Електромеханічна система для перетворення низькопотенціальної механічної енергії в електричну
Вантажиться...
Дата
2024
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Ткачук І. В. Електромеханічна система для перетворення низькопотенціальної механічної енергії в електричну - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка в галузі знань 14 «Електрична інженерія». - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024.
Дисертаційне дослідження присвячене дослідженню та вирішенню актуального наукового завдання, що полягає в розробці системи перетворення низькопотенціальної механічної енергії в електричну на основі магнітної передачі у складі автономної вітроустановки шляхом математичного та імітаційного моделювання. В роботі проведено літературно-патентний пошук за темою дисертаційного дослідження. Проведено оцінку існуючих типів механічних передач та на основі цього аналізу вибрано оптимальний варіант магнітної передачі. Найбільш перспективними топологіями магнітних передач є планетарна, планетарна коаксіальна та циклоїдна. У планетарній передачі використовується приблизно 50% більше постійних магнітів, ніж у інших перспективних топологіях. Циклоїдна магнітна передача застосовна практично лише у двоступінчастому виконанні (планетарна передача за схемою 2k-h), що знижує її щільність моменту до двох раз. Принципова наявність ексцентриситету в циклоїдної магнітної передачі породжує вібрації та некомпенсовані радіальні електромагнітні сили, що зменшують ресурс підшипників. Магнітні передачі коаксіальної планетарної топології можуть бути виконані з мінімальними радіальними електромагнітними силами, а співвісне розташування частин, що обертаються, дозволяє не вдаватися до додаткових пристроїв для зняття моменту з її вихідного валу як у циклоїдної передачі. Її недоліками є наявність пульсацій моменту і складна технологія виготовлення проміжного магнітного колеса (модулятора). Існуючі методики проєктування магнітних передач відносяться до 1970-х років і вимагають значної переробки з урахуванням останніх досягнень як у галузі матеріалознавства, так і в галузі методів розрахунку магнітних систем. Існуючі сучасні методики моделювання та відомі результати досліджень магнітних передач не дають повного уявлення про складні електромагнітних та механічних процесів при перетворенні енергії та не дозволяють проводити проєктування магнітних передач та достовірно оцінювати їх ефективність. Відомі сучасні дослідження детально не торкаються питань конструктивного виконання магнітних передач для промислового застосування та методики їх експериментальних досліджень. В роботі розроблено математичну модель та методику розрахунку максимального моменту магнітної передачі та граничних станів магнітної системи в статичному режимі, які дозволяють обґрунтовано вибрати основні розміри магнітопроводів та постійних магнітів. Розроблено математичні моделі та методику аналізу гармонійного складу магнітного поля в немагнітних проміжках магнітної передачі, на підставі яких обґрунтовано вимоги щодо конструктивного виконання елементів магнітної системи, а також математичні моделі, що дозволяють проводити розрахунок магнітної системи з урахуванням крайових ефектів, на підставі якого обґрунтовано вимоги щодо розташування конструктивних елементів магнітних передач щодо їх магнітних систем. Розроблено аналітичну методику та чисельні математичні моделі для визначення основної частоти зубчастого моменту магнітної передачі, а також для розрахунку магнітних втрат у магнітній передачі та отримано кількісні оцінки впливу різних конструктивних рішень на її ефективність. В результаті виконання дослідження, що базуються на резульатах польового та чисельного імітаційного моделювання запропоновано шляхи покращення показників магнітної передачі:
- кожен полюс статора має бути відокремлений від сусіднього полюса електроізоляційною вставкою;
- постійні магніти статора повинні бути поділені на електрично ізольовані сегменти в осьовому напрямку;
- постійні магніти високошвидкісного ротора повинні бути поділені на сегменти як в осьовому, так і в радіальному напрямку;
- сегменти низькошвидкісного ротора повинні бути електрично ізольованими один від одного та мати фаски.
В дисертаційному дослідженні запропоновано підхід до складання динамічної макромоделі магнітної передачі та методику визначення її параметрів на основі даних польового розрахунку. На підставі запропонованої методики проведено моделювання різних режимів магнітної передачі при роботі на навантаження в Matlab/Simulink. Запропоновано спрощену лінеаризовану динамічну модель магнітної передачі, що дозволяє проводити оцінку власних частот коливань та параметрів згасання на початкових етапах проєктування. За результатами моделювання виявлено ряд особливостей магнітної передачі під час роботи у перехідних режимах:
- пульсації швидкості на високошвидкісному роторі більш ніж у передатне відношення разів менше, ніж на низькошвидкісному роторі;
- початкові фази пульсацій швидкості на низько- та високошвидкісному роторах відрізняються, внаслідок чого спостерігається мінливість миттєвого значення передавального відношення у перехідних режимах;
- частоти коливань та коефіцієнти загасання більшою мірою визначаються параметрами низькошвидкісного ротора магнітної передачі.
Опис
Ключові слова
Низькопотенціальна механічна енергія, електромеханічна система, перетворення енергії, редуктор, магнітна передача, магнітний редуктор, постійні магніти, відновлювані джерела енергії, вітроелектрична установка, безмультиплікаційна вітроустановка, автономна вітроустановка, вітроелектрична станція, вітротурбіна, альтернативні джерела енергії, регулювальна характеристика, Low-potential mechanical energy, electromechanical system, energy conversion, gearbox, magnetic transmission, magnetic gearbox, permanent magnets, renewable energy sources, wind turbine, direct-drive wind turbine, standalone wind turbine, wind power station, wind turbine generator, alternative energy sources, control characteristic
Бібліографічний опис
Ткачук, І. В. Електромеханічна система для перетворення низькопотенціальної механічної енергії в електричну : дис. … д-ра філософії : 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка / Ткачук Ігор Валерійович. – Київ, 2024. – 159 c.