Разработка математической модели мотор-генератора со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения

  • Екатерина [Ekaterina] Павловна [P.] Курбатова [Kurbatova]
  • Егор [Egor] Александрович [A.] Кущенко [Kushchenko]
  • Тимофей [Timofey] Александрович [A.] Золотарев [Zolotarev]
  • Павел [Pavel] Александрович [A.] Курбатов [Kurbatov]
Ключевые слова: мотор-генератор, высокотемпературный сверхпроводник (ВТСП), кинетический накопитель энергии, расчет электромагнитного поля, моделирование, макромоделирование

Аннотация

Приведены результаты исследований, направленных на разработку мотор-генератора для кинетического накопителя энергии (КНЭ) с высокотемпературной сверхпроводящей (ВТСП) обмоткой возбуждения. Изучаемая конструкция относится к типу индукторных машин. Отличительной особенностью индукторных машин является стационарное (неподвижное) расположение обмоток якоря и возбуждения. Ротор таких машин представляет собой стальной магнитопровод с зубчатой структурой, на котором нет ни обмоток, ни постоянных магнитов. Индукторные машины обладают рядом преимуществ для применения в КНЭ, а именно, прочной и простой в изготовлении конструкцией ротора и бесщёточным возбуждением, что позволяет достигать высоких скоростей вращения и повышает надежность.

Представлены результаты моделирования мотор-генератора мощностью 4,6 кВт с номинальной скоростью вращения 10000 об/мин. Построена макроскопическая модель электромеханической системы мотор-генератора, позволяющая анализировать процессы в различных режимах работы. Параметры модели определены на основе численного анализа.

Сведения об авторах

Екатерина [Ekaterina] Павловна [P.] Курбатова [Kurbatova]

кандидат технических наук, доцент кафедры электромеханики, электрических и электронных аппаратов НИУ «МЭИ», e-mail: kurbatovaep@mail.ru

Егор [Egor] Александрович [A.] Кущенко [Kushchenko]

аспирант кафедры электромеханики, электрических и электронных аппаратов НИУ «МЭИ», e-mail: KushchenkoYA@gmail.com

Тимофей [Timofey] Александрович [A.] Золотарев [Zolotarev]

магистр по направлению «Электроэнергетика и электротехника», e-mail: ZolotarevTA@mpei.ru

Павел [Pavel] Александрович [A.] Курбатов [Kurbatov]

(27.03.1949 — 30.08.2023) — доктор технических наук

Литература

1. Kumar P., Kumar V. Energy Storage Options for Enhancing the Reliability of Power System in the Presence of Renewable Energy Sources // Proc. II Intern. Conf. Inventive Research in Computing Appl. Coimbatore, 2020. Pp. 1071—1076.
2. Ramakrishnan J., Hashemi S., Træholt C. Assessment of Energy Storage Systems for Multiple Grid Service Provision // Proc. IEEE XIV Intern. Conf. Compatibility, Power Electronics and Power Eng. Setubal, 2020. Pp. 333—339.
3. Nadour M., Essadki A., Nasser T. Power Smoothing Control of DFIG Based Wind Turbine Using Flywheel Energy Storage System // Proc. Intern. Conf. Electrical and Information Technol. Rabat, 2020. Pp. 1—7.
4. Nguyen X.P., Hoang A.T. The Flywheel Energy Storage System: an Effective Solution to Accumulate Renewable Energy // Proc. VI Intern. Conf. Advanced Computing and Communication Syst. Coimbatore, 2020. Pp. 1322—1328.
5. Mouratidis P., Schüßler B., Rinderknecht S. Hybrid Energy Storage System Consisting of a Flywheel and a Lithium-ion Battery for the Provision of Primary Control Reserve // Proc. VIII Intern. Conf. Renewable Energy Research and Appl. Brasov, 2019. Pp. 94—99.
6. Dergachev P., Kosterin A., Kurbatova E., Kurbatov P. Flywheel Energy Storage System with Magnetic HTS Suspension and Embedded in the Flywheel Motor-generator // Proc. IEEE International Power Electronics and Motion Control Conf. Varna, 2016. Pp. 574—579.
7. Murayama M., Kato S., Tsutsui H., Tsuji-Iio S. Magnet Coil Power Supply by a Self-excited Induction Generator with a Flywheel for a Small Tokamak // Fusion Eng. and Design, 2019. V. 148. P. 111270.
8. Li X., Erd N., Binder A. Design and Calculation of a 130 kW High-speed Permanent Magnet Synchronous Machine in Flywheel Energy Storage Systems for Urban Railway Application // Proc. VI Intern. Conf. Clean Electrical Power. 2017. Pp. 452—459.
9. Severson E., Nilssen R., Undeland T., Mohan N. Outer-rotor AC Homopolar Motors for Flywheel Energy Storage // Proc. VII IET Intern. Conf. Power Electronics, Machines and Drives. Manchester, 2014. Pp. 1—6.
10. Bernsmüller E., Rolim L.G.B., Ferreira A.C. External Rotor Switched Reluctance machine for a Kinetic Energy Storage System // Proc. 42nd Annual Conf. IEEE Industrial Electronics Soc. Florence, 2016. Pp. 1636—1641
11. Li W. e. a. Design of a High-speed Superconducting Bearingless Machine for Flywheel Energy Storage Systems // IEEE Trans. on Appl. Superconductivity. 2015. V. 25(3). Pp. 1—4.
12. Tian X., Xu Y., Wei S. Design of a High-speed Homopolar Inductor Machine for Flywheel Energy Storage System // Proc. XXII Intern. Conf. Electrical Machines and Syst. Harbin, 2019. Pp. 1—5.
---
Для цитирования: Курбатова Е.П., Кущенко Е.А., Золотарев Т.А., Курбатов П.А. Разработка математической модели мотор-генератора со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения // Вестник МЭИ. 2023. № 6. С. 33—40. DOI: 10.24160/1993-6982-2023-6-33-40
---
Работа выполнена в рамках проекта «Кинетический накопитель энергии со сверхпроводниковым генератором» при поддержке гранта НИУ «МЭИ» на выполнение научно-исследовательских программ «Энергетика», «Электроника, радиотехника и информационные технологии» и «Индустрия 4.0, технологии для промышленности и робототехники в 2020 — 2022 г.»
#
1. Kumar P., Kumar V. Energy Storage Options for Enhancing the Reliability of Power System in the Presence of Renewable Energy Sources. Proc. II Intern. Conf. Inventive Research in Computing Appl. Coimbatore, 2020:1071—1076.
2. Ramakrishnan J., Hashemi S., Træholt C. Assessment of Energy Storage Systems for Multiple Grid Service Provision. Proc. IEEE XIV Intern. Conf. Compatibility, Power Electronics and Power Eng. Setubal, 2020:333—339.
3. Nadour M., Essadki A., Nasser T. Power Smoothing Control of DFIG Based Wind Turbine Using Flywheel Energy Storage System. Proc. Intern. Conf. Electrical and Information Technol. Rabat, 2020:1—7.
4. Nguyen X.P., Hoang A.T. The Flywheel Energy Storage System: an Effective Solution to Accumulate Renewable Energy. Proc. VI Intern. Conf. Advanced Computing and Communication Syst. Coimbatore, 2020:1322—1328.
5. Mouratidis P., Schüßler B., Rinderknecht S. Hybrid Energy Storage System Consisting of a Flywheel and a Lithium-ion Battery for the Provision of Primary Control Reserve. Proc. VIII Intern. Conf. Renewable Energy Research and Appl. Brasov, 2019:94—99.
6. Dergachev P., Kosterin A., Kurbatova E., Kurbatov P. Flywheel Energy Storage System with Magnetic HTS Suspension and Embedded in the Flywheel Motor-generator. Proc. IEEE International Power Electronics and Motion Control Conf. Varna, 2016:574—579.
7. Murayama M., Kato S., Tsutsui H., Tsuji-Iio S. Magnet Coil Power Supply by a Self-excited Induction Generator with a Flywheel for a Small Tokamak. Fusion Eng. and Design, 2019;148:111270.
8. Li X., Erd N., Binder A. Design and Calculation of a 130 kW High-speed Permanent Magnet Synchronous Machine in Flywheel Energy Storage Systems for Urban Railway Application. Proc. VI Intern. Conf. Clean Electrical Power. 2017:452—459.
9. Severson E., Nilssen R., Undeland T., Mohan N. Outer-rotor AC Homopolar Motors for Flywheel Energy Storage. Proc. VII IET Intern. Conf. Power Electronics, Machines and Drives. Manchester, 2014:1—6.
10. Bernsmüller E., Rolim L.G.B., Ferreira A.C. External Rotor Switched Reluctance machine for a Kinetic Energy Storage System. Proc. 42nd Annual Conf. IEEE Industrial Electronics Soc. Florence, 2016:1636—1641
11. Li W. e. a. Design of a High-speed Superconducting Bearingless Machine for Flywheel Energy Storage Systems. IEEE Trans. on Appl. Superconductivity. 2015; 25(3):1—4.
12. Tian X., Xu Y., Wei S. Design of a High-speed Homopolar Inductor Machine for Flywheel Energy Storage System. Proc. XXII Intern. Conf. Electrical Machines and Syst. Harbin, 2019:1—5
---
For citation: Kurbatova E.P., Kushchenko E.A., Zolotarev T.A., Kurbatov P.A. The Mathematical Model of a Motor Generator Set with a Superconducting Excitation Winding. Bulletin of MPEI. 2023;6:33—40. DOI: 10.24160/1993-6982-2023-6-33-40
---
The work is executed within the Framework of the Project «Kinetic Energy Storage with a Superconducting Generator» with the Support of a Grant from the National Research University «MPEI» for the Implementation of Research Programs «Power Engineering», «Electronics, Radio Engineering and Information Technology» and «Industry 4.0, Technologies for Industry and Robotics in 2020 — 2022»
Опубликован
2023-09-05
Раздел
Электротехнические комплексы и системы (технические науки) (2.4.2)