Экспериментальное исследование низкооборотного магнитоэлектрического генератора

V. Обсуждение результатов

Результаты экспериментов показывают, что применение ступенчатых регуляторов нажатия токоприемника позволяет повысить качество и надежность токосъема при высоких скоростях движения. Регулятор по скорости движения электроподвижного состава менее эффективен по сравнению с другими вариантами, поскольку управляющий сигнал не связан с контактным нажатием по цепи обратной связи. Регулирование по искрению дает эффект, сравнимый с регулированием по контактному нажатию.

VI. Выводы и заключение

Рассмотренные ступенчатые схемы автоматического регулирования токоприемников показали возможность их эффективного применения для повышения качества токосъема при высоких скоростях движения в сочетании с относительно низкими затратами на реализацию. Регулирование нажатия по искрению представляется наиболее перспективным.

В качестве путей совершенствования систем автоматического регулирования можно рассматривать увеличение количества ступеней регулирования давления и оптимизацию алгоритмов управления. Для достижения качественного улучшения показателей токосъема необходимо решить проблему снижения длительности переходных процессов при ступенчатом регулировании давления, этого можно добиться при помощи специальных регулирующих механизмов, встраиваемых в конструкцию токоприемника.

Список литературы

1. Sidorov O. A., Smerdin A. N., Zhdanov V. A. Evauation procedure of current collection system readiness at railway mainlines' high-speed sections // Vniizht Bulletin (Railway Research Institute Bulletin). 2012. № 2. С. 31-35.

2. Сидоров О. А., Филиппов В. М., Ступаков С. А. Исследования электромеханического изнашивания контактных пар устройств токосъема электрического транспорта // Трение и износ. 2015. Т. 36, № 5. С. 511-517.

3. Пат. № 105862 Российская Федерация, МПК В 60 L 5/00. Токоприемник электроподвижного состава / Сидоров О. А., Аркашев А. Е., Ларькин И. В., Сосновский С. Ю. № 2011100366/11; заявл. 11.01.2011; опубл. 27.06.2011, Бюл. 18.

4. Пат. № 82445 Российская Федерация, МКИ В 60 L 5/00. Устройство для регистрации искрения токоприемника / Павлов В. М, Сидоров О. А., Смердин А. Н., Чертков И. Е., Голубков А. С. № 2008145678/22; заявл 19.11.2008; опубл. 27.04.2009, Бюл. 12.

5. Сидоров О. А. Аркашев А. Е., Ларькин И. В. Моделирование взаимодействия авторегулируемого токоприемника с контактной подвеской // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. № 3(31). С. 164-169.

6. Сидоров О. А., Смердин А. Н., Голубков А. С. Экспериментальные исследования токосъемных устройств // Железнодорожный транспорт. 2015. № 11. С. 69-70.

УДК 621.313

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НИЗКООБОРОТНОГО МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

ГЕНЕРАТОРА

А. А. Татевосян, |В. С. Мищенко|, А. А. Лукачева

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-3-113-117

Аннотация - Статья посвящена экспериментальному испытанию синхронного магнитоэлектрического генератора, магнитная система которого выполнена на базе традиционного асинхронного двигателя: якорь (статор) магнитоэлектрического генератора выполнен на основе статора асинхронной машины с числом пар полюсов 2p=12, цилиндрический индуктор (ротор) включает в свой состав распределенные по поверхности постоянные магниты. Моделирование магнитной системы проводилось в программном обеспечении конечно-элементного анализа Elcut 6.0 и Ansys 18. Для испытания магнитоэлектрического генератора разработан лабораторный стенд, обеспечивающий регулирование скорости вращения индуктора магнитоэлектрического генератора, включающий в свой состав: асинхронный двигатель, частот-

ный преобразователь, магнитоэлектрический генератор, выпрямитель, блоки контроля и измерения электрического состояния обмоток и энергетических параметров генератора. При выполнении экспериментов получены временные зависимости токов и напряжений в системе асинхронный двигатель - магнитоэлектрический генератор. Построена характеристика холостого хода генератора и внешняя характеристика при активной нагрузке и фиксированных значениях скорости вращения вала в диапазоне от 300 об/мин до 700 об/мин. При разработке генератора предложено техническое решение магнитной системы, позволяющее уменьшить момент страгивания индуктора при пуске, а также представлена схема соединения обмоток генератора, позволяющая уменьшить реакцию якоря и увеличить выходное напряжение генератора. На представленный в статье магнитоэлектрический генератор получена приоритетная справка на заявку №2016118977.

Ключевые слова: автономные источники электроэнергии, генератор, магниты, обмотка, асинхронный двигатель.

I. Введение

При создании магнитных систем низкооборотных магнитоэлектрических машин особый интерес представляют вопросы о рациональном расположении постоянных магнитов на подвижной части, а также проблемы проектирования обмоток с дробным числом пазов на полюс и фазу [1-4].

Исследованиям магнитоэлектрических машин и оптимизации разнообразных конструкций посвящены работы: Балагурова В.А., Галтеева Ф.Ф., Ледовского А.Н., Буля Б.К., Демирчяна К.С., Иванова-Смоленского А.В., Кручининой И.Ю., Кулешов Е.В.,Макаричева Ю.А., Овчинникова И.Е., Ряшенцева Н.П., Смелягина А.И., Там-ма И.Е, Тозони О.В., Хитерера М. Я., Юринова В. М. и других.

Известны конструкции магнитоэлектрических генераторов, магнитная система которых построена на базе асинхронной машины переменного тока, в которой традиционный ротор заменен на ротор с размещенными на нем постоянными магнитами (индуктор), а к статору (якорю) присоединена нагрузка. Многообразие форм и способов размещения постоянных магнитов на роторе, поиск оптимального соотношения числа пар полюсов машины и количество зубцов статора, особенности соединения обмоток статора определяет научную новизну, а применение указанных магнитоэлектрических генераторов в автономных системах электроснабжения для нужд малой энергетики определяет практическую значимость исследования [5-9].

II. Постановка задачи

На рис. 1 представлена исследуемая магнитная система магнитоэлектрической машины. Магнитоэлектрическая машина содержит корпус 1, неподвижный статор 2, представляющий собой магнитопровод с пазами 3, в которых размещена трехфазная обмотка 4 и подвижный ротор 5 с постоянными магнитами 6. Ротор 5 от статора 2 отделён технологическим воздушным зазором 5, число магнитных полюсов ротора 5 должно равняться числу магнитных полюсов трехфазной обмотки с током статора 2.

Ротор магнитоэлектрической машины необходимо привести во вращательное движение, при этом изменяющийся магнитный поток пронизывающий обмотку, наводит в последнем эдс [10-12].

1 2 3 4 5 6

Рис. 1. Конструкция магнитной системы в программе А№У8 с указанием направления тока в обмотке статора магнитоэлектрического генератора

III. Эксперимент

Для испытаний магнитоэлектрического генератора разработан экспериментальный стенд, реализующий следующие возможности:

• регулирование скорости вращения ротора магнитоэлектрического генератора;

• измерение параметров состояния обмотки магнитоэлектрического генератора;

• снятие энергетических характеристик магнитоэлектрического генератора, в частности зависимость полезной мощности от скорости вращения вала.

На рис. 2 представлена структурная схема для исследования магнитоэлектрической машины.

Рис. 2. Схема экспериментального стенда

На схеме обозначены: 1 - блок защиты, 2 - трансформаторы тока, 3 - преобразователь частоты, 4 - асинхронный двигатель, 5 - магнитоэлектрический генератор, 6 - трехфазный выпрямитель, 7 - нагрузка.

Величина индукции магнитного потока, сцепленного с обмоткой статора, достаточно высока и находится в диапазоне 0.5 Тл до 1.2 Тл в зависимости от угла поворота ротора [13]. Методика расчета эдс реализована в программном обеспечении [14]. Большое значение индукции определяется, в том числе, и малым воздушным зазором, что при высокой технологичности сборки является несомненным преимуществом рассматриваемой магнитной системы. При подборе схемы выпрямления и стабилизации индуцированного напряжения в обмотке статора магнитоэлектрическая машина, работающая в генераторном режиме, в полной мере отвечает требованиям, предъявляемым к генераторам электрической энергии малой мощности.

Методика испытаний предусматривает снятие внешней характеристики генератора при различных скоростях вращения ротора: 300 об/мин - 700 об/мин. Регулирование скорости вращения асинхронного двигателя осуществляется частным преобразователем.

Эксперимент направлен на определение такого режима работы генератора, при котором отдаваемая мощность потребителю будет максимальной.

Математические выражения, описывающие характер временной зависимости индукции магнитного потока и индуцированной в обмотке статора эдс, подробно рассмотрены в [15-16].

III. Результаты эксперимента

Испытания проводились при присоединении к обмотке статора активного сопротивления 50 Ом. На рис. 4 представлены осциллограммы выходного напряжения на холостом ходу и под нагрузкой при скорости вращения ротора 700 об/мин.

мс

мс

1, мс

а)

700 об/мин

1, мс

600 об/мин

-'---' .. ...-

1, мс

со +

<13

см

500 об/мин

-————

-——~

1, мс

б)

Рис. 4. Осциллограммы выходного напряжения на частоте 35 Гц: а - холостой ход, б - присоединена нагрузка 50 Ом

На рис. 5 представлены рабочие характеристики низкооборотного магнитоэлектрического генератора полученные в ходе испытания.

т о."

I, А

а)

со о."

п, об/мин

б)

Рис. 5. Рабочие характеристики магнитоэлектрического генератора: а -зависимость полезной мощности при фиксированной скорости и различном сопротивлении нагрузки (от 0 до 120 Ом), б - зависимость мощности генератора при различной скорости вращения ротора (15-35 Гц частота питающего АД напряжения) и фиксированной нагрузки (20 Ом, 40 Ом, 60 Ом, 80 Ом, 100 Ом).

IV. Обсуждение результатов

На основе экспериментальных данных можно сделать вывод о рекомендуемом режиме работы исследуемой магнитоэлектрической машины. Полезная мощность, отдаваемая потребителю, находится в диапазоне от 200 Вт до 1450 Вт при скорости вращения индуктора до 700 об/мин. При дальнейшем увеличении скорости вращения наблюдается интенсивный нагрев обмотки статора.

VI. Выводы и заключение

В рамках проведенной работы по разработке магнитоэлектрического генератора можно сделать следующие выводы:

• создан опытный образец магнитоэлектрической машины;

• выполнена техническая реализация испытательного стенда, а также разработана методика испытаний магнитоэлектрического генератора;

• получены экспериментальные характеристики магнитоэлектрического генератора на холостом ходу и под нагрузкой;

• результаты исследования позволяют разработать методику расчета оптимальных конструкций магнитоэлектрического генератора, а также дать рекомендации по режиму работы.

Список литературы

1. Сафьянников И. А., Россамахин И. Н. Проблемы развития малой энергетики Западной Сибири // Современная техника и технологии: матер. IX Междунар. науч-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Томск: ТПУ, 2003. Т. 1. С. 242-243.

2. Кулагин Р. Н. Анализ конструкций тихоходных генераторов с постоянными магнитами // Известия Волгоградского государственного технического университета: межвуз. сб. науч. ст. № 13(86) / ВолгГТУ. Волгоград, 2011. 115 с. (Сер. Прогрессивные технологии в машиностроении. Вып. 7).

3. Кулешов Е. В. Магнитоэлектрический синхронный генератор на базе асинхронной машины для автономной ветроэлектрической установки: автореф. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Владивосток, ДВГТУ, 2001. 20 с.

4. Lysenko O. A. Torque load observer of induction motor with double squirrel-cage of rotor // 2015 International Siberian conference on control and communications (SIBCON). DOI: 10.1109/SIBCON.2015.7147131.

5. Исмагилов Ф. Р., Герасин А. А., Хайруллин И. Х., Вавилов В. Е. Электромеханические системы с высококоэрцитивными постоянными магнитами. М.: Машиностроение, 2014. 267 с.

6. Харитонов С. А., Коробков Д. В., Маслов М. А., Бородин Н. И., Левин А. В., Юхнин М. М., Лившиц Э. Я. Система генерирования электрической энергии типа «переменная скорость - постоянная частота» на базе синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов и инверторов напряжения // Электротехника. 2008. № 6. С. 27-32.

7. Zaharova N. V. Improvement of magnetic system of the speed sensor in the devices of the impact parameters control // 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings, art. no. 7147067. DOI: 10.1109/SIBCON.2015.7147067.

8. Гарганеев А. Г., Грабовецкий Г. В., Харитонов С. А. Электромагнитные процессы в системе генерирования постоянного тока «МЭГ - однофазный мостовой выпрямитель» // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. 2012. № 2. С. 143-154

9. Гарганеев А. Г., Грабовецкий Г. В., Харитонов С. А. Электромагнитные процессы в системе генерирования постоянного тока «МЭГ - двухполупериодный нулевой выпрямитель» // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. 2012. № 2. С. 201-209.

10. Пат. № 123254 Росийская Федерация, МПК H 02 K 21/12. Ротор электрической машины с возбуждением от постоянных магнитов / Глазков В. П., Глазков О. В., Глазкова И. В. № 2012124562/07; заявл. 15.06.2012. опубл. 20.12.2012, Бюл. 35.

11. Пат. 2308139 Росийская Федерация, МПК H 02 K 1/27. Ротор магнитоэлектрической машины, преимущественно синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов / Суворов И. В., Фолимонов Л. В. № 2005124958/09; заявл. 05.08.2005; опубл. 10.10.2007 Бюл. № 28.

12. Пат. 2230420 Росийская Федерация, МПК H 02 K 15/00, H 02 K 15/03. Способ установки постоянных магнитов в роторе электрической машины / Левин А. В., Лившиц Э. Я., Хабаров В. А. № 2003116632/11, заявл. 05.06.2003; опубл. 10.06.2004, Бюл. 16.

13. Татевосян А. А., Огорелков Б. И., Татевосян А. С. Расчет индуктированной эдс в витке при относительном движении постоянного магнита с различной формой поперченного сечения // Омский научный вестник. 2014. № 3(133). С. 179-183.

14. Татевосян А. А., Огорелков Б. И. Расчет индуктированной электродвижущей силы (ЭДС) синхронного магнитоэлектрического генератора на базе асинхронной электрической машины: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. М.: ФИПС. № 2015612665 от 24.02.2015.

15. Tatevosyan A. A. The calculation of the magnetic field of the synchronous magnetoelectric generator // 2016 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). DOI: 10.1109/Dynamics.2016.7819095.

16. Tatevosyan A. A., Tatevosyan A. S. Calculation of magnetic system of the magnetoelectric machines // Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics), 2014. DOI: 10.1109/Dynamics.2014.7005698.