Учебное пособие 800352

Рис. 4. Суточный график нагрузки (вариант Б)

На (рис. 5) изображен график электромагнитного момента (вариант Б).

Рис. 5. Электромагнитный момент асинхронной машины при виде нагрузки Б

Получена работоспособная модель энергосистемы, разработанная в среде имитационного моделирования Simulink. Моделирование позволило получить графики электромагнитного момента асинхронной машины (выступающей в роли нагрузки), при анализе которых можно сделать вывод о прямой зависимости электромагнитного момента от суточной нагрузки электровоза.

41

Разработанная модель позволяет проводить исследования энергетической системы, имитируя различные режимы, и влияние этих режимов на работу потребителей.

Литература

1.Колпак Е. П. Вычисления в Matlab [Текст]: учебное пособие / Колпак Е. П. - Казань: Бук, 2016. - 182 с.: ил., табл.; 21 см.

2.Сирота А. А.Методы и алгоритмы анализа данных и их моделирование в MATLAB [Текст]: учебное пособие / А. А. Сирота. - Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2016. - 381 с.: ил., табл.; 24см.

3.Основы разработки систем управления в среде MATLAB [Текст]: методические указания к практическим занятиям по дисциплине "Проектирование систем в среде MATLAB" / Минобрнауки России, Санкт-Петербургский гос. электротехнический ун-т "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина). - Санкт-Петербург: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ",

2015. - 83 с.: ил., табл.

4.Дайлидко А. А. Конструкция электровозов и электропоездов: учеб. пособие / А. А. Дайлидко, Ю. Н. Ветров, А. Г. Брагин. – Москва: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2014. – 348 c.

5.Ермишкин И. А. Конструкция электроподвижного состава: учеб. пособие / И. А. Ермишкин. – Москва: ФГБОУ «Учебнометодический центр по образованию на железнодорожном транспорте»,

2015. – 376 c.

6.Осинцев И. А. Теория работы электрооборудования электроподвижного состава часть 2 / И. А. Осинцев. – Москва: ФГБУ ДПО «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2020. – 324 c.

Воронежский государственный технический университет

42

УДК 621.313

Д.Р. Черкасов, А.В. Стецюк, Д.А. Захарова, Т.Е. Черных

ГЕНЕРАТОР ДЛЯ МИКРОГЭС

Предлагается конструкция электрического генератора, интегрированного с гидротурбиной, на основе которых может быть спроектирована микроГЭС

Ключевые слова: дисковый генератор, гидротурбина, микроГЭС

По развитию микро ГЭС в настоящее время Россия значительно отстает от европейских стран, но так было не всегда. МикроГЭС в нашей стране получила наибольшее развитие в 50-60 годах прошлого века, однако эти установки не смогли конкурировать с мощными электростанциями, соединенными в единую энергосистему. В 2012 г. на уровне правительства РФ был поднят вопрос о развитии альтернативных энергетических технологий, в том числе и микрогидроэнергетики. Но десятилетия минувшее с «эпохи микроГЭС» не позволяет использовать установки того времени, так как они технологически и технически устарели. В связи с этим в российской гидроэнергетике есть большая потребность в разработке современных конструкций таких электростанций.

Особенность микро ГЭС заключается в том, что они не требуют больших капитальных вложений, таких как затрат при строительстве плотины для крупной ГЭС, данный вид электростанций использует скорость естественного потока воды, воздействующего на гидротурбину.

По структуре микроГЭС состоит из гидроколеса, редуктора (для рек в высокой скоростью течения редуктор можно инее использовать), генератора и системы управления. Такая структурная схема позволяет сделать вполне логичный вывод, что для разработки современной конкурентоспособной микроГЭС необходимо иметь гидротурбину с высоким КПД, а также высокоэффективный электрический генератор.

В эпоху расцвета в микроГЭС разработчики использовали классические «барабанные» асинхронные и асинхронные генераторы, а также генераторы постоянного тока. Однако опыт электромашиностроения говорит о том, что наиболее эффективным в данном случае будет генератор, имеющий большой радиальный размер, что позволит использовать высокие окружные скорости ротора. Это предположение подтверждается хорошо зарекомендовавшей себя конструкции гидрогенераторов, используемых на крупных ГЭС.

Кроме этого, не стоит забывать и про тот факт, что снизить

43

стоимость и повысить эффективность электромеханической системы можно за счет интеграции элементов системы.

В связи с этим, предлагается конструкция микроГЭС, в которой генератор интегрирован в гидротурбину. Для этих целей прекрасно подходит синхронный дисковый генератор с возбуждением от постоянных магнитов [1]. На (рисунок) показан внешний вид генератора.

Внешний вид генератора

Данная конструкция генератора не имеет скользящих контактов, обмотка, располагаемая на статоре, может быть герметизирована, например заливкой эпоксидной смолой. Постоянные магниты, располагаемые на роторе, также могут быть защищены от воздействия влаги путем нанесения защитных покрытий.

Гидротурбина может быть прекрасно совмещена с генератором, для этого лопасти крепятся на наружном радиусе ротора и размещаются в водяном потоке. Такая конструктивная схема может быть с успехом применена как для проточных, так и для рукавных микроГЭС.

Литература

1. Патент 111365 Российская Федерация, МПК Н02Л21/24. Электрогенератор / Писаревский Ю. В., Беляков П. Ю., Писаревский А. Ю., Тикунов А. В., Черных Т. Е. - № 2011133630/07; заявл. 10.08.2011; опубл. 10.12.2011.

Воронежский государственный технический университет

44

УДК 621.313

Д.Р. Черкасов, К.Д. Попов, А.Н. Шкурин, З.Н. Золотухин

ПОГРУЖНЫЕ НАСОСЫ ДЛЯ ПЕРЕКАЧКИ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА

В статье рассматриваются погружные электро-насосные агрегаты для перекачки сжиженного природного газа, их конструктивные особенности и места эксплуатации. За основу работы насоса взят асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, в котором используются гибридные подшипники. Охлаждение насоса происходит с помощью природного газа. Также в статье описывается актуальность и перспективы погружных электро-насосных агрегатов

Ключевые слова: криогенные погружные электро-насосные агрегаты, сжиженный природный газ, асинхронный двигатель, короткозамкнутый ротор, гибридные подшипники, охлаждение

В современном мире использование природных ресурсов уже на протяжении длительного времени играет ключевую роль в жизни человечества и с каждым годом вынуждает людей искать все новые решения по улучшению их добычи и транспортировки в реальных условиях. Одним из важнейших вопросов, обладающих приоритетной направленностью в сфере машиностроения, является решение задачи о нахождении наиболее рационального пути перекачки сжиженного природного газа для последующей его эксплуатации. В качестве решения данной проблемы зарекомендовали себя криогенные погружные электро-насосные агрегаты для перекачивания сжиженного природного газа, и, в условиях нынешней политической обстановки, относясь к критическим технологиям Российской Федерации, производство данных агрегатов является одним из приоритетных направлений в индустрии машиностроения. Такие насосы получили широкое распространение на различных терминалах по добыче и отгрузке СПГ. Их внедрение может решить многие технические проблемы, связанные с производством, а также минимизировать затраты и решить вопросы, связанные с импортозамещением. Другой важной сферой, в которой трудно обойтись без данных насосов, является перевозка СПГ с помощью танкеров. Качество их заполнения и разгрузки, скорость перекачки и откачки СПГ, а самое главное надежность и безопасность являются определяющими параметрами при проектировании криогенной погружной электро-насосной системы.

На территории Российской Федерации подавляющее количество

45

предприятий, производящих насосные системы, стараются применять в конструкции насоса стандартные асинхронные двигатели, питание которых осуществляется от наиболее распространенной трехфазной сети базового ряда напряжения питания от 0.4 до 10 кВ с частотой 50 Гц. Отсюда следует, что для насосных двигателей будет выбираться частота вращения из стандартного ряда частот, вплоть до 3000 об/мин. Однако, оптимальная частота для перекачки сжиженного газа превышает 3000 об/мин, тем самым делая привычный ряд асинхронных двигателей не самым лучшим вариантом в использовании.

Рациональным решением данного вопроса является внедрение в высокомощных насосных системах асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором типа "беличья клетка". Такой электродвигатель должен предусматривать заполнение себя перекачиваемым СПГ, который одновременно выступает в роли охлаждающей и смазывающей среды, как для статора и ротора, так и для опор агрегата. Во внутренней полости двигателя будет циркулировать природный газ, испаряясь с наиболее нагретых областей внутри двигателя, он будет забирать часть тепла, тем самым остужая двигатель.

Учитывая большие габариты электронасосных агрегатов, базирующихся на отгрузочных терминалах заводов по сжижению природного газа, логично будет использовать для магнитопровода ротора обмотку сварного типа. Причем, в силу высокого показателя мощности насосных систем, рекомендуется использовать для обмотки ротора стержни из меди, нежели из алюминия, так как процесс внутреннего соединения алюминиевых стержней при помощи сварки происходит труднее, чем соединение медных стержней. При этом для меди свойственна большая электропроводность, она более гибкая и превосходит алюминий в пределе прочности. По причине установки криогенных погружных электронасосных агрегатов внутри емкостей с сжиженным природным газом, рассматриваемые погружные насосы должны быть расположены в перекачиваемой среде. Следовательно, электродвигатели данных криогенных агрегатов заливаются сжиженным природным газом и должны иметь герметичную и не взрывоопасную конструкцию.

Для отслеживания работоспособности криогенных погружных насосов применяются датчики системы телеметрии, среди которых стоит отметить датчики контроля частоты вращения ротора и датчики контроля вибрации. Наблюдение за данными параметрами крайне важно, поскольку при возрастании среднего квадратичного значения

46

виброскорости с превышением допустимого предельного значения, насосная система может выйти из строя. При этом, поскольку рассматриваемая насосная система выполнена в погружном исполнении, следует обратить особое внимание на наличие конструктивных элементов, обеспечивающих надежное крепление такелажных приспособлений. Конструкция агрегата не должна иметь ограничений (в пределах назначенного ресурса) по количеству циклов монтажадемонтажа и абсолютно должна предусматривать отсутствие всех настроечных операций агрегата, установленного в емкость. Средняя наработка насоса на отказ должна составлять не менее 4000 часов, при среднем времени восстановления 72 часа.

Конструктивно описываемый агрегат должен быть выполнен как центробежный или шнеко-центробежный, вертикальный, многоступенчатый насос, с колесом одностороннего входа, радиальным разъемом корпуса и канальными межсекционными отводящими устройствами (рисунок).

Конструкция насоса

Входной патрубок должен иметь устройство, гарантирующее отсутствие попадания в насос посторонних предметов и обеспечивающий гарантированное сохранение требуемого проходного сечения на входе СПГ в насос при установке и работе. В зависимости от типоразмера насоса, его конструктивное исполнение может

47

предусматривать монтаж рабочих колес на роторе электродвигателя или составной валопровод. Насосная часть агрегата должна иметь устройства осевой и радиальной разгрузки ротора. При этом полностью должна обеспечиваться максимальная унификация деталей.

Отдельное внимание стоит уделить особым гибридным подшипникам, использующимся в данном насосном агрегате. Их конструкция включает в себя кольца из подшипниковой стали и тела качения, материал которых сделан из нитрида кремния. Такая структура делает подшипник более долговечным в использовании, служит изолятором для электрического тока и предотвращает выделение большого количества тепла, что значительно увеличивает степень взрывоустойчивости и надежности рассматриваемого насосного агрегата. Стоит также отметить, что тело качения из нитрида кремния имеет существенно меньшую массу по сравнению с тем же телом качения из подшипниковой стали, что уменьшает инерцию и оптимизирует скоростные характеристики, которые в значительной мере улучшают работу двигателя при резких стартах. Еще одной отличительной особенностью данных подшипников является способ их смазки. Как известно, сжиженный природный газ легко воспламеним и при малейшем контакте с обычной подшипниковой смазкой может привести к возгоранию. Решением данного вопроса послужило использование в качестве смазывающей среды непосредственно самого сжиженного природного газа.

В качестве примера криогенного погружного электро-насосного агрегата для перекачивания сжиженного природного газа можно рассмотреть разработку российского предприятия ОАО «ЛГМ», а именно опытный образец насоса: НСПГ 900-120. Данный электронасос успешно прошел все испытания и показал работу в погружном состоянии в сжиженном природном газе при температуре -196 °С. Он экономичен в производственном плане и по своим эксплуатационым характеристикам абсолютно не уступает зарубежным аналогам, таким фирмам как: J.C Carter, Ebara, Nikkiso, Shinko и другим.

Таким образом, можно сделать вывод, что криогенные погружные электро-насосные агрегаты необходимы в отрасли перекачки сжиженного природного газа. Их внедрение может внести большой вклад в улучшении сферы добычи природных ресурсов, решить проблему импортозамещения для Российской Федерации и вывести систему перекачки СПГ на новый уровень.

Воронежский государственный технический университет

48

УДК 621.31

Е. С. Енговатова, С.А. Горемыкин

ПРИМЕНЕНИЕ РЕКЛОУЗЕРОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ

Приводится история возникновения реклоузеров, а также современные производители реклоузеров. На примере реклоузеров отечественного производства компании Таврида Электрик анализируются конструкции и особенности работы реклоузеров на разное напряжение

Ключевые слова: реклоузер, электрические распределительные сети, вакуумный выключатель

Сцелью повышения надежности электроснабжения потребителей

враспределительных сетях эффективно использовать автоматическое управление аварийными режимами. В этом случае обеспечивается независимость работы пунктов секционирования в сетях [1, 2, 3]. Это так называемый децентрализованный подход к управлению аварийными процессами. Реализовать децентрализованный подход к управлению позволяют современные коммутационные устройства на основе вакуумного принципа коммутации – вакуумные реклоузеры (далее – реклоузеры). В переводе на русский «реклоузер» означает «переключатель».

Реклоузер представляет собой коммутационный аппарат (на основе вакуумного выключателя), являющийся интеллектуальным устройством, которое способно посредством программного обеспечения анализировать режим работы и автоматически в случае аварийного режима производить переключения, меняя тем самым конфигурацию сети.

Реклоузеры в современном понимании появились сравнительно недавно. Однако, их история идет еще появления пунктов секционирования в воздушных распределительных сетях, которые начали успешно использоваться с начала 60-х годов 20 века. Секционирование осуществлялось путем разделения воздушной линии на секции, а в случае аварийной ситуации имелась возможность вывода из эксплуатации аварийной секции на необходимое время. При этом электроснабжение потребителей, не относящейся к аварийной секции, не прерывалось. В то время использовались масляные выключатели, устанавливаемые в небольших зданиях модульной конструкции.

49

Однако с появлением вакуумных выключателей, которые характеризуются компактностью и высоким быстродействием, появилась возможность располагать их на опорах воздушных линий. Они получили название автоматических пунктов секционирования. Развитие технологий позволило сделать их необслуживаемыми, то есть их срабатывание осуществлялось автоматически, без участия людей. Собственно, с тех пор и появилось понятие «реклоузер».

ВРоссии крупнейшим разработчиком и производителем реклоузеров явилась группа компаний «Таврида Электрик» (г. Москва), известная своими передовыми в 90-е годы 20 века разработками вакуумных выключателей. С начала 2000-х годов стали появляться российские серийные образцы реклоузеров.

Ключевой особенностью современных реклоузеров является то, что они представляют собой автономные автоматические устройства. Основное их назначение заключается в автоматическом отключении аварийного участка с последующим быстрым автоматическим повторным включением (АПВ). Почему они оказались настолько эффективными?

Накопленный опыт эксплуатации показывает, что более 80 % аварий в сетях самоустраняются в течение очень малого времени. Например, это аварийные режимы из-за перекрытия изоляторов вследствие ударов молний и грозовых перенапряжений, схлестывания проводов и их замыкание вследствие, например, касания их ветками деревьев и т. д. Поэтому востребованными оказались устройства, которые в автоматическом режиме производят коммутации.

Взависимости от рабочего напряжения выделяют реклоузеры на

6, 10, 35 кВ.

Можно назвать следующих наиболее крупных производителей реклоузеров:

– Таврида Электрик (Россия);

– ABB (Asea Brown Boveri, Швеция-Швейцария);

– Wipp& Bourn (Англия);

– NuLec Industries (Австралия);

– Cooper Power Systems (США) и т. д.

Российская группа компаний «Таврида Электрик» предлагает реклоузеры на рабочее напряжение 6-20 кВ и 35 кВ. На напряжение 6-20 кВ это изделия серии РВА/TEL, а на напряжение 35 кВ – SMART35. Реклоузеры серии РВА/TEL типа Rec15 рассчитаны на номинальное напряжение 10 кВ, а типа Rec25 – на напряжение 20 кВ.

50