Высоковольтный высокооборотный генератор для автономных систем

Автор: Исмагилов Флюр Рашитович, Вавилов Вячеслав Евгеньевич, Бекузин Владимир Игоревич, Айгузина Валентина Владимировна

Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc

Рубрика: Информатика, вычислительная техника и управление

Статья в выпуске: 4-7 т.18, 2016 года.

Бесплатный доступ

В статье показана возможность создания высоковольтного высокооборотного генератора мощностью 230 кВт и массой 30 кг с максимальным КПД и минимальными массогабаритными показателями, определен его проектный облик при частоте вращения 50 000-70 000 об/мин и выходным линейным напряжением 4 кВ, проведены электромагнитные расчеты и экспериментальные исследования.

Автономные системы, высоковольтный высокооборотный генератор, аморфное железо

Короткий адрес: https://sciup.org/148204864

IDR: 148204864

Текст научной статьи Высоковольтный высокооборотный генератор для автономных систем

гательном режиме; возможность работы в импульсном режиме с мощностью, в несколько раз превышающей номинальную; высокая прочность при механических, тепловых и электромагнитных нагрузках и перегрузках; значительный ресурс и долговечность; самовозбуждение при отсутствии на АО дополнительного источника энергии; возможность работы на частотах вращения, соответствующих получению оптимальных характеристик приводного двигателя без применения редуктора. Причем частота вращения ротора исследуемого ЭМПЭ должна составлять 50 000–70 000 об/мин.

Поэтому целью данной работы является определение проектного облика высоковольтного (выходное линейное напряжение 4 кВ) высокооборотного (частота вращения 50 000–70 000 об/мин) генератора мощностью 230 кВт с максимальным КПД и минимальными массогабаритными показателями.

АКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВЫСОКООБОРОТНЫХ ЭМПЭ

Основные конструктивные и активные материалы, применяемые в высокооборотных ЭМПЭ, рассмотрены в работах [6, 7]. В то же время одна из важных составляющих высоковольтного ЭМПЭ, которая обеспечивает его работоспособность, – обмоточный провод обмотки статора, однако его исследования не приводятся в работах [6, 7]. Изоляция обмоточного провода должна обеспечивать длительный режим работы ЭМПЭ при температуре до 200–250 ºС и напряжении более 8 кВ. Известны обмоточные провода DAMID 240 [8], имеющие номинальный диаметр от 0,63 до 2 мм, срок эксплуатации 10 лет и напряжение пробоя 10 кВ. Важно отметить, что при проектировании обмоток высокооборотных высоковольтных ЭМПЭ следует учитывать возможность проявления в обмотках эффекта электрической короны, который особенно проявляется при напряжении обмоток более 6 кВ. Суть данного явления заключается в том, что вблизи изоляции обмоток из-за высокой напряженности электрического поля ионизируется воздух и образуется озон, при этом возможно образование азотной кислоты и разрушение изоляции. Для противодействия данному явлению применяются полупроводящие лаки, которые наносятся на поверхность изоляции.

Помимо температурных характеристик, обмоточный провод должен иметь такой номинальный диаметр, при котором обеспечивается максимальная прочность обмотки и технологич ность ее выполнения, а также минимальные по- тери на вихревые токи в проводниках, которые можно определить в следующем виде [9, 10]:

P вих

П BLx ( f ) 2 d "О' la

где B max – максимальное значение магнитной индукции; f - частота тока в обмотке; ст - удельная электрическая проводимость материала обмотки; d – диаметр провода; l – полная длина провода; a – число параллельных проводников в обмотке.

Как видно из (1), потери на вихревые токи определяются геометрическими размерами проводников обмотки, магнитной индукцией и частотой. Максимальное значение магнитной индукции варьируется в зависимости от конструкции пазовой зоны ЭМПЭ.

Так, в высоковольтном генераторе мощ-ностью 230 кВт с внешним диаметром статора 180 мм, немагнитным зазором 5-7 мм и полузакрытым пазом максимальное значение магнитной индукции составляет 0,07–0,09 Тл, потери на вихревые токи в проводниках при диаметре провода 0,63 мм и частоте 2000 Гц составляют 156 Вт [11].

При открытом пазе для высоковольтного генератора с такими же размерами и параметрами максимальное значение магнитной индукции составляет 0,11–0,13 Тл, соответственно, потери на вихревые токи при диаметре провода 0,63 мм и частоте 2000 Гц составляют 326 Вт [11].

Максимальное значение индукции и, соответственно, максимальные потери имеют место в беспазовом ЭМПЭ. Для рассмотренных параметров максимальная индукция в беспазовом ЭМПЭ составляет 0,3–0,4 Тл, соответственно, потери на вихревые токи в проводниках при диаметре провода 0,63 мм и частоте 2000 Гц составляют 2184 Вт. Поэтому в беспазовых высокооборотных высоковольтных генераторах необходимо выбирать такой диаметр провода, при котором потери на вихревые токи будут минимальными, однако необходимо учитывать усложнение технологии изготовления обмотки при уменьшении диаметра обмоточного провода. В частности, здесь можно рекомендовать провод Mediotherm 200 с температурным индексом 200, напряжением пробоя 10 кВ и номинальным диаметром 0,07–6 мм [12].

Поэтому в дальнейшем в статье при расчетах для беспазового генератора используется провод Mediotherm 200 диаметром 0,1 мм, для высоковольтного генератора с открытым пазом - Mediotherm 200 диаметром 0,5 мм, для высо- ковольтного генератора с полузакрытым пазом – DAMID 240 диаметром 0,63 мм.

В качестве материала для изготовления ВПМ высокооборотного высоковольтного ЭМПЭ, согласно рекомендациям, представленным в [9, 10], выбираются ВПМ марки Sm 2 Co 17, в качестве материала для изготовления бандажной оболочки ротора выбирается углепластик, для изготовления вала – сталь 30ХГСА.

Особое внимание при проектировании высокооборотных высоковольтных ЭМПЭ необходимо уделять материалу, из которого изготавливается магнитопровод статора. Основное требование к активным материалам для изготовления магнитопровода высоковольтных высокооборотных ЭМПЭ - минимальные удельные потери на вихревые токи и гистерезис, которые, согласно [6], в зависимости от частоты вращения ротора при синусоидальном магнитном потоке, определя- ются в виде:

Pw = k JB 2 — + k™ х| B— | + k№6 J B— | , (2) уд. гист               вих                   доб. вих

60 V 60 )         V 60 )

где k гист , k вих , k доб.вих – коэффициенты потерь на гистерезис, вихревые токи и добавочные вихревые токи соответственно, B – максимальная плотность потока, n – частота вращения ротора; p – число пар полюсов.

Для рассматриваемого высоковольтного генератора при массе магнитопровода статора 10 кг, индукции в магнитопроводе 1,3 Тл и частоте напряжения 1 000–2 000 Гц при применении стали Vacoflux 48 с толщиной листа 0,1 мм потери в железе варьируются от 400 до 1 100 Вт [13].

При применении стали 10JNEX900 с толщиной листа 0,1 мм на частоте 1 000-2 000 Гц и индукции 1,3 Тл удельные потери составляют от 450 до 1 200 Вт [7].

При использовании аморфного железа Metglas 2605 SA1 [14] при частоте напряжения 1 000– 2 000 Гц и индукции 1,3 Тл потери составляют от 60 до 90 Вт, что меньше других рассмотренных вариантов в 7-8 раз. Поэтому одной из перспектив для высокооборотных ЭМПЭ является применение в магнитопроводах аморфного железа, например Metglas 2605 SA1.

Недостатками, ограничивающими применение аморфного железа, является его низкая индукция насыщения (1,4–1,5 Тл), за исключением сплава Metglas 2605 CO , который имеет индукцию насыщения 1,8 Тл, а также сложность изготовления из них магнитопроводов.

В высокооборотном высоковольтном генераторе для обеспечения механической прочности ротора используется бандажная оболочка, что приводит к увеличению воздушного зазора и снижению основной гармоники магнитной индукции в воздушном зазоре до 0,6–0,5 Тл. С учетом температурного размагничивания ВПМ и размагничивания под действием магнитного поля реакции якоря основная гармоника магнитной индукции в воздушном зазоре может снижаться до 0,4–0,45 Тл (при беспазовой конструкции основная гармоника магнитной индукции в воздушном зазоре может снижаться до 0,25–0,3 Тл), при этом не будет происходить насыщения магнитопровода.

Для решения проблем технологичности применения аморфного железа разработаны различные способы производства магнитопроводов [15, 16], наиболее простым из которых является беспазовая конструкция. Поэтому представляется целесообразным при выборе конструктивной схемы высоковольтного высокооборотного ЭМПЭ произвести сравнение конструктивных исполнений магнитопровода, выполненного штамповкой из электротехнической стали, и различных конструкций магнитопроводов, выполненных из аморфного железа Metglas 2605 SA1.

ВЫБОР КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЭМПЭ

При выборе конструктивной схемы высоковольтного высокооборотного генератора рассматривались следующие варианты конструктивного исполнения:

  • -    высоковольтный генератор с распределенной обмоткой и шихтованным магнитопроводом из электротехнической стали (3 % Si , толщина листа 0,18 мм; вариант 1);

  • -    высоковольтный генератор с зубцовой обмоткой и магнитопроводом из аморфного железа конструкции, предложенной в [15], или с магнитопроводом из аморфного железа модульной конструкции, где каждый модуль является отдельной фазой генератора (вариант 2); электромагнитные характеристики данных конструкций являются аналогичными; их отличие состоит в том, что модульная конструкция имеет более высокий уровень критических частот вращения благодаря возможности введения дополнительных подшипниковых опор;

  • -    высоковольтный беспазовый генератор с кольцевой обмоткой и магнитопроводом из

аморфного железа конструкции, предложенной в [7] (вариант 3);

  • -    низковольтный генератор, сочлененный с повышающим трансформатором (вариант 4).

Расчеты производились с использованием аналитических методик, представленных в работах [7, 17], а также с помощью программного комплекса Ansoft Maxwell . Результаты расчетов представленных конструктивных схем и их сравнение приведены в таблице 1.

Из таблицы 1 видно, что наиболее эффективными конструктивными исполнениями высоковольтного высокооборотного генератора мощностью 230 кВт являются два варианта: высоковольтный высокооборотный генератор с распределённой трехфазной обмоткой (вариант 1) и высоковольтный беспазовый генератор с кольцевой обмоткой и магнитопроводом из аморфного железа (вариант 3), так как они обладают минимальной массой (39 кг и 30 кг соответственно) по сравнению с прочими конструктивными аналогами при электрическом КПД 98 %. Также с использованием программного комплекса Ansoft Maxwell авторами были произведены электромагнитные расчеты данных конструктивных исполнений.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ

В результате получены основные характеристики (табл. 1) высоковольтного высокооборотного генератора с трёхфазной распределённой обмоткой (вариант 1) и беспазового высоковольтного высокооборотного генератора с кольцевой обмоткой и магнитопроводом из аморфного железа (вариант 3) мощностью 230 кВт, с частотой вращения ротора 60 000 об/мин, частотой напряжения 2000 Гц, материал ВМП – Sm2Co17 .

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для проверки полученных результатов в ФГБОУ ВО «УГАТУ» был разработан макет маломощного беспазового ЭМПЭ (330 Вт). Радиальные и диаметральные размеры маломощного макета соответствуют расчетным геометрическим размерам (таблица 2), при этом активная длина макета в 10 раз меньше и составила 20 мм. Для сохранения постоянства немагнитного зазора на статоре был установлен немагнитный неэлектропроводящий экран.

Макет выполнен маломощным, так как ввиду отсутствия насыщения в магнитопроводе ЭМПЭ возможно линейное масштабирование его напряжения и мощности от длины и частоты вращения.

Ротор экспериментального макета был выполнен четырехполюсным из ВПМ Sm2Co17 . Частота вращения ротора экспериментального макета составляла 800 об/мин. Число витков в

Таблица 1. Критериальное сравнение вариантов конструктивного исполнения высоковольтного высокооборотного генератора

Вариант 1

Вариант 2

Вариант 3

Вариант 4

Номинальная мощность, кВт

230

230

230

230

Фазное напряжение, В

2000

2000

2000

Генератора 235 В, на выходе из трансформатора 2000 В

Число пар полюсов

2

2

2

2

Потери в меди, Вт

1052

2475

2100

Потери в магнитопроводе статора, Вт

1830

125

65

Потери на вихревые токи, Вт

156

147

110

Механические потери, Вт

830

830

830

830

Суммарные потери

3868

3577

3105

Технологическая сложность изготовления

Технология изготовления отработана

Техно-логия изготовления новая и обладает значительной сложностью

Технология изготовления простая и отработанная

Технология изготовления отработана, сложность заключается в необходимости изготовления трансформатора

КПД системы

0,988

0,988

0,989

генератора ηг = 0,988 трансформатора η т = 0,97 .

Полный КПД: η = ηгηт = 0,958

Масса активных элементов, кг

39

52–55

30

85

(масса системы)

Таблица 2. Расчетные характеристики высоковольтных высокооборотных ЭМПЭ под нагрузкой пазового и беспазового исполнения

Вариант 1

Вариант 3

Номинальный действующий ток, А

48,27

40

Действующее фазное напряжение, В

2012

2007

Число пазов

24

Число витков в фазе

72

200

Число проводников в пазу

18

3400

Число параллельных жил в проводнике

21

340

Диаметр голой жилы, мм

0,63

0,1

Высота ВПМ, мм

15

12

Масса, кг

39

30

фазе – 100. Для удобства намотки использовался провод диаметром 1,2 мм. В результате вращения при частоте 800 об/мин действующее выходное напряжение исследуемого макета составило 3,5 В (рис. 1).

Выходное напряжение, масса и мощность полномасштабного экспериментального образца определялись с использованием метода линейного масштабирования на основе экспериментальных данных, полученных для маломощного макета.

Так как длина полноразмерного беспазового генератора, рассчитываемого в статье, в 10 раз больше, а скорость вращения больше в 75 раз,

Рис. 1. Результаты экспериментальных исследований беспазового высоковольтного генератора

чем в макете, то, с учетом линейной зависимости выходного напряжения генератора от скорости и длины, величина выходного напряжения полноразмерного генератора составит 2 625 В. Это подтверждает результаты компьютерного моделирования и аналитических расчетов. Аналогичный результат получается с массой и мощностью генератора. То есть полученные расчетные результаты подтверждаются экспериментальными исследованиями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в статье показана возможность создания высоковольтного высокооборотного генератора мощностью 230 кВт и массой 30 кг. Определен проектный облик высокооборотного (частота вращения 50 000–70 000 об/ мин) высоковольтного генератора (выходное линейное напряжение 4 кВ) мощностью 230 кВт с максимальным КПД и минимальными массогабаритными показателями, а также проведены его электромагнитные расчеты и экспериментальные исследования.

Список литературы Высоковольтный высокооборотный генератор для автономных систем

  • Kolondzovski Z., Arkkio A., Larjola J. Power Limits of High-Speed Permanent Magnet Electrical Machines for Compressor Applications//IEEE Transactions on Energy Conversion. 2011. Vol. 26. № 1.P. 73-82.
  • Saban M., Gonzalez-Lopez D., Bailey C. Test Procedures for High-Speed Multimegawatt Permanent Magnet Synchronous Machines//IEEE Transactions on Industry Applications. 2010. Vol. 46. № 5. P. 1769-1777.
  • Borisavljevic A., Polinder H., Ferreira J. On the Speed Limits of Permanent-Magnet Machines//IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2010. Vol. 57. № 1. P. 220-227.
  • Chuchalin A.I., Safyannikov I.A., Rossomakhin I.N. High Voltage Electrical Machine Disk Generator//International Conference on Electrical Machines, ICEM 98 Istanbul Technical University, Istanbul, Turkey, September 2-4, 1998. Pp.530-534.
  • Intini Marques R., Gabriel S.B. Dual Stage Four Grid (DS4G) Ion Engine for Very High Velocity Change Missions//31st International Electric Propulsion Conference, Ann Arbor, Michigan, USA September 20-24, 2009.
  • Co Huynh, Liping Zheng, Dipjyoti Acharya. Losses in High Speed Permanent Magnet Machines Used in Microturbine Applications//Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. -March 2009. -Vol. 131.
  • Aleksandar Borisavljeviс Limits, Modeling and Design of High-Speed Permanent Magnet Machines//Printed by Wormann Print Service. -Zutphen, the Netherlands, 2011. -P. 209.
  • Damid 240. URL: http://www.smithbv.nl/cms/userfiles/files/DAMID-240.pdf
  • Электрический самолет: концепция и технологии/А.В. Левин, С.М. Мусин, С.А. Харитонов, К.Л. Ковалёв, А.А. Герасин, С.П. Халютин Уфа: УГАТУ, 2014. 388 с.
  • Elliott Energy Systems, Inc.2901 S.E. Monroe Street Stuart, FL 34997 772-219-9449. URL: http://www.tapower.com (дата обращения 21.07.2017).
  • Исмагилов Ф.Р., Хайруллин И.Х., Вавилов В.Е. Коэффициент полезного действия высокоскоростных электромеханических преобразователей энергии с высококоэрцитивными постоянными магнитами//Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2015. № 2 (538). С. 12-19.
  • Enamelled Copper Wires. URL: http://www.etem.bg/products/bg/229/brochures/copper-wires.pdf (дата обращения 21.07.2017).
  • Hans-Christian Lahne, Dieter Gerling Investigation of High-performance Materials in Design of a 50000 rpm Highspeed Induction Generator for Use in Aircraft Applications//AST 2015, February 24-25, Hamburg, Germany, pp. 1-10.
  • Magnetic Alloy 2605SA1 (iron-based). URL: http://www.elnamagnetics.com/wp-content/uploads/library/Metglas/2605SA1.pdf (дата обращения 21.07.2017).
  • Nicholas J. De Cristofaro, Dung A. Ngo,Richard L. Bye, Jr., Peter J. Stamatis, Gordon E. Fish Amorphous metal stator for a radial-flux electric motor//patent US6960860 B1, H02K1/14, H02K1/12, H02K15/02, 01.10.2005.
  • Man Mohan A synchronous machine with amorphous core//International Journal of Engineering Science and Technology. Vol. 4, No.06. June 2012. Р. 2596-2560.
  • Nikita Uzhegov, Janne Nerg and Juha Pyrhonen Design of 6-slot 2-pole High-Speed Permanent Magnet Synchronous Machines with Tooth-Coil Windings//ICEM 2014, At Berlin, Germany, Pp. 2525-2530.
Еще
Статья научная