научная статья по теме ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ МОБИЛЬНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ МОБИЛЬНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ»

№ 3

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2010

УДК 621.313.12

© 2010 г. ЖЕЛОКОВА М.З., МАКСИМОВА И.Ф.

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ МОБИЛЬНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Рассмотрены варианты электрических генераторов, предназначенных для питания мощных энергоемких нагрузок через емкостной или индуктивный накопители энергии для мобильных источников питания. Дана оценка предельных мощност-ных показателей мегаджоульных высокооборотных машин, полезная при разработке технического задания на создание соответствующих машин и на их основе форсированных источников питания нестандартных потребителей.

Рассмотрен вопрос оптимального выбора типа электрической машины для мобильного источника питания импульсной мощной электрической нагрузки в условиях жестких массогабаритных ограничений. Потребность в таких источниках питания может определяться местом расположения потребителей (удаление от сети, не постоянное место дислокации и т.п.) и особенностями конкретного типа импульсной нагрузки (резко повышенные значения тока, напряжения, нестандартность графика нагрузки), обуславливающие невозможность (или нецелесообразность) питания ее от стационарной сети.

Такие источники энергии могут быть созданы на базе электрогенераторов кратковременного действия (ГКД), питающих нагрузку через индуктивный (ИН) или емкостной (ЕН) накопители энергии. В данной работе выполнен анализ особенностей исполнения различных типов ГКД с повышенными характеристиками использования, параметры которых в наибольшей степени соответствуют конкретному типу нагрузки. Рассматриваются машины мегаваттного диапазона мощностей, напряжения порядка нескольких киловольт, предназначенные для обеспечения многократной зарядки накопителей энергии в несколько мегаджоулей в течение нескольких секунд с последующей длительной нерабочей паузой.

Условия работы генератора в составе мобильной установки питания энергоемких нагрузок отличаются от стандартных, характерных для обычных электрических машин. Специфические особенности — экстремально высокие требования к энергетическим характеристикам и показателям использования на фоне заниженных требований к ресурсным характеристикам. ГКД работает в режиме кратковременных циклических нагрузок с достаточно долгой нерабочей паузой.

При оптимальном проектировании это позволяет существенно снизить массогаба-ритные показатели машины. Основные пути уменьшения массы M электрической машины мощностью S — повышение ее частоты вращения n и интенсификация электромагнитных нагрузок (линейных нагрузок A, магнитных индукций B, плотности тока в обмотках j). Это вытекает из общеизвестной зависимости характерных размеров активной зоны генератора (диаметра статора D и его активной длины la) от электромагнитных нагрузок, частоты вращения и расчетной мощности S [1]. С некоторой оговоркой, как показано ниже, приведенная масса оптимизированной машины m = M/S падает по мере роста частоты вращения и интенсификации нагрузок. В анализируе-

мом случае повышение частоты вращения (и частоты тока) ввиду автономности источника питания легко реализуемо; увеличенный уровень нагрузок допустим ввиду кратковременного режима нагрузки и заниженных требований к ресурсу работы установки С.

При разработке мощных высокофорсированных генераторов необходимо учитывать ограничения, связанные с предельно допустимыми частотами вращения (ятах и Кшах) и уровнем электромагнитных нагрузок (Атах, Ятах, ,/тах). Наличие этих ограничений обуславливает величину минимальной приведенной массы штЬ, которую можно достичь в оптимально спроектированном ГКД [2].

Предельное значение окружной скорости ротора Утах = 80^300 м/с. Конкретная ее величина зависит от типа машины, материала ротора, характера нагрузки и определяет предельно допустимую величину диаметра Б.

Ограничения на величину электромагнитных нагрузок определяют выбор предельных значений Атах, Ятах, утах. В зависимости от мощности и частоты вращения линейная нагрузка в ГКД может достигать значений Атах = (5—20) • 104 А/м (меньшие значения относятся к большим частотам вращения и меньшим мощностям).

Индукция в зазоре В8тах = 0,6^1 Тл определяется маркой электротехнической стали, типом исполнения машины и не может быть существенно увеличена из-за чрезмерного насыщения стали.

Рассмотрим ограничения, накладываемые на величину плотности тока в обмотках у. В форсированных ГКД выбор сечения активных проводников производится таким образом, чтобы к окончанию рабочего периода длительностью Д? температура обмоток генератора достигала предельно допустимого значения для данного класса изоляции. Для уменьшения массогабаритных характеристик ГКД может быть реализован в термоинерционном варианте. Температуры проводников при этом рассчитываются из условия адиабатического нагрева. В результате получаем зависимость предельно допустимой плотности тока утах от требуемой длительности рабочего периода Д? и заданного ресурса работы С в виде [3]

Ута* ~ {[1 + ^1еХР(1 - ^2еХРС)](1/Д?)}0'5- (1)

С помощью (1) можно оценить минимальную приведенную массу шт1п генератора мощностью с предельной степенью использования и соответствующую ей максимально допустимую частоту вращения птах

ШтЬ ~ [¿7^ ЯЛах)3]0'5 ~ ((2)

Птах ~ ^'ах [(Атах Я5//Б)/^]Ч (3)

Из (2), (3) следует, что с ростом требуемой мощности в машинах с предельными нагрузками предельно допустимая частота вращения итах падает; причем при превышении этого значения масса машины штЬ может даже увеличиваться. Или, чем быстроходнее машина, тем меньше ее предельная мощность ¿пр

¿пр ~ (АтахЯХ^ах/«ш ах )№ (4)

Для минимизации массогабаритных характеристик мобильной установки энергопитания предпочтителен вариант безредукторного соединения генератора с приводной высокооборотной турбиной. Но согласно (4), это может оказаться не оптимальным для генератора значительной мощности (порядка нескольких десятков мега-вольт), так как высокая частота вращения турбины не позволяет обеспечить создание требуемой машины. В то же время, при меньшей мощности (~1 МВт) указанные ограничения не препятствуют созданию ГКД с прямым соединением с приводной турбиной.

В соответствии с изложенным, ниже приведены сведения об уже созданных ГКД и результаты оценочных расчетов перспективных машин различных типов исполнения с учетом требований нагрузки.

Ряд потребителей заинтересован в мощных мегаамперных импульсах тока при относительно невысоком напряжении, это могут быть электрические магнитные диполи, используемые в геофизических исследованиях [4]. Максимальные показатели вероятного нагрузочного режима: 100 МДж, Д? = 5^10 с при длительности паузы до 600 с, максимальная мощность 10 МВт при напряжении до 4 кВ.

Их питание можно обеспечить с помощью индуктивного накопителя, питаемого от ударного униполярного генератора (УУГ). УУГ характеризуются при невысоком выходном напряжении большим разрядным током, что позволяет упростить конструкцию ИН. Питание нагрузки осуществляется замыканием на нее якорной цепи при одновременном отключении привода. При этом кинетическая энергия вращающихся масс преобразуется в электромагнитную с пиковой мощностью, намного превышающей мощность привода. С помощью УУГ могут генерироваться одиночные импульсы сильного тока и их небольшая серия. К достоинствам УУГ следует отнести простоту конструкции (из-за малого количества деталей), большую перегрузочную способность, объясняемую отсутствием обмотки и изоляции на якоре, хорошие удельные массогабаритные показатели, удобство регулирования выходных параметров. Недостатком является то, что УУГ принципиально нельзя создать в бесконтактном варианте исполнения, т.е. необходимо создание громоздкого узла скользящего токосъема мегаамперных токов при высоких окружных скоростях. Поэтому в УУГ целесообразно применять сверхпроводящие обмотки возбуждения, в т.ч. и с использованием явления высокотемпературной сверхпроводимости, что позволяет снизить массогабаритные показатели, повысить мощность и напряжение генератора [5].

В табл. 1 приведены примеры использования мощных УУГ в установках с ИН. В Техасском университете использовали компактный УУГ с коаксиальным ИН для питания электромагнитной пушки [6]. В опыте короткого замыкания с его помощью был генерирован ток до 1 МА, выделенная в нагрузку энергия составила 4,7 МДж, масса генератора — 0,032 кг/кВт (поз. 1, табл. 1).

Создан УУГ с ферромагнитопроводом с запасенной энергией 10 МДж при максимальном токе 1,5 МА и частоте вращения 12500 об/мин. Генератор предназначен для работы на криогенный ИН (поз. 2, табл. 1) [7].

Разработаны облегченные варианты конструкции УУГ, совмещенного с ИН без ферромагнитопровода. В частности, в США был создан УУГ такого типа с двумя дисковыми якорями с частотой вращения 18000 об/мин (поз. 4, табл. 1) [8].

В России были созданы макетные образцы УУГ (поз. 3, 5, табл. 1) [5, 9].

Есть информация об УУГ 500 В со сверхпроводящей обмоткой возбуждения, спроектированном в США [10]. Он не имеет ферромагнитопровода; четырехдисковый ротор запасает энергию 3,25 МДж (поз. 6, табл. 1).

Приведенная информация подтверждает возможность использования ИН в качестве первичного источника мегаджоульной импульсной энергии. Особый интерес представляет вариант криогенного генератора с обмоткой возбуждения, являющейся одновременно ИН.

Выполненные при участии авторов предпроектные разработки показывают, что при применении материалов с улучшенными характеристиками (предел текучести материала ротора 120 кг/мм2, плотность тока под щетками 50 МА/м2, линейная скорость до 400—500 м/с) в оптимально спроектированном УУГ можно достичь показателей удельной энергии, подводимой к нагрузке ~6,5 МДж/т [2].

Ограничением области применения УУГ является то, что они не обеспечивают высокого напряжения. Однако существует широкий спектр потребителей, нуждающихся в высоковольтном мегаджоульном импульсном источнике питания. В частности, на протяжении ряда лет проводятся исследования в области создания электрических ускорителей тел, для которых необходим высокий уровень энергии ~10 МДж с током

Ударные униполярные генераторы для питания индуктивных нак

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком