Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0121

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0121
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный энергетический университет"
Название доклада
Разработка экспериментального образца обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия мощностью 10-20 кВт для тяжелых условий эксплуатации
Докладчик
Ившин Игорь Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
1. 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.
2. Разработка экспериментального образца обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия с температурным рабочим диапазоном от 0°C до 150 °C и усилием на трансляторе электрической машины до 11 кН.
Актуальность и новизна исследования
Разрабатываемый экспериментальный образец электрической машины возвратно-поступательного действия может применяться в составе силовых установок на базе свободно-поршневых двигателей внутреннего сгорания для нужд малой энергетики, а также для выработки электрической энергии на основе возобновляемых источников, в том числе и в удаленных районах Российской Федерации; в составе систем резервного и децентрализованного электроснабжения потребителей малой и средней мощности; в составе силовых установок для гибридного транспорта, а также в качестве привода насосов, в том числе для нефтяных скважин. Использование результатов данного проекта позволит добиться экономического эффекта за счёт повышения КПД энергетических установок для нужд малой энергетики, а также повышения надежности систем электроснабжения за счет их децентрализации. Применение разрабатываемых методик и численных моделей для расчета и выбора рациональных параметров трехфазной обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия позволит повысить качество и сократить время проектирования на этапе разработки линейных электрических машин.
Разработаны новые конструктивные решения изготовления статора, транслятора и системы охлаждения обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия в составе автономной энергоустановки.
Для решения поставленных задач разработан уникальный испытательный стенд для углубленных исследований обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия, включающий в себя систему управления испытательным стендом и обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия.

Описание исследования

С целью определения рациональных конструктивных параметров электрической машины возвратно-поступательного
движения реализована концепция параллельного моделирования (в иностранной литературе Co-Simulation).
Данная концепция дает возможность производить обмен данными между различными программами с целью повышения
эффективности, точности моделирования и оптимизации конструктивных размеров деталей. Обмен данными производится
между программами Matlab/Simulink, CatiaV5 и Ansys Maxwell через специально написанную оригинальную программу.
На основе разработанной имитационной модели трехфазной линейной обратимой электрической машины возвратно-
поступательного действия проведены расчеты зависимостей вырабатываемой электрической мощности от частоты
перемещения транслятора электрической машины. Потенциал использования разрабатываемого линейного генератора лежит в
диапазоне от 3 до 16 кВт, что позволяет в перспективе найти применение данной конструкции в области малой энергетики и
гибридного транспорта.
Рассчитаны осевые нагрузки, действующие на транслятор электрической машины в зависимости от частоты транслятора,
позволяющие провести прочностной анализ вала транслятора и закрепленных на нем магнитов.
Максимальное механическое напряжение в точках крепления магнитов составляет 7,72 МПа, что необходимо учитывать при
выборе способа монтажа магнитов на основу транслятора.
Максимальное механическое напряжение на валу транслятора составило 110 МПа, что позволяет использовать титан в
качестве материала основы транслятора с учетом его механических характеристик.
Проведены углубленные исследования характеристик экспериментального образца обратимой электрической машины
возвратно-поступательного действия.Проведены численные исследования характеристик экспериментального образца
обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия в специализированном программном обеспечении по
результатам углубленных исследований.

Разработана конструкторская документация на  испытательный  стенд  для  проведения  углубленных  исследований  характеристик  обратимой  электрической  машины  возвратно-поступательного  действия  поступательного действия; изготовлен испытательный стенд для  проведения  углубленных  исследований  характеристик  обратимой  электрической машины  возвратно-поступательного  действия; разработана конструкторская документация на экспериментальный образец обратимой электрической машины возвратно- поступательного  действия; разработана программа и методики испытаний экспериментального образца обратимой электрической машины возвратно- поступательного  действия; разработана программа и методики испытаний стенда для испытаний экспериментального образца обратимой электрической машины  возвратно-поступательного  действия; разработана и изготовлена система управления обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия.

Результаты исследования

Проведенный аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы,
затрагивающей научно-техническую проблему разработки и создания обратимых электрических машин возвратно-
поступательного действия позволил определить основные направления исследований с целью создания энергоэффективной
электрической машины (генератора –двигателя) возвратно поступательного действия мощностью 10-20 кВт для тяжелых
условий эксплуатации.
С учетом требований, предъявляемых к проектируемому опытному образцу, по рабочей температуре, скорости перемещения
транслятора и использования унифицированных деталей была принята следующая концепция обратимой электрической
машины возвратно-поступательного движения: обратимая электрическая машина возвратно-поступательного движения с
обмоткой на статоре и постоянными магнитам на цилиндрическом полом трансляторе.
Принятые при проектировании испытательного стенда решения позволяют добиться таких показателей как максимальная
скорость перемещения транслятора до 20 м/с, максимально измеряемое усилие до 100 кН, частота перемещения транслятора до
300 Гц, мощность нагрузки до 25 кВт, напряжение нагрузки до 400 В, измерение электрического тока до 300 А, точность
определения положения транслятора до 0,1 мм, измерение температуры элементов машины до 204 °С, частота оцифровки
входных сигналов системы контроля и управления до 800 кГц.
Разработана математическая модель обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия на основе
представления электрической цепи через эквивалентную схему, учитывающую индуктивность и активное сопротивление
рабочей обмотки, индуктивность и активное сопротивление нагрузки, с учетом сопротивления выпрямителя, ЭДС движения,
наводимая в рабочей обмотке при перемещении магнитов. Предложено выражать движение магнитов на трансляторе
обратимой электрической машины через синусоидальную зависимость.
Численная (имитационная) модель трехфазной линейной обратимой электрической машины возвратно-поступательного
действия представлена в программе Matlab-Simulink.
В программном продукте CATIAV5 выполнены трехмерные модели статора и транслятора с магнитами для прочностного и
кинематического анализа деталей обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия на основе метода
конечных элементов.
Разработана конструкторская документация на испытательный стенд для проведения углубленных исследований
характеристик обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия поступательного действия.
Изготовлен испытательный стенд для проведения углубленных исследований характеристик обратимой электрической
машины возвратно-поступательного действия.
Разработана конструкторская документация на экспериментальный образец обратимой электрической машины возвратно-
поступательного действия.
Разработана программа и методики испытаний экспериментального образца обратимой электрической машины возвратно-
поступательного действия.
Разработана программа и методики испытаний стенда для испытаний экспериментального образца обратимой электрической
машины возвратно-поступательного действия.
Разработана и изготовлена система управления обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия.
Изготовлен экспериментальный образец обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия.

Практическая значимость исследования
Использование в качестве электромеханического преобразователя энергии в силовых установках на базе свободно-поршневых
двигателей для нужд малой энергетики,в том числе и в удаленных районах Российской Федерации, выработка электричества
на основе возобновляемых источников энергии, разработка силовых установок для гибридного транспорта, использование в
качестве привода насоса.
Практическая ценность работы состоит в том, что: разработана конструкторская документация на испытательный стенд для проведения углубленных исследований характеристик обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия поступательного действия; изготовлен испытательный стенд для проведения углубленных исследований характеристик обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия; разработана конструкторская документация на экспериментальный образец обратимой электрической машины возвратно- поступательного действия; разработана программа и методики испытаний экспериментального образца обратимой электрической машины возвратно- поступательного действия; разработана программа и методики испытаний стенда для испытаний экспериментального образца обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия; разработана и изготовлена система управления обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия; изготовлен экспериментальный образец обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия.
Методы оптимизации, математическое и программное обеспечение, разработанное для расчета и выбора рациональных параметров трехфазной линейной обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия могут быть использованы различными НИИ и проектными организациями на этапе проектирования линейных электрических машин.