Передача, распределение и накопление электроэнергии

Нетрадиционные электромеханические преобразователи комплексного использования возобновляемых источников энергии.

17 февраля 2015 г. в 14:16

Достигнутый материальный и научно-технический уровень развития общества всегда обеспечивал возможность соответствующего увеличения энергетических мощностей, но одновременно порождал новые проблемы технического, экономического, экологического и социального характера. В этом смысле ориентация на расширенное использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) имеет объективные основания, так как существенно снижает остроту этих проблем и обусловлена всем ходом материально-технического развитии общества.

Наиболее рациональным решением этого сложного социально-экономического вопроса является освоение одновременно нескольких ВИЭ с целью заметно снизить себестоимость электроэнергии производимой в системе нетрадиционной энергетики. Однако здесь имеется ряд препятствий, главное из которых – отсутствие энергоустановок, комбинирующих несколько ВИЭ с целью суммирования их энергии [1].

Существенная неравномерность поступления ВИЭ, полная невозможность их детерминирования и воздействия на их естественные природные характеристики остро ставят вопрос обеспечения независимости выходных параметров электромеханических преобразователей (например, величины и частоты выходного напряжения в генераторном режиме) от входных параметров (частоты вращения и момента на валу).

Отсюда вытекает основное требование к нетрадиционным электромеханическим преобразователям энергии (ЭМПЭ). Он должен обеспечить удовлетворительный уровень колебания (не более ±10%) выходных параметров (величины и частоты напряжения – в генераторном режиме работы; момента и угловой скорости вращения – в двигательном режиме) при постоянных, резких и многократных по величине колебаниях входных параметров. Это требование принципиально отличает традиционные и нетрадиционные ЭМПЭ и является основой для создания рациональной конструкции нетрадиционных ЭМПЭ.

Этим условиям в значительной степени удовлетворяет двухмерная электрическая машина (ДЭМ) [2], как одна из первых немногих разработок в области нетрадиционной электромеханики. ДЭМ способна одновременно преобразовывать энергию от двух совершенно независимых ВИЭ и обеспечить непрерывность протекания переходного процесса в машине. ДЭМ была разработана под руководством заведующего кафедрой электротехники КубГТУ профессора Гайтова Б.Х. [3]. В настоящий момент ДЭМ награждена золотой медалью и оценена как объект промышленной собственности на сумму в 12.5 млн. руб. на Х международном салоне промышленной собственности «Архимед-2007».

Потребляя одновременно энергию Солнца (предварительно преобразованную в электрическую с помощью фотоэлектрического преобразователя) и механическую энергию, например ветра, на выходе ДЭМ снимается суммарная энергия в виде механической (режим двигателя) или электрической (режим генератора ДЭМ-Г), в зависимости от режима работы машины.

Таким образом ДЭМ-Г может вырабатывать электроэнергию в течении года, потребляя электричество от накопителя энергии лишь ночью, или от накопителя механической энергии в моменты отсутствия или сильного ослабления ветра. Исходя из своеобразной «механико-электрической» сети, разработана конструкция ДЭМ-Г, сочетает в себе комбинацию элементов электрической машины (ЭМ) переменного и постоянного тока.

Компактные ДЭМ при достаточно простой технологии изготовления получаются при выполнении ротора и якоря цилиндрическими, причем якорь у таких машин имеет стандартное исполнение. Это достаточно справедливо для ДЭМ работающих в двигательном режиме работы. ДЭМ-Г отличается конструктивно оригинальным выполнением и ротора и якоря.

На рис. 1 изображен общий вид (в разрезе) предлагаемой ДЭМ-Г.ДЭМ-Г размещается на двух опорах 1 в подшипниках 2, обеспечивающих одновременное вращение якоря и ротора машины. Она содержит якорь 3 машины постоянного тока общепринятой конструкции с обмоткой 4, уложенной в пазах якоря, коллектор 5 с щетками 6, к которым подключены провода 7. Также в пазах якоря уложена трехфазная генераторная обмотка переменного тока 11, соединённая с кольцами 13. Щетки 12 посредством проводов 14 связывают обмотку 11 с сетью переменного тока, с целью передачи выработанной электроэнергии потребителям. В корпус 10 впрессован шихтованный магнитопровод ротора 8, в пазах которого уложена короткозамкнутая обмотка 9 по типу роторных обмоток асинхронных двигателей.

Рис. 1. Двухмерная электрическая машина – генератор

Работа ДЭМ основана на электромагнитном взаимодействии магнитного поля якоря Фa (Рис. 2) и индуктированного им в обмотке ротора переменного тока при вращении последнего [4]. Если ротор 4 с магнитопроводом 5 привести в движение (например, от вала ветроагрегата), то в короткозамкнутой обмотке 6, индуктируется ЭДС самоиндукции за счет электромагнитного взаимодействия с потоком Фa. Эта ЭДС, в свою очередь, создает ток в обмотке ротора создающий свое вращающееся магнитное поле Фр. Взаимодействие этих двух полей создает результирующее магнитное поле Фδaр и результирующий электромагнитный момент Мэa. Якорь 1 приходит во вращение в том же направлении что и ротор, но с угловой скорость na большей, чем угловая скорость nr вращения ротора 4, а в трехфазной генераторной обмотке якоря 11 (рис. 1) возникает переменный электрический ток, который через контактные кольца 13, щетки 12 и провода 14 подается к потребителю.

Рис. 2. Двухмерная электрическая машина – генератор в поперечном разрезе.

Частота вращения якоря машины постоянного тока определяется зависимостью

, (1)

где nа– скорость вращения якоря, Ua – подводимое к якорю напряжение, Ra и Ia– активное сопротивление и ток в обмотке якоря соответственно, се – постоянный коэффициент, Фр – поток машины.

Из 1 видно, что изменение напряжения Ua приводит к соответствующему изменению частоты вращения якоря, т.е. при повышении напряжения Ua частота вращения растет, и, наоборот, при уменьшении - падает.

Поэтому для стабилизации выходной частоты вращения ДЭМ-Г (а следовательно и частоты выходного напряжения) при всевозможных изменениях механической энергии, необходимо изменять уровень подаваемого напряжения на вход ДЭМ пропорционально этим изменениям. Это можно добиться путем создания гибкой системы управления ДЭМ-Г.

Данная конструкция ДЭМ-Г может быть с успехом использована в САЭ небольших бытовых или промышленных объектов в труднодоступной местности, где установленные мощности потребителей малы и создавать протяженные электрические сети для снабжения этих потребителей дорого и нерационально.

Блок управления может быть полностью автоматизирован, что является ещё одним преимуществом её применения, так как постоянно держать квалифицированный обслуживающий персонал на мелких объектах представляется нерациональным со всех точек зрения.

Развитие теории и практики традиционной электромеханики с широким использованием вычислительных машин для решения расчетных, оптимизационных и других задач изменяет и одновременно упрощает подход к разработке рациональных ЭМПЭ для нетрадиционной энергетики.

ДЭМ аксиальной конструкции имеют ряд преимуществ перед цилиндрическими. Основными преимуществами можно считать безотходную и более простую технологию изготовления технологию их изготовления, меньшие удельные затраты активных материалов. Применительно к ДЭМ-Г у аксиальной конструкции существует ещё один большой плюс — это больший чем у машин цилиндрической конструкции момент инерции ротора и якоря. Так как ДЭМ-Г в силу своей специфики работает нормально в режиме постоянного переходного процесса для обеспечения стабилизации параметров выходного напряжения желательно, чтобы время переходного процесса было максимальным (в отличие от ЭМПЭ традиционной электромеханики). В таком случае система управления ДЭМ-Г успеет сориентироваться и внести нужные корректировки без серьёзных негативных последствий переходного процесса (перенапряжения, максимальные ударные токи и т.д.). При аксиальном исполнении ДЭМ-Г обеспечивается больший момент инерции ротора и якоря при минимальных затратах активных материалов, что обеспечивает “растягивание” переходного процесса. Таким образом, аксиальный ротор, с его большим моментом инерции, работает как инерционный стабилизатор скорости вращения, или скорее как накопитель механической энергии, обеспечивая меньшую чувствительность ДЭМ-Г к резким и кратковременным изменениям внешних воздействий, например порывам ветра. Всё вышесказанное делает ДЭМ-Г аксиальной конструкции предпочтительнее перед цилиндрическими ДЭМ-Г.

Двухмерная электрическая машина – генератор аксиальной конструкции (ДЭМА-Г) представлена на рис. 3.

Двухмерная аксиальная электрическая машина-генератор содержит якорь 1 аксиальной конструкции с обмоткой 2, уложенной в пазах, и щеточно-коллекторным аппаратом машины постоянного тока, и генераторной обмоткой переменного тока 9, также уложенной в пазах якоря, коллектор 3 с щетками 4, к которым подключены провода 5. Шихтованный аксиальный магнитопровод ротора 10, в пазах которого уложена обмотка 18 по типу роторных обмоток аксиальных асинхронных двигателей с фазным ротором.

Обмотка 9 подключена к кольцам 6, изолированным от корпуса диэлектрическими прокладками 8, а щетки 7 связаны с сетью потребителей трехфазного тока.

Подшипниковые щиты 14 с подшипниками 15 и валом 16 обеспечивают аксиальное расположение якоря 1 и ротора 10 и возможность их одновременного вращения. Вал 17, непосредственно связанный с ротором, обеспечивает возможность подвода механической энергии к ротору извне. Обмотка ротора 18 соединена с кольцами 12, изолированным от корпуса диэлектрическими прокладками 11, а щетки 13 связаны трехфазным двухполупериодным тиристорным регулятором системы управления.

Рис. 3. Двухмерная электрическая машина – генератор аксиальной конструкции.


Гайтова Т.Б.
«Электромеханические преобразователи и системы для нетрадиционной энергетики»

👉 Подписывайтесь на Elec.ru. Мы есть в Телеграм, ВКонтакте и Одноклассниках

Дубровская Ирина Борисовна
Все новости и публикации пользователя Дубровская Ирина в персональной ленте вашего личного кабинета на Elec.ru
Подписаться
Читайте также
Новости по теме
Объявления по теме

ПРОДАМ: Источники электропитания. DC-DC преобразователи

Новые: TEN 60-2411, TRACO POWER, 5v-12А, 5шт/ 4300р. THD 10-2411, TRACO POWER, 5v, 3шт/ 2000р. THD 10-2412, TRACO POWER, 12v, 18шт/ 2000р. TEN 8-2410, TRACO POWER, 3, 3v, 5шт/ 1700р. TEN 8-2421, TRACO POWER, ±5v-0, 8А, 5шт/ 1700р. TEN 8-2423, TRACO POWER, ±15v-0, 26А, 3шт/ 1700р. TEN 5-2411W1, TRACO POWER, 5v, 5шт/ 1000р. TMA2412D, TRACO POWER, ±12v, 1шт/ 250р. TMR2410, TRACO POWER, 3, 3v, 3шт/ 600р. МДМ30-1А05МП, Александер Электрик, 1шт/ 2000р. МДМ30-1В15МУ, Александер Электрик, 2шт/ 3500р. МДМ15-2В0505МУ, Александер Электрик, зав. упак., 21шт/ 2000р. МДМ7, 5-2В2424МП, Александер Электрик, 06-07г, зав. упак., 48шт/ 2000р. МДМ60-1В05ТУВ, Александер Электрик, 09г, 5шт. МДМ160-1М27ТУВ, Александер Электрик, 10г, 3шт. KN50А-220S27-SCL, Александер Электрик, 4шт/ 6500р. МАА20-1С36-СУН, Александер Электрик, 05г, 1шт. Демонтаж: THP 3-7211 /TRACO POWER/ 5v-600ma, 10шт/ 750р. THP 3-7212 /TRACO POWER/ 12v-250ma, 20шт/ 750р. AV10-48D05 /AVANSYS/ 48V to ±15V-0.33A, 1шт/ 700р. AV20-48D05 /AVANSYS/ 48V to ±5V-1A, 1шт/ 700р. AV20-48S05 /AVANSYS/ 48V to 5V-3.3A, 1шт/ 900р. AG10-48D12, in 48V to ±12V-0.45A, 1шт/ 800р. AG15-48S05NTL, in 48V to 5V-3A, 1шт/ 1000р. AG15-48S03NTL, in 48V to 3.3V-4,5A, 1шт/ 1000р. МПВ3В / ИРБИС/ 12v-250ma, 1шт/ 250р. МПВ3Г / ИРБИС/ 20v-150ma, 20шт/ 250р. МПВ3Е / ИРБИС/ 24v-130ma, 20шт/ 250р.
Михаленко Павел · 22 марта · Россия · Омская обл
Источники электропитания. DC-DC преобразователи

ПРОДАМ: Подложки теплопроводящие

Растущий спрос на силовые полупроводниковые модули высокой мощности, высокой надежности и приемлемой стоимости обусловлен непрерывно развивающимся рынком силовых преобразовательных устройств: приводов, систем управления энергопотреблением (системы «smart power»), источников бесперебойного питания, импульсных источников питания, электрических транспортных средств и т. д. Основные требования, предъявляемые к законченному силовому модулю — минимальные габариты и низкая стоимость материалов и процесса производства в сочетании с высокими техническими характеристиками, устойчивостью к воздействиям окружающей среды и практически абсолютной безотказностью. Конструкция современного модуля должна обеспечивать минимальные значения переходных тепловых сопротивлений и распределенных индуктивностей силовых шин в сочетании с высоким напряжением изоляции. Керамика является одним из самых распространенных изоляционных материалов. Широкое применение керамических материалов объясняется их высокими механическими и электрическими свойствами, недифузионностью исходных материалов, сравнительной простотой технологии изготовления, невысокой стоимостью изделий. Керамика негигроскопична, термостойка. Механическая прочность на сжатие, растяжение, изгиб достаточна для практического использования. В отечественной промышленности используют алюминоксид (95–98% окиси алюминия), электрокорунд (99% Al2O3), стеатит, брокерит (97% окиси бериллия), титанаты (тикондовая и термокондовая керамика), а также керамики, в состав которых входят высокотвердый карбид бора, окись циркония и другие материалы. При изготовлении силовых модулей для обеспечения безотказности и высокого напряжения изоляции, а также минимальных значений переходных тепловых сопротивлений используются керамические подложки на основе оксида алюминия Al2O3, нитрида алюминия AlN и оксида берилия BeO с медным слоем с обеих сторон керамической пластины. Область применения нитрида алюминия в мире шире, чем оксида бериллия. Технология...
Войткус Вадим · ООО "Производственная компания Спецрезинотехника" · 12 марта · Беларусь · Минская обл
Подложки теплопроводящие

ПРОДАМ: Источники питания - незаменимая вещь в жизни

Ни для кого не секрет, что источники электропитания ACRO считаются неотъемлемой частью многочисленных радиотехнических устройств. К ним в свою очередь предъявляются определенные требования. Источники импульсивного питания подразделяются всего на две основные группы: первичного, а также вторичного питания. Например, первичные источники представляют собой устройства, которые преобразуют энергии в электрическую. А вот вторичные устройства являются преобразователями всего лишь определенного вида энергии в другой. К недостаткам можно отнести: наличие массогабаритных характеристик, и, непременно, оказание существенного влияния на иные устройства РЭА, у которых наблюдается достаточно сильное магнитное поле. Изготовление импульсивных источников питания по двум главным схемам. 1. Традиционная 2. Схема преобразователей напряжения. Обязательным условием осуществления проектирования источников импульсивного питания является достаточно четкое знание, которое должно быть к ним предъявлено. Наиболее главными требованиями считаются: в первую очередь к конструкции — это надежность, габаритно-массовые ограничения, а также тепловые режимы; что касается технико-экономических показателей, то сюда относят стоимость и технологичность самого изготовления. Проведенные анализы показали, что источники импульсивного питания ACRO отвечают практически всем требованиям. Трансформаторы всех видов импульсных источников питания достаточно сильно отличаются от традиционных. К отличительным характеристикам следует отнести: питание напряжением имеет прямоугольную форму; функционирует на высоких частотах и так далее. Индуктивность намагничивания увеличивает во время осуществления переключения транзисторов. Наши специалисты готовы провести консультации по электрооборудованию, помочь подобрать оптимальную модель, ответить на Ваши вопросы. Вы можете оформить заказ любым удобным для Вас способом. Наши приборы Вы можете купить оптом и в розницу. Наша компания осуществляет доставку по Москве и всей...
Смолич Елена · НПК Электроэнергетика · 25 марта · Россия · Московская обл
Научно–производственная компания Электроэнергетика, ООО

ПРОДАМ: Инверторы и инверторные системы Штиль

Компания ЭЛМИКС поставляет: Инверторы и инверторные системы Штиль, которые предназначены для преобразования постоянного тока в переменный. Используются для построения систем электропитания в отрасли связи, информационных технологиях, промышленной автоматике, энергетике и транспорте. Данные изделия обеспечивают питание потребителей переменным током 50 Гц напряжением 220/380 В от источников постоянного тока напряжением 12, 24, 48, и 60 В (выпрямители, аккумуляторные батареи). На основе инверторов строятся модульные однофазные и трехфазные инверторные системы, обладающие уникальными техническими и массогабаритными характеристиками. Инверторы Штиль серии SL - это высокотехнологичные изделия, обладающие высокой надежностью и не имеющие аналогов на рынке электропитания.
Кауров Владимир · ЭЛМИКС · 27 февраля · Россия · г Москва
Инверторы и инверторные системы Штиль

ПРОДАМ: Источники питания постоянного тока (стабилизированный блок питания) ACRO (н/м)

Стабилизированный блок питания — это обязательная часть любой радиоэлектронной аппаратуры. От его качества, надёжности, экономичности, эксплуатационных свойств в значительной мере зависят технические показатели аппарата в целом. Постоянно повышающиеся требования к техническим характеристикам приводит к появлению жестких требований к вторичным источникам питания. Проведенный анализ большей части ламповых усилителей демонстрирует, что в них источники питания постоянного тока построены по традиционной схеме: выпрямитель (на кенотронах или диодах), сетевой трансформатор сглаживающий фильтр, оборудованный конденсаторами, дросселями и резисторами. В сглаживающем фильтре напряжение, как правило, нестабильно, что приводит к изменению режимов работы усилителя. Выходная мощность при этом падает и растут нелинейные искажения. Однотактники Сегодня довольно популярны однотактники, работающие на прямонакальных триодах. У них выходная мощность обычно небольшая — от 3,5 до 25 Вт. В связи с этим многие разработчики стремятся построить источники питания постоянного тока по упрощенной схеме с применением П-фильтра в то время, как звучание таких усилителей зависит именно от качества питающего источника. Кроме того, некоторые недостатки, которые считаются неотъемлемым элементом однотактных выходных каскадов и ограничивают их распространение, — это достаточно слабая динамика и плохо артикулированный бас, что является следствием неправильно выполненного питания. В этом случае на помощь приходит стабилизированный блок питания, преобразующий сетевое питание в 12 вольт и 24 в. Принцип построения стабилизированного блока питания Чаще всего применяются компенсационные и параметрические блоки питания. Причем компенсационный стабилизированный блок питания бывает последовательным и параллельным. Параметрические являются более простыми, они строятся на основе кремниевых и газоразрядных стабилитронах. Ток в параметрическом стабилизаторе, проходя через нагрузку должен быть...
Источники питания постоянного тока (стабилизированный блок питания) ACRO (н/м)
Российский производитель и бренд низковольтной аппаратуры: электрооборудования для ввода, распределения и учета электричества, локальной автоматизации технологических процессов, а также комплексных энергоэффективных решений для любой отрасли индустрии.