Статья поступила в редакцию 23.10.14. Ред. per. № 2125
The article has entered in publishing office 23.10.14. Ed. reg. No. 2125
УДК 621.313.84
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОЙ
УСТАНОВКИ
12 3
С.Д. Ваулин , С. А. Ганджа , A.C. Мартьянов
Южно-Уральский государственный университет
РФ 454080, Челябинск, пр. Ленина,76 'тел.: (351) 265-65-05; e-mail: s.d.vaulin@susu.ac.ru 2тел.: (351) 267-92-51; e-mail: gandja_sa@mail.ru 3тел.: (351) 267-98-94; e-mail: martyanov_as@mail.ru
йо1: 10.155Wisjaee.2014.19.003
Заключение совета рецензентов: 29.10.14 Заключение совета экспертов: 05.11.14 Принято к публикации: 12.11.14
В настоящее время усилия ряда зарубежных производителей направлены на разработку и внедрение энергетических газотурбинных установок для генерации электрической и тепловой энергии. Особенностью таких установок является высокая частота вращения вала турбины, служащей для привода электрического генератора. Традиционные конструкции генераторов при работе на высоких частотах вращения имеют высокие магнитные потери, что приводит к снижению эффективности преобразования, поэтому для газотурбинной установки должна быть разработана специальная электрическая машина, реализующая стартерный и генераторный режимы. Одним из возможных вариантов, удовлетворяющих требованиям к конструкции, может быть вентильная электрическая машина с возбуждением от постоянных магнитов. В статье рассматриваются различные типы электрических машин для применения в высокоскоростных турбинах, описывается способ преобразования электрической энергии в установке, исследуется возможность применения вентильных электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов в газотурбинных энергетических установках. Предлагается вариант применения вентильной электрической машины с радиальным магнитным потоком, приводится описание прототипа, перечисляются такие характеристики разработанной электрической машины, как крутящий момент, выходная мощность и КПД в зависимости от нагрузки генератора.
Ключевые слова: вентильные электрические машины, синхронные электрические машины с возбуждением от постоянных магнитов, генератор газотурбинной установки.
ALTERNATOR FOR TURBINE ENGINE POWER STATION
12 3
S.D. Vaulin , S.A. Gandja , A.S. Martyanov
South Ural State University, 76 Lenina Av., Chelyabinsk, 454080 Russian Federation 'ph.: (351) 265-65-05; e-mail: s.d.vaulin@susu.ac.ru 2ph.: (351) 267-92-51; e-mail: gandja_sa@mail.ru 3ph.: (351) 267-98-94; e-mail: martyanov_as@mail.ru
Referred 29 October 2014 Received in revised from 5 November 2014 Accepted 12 November 2014
At the present time many of the foreign companies spend a lot of efforts for development and production of electric and heat generating power stations based on gas turbine engines. Main feature of such stations is a high speed of turbine driving shaft that allows reducing the size and mass of electric generator. However, typical well-known generators when operating at high speed have large magnetic losses that reduce efficiency of power station. This reason makes a demand for a special high-speed alternator which can operate in turbine engine power station providing starter and generator modes. The article presents the research in choosing the permanent magnet synchronous generator comparing with other types of electric machines for using in power stations based on gas turbine engines. The flowchart of electrical power conversion in the power station is described. Based on presented analysis, a prototype of
# iSllii
alternator with radial magnetic gap was built; characteristics of prototype like mechanical torque, output voltage and power, efficiency depending on load are shown.
Keywords: brushless DC motors, permanent magnet synchronous generators, alternator for turbine engine power station.
Ваулин Сергей Дмитриевич Vaulin Sergey Dmitrievich
Сведения об авторе: доктор технических наук, член-корреспондент Российской академии ракетных и артиллерийских наук, профессор кафедры «Двигатели летательных аппаратов» ЮжноУральского государственного университета, г. Челябинск.
Образование: кафедра «Двигатели летательных аппаратов» факультета «Двигатели, приборы и автоматы» Челябинского политехнического института; в 2000 году защитил докторскую диссертацию и был избран заведующим этой кафедрой.
Область научных интересов: математическое моделирование процессов в низкотемпературных твердотопливных газогенераторах и энергетических установках.
Публикации: более 150.
Information about the author: PhD, Corresponding Member of Russian Academy of Rocket and Artillery science, Associate Professor of department of Aircraft and Rocket Engines in South Ural State University, Chelyabinsk.
Education: Chelyabinsk Polytechnical Institute, Aerospace faculty, department of Aircraft and Rocket Engines.
Area of researches: mathematical modelling of low temperature solid fuelled engines.
Publications: more than 150.
M, луV.
- С -
'ДО
Й 4é
Ганджа Сергей Анатольевич Gandja Sergey Anatolyevich
Сведения об авторе: доктор технических наук, профессор кафедры теоретических основ электротехники Южно-Уральского государственного университета, г. Челябинск.
Образование: кафедра «Электрические машины и аппараты» Челябинского политехнического института, очная аспирантура и докторантура этой кафедры.
Область научных интересов: разработка электроприводов на базе вентильных электрических машин.
Публикации: более 50.
Information about the author: PhD, Associate Professor of department of theoretical electro technics in South Ural State University, Chelyabinsk.
Education: Chelyabinsk Polytechnical Institute, Power Engineering faculty, department of electric machines and apparatus.
Area of researches: electromechanical drivers based on permanent magnet synchronous machines.
Publications: more than 50.
c о
Î /
Мартьянов Андрей
Сергеевич Martyanov Andrey Sergeevich
Сведения об авторе: инженер кафедры электротехники и возобновляемых источников энергии Южно-Уральского государственного университета.
Образование: Южно-Уральский государственный университет, приборостроительный факультет в 1997 г. по специальности «Конструирование и производство радиоэлектронных средств».
Область научных интересов: возобновляемая энергетика, ветроэнергетические установки, системы генерации, преобразования и использования электрической энергии.
Публикации: более 20.
Information about the author: engineer of department of electricity and renewable energy at South Ural State University; involved in research and design of electric and electronic devices for small electric power stations.
Education: South Ural State University in 1997, Electronic Engineering faculty, department of Designing and Technology of Electronic Devices.
Area of researches: renewable energy, power electric and electronic, generation, distribution and utilization of electric power.
Publications: more than 20.
-О
N
iSJJIll
№ 19 (159) 2014
Введение
С конца 90-ых годов усилия ведущих зарубежных производителей энергетических установок были направлены на разработку серии газотурбинных установок малой мощности от 20 до 500 кВт с электрическим КПД более 30%. Эти турбины являются новейшим типом энергетических установок, которые используются для генерации электрической и тепловой энергии [1, 2]. Они могут применяться, например, для обеспечения аварийного электроснабжения, когда длительность эксплуатации относительно мала и существенны другие факторы, такие как легкость монтажа и технического обслуживания [3-5].
Особенностью газотурбинных установок является высокая частота вращения вала турбины, служащей для привода электрического генератора [6]. Традиционные конструкции генераторов при работе на высоких частотах вращения имеют высокие магнитные потери, что приводит к снижению эффективности преобразования, поэтому для газотурбинной ус -тановки должна быть разработана специальная электрическая машина [7].
Электрическая машина представляет собой обратимое устройство, то есть она может работать как в
режиме двигателя, так и в режиме генератора. Поэтому оптимальным вариантом с точки зрения получения высоких удельных энергетических показателей является использование одной электрической машины, реализующей стартерный и генераторный режимы. Так как для генераторного режима требуется большая мощность, то габариты и масса электрической машины будут определяться именно этим режимом [8]. Для стартерного режима электрическая машина будет иметь избыточные параметры. Таким образом, для электрической части газотурбинной установки следует разработать электрическую машину, реализующую стартерный и генераторный режимы.
Исходя из требований к генераторному режиму в отношении получения номинальной стандартной частоты 50Гц единственным вариантом электрической схемы при частоте вращения ротора 40...100 тыс. об/мин является выпрямление высокочастотного тока непосредственно с генератора со стабилизацией его амплитуды и инвертирование его в переменный ток с требуемой стандартной частотой [9,10]. Схема преобразования электрической энергии представлена на рис. 1.
№ - с -V
с
о
-А--В--С-
К ПОТРЕБИТЕЛЮ 380В/50ГЦ
Рис. 1. Схема преобразования электрической энергии Fig. 1. Flowchart of power conversion in power station
0
■Cd
1
Оценка предлагаемого решения
Высокая частота вращения не позволяет применять конструкции электрических машин с обмотками на вращающейся части, так как центробежные силы не дадут обмоткам удержаться на роторе. Кроме того, в этих условиях токоподвод со скользящими контактами будет работать крайне ненадежно. Поэтому, если выбирать из конструкций машин без обмоток на роторе, остаются следующие варианты: асинхронная машина с короткозамкнутым ротором, синхронная реактивная машина, вентильно-индукторная машина.
На предварительном этапе асинхронная машина с короткозамкнутым ротором была исключена из рассмотрения. Основная причина заключается в том, что для возбуждения асинхронной машины при от-
сутствии внешней сети необходима конденсаторная батарея. Габ
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.