Комбінована електроводопостачальна вітроустановка з магнітоелектричним лінійним генератором зворотно-поступального руху

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет біоресурсів і природокористування України

УДК 621.311.245:711.438

05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

комбінована електроводопостачальна вітроустановка З магнітоелектричнИМ лінійнИМ генераторОМ ЗВОРОТНО-ПОСТУПАЛЬНОГО РУХУ

Петренко Андрій Володимирович

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті біоресурсів і природокористування України Кабінету Міністрів України

Науковий керівник - доктор технічних наук, доцент Каплун Віктор Володимирович, Національний університет біоресурсів і природокористування України, директор НДІ електроенергетичних систем НУБіП України

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, старший науковий співробітник Васько Петро Федосійович, Інститут відновлюваної енергетики НАН України, провідний науковий співробітник відділу гідроенергетики

- кандидат технічних наук, доцент Трегуб Микола Іларіонович, Білоцерківський національний аграрний університет, завідувач кафедри механізації та електрифікації сільськогосподарського виробництва

Захист відбудеться " 13 " грудня 2010 р. о 10⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.07 у Національному університеті біоресурсів і природокористування України за адресою: 03041, м. Київ - 41, вул. Героїв Оборони, 15, навчальний корпус № 3, аудиторія 65

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету біоресурсів і природокористування України за адресою: 03041, м. Київ - 41, вул. Героїв Оборони, 13, навчальний корпус № 4, к. 21

Автореферат розісланий " 12 " листопада 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради А.В. Жильцов

Анотації

Петренко А.В. Комбінована електроводопостачальна вітроустановка з магнітоелектричним лінійним генератором зворотно-поступального руху. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи. - Національний університет біоресурсів і природокористування України, Київ, 2010.

Робота присвячена підвищенню енергоефективності вітронасосних установок шляхом розробки комбінованої електроводопостачальної вітроустановки на базі магнітоелектричного лінійного генератора з урахуванням режимів електроводоспоживання та стохастичного надходження енергії вітру.

Наукова ідея полягає в комбінованому використанні механічної енергії вітрорушія із зворотно-поступальним рухом для приводу насосного обладнання та магнітоелектричного лінійного генератора, а також узгодження процесів електроводоспоживання.

Розроблено науково-методичне забезпечення для створення комбінованої електроводопостачальної вітроустановки у вигляді сформульованих принципів побудови, розробленої математичної та імітаційної моделей дослідження електромагнітних та електромеханічних процесів у електротехнічному комплексі на базі магнітоелектричного лінійного генератора зворотно-поступального руху з урахуванням режимів електроводоспоживання та стохастичного надходження енергії вітру.

Ключові слова: комбінована електроводопостачальна вітроустановка, магнітоелектричний лінійний генератор, моделювання електромагнітних та електромеханічних процесів, зворотно-поступальний рух, експериментальні дослідження.

Петренко А.В. Комбинированная электроводоснабжающая ветроустановка с магнитоэлектрическим линейным генератором возвратно-поступательного движения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы. Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины, Киев, 2010.

Работа посвящена повышению энергоэффективности ветронасосных установок посредством разработки комбинированной электроводоснабжающей ветроустановки на основе магнитоэлектрического линейного генератора с учетом режимов электроводопотребления и стохастического поступления энергии ветра.

Научная идея работы заключается в комбинированном использовании механической энергии ветродвигателя с возвратно-поступательным движением для привода насосного оборудования и магнитоэлектрического линейного генератора, а также в согласовании процессов электроводопотребления. Это позволит повысить эффективность использования механической энергии ветродвигателя ветронасосной установки и расширить ее функциональность.

Разработано научно-методическое обеспечение с использованием программных средств для расчета: мощности комбинированной электроводоснабжающей ветроустановки и магнитоэлектрического линейного генератора; емкости для электромагнитного подмагничивания обмоток генератора; параметров магнитной системы магнитоэлектрического линейного генератора; продолжительности непрерывного питания электропотребителей от аккумуляторных батарей при отсутствии ветра. Созданы математическая, имитационная и физическая модели магнитоэлектрического линейного генератора возвратно-поступательного движения для исследования в составе комбинированной электроводоснабжающей ветроустановки.

Разработан алгоритм автономного функционирования электротехнической системы комбинированной электроводоснабжающей ветроустановки с учетом режимов электроводопотребления, использования резервуара-накопителя воды, двух групп аккумуляторных батарей, одна из которых подключена к электрогенератору и электропотребителям, а другая используется в качестве резервного накопителя электроэнергии.

Для управления магнитоэлектрической линейной машиной в режиме электродвигателя привода насосного оборудования в случае отсутствия ветра, разработан с использованием числового моделирования алгоритм, который позволяет совершать возвратно-поступательные движения индуктора.

Сформулированы принципы построения предложенного электромеханического комплекса, которые заключаются в распределении механической энергии ветродвигателя на подачу воды и генерирование электроэнергии, причем приоритет использования механической энергии ветродвигателя отдается насосному оборудованию с фиксированной мощностью, а магнитоэлектрический линейный генератор используется для дозагрузки ветродвигателя при значительных скоростях ветра.

Согласование энергетических потоков структурных элементов комбинированной электроводоснабжающей ветроустановки, учитывая использование магнитоэлектрического линейного генератора в режиме электродвигателя для привода насосного оборудования в безветренную погоду, а также дозагрузку им ветронасосной установки начиная со скорости ветра от 4,5 м/с позволяет использовать на 16 % больше от технически-возможного потенциала ветра, что составляет 620 кВт·год/м ² год.

Установлена особенность трехфазного магнитоэлектрического линейного генератора, которая состоит в удвоении электрической частоты напряжения фазы А по отношению к механической частоте колебаний двигающегося индуктора () и отличии ее от электрической частоты напряжения фаз В и С и их механической частоты колебаний двигающегося индуктора, ().

Разработаны новые технические решения: комбинированных электроводоснабжающих ветроустановок с линейными электрогенераторами возвратно-поступательного движения и насосным оборудованием, что делает ветроустановки многофункциональными и одновременно простыми в эксплуатации; магнитоэлектрического линейного генератора с эффективными энергетическими показателями; стенда для экспериментальных исследований линейных генераторов возвратно-поступательного движения, который позволяет проводить исследования с переменной частотой механических колебаний и малой величиной хода.

Ключевые слова: комбинированная электроводоснабжающая ветроустановка, магнитоэлектрический линейный генератор, моделирование электромагнитных и электромеханических процессов, возвратно-поступательное движение, экспериментальные исследования.

Petrenko A.V. Wind power system with combined electricity supply and water pumping on the basis of the permanent magnet electric linear generator of back-and-forth motion. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand. Tech. Sci. on speciality 05.09.03 - electrotechnical complexes and systems. National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, Kiev, 2010.

The dissertation deals with increasing power efficiency of windpump by means of working out wind power system with combined electricity supply and water pumping on the basis of the permanent magnet electric linear generator with changes of modes of electricity supply and water pumping, and also stochastic receipt of wind power.

The scientific idea of the thesis consists in combined use of mechanical energy of a wind turbine with back-and-forth motion for the pump equipment drive and the permanent magnet electric linear generator drive, and also for the coordination of combined electricity supply and water pumping processes.

Principles of construction of wind power system with combined electricity supply and water pumping are formulated. Mathematical and imitating models for researching of electromagnetic and electromechanical processes in electrotechnical system on the basis of the permanent magnet electric linear generator of back-and-forth motion are developed. Operating modes of wind power system are coordinated with combined electricity supply and water pumping, and also stochastic receipt of wind power.

Keywords: wind power system with combined electricity supply and water pumping, the permanent magnet electric linear generator, modeling of electromagnetic and electromechanical processes, back-and-forth motion, experimental researches.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасні тенденції розвитку сільського господарства України спрямовані на підвищення ефективності постачання фермерських та селянських господарств електричною енергією та водою. При цьому, виходячи із умов економічної доцільності та екологічної безпеки, особливо для місцевостей, віддалених від централізованих електричних мереж та систем водопостачання, установки для забезпечення споживачів електричною енергією і водою повинні максимально використовувати наявні поновлювані джерела енергії.

До таких засобів електроводопостачання належать вітронасосні, вітроелектронасосні та вітроелектричні установки. Застосування вітронасосних установок з тихохідними роторами, в яких коефіцієнт корисної дії об'ємних насосів становить 70 - 80 % і вище, є простим та надійним рішенням для водопостачання, але такі вітроустановки мають низький коефіцієнт завантаження вітродвигуна. Використання вітроелектронасосних установок обмежується лише водопостачанням, в таких установках коефіцієнт корисної дії електронасосів не перевищує 60 %. У разі застосування вітроелектроустановки, що живить електроспоживачів для одночасного приводу електронасоса, необхідно мати резерв номінальної потужності. Використання електронасосів у вітроустановках призводить до зниження загального коефіцієнта корисної дії вітроустановок, що зменшує ефективність подачі води.

Раціональним рішенням може бути застосування комбінованої конструкції вітронасосної установки зворотно-поступального руху з магнітоелектричним лінійним генератором, що забезпечить принципові можливості її ефективного регулювання корисним електронавантаженням при збільшенні швидкості вітру та використання акумульованої енергії для приводу насоса від лінійної електричної машини у безвітряний період. Це дозволить підвищити ефективність використання механічної енергії вітродвигуна, розширити функціональність вітронасосної установки та підвищити коефіцієнт використання встановленої потужності.

Дотепер ще не розроблені науково-технічні принципи побудови комбінованих електроводопостачальних вітроустановок на базі магнітоелектричних лінійних генераторів і стандартного насосного обладнання, не встановлені енергетичні взаємозв'язки між їх структурними елементами, не приділено достатньої уваги створенню енергоефективних рішень таких електромеханічних систем.

Дисертаційна робота присвячена обґрунтуванню електромеханічних та електромагнітних процесів електротехнічного комплексу на базі магнітоелектричного лінійного генератора зворотно-поступального руху з урахуванням режимів електроводоспоживання та стохастичного надходження енергії вітру для підвищення енергоефективності комбінованої електроводопостачальної вітроустановки. Впровадження результатів дослідження дозволить забезпечити комплексне розв'язання задачі комбінованого електроводопостачання споживачів фермерських господарств з використанням поновлюваних джерел енергії.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, представлені у роботі, виконувались на кафедрі електропостачання ім. проф. В.М. Синькова Національного університету біоресурсів і природокористування України відповідно до цільових програм Міністерства аграрної політики України за темами: "Розробка методів і технічних засобів підвищення надійності та ефективності сільських систем електроживлення", номер державної реєстрації - 0106U005710 та "Розробка гібридної вітросонячної системи електроживлення тваринницьких ферм", номер державної реєстрації - 0109U003219.

Метою дисертаційної роботи є підвищення енергоефективності вітронасосних установок шляхом розробки комбінованої електроводопостачальної вітроустановки на базі магнітоелектричного лінійного генератора з урахуванням режимів електроводоспоживання та стохастичного надходження енергії вітру.

Задачі дослідження. Виконання наукового завдання та досягнення поставленої мети дослідження ґрунтується на розв'язанні наступних задач:

1. Аналіз відомих типів та конструкцій вітроелектронасосних і вітронасосних установок та визначення шляхів підвищення їх енергоефективності.

2. Дослідження та узгодження розподілу потужностей між основними структурними складовими комбінованої електроводопостачальної вітроустановки та споживачами.

3. Встановлення закономірностей впливу стохастичного надходження енергії вітру на енергоефективність функціонування комбінованої електроводопостачальної вітроустановки.

4. Розробка імітаційної та математичної моделі магнітоелектричного лінійного генератора зворотно-поступального руху для аналізу динамічних процесів та енергетичних характеристик комбінованої електроводопостачальної вітроустановки.

5. Визначення залежностей енергетичних параметрів магнітоелектричного лінійного генератора зворотно-поступального руху з урахуванням зміни навантаження електроспоживачів та стохастичного надходження енергії вітру.

6. Експериментальне дослідження трифазного магнітоелектричного лінійного генератора зворотно-поступального руху та оцінка адекватності розробленої математичної моделі.

Об'єктом дослідження є електромеханічні та електромагнітні процеси в електротехнічному комплексі комбінованої електроводопостачальної вітроустановки з магнітоелектричним лінійним генератором зворотно-поступального руху.

Предметом дослідження є вплив електромеханічних та електромагнітних процесів у електротехнічному комплексі на базі магнітоелектричного лінійного генератора зворотно-поступального руху на енергоефективність комбінованої електроводопостачальної вітроустановки з урахуванням стохастичного надходження енергії вітру та режимів електроводоспоживання.

Методи дослідження. Теоретична складова проведених досліджень ґрунтується на застосуванні методів статистичного аналізу, імітаційного і математичного моделювання з використанням теорії електричних кіл та електромагнітного поля. Адекватність розробленої математичної моделі підтверджена експериментально отриманими результатами, максимальне відносне відхилення яких не перевищує 4 %. Проведення обчислювальних експериментів базувалось на використанні програмних засобів Mathcad, Matlab, Elcut та Autocad.

Наукова новизна одержаних результатів дисертаційної роботи.

Сформульовано нові принципи побудови електротехнічного комплексу комбінованої електроводопостачальної вітроустановки з використанням магнітоелектричного лінійного генератора зворотно-поступального руху, які полягають у розподіленні механічної енергії вітродвигуна на подачу води та генерування електроенергії, що дало змогу розширити функціональність таких систем та підвищити їх енергоефективність.

Вперше шляхом числового моделювання одержані питомі енергетичні параметри електротехнічного комплексу на базі магнітоелектричного лінійного генератора, що дало змогу встановити залежність між механічною частотою коливань рухомого індуктора і частотою електричних коливань у колі статора та оцінити гармонічний склад напруги генератора для заданої амплітуди механічних коливань кривошипно-шатунного механізму комбінованої електроводопостачальної вітроустановки.

Удосконалено математичну модель електромагнітних та електромеханічних процесів магнітоелектричних лінійних електричних генераторів із зворотно-поступальним рухом, особливістю якої є врахування частоти механічних коливань рухомого індуктора та ємнісного підмагнічування для забезпечення максимальної розрахункової потужності електромеханічного комплексу з урахуванням різної частоти струму фаз.

Отримала подальший розвиток теорія побудови вітроенергетичних систем, відмінною рисою якої є встановлення закономірностей впливу процесу енергоперетворення в електротехнічному комплексі на базі магнітоелектричного лінійного генератора зворотно-поступального руху на енергоефективність комбінованої електроводопостачальної вітроустановки з урахуванням стохастичної зміни надходження енергії вітру та режимів електроводоспоживання, що дозволило підвищити енергоефективність системи.

Практичне значення одержаних результатів полягає у розробленні:

математичної, імітаційної та фізичної моделей магнітоелектричного лінійного генератора зворотно-поступального руху для комбінованої електроводопостачальної вітроустановки;

алгоритму автономного функціонування електромеханічної системи комбінованої електроводопостачальної вітроустановки з акумуляторними батареями та резервуаром-накопичувачем води;

методики розрахунку потужностей комбінованої електроводопостачальної вітроустановки та тривалості безперервного живлення електроспоживачів від акумуляторних батарей при відсутності вітру;

методики розрахунку параметрів магнітної системи магнітоелектричного лінійного генератора та ємності для електромагнітного підмагнічування обмоток статора;

нових технічних рішень комбінованої електроводопостачальної вітроустановки з магнітоелектричним лінійним генератором зворотно-поступального руху і насосним обладнанням, трифазного магнітоелектричного лінійного генератора зворотно-поступального руху та стенда для експериментальних досліджень.

Запропоновані методики розробки комбінованої електроводопостачальної вітроустановки з магнітоелектричним лінійним генератором зворотно-поступального руху та узгодження режимів електроводоспоживання за умов стохастичного надходження енергії вітру впроваджені у відділі вітроенергетики Інституту відновлюваної енергетики НАН України та ПП "Аванте".

Результати дисертаційного дослідження використовуються у навчальному процесі при виконанні лабораторних робіт на кафедрі електропостачання ім. проф. В.М. Синькова та кафедрі електричних машин та експлуатації електрообладнання навчально-наукового інституту енергетики і автоматики Національного університету біоресурсів і природокористування України.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є самостійним науковим дослідженням. У друкованих працях, опублікованих у співавторстві, автором обґрунтовано перспективи дослідження комбінованої електроводопостачальної вітроустановки, визначено особливості її конструкції та принцип роботи, розроблено структурно-функціональну схему, проведено порівняльний аналіз основних типів вітронасосних установок [1, 2]; розроблено методику розрахунку параметрів магнітоелектричної лінійної машини зворотно-поступального руху, що дозволила створити економічну та технічно доцільну конструкцію магнітної системи, згідно якої виконано розрахунки та порівняння енергетичних характеристик двох типів циліндричних магнітоелектричних лінійних машин [3]; розроблено методику аналізу балансу потужностей структурних складових комбінованої електроводопостачальної вітроустановки та відповідну методиці стохастичну модель, згідно з якою проведено моделювання та виконані розрахунки, визначено коефіцієнт корисної дії [4, 5]; розроблено математичну модель і Simulink-програму для аналізу динамічних процесів і ефективності енергоперетворення в магнітоелектричному лінійному генераторі зворотно-поступального руху, відповідно до якої проведено числове моделювання [6, 7]; розроблено методику розрахунку тривалості безперервного живлення електроспоживачів від акумуляторних батарей та здійснено її аналіз [8]; проведено експериментальні дослідження трифазного магнітоелектричного лінійного генератора та порівняно отримані дані з розрахунковими [10]; розроблено конструктивні рішення та проведено їх опис [11, 12, 14, 17, 19, 21, 22, 23]; запропоновано ідею технічного рішення та проведено розробку її конструкції [13, 15, 16, 18, 20, 24, 25].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідались та обговорювались на щорічних міжнародних, відомчих та вузівських науково-технічних конференціях і семінарах:

- конференція науково-педагогічних працівників, наукових співробітників та аспірантів Національного аграрного університету (м. Київ, НАУ, квітень 2007 - 2010 рр.);

- науково-практичний семінар "Проблеми створення автономних систем електроживлення споживачів АПК" (м. Київ, НАУ, 16.05.2007 р.);

- міжнародна науково-практична конференція "Новітня енергетика та електротехнології" (м. Київ, НАУ, 20 - 21.12.2007 р.);

- міжнародна науково-технічна конференція "Проблеми електроенергетики і автоматики АПК" (м. Київ, НАУ, 03 - 04.11.2008 р.);

- науковий семінар "Проблеми енергетики та автоматизації сільського господарства" (м. Київ, НУБіП України, 15.04.2009 р.);

- науковий семінар Наукової Ради НАН України "Наукові основи електроенергетики" (м. Київ, Інститут електродинаміки, 22.04.2009 р.);

- науково-практичний семінар "Альтернативна енергетика та енергозбереження в ХХІ столітті" (м. Київ, НВЦ України, 13.06.2009 р.);

- XVIII міжнародна науково-технічна конференція "Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві" (смт. Глеваха-1, Київська область, ННЦ "ІМЕСГ", 01 - 02.07.2010 р.).

Публікації. За результатами дослідження, виконаного у дисертаційній роботі, опубліковано 10 друкованих праць у фахових виданнях ВАК України та отримано три патенти на винаходи і 12 патентів України на корисні моделі.

Обсяг та структура роботи. Дисертація викладена на 234 сторінках друкованого тексту, у тому числі основного тексту - 143 сторінки, містить 77 рисунків, 15 таблиць, складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури із 138 найменувань, у тому числі 11 іноземними мовами, та шести додатків.

Основний зміст

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційного дослідження, розкрито суть наукового завдання, сформульовано мету і задачі, необхідні для її досягнення, наукову новизну та практичну цінність роботи.

У першому розділі "Задачі підвищення ефективності функціонування вітроелектронасосних і вітронасосних установок та шляхи їх вирішення" проведено аналіз відомих типів та конструкцій вітроелектронасосних і вітронасосних установок малої потужності, доцільності їх застосування для електроводопостачання окремих сільськогосподарських споживачів на прикладі автоматичної системи зрошення та крапельного поливу, а також науково-методичного забезпечення, необхідного для моделювання і дослідження електромеханічних та електромагнітних процесів у вітроелектричних установках.

Аналіз наукових праць відомих у галузі вітроенергетики авторів Є.М. Фатєєва, Я.І. Шефтера, Г.І. Денисенка, П.Ф. Васька, С.О. Кудрі, В.М. Головка, В.С. Кривцова, Л.І. Мазуренка, К.М. Василіва, А.І. Яковлєва, В.П. Харітонова, О.М. Яхно, В.І. Радіна, Т.В. Рудого, Д.Г. Алексієвського, О.О. Тихевича, А.С. Креймера та ін. дозволив детально розглянути принципи побудови існуючих електромеханічних систем вітроелектричних, вітроелектронасосних і вітронасосних установок, визначити їх переваги і недоліки, а також проаналізувати класифікацію використаного електрогенеруючого обладнання та виділити основні типи вітроелектронасосних установок.

Огляд науково-методичних розробок та методів моделювання вітроелектричних та вітроелектронасосних установок розкрив тільки ті питання, що стосуються дослідження вітроелектроустановок традиційної конструкції з електрогенераторами постійного струму, синхронними і асинхронними електрогенераторами обертового руху, застосуванням насосного обладнання із електроприводом, або вітронасосних установок без можливості генерування електроенергії.

У результаті узагальнення отриманої інформації запропоновано підвищити енергоефективність роботи вітронасосної установки із горизонтальною віссю обертання шляхом встановлення магнітоелектричного лінійного генератора зворотно-поступального руху між кривошипно-шатунним механізмом та об'ємним водяним насосом, що дозволить розширити її функціональність та підвищити ефективність використання механічної енергії вітродвигуна. Тобто, комбінована вітроустановка, крім подачі води, додатково генеруватиме електричну енергію для заряджання акумуляторних батарей, що може бути використана для живлення електричної машини у разі необхідності приводу насоса в безвітряну погоду та під час зростання швидкості вітру вмиканням електрогенератора дозавантажувати вітродвигун і тим самим збільшити коефіцієнт використання встановленої потужності вітроустановки. За рахунок встановлення електрогенеруючого обладнання в опорі вітроустановки спрощується конструкція гондоли вітродвигуна, полегшується виконання технічного обслуговування, а використання механічної енергії вітродвигуна для одночасного приводу штока насоса та індуктора електрогенератора усуває затрати на електропривод насоса. Здійснивши розробку структурно-функціональної схеми комбінованої електроводопостачальної вітроустановки (КЕВВУ) з магнітоелектричним лінійним генератором (МЕЛГ) зворотно-поступального руху, удосконалено конструкцію вітронасосної установки та розширено її функціональність.

Аналіз методів дослідження лінійних електричних машин в режимі роботи електрогенератора проведено шляхом вивчення наукових праць А.О. Афоніна, О.Д. Подольцева, В.В. Гребенікова, М.Я. Хітерера, М.В. Морозкіної, І.А. Іванової, Н.Дж. Бейкера, в яких докладно описані способи розрахунку лінійних електричних машин у режимі роботи двигуна і не приділено достатньої уваги аналізу електромеханічним та електромагнітним процесам у лінійних електричних генераторах різного конструктивного виконання.

Однією з причин відсутності технічної реалізації запропонованих КЕВВУ з МЕЛГ та насосним обладнанням у вітроенергетиці є недостатньо обґрунтовані та розроблені відповідні технічні рішення і науково-методична база для їх створення. Була обґрунтована потреба у створенні КЕВВУ на базі МЕЛГ і насосного обладнання, розробленні принципів їх побудови, встановленні енергетичних взаємозв'язків між їх структурними елементами та споживачами.

У другому розділі "Обґрунтування принципів побудови комбінованої електроводопостачальної вітроустановки з магнітоелектричним лінійним генератором зворотно-поступального руху" запропоновано використання комбінованої електроводопостачальної вітроустановки з магнітоелектричним лінійним генератором зворотно-поступального руху для потреб селянських (фермерських) господарств, проведено дослідження енергетичних потоків та здійснено аналіз балансу потужностей структурних елементів КЕВВУ, обґрунтовано показники енергоефективності, розроблено модель функціонування КЕВВУ за умов стохастичного надходження енергії вітру, визначено принципи побудови електротехнічного комплексу КЕВВУ та розкрито особливості керування режимами електроводоспоживання.

Принципову функціонально-кінематичну схему запропонованої комбінованої електроводопостачальної вітроустановки з магнітоелектричним лінійним генератором зворотно-поступального руху та насосним обладнанням зображено на рис. 1.

Рис. 1. Принципова функціонально-кінематична схема комбінованої електроводопостачальної вітроустановки.

На підставі аналізу структурних елементів електротехнічного комплексу отримано математичний вираз балансу потужностей КЕВВУ, що описує взаємозв'язок між основними параметрами потужності вітродвигуна та потужності електроспоживачів разом з параметрами об'ємного водяного насоса, враховуючи втрати в елементах електромеханічної системи:

, (1)

де с - густина повітря, с = 1,23 кг/м³ (при t = 15 ⁰C та атмосферному тиску 760 мм. рт. ст.); D - діаметр ротора, м; V - швидкість вітру, м/с; о = 0,33 - коефіцієнт використання енергії вітру; - потужність електроспоживачів, Вт; Q - дійсна подача насоса, м ³/с; р_Н - тиск насоса, Па; - коефіцієнт компенсації втрат потужності при електроспоживанні; - коефіцієнт компенсації втрат потужності на подачу води.

Використовуючи математичний вираз (1) та рівняння балансу потужностей, проведено розрахунок параметрів КЕВВУ, за умови, що дійсна подача об'ємного водяного насоса Q = 2·10^-3 м³/с при тиску насоса р_Н = 0,29·10⁶ Па. Результати розрахунку зображено на рис. 2 і 3.

Рис. 2. Залежність розрахованих потужностей комбінованої електроводо-постачальної вітроустановки Р_РОЗР та магнітоелектричного лінійного генератора Р_МЕЛГ від потужності електроспоживачів Р_СП.

На рис. 2 зображено розраховані значення потужностей комбінованої електроводопостачальної вітроустановки та магнітоелектричного лінійного генератора зворотно-поступального руху від потужності електроспоживачів, отримані з урахуванням фіксованої корисної потужності об'ємного насоса кВт і коефіцієнтів компенсації втрат потужностей і .

Встановлено залежність діаметра ротора КЕВВУ від потужності споживачів, параметрів об'ємного водяного насоса та швидкості вітру у вигляді алгебраїчного виразу:

. (2)

Рис. 3. Залежність діаметра ротора вітроустановки D від швидкості вітру V і потужності електроспоживачів Р_СП (а) та діаметра ротора вітроустановки D від потужності електроспоживачів Р_СП (б).

Вираз для визначення коефіцієнта корисної дії КЕВВУ з урахуванням втрат в елементах електромеханічної системи має вигляд:

, (3)

де з_ТР ? 0,941 - ККД трансмісії вітродвигуна; з_МЕЛГ ? 0,782 - ККД магнітоелектричного лінійного генератора; з_В ? 0,85 - ККД випрямляча напруги; з_АІН ? 0,9 - ККД автономного інвертора напруги; з_Н ? 0,81 - ККД поршневого об'ємного насоса.

Розраховані ККД традиційних вітроелектронасосних установок з електронасосами вібраційними (з_ВЕНУ ? 15 %) та відцентровими (з_ВЕНУ ? 33,7 %) порівняно з коефіцієнтом корисної дії КЕВВУ (з_КЕВВУ ? 62,3 %) однакової потужності, що свідчать про конструктивну ефективність запропонованої комбінованої вітроустановки.

Згідно з методами статистичного аналізу проведено розрахунок математичного сподівання результатів статистичної обробки річного обсягу експериментальних даних по швидкості вітру та потужності електричних споживачів. Отримані дані використані при розв'язанні рівняння балансу потужностей КЕВВУ на основі застосування третього моменту диференціальної функції розподілу швидкості вітру та оцінки математичного сподівання потужності електроспоживачів, що враховує стохастичну природу зміни цих величин і має вигляд:

(4)

де - математичне сподівання випадкової величини для швидкості вітру, м/с; - дисперсія випадкової величини для швидкості вітру, м²/с²; - середнє квадратичне відхилення випадкової величини для швидкості вітру, м/с; - математичне сподівання випадкової величини для потужності електроспоживачів, Вт.

Результати розрахунку дозволяють узгодити діаметр ротора вітродвигуна з потужністю електрогенератора, об'ємного насоса та споживачів. При цьому конструктивне об'єднання вітродвигуна, що має кривошипно-шатунний механізм з об'ємним насосом і МЕЛГ, забезпечує підвищення механічної ефективності вітроустановки і створює тим самим можливість ефективного використання механічної енергії вітродвигуна для одночасного генерування електричної енергії та подачі води однією вітроустановкою.

Для районів України середньорічна швидкість вітру не перевищує 5..7 м/с, тому подача води вітронасосною установкою з тихохідним ротором повинна починатися при швидкості вітру від 3,3 м/с, але при наявності інтенсивних вітрових режимів такі установки працюють з низьким коефіцієнтом завантаження вітродвигуна, що дозволяє використати до 520 кВт·год/м² рік від технічно-досяжного потенціалу вітру. Для швидкості вітру від 4,5 м/с придатні більш швидкохідні вітродвигуни, що нездатні ефективно працювати при низьких швидкостях вітру. Застосування магнітоелектричного лінійного генератора зворотно-поступального руху для дозавантаження вітродвигуна вітронасосної установки при швидкості вітру починаючи з 4,5 м/с дозволяє використати на 16 % більше технічно-досяжного потенціалу вітру, що становитиме 620 кВт·год/м² рік.

Для функціонування електротехнічної системи КЕВВУ, до складу якої входять складові елементи, що пов'язані між собою енергетичними зв'язками, розроблено принципову електричну схему живлення електроспоживачів і відповідний алгоритм керування з урахуванням режимів електроводоспоживання.

За аналогією з відомими рівняннями розрахунку ємності акумуляторних батарей (АБ), визначено тривалість безперервного живлення електроспоживачів від КЕВВУ при відсутності вітру та змінних зовнішніх умовах за рівнянням (5), де враховано використання двох груп акумуляторних батарей для забезпечення автономної роботи, одна з яких підключена до КЕВВУ та електроспоживачів, а інша використовується як резервний накопичувач електроенергії:

, (5)

де Т_елі - і-й варіант абсолютної температури електроліту АБ, К; Р_спj - j-й варіант потужності електроспоживачів, кВт; - коефіцієнт витрати ємності для двох груп АБ; - номінальна ємність однієї АБ, А·г; - номінальна ємність групи АБ, А·г; , - кількість послідовно та паралельно з'єднаних АБ, шт.; - напруга початку розряду АБ, В; , - струм розряду групи АБ, А; - струм 10-годинного режиму розряду, А; - коефіцієнт режиму розряду акумуляторних батарей.

У результаті проведеного аналізу особливостей функціонування КЕВВУ обґрунтовано та визначено основні принципи побудови електротехнічного комплексу:

1) розподіл механічної енергії вітродвигуна здійснюється на основі узгодження режимів електроводоспоживання і поділяється на два потоки енергії, що одночасно використовуються для приводу насосного обладнання та магнітоелектричного лінійного генератора;

2) пріоритет використання механічної енергії вітродвигуна належить насосному обладнанню із фіксованою потужністю, що працює на наповнення резервуара-накопичувача води, а магнітоелектричний лінійний генератор використовується для дозавантаження вітродвигуна при значних швидкостях вітру шляхом генерування електроенергії для накопичення в акумуляторній батареї;

3) привод насосного обладнання у безвітряну погоду здійснюється від магнітоелектричної лінійної машини, що може споживати електричну енергію від акумуляторної батареї і працювати в режимі електродвигуна; при цьому механічне з'єднання між вітродвигуном і лінійною машиною відсутнє;

4) комбінована електроводопостачальна вітроустановка створена за принципом відкритої електротехнічної системи, до складу якої може бути вбудоване додаткове джерело енергії або підключено централізовану електромережу.

У третьому розділі "Моделювання електромагнітних та електромеханічних процесів у циліндричному магнітоелектричному лінійному генераторі зворотно-поступального руху" здійснено розрахунок параметрів магнітної системи магнітоелектричного лінійного генератора зворотно-поступального руху з використанням методу кінцевих елементів для імітаційного моделювання електромагнітного поля. Проведені дослідження енергетичних параметрів двох зразків циліндричних магнітоелектричних лінійних машин, один з яких мав нерозосереджену трифазну обмотку у замкненому магнітопроводі, а інший - розосереджену, дозволили розробити ефективну конструкцію магнітної системи для трифазного циліндричного МЕЛГ зворотно-поступального руху та дослідити електричні параметри і характеристики, необхідні для динамічного моделювання. Застосування для збудження генератора постійних магнітів на основі сплаву NdFeB дозволило отримати значну магнітну індукцію від 1,8 до 1,9 Тл у повітряному зазорі 3 мм, що забезпечує отримання достатніх значень електричної потужності прямого перетворення без використання проміжних передач.

Із розрахункових залежностей величини магнітного потоку та індуктивності обмотки статора від положення індуктора МЕЛГ апроксимовано залежність , гармонічним виразом виду:

, (6)

, де , (7)

- магнітний потік, зчеплений із фазною обмоткою, що створюється постійними магнітами індуктора, Вб; x₀, х_r - координата положення статора та індуктора, м; - індуктивність фазної обмотки, Гн.

Конструктивне виконання трифазного циліндричного магнітоелектричного лінійного генератора зворотно-поступального руху зображено на рис. 4.

Рис. 4. Трифазний циліндричний магнітоелектричний лінійний генератор: а - магнітоелектрична система з розрізом статора; б - лінії магнітної індукції у перерізі області розрахунку; в - розподіл модуля магнітної індукції у перерізі області розрахунку; 1 - не феромагнітне осердя; 2 - феромагнітні елементи; 3 - постійні магніти зі сплаву NdFeB; 4 - статор з електричними котушками.

Електричні котушки статора утворюють трифазну систему, кожна з яких розміщена у замкненому магнітопроводі, розділеному не феромагнітним матеріалом на визначену відстань, причому осьова довжина феромагнітних елементів t_ф рухомої частини дорівнює ширині полюсного наконечника статора t_пол, а відстань між полюсами t_мп кожної фази статора - ширині постійного магніту t_маг, кожна із фаз генератора зміщена відносно іншої на відстань ф = 3+ довжини феромагнітних елементів та ф = 3+ довжини магнітів

.

Керування роботою магнітоелектричної лінійної машини у режимі електродвигуна для приводу насосного обладнання забезпечується згідно з розробленим у результаті числового імітаційного моделювання алгоритму, що дозволяє здійснювати зворотно-поступальне переміщення індуктора.

Згідно з теорією електричних кіл розроблено математичну модель однофазного МЕЛГ зворотно-поступального руху для дослідження динамічних процесів, що дало змогу порівняти два варіанти однофазних електрогенераторів, які відрізнялись просторовим зсувом статора відносно індуктора електрогенератора та проаналізувати їх енергетичні характеристики. У результаті проведеного аналізу стало можливим дослідити ефективність енергоперетворення в трифазному МЕЛГ зворотно-поступального руху на базі розробленої математичної моделі, в якій характер зміни у часі потокозчеплень обмоток статора при роботі електрогенератора на активне навантаження R_Н описується системою диференціальних рівнянь (за умови, що його індуктор переміщується за відомим законом

,

де А - амплітуда механічних коливань індуктора, м, а

- кутова частота механічних коливань індуктора, рад/с):

 (8)

де - активний опір відповідно фазної обмотки і навантаження, Ом; - кількість витків у фазі; - полюсний крок, м. Інші позначення є загальноприйнятими. У рівнянні враховано, що індуктивність статора змінюється залежно від координати положення індуктора згідно з (7), а

.

Для числової реалізації даної математичної моделі у роботі використаний програмний пакет Matlab/Simulink для розробки Simulink-моделі, в якій реалізовані описані диференціальні рівняння та алгебраїчні вирази. вітронасосний генератор електроводоспоживання

Модель містить блок електрогенератора 1 (рис. 5), елементи кола навантаження і 2, блоки вимірювання електричних величин - фазної напруги, струмів і усередненої потужності 3, а також віртуальні осцилографи 4 для графічного відображення результатів розрахунку. У схемі електрогенератора, відображеній у вставці на рис. 5, реалізований випадок ввімкнення фазних обмоток зіркою.



Рис. 5. Simulink-модель трифазного магнітоелектричного лінійного генератора: 1 - блок електрогенератора; 2 - елементи кола навантаження і ; 3 - блоки вимірювання електричних величин; 4 - віртуальні осцилографи.

Проведено дослідження двох випадків роботи МЕЛГ при різних амплітудах А механічних коливань індуктора. Перший випадок амплітуди коливань вибрано у зв'язку з тим, що саме при такому мінімальному значенні А потік в обмотці статора змінюється від максимального Ф_max до мінімального Ф_mіn значення. У випадку перепад величини потоку в обмотці зменшується, що призводить до зниження електрорушійної сили в обмотці електрогенератора. Другий випадок амплітуди коливань .

Отриману форму напруги і струму трифазного МЕЛГ при частоті механічних коливань індуктора електрогенератора Гц з амплітудою та опором навантаження в кожній фазі Rн = 35 Ом зображено на рис. 6.

Форма напруги і струму фази А для випадку амплітуди коливань близька до синусоїдальної та має характерну особливість, пов'язану з тим, що електрична частота дорівнює подвоєній механічній частоті (Гц). У кривій напруги існує лише невелика за величиною друга гармоніка, що складає 11,5 % від першої. Амплітуда напруги і струму фази В і С порівняно із фазою А має частоту, рівну механічній частоті коливань індуктора (Гц) і характеризується наявністю третьої гармоніки - 0,6 %.

Рис. 6. Напруга (а) і струм (б) трифазного магнітоелектричного лінійного генератора, отримані в результаті числового моделювання.

Форма напруги для випадку амплітуди коливань індуктора ілюструє складний полігармонічний закон її зміни у часі. У кривих напруги міститься велика кількість гармонік - як високих, так і низьких відносно основної частоти. При цьому амплітуда напруги у випадку значно перевищує амплітуду напруги при .

У четвертому розділі "Експериментальні дослідження трифазного циліндричного магнітоелектричного лінійного генератора зворотно-поступального руху" відповідно до магнітоелектричної системи трифазного циліндричного МЕЛГ (див. рис. 4) розроблено конструкторську документацію та виготовлено трифазний циліндричний МЕЛГ (рис. 7).

Рис. 7. Лабораторний зразок трифазного циліндричного магнітоелектричного лінійного генератора (а) та рухомого індуктора (б).

На основі принципу імітації роботи вітродвигуна розроблено стенд для експериментальних досліджень (рис. 8), що забезпечив зворотно-поступальний рух індуктора МЕЛГ з малим ходом (амплітудою) і змінною частотою механічних коливань.

Згідно з програмою експериментальних досліджень трифазного МЕЛГ проведено дослідження, спрямовані на визначення електричних параметрів, величини та форми напруги і струму, дослідження роботи електрогенератора, під'єднаного до навантаження через випрямляч напруги, а також окремо на трифазне навантаження, визначення навантажувальних характеристик генератора.



Рис. 8. Стенд для експериментальних досліджень трифазного магнітоелектричного лінійного генератора: 1 - двигун постійного струму; 2 - система керування; 3 - кривошипно-шатунний механізм; 4 - рама для встановлення приводного електродвигуна та досліджуваного генератора; 5 - вимірювальні прилади; 6 - електричне навантаження.

Отриману в результаті експериментальних випробувань форму напруги і струму трифазного МЕЛГ при частоті механічних коливань індуктора електрогенератора Гц з амплітудою та опором навантаження в кожній фазі Rн = 35 Ом зображено на рис. 9.



Рис. 9. Осцилограми напруги (а) та струму (б) трифазного магнітоелектричного лінійного генератора, отримані в результаті фізичного експерименту.

Одним із основних отриманих результатів є експериментальне визначення навантажувальних характеристик трифазного МЕЛГ. Для проведення досліду до МЕЛГ підключено активне навантаження через трифазний випрямляч напруги, складений за схемою Ларіонова. Змінюючи частоту механічних коливань індуктора МЕЛГ від 3 до 15 Гц приводним двигуном постійного струму, що розміщений на експериментальному стенді, отримано залежність потужності трифазного генератора від частоти механічних коливань рухомого індуктора (рис. 10).

Зі зростанням частоти механічних коливань рухомого індуктора електрогенератора збільшується потужність, що споживається навантаженням. При цьому, кожному значенню частоти відповідає підібране значення опору навантаження R_Н, при якому величина генерованої потужності є максимальною (рис. 11).

Максимальне відносне відхилення отриманих результатів не перевищує 4 %, що підтверджує їх достовірність та адекватність розробленої математичної і комп'ютерної моделі фізичному діючому зразку. Таким чином, розроблена математична і комп'ютерна модель може використовуватися в інженерній практиці для створення комбінованої електроводопостачальної вітроустановки з магнітоелектричним лінійним генератором зворотно-поступального руху.

Висновки

У результаті виконання дисертаційної роботи вирішено актуальне наукове завдання, що полягає в обґрунтуванні електромеханічних та електромагнітних процесів електротехнічного комплексу на базі магнітоелектричного лінійного генератора зворотно-поступального руху з урахуванням режимів електроводоспоживання та стохастичного надходження енергії вітру для підвищення енергоефективності комбінованої електроводопостачальної вітроустановки. За результатами виконаного у дисертаційній роботі дослідження були сформульовані наступні висновки:

1. Аналіз відомих типів і конструкцій вітроелектронасосних та вітронасосних установок виявив неузгодженість використання потужності вітрорушія для подачі води та генерування електроенергії, що дозволило визначити напрям розробки комбінованих електроводопостачальних вітроустановок та підвищення їх енергоефективності.

2. Шляхом математичного моделювання виконано узгодження розподілу механічної енергії вітродвигуна на одночасні процеси подачі води та генерування електроенергії, що дало можливість розширити функціональність вітроустановок і підвищити їх енергоефективність: розрахунковий коефіцієнт корисної дії комбінованої електроводопостачальної вітроустановки для режиму подачі води з тиском 0,29·10⁶ Па та генерованої електричної потужності 1 кВт складає 62,3 %, що на 28,6 % вище порівняно з традиційною вітроелектронасосною установкою.

3. На основі застосування третього моменту диференціальної функції розподілу швидкості вітру та оцінки математичного сподівання потужності електроспоживачів у моделі функціонування комбінованої електроводопостачальної вітроустановки встановлені аналітичні залежності впливу стохастичного надходження енергії вітру на основні енергетичні параметри вітроустановки, що дозволило узгодити діаметр ротора вітродвигуна з потужністю електрогенератора, об'ємного насоса та режимів електроводоспоживання.

4. З використанням методу кінцевих елементів виконано розрахунок параметрів магнітної системи магнітоелектричного лінійного генератора та імітаційне моделювання електромагнітного поля, що дало можливість обґрунтувати конструктивне рішення генератора з низьким спектральним складом вищих гармонік напруги та мінімальним гальмівним електромагнітним зусиллям.

5. Розроблений алгоритм автономного функціонування комбінованої електроводопостачальної вітроустановки забезпечив можливість керування рівнем води у резервуарі-накопичувачі, роботою лінійного генератора у режимі електродвигуна для приводу насосного обладнання та режимами заряду-розряду акумуляторних батарей з урахуванням тривалості безперервного живлення електроспоживачів при відсутності вітру.

6. Шляхом числового моделювання визначена амплітуда механічних коливань індуктора магнітоелектричного лінійного генератора, при якій спостерігається мінімальний склад вищих гармонік та не відбувається зниження електрорушійної сили в обмотках генератора, а саме:

...