Электротехнические перекачивающие устройства на основе электромеханических теплогенерирующих преобразователей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электротехнические перекачивающие устройства на основе электромеханических теплогенерирующих преобразователей

Специальность 05.09.03 Электротехнические комплексы и системы

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

ИВАНОВ Сергей Николаевич

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2010

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор, член IEEE КИМ Константин Константинович

Официальные оппоненты: заслуженный работник Высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор КИСЕЛЕВ Игорь Георгиевич

доктор технических наук, профессор, член IEEE МИКЕРОВ Александр Геннадьевич

доктор технических наук, профессор ВЛАСЬЕВСКИЙ Станислав Васильевич

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (СПбГТУ)

Защита диссертации состоится “ 24 ” декабря 2010 г. в 13³⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 218.008.05 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» по адресу: 190031, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д., ауд. 5-407

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан “____” _____________ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.т.н., профессор В.А. Кручек

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы: работа направлена на решение проблемы экономичного обеспечения заданных температурных условий на пассажирском железнодорожном транспорте за счет разработки и применения объектов и технологий, обеспечивающих эффективное использование энергетических ресурсов и снижение потерь при их передаче потребителям в соответствии с Энергетической стратегией России на период до 2030 года, предусматривающей повышение энергетической и экологической эффективности отечественной энергетики и реализацию программ и мероприятий Федерального закона Российской Федерации "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности".

Актуальность рассматриваемых в работе вопросов подтверждается выбором направлений «Энергосбережение и энергосберегающие технологии» и «Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии» в качестве приоритетных направлений развития науки и техники, направленных на производство и повышение эффективности генерирования, передачи и использования тепловой энергии, как одной из наиболее важных и сложных задач при создании специального энергетического оборудования - электротехнических устройств транспортного назначения и систем управления генерацией тепловой энергией и транспортированием теплоносителя, обеспечивающих не только возможность экономичного и точного поддержания заданных эксплуатационных показателей, но и отвечающих современным требованиям электробезопасности, надежности и технологичности.

Сравнительный анализ существующих типов исполнительных устройств, являющихся источниками тепловой энергии показал, что предпочтительными для автономных теплоснабжающих установок являются устройства, преобразующие электрическую энергию и характеризующиеся экологической чистотой, безопасностью, относительно низкими капитальными затратами, отсутствием необходимости в использовании протяженных тепломагистралей (а следовательно, низкими теплопотерями), мобильностью и т.д. Наиболее распространенные установки, выполненные на основе трубчатых нагревательных элементов, электронагреватели с открытыми тепловыделяющими элементами и устройства трансформаторного типа имеют низкий коэффициент теплоотдачи и небольшую площадь теплоотдающей поверхности. Сказанное привело к созданию электронагревательных устройств, не только лишенных отмеченных недостатков и обладающих высокими регулировочными характеристиками, но и совмещающими в себе функции генерирования тепловой энергии и транспортирования теплоносителя - теплогенерирующих электромеханических преобразователей (ТЭМП). Отсутствие на тот момент теоретических основ проектирования ТЭМП и систем управления электротехническими устройствами на их основе (ЭТУ) также предопределило актуальность темы исследования.

Объект исследования: электротехническое оборудование систем отопления пассажирского железнодорожного транспорта.

Предмет исследования: проблема энергетически эффективного, безопасного и надежного теплоснабжения транспортных систем.

Цель работы: решение крупной научно-технической проблемы экономичного обеспечения заданных температурных условий на пассажирском железнодорожном транспорте за счет создания энергетического оборудования на основе управляемых электротехнических устройств, обеспечивающих эффективную генерацию тепловой энергии и транспортирование теплоносителя.

В соответствии с целью в работе ставятся следующие задачи:

- анализ существующих и перспективных исполнительных электротехнических устройств для экономичного обеспечения заданных температурных условий посредством преобразования электрической энергии в тепловую и перемещения теплоносителя в транспортных системах;

- анализ электромагнитных, тепловых и гидравлических процессов в ЭТУ с использованием ТЭМП и на этой основе разработка принципов конструирования исполнительных элементов устройств, обеспечивающих эффективную генерацию тепловой энергии и транспортирование теплоносителя, создание теории и методики их проектирования и определение обобщенных энергетических показателей данного электротехнического устройства;

- исследование рабочих характеристик ЭТУ аналитическими, численными и экспериментальными методами и формирование на этой основе базы знаний, адекватно описывающей процессы в ТЭМП при генерации тепловой энергии и транспортировании теплоносителя как объекте управления (ОУ);

- анализ систем управления электротехническими устройствами для генерации тепловой энергии и/или транспортирования теплоносителя, обоснование и разработка метода экономичного управления тепловым процессом (ТП) и алгоритмов его реализации, обеспечивающих субоптимальное управление ЭТУ с заданными температурой, производительностью или давлением;

- разработка и реализация процесса изготовления исполнительных элементов, обеспечивающих требования безопасности, надежности и технологичности ЭТУ;

- обоснование и разработка метода определения показателей надежности ЭТУ на основе ТЭМП с учетом конструкторско-технологических и эксплуатационных факторов транспортных систем;

- разработка рекомендаций по проектированию, конструированию, производству, внедрению и эксплуатации электротехнических перекачивающих устройств на основе электромеханических теплогенерирующих преобразователей на железнодорожном транспорте.

Методы исследований включают аналитические и численные методы расчета электромагнитных и тепловых полей, теорию электрических цепей, теорию обобщенного электромеханического преобразователя энергии, теплофизику, гидравлику, теорию подобия, теорию планирования эксперимента, физическое, математическое и численное моделирование, современные методы, способы и средства экспериментальных исследований. В качестве основных математических средств использованы методы математического анализа, вычислительная математика, математический аппарат теории нечетких множеств, теории вейвлетов, дискретной математики, методы математического программирования. Использовались пакеты ELCUT, FEMLAB, Comsol Multiphysics, NASTRAN, Matlab и MathCAD, с целью автоматизации процесса проектирования аппаратного обеспечения использован пакет MAX+PLUS II 10.1 BASELINE, для измерений - PowerGraph 2.1.

Достоверность результатов подтверждается как использованием апробированных теоретических положений и математического аппарата, так и согласованными результатами вычислительных и натурных физических экспериментов, проведенных с применением стандартизованных методов испытаний на современном оборудовании.

Научная новизна заключается в решении сложной научно-технической проблемы экономичного обеспечения заданных температурных условий на пассажирском железнодорожном транспорте за счет разработки и исследования электротехнических комплексов, объединяющих исполнительные устройства и системы управления генерацией тепловой энергии и транспортированием теплоносителя.

Научную новизну составляют:

теоретические способы учета особенностей преобразования электрической энергии в тепловую и механическую в теплогенерирующем электромеханическом преобразователе, являющимся исполнительным элементом ЭТУ, обеспечивающего экономичную генерацию тепловой энергии и транспортирование теплоносителя с заданными температурой, производительностью или давлением;

теоретически обоснованные принципы конструирования и на их основе новые конструкции исполнительных элементов, совмещающих функции генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя, реализованные в виде теплогенерирующих электромеханических преобразователей энергии с короткозамкнутыми вторичными обмотками, характеризующиеся высокой степенью электробезопасности и надежности;

новые математические модели электромагнитных, тепловых и гидравлических процессов, позволяющие проектировать и исследовать электротехнические перекачивающие устройства с учетом особенностей конструкции исполнительных элементов;

субоптимальная система управления (ССУ) электротехническими устройствами для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя и способ ее построения на основе принципа разделения, в соответствии с которым ССУ синтезируется в виде последовательно соединенных оптимального нелинейного фильтра (ОНФ) и детерминированного оптимального регулятора (ДОР), обеспечивающих требуемые показатели качества управления температурой в условиях пассажирского железнодорожного транспорта;

способ и технология изготовления элементов электротехнических устройств для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя применительно к объектам транспортного назначения, повышающие структурную надежность ЭТУ;

метод определения показателей надежности устройств для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя на этапе проектирования с учетом конструкторско-технологических и эксплуатационных факторов транспортных систем.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Теоретические способы учета особенностей преобразования электрической энергии в тепловую и механическую и методика расчета электромагнитных, тепловых, гидравлических процессов и размерных соотношений исполнительного элемента электротехнических устройств для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя.

2. Принципы конструирования исполнительных элементов, совмещающих функции генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя, реализованные в виде теплогенерирующих электромеханических преобразователей энергии с короткозамкнутыми вторичными обмотками, и их практические реализации для железнодорожного транспорта.

3.Комплекс программно-реализованных математических моделей для расчета, проектирования и исследования электромагнитных, тепловых, и гидравлических процессов, в том числе, основанная на знаниях математическая модель управляемого электротехнического устройства для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя.

4. Способ управления и алгоритмы синтеза субоптимального управления на основе принципа разделения, в соответствии с которым ССУ строится из последовательно соединенных оптимального нелинейного фильтра и детерминированного оптимального регулятора, обеспечивающих требуемые показатели качества управления и заданные температуру, производительность или давление при эксплуатации в условиях пассажирского железнодорожного транспорта.

5. Способ и технология изготовления исполнительных элементов электротехнических устройств для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя, обеспечивающие повышение надежности и безопасности их работы на железнодорожном транспорте.

6. Метод определения показателей надежности устройств для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя с учетом конструкторско-технологических и эксплуатационных факторов транспортных систем на этапе их проектирования.

7. Результаты теоретических и экспериментальных исследований и выработанные на их основе рекомендации по использованию и эксплуатации электротехнических перекачивающих устройств, обеспечивающие экономичное поддержание заданной температуры применительно к пассажирскому железнодорожному транспорту.

Практическая ценность работы заключается в решении крупной научно-технической проблемы экономичного обеспечения заданных температурных условий на пассажирском железнодорожном транспорте за счет создания нового электротехнического оборудования, отвечающего современным требованиям безопасности и экологичности; разработке и исследовании новых конструкций исполнительных элементов, совмещающих функции нагрева и перемещения теплоносителя и обеспечивающих возможность эффективного управления ЭТУ; создании методик и алгоритмов электромагнитных, тепловых и гидравлических расчетов и их реализации с использованием пакетов современных прикладных программ при проектировании и исследовании предложенных устройств; разработке теоретических положений и практических рекомендаций по выбору размерных соотношений при проектировании, конструировании, производстве и эксплуатации электротехнических устройств для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя различной мощности и производительности для пассажирского железнодорожного транспорта.

Апробация работы: основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на семинарах кафедры «Теоретические основы электротехники» ПГУПС, семинаре кафедры «Электроэнергетика, техника высоких напряжений» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, Дальневосточных региональных научно-практических конференциях «Совершенствование электрооборудования и средств автоматизации технологических процессов промышленных предприятий», г. Комсомольск-на-Амуре, 1989 г., 1992 г., 1995 г.; Международном научно-техническом симпозиуме «Наукоемкие технологии и проблемы их внедрения на машиностроительных и металлургических предприятиях Дальнего Востока, 1994 г., 1999 г., 3-й Международной конференции (NЕSSC'97), г. Казань, 1997 г., Международной научной конференции «Синергетика. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях: материалы», г. Комсомольск-на-Амуре, 2000 г., Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», г.Томск, 2001 г., третьей Международной конференции «Электрическая изоляция», г. Санкт-Петербург, 2002 г., Международной научной конференции «Нелинейная динамика и прикладная синергетика», г.Комсомольск-на-Амуре, 2002 г., Дальневосточном инновационном форуме «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов», г. Хабаровск, 2003 г., Международной научно-технической конференции «Пути и технологии экономии и повышения использования энергетических ресурсов региона», г. Комсомольск-на-Амуре, 2003 г., XI Международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, 2005 г., Международной научно-технической конференции «Электроэнергия и будущее цивилизации», Томск, 2004 г., Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и пути решения инвестиционной и инновационной политики на предприятиях Хабаровского края. Технопарки, инновационные центры», г. Комсомольск-на-Амуре, 2004 г., XI Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии», г. Томск, 2005 г., Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности инвестиционной и инновационной деятельности в дальневосточном регионе и странах АТР», г. Комсомольск-на-Амуре, 2005 г., третьей Международной научно-практической конференции «Энергосберегающие и природоохранные технологии», г. Улан - Удэ, 2005 г., XXXI Дальневосточной математической школе-семинаре им. академика Е.В. Золотова, г. Владивосток, 2006 г., XI Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах», г.Санкт-Петербург, 2007 г., Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленности Дальнего Востока», г. Комсомольск-на-Амуре, 2007 г., II Всероссийской научно-практической конференции "Актуальные проблемы управления техническими, информационными, социально-экономическими и транспортными системами", г. Санкт-Петербург, 2007 г., пятой Международной научно-практической конференции «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование. Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», г. Санкт-Петербург, 2008 г., XVIII Международной конференции по электрическим машинам, г. Виламура, Португалия, 2008 г., научно-технических семинарах электротехнического факультета Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета, 1984-2009 г., Тихоокеанского государственного политехнического университета, г. Хабаровск, 2008 г., Пятом Международном симпозиуме «Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте», г.Санкт-Петербург, 2009 г.

Реализация работы осуществлена в рамках НИР, выполненной по заказу министерства экономического развития и внешних связей Хабаровского края, межвузовской региональной научно-технической программы «Научно-технические и социально-экономические проблемы развития дальневосточного региона России («Дальний Восток России») по проекту «Совершенствование преобразователей энергии, бытового и промышленного электрооборудования, направленное на применение и освоение производства предприятиями Дальневосточного региона»; НИР 15-И-20 по теме «Создание опытного образца теплогенератора на основе электромеханического преобразователя», выполненной на кафедре электромеханики ГОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет». Результаты работы использованы при расчете и проектировании перспективных систем электроотопления пассажирских вагонов в ОАО «Октябрьский вагоноремонтный завод» и ООО «НИИЭФА - ЭНЕРГО». Основные положения диссертационной работы используются в учебном процессе (специальности 140601 «Электромеханика» и 150408 «Бытовые машины и приборы») при изучении дисциплин «Испытания, эксплуатация и ремонт электромагнитных устройств и электромагнитных преобразователей» «Проектирование бытовых машин и приборов», «Надежность бытовых машин и приборов», «Основы научных исследований», при проведении практических занятий по указанным курсам, курсовом и дипломном проектировании. Опытный образец исполнительного элемента ЭТУ для генерации и транспортирования тепловой энергии экспонировался и отмечен серебряной медалью на XVI Выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (г.Санкт-Петербург, 10-12 марта 2010 г.). электротехнический температурный энергия теплоноситель

Личный вклад: заключается в разработке основных аспектов теории электротехнических устройств, предназначенных для преобразования электрической энергии в тепловую и механическую; принципов конструирования исполнительных элементов с совмещенными функциями генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя; математических моделей электромагнитных, тепловых и гидравлических процессов; системы управления ЭТУ, обеспечивающей экономичное поддержание заданных эксплуатационных параметров; технологии изготовления элементов ЭТУ; метода определения показателей надежности рассматриваемых устройств при проектировании с учетом эксплуатационных факторов, характерных транспортным системам; разработке и реализации программы и методики для комплексных испытаний ЭТУ.

Публикации: основные положения диссертации опубликованы в 90 печатных работах, в том числе 15 в изданиях из списка, рекомендованного ВАК и 1 монографии. Новизна разработок подтверждается 27 патентами и свидетельствами на изобретения и полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертационная работа включает введение, 7 глав, заключение и список использованных источников; изложена на 363 страницах машинописного текста, в том числе 29 таблиц, 115 рисунков, 247 наименований источников и 18 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дана общая характеристика научной проблемы, поставлены цель и задачи, показаны актуальность, научная новизна и практическая ценность, перечислены методики проведения, апробация и реализация выполненных исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проводится анализ основных элементов ЭТУ, рассматриваемых как совокупность функционально связанных и взаимодействующих между собой устройств, предназначенных для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя и включающей регулируемый источник электроэнергии, преобразователь первичной энергии в тепловую и механическую, системы измерений, обработки информации и управления.

Наибольшая сложность при разработке ЭТУ возникает при выборе устройства преобразования первичной энергии, поскольку оно должно обладать не только хорошими эксплуатационными и массогабаритными показателями, обеспечивать экономичное поддержание заданных температурных параметров, но и иметь простую и технологичную конструкцию, высокую электробезопасность и надежность.

Анализ способов получения тепловой энергии показывает, что для автономных объектов транспортного назначения, наиболее целесообразно применение электронагревательных устройств. При этом традиционные преобразователи имеют низкий класс электробезопасности, а нагревательные элементы трансформаторного типа, обеспечивающие второй класс по электробезопасности вследствие отсутствия гальванической связи между первичной и вторичной обмотками, характеризуются напряженным тепловым режимом работы. Увеличить коэффициент теплоотдачи можно за счет обеспечения вынужденной конвекции, что привело к разработке автором электронагревательных устройств с вращающимися нагревательными элементами в виде короткозамкнутых обмоток, характеризующихся повышенными коэффициентом теплоотдачи, теплопроизводительностью и обладающих хорошими регулировочными свойствами. Принцип действия рассматриваемых устройств аналогичен принципу действия асинхронного короткозамкнутого электрического двигателя, за исключением того, что вращающийся ротор выполняет дополнительную функцию нагрева теплоносителя, поэтому выходные характеристики таких устройств существенно зависят от скорости вращения подвижного элемента. Для снижения этого влияния на параметры теплогенерирующего устройства и повышения теплопроизводительности в конструкции должны быть предусмотрены добавочные источники тепла, показатели которых не связаны непосредственно со скоростью вращения подвижного нагревательного элемента. Эти технические решения реализованы в устройствах, совмещающих процессы генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя, пример конструктивной схемы одного их которых приведен рис. 1. Устройство состоит из наружного кожуха 1, отделенного от магнитопровода с сетевой обмоткой 2, зазором 3 и двух короткозамкнутых вторичных обмоток - неподвижной (НЭ) 4 и вращающейся (ВЭ) 5 с напорными лопастями 6. В статоре выполнены осевые каналы 7.

Рис. 1 Устройство для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя

Теплоноситель поступает через входной патрубок 8, циркулирует внутри неподвижной обмотки, по осевым каналам и между внешней поверхностью магнитопровода и внутренней поверхностью наружного кожуха, и отводится через выходной патрубок 9. Вращающаяся вторичная обмотка и магнитопровод разделены подшипником скольжения 10, обеспечивающим свободное вращение подвижной обмотки в тангенциальном направлении, но ограничивающим ее осевое и радиальное перемещение относительно магнитопровода. Вращающаяся обмотка выполнена в виде двух коаксиальных цилиндров 11 и 12 жестко закрепленных друг относительно друга, причем наружный изготовлен из электропроводящего немагнитного материала, а внутренний - из ферромагнитного.

Наиболее существенными достоинствами данных ЭТУ являются минимальные потери энергии в процессе ее преобразования и транспортирования теплоносителя за счет практически полного ее использования для нагрева и перемещения, высокая надежность и безопасность работы, отсутствие наружных вращающихся частей, отсутствие подающих и подкачивающих насосов и т.п. Однако при выборе теплогенерирующих устройств кроме технических характеристик важное значение имеют экономические показатели с учетом расходов на установку, эксплуатацию, поддержание в состоянии готовности и другие факторы. Сравнительный технико-экономический анализ существующих устройств электронагрева, включающих резистивные неподвижные элементы с большим активным сопротивлением, электродные, индукционные, трансформаторные с короткозамкнутой вторичной обмоткой с учетом дополнительного оборудования, обеспечивающего перемещение теплоносителя, и электромеханических преобразователей энергии для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя показывает, что эксплуатационная стоимость последних в среднем на 20…25 % ниже, чем используемых в настоящее время.

Это в первую очередь связано с принципиальными особенностями рассматриваемых устройств, совмещающих функции нагревательного элемента и устройства для перемещения теплоносителя. Кроме этого проведенный анализ показал, что даже с учетом высокой цены на электроэнергию за счет невысокой цены оборудования, дешевого подключения и монтажа, суммарная стоимость рассматриваемых устройств в эксплуатации оказывается сравнимой с использованием устройств аналогичного целевого назначения. Для определения точных технико-экономических показателей электротехнических устройств для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя требуется их практическая реализация, что в свою очередь приводит к необходимости обоснования теоретических основ проектирования исполнительных элементов, синтеза эффективной системы управления, разработки технологии изготовления и проведения анализа теоретических и экспериментальных исследований.

Во второй главе приводятся теоретические основы преобразования энергии в ТЭМП, имеющего признаки, как статического преобразователя трансформаторного типа, так и вращающихся электрических машин переменного тока. Первые связаны с наличием неподвижного нагревательного элемента, вторые с использованием вращающегося, при этом рассмотрение ТЭМП в виде вращающегося преобразователя переменного тока с двумя вторичными короткозамкнутыми полыми цилиндрическими обмотками дает возможность более точного определения проектных параметров.

Для описания электромагнитных процессов в соответствии с теорией электрических машин все величины вторичных обмоток приводятся к параметрам первичной. Замена реального преобразователя, имеющего числа витков первичной обмотки w₁, вторичных обмоток w₂ и w₃, эквивалентным с числом витков во вторичных обмотках, равным числу витков первичной обмотки, требует неизменности распределения магнитного поля и потоков мощности. Для сохранения магнитного потока должны обеспечиваться равенство намагничивающих сил (НС) и пропорциональность ЭДС числу витков при замене обмотки, для инвариантности активной и реактивной составляющих мощности изменяются полные сопротивления вторичных обмоток, поэтому каждая из них приводится к первичной. Особенностью исполнительного устройства является то, что толщина стенок полых цилиндрических элементов, образующих вторичные обмотки, во много раз меньше глубины проникновения электромагнитного поля, поэтому вихревые токи при любых скольжениях распределяются по толщине стенок ротора (ВЭ) практически равномерно, и его приведенное активное сопротивление r'₃ незначительно зависит от скольжения, а индуктивные сопротивления рассеяния НЭ и ВЭ x'_2L, x'_3L исключительно малы, что позволяет перейти от Т-образной к Г-образной схеме замещения преобразователя, приведенной для одной фазы на рис. 2, на которой введены следующие обозначения: - комплексное значение первичного напряжения; - активное и индуктивное сопротивления первичной обмотки; - приведенные активные сопротивления НЭ и ВЭ; - комплексный коэффициент приведения параметров Т-образной к Г-образной схеме. Следует отметить, что эта схема точна только при холостом ходе. В режимах нагрузки и короткого замыкания погрешность вычисления первичного тока составляет 2…3,5 %. Из этой схемы находится нагрузочная составляющая потребляемого тока . Преобразование и распределение мощностей в ТЭМП с учетом всех составляющих потерь, определяющих выходные характеристики устройства, приведено на энергетической диаграмме, представленной на рис. 3 и показывающей, что практически вся мощность, за исключением электрических в первичной обмотке и магнитных потерь в стали статора, определяют полезную мощность ТЭМП, идущую на нагрев и перемещение теплоносителя.

Механическая мощность определяется радиальной составляющей вектора Умова или плотностью механической мощности, воспринимаемой поверхностью ВЭ как произведение тангенциального механического напряжения на тангенциальную окружную скорость. Электрические потери в НЭ находятся на основе допущений о том, что магнитное поле, связанное с НЭ, ограничено расчетной длиной воздушного зазора, равномерно по длине зазора и имеет только нормальную составляющую, неизменную по всей толщине НЭ и гармонически изменяющуюся по окружности воздушного зазора; индукция магнитного поля в лобовых частях НЭ равна нулю; магнитные проницаемости НЭ и воздушного зазора равны; учитывается только основная гармоническая составляющая; индуктивное сопротивление НЭ мало:

где р - число полюсов, В_Д - индукция в зазоре, - полюсное деление, f - частота тока статора, Д_нэ, l_нэ, с_нэ - соответственно толщина, активная длина и удельное сопротивление НЭ.

В установившемся режиме при скоростях близких к синхронным количество потерь во ВЭ Р_ЭЛ3, зависящих от его углового перемещения, стремится к нулю, поэтому тепловые характеристики определяются параметрами статора и НЭ, производительность и напор - параметрами ВЭ.

Электрические потери Р_ЭЛ3:

где _вэ, l_вэ, с_вэ - толщина, активная длина и удельное электрическое сопротивление вращающегося нагревательного элемента; s - скольжение.

Дополнительные потери включают гидравлические ДР_{ГИДРАВЛ}, состоящие из ударных Р_УДАРН, геометрических Р_ГЕОМ и дифференциальных Р_ДИФФ, и механические ДР_МЕХ, состоящие из дисковых потерь Р_ДИСК и потерь гидравлического торможения Р_{ГИДР.ТОРМ}, и при инженерных расчетах определяются на основе коэффициентов , соответственно учитывающих конечное количество напорных лопастей, объемное сжатие теплоносителя, объемный, гидравлический и механический коэффициенты полезного действия. Уравнение, записанное для ВЭ, вращающегося относительно оси z с частотой щ_ВЭ, в виде разницы скалярных произведений векторов u и v имеет вид формулы Эйлера:

где g - ускорение свободного падения; H - давление (напор); v₁, v₂- абсолютная скорость перемещаемого теплоносителя на входе и на выходе соответственно; u₁, u₂ - тангенциальная скорость на входе и выходе.

Из него получается уравнение, связывающее давление Н и производительность Q с учетом геометрических параметров и частоты вращения ВЭ:

где г₁ - угол скоса лопасти на внутреннем диаметре ВЭ D₁; г₂ - угол скоса лопасти на внешнем диаметре ВЭ D₂; в₁ - угол установки лопасти на входе; в₂ - угол установки лопасти на выходе; b₂ - ширина лопасти на выходе, n_ВЭ - число оборотов ВЭ (рис. 4).

Механическая мощность, необходимая для обеспече-ния действительных значе-ний H_Д и Q_Д с учетом конечного числа лопастей ВЭ и степени объемного сжатия теплоносителя, определится уравнением:

Механическая характерис-тика представляет собой зависимость производитель-ности (количества переме-щаемого теплоносителя в единицу времени) от скольжения при постоянных значениях первичного напряжения и частоты.

Выражение для механической характерис-тики при средних значениях коэффициентов, учитывающих количество напорных лопастей, объемное сжатие, гидравлический, механический и объемный коэффициенты полезного действия имеет вид:

Анализ динамических процессов в ТЭМП проводится на основе известной в электромеханике модели обобщенного электромеханического преобразователя, в которой учитываются конструктивные особенности ТЭМП, а именно, наличие двух обмоток на статоре. Модель в осях , представляется системой уравнений:

и уравнением электромагнитного момента:

В этих уравнениях i - токи, r - активные сопротивления, M - взаимная индуктивность, L - полная собственная индуктивность. Каждая обмотка имеет обозначение, показывающее ее принадлежность к оси или , расположение на роторе r или на статоре s. Учет температуры осуществляется введением зависимости сопротивления вторичных обмоток ТЭМП от температуры.

Хотя эта модель позволяет определить параметры ТЭМП во всех режимах работы, в том числе и переходных, но основная трудность ее непосредственного использования заключается в том, что коэффициенты, связанные с определяемыми величинами (активные сопротивления, индуктивности, взаимные индуктивности) в рассматриваемой системе являются нелинейными функциями этих величин, и в ней не учитываются процессы теплоотдачи с поверхностей охлаждения. Предполагая, что источником тепловой мощности является НЭ, в котором отсутствует теплопередача теплопроводностью, можно считать, что основным видом теплообмена между НЭ и рабочей средой является конвективный теплообмен, учитываемый в формуле Ньютона - Рихмана коэффициентом теплоотдачи.

Следует отметить, что наличие коэффициента теплоотдачи k_ТО, зависящего от физико-химических и геометрических факторов, таких как температура, скорость перемещения среды, состояние поверхности и форма канала, критерий Рейнольдса и целого ряда других, затрудняет использование этой формулы при точных расчетах. Проведенный анализ показал, что для расчета коэффициента теплоотдачи для канала с нормальной турбулентностью (10⁴<Re<10⁶) можно воспользоваться эмпирической формулой Рихтера, учитывающей параметры, достаточно полно характеризующие объект исследования. При известной мощности, выделяемой в НЭ, который в соответствии с принятым допущением в установившемся режиме определяет тепловую мощность ТЭМП, согласно первому закону термодинамики превышение температуры теплоносителя над температурой окружающей среды И_НЭ определяется выражением:

(1)

где - л, с, c, v - теплопроводность, плотность, удельная теплоемкость и скорость рабочей среды соответственно.

При использовании в качестве теплоносителя жидкой рабочей среды точное нахождение коэффициента теплоотдачи приводит к необходимости решения краевой задачи конвективного теплообмена, сводящейся к известной системе дифференциальных уравнений энергии, теплоотдачи, движения и сплошности с учетом геометрических размеров элементов, их физических свойств, начальных и граничных условий (температур, скоростей на входе и выходе и т.д.), что представляет отдельную научную задачу. Приближенное значение коэффициента теплоотдачи определяется из критериальных уравнений и на основе теплофизического эксперимента, в частности с использованием калориметрических методов.

Температура вращающегося элемента определяется аналогично, но с учетом приведенной выше зависимости электрических потерь Р_ЭЛ3 от s.

Анализ полученных выражений показывает, что температура нагревательных элементов в основном является функцией конструктивных параметров (числа полюсов, геометрических размеров статора, толщины НЭ, внешнего радиуса НЭ); электромагнитных параметров (магнитной индукции, частоты питающего напряжения); удельной электрической проводимости материалов НЭ и ВЭ; параметров нагреваемого теплоносителя (коэффициента теплопроводности, плотности, удельной теплоемкости); гидродинамических параметров ТЭМП (гидравлического радиуса сечения, скорости нагреваемого теплоносителя); скорости вращения нагревательного элемента.

Гораздо сложнее протекают процессы в неподвижной части ТЭМП - капсулированном статоре, в котором уложена первичная обмотка теплогенератора, поэтому здесь определение тепловых параметров характеризуется большой сложностью. Это обусловлено как конструктивным исполнением капсулированного статора, представляющим собой совокупность физически разнородных материалов, находящихся в весьма разных условиях теплопередачи и соответственно характеризующихся объемными градиентами температур, так и наличием дополнительного нагреваемого элемента, непосредственно прилегающему к пакету статора, поэтому тепловые процессы в капсулированном статоре исследуются численными методами.

Кроме температуры, выходными параметрами рассматриваемых устройств являются производительность и давление, создаваемое в гидравлической цепи ЭТУ. Эти величины связаны между собой и с температурой, при этом каждая составляющая суммарной тепловой мощности в той или иной степени определяется токами и индукциями, т.е. тепловому расчету, предшествует электромагнитный расчет ТЭМП, что приводит к необходимости решения связанной электромагнитно-тепловой задачи с использованием пакетов специализированных программ.

В третьей главе рассматриваются вопросы моделирования и проводится анализ электромагнитных, тепловых и гидравлических процессов в электротехнических устройствах для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя на основе численных методов с использованием результатов расчета электромагнитных процессов для исследования тепловых нагрузок в исполнительных элементах. Основные расчеты реализованы в программах ELCUT, FEMLAB, Comsol Multiphysics. Первый пакет использован для моделирования двухмерных полей МКЭ в электромеханическом преобразователе энергии, а его версия 5.7 позволяет решать связанную тепловую задачу, источники тепла для которой предварительно определяются в результате расчета магнитного поля переменных токов. Результаты представляются в виде визуализации распределения магнитного поля в расчетной области и плотности тока в проводящих элементах. После нахождения токов и магнитной индукции определяются источники тепла для связанной задачи теплопередачи. При моделировании электрические потери рассматриваются во всех блоках с отличной от нуля удельной электропроводностью. Для анализа стационарного температурного поля используется уравнение теплопроводности в следующем виде:

,

где - компоненты тензора теплопроводности; q - удельная мощность тепловыделения.

Основные результаты критериального анализа максимальной температуры в виде функции двух переменных приведены на рис.5. Полученные зависимости позволяют оценить влияние частоты питающего напряжения f при изменении толщины неподвижного элемента Д_НЭ на температуру теплоносителя. Совместное рассмотрение влияния толщины НЭ и частоты необходимо для определения диапазона изменения частоты при вариации конструктивного параметра (ДНЭ), так как теоретически они определяет тепловую мощность, т.е задача переходит в разряд оптимизационных с определением соотношения «частота питающего напряжения - толщина НЭ».

Результаты модели-рования показывают, что при частоте ниже 40 Гц изменение толщины нагревательного элемен-та от 0,05 мм до 0,40 мм приводит к росту его температуры до 80 °С, что требует некоторой корректировки выраже-ния (1) в этом частотном диапазоне. Повышение частоты до значений 50…60 Гц и аналогичное изменение толщины НЭ приводит к значениям температуры порядка 200…280 °С, которые отличаются от расчетных не более, чем на 3…5 %. Моделирование работы ТЭМП при питании частотой 75…100 Гц и толщине НЭ 0,40 мм дает температуры порядка 300…380 °С, что примерно на 30 % выше, чем результаты расчета по (1).

Анализ полученных результатов в частотном диапазоне 25…100 Гц указывает на приемлемую точность и возможность использования выражения (1) на начальном этапе проектирования для выбора основных размерных соотношений исполнительного элемента ЭТУ и позволяет выполнить уточненный тепловой расчет принятой конструкции.

Уравнение теплопереноса в пакете FEMLAB, учитывающее теплопроводность и конвекцию, для стационарного режима имеет вид:

,

где u - вектор скорости движения теплоносителя.

Его решение дает распределение температурного поля теплоносителя, пример такого расчета при k_ТО=70 Вт/(м²К), f=50 Гц показан на рис. 6.

Качественный анализ температурного поля расчетной модели позволяет определить внутреннюю часть исполнительного элемента ЭТУ как наиболее напряженную область, поскольку именно в ней наблюдаются максимальные значения температуры, что в свою очередь накладывает определенные требования к распределению вектора скоростей в проточной части преобразователя.

Рис. 6 Визуализация температурного поля

Рис. 7 Распределение температуры по среднему сечению исполнительного устройства

Количественная оценка изменения температуры в средней части поперечного сечения при f=50 Гц показывает (рис. 7), что в пределах смачиваемой области, т.е. при радиальном размере 0…38 мм, градиент температуры независимо от величины коэффициента теплоотдачи равен нулю, при этом установившаяся температура при k_ТО =100 Вт/(м²К) составляет 86 °С и с уменьшением коэффициента теплоотдачи возрастает, достигая температуры кипения, так при k_ТО =70 Вт/(м²К) расчетное значение температуры составляет 112 °С и указывает на необходимость учета фазового состояния теплоносителя.

Для оценки влияния скорости теплоносителя на коэффициент теплоотдачи смоделировано поле скоростей перемещаемого теплоносителя при входной скорости потока 1 м/с и 0,15 м/с (рис. 8), анализ которого показал, что при скорости потока 1 м/с неподвижный нагревательный элемент попадает в область с медленно перемещающимися слоями теплоносителя, максимальные скорости наблюдаются в патрубках, имеющих наиболее высокое гидравлическое сопротивление. При скорости 0,15 м/с эффективность тепло-обмена на стороне НЭ возрастает, но на оси образуется узкий протяженный участок с низкой скоростью потока.

Основной конструкционной особен-ностью исполнительного элемента ЭТУ, является его малое гидравлическое сопротивление. В тоже время при отсутствии ферромагнитных элементов (ФЭ) в проточной части устройство характеризуется значительным намагничивающим реактивным током и мощностью, вызывающими существенный нагрев неподвижной части преобразователя. Для оценки возможности получения требуемого соотношения между тепловой и механической составляющими проведено сравнение механической характеристики базового асинхронного двигателя (1) и расчетной (2) и экспериментальной (3) характеристиками ТЭМП с полым немагнитным ВЭ (рис. 9), которое позволяет определить диапазон выполнимости ЭТУ на основе теплогенерирующих электромеханических преобразователей, так как механическая мощность, передаваемая электромагнитным путем на ВЭ, и производительность зависят от размерных соотношений ФЭ. При этом поскольку величина основного магнитного потока ограничена индукцией в зубцах статора, толщина ФЭ предварительно может быть выбрана равной ширине зубца, а осевая длина ФЭ определена экспериментально.

Для оценки влияния размерных отношений ФЭ и анализа работы исполнительно-го элемента ЭТУ рассмотрена плоскопараллельная задача расчета электромагнитного поля с учетом вращения ВЭ и осесимметричная модель, объединяющей процессы теплопередачи и гидродина-мики. Ниже приводятся результаты расчета, получен-ные при различной толщине d ферромагнитного вращающе-гося элемента с магнитной проницаемостью проницаемость магнитопровода статора - .

На первом этапе расчета определяются значения объемного тепловыделения в исполнительных элементах устройства, которые используются в задаче теплопроводности в качестве источников тепла. Следует отметить, что тепловыделением в ФЭ можно пренебречь, поскольку, как показали расчеты, мощность тепловыделения в них на порядок меньше, чем в электрически активной части ВЭ.

На рис. 10 и 11 показаны мощности тепловыделения во ВЭ и НЭ. Полученные результаты подтверждают целесообразность использования НЭ, не только являющегося основным источником нагрева теплоносителя при подсинхронных скоростях, но и компенсирующего снижение тепловой мощности ВЭ при увеличении его скорости вращения. На рис.12 показано распределение температуры по среднему сечению в случае использования ФЭ толщиной 5 мм при величине Вт/(м²К) для разных значений скольжения s. Интегральные температурные характеристики исполнительных модулей с ФЭ различной толщины приведены на рис.13.

Рис. 10. Зависимость тепловой мощности ВЭ

Рис. 11 Зависимость тепловой мощности НЭ

Рис. 12 Распределение температуры по среднему сечению

Рис. 13 Зависимость температуры от скольжения

Анализ полученных зависимостей подтверждает возможность использования рассматриваемых устройств для генерации тепловой энергии и перекачивания теплоносителя, характеризующихся повышенной эффективностью теплообмена с нагреваемой средой, и позволяет выбирать размерные отношения ФЭ, определяющие электромагнитные и тепловые процессы и рабочие характеристики в исследованном интервале скольжения. Зависимости температуры нагревательных элементов от коэффициента теплоотдачи при фиксированной частоте питающего напряжения имеют нелинейный вид, что в первую очередь связано с существенной зависимостью физических характеристик теплоносителя (теплопроводности, плотности, теплоемкости) от температуры. При этом изменение коэффициента теплоотдачи от 40 до 150 Вт/(м²К) приводит к уменьшению температуры элементов при номинальных напряжении и частоте от 180 до 60 °С. Установление взаимосвязи между этими величинами позволяет уже на стадии проектирования обеспечивать заданные тепловые режимы за счет обоснованного выбора теплоносителя.

Количественная оценка влияния скорости перемещения теплоносителя на температуру показывает, что независимо от вида нагреваемого теплоносителя и значений коэффициентов теплоотдачи, необходимо различать две области, в которых теоретически может эксплуатироваться ТЭМП, первая - включает диапазон скоростей 0…0,25 м/с, вторая - 0,25…5 м/с. Анализ полученных зависимостей позволяет допустить, что температура нагреваемого теплоносителя при скорости потока более 0,5 м/с и соблюдении геометрического подобия (D_вэ/l_вэ=idem) незначительно зависит от скорости его перемещения. Это в свою очередь дает возможность обосновать принципы раздельного управления выходными характеристиками при регулировании питающего напряжения.

После выбора основных геометрических параметров, материалов активных элементов, определения электромагнитных и тепловых нагрузок исполнительных элементов произведена проверка их механической прочности. Расчет напряженно деформированного состояния в пакете MSC/NASTRAN показал, что максимальные температурные напряжения возникают на торцах неподвижного нагревательного элемента. Сравнение расчетных данных по максимальным главным напряжениям позволяет сделать вывод, что механические напряжения, обусловленные температурными нагрузками, ниже диапазона предела прочности как технической меди (170…250 МПа), так и алюминия (50…90 МПа).

В четвертой главе исследуются нечеткие системы управления электротехническими устройствами для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя. Субоптимальное электротехническое устройство для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя (СЭТУ) - результат синтеза ТЭМП и субоптимальной СУ, образующих единую замкнутую систему. Функциональная схема субоптимального ЭТУ приведена на рис. 14, на ней введены следующие обозначения: СИ - система измерений; СУ - система управления; ОНФ - оптимальный нелинейный фильтр; ДОР - детерминированный оптимальный регулятор; - вектор управления; - вектор состоя-ния; - напряжение; - часто-та; - температура; - произ-водительность; - давление.

Выходные параметры обра-зуют вектор состояния , кото-рому соответствует вектор оце-нок , и контролируются с по-мощью СИ, учитывающей изменение внешних и/или внутренних воздействующих факторов w (вектор возмущений параметров ТЭМП), (вектор помех измерений). При изменении любого из выходных параметров СИ фиксирует их отклонение от требуемой величины с учетом значений векторов w, и вырабатывает вектор измерений z, поступающий на СУ, которая формирует входной вектор управляющих сигналов , обеспечивая регулирование напряжения и частоты. Наличие векторов w, указывает на степень неопределенности математической модели. Задача субоптимального управления формулируется следующим образом: необходимо синтезировать статистически ССУ, формирующую входные сигналы управления , минимизирующие заданный критерий качества поведения всей системы . В этом случае можно рассматривать синтез СЭТУ для реализации требуемого теплового процесса (ТП) как задачу при частично заданной структуре. Общая схема управления тепловым процессом в ЭТУ представлена на рис. 15, на котором приняты следующие обозначения: - вектор состояния системы; - цель управления, которая задает желаемую программу изменения состояния объекта во времени; - вектор управления; - вектор измеряемых переменных; - вектор неуправляемых и ненаблюдаемых возмущений как внутри, так и вне системы; - вектор ошибок измерения; - критерий оптимизации.