Дмитрий Руссу – Новое слово о перспективной генерации электричества на парных генераторах (страница 3)

В парной генераторной системе с фазовым сдвигом электромагнитных процессов потоки энергии, описываемые вектором Пойнтинга, формируются в активных зонах каждого генератора с различными фазовыми соотношениями. Это означает, что передача энергии между механическим движением, магнитным полем и электрической нагрузкой происходит не синхронно во всех элементах системы.

При ортогональном фазовом сдвиге электромагнитных процессов (около 90°) максимальные значения плотности потока электромагнитной энергии в одном генераторе приходятся на моменты времени, когда соответствующие потоки в другом генераторе минимальны. В результате суммарный поток энергии, передаваемый через механическую связь на вал, оказывается сглаженным во времени.

Таким образом, снижение среднего тормозящего момента в парной генераторной системе является следствием фазового перераспределения потоков электромагнитной энергии, описываемых вектором Пойнтинга, а не ослаблением или нарушением действия закона Ленца.

Закон Ленца по-прежнему определяет направление локальных электромагнитных реакций в каждом генераторе, однако результирующее механическое воздействие на общий вал формируется как интеграл от пространственно и фазово распределённых потоков энергии, а не как простая сумма мгновенных тормозящих сил.

2.2 Модель электромагнитного момента и механической мощности парной генераторной системы

Рассмотрим парную генераторную систему, состоящую из двух электрических генераторов, механически жёстко связанных общим валом и вращающихся с одинаковой угловой скоростью ω\omegaω. Система приводится во вращение внешним механическим приводом, обеспечивающим установившийся режим работы.

Каждый генератор в процессе преобразования механической энергии в электрическую создаёт электромагнитный тормозящий момент, направленный противоположно направлению вращения вала, в соответствии с законом электромагнитной индукции и законом Ленца.

Обозначим мгновенные электромагнитные моменты отдельных генераторов как тогда мгновенный результирующий электромагнитный момент, действующий на общий вал, определяется суммой:

Соответствующая мгновенная механическая мощность, потребляемая системой от привода, равна:

В установившемся режиме средняя механическая мощность, подводимая к системе за период T, определяется выражением:

или, с учётом постоянства угловой скорости:

Как было указано в предыдущей главе, в настоящей работе средний механический момент системы определяется косвенно через измерение средней входной механической мощности привода:

2.3. Фазовое представление электромагнитных моментов

В парной генераторной системе электромагнитные процессы в отдельных генераторах могут протекать с фазовым сдвигом. В частности, в исследуемой конфигурации рассматривается режим, при котором электромагнитные моменты имеют ортогональный фазовый сдвиг, близкий к 90∘90^\circ90∘.

Для упрощённого анализа запишем электромагнитные моменты в виде периодических функций времени:

где:

– амплитуда электромагнитного момента,

– электрическая угловая частота,

– фазовый сдвиг между электромагнитными процессами.

В этом случае результирующий электромагнитный момент представляет собой сумму двух фазово-сдвинутых составляющих, что приводит к изменению временной структуры по сравнению с одиночным генератором или синфазной работой двух машин.

2.2. Разделение активной и реактивной составляющих момента

По аналогии с теорией переменного тока, электромагнитный момент в генераторной системе может быть представлен в виде суммы активной и реактивной составляющих.

Активная составляющая электромагнитного момента связана с передачей энергии в электрическую нагрузку и определяет среднюю механическую мощность, потребляемую системой.

Реактивная составляющая электромагнитного момента связана с периодическим накоплением и возвратом энергии в электромагнитных полях системы и не приводит к переносу энергии за период.

При фазовом сдвиге электромагнитных процессов реактивные составляющие моментов отдельных генераторов могут частично компенсироваться во временной области, что приводит к снижению результирующего среднего механического момента, определяемого через входную мощность привода.

Данное обстоятельство и является предметом дальнейшего анализа.

3.1 Условия фазовой компенсации электромагнитных моментов

Рассмотрим условия, при которых в парной генераторной системе возможно уменьшение результирующего среднего механического момента, определяемого через входную мощность привода, при сохранении активной электрической мощности, передаваемой в нагрузку.

Как было показано в предыдущей главе, мгновенный результирующий электромагнитный момент системы определяется суммой фазово-сдвинутых составляющих:

При этом средний механический момент, определяемый через входную мощность привода, равен:

3.2. Фазовая структура электромагнитного момента

В общем случае электромагнитный момент генератора является функцией не только механического положения ротора, но и фазового состояния электрических процессов, протекающих в обмотках и магнитопроводе машины.

При наличии фазового сдвига между электромагнитными процессами отдельных генераторов результирующий момент на валу приобретает сложную временную структуру, включающую:

компоненту, связанную с необратимой передачей энергии в нагрузку (активная составляющая);

компоненту, связанную с периодическим накоплением и возвратом энергии в электромагнитных полях (реактивная составляющая).

В этом случае мгновенные электромагнитные моменты могут быть представлены в обобщённом виде:

где – активная составляющая момента, а

– реактивная составляющая.

3.3. Компенсация реактивных составляющих момента

Активная составляющая электромагнитного момента определяет среднюю механическую мощность, потребляемую системой, и не может быть скомпенсирована без уменьшения передаваемой в нагрузку активной электрической мощности.

В отличие от неё, реактивная составляющая электромагнитного момента не приводит к переносу энергии за период и связана с временным накоплением энергии в магнитных полях системы.

При ортогональном фазовом сдвиге электромагнитных процессов реактивные составляющие моментов отдельных генераторов могут быть сдвинуты во времени таким образом, что их вклад в результирующий средний момент частично компенсируется:

В этом случае результирующий средний момент системы определяется преимущественно активными составляющими:

Таким образом, при соответствующем фазовом согласовании возможно снижение результирующего среднего механического момента по сравнению с режимом синфазной работы генераторов, несмотря на сохранение суммарной активной электрической мощности.

3.4. Физическая интерпретация эффекта

Физически эффект компенсации реактивных составляющих электромагнитного момента может быть интерпретирован как перераспределение обмена энергией между механической и электромагнитной подсистемами во времени.

В фазово-согласованной парной системе часть энергии, временно запасаемой в магнитных полях одного генератора, может возвращаться в механическую систему в фазе, когда другой генератор испытывает максимальное тормозящее воздействие. В результате суммарная нагрузка на привод усредняется, а средняя входная мощность привода снижается по сравнению с синфазным режимом при прочих равных условиях.

Следует подчеркнуть, что данный эффект не нарушает закон сохранения энергии, поскольку уменьшение среднего механического момента обусловлено компенсацией реактивных составляющих, не связанных с необратимой передачей энергии в нагрузку.

3.5. Ограничения применимости

Компенсация среднего механического момента возможна исключительно в пределах, определяемых величиной реактивных составляющих электромагнитного момента и характером фазового распределения процессов в системе.

Активная составляющая электромагнитного момента, соответствующая передаче энергии в электрическую нагрузку, остаётся неизбежной и определяет минимально необходимую входную механическую мощность привода.

3.6 Основные способы генерации электричества по закону Фарадея

Существуют способы генерации электричества по закону Фарадея:

вращение катушки в магнитном поле – классический лабораторный метод.

вращение магнита или электромагнита внутри неподвижной обмотки используется в автомобильных альтернаторах и промышленных генераторах.

Все они подчиняются одному ограничению: их реактивный момент. Чем больше ток – тем сильнее торможение.

3.1 Сравнительный анализ режимов работы одиночных и связанных генераторов

Классическая теория генерации электрической энергии преимущественно рассматривает одиночный генератор, работающий под нагрузкой и передающий механическую энергию от привода в электрическую сеть. В этом случае электромагнитный момент, создаваемый машиной, полностью противодействует вращению вала, а результирующая механическая нагрузка определяется его средним значением за период.

При переходе к системам, состоящим из нескольких генераторов, механически соединённых общим валом, характер взаимодействия принципиально изменяется. Электромагнитные моменты отдельных машин могут быть синхронизированы по частоте, но при этом иметь заданные фазовые сдвиги, что приводит к различным режимам сложения механических воздействий.