Аннотация: Книга освещает теоретические и практические аспекты конструкции современных ветродвигателей в контексте их исторического развития, методы управления мощностью ветроэнергетических установок. Обширная библиография отечественных и зарубежных работ поможет специалистам глубже изучить рассматриваемые вопросы. Издание предназначено для широкого круга читателей – от изобретателей и исследователей до разработчиков и производителей ветроэнергетических установок, для студентов и преподавателей технических университетов по специальности ОКСО 140202 (Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии).

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: Рассмотрен гибридный энергокомплекс (ГЭК), содержащий возобновляемые источники энергии (ВИЭ) - ветроэнергетическую установку и фотоэлектрический генератор, а также (в качестве резервных) дизель-генераторную установку. Внедрение ВИЭ требует значительных финансовых затрат, так как технологии генерирования, передачи энергии и управление сетью, в состав которой входят ВИЭ, существенно отличаются от классических и недостаточно отработаны. При характерных для ВИЭ неуправляемых отклонениях в режимах работы использование стандартных методов оптимального распределения потоков мощности может повлечь перегрузки на линиях передачи, вплоть до каскадных отключений. Рассмотрены различные варианты (в зависимости от конкретных задач) систем управления и систем автоматического регулирования первичными источниками энергии при работе ГЭК в автономном режиме и при параллельной работе с электросетью.

Аннотация: Для привлечения внимания к развитию ветроэнергетики в Российской Федерации и накопления опыта эксплуатации ветроэнергетических установок (ВЭУ) в прибрежной зоне Балтийского моря был сооружен ветропарк суммарной установленной мощностью 5, 1 МВт. Ветропарк состоит из ВЭУ моделей Vestas V27 и Wind World 4200/600. Обе модели ВЭУ относятся к третьему поколению. В них используются асинхронные генераторы (АГ) с короткозамкнутым ротором. Представлены результаты исследований эксплуатационных режимов работы этого ветропарка. Отмечен ряд выявленных недостатков в работе ветропарка и даны рекомендации, которые могут быть полезны при реализации новых проектов в области ветроэнергетики.

Аннотация: Математически обосновывается и экспериментально подтверждается возможность регулирования возбуждения синхронных генераторов в сегментном исполнении путем преднамеренного изменения воздушного зазора отдельных модулей активного сегмента. Обосновывается введение ранее неизвестного канала регулирования синхронных машин с постоянными магнитами, что придает системе управления адаптивные свойства, обеспечивает автоматизированное управление. Это достигается расчетом поля в зоне рабочего воздушного зазора, что позволяет найти аналитические зависимости, подтверждаемые экспериментом на макете. В частности, приведены кривые, характеризующие найденные зависимости, подтверждающие исходные теоретические положения. В результате исследования фактически доказывается возможность введения дополнительного воздействия на данный объект, что дает синергетический эффект: с одной стороны, появляется возможность при небольшой скорости ветра уменьшить противодействующий момент на ветроколесо при постоянной нагрузке низкого уровня, с другой стороны, при интенсивном ветре существенно повышается энергоотдача агрегата. Приведена структурная схема системы управления, построенная на принципах экстремального управления. В качестве экстремальной (оптимальной) выступают либо угловая характеристика синхронного генератора, либо U-образная. В первом случае система с помощью сигнум-реле и коммутатора будет управлять исполнительным механизмом, регулирующим зазор в заранее установленных пределах.

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: Повышение эффективности ветроэнергетических уставок мощной энергетической системы при скоростях ветра ниже номинальных является актуальным вопросом. Сравнение способов повышения эффективности ветроэнергетических уставок показало увеличение выработки энергии почти на 35 % для конструкции ВЭУ с двумя равнолопастными синхронно-вращающимися ветроколесами с управляемым углом между ними от альфа = 0 до aльфа = пи / n при скоростях ветра больше и ниже номинального значения соответственно. Допустимо исполнение ветроколес разного диаметра.

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: Рассмотрена возможность использования асинхронного генератора (АГ) для автономных ветроэнергетических установок (ВЭУ), применяемых с целью энергоснабжения удаленных от Единой энергетической системы (ЕЭС) потребителей. Приведены основные достоинства применения АГ как источника переменного трехфазного напряжения в сравнении с синхронными генераторами (СГ). Разработана новая система автоматического регулирования выходного напряжения и частоты АГ с самовозбуждением для ВЭУ малой мощности. Определены основные параметры схемы замещения АГ, построены характеристики кривой намагничивания для определения значения емкости возбуждения. Выполнен анализ системы автоматического регулирования напряжения (АРН) АГ с целью выявления ее конструктивных недостатков и их устранения. Подтверждена целесообразность использования системы АРН АГ ВЭУ с линейными конденсаторами в качестве регулирующего устройства.

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: Выполнена оценка возможности использования ветрового энергетического потенциала для электроснабжения тяговой сети железных дорог на примере района "Каратау" в Южном регионе Республики Казахстан, определены основные ветроэнергетические характеристики региона. Представлен интерфейс программы с результатами статистической обработки массивов данных по длительному мониторингу ветровых показателей исследуемого района с определением скорости ветра в течение месяца, математического ожидания, закона плотности вероятности распределения скорости ветра за месяц, диаграмм распределения ветра по суткам в течение месяца, мгновенных значений (порывов) скорости ветра за 24 часа и средней скорости ветра по часам суток за месяц. Приведена схема системы тягового электроснабжения с распределенной генерацией энергии на основе ветровых электроустановок, их схема замещения и конструктивное исполнение, в состав которого входят ветрогенераторы, выпрямительные и инверторные преобразовательные агрегаты, а также накопитель электрической энергии с преобразователем постоянного тока. Получены теоретические зависимости для определения дополнительных потерь электроэнергии в тяговой сети при перераспределении энергии в системе тягового электроснабжения от главных тяговых подстанций к накопителям энергии на "ветровых" тяговых подстанциях в периоды неблагоприятной ветровой ситуации в районе. Описаны режимы работы электроэнергетических объектов, входящих в систему тягового электроснабжения и "ветровые" тяговые подстанции, с учетом чисто тягового режима от ветровых электрогенераторов, питания поездов от накопителей энергии в условиях дефицита ветрового усилия, режимов рекуперации энергии при торможении поездов, а также с качественным определением их параметров работы. Оценочно определены основные электротехнические характеристики оборудования "ветровых" тяговых подстанций.

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: Рассмотрены основные типы вертикально-осевых ветроэнергетических установок и определена их энергетическая эффективность. Показаны границы эффективного использования и пределы значений основных показателей работы ветроэнергоустановок. Приведены результаты экспериментального определения коэффициента аэродинамического сопротивления в зависимости от угла поворота лопасти на созданной авторами лабораторной установке ветродвигателя, сочетающей в себе ротор Савониуса и ротор с вертикальными лопастями крылового профиля - так называемый ротор Н-Дарье. Представлена графическая зависимость коэффициента сопротивления от угла поворота лопасти. Получена зависимость для определения коэффициента мощности у комбинированного ротора Н-Дарье - Савониуса. По итогам расчетов сделаны выводы и даны рекомендации по использованию и области применения разработанной комбинированной ветроэнергоустановки на базе роторов Савониуса и Н-Дарье.

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: Рассмотрены вопросы диагностирования и прогнозирования технического состояния ветроэнергетических установок в соответствии с концепцией локальных сетей SMART GRID. Предложены структуры датчиков диагностирования и прогнозирования технического состояния ветроэнергетической установки со встроенной системой оперативного диагностирования. Дано описание математической модели функционирования системы с разным уровнем глубины диагностирования. Рассмотрены факторы, влияющие на выбор глубины диагностирования ветроэнергетической установки. Построена математическая модель системы диагностирования технического состояния на основании функциональной схемы. Предложен алгоритм прогнозирования технического состояния ветроэнергетической установки, позволяющий избежать аварийных режимов работы. Предложен математический подход синтеза средств диагностирования ветроэнергетических установок, позволяющий комбинировать любые специфичные алгоритмы диагностики конкретных узлов электромеханической части и интегрировать в одной системе свойства регулирования, диагностирования, прогнозирования и экспертной системы.