Оптимизация тихоходного синхронного генератора модульного типа и принцип реализации системы управления напряжением генератора на основе нейронной сети
Аннотация
Предложены методика оптимизации параметров тихоходного синхронного генератора с постоянными магнитами (СГПМ) модульного типа и система управления выходного напряжения генератора, построенная на реализации алгоритма с использованием нейронной сети. Рассмотрена базовая конструктивная схема тихоходного СГПМ модульного типа, особенностью которой является компактность размещения его основных частей, допускающая целесообразность использования рабочего объема, уменьшение размеров магнитной системы и массы используемых при изготовлении активных материалов. Простота и надежность конструкции генератора позволяет в зависимости от условий эксплуатации широко варьировать его выходные параметры, используя типовые электрические схемы для стабилизации напряжения и выпрямления тока, а также дополнительно блок регулятора напряжений. Это обстоятельство выгодно отличает конструктивную схему рассматриваемого генератора от существующих аналогов с общим цилиндрическим магнитопроводом. Поэтому разработки по созданию высокоэффективного тихоходного синхронного генератора с постоянными магнитами модульного типа в качестве автономного источника питания постоянного тока имеют как научный, так и практический интерес, охватывая большой круг потребителей электрической энергии, расположенных в сельской местности, районах малоэтажной застройки, военных городках, приусадебных хозяйствах и др. При решении задачи оптимизации магнитной системы синхронного генератора получено основное расчетное уравнение электрической машины и определены оптимальные отношения массы обмоточного провода к массе постоянных магнитов, высоты постоянных магнитов к величине воздушного зазора, доставляющие максимум удельной полезной мощности. Установлена аналитическая взаимосвязь конструктивных параметров оптимальной конструкции тихоходного СГПМ модульного типа с энергетическими параметрами его работы. Показана целесообразность разработки системы управления, построенной на использовании нейронной сети. Определено количество работающих на нагрузку модулей генератора в зависимости от скорости ветра, коэффициента загрузки и требуемого выходного напряжения. Обучение нейронной сети проводилось на примерах обучающей выборки с использованием лабораторного испытательного стенда. Реализация нейронной сети выполнена в среде MatLab 2019b построением имитационной модели синхронного генератора в программном расширении Simulink. Показана возможность использования системы управления напряжением тихоходного СГПМ модульного типа с микроконтроллером для работы НС платформы семейства Arduino (Arduino Due) независимо от ПК.
Литература
2. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические машины с постоянными магнитами. М.: Энергоатомиздат, 1988, 280 с.
3. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. М.: Высшая школа, 1990, 416 с.
4. Исмагилов Ф.Р., Герасин А.А., Хайруллин И.Х., Вавилов В.Е. Электромеханические системы с высококоэрцитивными постоянными магнитами. М.: Машиностроение, 2014, 267 с.
5. Кривцов В.С., Олейников А.М., Яковлев А.И. Неисчерпаемая энергия. Кн.1. Ветроэлектрогенераторы. Харьков: ХАИ, 2003, 400 с.
6. Кривцов В.С., Олейников А.М., Яковлев А.И. Неисчерпаемая энергия. Кн.2. Ветроэнергетика. Харьков: ХАИ, 2004, 519 с.
7. Смирнов А.Ю. Проектирование высокооборотных генераторов большой мощности с постоянными магнитами на роторе. – Электричество, 2017, № 11, с. 40–45.
8. Зубков Ю.В., Владимиров Д.А. Проектирование генератора с магнитоэлектрическим возбуждением электростанции собственных нужд. – Электричество, 2020, № 6, с. 24–30.
9. Олейников А.М., Канов Л.Н., Зарицкая Е.И. Инженерная методика оптимизационного расчета тихоходного синхронного генератора с постоянными магнитами. – Вестник СевГТУ: Механика. Энергетика. Экология, 2008, с. 104–107.
10. Патент РФ № 2303849, МПК H02K 21/18. Бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами / В.В. Шкондин, опубл. 27.07.07, Бюл. № 28.
11. Патент РФ № 2693011, МПК H02K 21/14 (2006.01). Бесколлекторный синхронный генератор модульного типа с постоянными магнитами / А.А. Татевосян, опубл. 01.07.2019, Бюл. №19.
12. Татевосян А.А. Исследование влияния конструктивных параметров тихоходных синхронных генераторов с постоянными магнитами в составе электротехнических комплексов на их энергетические характеристики. – Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2019, т. 15, № 2, с.15–25.
13. Татевосян А.А., Огорелков Б.И., Татевосян А.С. Расчет индуктированной ЭДС в витке при относительном движении постоянного магнита с различной формой поперечного сечения. – Омский научный вестник, 2014, № 3 (133), с. 179–183.
14. Твердотельные реле серии SSR, TSR. Руководство пользователя [Электрон. ресурс] URL: http://www.fotek.com.ua/webfm_send/148 (дата обращения 17.05.2021).
15. Arduino Support from MATLAB [Электрон. ресурс] URL: http ://www. mathworks. com/hardware-support/arduino-matlab.html (дата обращения 17.05.2021).
16. Arduino Support from Simulink [Электрон. ресурс] URL: https://www.mathworks.com/help/supportpkg/arduino/index.html (дата обращения 17.05.2021).
#
1. Arnol'd R.R. Raschet i proektirovanie magnitnyh sistem s postoyannymi magnitami (Calculation and design of magnetic systems with permanent magnets). М.: Energiya, 1969, 184 p.
2. Balagurov V.A., Galteev F.F. Elektricheskie mashiny s posto-yannymi magnitami (Electric machines with permanent magnets). М.: Energoatomizdat, 1988, 280 p.
3. But D.A. Beskontaktnye elektricheskie mashiny (Contactless Electric machines). М.: Vysshaya shkola, 1990, 416 p.
4. Ismagilov F.R., Gerasin A.A., Hayrullin I.H., Vavilov V.E. Elektromekhanicheskie sistemy s vysokokoertsitivnymi postoyannymi magnitami (Electromechanical systems with high-coercive permanent magnets). М.: Mashinostroenie, 2014, 267 p.
5. Krivtsov V.S., Oleynikov A.M., Yakovlev A.I. Neischerpaemaya energiya. Kn.1. Vetroelektrogeneratory (Inexhaustible energy. Book 1. Wind power generators). Har'kov: HАI, 2003, 400 p.
6. Krivtsov V.S., Oleynikov A.M., Yakovlev A.I. Neischerpaemaya energiya. Kn.2. Vetroenergetika (Inexhaustible energy. Book 2. Wind Power Industry). Har'kov: HАI, 2004, 519 p.
7. Smirnov A.Yu. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2017, No. 11, pp. 40–45.
8. Zubkov Yu.V., Vladimirov D.A. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2020, No. 6, pp. 24–30.
9. Oleynikov A.M., Kanov L.N., Zaritskaya E.I. Vestnik SevGTU: Mekhanika. Energetika. Ekologiya – in Russ. (Bulletin of SevSTU: Mechanics. Power engineering. Ecology), 2008, pp. 104–107.
10. Patent RF No. 2303849, МПК H02K 21/18. Beskollektornyy sinhronnyy generator s postoyannymi magnitami (Brushless synchronous generator with permanent magnets) / V.V. Shkondin, publ. 27.07.07, Bulletin No. 28.
11. Patent RF No. 2693011, МПК H02K 21/14 (2006.01). Beskollektornyy sinhronnyy generator modul'nogo tipa s postoyannymi magnitami (Modular Type brushless synchronous generator with permanent magnets) / А.А. Tatevosyan, publ. 01.07.2019, Bulletin No.19.
12. Tatevosyan A.A. Elektrotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy – in Russ. (Electrical and information systems and systems), 2019, vol. 15, No. 2, pp.15–25.
13. Tatevosyan A.A., Ogorelkov B.I., Tatevosyan A.S. Omskiy nauchnyy vestnik – in Russ. (Omsk Scientific Bulletin), 2014, No. 3 (133), pp. 179–183.
14. Tverdotel'nye rele serii SSR, TSR. Rukovodstvo pol'zovatelya (SSR, TSR series solid-state relays. User's Guide) [Electron resource] URL: http://www.fotek.com.ua/webfm_send/148 (Date of appeal 17.05.2021).
15. Arduino Support from MATLAB [Electron resource] URL: http://www. mathworks. com/hardware-support/arduino-matlab.html (Date of appeal 17.05.2021).
16. Arduino Support from Simulink [Electron resource] URL: https://www.mathworks.com/help/supportpkg/arduino/index.html (Date of appeal 17.05.2021).
