1. Главная
›
2. Архив
›
3. Вестник науки №3 (60) том 4
›
4. Научная статья № 34

  47 просмотров

Гулиев А.П.

  

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ОБМОТОК ВИХРЕВОГО ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА *

  

Аннотация:
в статье предлагается определить геометрические размеры левитационной обмотки и обмотки возбуждения через безразмерные геометрические величины. Расчеты проведены с учетом заданных значений превышений температуры обмоток и геометрических размеров магнитопровода   

Ключевые слова:
температуры обмоток, геометрических размеров, магнитопровода, ветрогенератор, математическая модель, постоянная левитации   

DOI: 10.24412/2712-8849-2023-360-232-240

УДК 621.317

Гулиев А.П.

докторант

Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности

(г. Баку Азербайджан)

 

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ОБМОТОК ВИХРЕВОГО

ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА

 

Аннотация: в статье предлагается определить геометрические размеры левитационной обмотки и обмотки возбуждения через безразмерные геометрические величины. Расчеты проведены с учетом заданных значений превышений температуры обмоток и геометрических размеров магнитопровода.

 

Ключевые слова: температуры обмоток, геометрических размеров, магнитопровода, ветрогенератор, математическая модель, постоянная левитации.

 

Применение левитационной системы в ВВГ требует строгого обес­пе­че­ния тепловой стойкости левитационной обмотки (ЛО) и неподвижной обмотки воз­буждения (OB). Как известно в зависимости от геометрических размеров ЛО, температура последней может достичь настолько большой величины, что ЛО может расплавиться в самом начале движения, не успев дойти до уста­но­вив­шегося положения после подключения ОВ к источнику питания. В нижнем по­ложении ЛО токи обмоток максимальные, т. к. при этом их индуктивности мини­мальные. Поэтому минимальные размеры обмоток должны быть опре­де­ле­ны для минимального положения ЛО.

Основу теоретических вкладов составляют известные выражения для уста­новив­шегося превышения температуры t_y и тепловой интенсивности электро­тер­ми­ческого процесса t_T:

  , (1)

 где a и k_T – соответственно температурный коэффициент сопротивления и коэффициент теплоотдачи; I и r – ток и сопротивление проводника; S_oxл – пло­щадь охлаждения обмотки.

В тепловых расчетах требуется выполнение условия at<1, т.е. необ­хо­димо, чтобы величина S_ox удовлетворяла условию:

 S_oxл >aI²r/k_T или S_oxл > 2P_Тa / λW²k_T ,

где Р_T – сила тяжести JIO; λ - удельная магнитная проводимость рабочего воздушного зазора в зоне перемещения ЛО:

 ;

Здесь обозначения общепринятые и пояснений не требуют [1].

В указанных работах не определены диапазоны изменений численных значений безразмерных величин, хотя они определены через заданный тем­пе­ра­тур­ный перегрев обмотки t=t_доп. Кроме того, полученные аналитические вы­ра­же­ния для безразмерных величин не позволяют их использовать для различных вариантов выполнения обмоток.

Здесь получены аналитические выражения безразмерных величин для двух наиболее распространенных случаев выполнения обмоток:

1) обмотки бескаркасные и теплопередача осуществляется со всех поверхностей обмоток, т. e. S_охл = S_полн

2) обмотки выполнены с каркасом, и теплопередача осуществляется только с боковой поверхности обмоток, т. e. S_охл = S_бок.

 

Тепловой расчет обмоток при полной передачи тепла в окружающую среду.

Как известно, поверхность охлаждения обмоток в общем случае определяется как:

   , (2)

 где S_н и S_вн – наружная и внутренняя площади охлаждения обмотки; h_T – коэффициент, учитывающий степень теплоотдачи внутренней поверх­нос­ти в соответствии с опытными данными.

Для ОВ электромагнитов переменного тока при учете выделения тепла при­нимают h_Т = 0 и S_oxл = S_бок , т. е. учитывается только боковая поверхность обмотки.

В зависимости от конструкции выполнения ОВ и ЛО в расчетах можно принять два варианта [4]:

 S_oxл=S_н +S_вн=S_T+S_бокS_вн =2l_ср(c_об+h_об), (3)

 S_oxл=S_бок =2h_об(a+b+4c_об) = h_об(P_c +8c_об). (4)

Здесь S_Т – торцевая поверхность обмотки; l_ср =2(a+b+2c_об) – средняя дли­на витка обмотки; c_об и h_об – толщина и высота обмотки; P_с =2(a+b) – периметр прямоугольного сечения магнитопровода.

В случае S_охл = S_полн коэффициенты кратности геометрических размеров ОВ и ЛО определяются из выражений:

  , (5)

  , (6)

в которых

  ; (7)

  . (8)

Остальные коэффициенты равны:

; (9)

 ;

Температуры t₁ и t₂ известны. На рис. 1, 2 и 3 приведены расчетные зави­си­мости n_e1=f (m_a, m_c, t) для слу­­чаев S_oxл=S_полн. Они наглядно показывают закономерности изменения коэф­фи­циента n_e1 от изменений безразмерных величин m_a, m_c и температуры t [2].

Рис. 1. Графики зависимости  ( ) для случаев:

 и  ( )

Рис. 2. Графики зависимости  ( ) для случаев:  и  ( )

а)                         б)

Рис.3. График зависимости  ( ) для случая  ( ) (а) и График зависимости ( ) при = ( ) (б)

 

Тепловой расчет обмоток при частичной передаче тепла в окру­жаю­щую среду. В этом случае обмотки выполнены с каркасом, и тепло­пе­редача осуществляется только с боковой поверхности обмоток, т. e. S_охл = S_бок. Тогда согласно (1) – (4) получим:

   (10)

  , (11) где

  ;

  .

В практических задачах может оказаться желательным придать формулам (5-9) и (10) другие формы, удобные для определения и анализа численных зна­чений n_e1 и n_e2. С этой целью принимаем: j₁=j₂; b₂=0,98; n₀₁=n₀₂=1,1 и t_T0=91,6⁰ C.

Для, случая S_oxл=S_полн получим b₂ n₀₁ j₁₂ t_T0=98,7; b₂² n₀₂ t_T0=97,53;

   (12)

  . (13)

Для, случая S_oxл=S_бок: 2b₂ n₀₁ j₁₂ t_T0=199; 2b₂² n₀₂ t_T0=195;

   (14)

  , (15) где .

      

Преимущество этого представления в том, что в первом случае коэффи­циенты n_e1 и n_e2 зависят только от безразмерной величины  и допустимой

температуры t_d, а во втором случае – от M⁰ и t_d.

При t_d1 = t_d2, j₁=j₂ и n₀₁=n₀₂ имеем k_c1=k_c2; n_e1»0,98n_e1 и m₁⁰=m₂⁰=M⁰. Для наиболее вероятных значений n₀₁=n₀₂=1,1 в таблице приведены значения m₀^* и M⁰ [3].

Полученные аналитические выражения (12) - (15) позволяют определить зависимость t=f (m_a, m_c, n_e) в явном и наглядном виде и установить диапазон оптимальных значений безразмерных величин с учетом заданной температуры перегрева обмоток. Далее приведены расчетные зависимости n_e1=f (m_a, m_c, t) для случаев S_oxл=S_бок.

Эти расчетные зависимости показывают:

1) с увеличением заданной температуры t коэффициент n_e падает;

2) коэффициент n_e для ЛО из-за неполноты электромагнитной связи между обмотками меньше, чем для ОВ;

3) для случая S_oxл=S_полн , начиная с m_f ³ 3, зависимость n_e1=f (m_a, m_c, t) приобретает убывающий характер, а для случая S_oxл=S_бок она нарастающая;

4) при условии однородности магнитного поля в рабочем зазоре (m_a = 2÷6; m_c = 2÷6) коэффициент кратности не ниже 0,5 и не выше 6,1. Диапазон n_e1=0,5 – 6,1 как раз достаточен для осуществления принципа соразмерности при проектировании устройств с левитационными обмотками [3].

При проектировании устройств с ЛО полученные выше результаты могут быть использованы следующим образом. При заданном оптимальном значении температуры перегрева обмоток, например при t = 70° С, m_а=3 и m_с=4, из зависимости n_e1=f (m_a, m_c, t) определяем n_e1= 1,6.

Далее определяем:

.

Значение площади сечения магнитопровода S_с определяется из предварительного расчета магнитной цепи.

Таблица 1

Значение безразмерных величин m₀^* и M⁰ при n₀₁=n₀₂=1,1

ma mc	2	3	4	5	6	Примечания
2	1,305	1,389	1,455	1,508	1,55	m0*
	0,953	0,988	1,024	1,053	1,0773	M0
3	1,347	1,376	1,404	1,427	1,446	m0*
	1,045	1,049	1,057	1,067	1,077	M0
4	1,373	1,368	1,373	1,379	1,386	m0*
	1,114	1,086	1,083	1,081	1,082	M0
5	1,392	1,362	1,352	1,348	1,347	m0*
	1,164	1,121	1,103	1,093	1,088	M0
6	1,406	1,358	1,337	1,326	1,320	m0*
	1,204	1,145	1,118	1,103	1,096	M0

 

 

Заключение

Исследован расчет магнитной цепи индукционного левитатора содер­жа­щий неподвижную обмотку возбуждения, а также левитационную обмотку. Рас­чет произведен с учетом температуры перегрева обмоток и составлена методика рас­чета индукционного левитатора.

С целью оптимизации геометрических размеров произведена гео­мет­ри­ческая оптимизация индукционного левитатора. Получены численные значения безразмерных величин магнитной системы с левитационными обмотками для двух случаев. В первом случае обмотки бескаркасные и тепло в окружающую среду передается через полную поверхности обмоток, а во втором случае только через боковую их поверхность. Установлено, что преимущество пред­ставления в том, что в первом случае коэффициенты n_e1 и n_e2 зависят только от безразмерной величины  и допустимой температуры t_d, а во втором случае – от M⁰ и t_d. Численные значения безразмерных коэффициентов приводятся в таблице и на графиках.

 

CПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

 

1. Гулиев А.П. Исследование системы левитации ветрогенератора с вер­ти­кальной осью Журнал «Инновационные научные ис­сле­­до­ва­ния», Научно-из­дательский центр Вес­т­ник науки, № 3 (60) март 2023, г.Уфа, стр 227-235
2. Пириева Н.М., Юсифов А.А., Гулиев А.П. Расчет индукционно-левита­цион­ного ветрогенератора с вертикальной осью. Проблемы энергетики №4, Баку 2021 г.
3. Ветроэнергетика могла бы стать одной из ведущих отраслей северо-западного региона. Ветроэнергетика. – Мурманск, 21 апреля 2008 г.
4. Bernhoff H., Eriksson S. & Leijon M. (2006), Evaluation of different turbine concepts for wind power. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 12(5), 1419-1434.

 

  

Полная версия статьи PDF

Номер журнала Вестник науки №3 (60) том 4

  

Ссылка для цитирования:

Гулиев А.П. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ОБМОТОК ВИХРЕВОГО ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА // Вестник науки №3 (60) том 4. С. 232 - 240. 2023 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/7616 (дата обращения: 26.04.2024 г.)

Альтернативная ссылка латинскими символами: vestnik-nauki.com/article/7616

---

Нашли грубую ошибку (плагиат, фальсифицированные данные или иные нарушения научно-издательской этики) ?
- напишите письмо в редакцию журнала: zhurnal@vestnik-nauki.com

Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2023.    16+

---

* В выпусках журнала могут упоминаться организации (Meta, Facebook, Instagram) в отношении которых судом принято вступившее в законную силу решение о ликвидации или запрете деятельности по основаниям, предусмотренным Федеральным законом от 25 июля 2002 года № 114-ФЗ 'О противодействии экстремистской деятельности' (далее - Федеральный закон 'О противодействии экстремистской деятельности'), или об организации, включенной в опубликованный единый федеральный список организаций, в том числе иностранных и международных организаций, признанных в соответствии с законодательством Российской Федерации террористическими, без указания на то, что соответствующее общественное объединение или иная организация ликвидированы или их деятельность запрещена.