CC BY
10Статья поступила в редакцию 23.10.14. Ред. per. № 2127
The article has entered in publishing office 23.10.14. Ed. reg. No. 2127
УДК 621.313.84
ВЕНТИЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
1 2 А.С. Мартьянов , Е.В. Соломин
Южно-Уральский государственный университет РФ 454080, Челябинск, пр. Ленина,76 тел.: (351) 267-98-94 'e-mail: martyanov_as@mail.ru 2e-mail: nii-uralmet@mail.ru
doi: 10.15518/isjaee.2014.19.004
Заключение совета рецензентов: 29.10.14 Заключение совета экспертов: 05.11.14 Принято к публикации: 12.11.14
Все больше разработчиков энергетических систем обращают свое внимание на генерирующие установки с газотурбинными двигателями. В таких энергетических установках к узлам и агрегатам предъявляют специфические требования, одним из которых является высокая частота вращения приводного вала генератора. При этом в качестве электрического генератора энергетической установки традиционно используется вентильная электрическая машина с радиальным магнитным потоком. В статье анализируется возможность применения вентильной электрической машины с аксиальным магнитным потоком в качестве электрического генератора газотурбинной энергетической установки, приводится описание предлагаемой конструкции электрической машины. В процессе исследования сравнивались основные характеристики генераторов с радиальным и аксиальным магнитным потоком. Показано, что вентильная электрическая машина с аксиальным магнитным потоком может успешно применяться вместо машины с радиальным магнитным потоком, обеспечивая более высокие: коэффициент полезного действия энергетической установки, меньшую стоимость изделия и возможность унификации составных частей генераторов при производстве семейства энергетических установок, нормированных на различные генерируемые мощности.
Ключевые слова: синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, вентильная электрическая машина с аксиальным магнитным потоком, расчет вентильных электрических машин.
PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MACHINE FOR POWER STATION
1 2 A.S. Martyanov , E. V. Solomin
South Ural State University, 76 Lenina Av., Chelyabinsk, 454080 Russian Federation phone: +7 (351) 267-98-94 1e-mail: martyanov_as@mail.ru 2e-mail: nii-uralmet@mail.ru
Referred 29 October 2014 Received in revised from 5 November 2014 Accepted 12 November 2014
Today more developers of power supply system pay attention to power stations based on gas turbine engines. These stations have specific requirements to its parts and units; one of it is a high speed of driving shaft of electric generator. Usually for generator of power station the permanent magnet synchronous machines with radial magnetic flux are used. The article describes the possibility to apply a permanent magnet alternator with axial magnetic fux for electric generator of gas turbine power station; there is a brief description of electric machine. The comparison of permanent magnet synchronous machines with radial and axial magnetic flux shows that electric generator with axial magnetic flux provides better efficiency and cost of gas turbine power station In addition, this solution can give a modularity of alternator parts in serial production in order to build a family of power stations for different power rates.
Keywords: permanent magnet synchronous machine, brushless DC machine with axial magnetic flux, electromagnetic field analysis, electric motor calculation.
ISJJOS
42
ъштш^
Мартьянов Андрей
Сергеевич Martyanov Andrey Sergeevich
Сведения об авторе: инженер кафедры электротехники и возобновляемых источников энергии Южно-Уральского государственного университета.
Образование: Окончил 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.
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.
Соломин Евгений Викторович Solomin Eugeniy Viktorovich
Сведения об авторе: д.т.н., профессор кафедры электротехники и возобновляемых источников энергии Южно-Уральского государственного университета.
Образование: Будапештский технический университет (Венгрия) в 1990 г., Московский станкоинструментальный институт (Мос-станкин) в 1990 г. по специальности «Роботы и робототехнические комплексы».
Область научных интересов: научная и преподавательская деятельность в области новых и возобновляемых источников энергии, ветроэнергетика, гибридные энергосистемы, водородные накопители и т.д.
Публикации: более 100.
Information about the author: PhD, professor of department of electricity and renewable energy at South Ural State University
Education: Budapest Technical University in 1990, Moscow Machine Tool Institute, department of Robots and Robotechnics Systems.
Area of researches: scientific research and education in the field of modern and renewable sources of energy. Publications: more than 100.
Введение
В настоящее время растет потребность в компактных и мобильных энергетических установках автономного применения, при этом все большую популярность приобретают энергетические установки на основе газотурбинных двигателей [1-3]. Такие установки обычно компактны и имеют высокую энергетическую эффективность, что позволяет применять их в мобильных подразделениях МЧС, ремонтных и аварийных службах, на летающих объектах и в вооруженных силах.
Главная особенность использования вентильной электрической машины совместно с газотурбинной установкой заключается в том, что для газовых турбин малых мощностей (50...500кВт) частота вращения ротора обычно высока и составляет несколько десятков тысяч оборотов в минуту [4-6]. Эта частота вращения приводного вала генератора позволяет существенно уменьшить габаритные размеры электрической машины, что должно привести к снижению стоимости изделия и положительно сказаться на эффективности использования конструкционных материалов.
м, Sxys, - о ~
'и1
с О
Среди других особенностей можно назвать влияние центробежных сил на вращающиеся элементы ротора генератора, которое приводит к соответствующим конструкционным ограничениям. Также следует обратить внимание на конструкцию ротора генератора, нередко имеющего резонансные частоты собственных колебаний в рабочей области, что может повлечь за собой разрушение конструкции.
Анализ существующих решений
Из всего многообразия различных типов электрических машин чаще всего в газотурбинных установках применяются вентильные электрические машины с возбуждением от постоянных магнитов с радиальным направлением магнитного потока [7]. Такие машины широко известны, обладают хорошими удельными характеристиками [8]. Анализ газотурбинных установок ведущих мировых производителей показал, что все фирмы для электрической части используют синхронную электрическую машину с возбуждением от постоянных магнитов на роторе с радиальным магнитным потоком.
Наиболее близким по характеристикам изделием является генератор газотурбинной установки фирмы
-О
N
Capstone [5]. Однако в связи с тем, что характеристики генераторной установки отдельно от газотурбинной установки неизвестны, то провести качественное сравнение не представляется возможным.
Указанные электрические машины обладают следующими недостатками [8,9]:
- реактивный момент создает пульсации крутящего момента, что может вызывать резонансные колебания, приводящие к разрушению конструкции;
- потери на перемагничивание в статоре конструкции приводят к снижению КПД электрической машины, что сильно сказывается на высоких рабочих частотах вращения;
- за счет высокой скорости вращения частота перемагничивания в стали составляет 1000-2000 Гц в зависимости от скорости ротора; это приводит к повышенным потерям в стали и соответственно низкому КПД генератора;
- сложная балансировка, невозможная в собранной конструкции;
- сложная система охлаждения.
Описание предлагаемого решения
В качестве альтернативного варианта для газотурбинной установки была предложена вентильная электрическая машина с аксиальным магнитным потоком [10]. Это сравнительно новый класс электрических машин, которому еще предстоит занять свою нишу на рынке.
Принцип работы машины заключается в следующем. Магнитное поле от постоянных магнитов, которые вращаются, пронизывает неподвижную трехфазную обмотку, наводя в ней ЭДС вращения. Обмотка якоря не содержит ферромагнитного материала (диамагнитная).
Конструкция вентильной электрической машины с аксиальным магнитным потоком показана на рисунке.
Одна секция
Генератор в сборе
Рис. Вентильная машина с аксиальным магнитным потоком Fig. Permanent magnet synchronous alternator with axial flux
Электрическая машина аксиальной конструкции обладает рядом преимуществ в сравнении с радиальной:
- отсутствуют потери на перемагничивание в статоре из-за отсутствия стали магнитопровода, что может обеспечить высокий КПД и малые потери на нагрев;
- улучшается компоновка узлов газотурбинной установки вследствие рационального использования объема, отведенного для электрической машины;
- простая организация секционирования электрической машины позволяет разделить фазы в обмотке по модулям, что обеспечивает возможность изготавливать обмотки многофазными;
- модульное исполнение электрической машины позволяет провести унификацию изделия при организации производства семейства газотурбинных установок с различной мощностью.
№ 19 (159) 2014
Анализ предлагаемого решения
При исследовании свойств и характеристик конструкции электрической машины с аксиальным магнитным потоком было определено, что мощность генератора увеличивается от наружного диаметра в квадратичной зависимости [11]. Однако сдерживающим фактором для применения такой машины в газотурбинной установке явилось ограничение наружного диметра вращающихся частей, возникающее из-за механической прочности элементов конструкции. Таким образом, наружный диаметр был ограничен размером 60 мм. Расчеты показали, что при частоте вращения 70 000 об/мин для исследуемой электрической машины с этим диаметром можно получить мощность около 10.. .12 кВт. Соответственно, для получения мощности 100 кВт исследуемая машина должна содержать 9 секций по 11...12 кВт.
Для упрощения технологии сборки предложены следующие конструктивные решения:
- обмотка разделяется по фазам следующим образом: три секции под фазу А, три секции под фазу В, три секции под фазу С;
- обмотки выполняются симметричными; сдвиг фаз осуществляется сдвигом постоянных магнитов на 120 электрических градусов (при 12 полюсной системе это составляет 20 геометрических градусов);
- обмотка разделяется на 2 части и в готовом изделии собирается из двух половин статора, что позволяет выполнять балансировку ротора в самом изделии и существенным образом упростить общую сборку.
Расчет электрической машины выполнен с помощью методик и программных средств, разработанных на кафедре электромеханики и электромеханических систем ЮУрГУ [12]. Электромагнитные расчеты подтвердили
возможность обеспечить требуемые характеристики в заданных габаритных размерах.
Для оценки эффективности было проведено сравнение двух типов вентильных электрических машин с радиальным и аксиальным магнитным потоком. Результаты сравнения приведены в таблице.
Сравнительный анализ вариантов конструкций Comparison of radial and axial flux alternators
м, Sxys,
- О ~ 'и1
Таблица Table
с о
Сравниваемые параметры Радиальная Аксиальная
конструкция конструкция
Номинальная мощность при 70 тыс. об/мин, кВт 110 110
Номинальное выпрямленное напряжение, В 600 600
Потери в меди, кВт 2,5 3,5
Потери в стали, кВт 5 нет
КПД 0,949 0,963
Масса ротора, кг 11,5 10
Масса магнитов, кг 0,95 2,6
Масса меди, кг 3 0,92
Масса всех активных частей, кг 30 12
i-, to I £
Выводы
Основываясь на анализе сравнения вентильных электрических машин с радиальным и аксиальным магнитным потоком можно определить следующие существенные различия:
- аксиальная конструкция вентильной электрической машины не имеет потери в стали, у нее высокий КПД и малые потери на нагрев;
- применяя аксиальную конструкцию генератора можно улучшить компоновку узлов газотурбинной установки;
- секционирование аксиальной электрической машины позволяет разделить фазы в обмотке и выполнить обмотки многофазными, что должно снизить пульсации момента на валу генератора и повысить эффективность электрического преобразователя;
-О
N
- недостаток аксиальной машины заключается в том, что наличие большого немагнитного зазора в роторе генератора требует применения мощных постоянных магнитов, а это ведет к усложнению конструкции.
Таким образом, проведенное исследование демонстрирует возможность и эффективность применения вентильных электрических машин в газотурбинных энергетических установках, при этом показано, что такие электрические машины могут иметь характеристики даже более высокие, чем у традиционных электрических машин с радиальным магнитным потоком.
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 23.05.2013г.
Список литературы
References
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 А. С. Газотурбинные энергетические установки. М.: Издательский дом МЭИ, 2011.
3. 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.
4. Кручинина И.Ю., Антипов В.Н. Проблемные вопросы создания высокоскоростных мини-турбогенераторов и пути их решения // Информационно-управляющие системы. 2012. № 4. С. 25-34.
5. Capstone C200 MicroTurbine Technical Reference Manual. 410066 Rev A, Capstone Turbine Corporation. Chatsworth, CA (September 2008).
6. Антипов В.Н., Данилевич Я.Б. Быстроходные электрические машины для энергетики: состояние и тенденции развития // Электротехника. 2007. №6. С. 2-5.
7. Копылов И.П. Электрические машины. М.: Высш. шк., 2006. 607 с.
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. 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.
12. 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.
1. Danilevich Ya.B., Antipov V.N., Kruchinina I.Yu., Hozikov Yu.F. Mikroturbogeneratory povysennoj mosnosti - vozmoznosti i perspektivy. International Scientific Journal "Al'ternativnaä energetika i ekologiä" (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 MEI, 2011 (in Russ.).
3. Halstead R., Solomin E. Technical Features and Advantages of SRC-Vertical Wind Turbines International Scientific Journal "Al'ternativnaa energetika i ekologia" (ISJAEE), 2010, no. 1, pp. 36-41.
4. Kruchinina I.Yu., Antipov V.N. Problemnye voprosy sozdania vysokoskorostnyh mini-turbogeneratorov i puti ih resenia, Informacionno-upravläusie sistemy, 2012, no. 4, pp. 25-34 (in Russ.).
5. Capstone C200 MicroTurbine Technical Reference Manual, 410066 Rev A, Capstone Turbine Corporation, Chatsworth, CA (September 2008).
6. Antipov V.N., Danilevich Ya.B. Bystrohodnye elektriceskie masiny dla energetiki: sostoanie i tendencii razvitia. Elektrotehnika, 2007, no. 6, pp. 2-5 (in Russ.).
7. Kopylov I.P. Elektriceskie masiny. Moscow: Vyss. sk., 2006, 607 p. (in Russ.).
8. Kindryashov A.N., Martyanov A.S., Solomin E.V. Elektriceskie masiny vetroenergeticeskih ustanovok s vertikal'noj os'ü vrasenia. International Scientific Journal "Al'ternativnaä energetika i ekologiä" (ISJAEE), 2013, no. 1-2 (118), pp. 59-62 (in Russ.).
9. Danilevich Ya.B., Boguslavskij I.Z. Asinhronizirovannye sinhronnye generatory dla vetrostancij i malyh GES. International Scientific Journal "Al'ternativnaä energetika i ekologiä" (ISJAEE), 2004, no. 7, pp. 19-21 (in Russ.).
10. Gandja S.A. Analiz elektromagnitnoj mosnosti dla razlicnyh konstruktivnyh ispolnenij ventil'nyh masin s aksial'nym potokom. Vestnik of South Ural State University, Ser. «Energetika», 2010, Issue. 14, no. 32, pp. 64-69 (in Russ.).
11. Antipov V.N., Kruchinina I.Yu., Grozov A.D., Ivanova A.V. Zakonomernosti izmenenia parametrov razmernogo rada mini-turbogeneratorov dla malorazmernyh gazoturbinnyh ustanovok. Elektricestvo,
2013, no. 12, pp. 51-56 (in Russ.).
12. Gandja S.A., Martyanov A.S. Metodika uskorennogo rasceta sinhronnyh generatorov s aksial'nym magnitnym potokom. International Scientific Journal "Al'ternativnaä energetika i ekologiä" (ISJAEE),
2014, no. 5 (145), pp. 42-44 (in Russ.).
м,
- G -'M1
с о
-О
N
Транслитерация no ISO 9: 1995
ISJJOS
46
