Разработать схему и обосновать параметры низкооборотного вентильного генератора для вихревых ВЭУ.

СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ

Заддэ В.В. зав.лаб, к.т.н. 1

Харченко В.В., гл. науч. сотрудник, д.т.н. 1

Никитин Б.А., ст. науч. сотрудник, к.т.н. 1

Китлаев Б.М. ст. науч. сотрудник, к. б.н. 1

Тверьянович Э.В., и.о. зав. отделом, зав.лаб., к.т.н. 2

Майоров В.А. вед.науч.сотрудник,к.т.н. 2

Беленов А.Т., ст.науч. сотрудник, к.т.н. 2

Лукашик. Л.Н., науч. сотрудник, к.х.н. 2

Трушевский С.Н. вед. науч. сотрудник,к.т.н. 2

Сокольский А.К. зав.лаб, к.т.н. 4

Серебряков Р.А., вед.науч.сотрудник, к.т.н 4

Малева И.М. мл.науч.сотрудник, к.т.н. 4

Миронова Л.М.инженер 4

Каргиев В.А., ст. науч. сотрудник, к.т.н. 4

Метлов Г.Н., инженер 4

Пинова З.А. инженер 4

Тарасов В.П. зав.лаб, к.т.н. 5

Иродионов А.Е., ст.науч. сотрудник, к.т.н. 5

Базарова Е.Г., науч.сотрудник 5

Персиц И.С., зав.лаб., к.т.н. 3

Разработать систему генерирования электроэнергии для вихревых ВЭУ (экспериментальный образец), обеспечивающую повышение КПД на 15÷20% при низкой частоте вращения.

Разработать схему и обосновать параметры низкооборотного вентильного генератора для вихревых ВЭУ.

Вихревая ветроэнергетическая установка (ВВЭУ) – принципиально новое и потенциально чрезвычайно перспективное направление в ветроэнергетике. В ВВЭУ поток ветра преобразуется в вихревые струи, которые являются концентраторами мощности, организующими и аккумулирующими ветровую энергию и энергию низкопотенциальных тепловых воздушных потоков. Рабочий процесс ВВЭУ аналогичен тому, как в природных условиях кинетическая энергия ветра, распределенная в потоке, концентрируется до огромных величин в компактном ядре торнадо.

Для преобразования энергии восходящих струй воздуха в электрическую энергию требуется установить генерирующую систему, отвечающую определенным требованиям. Так необходимо использовать низкооборотный генератор с очень низким значением момента трогания. Только в этом случае можно использовать преимущество ВВЭУ по работе на слабом ветре, скорость которого менее 4 м/с. Наиболее полно этим требованиям отвечает конструкция вентильного генератора беззубцового типа.

Вентильный генератор должен иметь следующие технические параметры:

1) номинальная мощность 6-25 Вт;

2) номинальное напряжение на выходе выпрямителя 6-24 В;

3) номинальная частота вращения 20-40 об/мин;

4) минимальный момент трогания 0,1-0,2 Нм;

5) КПД в номинальном режиме 70 %;

6) внешний диаметр корпуса 300 мм;

7) длина по корпусу 150 мм;

8) диаметр вала 15 мм;

9) масса 12 кг (не более):

10) режим работы - продолжительный.

Указанные здесь требования могут уточняться в процессе выполнения работы.

Учитывая то, что размещение ветрогенератора предполагается внутри турбины вихревой ветроэнергетической установки, была выбрана обращенная конструкция синхронного генератора, в которой статор находится внутри вращающегося ротора. В качестве системы возбуждения были выбраны высококоэрцитивные магниты типа «ниодим-железо-бор».

Так как к генератору предъявляются высокие требования по снижению момента трогания до 0,1-0,2 Нм, были рассмотрены варианты беззубцового генератора с обмоткой уложенной и компаундированной на поверхности статора. В таких генераторах из-за отсутствия зубцов на поверхности магнитопровода момент "залипания", определяющий момент трогания генератора, как теоретически, так и на практике равен нулю.

Кроме того, рассмотрены варианты с зубцовой структурой сердечника статора и с зубцовой катушечной обмоткой, позволяющей при относительно невысоких мощностях и частотах вращения получить высокие удельные энергетические показатели. Однако в этом варианте необходимо предпринимать для уменьшения момента трогания определенные мероприятия, усложняющие технологию его изготовления.

Учитывая перспективы проекта на большие мощности, была также проведена предварительная оценка возможности выполнения различных конструкций вентильного генератора на мощность 150 Вт и выпрямленное е 24 В при частоте вращения 100 об/мин.

Известны проекты ветрогенераторов с дробно-зубцовыми обмотками на мощности 0,15-10 кВт. Например, генератор на 150 Вт и 750 об/мин имеет КПД 73 % и массу 4 кг (малая величина массы объясняется сравнительно высокой частотой вращения). Ротор этого генератора выполнен в виде оптимизированной мозаичной магнитной структуры (генераторы большей мощности имеют ротор коллекторного типа).

Известен проект беззубцового ветрогенератора мощностью 3 кВт на частоту вращения 200 об/мин. Этот генератор имеет внешний диаметр сердечника около 700 мм и КПД около 75 %.

Указанные здесь в качестве примера ветрогенераторы являются генераторами переменного тока (невентильного исполнения).

В процессе работы были спроектированы два варианта вентильного генератора с беспазовой конструкцией статора и два варианта вентильного генератора с классическим зубцовым статором.

Основные геометрические и обмоточные данные двух вариантов вентильных генераторов с беспазовой конструкцией статора приведены в табл.4.1. Расчет генераторов производился при работе на нагрузку без аккумулятора. Выходные показатели генераторов при работе на частотах вращения 20, 40 и 100 об/мин с требуемой выходной мощностью приведены в табл.4.2 и 4.3 соответственно.

Для представленных вариантов вентильных генераторов с беспазовой конструкцией статора был проведен расчет ряда характеристик в зависимости от тока нагрузки Id при частоте вращения n=20 об/мин.

На рис.4.1 представлена зависимость выходной мощности генераторов Pd(Id), на рис. 4.2 - внешняя характеристика Ud(Id), на рис.4.3 – зависимость КПД h(Id), на рис.4.4 – зависимость плотности тока в обмотке якоря J_oя(Id).

Таблица 4.1

Основные геометрические, обмоточные и расчетные данные беспазовых ВГ

	Вар. 1	Вар. 2
Число фаз
Число проводников по расточке статора
Число полюсов
Число катушечных секций в фазе
Наружный диаметр ротора, мм	283.000	300.000
Диаметр расточки статора, мм	267.600	285.000
Диаметр ротора, мм	262.000	278.000
Внутренний диаметр статора, мм	255.000	271.000
Длина рабочего зазора, мм	.500	.500
Средняя толщина спинки статора, мм	3.500	3.500
Высота обмоточного слоя, мм	2.300	3.000
Угол скоса проводников, делений по проводникам
Длина пакета статора, мм	88.000	110.000
Длина пакета ротора, мм	88.000	110.000
Коэффициент заполнения пакета сталью	.960	.940
Остаточная индукция, Тл	1.080	1.080
Коэрцитивная сила, кА/м	860.000	860.000
Высота магнита (по линии намагниченности), мм	4.000	4.000
Ширина магнита, мм	11.661	12.408
Расстояние между внутр.сторонами магнитов, мм	275.600	293.000
Коэффициент полюсного перекрытия, мм	.820	.820
Шаг катушки, проводники обмотки
Число проводников по высоте	2.000	2.000
Длина лобовой части обмотки, мм	26.000	29.000
Число элементарных проводников в витке
Диаметр неизолированного провода, мм*мм	1.060	1.400
Диаметр изолированного провода, мм*мм	1.140	1.485
Плотность материала стали, кг/(м*м*м)	7800.000	7800.000
Плотность материала магнита, кг/(м*м*м)	7400.000	7400.000
Плотность материала провода, кг/(м*м*м)	8900.000	8900.000
Температура обмоток и магнитов, град.Ц	30.000	30.000
Температ.коэфф.по ост.индукции магнита, %/°С	-.120	-.120
Температ.коэфф.по коэрц. силе, %/°С	-.120	-.120
Расчетная длина статора, мм	88.000	110.000
Расчетная длина ротора, мм	88.000	110.000
Расчетная длина по воздушному зазору, мм	88.000	110.000
Момент инерции ротора, кг*м**2	.07708	.11211
Масса спинки статора, кг	1.873	2.434
Масса стали ротора, кг	2.228	2.797
Масса магнитов, кг	1.822	2.424
Масса меди обмотки якоря, кг	1.289	2.057
Масса активных материалов машины, кг	7.213	9.712
Средняя длина витка обмотки статора, мм	228.000	278.000
Сопротивление фазы при раб.температуре, Ом	1.109	.582
Коэфф. заполнения расточки статора	.993	.913
Коэфф. заполнения токовой области по высоте	.991	.990

Таблица 4.2

Выходные показатели варианта № 1 ВГ с беспазовой конструкцией статора

Частота вращения ротора	об/мин
Выходная мощность генератора	Вт	6.184	25.124	154.508
Мощность на валу	Вт	9.726	35.979	206.754
Момент на валу	Н*m	4.644	8.589	19.744
Потери в меди	Вт	2.324	8.113	43.481
Потери в стали	Вт	.092	.260	1.021
Потери в вентильном преобразователе	Вт	1.056	2.072	5.198
Механические потери	Вт	.000	.000	.000
КПД		.636	.698	.747
Среднее значение выпрямленного тока	А	1.017	1.897	4.400
Максимальное значение фазного тока	А	1.179	2.176	5.002
Действующее значение фазного тока	А	.838	1.564	3.615
Действующее значение 1-ой гармоники фазного тока	А	.801	1.491	3.442
Среднее значение фазного тока	А	.679	1.265	2.926
Угол коммутации	эл.град	.373	.665	1.471
Действующее значение фазного напряжения	В	3.564	7.237	18.272
Действующее значение 1-ой гармоники фазн. напряжения	В	3.495	7.079	17.831
Действующее значение линейного напряжения	В	6.112	12.407	31.364
Среднее значение выпрямленного напряжения	В	6.082	13.243	35.116
Амплитуда пульсации выпр.напряжения	В	3.153	6.494	16.393
Относительная пульсация выпр.напряжения		.259	.245	.233
Плотность тока в ОЯ	А/мм*мм	.949	1.772	4.096
Линейная нагрузка	А/см	14.347	26.791	61.913
Среднее значение собств.индуктивности	мГн	.171	.171	.171
Макс.значение индукции в спинке статора	Т	.775	.774	.772
Магнитная индукция в воздушном зазоре	Т	.366	.365	.364
Среднее значение индукции в ярме ротора	Т	.743	.744	.744
Среднее значение индукции в магните	Т	.744	.744
Коэффициент рассеяния магнита		1.676	1.678	1.682
Сопротивление нагрузки	Ом	6.000	7.000	8.000

Таблица 4.3

Выходные показатели варианта № 2 ВГ с беспазовой конструкцией статора

Частота вращения ротора	об/мин
Выходная мощность генератора	Вт	6.075	28.190	151.139
Мощность на валу	Вт	8.479	37.196	184.348
Момент на валу	Н*m	4.049	8.880	17.604
Потери в меди	Вт	1.207	5.832	23.377
Потери в стали	Вт	.113	.319	1.257
Потери в вентильном преобразователе	Вт	1.041	2.444	5.254
Механические потери	Вт
КПД		.716	.758	.820
Среднее значение выпрямленного тока	А	1.007	2.214	4.436
Максимальное значение фазного тока	А	1.200	2.588	5.170
Действующее значение фазного тока	А	.831	1.830	3.666
Действующее значение 1-ой гармоники фазного тока	А	.788	1.743	3.484
Среднее значение фазного тока	А	.670	1.477	2.957
Угол коммутации	эл.град	.197	.430	.819
Действующее значение фазного напряжения	В	3.500	6.913	17.692
Действующее значение 1-ой гармоники фазн. напряжения	В	3.445	6.804	17.581
Действующее значение линейного напряжения	В	6.006	11.879	30.395
Среднее значение выпрямленного напряжения	В	6.034	12.735	34.072
Амплитуда пульсации выпр.напряжения	В	3.595	6.845	18.329
Относительная пульсация выпр.напряжения		.298	.269	.269
Плотность тока в ОЯ	А/мм*мм	.540	1.189	2.381
Линейная нагрузка	А/см	10.028	22.078	44.217
Среднее значение собств.индуктивности	мГн	.098	.098	.098
Макс.значение индукции в спинке статора	Т	.753	.752	.751
Магнитная индукция в воздушном зазоре	Т	.336	.336	.335
Среднее значение индукции в ярме ротора	Т	.787	.787	.787
Среднее значение индукции в магните	Т	.705	.704	.704
Коэффициент рассеяния магнита		1.777	1.779	1.782
Сопротивление нагрузки	Ом	6.000	5.760	7.700

Рис. 4.1. Зависимость выходной мощности беспазового ВГ (Pd)
от выпрямленного тока (Id) (n=20 об/мин, вар.1 и 2)

Рис. 4.2.

Рис. 4.3.

Рис. 4.4.

Результаты расчетов, приведенные выше, в целом показали, что может быть спроектирован генератор, удовлетворяющий по КПД, габаритам и весовым показателям требованиям технического задания.

Генератор беспазовой конструкции имеет массу активных частей около 7-11 кг и КПД 65-75 % (в лучшем случае чуть более 80 %) при 100 об/мин. При этом момент трогания зависит лишь от качества подшипников.

В табл.4.4 приведены результаты оценочных расчетов нескольких вариантов генераторов беззубцового исполнения для мощности на выходе выпрямителя 150 Вт при напряжении 24 В и частоте вращения 100 об/мин при варьировании числа полюсов и витков обмотки статора, размеров фазной зоны обмотки, магнитов и воздушного зазора.

Отметим, что в приведенных выше расчетах "физический" воздушный зазор, т.е. зазор между вращающимися частями, выбирался равным 0,5 мм. В табл.4.4 приведены результаты расчета для воздушного зазора 1-1,5 мм. Очевидно, что генератор беспазовой конструкции малочувствителен к величине ''физического" воздушного зазора и гораздо более чувствителен к высоте обмоточного слоя и высоте магнита.

Влияние высоты обмоточного слоя (высоты катушки h_к) отражено в вариантах 3, 4, 6 табл.4.4 и наглядно представлено на pис.4.5, из которого следует, что обмотку желательно проектировать в один слой по высоте. Несмотря на то, что при малой высоте катушки выбрана большая плотность тока, тем не менее, наблюдается некоторый рост КПД ветрогенератора.

Из табл.4.4 также следует, что машина получается более легкой при большей полюсности (см. вариант 2). Однако при большой полюсности увеличивается поле рассеяния магнита, что приводит к уменьшению потокосцепления и ЭДС обмотки якоря, а в итоге к увеличению габаритов и массы.

Величина коэффициента рассеяния и распределение потока и индукции в магнитопроводе были оценены с помощью численного полевого расчета для беспазовой конструкции генератора. Распределение поля для первого варианта (табл.4.4) беспазового обращенного генератора в режиме холостого хода представлено на рис.4.6. Сталь ротора и статора - 2412. Коэффициент заполнения стали - 1. Характеристика магнитов при температуре 60 °С: В_r = 1,028 Тл; Н_с = 809,2 кА/м. МДС катушки Iw_K = 36,7 А.

Таблица 4.4

Варианты беззубцовых генераторов обращенной конструкции для n=100 об/мин

№ варианта
Выходная мощность, Вт
Напряжение постоянного тока, В
Ток в цепи постоянного тока, А	6,4	6,3	6,33	6,46	6,6	6,5
Число фаз
Число полюсов / катушек статора	60/90	60/90	30/45	30 / 45	30/45	30/45
КПД	0,72	0,73	0,70	0,71	0,73	0,74
Частота тока, Гц
Ток фазы, А	5,23	5,14	5,17	5,27	5,38	5,3
Напряжение фазы, В	11,1	11,1	11,1	11,1	11,1	11,1
Момент на валу, Нм	20,4	19,8	20,9	20,8	20,7	21,3
Плотность тока, А/мм	3,74	3,73	3,73	2,89	2,89	4,16
Линейная нагрузка, А/мм	13,2	12,7		16,2	16.5	7,47
Температура обмотки, °С
РАЗМЕРЫ
Внешний диаметр ротора, мм
Диаметр расточки ротора, мм
Диаметр пакета статора, мм		269,8	263,8	259,6	255,6
Внутренний диаметр статора, мм					245,6
Угловой размер ширины магнита,^0
Угл. размер ширины стороны кат.,°
Высота ярма ротора, мм
Высота магнита, мм
Воздушный зазор, мм	1,5
Высота катушки, мм	3,0	3,1	3,1	5,2	5,2	1,5
Высота ярма статора, мм		4,9	6,9	6,8
Длина сердечников, мм
ОБМОТОЧНЫЕ ДАННЫЕ
Число витков в катушке
Коэффициент заполнения медью	0,598	0,556	0,568	0,552	0,56	0,602
Диаметр_ провода, мм	1,32/1,405	1,32/1,405	1,32/1,385	1,5/1,585	1,5/1,585	1.25/1,33
Активн. сопротивление фазы, Ом	0,583	0,535	0,659	0,625	0,56	0,509
Индуктивность фазы, мГ	0,1	0,1	0,33	0,47	0,35	0,155
ИНДУКЦИЯ в зазоре, Тл	0,46	0,5	0,54	0,45	0,54	0,65
ярме статора, Тл	0,19	0,42	0,67	0,56	0,88	1,25
ярме ротора, Тл	0,56	1,0	1,0	0,85	1,55	1,76
МАССА обмотки, кг	1,44	1,32	1,62	2,57	2,3	1,01
магнитов, кг	2,7	2,45	2,4	2,33	3,17	3,175
ярма статора, кг	4,35	2,18	2,97	2,8	1,69	2,91
ярма ротора, кг	5,6	2,47	3,92	3,8	2,38	3,86
активных частей, кг	14,1	8,42	10,91	11,5	9,55	10,95
ПОТЕРИ в обмотке, Вт
в стали статора, Вт	0,3	0,8	1,2	0,8	1,2	4,09
механические, Вт	1,2	1,3	1,2	1,2	1,16	1,3
в выпрямителе, Вт
суммарные, Вт

Рис. 4.5.

Рис. 4.6. Поле в беспазовом вентильном генераторе в режиме ХХ (вар.1 табл.4.4)

Расчеты показали, что полный поток магнита (у основания) 0,009357 Вб/м; поток на поверхности магнита у зазора 0,00619 Вб/м; магнитный поток полюсного деления на средней линии по высоте катушек 0,00415 Вб/м; поток полюсного деления на поверхности пакета статора 0,00376 Вб/м; поток в ярме статора 0,00188 Вб/м; потокосцепление катушки на 1 виток 0,00413 Вб/(м-виток). Итак, коэффициент рассеяния равен 0,009357/0,00413=2,26.

На рис.4.7 изображена картина поля для третьего варианта генератора табл. 8. Здесь полный магнитный поток у основания магнита 0,01658 Вб/м; поток на поверхности магнита у зазора 0,01387 Вб/м; поток полюсного деления на средней линии по высоте катушек 0,01266 Вб/м; поток полюсного деления на поверхности пакета статора 0,01238 Вб/м; поток в ярме статора 0,006202 Вб/м; потокосцепление катушки на 1 виток 0,01203 Вб/(м виток). Таким образом, коэффициент рассеяния магнита 0,01658/0,01203=1,38.

Из приведенных данных видим, что в 30-полюсной конструкции генератора поле рассеяния магнитов составляет лишь 38 % от рабочего потока, в то время как в 60-полюсной - 126 %, т.е. на 26 % больше рабочего и больше половины от полного потока.

Однако, как видно из табл.4.4 и рис.4.6 и 4.7, недостаток 30-полюсной конструкции - большая высота ярм статора и ротора, а значит и масса стали. Надо полагать, что оптимум должен находиться где-то между 30-полюсной и 60-полюсной конструкциями.

Рис. 4.7. Поле в беспазовом вентильном генераторе в режиме ХХ (вар.3 табл.4.4)

Варианты 4 и 5 табл.4.4 показывают, что увеличение высоты магнита с 6 до 10 мм дает некоторое повышение КПД (до 73 %), но это достигается ценой существенного увеличения массы магнитов. Более дешевый вариант находится, по-видимому, между 5-м и 6-м вариантами, состоящий в одновременном уменьшении высоты магнита и обмоточного слоя так, чтобы было наименьшее понижение индукции в воздушном зазоре. Примером такого соотношения является вариант 2 в табл.4.1, показавший высокий КПД (82 %).

На рис.4.7 показана внешняя характеристика 2-го варианта генератора по табл.4.4, который имеет наименьшую массу из всех вариантов табл. 8 и промежуточный КПД 73 %. Показатели этого варианта достаточно близки к показателям первого варианта табл.4.1 при вдвое большем зазоре.

Рис. 4.8.. Внешняя характеристика 2-го варианта генератора по табл.4.4

Таким образом, предварительные расчеты показали, что для варианта беспазовой конструкции обращенного исполнения генератора может быть получен КПД около 82 %, что незначительно меньше, чем генератора с зубцовой обмоткой на статоре. При этом масса активных частей беспазового генератора составляет около 10 кг.

Полное отсутствие зубцовых моментов, оказывающих тормозное действие при трогании, позволяют выбрать эту конструкцию генератора за основу для дальнейшего проектирования.

Тем не менее, следует отметить, что максимальная мощность беззубцовой конструкции имеет гораздо более низкий предел, чем зубцовой, и, по-видимому, генераторы мощностью более 10 кВт, потребуется проектировать на основе машин с зубчатой структурой статора.

По результатам проделанной работы можно отметить следующее:

1) Ограничениям по массе, габаритам и минимальному КПД при низкой частоте вращения ротора, заданным в техническом задании, в наибольшей степени удовлетворяет синхронная машина с возбуждением от постоянных магнитов.

2) Условия размещения генератора в составе ветроэнергетической установки вихревого типа обуславливают выбор обращенной конструкции синхронной машины, в которой статор находится внутри вращающегося ротора.

3) Сравнение показателей вентильных генераторов с зубцовой и беспазовой конструкцией статора показало следующее:

- по энергетическим показателям и габаритам более предпочтительной является конструкция с зубцовым статором, в котором обмотка располагается в отведенных для нее пазах;

- требованию по минимизации момента трогания на уровне (0,1÷0,2) Нм отвечает вентильный генератор с беспазовой конструкцией статора; применение зубцового статора при заданных требованиях становится практически неприемлемым в силу значительных трудностей их обеспечения.

4) Синхронные машины с беспазовой конструкцией статора имеют значительный суммарный немагнитный зазор, включающий в себя рабочий воздушный зазор и высоту токового (обмоточного) слоя. Для обеспечения необходимых значений магнитной индукции в воздушном зазоре требуется использование высококоэрцитивных постоянных магнитов типа «ниодим-железо-бор».

5) В качестве базового варианта магнитной цепи был выбран вариант с классическим расположением магнитов (тип «звездочка»), отличающийся простотой. Применение более сложных магнитных систем с расположением магнитов, позволяющих сконцентрировать магнитный поток в воздушном зазоре и повысить КПД, приведет к повышению массы ротора, увеличению расхода магнитов, усложнению конструкции и повышению стоимости гене­ратора.

6) Проведенные расчеты генераторов с числом пар полюсов 30 и 60 показали, что при уменьшении числа пар полюсов уменьшаются потери на перемагничивание и коэффициент рассеяния. Однако, при этом для проведения магнитного потока требуется большая толщина спинки статора и ярма ротора и большая длина лобовых частей секций обмотки. При прочих равных условиях КПД получается выше у 60-полюсной конструкции статора.

7) Высота магнитов (по линии намагниченности) и высота токового слоя влияют на коэффициент рассеяния магнитного потока и ЭДС холостого хода. Более технологичной является конструкция беспазового статора с одним слоем обмотки. При таком варианте обмотки достигается минимальный суммарный немагнитный зазор, требуется меньшая высота магнитов, обеспечивается меньший коэффициент рассеяния. Однако, уменьшение числа витков в фазе, получающееся при переходе на однослойную обмотку требует для получения заданной ЭДС (выпрямленного напряжения) увеличения активной длины машины и приводит к увеличению массы генератора, с учетом массы его конструктивных элементов.

8) Толщина ярма ротора и спинки статора выбиралась исходя из получения приемлемых значений магнитной индукции. Уточнение толщины этих элементов магнитопровода и их конструкции будет производиться с позиций выполнения требований по механической прочности и технологичности конструкции.

9) Основными потерями в проектируемых генераторах являются потери в меди, а также потери в выпрямителе, определяемые фазными токами. Зависимости КПД и выходной мощности от нагрузки показывают, что получение высокого КПД возможно лишь при создании генераторов со значительной перегрузочной способностью.

10) Исследования выходных показателей вентильных генераторов в широком диапазоне изменения параметров показали, что заложенные технические требования выполняются с трудом. Выполнение требований по КПД и массе достигается в ряде случаев за счет усложнения технологичности и надежности конструкции генератора.

4.2. Система измерения и регистрации энергетических параметров ВВЭУ при испытаниях.

Для автоматизации измерений в процессе испытаний ветрогенератора и ветроустановки используется измерительная система на базе аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), работающего в одной сети с IBM-совместимым персональным компьютером. Структурная схема такой системы показана на рис.4.9.

Рис. 4.9.

Аналоговые сигналы, поступающие с датчиков, в АЦП преобразуются в цифровой вид, после чего передаются в компьютер. С помощью стандартного программного обеспечения полученные данные доступны для последующей обработки и изучения.

Аппаратно система измерений реализована на базе современных измерительных приборов производства ПО "ОВЕН", которое в настоящее время является динамично развивающимся отечественным производителем и продукция которого обладает высоким параметром «качество/цена».

Модуль ввода аналоговый МВА8

В качестве АЦП (рис. 4.10) используется измерительный прибор Модуль ввода аналоговый МВА8 производства ПО "ОВЕН", который предназначен для построения автоматических систем измерения, контроля и регулирования различных параметров технологических процессов в промышленности, сельском хозяйстве, коммунальном и других отраслях народного хозяйства.

Основные функции, выполняемые прибором, следующие:

– измерение физических параметров объекта, контролируемых входными первичными преобразователями, датчиками;

– цифровая фильтрация измеренных параметров от импульсных помех;

– коррекция измеренных параметров для устранения погрешностей первичных преобразователей, датчиков;

– формирование аварийного сигнала при обнаружении неисправности первичных преобразователей, датчиков;

– передачу компьютеру информации о значениях измеренных датчиками величин, полученных после преобразования этих величин;

– изменение значений его программируемых параметров с помощью программы конфигурирования;

– сохранение заданных программируемых параметров в энергонезависимой памяти при отключении напряжения питания МВА8;

– снятие показаний датчиков положения (резистивного и токового типа) и контактных дискретных датчиков.

В качестве входных датчиков МВА8 могут быть использованы:

– термопреобразователи сопротивления;

– термопары (преобразователи термоэлектрические);

– активные преобразователи с унифицированным выходным сигналом тока 0... 5 мА, 0(4)... 20 мА или напряжения –50...+50 мВ, 0... 1 В;

– датчики положения исполнительных механизмов;

– сухие контакты реле или выключателя.

Прибор имеет 8 каналов измерения и даёт возможность использовать до 8 различных датчиков одновременно. Единственное ограничение при проведении измерений заключается в том, что опрос датчиков и обработка их сигналов измерительным устройством прибора, осуществляется последовательно по замкнутому циклу, причём минимальная скорость опроса одного канала составляет 0,3 сек. Следовательно, если задействованы все датчики, то регистрировать показания какого либо одного параметра возможно не чаще чем через 8х0,3=2,4 сек., что приемлемо при регистрации не быстрых процессов.

При использовании количества датчиков меньшего, чем 8, лишние (или временно не используемые) каналы программно можно не опрашивать, и тогда, соответственно, частота регистрации остальных параметров увеличится.

Прибор может быть использован одновременно для работы с различными типами датчиков – термопреобразователями сопротивления, датчиками скорости, давления, тока и т.п.

В приборе МВА8 предусмотрен обмен данными между несколькими устройствами по протоколу RS-485, поэтому для того, что бы объединить прибор в единую сеть с компьютером (в котором удобно регистрировать и обрабатывать результаты измерений) необходимо использовать переходник-адаптер для преобразования сигналов устройств с интерфейсом RS-485 в сигналы, предназначенные для ведущего устройства с интерфейсом RS-232 (СОМ-порт компьютера).

В нашем случае для этой цели используется адаптер сети АС3 (рис. 4.9) производства ПО "ОВЕН", который представляет собой двунаправленный преобразователь сигналов интерфейсов RS-232 и RS-484.

Измерение скорости и направления ветра.

Для измерения скорости и направления ветра в данной измерительной системе используется датчик ветра малогабаритный ДВМ (рис. 4.9). Чувствительными элементами ДВМ являются лопастная вертушка и флюгер. Данный прибор преобразует скорость и направление ветра в частоту следования и фазовый сдвиг последовательностей электрических импульсов. В комплекте с устройством, согласующим токовым УСТ (рис. 4.9) датчик позволяет подавать на вход МВА8 стандартные токовые сигналы 0-5 мА или 4-20 мА, причём по скорости и по направлению ветра в отдельности.

Датчик ветра малогабаритный ДВМ традиционно используется во многих отечественных метеостанциях, метеоприборах и зарекомендовал себя как надёжный прибор. Производит ДВМ и УСТ ФГУП "Сафоновский завод "ГИДРОМЕТПРИБОР" (Смоленская область, г.Сафоново).

Основные технические характеристики датчика ветра ДВМ следующие:

Диапазон преобразования датчика по скорости ветра, (м/с).	от 0,6 до 60
Диапазон преобразования датчика по направлению ветра, (°).	от 0 до 360
Чуствительность датчика при измерении скорости ветра, (м/с),	0,5
Чуствительность датчика при измерении направления ветра, (°).	1,2
Предел допускаемой погрешности при измерении скорости ветра, где V-скорость ветра, (м/с).	±(0,3+0,04V)
Предел допускаемой погрешности при измерении направления ветра, (°).	±6
Потребляемая мощность для 1 серии импусьсов, (Вт).	не более 0,1
Питание датчика от источника постоянного тока напряжени, (В).
Габаритные размеры, (мм).	380х194х412
Масса датчика, (кг).	не более 2
Условия эксплуатации
температура, (°C).	от -50 до +50
относительная влажность воздуха, (%).	до 98

Измерение мощности.

Наряду со скоростью ветра вторым из основных измеряемых параметров, необходимых для исследования ветроустановки является электрическая мощность, выделяемая на нагрузке ветрогенератора. При заведомо известной активной нагрузке удобно производить замеры тока в цепи нагрузки, а затем вычислять мощность как произведение квадрата тока на сопротивление нагрузки.

При этом методе измерений возможно возникновение погрешности связанной с нагревом нагрузочного элемента и увеличением его омического сопротивления, особенно при длительном прохождении тока через нагрузку. В результате этого явления измеренная мощность может оказаться меньше действительной. Для решения этой проблемы необходимо использовать нагрузочные элементы большой мощности, либо нагрузочные элементы на основе константана или манганина, чьё удельное сопротивление велико и очень слабо зависит от температуры.

Для измерения тока существует большое количество разнообразных устройств, таких как датчики тока, трансформаторы тока, токоизмерительные клещи и др. Для проведения измерений в стационарных условиях целесообразно использовать недорогие и достаточно точные трансформаторы тока монтируемые на печатной или монтажной плате в щитке с измерительной аппаратурой. Существуют модели, которые представляют собой трансформаторы тока и измерительные преобразователи в одном устройстве. Они наиболее удобны в системах измерений, требующих стандартные входные сигналы постоянного тока 4...20 мА.

К недостаткам таких датчиков следует отнести необходимость внешнего питания, что, в прочем, не очень критично в лабораторных условиях.

Одним из мировых лидеров в производстве таких приборов является фирма LEM (Швейцария). Официальным дилером фирмы LEM в России является Тверская компания «ТВЕЛЕМ».

Измерение температуры.

Для телеметрического измерения температуры широко применяются термопреобразователи сопротивления. Принцип действия таких датчиков основан на существовании у ряда металлов сильной и стабильной зависимости активного сопротивления от температуры. В нашем случае применение такого термопреобразоателя особенно удобно, так как модуль ввода аналоговый МВА8 допускает прямое подключение (без каких-либо согласующих устройств и блоков питания) к любому из своих входов такого датчика.

Измерение давления.

Для измерения давления близкого к атмосферному существует ряд стандартных электронных измерителей, различных классов и производителей. Все они различаются по таким параметрам как точность измерений, степень защиты от окружающей среды, климатическое исполнение и т.д. Объединяет их обязательное наличие внешнего питания.

Измерение скорости вращения вала ветрогенератора.

Вспомогательным параметром при исследованиии энергетических характеристик ветроустановки является скорость вращения вала ветрогенератора. Для её измерения необходимо считать количество оборотов вала за единицу времени. Эту задачу позволяет решить счётчик импульсов типа СИ8 производства ПО "ОВЕН", который предназначен для подсчета:

– количества поступающих на его входы импульсов и перевода его в физическую величину (путем умножения на заданный множитель);

– частоты и длительности подаваемых на его входы импульсов.

К входу СИ8 могут быть подключены:

– контакты кнопок, выключателей, герконов, реле и т.п.

– активные датчики, имеющие на выходе транзистор n-p-n–типа с открытым коллекторным выходом.

– другие типы датчиков с выходным напряжением высокого уровня от 2,4 до +30 В и низкого уровня от 0 до 0,8 В

В нашем случае момент трогания ветрогенератора довольно низкий (0,1-1,2 Нм) и с точки зрения чистоты эксперимента использование контактных датчиков (тахогенераторов, пульсаров и других устройств, момент трогания которых соизмерим с моментом трогания самого ветрогенератора) неприемлемо. Прибор СИ8 даёт возможность использовать бесконтактные датчики такие как ёмкостные и фотодатчики, влияние которых на крутящий момент вала пренебрежительно мало или отсутствует вовсе.

В счётчике импульсов СИ 8, как и в модуле ввода аналоговом МВА8 предусмотрен обмен данными между несколькими устройствами по протоколу RS-485, поэтому нет препятствий для интеграции его в измерительную систему (рис. 4.9) с помощью уже имеющегося там адаптера сети АС3.

Дата добавления: 2015-10-21