EN
Одним из перспективных направлений развития энергетики является применение распределенных систем энергоснабжения на базе технологий интеллектуальных сетей (Smart Grid). Одним из ключевых элементов таких систем являются установки по генерации тепловой и электрической энергии. Для систем автономной и распределенной энергетики востребованными являются установки мощностью 50 – 250 кВт работающие на газовом топливе. В указанном диапазоне мощностей наиболее эффективными являются системы, созданные на основе высокооборотных газовых микро-турбин. Одним из ключевых элементов таких систем является высокооборотный электрогенератор. Поэтому актуальной является задача разработки такого электрогенератора.
Группой ученых кафедры «Электрические машины и аппараты» при поддержке гранта Министерства и образования науки Российской Федерации разработан, изготовлен и испытан высокооборотный электрогенератор для работы совместно с газовой микро-турбиной мощностью 100 кВт и частотой вращения 100 000 об/мин. Основной проблемой для высокооборотных электрических машин является обеспечение прочности ротора. Применение в качестве электрогенератора синхронной электрической машины с постоянными магнитами на роторе не позволяет достичь заданной мощности 100 кВт при частоте вращения 100 000 об/мин. Мощность ограничена прочностными характеристиками возможных для применения материалов бандажа. удерживающего постоянные магниты на роторе. Поэтому электрогенератор был выполнен в виде высокооборотной асинхронной электрической машины с массивным ротором. В разработанной конструкции вал и ротор являются единой деталью выполненной из высокопрочной нержавеющей стали с магнитными свойствами. Применение такого подхода позволило преодолеть ограничение мощности и получить требуемое значение в 100 кВт при частоте вращения 100 000 об/мин.
Для работы совместно с высокооборотной асинхронной электрической машиной был разработан статический преобразователь электроэнергии на IGBT-модулях. В конструкции преобразователя применен принцип пространственного расположения силовых модулей позволивший существенно снизить габариты устройства.
Статор разработанного высокооборотного электрогенератора имеет пазовую, традиционную для электрических машин переменного тока, конструкцию. Для снижения потерь от высших пространственных и временных гармонических составляющих магнитного поля в разработанном высокооборотном электрогенераторе была использована пятифазная обмотка статора. Применение такой обмотки совместно со специальными методами модуляции выходного напряжения статического преобразователя электроэнергии с контролируемым гармоническим составом позволило обеспечить снижение потерь от высших гармонических составляющих до приемлемого уровня. Эти данные подтвердились в ходе проведения экспериментальных исследований.
Также, для улучшения характеристик разработанного электрогенератора и уменьшению влияния высших гармонических составляющих магнитного поля в конструкции также были использованы дополнительные меры, такие как магнитные клинья из композитного материала. Был определен количественный и качественный состав связующего вещества и ферромагнитного заполнителя. В результате было достигнуто снижение индуктивности рассеяния обмотки статора и уменьшение зубцовых пульсаций магнитного поля в зазоре электрической машины. В результате применения специальной технологии изготовления магнитных клиньев обеспечивается герметичность пазов статора и отсутствие неравномерности внутренней поверхности статора. Благодаря этому снижается аэродинамическое сопротивление вращению ротора, оказывающее существенное влияние на работу высокооборотных машин.
Работоспособность высокооборотного электрогенератора во многом определяется принципами и алгоритмами, реализованными в системе управления. Поэтому система управления электрогенератором была создана с использованием принципов векторного регулирования. Для выполнения предварительных исследований и настройки системы управления на этапе проектирования была разработана математическая модель высокооборотной асинхронной электрической машины, учитывающая вытеснение тока в массивном роторе. Для определения параметров модели была разработана методика, основанная на использовании данных расчетов о распределении магнитного поля в активной области электрической машины.
Для выполнения экспериментальных исследований был разработан и изготовлен испытательный стенд, позволяющий проводить испытания с использованием принципа взаимной нагрузки. С его использованием был выполнен полный цикл испытаний двух изготовленных экспериментальных образцов высокооборотного электрогенератора. Применение принципа взаимной нагрузки позволило выполнять в полном объеме и во всем диапазоне частоты вращения испытания разработанного электрогенератора без использования стороннего источника вращающего момента, такого как газовая микро-турбина или электродвигатель.
По результатам проведения испытаний было установлено, что разработанный высокооборотный электрогенератор обеспечивает заданное сочетание мощности и частоты вращения и соответствует всем требованиям Технического задания на разработку.
Основной областью созданного высокооборотного генератора являются электрогенерирующие установки на базе газовых микротурбин. Они могут применяться как в составе автономных или распределенных энергетических систем, так и в качестве энергетических модулей на железнодорожном транспорте.
Перспективным решением для легкого рельсового транспорта является применение гибридных технологий. Использование энергетических модулей на основе газовых микротурбин и накопителей электроэнергии экономически оправдано и удовлетворяет все более ужесточающимся экологическим требованиям. Применение легкого рельсового транспорта, например, рельсовых автобусов, возможно для организации городского и пригородного движения.
В ходе выполнения исследований был получен ряд научных результатов, позволяющих переходить к производству эффективных высокооборотных электрических машин. Разработан научно обоснованный поход к выбору типа электромеханического преобразователя и структуры высокооборотного электрогенератора как управляемой электромеханической системы, предложены и обоснованы меры по снижению потерь в статоре и роторе от высших гармоничеких составляющих магнитного поля. Создана методика позволяющая проводить исследования электромагнитных процессов в электромеханическом преобразователе высокооборотного электрогенератора на этапе проектирования. Выработаны практические рекомендации по разработке конструкции и технологии изготовления полупроводникового преобразователя электроэнергии, электромеханического преобразователя и системы управления.
Применение полученных результатов и технических решений позволяет перейти к созданию микро-газотурбинных установок мощностью 100 кВт не уступающих по своим характеристикам продукции лидеров мирового рынка. В перспективе возможно повышение мощности установок до 250 кВт. Это позволит создавать конкурентоспособные микро-энергетические комплексы на базе газовых микро-турбин для замещения импортных образцов
Энергетические системы на базе микро-газотурбинных установок (микро-ГТУ) предназначены для создания автономных систем электроснабжения отдаленных или расположенных в труднодоступной местности объектов. Также, существует потребность в устройствах автономной генерации как резервных источников электроэнергии для потребителей, не допускающих перерывов в электроснабжении, в сельском хозяйстве. Наиболее востребованными для решения перечисленных задач являются установки мощностью 50 – 200 кВт.
В указанном диапазоне мощностей преимуществами микро-ГТУ по сравнению с дизель-генераторными установками являются большая энергетическая эффективность, низкая стоимость топлива, малый уровень вредных веществ в атмосферу, меньшие затраты на обслуживание. В отличие от газопоршневых установок, микро-ГТУ могут работать в более широком диапазоне изменения нагрузок . Эти преимущества позволяют использовать микро-ГТУ на объектах с неравномерным потреблением электрической и тепловой энергии, в местах с жесткими требованиями к выбросам в окружающую среду.
Электрогенератор предназначен для работы в составе микро-ГТУ. Его преимуществом является расположение на едином валу с турбиной. Это позволяет отказаться от использования редуктора, упростить конструкцию, снизить потери энергии и затраты на обслуживание.
При указанном сочетании мощности и частоты вращения использование роторов с постоянными магнитами невозможно, поэтому генератор выполнен в виде всинхронной электрической машины с массивным ротором.
Расчетным путем была определена и обоснована компоновка и конструкция электрогенератора, рассчитаны его размеры, выбрана схема преобразователя электроэнергии, разработаны алгоритмы и создано программное обеспечение системы управления, обосновано использование пятифазной обмотки статора и пятифазного статического полупроводникового преобразователя, что позволяет снизить массогабаритные показатели. Для снижения потерь в электрической машине от высших гармонических составляющих выбран и принят способ формирования выходного напряжения преобразователя с контролируемым гармоническим составом. В результате анализа схемных решений преобразователя электроэнергии для работы с высокооборотным электрогенератором была выбрана структура преобразователя с явно выраженным звеном постоянного тока и реостатным тормозом, предложен и реализован активный выпрямитель на полностью управляемых силовых полупроводниковых приборах.
Для испытаний высокооборотного электрогенератора, был разработан и изготовлен испытательный стенд позволяющий проводить испытания на полной рабочей частоте вращения по методу взаимной нагрузки. Для чего, согласно разработанной эскизной документации были изготовлены два экспериментальных образца высокооборотного электрогенератора.
В ходе проведения исследовательских испытаний было подтверждено, что экспериментальный образец электрогенератора способен обеспечить требования, заданные техническим заданием проекта, в том числе вырабатываемую мощность 100 кВт при частоте вращения ротора 100 000 об/мин.
Положительные результаты испытаний в сочетании с современными методами и решениями, положенными в основу созданного электрогенератора, подтверждают новизну, высокий уровень изделия, возможность его использования в составе микро-ГТУ и высокую конкурентоспособность.
Потребителями разработанной продукции – высокооборотного электрогенератора для использования совместно с газовой турбиной в составе микро-газотурбинной установки могут выступать научно-исследовательские, проектные и производственные организации, занимающиеся созданием и производством автономных электрогенерирующих систем на базе двигателей внутреннего сгорания. С использованием разработанных в ходе выполнения ПНИЭР электрических машин возможно создание автономных систем электрогенерации на базе микро-газотурбинных установок модульного типа.
Разработанные в результате выполнения ПНИЭР высокооборотный электрогенератор с системой управления позволят создать многоблочную автономную электрогенерирующую систему стационарного и мобильного исполнения на основе микро-газотурбинных установок для энергообеспечения децентрализованных объектов и как следствие снизить стоимость электрификации. Создание аварийных (дублирующих) систем энергообеспечения особо важных социальных объектов в мобильном исполнении позволит в кратчайшие сроки обеспечить электрической энергией объекты, попавшие в чрезвычайную ситуацию.
Иллюстрации
