Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка экспериментального образца обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия мощностью 10-20 кВт для тяжелых условий эксплуатации

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
энергоустановка, возвратно-поступательная электрическая машина, гибридный транспорт, комбинированные энергоустановки, гибридные силовые установки, свободнопоршневой двигатель, линейный генератор

Цель проекта:
1. Применение линейных электрических машин для повышения эффективности систем автономного электроснабжения на базе двигателей внутреннего сгорания. 2. Разработка новых методических и конструктивных решений в области создания энергоэффективных электрических машин возвратно-поступательного действия мощностью 10-20 кВт, имеющих модульную конструкцию и предназначенных для генерации электрической энергии и привода механизмов в агрессивной среде в составе автономных энергоустановок.

Основные планируемые результаты проекта:
1. В ходе выполнения работ планируется получение следующих основных результатов:
- математическая модель комплексного анализа электромагнитных и электромеханических процессов, протекающих в электрической машине возвратно-поступательного действия, рассматриваемой как управляемая электромеханическая система;
- экспериментальный образец энергоэффективной электрической машины возвратно-поступательного действия средней мощности, предназначенная для использования в качестве единичного преобразователя механической энергии в электрическую в составе автономных энергетических установок и должна применяться как в электроэнергетической отрасли реального сектора экономики, в том числе систем резервного электроснабжения, так и в транспортной области;
- испытательный стенд для исследования работы экспериментального образца электрической машины возвратно-поступательного действия средней мощности, обеспечивающий контроль и управление параметрами работы электрической машины в качестве электрического генератора, а также управление нагрузкой электрической машины с целью получения характеристик ее работы;
- система управления экспериментальным образцом электрической машины на испытательном стенде, обеспечивающая управление исполнительными механизмами стенда по заданному алгоритму и обеспечивающая защиту при аварийных режимах работы;

2. Основные характеристики планируемых результатов.
Математическая модель должна позволять выполнять анализ статических и динамических процессов в основных эксплуатационных режимах работы устройства, а также использоваться при выполнении параметрической оптимизации. Математическая модель должна работать при предельных значениях параметров объекта моделирования - электрической машины возвратно-поступательного действия:
- напряжение шины постоянного тока не более: 600 В;
- электрический ток в контуре постоянного тока не более: 100 А;
- точность определения положения транслятора: 0.1 мм;
- средняя скорость перемещения транслятора: 0...15 м/с.
Экспериментальный образец электрической машины возвратно-поступательного действия средней мощности должен обеспечивать следующие параметры:
- напряжение шины постоянного тока не более: 600 В;
- электрический ток в контуре постоянного тока не более: 100 А;
- точность определения положения транслятора: 0.1 мм;
- средняя скорость перемещения транслятора: 0...15 м/с.
В машине возвратно-поступательного действия должна быть предусмотрена возможность перехода электрической машины из двигательного режима в генераторный и обратно за время не более 1 сек. Состав экспериментального образца электрической машины возвратно-поступательного действия следующий:
- внешний корпус электрической машины;
- статор с магнитопроводом и обмоткой;
- подвижный элемент магнитопровода;
- вал;
- датчик положения подвижного элемента магнитопровода;
- центрирующие опоры.

Испытательный стенд для проведения экспериментальных исследований экспериментального образца энергоэффективной электрической машины возвратно-поступательного действия средней мощности должен обеспечивать механическое, температурное воздействие и электрическую нагрузку, а также измерять параметры работы электрической машины в следующих диапазонах:
- Температуру: 0…180 °C;
- Электрический ток: 0...100 А;
- Частоту колебания транслятора: 0...100 Гц;
- Напряжение: 0...600 В.
Состав испытательного стенда:
- станина;
- приводной движитель;
- преобразователь;
- экспериментальный образец электрической машины возвратно-поступательного действия;
- система управления экспериментальным образцом электрической машины;
- нагрузочное устройство для снятия внешней характеристики электрической машины в генераторном режиме;
- комплект измерительных приборов.
Система управления электрической машиной возвратно-поступательного действия должна иметь следующий состав:
- силовая часть;
- микропроцессорная часть;
- блок питания;
Система управления электрической машиной возвратно-поступательного действия (ее силовая часть) должна обеспечивать подачу импульсов возбуждения (в генераторном режиме) и импульсов питания (в двигательном режиме) по сигналам датчика положения подвижного элемента магнитопровода. Алгоритм управления, реализуемый микропроцессорной частью, должен обеспечивать энергоэффективные характеристики импульсов управления и возбуждения электрической машины, а также заданные параметры функционирования электрической машины. Силовая часть системы управления электрической машиной должна быть выполнена на силовых полупроводниковых приборах классом по напряжению 1200 В. КПД силовой части системы управления не менее 95%.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Создаваемый электромеханический преобразователь энергии, на базе поршневых двигателей внутреннего сгорания и обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия мощностью 10-20 кВт, позволяет в тяжелых условиях эксплуатации обеспечивать преобразование механической энергии в электрическую.
2. Новизна создаваемого электромеханического преобразователя энергии заключается в том, что впервые предложено использование электрической машины индукторного типа совместно с двигателем внутреннего сгорания. Особенность конструкции разрабатываемой электрической машины возвратно-поступательного действия, заключается в применении линейных направляющих подвижного элемента, позволяющих обеспечить точное позиционирование подвижного элемента относительно статора и поддержание равномерного воздушного зазора при продольных перемещениях.
Система управления электрической машины возвратно-поступательного действия основана на известных алгоритмах управления, адаптированных для случая возвратно-поступательного движения. Новыми являются предложенные принципы бездатчикового управления вентильно-индукторной электрической машиной возвратно-поступательного действия позволяющие обеспечить ее эффективное регулирование при работе в режиме генерации.
3. Применение линейных электрических машин возвратно-поступательного действия по сравнению с вращающимися электрическими машинами при создании электрогенерирующих установок на базе двигателей внутреннего сгорания позволяет отказаться от использования кривошипно-шатунного механизма и перейти к двигателю свободнопоршневой конструкции. В результате снижается инерционность системы и ускоряется реакцию системы на колебания потребляемой нагрузкой мощности. Цилиндры не имеют между собой механической связи и могут быть выполнены независимо, что дает возможность строить систему генерации электроэнергии по модульному принципу. Возможность независимой работы позволяет подключать и отключать отдельные модули для оптимизации работы электрогенерирующей системы, при необходимости легко наращивать мощность автономной системы электроснабжения.
4. В большинстве случаев в качестве линейного электрогенератора, работающего со свободно-поршневым двигателем, используются синхронные электрические машины с постоянными магнитами на подвижном элементе. Элементы конструкции электрической машины работающей в качестве электрогенератора совместно со свободно-поршневым двигателем находятся в непосредственной близости от цилиндро-поршневой группы, в зоне высоких температур. На них действуют механические нагрузки ударного характера. Поэтому применение постоянных магнитов, несмотря на эффективность электрических машин с их использованием, нежелательно, так как требует решения проблем обеспечения температурного режима и крепления магнитов. Поэтому одним из оптимальных вариантов является применение в качестве электромеханического преобразователя, работающего совместно со свободно-поршневым двигателем, реактивно-индукторной электрической машины. У нее отсутствует обмотка на роторе, а обмотки статора выполняются сосредоточенными, что упрощает конструкцию и повышает ее надежность. Для рассматриваемого случая предлагается использовать конструкцию линейной реактивно-индукторной электрической машины с двумя поочередно работающими фазами.
Наиболее часто линейные электрические машины выполняют с цилиндрическим зазором. Перемещение подвижного элемента осуществляется вдоль оси зазора. Статор и подвижный элемент являются телами вращения, а обмотки статора имеют форму кольца,. Такая конструкция является технологичной, в ней хорошо используются активные материалы. Особенностью реактивно-индукторной электрической машины является то, что ее масса и габариты в значительной степени определяются величиной воздушного зазора, который необходимо делать возможно меньшим. Это накладывает очень высокие требования к стабильности положения подвижного элемента. В конструкции с цилиндрическим зазором эту функцию выполняют опоры скольжения расположенные на концах конструкции. Учитывая значительные нагрузки на подвижный элемент, поддержание стабильности зазора для такой конструкции является сложной задачей. Для фиксации осевого положения подвижного элемента разработана конструкция с использованием продольных направляющих.
Особенностью предлагаемой конструкции является использование магнитопровода пространственной конструкции состоящей из четырех полюсов сверху и снизу от направляющих. В качестве ярма магнитопровода, по которому замыкается магнитный поток, используется наружная труба (оболочка). В рассматриваемой конструкции применяются по две сосредоточенных обмотки на каждую фазу электрической машины с каждой стороны магнитопровода.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Потребителями разработанной продукции - обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия для тяжелых условий эксплуатации могут выступать научно-исследовательские, проектные и производственные организации, занимающиеся созданием и производством автономных электрогенерирующих систем на базе двигателей внутреннего сгорания. С использованием разработанных в ходе выполнения ПНИЭР электрических машин возможно создание автономных систем электрогенерации на базе свободнопоршневых двигателей внутреннего сгорания модульного типа;
2. Разрабатываемая в ходе выполнения проекта возвратно-поступательная электрическая машина возвратно-поступательного действия может быть использована в качестве генератора в электрогенерирующей системе на базе свободно-поршневого двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, использование такой электрической машины возможно в качестве привода компрессора или поршневого насоса.
3. Разрабатываемая электрическая машина возвратно-поступательного действия с системой управления позволит создать многоблочную автономную электрогенерирующую систему стационарного и мобильного исполнения, для энергообеспечения децентрализованных объектов и как следствие снизить стоимость электрификации, создание аварийных (дублирующих) систем энергообеспечения особо важных социальных объектов, мобильное исполнение позволит в кратчайшие сроки обеспечить электрической энергией объекты попавшие в чрезвычайную ситуацию. Расширение линейки мобильных автономных электростанций на рынке позволит решить проблему энергоснабжения социально-значимых объектов, процессов и мероприятий. В современных условиях важно оперативно реагировать на возникновение дефицита электроэнергии. Также данная категория электростанций составляет противоаварийный резерв государственных служб. Для выполнения коммерциализации заключен договор с Индустриальным партнером в рамках Соглашения о субсидии о реализации и продвижение результатов работы.
4. Научные результаты, полученные при разработке линейной электрической машины возвратно-поступательного действия, докладывались на международных научно-технических конференциях, опубликованы в международных журналах. В настоящее время ведется работа по организации сотрудничества в указанном направлении с научными коллективами Европейского Союза. Для популяризации полученных знаний разрабатывается демонстрационная установка для показа принципа работы линейного электрогенератора возвратно-поступательного действия.

Текущие результаты проекта:
1) Выбрана и обоснована конструкция электрической машины возвратно-поступательного действия. В результате расчета конструкции модуля линейной электрической машины возвратно-поступательного действия, определены рабочие параметры электрической машины.
2) Разработана математическая модель линейной электрической машины возвратно-поступательного действия, основанная на применении методов теории электромагнитного поля.
3) Разработан алгоритм функционирования системы управления экспериментальным образцом электрической машины возвратно-поступательного действия.
4) Разработана эскизная конструкторской документация на экспериментальный образец линейной электрической машины.
5) В соответствии с разработанной эскизной документацией изготовлены детали и узлы экспериментального образца: магнитопроводы статора и подвижного элемента; элементы для крепления; осуществлена сборка конструкции. Создана оснастка для изготовления конструктивных элементов и сборки узлов линейной электрической машины Выполнена сборка экспериментального образца.
6) Разработана система управления экспериментальным образцом линейной электрической машины возвратно-поступательного действия. Созданы алгоритмы функционирования системы управления, на их основе разработана управляющая программа для микропроцессорного модуля.