Многополюсный генератор для ветроустановок малой мощности

рые поступают на БТ. Вторичные обмотки силовых трансформаторов соединены между собой последовательно по схеме "звезда" и имеют коэффициент трансформации, равный 4. Таким образом, мы имеем на выходе трансформаторов (на входе в кабель) максимальное напряжение 2400 В (величина этого напряжения ограничена параметрами кабеля).

Это напряжение с учетом падения на кабель-тросе подается на заглубитель, где поступает на лебедку и понижающий трансформатор ТУ1. Со вторичных обмоток ТУ1 напряжение подается на два трехфазные управляемые выпрямители, формирующие напряжения 550 и 27 В для питания ППА.

Трехфазные управляемые выпрямители выполнены на тиристорах, а управление осуществляется системой управления построенной по следящему принципу регулирования выходного напряжения (асинхронная система управления). Этот принцип основан на обеспечении равенства среднего значения сигнала обратной связи, пропорционального выпрямленному напряжению, среднему значению напряжения задания на

интервале между последней с углом ап и очередной с углом управления а„+1 коммутациями в выпрямителе. Это позволяет постоянно поддерживать постоянство выходного напряжения в заданном диапазоне.

С выхода лебедки, по плавучему кабелю, напряжение поступает на ТУ2, с вторичных обмоток за-питываются три неуправляемых выпрямителя. Выпрямленное напряжение поступает на блоки фильтров, и с выхода подводной части системы электропитания снимаются три напряжения постоянного тока: 550, 220 и 27 В.

Таким образом, на основании выполненного анализа существующих СЭП, их преимуществ и недостатков была предложена структурная схема системы, которая была реализована на практике. Данная система электропитания отвечает всем требованиям, обладает хорошими массогабаритными характеристиками, за счет использования промежуточного звена повышенной частоты и обеспечивает непрерывное энергообеспечение подводного аппарата мощностью до 30 кВт.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ястребов В.С. Телеуправляемые подводные аппараты. — Л.: Судостроение, 1985. —232 с.

2. Подводные аппараты для геологических исследований / Под ред. А.М. Игнатова. — Геленджик: ПО "Южморгеология", 1990. — 92 с.

3. Зиновьев ГС. Основы силовой электроники Учебное пособие. — Изд. 2-е, испр. и доп. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. — 664 с.

4. http://www.tvelem.ru

5. Хоровиц П., Хилл У. Исскуство схемотехники: Пер. с англ. — Изд. 6-е. — М.: Мир, 2003. —704 с.

6. Гальперин М.В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 320 с.

7. Источники электропитания на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет / Под ред. С.Д. Додика, Е.И. Гальперина. — М.: Советское радио, 1969. —448 с.

8. Лившиц А.Л., Отто М.А. Импульсная электротехника. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 352 с.

9. Розанов Ю.К. Основы силовой преобразовательной техники. — М.: Энергия, 1979. —392 с.

УДК 621.313

МНОГОПОЛЮСНЫЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ВЕТРОУСТАНОВОК МАЛОЙ МОЩНОСТИ

А.И. Чучалин, И.А. Сафьянников, И.Н. Россамахин

Томский политехнический университет E-mail: refer@tpu.ru

Описана конструкция многополюсного бесконтактного электрического генератора с электромагнитным возбуждением. Применение данного генератора позволит повысить эффективность работыi ветроэнергетических установок. Дается объяснение конструкции и принципа действия генератора. Указаныi отличительные признаки конструкции и ее положение в классификации электрических машин.

Введение

Интенсивное развитие электроэнергетики, основанной на использовании природных возобновляемых источников энергии, таких как вода и ветер, заставляет искать новые подходы в конструировании электромеханических преобразователей. В большинстве случаев это относится к ветроэнергетике, что обусловлено малой плотностью энергоносителя и нестабильностью его параметров (скорость ветра, влажность воздуха). Влияние этих факторов

значительно снижает коэффициент преобразования энергии в ветроэнергетических установках (ВЭУ).

Одним из радикальных решений повышения эффективности работы ВЭУ является создание безре-дукторных установок, которые будут иметь повышенное КПД и надежность, а также низкую стоимость. Данное решение может быть реализовано при использовании специальных многополюсных конструкций электрических генераторов. Применение многополюсных электрических генераторов поз-

волит также создавать более эффективные варианты ВЭУ с тихоходными типами рабочих ветротурбин.

Необходимость более широкого применения тихоходных ветроустановок определяется особенностями структуры распределения на территории России значений среднегодовых скоростей ветра. Экономически эффективными для использования энергии ветра признаются районы со средней многолетней скоростью более 5 м/с [1, 2]. В основном это прибрежные районы и возвышенные местности. Данная оценка основана на возможностях и характеристиках наиболее распространенных типов ВЭУ имеющих в своем составе мультипликатор. Поэтому возможности по территориальному расширению применения ВЭУ необходимо, в первую очередь, связывать с развитием ветроустановок с безредукторной схемой соединения ветротурбины и генератора.

Основная часть

Анализ существующих разработок малооборотных машин позволяет выделить два основных подхода к решению поставленной задачи:

- уменьшение углового размера полюсного деления за счет применения магнитоэлектрической системы возбуждения [3-5];

- повышение относительной частоты вращения активных частей машины (биротативные конструкции) [6], где также предполагается использование постоянных магнитов.

Применение магнитоэлектрической системы позволяет создать генераторы с рабочими частотами вращения от десятков до сотен об/мин и обладает рядом преимуществ [3]. Во-первых, это отсутствие узла скользящих контактов, что значительно повышает долговечность и надежность работы генератора. Во-вторых, безобмоточная конструкция ротора более проста в изготовлении и как следствие обладает большей надежностью. В-третьих, исключение электрических потерь "на возбуждение" повышает КПД генератора.

Однако, необходимость обеспечения заданного уровня возбуждения на нижнем пределе диапазона рабочих частот вращения ветротурбины требует применения высококоэрцитивных магнитов из редкоземельных сплавов. По причине высокой стоимости таких магнитов повышается стоимость генератора и установки в целом. Недостатком магнитоэлектрической системы возбуждения является невозможность регулировки величины потока возбуждения, что приводит к необходимости применения более дорогостоящей силовой схемы стабилизации амплитуды генерируемого напряжения.

Кроме того, в существующих разработках чаще всего используется принцип построения активной зоны, присущий машинам синхронного типа. Характерной чертой такой активной зоны является последовательное расположение пар разноименных полюсов вдоль направления движения ротора (рис. 1). Это ограничивает минимальное значение межполюсного

расстояния Ьк и размер полюсного деления тв целом. То., использование синхронных машин для создания многополюсного генератора ограничивается особенностями самой конструкции. Якорь

й

й

Т

Индуктор

Рис. 1. Схема активной зоны машин переменнополюсного типа

Применение для этих целей схемы активной зоны машин с пульсирующим потоком позволяет заметно снизить величину полюсного деления т (рис. 2). Индукторные одноименнополюсные машины имеют полюсную систему из однонаправлено намагниченных полюсов. Это позволяет использовать единую для всех полюсов сосредоточенную обмотку возбуждения и расположить ее на неподвижной части машины - статоре. Такое расположение обмотки не влияет на размеры самих зубцов (Ь) и зубцового деления (т) и определяет бесконтактность машины с электромагнитным возбуждением. Кроме того, их однонаправленная намагниченность исключает явление межполюсных потоков рассеяния.

Якорь

й й й й й й й иггигг

Т

ч-

N

$ ^ ^ N

^ ^ Индуктор

Рис. 2. Схема активной зоныI машин с пульсирующим потоком

Основное распространение индукторные машины получили как высокочастотные источники питания. Использование их в качестве малооборотных генераторов промышленной частоты не нашло применение в основном по причине принципиально низкого коэффициента использования потока возбуждения к1 = (Т™—Р™/)/(2Т™), значение которого не превышает 0,35...0,40 (рис. 3, кривая 1, где Т™ и Т^? максимальное и минимальное взаимное потокосцепление обмоток соответственно). Это определяет пониженный КПД машины и значение ее удельной мощности.

тах

1а/

Ш т1п 1а/

ш У / ПК 2:

\ / 1

»

тах 2 а/

0

2п

3п 4п

Ш ™п 2 а/

пакеты магнитопровода -7 и 8 двух разных направлений, выполняющие функцию переключателей контуров магнитного потока. Диски ротора по отношению друг к другу магнитно симметричны.

546 8 213 6754

Рис. 3. Закон изменения взаимного потокосцепления для:

1) индукторных одноименнополюсных машин;

2) многополюсных коммутаторных генераторов

Другой разновидностью машин с пульсирующим потоком являются машины коммутаторного типа. В таких машинах используется принцип коммутации потока возбуждения, что позволяет повысить коэффициент использования к. Машины этого типа также имеют электромагнитную систему возбуждения и относятся к бесконтактным. Недостатком машин вышеупомянутого класса является пропорциональная связь размера полюсного деления с размерами обмоток якоря и возбуждения.

Конструкция генератора

Предлагаемая конструкция многополюсного генератора коммутаторного типа основана на синтезе конструктивных достоинств машин с пульсирующим потоком (рис. 4). Подобно индукторному одно-именнополюсому генератору имеется неподвижная, единая для всех полюсов, обмотка возбуждения. Это позволяет значительно снизить размер полюсного деления и делает машину бесконтактной. Для изменения потока в воздушном зазоре применяется принцип коммутации потока возбуждения, что повышает по отношению к индукторным генераторам коэффициент использования магнитного потока. По принципу действия представленный генератор относится к машинам коммутаторного типа [7, 8].

На рис. 4 схематично представлена конструкция активной части генератора. Статор генератора состоит из трех блоков: центрального и двух крайних, отделенных от него через воздушные зазоры дисками ротора. Центральный блок статора является системой возбуждения генератора и содержит сосредоточенную обмотку - 1 с двумя группами охватывающих ее подковообразных пакетов магнитопровода - 2 и 3. Пакеты этих групп расположены поочередно-встречно друг другу. Якорь генератора состоит из двух магнитно- и электрически симметричных частей, которые смещены относительно друг друга на угловое расстояние, соответствующее одному полюсному делению. Так же как и блок системы возбуждения, каждая из частей якоря содержит сосредоточенную обмотку - 5 и охватывающие ее пакеты магнитопровода - 4. Обмотки обеих частей имеют электрическую связь. Пакеты на каждой из частей якоря ориентированы в одну сторону. Ротор генератора состоит из вала и двух немагнитных дисков - 6. Каждый из дисков имеет в своем составе

Рис. 4. Активная часть многополюсного коммутаторного генератора дискового типа

Особенностями представленной конструкции является аксиальное направление потока возбуждения в воздушном зазоре, сосредоточенный тип обмоток якоря и возбуждения и распределенный тип магнитной системы. Совокупность указанных отличий позволяет заметно снизить относительное значение полюсного деления т и стоимость изготовления активной части. Это достигается упрощением технологии изготовления магнитопровода и обмоток. Магнитоп-ровод выполняется по безотходной технологии навивкой ленты электротехнической стали. Изготовление сосредоточенной катушечной обмотки не требует сложного технологического оборудования.

Принцип действия генератора

Указанное на рис. 5, а взаимное положение пакетов магнитопровода -1 и 2 на дисках А и В соответствует угловому положению ротора 0 эл. град. При этом постоянный магнитный поток х¥/, созданный обмоткой возбуждения Щ, образует одновременно два контура. Первый контур соответствует стороне роторного диска В, замыкаясь через "сквозные" пакеты -1, охватывает левую обмотку якоря Ща1, обеспечивая тем самым максимальное значение взаимного потокосцепления обмотки возбуждения с обмоткой правой части якоря В тот же момент времени второй контур потока возбуждения, соответствующий стороне роторного диска А, замыкается сам на себя, минуя правую обмотку якоря ЖаП, в результате действия шунтирующих пакетов - 2. Поток реакции этой части якоря ¥аП также шунтируется пакетами ротора - 2 и имеет свой обособленный от потока возбуждения путь. Таким образом, взаимное потокосцепление обмотки возбуждения Щ и правой обмотки якоря Ща11 равно нулю благодаря действию пакетов - 2 диска ротора А.

В следующий момент времени, когда угловое положение ротора, изображенное на рис. 5, б, равно 180 эл. град, потоки возбуждения ^ на стороне диска В и реакции левой части якоря ^ шунтируются полюсами диска В и их взаимное потокосцепление стано-

п

вится равным нулю. Контур потока возбуждения, соответствующий стороне диска А, наоборот замыкается через сквозные полюса диска и взаимное потокосцеп-ление обмотки возбуждения Wf и правой обмотки якоря возрастает до максимального значения.

Таким образом, эффект шунтирования магнитного поля возбуждения в многополюсном коммутаторном генераторе позволяет повысить значение коэффициента использования потока возбуждения кг = до 0,5 по сравнению с ин-

дукторными машинами (рис. 3, кривая 2).

Для более детального анализа особенностей электромагнитных процессов, необходимо рассмотреть работу части генератора (половины обмотки возбуждения Т/2 и одной из обмоток якоря генератора 1Уа), предварительно принимая в качестве закона изменения индуктивностей синусоиду. На рис. 6 приведены кривые изменения взаимной индуктивности обмотки якоря и обмотки возбуждения Ыф и собственной индуктивности обмотки якоря Lй в функции от угла поворота ротора.

,=max

Диск A Диск B

а) у = 0 эл. град

^af ,,=max

Vf Vaf ,=0

отличное от нуля минимальное значение взаимной индуктивности. Это объясняется тем, что способ изменения потока в рассматриваемом генераторе основан на коммутации (изменении направления) посредством шунтирующего действия одного из пары полюсов ротора, что с точки зрения индукторной машины соответствует бесконечному сопротивлению увеличенного воздушного зазора. Изменение собственной индуктивности обмотки якоря генератора 1>аЬ обозначенной на рисунке пунктирной кривой, происходит в противофазе изменению взаимной индуктивности. Данное обстоятельство объясняется тем, что при угловом положении ротора, соответствующем максимальному взаимному потокос-цеплению ТаД=тах между обмоткой якоря и обмоткой возбуждения (рис. 5, а), контур магнитного потока четыре раза пересекает воздушный зазор, а при угловом положении ротора, соответствующем минимальному значению взаимного потокосцепле-ния ТаД=тт=0 (рис. 5, б), - только два.

J MafI ! La I

ч

о

90

180

270

360

t

Диск A Диск B

б) у= 180 эл. град

Рис. 5. Принцип действия многополюсного коммутаторного генератора

Процесс изменения взаимной индуктивности обмоток генератора Мф представленный на рисунке сплошной кривой, по характеру аналогичен изменению взаимной индуктивности обмоток в индукторном генераторе, т.е. взаимная индуктивность, изменяется по величине, не меняя при этом знака. Однако, в отличие от представленной машины, для машин индукторного типа является принципиальным

Y, эл. град

Рис. 6. Кривые изменения взаимной индуктивности обмотки якоря и обмотки возбуждения Maf и изменение собственной индуктивности обмотки якоря L a в зависимости от угла поворота ротора у

Для дальнейшего анализа принципа действия генератора необходимо рассмотреть его работу в полном составе. Электромагнитные процессы, происходящие в правой и левой частях генератора идентичны, но имеют друг относительно друга фазовый сдвиг на 180 эл. град (рис. 7). Кроме того, амплитуды взаимных индуктивностей обмоток каждой из частей генератора с обмоткой возбуждения (Mf и Mii), изменяясь в пределах одного знака, по отношению друг к другу, имеют разные знаки.

Если рассматривать обмотку якоря как однофазную, то ее взаимная индуктивность с обмоткой возбуждения Maf (рис. 7, пунктирная кривая) будет иметь знакопеременный характер, изменяющаяся от минимального значения Mm?11 до максимального M™ При данной схеме активной зоны такое изменение взаимной индуктивности характерно для машин коммутаторного типа. Учитывая, что собственная индуктивность любой обмотки есть величина только одного знака, собственная индуктивность обмотки якоря La коммутаторного генератора, выражающая сумму собственных индуктивностей ее частей Lal и LaII, является величиной постоянной и независящей от углового положения ротора (рис. 8, пунктирная линия). Характер изменения собственной индуктивности обмотки возбуждения Lf, по причине полной сходства процессов, влияющих на ее изменение, аналогичен.

M

L

a I

угла поворота ротора

Заключение

Представленная конструкция бесконтактного многополюсного генератора, используя свойства коммутаторных генераторов - переключение потока, сохраняет основное достоинство генераторов индукторного типа - их многополюсность. Примене-

Рис. 8. Изменение собственных индуктивностей: частей обмотки якоря L¡¡, La|| и полной обмотки якоря La в зависимости от угла поворота ротора

ние многополюсного генератора позволит создавать безредукторную схему ВЭУ, что совместно с бесконтактностью генератора электромагнитного возбуждения повысит КПД и надежность работы ВЭУ. Упрощение технологии изготовления активной части генератора позволяет снизить его стоимость.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Иванова И.Ю., Тугузова Т.Ф., Попов С.П., Петров Н.А. Малая энергетика Севера. Проблемы и пути развития. — Новосибирск: Наука, 2002. —188 с.

2. Сафьянников И.А., Россамахин И.Н. Проблемы развития малой энергетики Западной Сибири // Современные техника и технологии: Матер. IX Междунар. научно-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. — Томск: Изд-во ТПУ, 2003. —Т. 1. —С. 242—243.

3. Шевченко А.Ф. Многополюсные магнитоэлектрические генераторы с дробным однозубцовыми обмотками // Электротехника. — 1997. — № 9. —С. 13—16.

4. Данилевич Я.Б., Коченев А.В. Синхронный генератор небольшой мощности с постоянными магнитами // Электричество. — 1996. — № 4. —С. 27—29.

5. Афанасьев А.А., Николаев А.В. Математическая модель электрогенератора с постоянными магнитами для ветроустановки // Вестник Уральского государственного технического университета. — 2003. —№ 5, ч. 2.—C. 32—35.

6. Литвинов Б.В. Однофазный синхронный генератор двойного вращения с возбуждением от постоянных магнитов высоких энергий // Электротехника. —1998. — № 4. — С. 20—25.

7. Бут Д.А. Модификации коммутаторных генераторов повышенного напряжения // Электричество. —1982. — № 3. — С. 31—35.

8. Патент 2230421 РФ. МПК7 H02K 19/24. Коммутаторный генератор / И.А. Сафьянников, И.Н. Россамахин. Опубл. 10 июня 2004.

УДК 378.016

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ГЕНЕРАЦИИ ЗАДАЧ В КОМПЬЮТЕРНОМ ТЕСТИРОВАНИИ

В.В. Кручинин, Ю.В. Морозова

Томский университет систем управления и радиоэлектроники E-mail: kru@ie.tusur.ru

Рассматриваются модели и алгоритмы генераторов тестовых заданий и вопросов. Показана структура шаблона задачи и предложен обобщенный алгоритм работы генератора задачи на основе шаблона. Описана технология построения и использования шаблонов для генерации задач. Показаны конкретные примеры шаблонов генераторов задач и их реализация для различных дисциплин. Рассмотрены шаблоны генератора вопросов на основе алгоритмов. Описанные модели и алгоритмы реализованы в конкретных генераторах и внедрены в учебный процесс Томском межвузовском центре дистанционного образования.

Введение

Опыт создания и использования компьютерных контрольных работ и экзаменаторов, накопленный в Томском межвузовском центре дистанционного образования показал [1, 2]:

1) студенты быстро приспосабливаются к небольшому (100 вопросов) экзамену, заготавливают шпаргалки;

2) происходит простое механическое запоминание ответов на данный вопрос, поскольку в ответ нужно ввести конкретное число или выбрать конкретный вариант;

3) при одновременной сдаче экзамена в компьютерном классе вопросы для разных студентов могут быть одни и те же.