Аннотация: Проанализированы современные конструкции и тенденции развития электрических генераторов для ветротурбин материковых и оффшорных ветроэлектростанций. Рассмотрены применяющиеся в мегаваттном диапазоне мощностей три типа генераторов для высокоскоростного, низкоскоростного и безредукторного привода. Определены необходимые электромагнитные нагрузки генераторов и изменение их основных размеров в зависимости от мощности. Отмечена тенденция к применению безредукторных синхронных генераторов с постоянными магнитами для мощностей до 8 МВт. Рассмотрены синхронные генераторы как с радиальным намагничиванием, так и другие варианты (с аксиальным потоком, без ферромагнитных сердечников и др. ). Для мощностей 10 МВт и выше существенное уменьшение массы ветротурбины дает применение сверхпроводникового генератора. Однако из-за стоимости сверхпроводника коммерчески выгодный вариант однозначно не определен. Рассматриваются различные проекты (с «теплой», «холодной» сверхпроводимостью), а также варианты как полностью сверхпроводниковых генераторов, так и генераторов только со сверхпроводниковой системой возбуждения.

Аннотация: Одним из способов повышения удельных энергетических показателей импульсных линейных электромагнитных двигателей является статическое нагружение двигателя на этапе трогания, реализуемое с помощью устройства электромагнитного удержания якоря. Стремление упростить конструкцию двигателя и одновременно повысить его энергетические показатели привело к идее интеграции конструкции двигателя и устройства удержания якоря на основе общего магнитопровода. В его состав входят ферромагнитный направляющий корпус и удерживающая поверхность. Экспериментальные исследования таких интегрированных двигателей показали сложность регулирования усилия удержания, поскольку оно определяется несколькими конструктивными параметрами. Актуальность исследования вызвана необходимостью определения диапазонов допустимого изменения и сочетания конструктивных параметров ферромагнитного направляющего корпуса и удерживающей площадки, которые обеспечивают работоспособность двигателя. Аналитически получена зависимость магнитной индукции ярма по отношению к индукции начала насыщения верхнего магнитного шунта от площади поперечного сечения этого шунта и удерживающей поверхности с помощью кусочно-линейной аппроксимации кривой намагничивания и схемы замещения магнитной системы. На основе полученных зависимостей для выбранных конструктивных параметров при рабочем зазоре 20 мм выполнено математическое моделирование магнитной системы интегрированного электромагнитного двигателя на этапе трогания. Путем численного эксперимента определены магнитные индукции в ярме и верхнем магнитном шунте, которые изготовлены из конструкционной стали Ст3. Результаты численного эксперимента подтвердили выполненные расчеты. Исследования и анализ показали возможность определять условия отрыва якоря на этапе трогания в виде границ и областей допустимых значений указанных конструктивных параметров. Вне этих областей интегрированный электромагнитный двигатель работать не может.

Аннотация: Рассматриваются актуальные вопросы обеспечения синусоидальной формы кривой линейного напряжения, возникающие при проектировании широко применяемых в энергосистемах явнополюсных синхронных генераторов. Как известно, применение магнитных клиньев в пазах статора генератора позволяет улучшить основные электрические характеристики машины, снизить влияние высших гармоник, уменьшить добавочные потери, моменты от высших гармоник магнитного поля, шумы и вибрации, снизить температуру обмотки и активной стали статора и повысить КПД. Проведено исследование влияния магнитных свойств материала клиньев в пазах статора на коэффициент нелинейных искажений с помощью расчетного пакета прикладных программ ELCUT. Установлено, что значение относительной магнитной проводимости существенно влияет на коэффициент нелинейных искажений кривой ЭДС фаз обмотки статора и добавочных потерь в стали статора. Выбраны оптимальные значения магнитной проводимости материала клина, обеспечивающие форму кривой ЭДС генератора, соответствующую требованиям ГОСТ.

Аннотация: Современное состояние рынка стирлинг-генераторов свидетельствует, что в конкурентной борьбе побеждают высокотехнологичные двигатели, которые длительно доводились в процессе совместной работы или конкуренции сильных корпораций. Основные преимущества двигателей Стирлинга: возможность использовать различные источники теплоты и камеры сгорания, отвечающие экологическим требованиям; низкие уровни шума и вибрации; благоприятные характеристики, как для транспортных средств, так и для стационарных электрогенераторов; хорошая согласованность с линейной электрической машиной. Среди факторов, сдерживающих развитие стирлинг-генераторов, выделены: высокие стоимость и массогабаритные показатели, ограниченная агрегатная мощность, сложность удовлетворения требованиям к ресурсу. Особенность системы управления двигателем Стирлинга состоит в необходимости контролировать параметры в рабочем контуре, генераторе и камере сгорания. С учетом требований к обеспечению пусковых режимов система управления должна быть интеллектуальной. Управление мощностью свободнопоршневого двигателя Стирлинга обычно осуществляется изменением хода поршня, что реализуется электронным блоком управления линейным генератором. В настоящее время в связи с развитием альтернативной энергетики и распределенного электроснабжения растёт потенциальная ниша для применения Стирлинг-генераторов.

Аннотация: Исследуются специальные турбогенераторные установки (СТГУ) мощностью до 10000 кВт для преобразования механической энергии пара в электрическую с улучшенными виброакустическими характеристиками. В состав СТГУ входят: паровая турбина, синхронный генератор с магнитоэлектрическим возбуждением и преобразователь частоты, регулирующий параметры выходной электрической энергии. Частота вращения турбины и генератора в зависимости от мощности установки обеспечивает на выходе значения частоты от 50 до 300 Гц. Рассмотрены различные схемы построения автономных установок с генераторами магнитоэлектрического возбуждения. Предложена конструкция турбогенераторной установки с параллельным включением преобразователя частоты, позволяющая значительно улучшить массогабаритные характеристики преобразователя и повысить надежность установки в целом.

Аннотация: Приведены результаты исследований высокооборотного стартер-генератора с постоянными магнитами и зубцовой обмоткой для перспективных беспилотных летательных аппаратов. Рассмотрены технология изготовления магнитопровода статора из аморфного железа, а также методика выбора числа пар полюсов высокооборотного стартер-генератора, обоснованы преимущества аморфного железа. Отдельный этап работы посвящен задачам оптимизации пазовой зоны стартер-генератора по критерию минимума потерь в постоянных магнитах на вихревые токи. Для минимизации этих потерь выполнена многокритериальная оптимизация пазовой зоны с помощью генетических алгоритмов, в результате которой потери были снижены в 4 раза относительно первоначального варианта. Предложена схема охлаждения синхронной машины в составе турбореактивного двигателя, проведены тепловые расчеты. Для верификации предложенной последовательности проектирования, а также для оценки эффективности использования аморфного железа создан полноразмерный макет мощностью 5 кВт с частотой вращения ротора 60000 об/мин, плотностью мощности 0, 2 кг/кВт и КПД 96, 4%. Первоначальные испытания экспериментального макета подтвердили теоретические выводы и показали, что применение аморфного железа позволяет снизить потери в магнитопроводе статора в 5-7 раз.

Аннотация: В работах, посвященных самовозбуждению электрических машин, понятия "жесткое" и "мягкое" самовозбуждение используются для оценки степени воздействия на систему и характер изменения выходной величины при самовозбуждении. В статье обосновывается необходимость использования этих терминов исключительно для оценки характера изменения выходной величины. По аналогии с генератором постоянного тока предложено разделить условия самовозбуждения асинхронного генератора на стартерные и автогенераторные (автоколебательные). Экспериментально показано, что при размагниченной системе (слабый стартер) самовозбуждение генератора постоянного тока сопровождается скачкообразным изменением напряжения, то есть имеет место жесткий режим самовозбуждения. После работы в установившемся режиме генератор вновь намагничивается (сильный стартер), и при повторном самовозбуждении скачкообразного изменения напряжения не наблюдается. Такое самовозбуждение, при котором сильный стартер за счет остаточной индукции нивелирует "жесткий" характер самовозбуждения, предложено называть "псевдомягким".

Аннотация: Рассмотрено новое конструктивное решение магнитной системы синхронного генератора с постоянными магнитами (СГПМ) - низкооборотного магнитоэлектрического генератора (МЭГ). Приведены результаты математического и имитационного моделирования, а также экспериментальных исследований разработанного макетного образна МЭГ со скоростью вращения ротора до 600 об/мин. На основе анализа полученных результатов имитационного моделирования, экспериментальных исследований макетного образца МЭГ разработаны новые конструктивные решения низкоскоростного МЭГ с целью улучшения его электрических, электромагнитных, технико-экономических и массогабаритных показателей.

Аннотация: Приводятся результаты численного моделирования и экспериментального исследования пропускной способности ограничителей перенапряжений типа ОПН-ТП-3, 0/4-УХЛ 3 в составе автоматического быстродействующего вакуумного выключателя постоянного тока на максимальное напряжение 4, 1 кВ. Принцип работы вакуумного выключателя основан на принудительном переводе отключаемого тока через нуль с помощью встречного разряда предварительно заряженного конденсатора. Предложена численная модель, которая была реализована в пакете Matlab 6. 5 c использованием библиотеки Sim Power Systems. Применимость модели была экспериментально подтверждена при отключении тока вакуумным выключателем в режиме имитации тока короткого замыкания с разными скоростями нарастания тока. Исследования проводились на сильноточном высоковольтном испытательном стенде, который представляет собой колебательный контур с конденсаторной батареей на максимальное напряжение до 6 кВ с суммарной энергоемкостью до 1, 8 МДж. Численная модель удовлетворительно описывает процессы при отключении тока в вакуумном выключателе постоянного тока с принудительным переводом тока через нуль и позволяет оценить уровень рассеиваемой энергии в блоке ОПН при отключении тока короткого замыкания. Предложенная модель позволяет также оценить необходимое число параллельно соединенных ОПН при отключении аварийных токов в сетях тягового электроснабжения постоянного тока с индуктивностью от 5 до 15 мГн.

Аннотация: Представлены результаты исследований по оценке эффективности применения комбинированной жидкостно-воздушной системы охлаждения для тяговых генераторов закрытого исполнения с возбуждением от постоянных магнитов. Генераторы работают с дизельным двигателем внутреннего сгорания в составе электротрансмиссии специальной автомобильной техники. Приведено описание устройства системы охлаждения, показано размещение каналов жидкостного и воздушного контуров в конструкции генератора, особое внимание уделено проблеме охлаждения ротора. Предложена система охлаждения ротора воздухом, циркулирующим по замкнутому контуру внутри машины за счет устанавливаемого на ротор специального вентилятора. Для гидравлических расчетов использована специальная программа, вычисляющая расходы теплоносителя и граничные условия теплообмена в каналах, являющиеся исходными данными для конечно-элементного анализа. Приведены результаты расчета теплового состояния конкретного тягового генератора с возбуждением от постоянных магнитов применительно к номинальному режиму и режиму холостого хода. От опубликованных ранее данная работа отличается исследованием возможностей жидкостно-воздушной системы охлаждения, имеющей определенные преимущества над другими системами, нашедшими применение в рассматриваемой области техники.

Аннотация: Для обеспечения все возрастающего уровня энергопотребления не последняя роль отводится разработке и созданию генераторов с высококоэрцитивными постоянными магнитами на основе сплавов редкоземельных материалов. В статье описан подход к проектированию мощных генераторов с постоянными магнитами, большие значения единичной мощности которых достигаются за счет высокой частоты вращения. Представлен алгоритм и приведен пример проектирования, в которых основные размеры генератора - диаметр расточки и длина зазора - определяются не только исходя из электромагнитных нагрузок (линейной и индукции в зазоре), но и с учетом механической прочности ротора, оцениваемой по предельно допустимой линейной скорости ротора на его наружной поверхности, прочности скрепляющей оболочки из неферромагнитного материала, охватывающей магниты по внешней цилиндрической поверхности. Приведены расчетный способ проверки устойчивости магнитов спроектированного генератора к размагничиванию и показаны особенности расчета угловых и внешних характеристик магнитоэлектрического генератора при проведении поверочных расчетов с использованием сеточной модели и векторной диаграммы.

Аннотация: Представлены результаты сравнительного исследования систем охлаждения, применяемых для высокоскоростных мини-турбогенераторов. Показано, что допустимый тепловой режим может быть обеспечен как при жидкостном охлаждении статора и газовом охлаждении ротора, так и при полностью газовом охлаждении машины различными видами хладагентов. Однако наиболее экономичным является применение жидкостного охлаждения статора и газового охлаждения ротора. При газовом охлаждении ротора от параметров охлаждающего газа зависит не только коэффициент теплоотдачи, но и потери при трении ротора об охлаждающую среду. Превышение температуры поверхности ротора над температурой входящего газа является сложной функцией параметров газа, поэтому выбор охлаждающего газа не является однозначной задачей. Для выбора газового хладоагента сформулирована и решена задача линейного программирования с превышением температуры поверхности ротора в качестве целевой функции.

Аннотация: Приведены результаты исследований стартер-генераторов транспортных средств с гибридной силовой установкой. Объектом исследования были два стартер-генератора с различными обмотками: с зубцовой, концентрической обмоткой и распределенной обмоткой 3x2. Оптимизация выполнена методом генетического алгоритма при помощи программного комплекса AnsysMaxwell. В статье рассмотрена оптимизация выбора немагнитного зазора с целью минимизации негативного влияния реакции якоря на поле возбуждения постоянных магнитов.

Аннотация: Рассмотрены вопросы, связанные с созданием генераторов электрической энергии для искусственных спутников Земли с использованием её магнитного поля. На основе анализа основных уравнений, описывающих работу электрического генератора, предложена методика определения такого показателя, как вес генератора на единицу полезной мощности производимой электрической энергии. Найденные аналитические зависимости позволяют получить практические рекомендации по выбору основных параметров генератора.

Аннотация: Представлены результаты анализа последних достижений по созданию новых материалов с повышенной электропроводностью. Установлена возможность в ближайшем будущем применения в электромеханических преобразователях энергии обмоток из углеродного нановолокна, обладающего в диапазоне некриогенных температур электропроводностью в 1, 5 раза выше, чем у меди марки ММ. Исследования влияния электропроводности проводниковых материалов на параметры мини-турбогенераторов выполнены на основе численного эксперимента для различных магнитных, ферромагнитных и конструкционных материалов. Установлено, что для высокоскоростных мини-турбогенераторов значение удельной электропроводности проводникового материала не определяет выбор основных размеров мини-турбогенератора и оказывает незначительное влияние на КПД машины и превышения температуры обмотки. Применение материала с повышенной электропроводностью более эффективно для электромеханических преобразователей энергии при частоте 50 Гц, для которых появляется возможность существенного уменьшения расхода хладагента. Предложена методика оценки параметров мини-турбогенераторов по характеристикам проводниковых материалов, основанная на решении задачи линейного программирования.

Аннотация: Ветроэнергетические установки (ВЭУ) с синхронными генераторами на постоянных магнитах (СГПМ) широко применяются в современной ветроэнергетике. Сетевая ВЭУ с СГПМ использует силовые преобразователи для преобразования всей вырабатываемой электроэнергии во всем диапазоне изменения скорости ветра и изменения частоты вращения генератора. Силовой преобразователь на стороне генератора управляет активной мощностью генератора, подаваемой в электрическую сеть с помощью отслеживания максимальной точки мощности (MPPT), а силовой преобразователь на стороне электрической сети управляет напряжением постоянного тока и реактивной мощностью. Для анализа и исследования режимов работы сетевой ВЭУ с СГПМ и оценки возможностей регулирования частотой вращения генератора в условиях переменной скорости ветра и частотой вращения генератора при оптимальной выдаче мощности в сеть проведено компьютерное моделирование всех электроэнергетических элементов ВЭУ с помощью готовых и созданных подсистем в среде MATLAB. Реализовано управление нулевой продольной составляющей тока статора генератора для контроля силового преобразователя, подключенного к генератору, и управление положением лопастей ветроколеса и ориентированное управление по вектору напряжения сети для контроля силового преобразователя, подключенного к сети. Результаты моделирования показали, что созданная модель в MATLAB рассмотренной ВЭУ с СГПМ позволяет проводить полномасштабное преобразование мощности от 0, 068 до 0, 985 отн. ед. со средней ошибкой 2, 58 % при изменении скорости ветра от начальной (5 м/с) до номинальной (12 м/с) и позволяет регулировать частоту вращения генератора в полном диапазоне с ошибкой 0, 91%. Таким образом, созданная модель в MATLAB рассмотренной ВЭУ с СГПМ является адекватной и обеспечивает достоверное моделирование режимов ВЭУ с СГПМ.

Аннотация: Предложена методика эскизного проектирования синхронных генераторов. Методика позволяет рассчитывать геометрические размеры активной части генераторов при отсутствии рекомендаций по выбору электромагнитных нагрузок. Представлены результаты оценки влияния на массогабаритные и энергетические показатели отдельных факторов и ограничений для серии генераторов. Даны рекомендации по выбору оптимальных значений размера воздушного зазора и линейной нагрузки. Приведены графики и исследовано влияние массы активных материалов на энергетические показатели. Представлены зависимости размера воздушного зазора от перегрузочной способности при различных значениях линейной нагрузки. Увеличение линейной нагрузки требует увеличения воздушного зазора при постоянной перегрузочной способности. А увеличение воздушного зазора приводит к увеличению МДС обмотки возбуждения и, как следствие, массы меди ротора генератора или к ухудшению теплового режима.

Аннотация: Изложен метод расчета формы кривой линейного напряжения явнополюсного синхронного генератора в режиме холостого хода с учетом насыщения его магнитной цепи, несимметрии трехфазной обмотки статора (с целым или дробным числом пазов Q на полюс и фазу), а также с учетом формы полюсов ротора и его эксцентриситета. При расчете принимается во внимание реальная геометрия машины, в том числе геометрия его полюсного наконечника (различные воздушные зазоры под его серединой и по краям), зубчатость статора и др. При расчете использован пакет программ, в котором реализован метод конечных элементов. Обеспечение формы кривой, близкой к синусоидальной, вызвано требованиями эксплуатации [1]; эти требования особенно актуальны для современных генераторов в широком диапазоне мощностей и скоростей вращения: гидрогенераторов, мощных низкооборотных дизельных генераторов (10-50 МВт, 100-250 об/мин), генераторов c возбуждением от постоянных магнитов (в том числе высокооборотных для газовых турбин) и др. В результате расчета этим методом становится возможным принять в процессе проектирования генератора решение о необходимости усложнения его конструкции за счет применения скоса пазов статора (полюсов ротора) или сдвига полюсов в тангенциальном направлении.

Аннотация: Рассмотрены конструктивные исполнения линейных генераторов с постоянными магнитами для электрических амортизаторов. По способу движения индуктора или якоря различают генераторы с неподвижным якорем и с неподвижным индуктором; по способу выполнения обмоток якоря генератора различают обмотки, уложенные в пазы, и беспазовые обмотки; по способу размещения постоянных магнитов на индукторе и способу их намагничивания - индукторы с магнитами, расположенными на поверхности и намагниченные радиально, и с магнитами, расположенными внутри индуктора и намагниченными в осевом направлении. Конструкция генератора с обмоткой, расположенной в пазах якоря и магнитами на поверхности была выбрана, как наиболее оптимальная по технологии изготовления. Для исследований динамических режимов работы электрического амортизатора разработана математическая модель в пакете Matlab/Simulink. Особенность модели заключается в том, что для математического описания линейного генератора возвратно-поступательного движения, аккумулятора, характера изменения нагрузки и устройства переключения генератора с аккумулятора на балластное сопротивление используются стандартные блоки расширенной программы Simulink: модель генератора на основе электрической машины вращательного движения с постоянными магнитами, модель аккумулятора, модель задания возмущающей силы и транзистора. Для адекватного описания процессов в генераторе вращательного и поступательного движений разработана система пересчета их параметров на основе равенства механических мощностей генераторов и кинетических энергий их подвижных частей. Поскольку математические уравнения генератора, батареи и нагрузки содержатся внутри блоков, их использование позволяет достаточно просто и детально исследовать переходные процессы при различных законах изменения возмущающей силы, параметрах генератора и типах аккумулятора, так как необходимо задать только входные параметры блоков. На основе разработанной модели приведены результаты математического моделирования электрического амортизатора при воздействии ударной возмущающей силы.

Аннотация: Для обеспечения высокого качества электроэнергии и энергетической безопасности эксплуатации ветроэнергетических установок (ВЭУ) разработаны математические модели элементов ВЭУ и выбрано программное обеспечение (ПО) для моделирования. Обосновано, что наиболее подходящим ПО, которое успешно используется для создания моделей различных электроэнергетических систем, в том числе ВЭУ, является MATLAB Simulink. Приведены результаты имитационного моделирования сетевой ВЭУ с асинхронным генератором в среде MATLAB Simulink для исследования режимов работы и отладки работы генерирующего оборудования ВЭУ. Разработаны четыре математические модели элементов ВЭУ: ветроколеса, аэродинамического регулирования, механической части и электрической части, включающей генератор, трансформатор, конденсатор и электрическую сеть большой мощности. Исследования режимов работы проводилось на ВЭУ Siemens SWT 1. 3 МВт. Рассмотрены основные режимы: пуск, рабочие режимы, режим короткого замыкания, остановка.