Проектирование и анализ асинхронизированного синхронного генератора для ветроэнергетических установок большой мощности : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.09.01

📅 2021 год
Котов, А. А.
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………………6
1. ВЫБОР ТИПА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА ДЛЯ
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ
МЕТОДИК ПРОЕКТИРОВАНИЯ ………………………………………………………………….. 22

1.1 Анализ возможных вариантов электрических генераторов для
ветроэнергетических установок 23

1.1.1. Генератор постоянного тока ………………………………………………………………. 24

1.1.2. Асинхронный генератор ……………………………………………………………………. 25

1.1.3. Синхронный генератор………………………………………………………………………. 26

1.1.4. Асинхронизированный синхронный генератор
(машина двойного питания)………………………………………………………………………… 27

1.2 Конструктивные варианты исключения щёточного узла для
асинхронизированных синхронных генераторов 30

1.2.1. Установка бесщеточного возбудительного устройства ……………………….. 30

1.2.1.1. Конструкция бесщеточного возбудительного устройства на основе
обращённого синхронного генератора. ……………………………………………………….. 32

1.2.1.2. Конструкция бесщеточного возбудительного устройства на основе
асинхронизированного синхронного генератора …………………………………………. 33

1.2.2. Установка вращающегося трансформатора ………………………………………… 34

1.3. Использование аккумуляторной батареи для бесконтактного питания цепи
ротора асинхронизированного синхронного генератора ………………………………. 37

1.4. Структура проектной системы асинхронизированного синхронного
генератора ………………………………………………………………………………………………….. 41

Выводы по главе ………………………………………………………………………………………… 43
2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО
РАСЧЕТА АСИНХРОНИЗИРОВАННОГО СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ЕГО ГЕОМЕТРИИ ……………………………………………………. 44

2.1. Разработка математической модели расчета максимальных габаритов
ротора при обеспечении отсутствия критических частот в рабочем диапазоне
скоростей вращения ……………………………………………………………………………………. 46

2.2. Разработка математической модели электромагнитного расчета
асинхронизированного синхронного генератора …………………………………………. 51

2.2.1. Входные параметры математической модели …………………………………….. 53

2.2.1.1. Константы ………………………………………………………………………………………. 53

2.2.1.2. Ограничения …………………………………………………………………………………… 54

2.2.1.3. Независимые переменные ……………………………………………………………….. 55

2.2.2. Выходные параметры математической модели …………………………………… 60

2.3. Уравнения связи элементов магнитопровода асинхронизированного
синхронного генератора и обобщённых переменных…………………………………… 61

2.4. Алгоритм математической модели расчета асинхронизированного
синхронного генератора ……………………………………………………………………………… 65

2.5. Блок-схема алгоритма расчета асинхронизированного синхронного
генератора ………………………………………………………………………………………………….. 75

2.6. Расчет выходных параметров и характеристик ……………………………………… 80

Выводы по главе ………………………………………………………………………………………… 85

3. РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
асинхронизированного синхронного генератора ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ
ПРОЕКТНЫХ СИТУАЦИЙ …………………………………………………………………………… 87
3.1. Постановка задачи однокритериальной оптимизации
асинхронизированного синхронного генератора …………………………………………. 88

3.2. Выбор метода оптимизации ………………………………………………………………….. 88

3.3. Определение уровней оптимизации ……………………………………………………… 90

3.3.1. Полная габаритная оптимизация ………………………………………………………… 91

3.3.2. Оптимизация при фиксированном наружном, внутреннем диаметрах и
наружной длине (в заданных габаритах) ……………………………………………………… 91

3.3.3. Габаритная оптимизация при фиксированном наружном диаметре …….. 92

3.3.4 Габаритная оптимизация при известном штампе…………………………………. 93

3.3.5. Поверочный расчет ……………………………………………………………………………. 93

3.4. Алгоритм выбора уровня оптимизации …………………………………………………. 94

Выводы по главе ………………………………………………………………………………………… 95

4. РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО И
ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ АСИНХРОНИЗИРОВАННОГО СИНХРОННОГО
ГЕНЕРАТОРА ………………………………………………………………………………………………. 96

4.1. Анализ электромагнитного состояния асинхронизированного синхронного
генератора в программной среде Ansys Electronics Desktop …………………………. 97

4.2. Анализ теплового состояния асинхронизированного синхронного
генератора посредством решения связанной задачи теплового и
вентиляционного расчёта в программной среде MATLAB SIMULINK ………. 112

Выводы по главе ………………………………………………………………………………………. 128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………… 130

ОПРЕДЕЛЕНИЯ…………………………………………………………… …….133

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ………………………………………… …137
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………………………………. 139
Приложение А. Классификация ветроэнергетических установок по мощности и
конструктивному исполнению……………………………………………………………………… 158

Приложение Б. Конструкция асинхронной машины с фазным ротором ………… 159

Приложение В. Применение проектной системы при проектировании
асинхронизированного синхронного генератора для
ветроустановки 3,6 МВт. ……………………………………………………………………………… 160

Приложение Г. Обзор современных систем автоматизированного проектирования
……………………………………………………………………………………………………………………. 165

Приложение Д. Документы о внедрении результатов диссертационного
исследования в АО «Русские электрические двигатели» ………………………………. 172

Актуальность темы исследования
Последние десять лет в мировом научном сообществе идут острые
дискуссии о путях развития современной энергетики. Консервативная его часть
считает, что углеводородная энергетика, основанная на использовании угля,
нефти и газа, еще долгое время будет оставаться основным источником тепловой
и электрической энергии для экономически развитых стран. У этой точки зрения
есть основания. Запасы углеводородов на Земле еще достаточно велики.
Углеводородная индустрия имеет отлаженную инфраструктуру: в наличии
предприятия по производству необходимого оборудования, предприятия по
строительству и обслуживанию энергетических объектов, научные исследования
по повышению эффективности выработки электроэнергии этим способом.
Но при отмеченных преимуществах традиционная энергетика, основанная на
углеводородах, сталкивается с большим количеством проблем и противоречий.
Эти противоречия с каждым годом нарастают и, в конечном счете, могут привести
к кризису традиционной энергетики, если не предпринять попытки к развитию
энергетики альтернативной.
Одна из причин – удорожание добычи углеводородов. Рентабельные нефть,
газ и уголь уже использованы. Добычу ископаемых приходится вести на больших
глубинах под поверхностью земли, на дне океана, осваивать труднодоступные
северные регионы. В конце концов, это может оказаться экономически
невыгодным.
Вторая очень важная причина – экологические проблемы. Природа
миллионы лет стремилась уравновесить содержание углекислого газа в
атмосфере. Углеводородная энергетика это равновесие нарушает, и последствия
такого нарушения человечество еще до конца не оценило. Кризис может
коснуться не только изменения климата, но и живой природы, а на
заключительном этапе проблемы возникнут в человеческом обществе.
Кроме того, очень мало говорят о низкой эффективности традиционной
энергетики. Наивысший коэффициент полезного действия (КПД) тепловых
станций составляет около 30 %, а доля их в балансе мировой энергетики – по
разным оценкам, от 60 до 70 %. Данные цифры свидетельствуют о том, что
традиционная энергетика способствует не только нагреванию планеты, но
загрязнению ее выбросами производства. Этот процесс не может длиться долгое
время. Один из вариантов решения назревших проблем – изменение баланса
генерации электроэнергии в сторону расширения использования возобновляемых
источников энергии (ВИЭ) [127–129, 132–140, 144–149, 151, 157].
В настоящее время доля ВИЭ в общем балансе энергогенерации развитых
стран постоянно растет [46, 154]. Источники возобновляемой энергии достаточно
разнообразны: гидроресурсы, солнце, ветер, биогаз, геотермальная энергия,
энергия волн, энергия приливов и отливов. В связи с чем возникает вопрос, какому
источнику отдать приоритет в развитии. Энергия ветра является одним из
наиболее доступных вариантов.
По данным BP Statistical Review of World Energy, в 2019 году мировой объем
электроэнергии, выработанной ветроэнергетическими установками (ВЭУ),
составил 1 270 ТВт·ч (млрд кВт·ч). За год количество произведенной ВЭУ
электроэнергии увеличилось на 12,6 %. Тройку стран-лидеров составили КНР,
США, Германия (таблица В.1).
По данным Global Wind Energy Council [103], на конец 2019 года
наибольшая доля вырабатываемой мощности ВЭУ приходилась на Азию (44,8
%), Европу (31,4 %) и Северную Америку (26 %).
Таким образом, всего лишь за последние два десятилетия мировой объем
вырабатываемой ВЭУ электроэнергии вырос почти в 30 раз, а объем
установленных мощностей ВЭУ – почти в 40 раз.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

    Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее
    Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее
    Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее
    Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Дарья П. кандидат наук, доцент
    4.9 (20 отзывов)
    Профессиональный журналист, филолог со стажем более 10 лет. Имею профильную диссертацию по специализации "Радиовещание". Подробно и серьезно разрабатываю темы научных... Читать все
    Профессиональный журналист, филолог со стажем более 10 лет. Имею профильную диссертацию по специализации "Радиовещание". Подробно и серьезно разрабатываю темы научных исследований, связанных с журналистикой, филологией и литературой
    #Кандидатские #Магистерские
    33 Выполненных работы
    Анна Александровна Б. Воронежский государственный университет инженерных технол...
    4.8 (30 отзывов)
    Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственно... Читать все
    Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственном университете инженерных технологий.
    #Кандидатские #Магистерские
    66 Выполненных работ
    Андрей С. Тверской государственный университет 2011, математический...
    4.7 (82 отзыва)
    Учился на мат.факе ТвГУ. Любовь к математике там привили на столько, что я, похоже, никогда не перестану этим заниматься! Сейчас работаю в IT и пытаюсь найти время на... Читать все
    Учился на мат.факе ТвГУ. Любовь к математике там привили на столько, что я, похоже, никогда не перестану этим заниматься! Сейчас работаю в IT и пытаюсь найти время на продолжение диссертационной работы... Всегда готов помочь! ;)
    #Кандидатские #Магистерские
    164 Выполненных работы
    Сергей Е. МГУ 2012, физический, выпускник, кандидат наук
    4.9 (5 отзывов)
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым напра... Читать все
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым направлениям физики, математики, химии и других естественных наук.
    #Кандидатские #Магистерские
    5 Выполненных работ
    Дмитрий М. БГАТУ 2001, электрификации, выпускник
    4.8 (17 отзывов)
    Помогаю с выполнением курсовых проектов и контрольных работ по электроснабжению, электроосвещению, электрическим машинам, электротехнике. Занимался наукой, писал стать... Читать все
    Помогаю с выполнением курсовых проектов и контрольных работ по электроснабжению, электроосвещению, электрическим машинам, электротехнике. Занимался наукой, писал статьи, патенты, кандидатскую диссертацию, преподавал. Занимаюсь этим с 2003.
    #Кандидатские #Магистерские
    19 Выполненных работ
    Дарья С. Томский государственный университет 2010, Юридический, в...
    4.8 (13 отзывов)
    Практикую гражданское, семейное право. Преподаю указанные дисциплины в ВУЗе. Выполняла работы на заказ в течение двух лет. Обучалась в аспирантуре, подготовила диссерт... Читать все
    Практикую гражданское, семейное право. Преподаю указанные дисциплины в ВУЗе. Выполняла работы на заказ в течение двух лет. Обучалась в аспирантуре, подготовила диссертационное исследование, которое сейчас находится на рассмотрении в совете.
    #Кандидатские #Магистерские
    18 Выполненных работ
    Дмитрий Л. КНЭУ 2015, Экономики и управления, выпускник
    4.8 (2878 отзывов)
    Занимаю 1 место в рейтинге исполнителей по категориям работ "Научные статьи" и "Эссе". Пишу дипломные работы и магистерские диссертации.
    Занимаю 1 место в рейтинге исполнителей по категориям работ "Научные статьи" и "Эссе". Пишу дипломные работы и магистерские диссертации.
    #Кандидатские #Магистерские
    5125 Выполненных работ
    Анна К. ТГПУ им.ЛН.Толстого 2010, ФИСиГН, выпускник
    4.6 (30 отзывов)
    Я научный сотрудник федерального музея. Подрабатываю написанием студенческих работ уже 7 лет. 3 года назад начала писать диссертации. Работала на фирмы, а так же помог... Читать все
    Я научный сотрудник федерального музея. Подрабатываю написанием студенческих работ уже 7 лет. 3 года назад начала писать диссертации. Работала на фирмы, а так же помогала студентам, вышедшим на меня по рекомендации.
    #Кандидатские #Магистерские
    37 Выполненных работ
    Анна С. СФ ПГУ им. М.В. Ломоносова 2004, филологический, преподав...
    4.8 (9 отзывов)
    Преподаю англ язык более 10 лет, есть опыт работы в университете, школе и студии англ языка. Защитила кандидатскую диссертацию в 2009 году. Имею большой опыт написания... Читать все
    Преподаю англ язык более 10 лет, есть опыт работы в университете, школе и студии англ языка. Защитила кандидатскую диссертацию в 2009 году. Имею большой опыт написания и проверки (в качестве преподавателя) контрольных и курсовых работ.
    #Кандидатские #Магистерские
    16 Выполненных работ

    Другие учебные работы по предмету

    Регулируемая гистерезисная муфта в системе привода запорной арматуры
    📅 2019год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)
    Электромеханический преобразователь с ленточной обмоткой якоря
    📅 2017год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)