Высокоиспользованные электрические машины для современной энергетики: проблемы создания и исследований

• Автор: Кручинина, Ирина Юрьевна
• Шифр специальности: 05.09.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 229 с. : 58 ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ ВЫСОКООБОРОТНЫХ СИНХРОННЫХ МАШИН С ВОЗБУЖДЕНИЕМ ОТ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ
1.1 Современное состояние внедрения малоразмерных газотурбинных установок в России. Особенности исследований синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов
1.2 Напряженно-деформированное состояние ротора высокооборотного СГПМ
1.3 Оценка возможностей создания мини-турбогенераторов предельных мощностей. Электрические, магнитные и механические ограничения
1.4 Проблемы выбора натягов и посадок
1.5 Моделирование магнитной системы СГПМ
1.6 Зависимость основных геометрических размеров генератора от допустимых тангенциальных напряжений
1.7 Материаловедческие задачи для обеспечения необходимой прочности магнитной системы ротора
1.8 Комплексная математическая модель
1.8.1 Расчетные модели для выбора рациональных конструктивных решений
1.8.2 Синхронный генератор СГПМ-6,0-12000
1.9 Размерный ряд мини-турбогенераторов для малоразмерных газотурбинных установок мощностью 15-300 кВт
1.10 Перспективные материалы для повышения уровня использования высокооборотных генераторов
1.10.1 Материаловедческие возможности для увеличения электрических и магнитных нагрузок
1.10.2 Возможности улучшения параметров постоянных магнитов
ВЫВОДЫ
Глава 2. СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ОТ ТРЕНИЯ БОЧКИ РОТОРА О ВОЗДУХ. МЕТОД РАСЧЕТА ДОБАВОЧНЫХ ПОТЕРЬ ВО ВСЫПНЫХ ОБМОТКАХ СТАТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
2.1 Опытный образец базовой модели высокооборотного синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов СГПМ-1,2-18000 для экспериментальных материаловедческих исследований
2.1.1 Стендовые испытания лабораторной модели
2.1.2 Анализ потерь лабораторного образца СГПМ. Механические потери от трения о воздух
2.2 Экспериментальные исследования антифрикционных покрытий поверхности ротора высокооборотного синхронного генератора с постоянными магнитами
2.2.1 Органосиликатные антифрикционные покрытия
2.2.2 Эпоксисиликатные и эпоксититанатные покрытия для ротора
2.2.2.1 Исследование морфологии образцов антифрикционных покрытий
2.2.2.2 Исследование гидрофобности образцов антифрикционных покрытий и способов ее повышения
2.2.3 Покрытия на основе фторсодержащих поверхностно-активных веществ
2.3 Особенности проектирования пазовой зоны статора. Метод определения добавочных потерь во всыпных обмотках электрических машин
2.3.1 Потери в однослойной всыпной обмотке. Расчетные уравнения для токов в проводниках
2.3.2 Особенности расчета потерь в двухслойной всыпной обмотке. Расчетные уравнения для токов в проводниках
2.3.3 Анализ гармонического состава МДС однослойной обмотки

2.3.4 Методика расчета добавочных потерь на циркуляционные и вихревые токи во
всыпной обмотке
ВЫВОДЫ
Глава 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА УСИЛИЙ МАГНИТНОГО ТЯЖЕНИЯ В СИНХРОННЫХ МАШИНАХ ПРИ ВОЗНИКНОВЕНИИ ЭКСЦЕНТРИСИТЕТА РОТОРА
3.1 Применение классического метода расчета сил магнитного тяжения к современным высокооборотным синхронным машинам
3.2 Определение усилий радиального магнитного тяжения
3.2.1 Постановка задачи определения усилий радиального магнитного тяжения численным методом в режиме холостого хода
3.2.2 Численный расчет радиальных усилий магнитного тяжения
3.3 Влияние величины эксцентриситета на параметры и характеристики синхронных машин с постоянными магнитами
3.4 Постановка задачи определения усилий радиального магнитного тяжения численным методом в режиме нагрузки
3.5 Основные расчетные соотношения
3.5.1 Выбор начала координат; подразделение расчетной области
3.5.2 Радиальные усилия и их распределение вдоль расточки статора
3.6 Оценка точности определения усилий одностороннего тяжения
3.7 Оценка влияния пространственных гармоник на величину магнитного тяжения
3.8 Численная реализация метода расчета одностороннего магнитного тяжения ротора и
интегрального коэффициента
ВЫВОДЫ
Глава 4. ОПЫТ РАЗРАБОТКИ И СОЗДАНИЯ ВЕТРОТУРБИН. ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ НИЗКООБОРОТНЫХ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ДЛЯ ВЕТРОСТАНЦИЙ И МАЛЫХ ГЭС
4.1 Автономная интегрированная ветроэнергоустановка
4.2 Исследования различных конструкций ветротурбин с вертикальным валом. Выбор конструкции ветротурбины
4.3 Особенности разработки низкооборотных синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов
4.3.1 Выбор расположения постоянных магнитов
4.3.2 Особенности выбора типов обмоток статора. Многофазные обмотки с дробным числом пазов на полюс и фазу
4.3.2.1 Возможности снижения добавочных потерь и вибрации
4.3.2.2 Влияние учета открытия паза статора на величину потока в расточке
4.3.2.3 Преимущества концентрических обмоток
4.3.3 Ветрогенератор дисковой конструкции
4.3.4 Опытный образец синхронного генератора СГПМ-10-150Т (10 кВт, 380 В, 16,9 А, 150 мин"1)
4.4 Размерный ряд синхронных генераторов для применения в малой энергетике
ВЫВОДЫ
Глава 5. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКЦИИ И СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА РОТОРА НА РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С МАССИВНЫМ РОТОРОМ
5.1 Методы расчета асинхронных машин с массивным ротором
5.2 Двумерная математическая модель для исследования рабочих характеристик и энергетических параметров асинхронного двигателя с массивным ротором аналитическим и численным методами
5.2.1 Расчетная модель погружного АДМР мощностью 12 кВт

5.2.2 Определение рабочих характеристик асинхронного двигателя с массивным ротором мощностью 3150 кВт
5.3 Обоснование необходимости применения трехмерной расчетной модели для
исследования рабочих характеристик асинхронного двигателя с массивным ротором
5.4 Исследование влияния свойств материала массивного ротора на энергетические
показатели асинхронного двигателя с массивным ротором
5.5 Исследование влияния конструкции ротора на показатели эффективности асинхронного двигателя с массивным ротором
5.5.1 Массивный ротор и шлицованный ротор
5.5.2 Массивный ротор и двухслойный ротор
5.5.3 Влияние свойств материалов на энергетические показатели асинхронного двигателя с двухслойным ротором
ВЫВОДЫ
Глава 6. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОННЫХ МАШИН С МАССИВНЫМ РОТОРОМ НА ОСНОВЕ КОМБИНАЦИИ ЗАДАЧ ТЕОРИИ ЦЕПЕЙ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
6.1 Расчет магнитносвязанных контуров с сосредоточенными и распределенными параметрами
6.1.1 Особенности расчета магнитосвязанных контуров с сосредоточенными параметрами Zsiat(m), Zrot (т) с учетом насыщения магнитной цепи
6.1.2 Численный метод реализации системы
6.1.3 Особенности расчета магнитосвязанных контуров с распределенными параметрами ротора
6.1.4 Особенности определения рабочих характеристик асинхронного двигателя с учетом распределения поля токов в массивном роторе от высших пространственных гармоник статора (т> 1)
6.1.4.1 Соотношение МДС статора при т- 1 и т
6.1.4.2 Соотношение ЭДС статора при т = 1 и т
6.1.4.3 Напряжение двигателя при т = 1 и т
6.1.4.4 Особенности численного метода реализации уравнений (6.1)—(6.15), (6.22") при т = 1 и т
6.2 Особенности численной реализации определения рабочих характеристик асинхронных двигателей с массивным ротором
6.2.1 Дискретизация задачи расчета МДС массивного ротора. Выбор числа секторов по окружности и дисков по длине ротора
6.2.2 Результаты численных исследований рабочих характеристик АДМР
ВЫВОДЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ
1 Моделирование ветротурбины Дарье
2 Моделирование карусельной ветротурбины с вертикальным валом (6-, 8-, 9-лопастной)
3 Опытный образец ветроустановки
4 Модель оптимальной конфигурации. Демонстрационный макет
5 Документы о внедрении результатов диссертационного исследования

Малоразмерных ГТУ российского производства, конкурентоспособных зарубежным аналогам, на сегодня на рынке нет. Цена импортируемого оборудования выше, чем на мировом рынке и составляет по разным источникам от $2300/кВт до $4000/кВт (по данным технического отчета исследования рынка энергогенерирующего оборудования для малой энергетики Республиканского научно-технологического и информационного комплекса «Баштехинформ» 2009 г.).
В России по данным 2009 г. закуплено порядка 100 установок фирм Capstone Turbine Corporation, Elliot Energy Systems, Turbec [16]. В настоящее время объем закупок зарубежного оборудования составляет 50-60 штук в год.
Наиболее эффективным и рациональным подходом является разработка мини-турбогенераторов в составе серий или размерных (параметрических) рядов [15]. Внедрение в производство новых серий электрических машин требует существенных материальных затрат. Единовременная потребность в использовании результатов новых разработок возникает не всегда планово и целенаправленно. Целесообразным является разработка отдельных типоисполнений машин по конкретным заказам потребителей. При таком методе поэтапной разработки новой серии машин удобно опираться на предварительное построение размерных рядов на основе проектирования единой базовой конструкции, устанавливающих рациональную увязку выходных параметров и характеристик с габаритными размерами и электромагнитными нагрузками при заданных эксплуатационных требованиях [15].
Предметом исследований, изложенных в главе, является разработка высокооборотного СЕПМ для работы в составе малоразмерной энергетической газотурбинной установки, предназначенной для одновременной выработки электроэнергии и тепла, при полностью автономной или передвижной эксплуатации создаваемой ФЕУП У АП «Еидравлика» (г. Уфа) с 2009 г. Министерство промышленности и инновационной политики республики Башкортостан инициировало в 2010 г. инновационный проект «Создание унифицированного комплекса энергогенерирующего оборудования единичной электрической мощностью до 300 кВт с возможностью объединения в кластеры мощностью до 5МВт для децентрализо-