power - ICMEA 2016 international conference on material engineering and application.
7. Kostyukov V.A., Medvedev M.Yu., Maevskiy A.M., Poluyanovich N.K., Savchenko V.V. Issledovanie perspektivnoy vetroenergeticheskoy ustanovki s tipom komponovki «rotor v rastrube» [Investigation of a perspective wind power plant with the type of arrangement "rotor in the socket"], Vestnik DGTU [Bulletin of the DSTU], 2017, No. 1 (88), pp. 85-91.
8. Kostyukov V.A., Medvedev M.Yu., Maevskiy A. M., Poluyanovich N.K., Savchenko V.V. Optimizatsiya form geometrii rastruba vetroenergeticheskoy ustanovki tipa «rotor v ras-trube» [Optimization of geometry shapes of the socket of the wind power plant of the "rotor in the socket" type], Vestnik DGTU [Bulletin of the DSTU], 2017, No. 4 (91), pp. 61-68.
9. Kostyukov V.A., Maevskiy A.M., Poluyanovich N.K. Metod regulirovaniya chastoty vrashcheniya rotora vetroenergeticheskoy ustanovki za schet upravleniya izmenyaemymi elementami geometrii [The method for regulating the rotor speed of a wind power plant by controlling variable geometry elements], Sb. trudov 46 Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Fedorovskie chteniya [Proceedings of the 46th International Scientific and Practical Conference "Fedorov Readings - 2016"], 2016.
10. Ying P., Chen Y.K., Xu Y.G., Tian Y. Computational and experimental investigations of an omni-flow wind turbine, Applied Energy, 15 May 2015, Vol. 146, pp. 74-83.
11. Rafal Wrozynski, Mariusz Sojka, Krzysztof Pyszny, Krzysztof Pyszny. The application of GIS and 3D graphic software to visual impact assessment of wind turbines, Renewable Energy, October 2016, Vol. 96, Part A, pp. 625-635.
12. Qing'an Li, Junsuke Murata, Masayuki Endo, Takao Maeda, Yasunari Kamada. Experimental and numerical investigation of the effect of turbulent inflow on a Horizontal Axis Wind Turbine (part II: Wake characteristics), Energy, October 2016, Vol. 113, 15, ppP. 1304-1315.
13. Young Gun Heoa, b, Nak Joon Choic, Kyoung Ho Choib, Ho Seong Jia, Kyung Chun Kima. CFD study on aerodynamic power output of a 110 kW building augmented wind turbine, Energy and Buildings, October 2016, Vol. 129, 1, pp. 162-173.
14. Lin Wanga, Xiongwei Liub, Athanasios Koliosa. Renewable and Sustainable Energy Reviews. October 2016, Vol. 64, pp. 195-210.
15. Mikhnenkov L.V. Vetroenergeticheskaya ustanovka planetarnogo tipa [Wind power plant of planetary type], Nauchnyy VestnikMGTU GA. Ser. «Ekspluatatsiya vozdushnogo transporta i remont aviatsionnoy tekhniki. Bezopasnost' poletov» [Scientific Bulletin of the Moscow State Technical University, series Air transport operation and aviation equipment repair. Safety of flights], 2002, No. 49, pp. 110-113.
16. Mikhnenkov L.V. Vetroenergeticheskaya ustanovka planetarnogo tipa [Wind power plant of planetary type], Nauchnyy vestnik MGTU [Scientific Herald of the MSTU], 2008, No. 125.
17. Wenyi Liu. Design and kinetic analysis of wind turbine blade-hub-tower coupled system, Renewable Energy, August 2016, Vol. 94, pp. 547-557.
18. Gorelov D.N. Energeticheskie kharakteristiki rotora Dar'e (obzor) [Energy characteristics of the Darier rotor (review)], Teplofizika i aeromekhanika [Thermophysics and Aeromechanics], 2010, Vol. 17, No. 3, pp. 325-333.
19. Kostyukov V.A., Medvedev M.Yu., Maevskiy A.M., Poluyanovich N.K., Savchenko V.V. Pat. na poleznuyu model' «Ustroystvo preobrazovaniya kineticheskoy energii vetra v mekhanicheskuyu energiyu s ispol'zovaniem nizhney napravlyayushchey struktury» [Patent for the utility model "Device for converting the kinetic energy of wind into mechanical energy using the lower guiding structure"] dated 11.08.2016, No. 175397.
20. Khaskin L.Ya. Aerodinamika vetrokolesa s obtekatelem i vykhodnym ustroystvom [Aerodynamics of a wind wheel with a fairing and an output device], Uchenye zapiski TsAGI [Scientific notes TsAGI], 1993, Vol. 24, No. 4.
21. Oborskiy G.A., Morgun B.A., Bundyuk A.N. Metodika rascheta vetrokolesa s samonastraivaemoy lopast'yu [The method of calculating a wind wheel with a self-tuning blade], Pratsi Odes'kogo politekhnichnogo universitetu [Pratsi Odeskogo politehnicheskogo university], 2014, issue 2 (44).
22. Savchenko V.V., Stepanov V.S. Ustroystvo dlya preobrazovaniya kineticheskoy energii vetra v mekhanicheskuyu energiyu [Device for converting the kinetic energy of wind into mechanical energy]. Patent RF № 2552635. (May 08, 2015). Posted on 06/10/2005 BI № 16.
23. Pshikhopov V.Kh. Matematicheskie modeli manipulyatsionnykh robotov: uchebnik [Mathematical models of manipulative robots: Textbook]. Taganrog: Izd-vo TTI YuFU, 2008, 117 p.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор А.Р. Гайдук.
Медведев Михаил Юрьевич - Научно-исследовательский институт робототехники и процессов управления Южного федерального университета; e-mail: [email protected]; 347928, г. Таганрог, ул. Шевченко, 2; тел.: 89198927349; д.т.н.; ведущий научный сотрудник.
Костюков Владимир Александрович - e-mail: [email protected]; тел.: 89054787016; кафедра электротехники и мехатроники; к.т.н.; доцент.
Маевский Андрей Михайлович - e-mail: [email protected]; тел: 89885789938; кафедра электротехники и мехатроники; аспирант.
Павленко Дмитрий Дмитриевич - e-mail: [email protected]; тел.: 89889472618; кафедра электротехники и мехатроники; студент.
Medvedev Mikhail Yurievich - Research Institute of Robotics and Control Processes of the Southern Federal University; e-mail: [email protected]; 2, Shevchenko street, Taganrog, 347928, Russia; phone: +79198927349; dr. of eng. sc.; leading researcher.
Kostyukov Vladimir Alexandrovich - e-mail: [email protected]; phone: +79054787016; the department of electrical engineering and mechatronics; cand. of eng. sc.; associate professor.
Maevsky Andrey Mikhailovich - e-mail: [email protected]; phone: +79885789938; the department of electrical engineering and mechatronics; graduate student.
Pavlenko Dmitry Dmitrievich - e-mail: [email protected]; phone: +79889472618; the department of electrical engineering and mechatronics; student.
УДК 621.3(001.3+14.232)
В.А. Герасимов, А.В. Комлев, М.В. Красковский, А.Ю. Филоженко,
И.А. Чемезов
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТРАНСФОРМАТОРА СИСТЕМЫ БЕСКОНТАКТНОЙ ПЕРЕДАЧИ
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Рассматриваются вопросы построения системы бесконтактной передачи (СБПЭ) электроэнергии на борт автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) для заряда его аккумуляторных батарей. Объектом исследования в статье является специальный высокочастотный силовой трансформатор с разделяющимися первичной и вторичной частями, который входит в состав СБПЭ и в значительной степени определяет свойства системы. В качестве задачи исследования поставлено обоснование и разработка методики расчета конструктивных параметров трансформатора, удовлетворяющего заданным условиям эксплуатации и обеспечивающего передачу требуемой мощности. В основу исследований положено математическое моделирование электромагнитных процессов в трансформаторе в программном пакете ANSYS Maxwell в сочетании с натурным экспериментом. Выделены характеризующие параметры в виде коэффициента магнитной связи и удельной индуктивности витка обмотки и обосновано их применение для полной идентификации свойств исследуемого трансформатора. Предложена система относительных единиц, в которой характеризующие параметры имеют постоянное значение для любых сердечников одного типоразмера, что позволяет легко выполнять масштабирование результатов полученных технических решений при изменении требований по передаваемой мощности. Предложена методика определения аппроксимирующих полиномов, связывающих массивы значений коэффициента связи и удельной индуктивности с относительными значениями зазоров между контактными поверхностями частей трансформатора и межосевыми смещениями, появление которых возможно при выполнении автоматического причаливания подводного аппарата к объекту подводного базирования. Выполненные исследования позволили предложить и обосновать методику расчета основных конструктивных параметров трансформаторов при наборе исходных данных в виде сочетания заданных электрических характеристик и предъявляемых ограничений по точности стыковки контактных поверхностей частей трансформатора. Алгоритм расчета как определенная последовательность вычислительных блоков и условных переходов оформлен в виде блок-схемы. Блок схема в наглядном виде представляет взаимосвязи вычислительных операций и неформальным образом показывает пути оптимизации конструкции трансформатора. Полученные результаты относятся к ферритовым сердечникам чашечного типа, однако принятые в исследованиях подходы дают возможность расширения методики расчета к другим конструктивным обликам трансформаторов, которые могут найти применение в системе бесконтактной зарядки аккумуляторных батарей АНПА.
Автономный необитаемый подводный аппарат; заряд аккумуляторных батарей; бесконтактная передача электроэнергии; высокочастотный трансформатор; методика расчета.
