В диссертационной работе содержатся научно доказанные теоретические положения оптимального проектирования мини-ГЭС, использующие энергетический потенциал малых и средних рек. Основная концепция проведенной научной работы заключается в том, что для эффективного использования малых и средних водных ресурсов необходимо идти не по пути разработки ряда гидрогенераторов, отличающихся по мощности, а проектировать гидрогенераторы для конкретной реки и конкретного места установки мини-ГЭС. Для этой цели была разработана проектная система проектирования таких гидроэлектростанций. В результате расширена существующая теоретическая база по проектированию специальных гидрогенераторов. Решенная техническая задача позволяет внести значительный вклад в развитие отечественного электромашиностроения, играющего важную роль в экономике страны.
На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований автором получены следующие основные результаты:
1. На основании обзора водных ресурсов РФ и ближнего зарубежья в качестве основного конструктивного варианта выбрана мини - ГЭС, которая использует энергию свободного течения воды. Данный выбор обусловлен, в основном, требованиями экологии и эстетики для места расположения станции. Мини - ГЭС состоит из генератора переменного тока, встроенного в него выпрямителя, преобразующего переменный ток в постоянный, накопителя электроэнергии в виде аккумуляторной батареи, инвертора, преобразующего постоянный ток в стандартный переменный. В качестве электрической машины выбран генератор комбинированного возбуждения уникальной конструкции, на которую имеется патент РФ. Выбор типа генератора определяется возможностью регулирования выходного напряжения по цепи возбуждения, что во многом упрощает систему автоматизированного управления мини-ГЭС. Для обеспечения гидроизоляции водопогружного генератора принято решение наполнить его маслом с применением компенсаторов давления.
2. Разработана методика расчета постоянного магнита, учитывающая все особенности магнитных систем вентильных электродвигателей. Данная методика построена на основе метода конечных элементов, но содержит ограниченное наперед заданное количество уравнений, что позволяет включить расчетную математическую модель в большое число оптимизационных циклов. Расчетная модель параметризована и может рассчитывать магниты любых габаритов. На основе данного подхода разработана инженерная методика расчета постоянного магнита.
3. Разработана математическая модель расчета ВГКВ. В математической модели определены основные аналитические зависимости между электромагнитными величинами, константы, технологические и эксплуатационные ограничения, независимые переменные. Формализованы показатели качества. Математическая модель реализована в программной среде Delphi и является основой для разработки системы оптимального проектирования ВГКВ.
4. Разработана подсистема синтеза оптимальной геометрии ВГКВ. Основу ее составила многоуровневая однокритериальная оптимизация, при этом в зависимости от проектной ситуации имеется возможность выбора заданных критериев. Формализованы 8 уровней оптимизации геометрии ВГКВ. Для каждого уровня определена система констант, ограничений, независимых переменных и критериев оптимальности. С учетом выбора различных критериев система позволяет реализовать до 12 проектных ситуаций, закрывая практически все потребности реального проектирования ВГКВ данной конструкции.
5. Разработана подсистема анализа проектной системы. Подсистема анализа включает в себя оценку электромагнитного состояния и оценку теплового состояния гидрогенератора. В основу подсистемы анализа положены разработанные и проверенные на практике CAD программы, реализующие метод конечных элементов. Подсистема анализа связана с подсистемой синтеза общей оболочкой и входит в общую проектную систему по созданию гидрогенераторов данного типа. При работе подсистемы анализа в автоматическом режиме создается трехмерная твердотельная модель генератора и электронная система управления. Модель электромагнитного анализа является цифровым двойником реального образца и электроники.
6. Разработанная подсистема теплового анализа реализована в два этапа. На первом этапе используется метод тепловых схем замещения, на основании которого определяются усреднённые температуры нагрева частей гидрогенератора. На втором этапе применена CAD система Ansys Icepak, реализующая метод конечных элементов. Для построения тепловой модели второго этапа решается связанная электромагнитная и тепловая задача. В результате рассчитывается поле температур с учетом локальных перегревов.
7. Доказана работоспособность и эффективность работы проектной системы при разработке конкретной мини - ГЭС для реки Искандердарья (Таджикистан). С помощью системы определена оптимальная геометрия и основные параметры и характеристик мини - ГЭС, состоящей из 4 гидрогенераторов. Результаты работы проектной системы легли в основу разработки опытного образца гидрогенератора 3 кВт, 220 В, 350 об/мин. Создана трехмерная твердотельная модель гидрогенератора по которой сделан комплект конструкторской документации и изготовлены основные сборочные единицы.
8. Метод расчета постоянного магнита, методика расчета электрической машины комбинированного возбуждения внедрены в учебный процесс при подготовке бакалавров по направлению 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника в курсе «Проектирование специальных электрических машин».
Дальнейшее развитие данного научного исследования возможно в следующих основных направлениях:
• расширение возможностей созданной проектной системы в плане включения в нее других конструкций генераторов, в том числе генераторов комбинированного возбуждения нормального исполнения, магнитоэлектрических генераторов с постоянными магнитами;
• дополнение данной проектной системы гидравлическими расчетами, которые позволят более точно рассчитывать гидравлические потери в турбине гидрогенератора;
• дополнение проектной системы функциями создания трехмерных твердотельных моделей в автоматическом режиме для автоматизации конструкторских работ.
В перспективе данная конструкторская система должна составить основу сквозного проектирования мини-ГЭС данного типа.

Купить