«ПАРАМЕТРЫ ОБМОТКИ СТАТОРА И РЕЖИМЫ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА, ПОВЫШАЮЩИЕ КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПОЧВЕННОЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ ...»

1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ФГБОУ ВПО Кубанский ГАУ)

На правах рукописи

БАРАКИН Николай Сергеевич

ПАРАМЕТРЫ ОБМОТКИ СТАТОРА И РЕЖИМЫ АСИНХРОННОГО

ГЕНЕРАТОРА, ПОВЫШАЮЩИЕ КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

ДЛЯ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПОЧВЕННОЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ

Специальность: 05.20.02. - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель – заслуженный изобретатель РФ, кандидат технических наук, доцент Богатырев Н.И.

Краснодар

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………... 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ………………... 1.1 Выбор электрооборудования почвенно-экологической лаборатории и анализ его установленной мощности……………………………………….. 1.2 Анализ существующих автономных источников, применяемых в АПК... 1.3 Существующие методы и схемы стабилизации напряжения асинхронных генераторов……………………………………………………... 1.4 Современный уровень развития технических и электротехнологических показателей статорных обмоток асинхронных генераторов....... 1.5 Выводы, обоснование рабочей гипотезы, цель работы и задачи исследования…………………………………………………………………….

2 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

С ШЕСТИЗОННОЙ ОБМОТКОЙ СТАТОРА……………………………….. 2.1 Математическая модель асинхронного генератора с серийной обмоткой статора при включении несимметричной нагрузки………….. 2.2 Синтез схемы шестизонной обмотки статора асинхронного генератора………………………………………………………………………. 2.3 Математическая модель асинхронного генератора с шестизонной обмоткой статора при включении несимметричной нагрузки………….. 2.4 Выводы по второй главе………………………………………………………..

3 РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ И ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С ШЕСТИЗОННОЙ ОБМОТКОЙ…...

3.1 Оценка степени стабилизации напряжения асинхронного генератора с серийной, автотрансформаторной и шестизонной обмоткой статора. 3.2 Методика и результаты испытания асинхронного генератора с шестизонной обмоткой статора……………………………………………. 3.3 Выводы по третьей главе……………………………………………………...

4 ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С ШЕСТИЗОННОЙ ОБМОТКОЙ СТАТОРА В АВТОНОМНОМ ИСТОЧНИКЕ ПИТАНИЯ…………………

4.1 Экономическая эффективность внедрения асинхронного генератора с шестизонной обмоткой статора в автономном источнике при проведении полевого почвенного обследования…………………………….. 4.2 Выводы по четвертой главе…………………………………………………... ВЫВОДЫ……………………………………………………………………….. ЛИТЕРАТУРА…………………………………………………………………... ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………………… А Перечень электрооборудования почвенно-экологической лаборатории…. Б Технические характеристики электроагрегатов………………………….. В Результаты испытания синхронных генераторов………………………… Г Методика расчета обмоток статора для определения степени размагничивания от тока ротора…………………………………………… Д Справочные данные базового двигателя 4А100S4………………………….. Е Результаты расчета степени размагничивания генератора от тока ротора при определенном воздушном зазоре……………………..………… Ж1 Результаты исследования асинхронного генератора в двигательном режиме………………………………………………………………………….. Ж2 Результаты исследования асинхронного генератора в генераторном режиме с самовозбуждением…………………………………………………. И Регрессионный анализ внешних характеристик асинхронного генератора …………………………………………………………………………….. К Копии актов, патентов и свидетельств на программные продукты……

ВВЕДЕНИЕ

Территория Западного Предкавказья является уникальным природным объектом и крупной многоотраслевой частью Северо-Кавказского экономического района Российской Федерации. Краснодарский край, располагая лишь 3 % сельскохозяйственных угодий России, производит 16 % зерна озимой пшеницы, 40 % зерна озимого ячменя, 24 % зерна кукурузы, 50 % риса, 30 % подсолнечного масла, 25 % сахара [43].

Сохранение и увеличение показателей плодородия сельхозугодий является не только приоритетной задачей Краснодарского края, но и государственной задачей РФ. В связи с этим разработана нормативная база в виде постановлений правительства [136], [135] и концепции развития сельских территорий [137].

В этих правовых актах определена необходимость проведения комплексного государственного мониторинга сельскохозяйственных земель с целью предотвращения выбытия из севооборота земель сельскохозяйственного назначения, сохранения и вовлечения их в сельскохозяйственное производство, обеспечения всех заинтересованных структур достоверной информацией о состоянии и плодородии сельскохозяйственных земель и их фактическом использовании [81].

Использование данных агрохимического обследования полей позволяет определять потребность почв в основных элементах минерального питания, содержание гумуса по полям и другие показатели плодородия в соответствии с рекомендациями [61] по хозяйствам и в целом по району, и с учетом этого планировать потребность в минеральных удобрениях на текущий год [66].

Улучшение качества почвы, сокращение сроков проведения почвенного мониторинга, ведущего к сокращению стоимости обследования, невозможно без применения новейшего электрооборудования, электроприборов и электроустановок. Для проведения почвенного мониторинга появляются новые электронные приборы и электрооборудование, а также портативные лаборатории, которые способны существенно сократить сроки проведения почвенного анализа, а в ряде случаев, выдать предварительные результаты в течение нескольких часов. Без применения средств электромеханизации анализ почвы будет затруднен или невозможен. Возросшая оснащенность электрооборудованием почвенно-экологических лабораторий диктует новые требования к генераторам автономных источников электроэнергии. Необходимость в применении нового электрооборудования отмечалось многими учеными почвоведами [91, 93, 94].

Общеизвестно, что включение однофазных токоприемников к автономным трехфазным источникам соизмеримой мощности – это аномальный режим для генератора, требующий дополнительных исследования для определения оптимальной конструкции обмотки статора и системы возбуждения. Многими исследователями доказывались очевидные преимущества применения асинхронных генераторов в полевых условиях: ремонтопригодность, повышенные эксплуатационные характеристики в сравнении с синхронными генераторами, низкий коэффициент несинусоидальности напряжения [6, 7, 10, 16]. С учетом специфики электрооборудования почвенно-экологической лаборатории существует необходимость в разработке специального и надежного автономного источника электроэнергии с асинхронным генератором, который будет находиться в передвижной лаборатории и питать необходимое электрооборудование.

В связи с этим появляется ряд научных задач: определение режима и характера электрической нагрузки передвижной лаборатории, расчет максимальной мощности источника электроэнергии, анализа режима работы генератора, разработка схемы обмотки статора, проверка качества выходного напряжения генератора, определение системы возбуждения асинхронного генератора.

Работа выполнена по планам НИР Кубанского ГАУ ГР №01.2006.06851 – раздел 27.1 (2006 - 2010 г.); № ГР №01.2011.53641 раздел – 27.4 (2011 - 2015 г.).

Рабочая гипотеза – используя нагрузочную диаграмму подключений электрооборудования для технологического процесса анализа почвы в полевых условиях и учитывая требования к качеству электроэнергии для данного электрооборудования можно разработать асинхронный генератор автономного источника с особой конструкцией обмотки статора для электроснабжения однофазного и трехфазного электрооборудования почвенно-экологической лаборатории.

Целью работы является обоснование и разработка параметров обмотки статора асинхронного генератора, позволяющей рационально использовать габарит электрической машины и обеспечивающей максимальную загрузку асинхронного генератора с нормированным качеством электрической энергии при питании однофазного и трехфазного электрооборудования почвенно- экологической лаборатории для оперативных мониторинговых исследований почвы в полевых условиях.

Задачи исследования:

1. Определить состав электрооборудования для проведения исследования почвы в полевых условиях, смоделировать график электрических нагрузок почвенно-экологической лаборатории и обосновать параметры асинхронного генератора для автономного источника электропитания.

2. На основе современной матричной теории разработать шестизонную обмотку статора, позволяющую рационально использовать габарит электрической машины и обеспечивающую максимальную загрузку асинхронного генератора с нормированным качеством электрической энергии при питании однофазного и трехфазного электрооборудования почвенно-экологической лаборатории.

3. Разработать математическую модель асинхронного генератора и проверить ее работоспособность в пакете MathСad с серийной, автотрансформаторной и шестизонной обмоткой статора при включении несимметричной однофазной и трехфазной нагрузки.

4. Рассчитать, изготовить и провести лабораторные исследования экспериментального образца асинхронного генератора с шестизонной обмоткой и сравнить с характеристиками генератора с серийными обмотками.

5. Провести сопоставление теоретических и экспериментальных данных степени стабилизации напряжения асинхронного генератора с серийной, автотрансформаторной и шестизонной обмоткой статора.

6. Выполнить технико-экономическое обоснование эффективности применения асинхронного генератора с шестизонной обмоткой для питания электрооборудования почвенно-экологической лаборатории.

Объект исследования – электрооборудование почвенно-экологической лаборатории, графики электрических нагрузок, асинхронный генератор с шестизонной обмоткой статора с конденсаторным возбуждением, схемы регулирования и стабилизации напряжения.

Предмет исследования – внешние и регулировочные характеристики асинхронных генераторов, электромагнитные и конструктивные параметры обмоток статора и их влияние на качественные характеристики асинхронных генераторов, компьютерные модели асинхронных генераторов.

Методы исследования базируются на теории электромеханики, системного анализа, математического и компьютерного моделирования, матричной теории формирования схем обмоток статора, на учете воздействия параметров обмоток статора и ротора на магнитное состояние асинхронных генераторов.

Компьютерное моделирование выполнено в программных продуктах MathCad.

Экспериментальные исследования асинхронных генераторов выполнены на запатентованном в Кубанском ГАУ на кафедре электрических машин и электропривода специальном испытательном стенде.

Научную новизну работы составляют:

1. Математические модели асинхронного генератора с серийной, автотрансформаторной и шестизонной обмотками статора для определения внешних характеристик при несимметричном подключении однофазной и трехфазной нагрузки.

2. Методика определения рациональной мощности асинхронного генератора по графикам электрических нагрузок при случайной однофазной и трехфазной переменной нагрузке, создаваемой электрооборудованием почвенноэкологической лаборатории.

3. Параметры шестизонной обмотки статора, полученные методом фазной модуляции, позволяющие рационально использовать габарит электрической машины и обеспечивающие максимальную загрузку асинхронного генератора с нормированным качеством электрической энергии при питании однофазных и трехфазных электропотребителей.

Практическая значимость работы заключается:

- в результатах сравнительных испытаний существующих автономных источников с синхронными и асинхронными генераторами;

- в выборе электрифицированного лабораторного оборудования для проведения почвенного анализа в полевых условиях и инженерной методике расчета необходимой мощности автономного генератора по электрическим нагрузкам и установлению требований к автономному генератору (свидетельство на программный продукт №2012615763);

- в разработке методики расчета обмоток статора и их параметров с использованием емкости конденсаторов возбуждения с учетом размагничивающего действия короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного генератора, позволяющей проектировать новые и модернизировать существующие источники электроэнергии;

- в новых технических решениях для стабилизации напряжения асинхронных генераторов (патент №2356709, 2457612); генераторных установках и источниках питания (патент № 2332772, 2332773, 2332779, 2336151, 2356709);

новой схеме двухполюсной статорной обмотки (патент № 2475927);

- в экспериментально полученных внешних и регулировочных характеристиках образцов асинхронного генератора с шестизонной обмоткой для рационального использования габарита асинхронного генератора, адаптированного для питания трехфазного и однофазного электрооборудования почвенно- экологической лаборатории;

- в технико-экономическом обосновании эффективности применения асинхронного генератора с шестизонной обмоткой для питания электрооборудования почвенно-экологической лаборатории.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований реализованы в экспериментальных образцах асинхронных генераторов. Материалы исследований применяются в учебном процессе на факультете энергетики и электрификации КубГАУ и научной деятельности Краснодарского научно- исследовательского института риса (ГНУ ВНИИ риса).

Апробация работы. Основные положения и выводы диссертации доложены и одобрены на ежегодных научных конференциях факультета энергетики и электрификации КубГАУ (2007 – 2013 гг.); на ежегодных Всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (2008 – 2013 гг.); на 6-й Международной научно-практической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» ГНУ ВИЭСХ, Москва – 2008, Международном конгрессе, Санкт- Петербург, 2009 г., Всероссийских научно-практических конференциях, г. Ставрополь, 2010 и 2012 гг.

Материалы исследований отмечены дипломом II степени краевого конкурса «Олимп науки» на лучшую научную и творческую работу среди аспирантов, соискателей высших учебных заведений Краснодарского края за 2009 год;

дипломами II и I степени соответственно на II и III, VI, VII Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» - Краснодар, 2008 и 2009, 2012, 2013 годы; дипломом за 2 место по номинации «Технические науки» II тура Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Краснодарского края, Зерноград, 2010 г., на ХIII Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед - 2010» награждены золотой медалью.

Публикации результатов работы. Основные положения работы опубликованы в 31 печатной работе, в том числе 12 патентах РФ на изобретения и одном свидетельстве на программный продукт.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения с обоснованием задач исследований, 4 глав, основных выводов по работе, списка литературы, включающего 171 наименование и приложения. Общий объем диссертации составляет 130 страниц машинописного текста, включая 86 рисунков, таблиц, 61 страниц приложений.

На защиту выносятся:

- математические модели асинхронного генератора с серийной, автотрансформаторной и шестизонной обмотками статора для определения внешних характеристик при несимметричном подключении однофазной и трехфазной нагрузки;

- методика определения рациональной мощности асинхронного генератора по графикам электрических нагрузок при случайной однофазной и трехфазной переменной нагрузке, создаваемой электрооборудованием почвенно- экологической лаборатории;

- результаты математического анализа МДС известных схем обмоток статора и разработка шестизонной обмотки, позволяющей рационально использовать габарит электрической машины и обеспечивающей максимальную загрузку асинхронного генератора при питании однофазных и трехфазных электропотребителей;

- результаты сравнительных испытаний существующих автономных источников с синхронными и асинхронными генераторами;

- результаты расчета параметров автотрансформаторных и шестизонных обмоток и емкости конденсаторов возбуждения с учетом размагничивающего действия реактивной составляющей тока ротора при нагрузке;

- экспериментально полученные внешние и регулировочные характеристики образцов асинхронного генератора с шестизонной обмоткой с нормированным качеством электрической энергии для рационального использования габарита асинхронного генератора, адаптированного для питания трехфазного и однофазного электрооборудования почвенно- экологической лаборатории;

- технико-экономическое обоснование эффективности применения асинхронного генератора с шестизонной обмоткой для питания электрооборудования почвенно-экологической лаборатории.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Выбор электрооборудования почвенно-экологической лаборатории и анализ его установленной мощности В практической деятельности сельскохозяйственному предприятию часто требуется провести быстрый анализ почв участка или всех посевных площадей.

Экспресс-анализ не дает развернутых результатов, таких как лабораторные исследования почв, но позволяет сократить сроки исследований и их стоимость.

Качество почв начинают определять с визуального осмотра, в ходе которого определяется типология почвы на сельскохозяйственном участке. Затем производится непосредственный отбор и проведение анализа почвы. Отбор почв может выполняться как для экспресс-анализа почвы, так и для комплексной оценки почвы и может производиться совместно для обоих исследований. Экспрессанализ почв проводится с использованием портативной экспресс лаборатории, например, SCL-12, SТH, AST и др. Применение фотометрических приборов в таких лабораториях позволяют существенно снизить сроки проведения анализа почвы.

Отбор проб для агрохимического обследования почв проводят в течение всего вегетационного периода. На полях, участках сенокосов, пастбищах, лесных питомниках, где доза внесенных минеральных удобрений по каждому их виду составляла более 90 кг действующего вещества на 1 га, пробы отбирают спустя 2 месяца после внесения удобрений [53, 55].

Для учета показателей плодородия [54, 57] сроки определены следующие: 1 раз в 15 лет сбор и анализ данных общих показателей - мощность гумусового горизонта, уклоны поверхности, название почвы, включая почвообразующую породу и др., 1 раз в 5 лет сбор данных физических и химических показателей: плотность почвы, кислотность, щелочность, содержание подвижного фосфора, содержание макро- и микроэлементов (Са, Mg, Zn, Cu, Mo, S, В), содержание минеральных форм азота и др. [61].

Образцы пахотного слоя для детального исследования обычно отбирают на мощность этого слоя, обычно до глубины 20 см. В специальных исследованиях образцы берут из слоев 0 – 20, 20 – 40 и 40 – 60 см. Для агрохимического обследования обычно отбирают образцы почвы на глубину до 30 см. Для подробной характеристики почвенного профиля образцы отбирают из почвенных разрезов или буровых скважин сплошной колонкой мощностью по 10 см или см послойно до глубины 2 м и более [43, 66]. Для отбора проб почвы используются пробоотборник почвы – бур.

Существуют ручные пробоотборники, пробоотборники пневматического типа и пробоотборники с электрическим приводом.

Ручные пробоотборники наиболее распространены, т.к. они не требуют дополнительных устройств, имеют небольшую массу и значительно дешевле других пробоотборников. Наиболее распространены следующие типы изделий для отбора почв – буры Эдельмана, ручные пробоотборники марки АМ-6, АМБурами часто не получается отобрать пробы почв, в связи с физическими особенностями определенных типов почв (слитых, уплотненных).

В настоящее время самый современный и быстрый пробоотборник гидравлического типа, который монтируется к шасси машины или трактора (рисунок 1.1). Время цикла взятия пробы составляет 2-5 секунд. Основными их недостатками являются: очень высокая стоимость, сложность в эксплуатации и необходимость в специальной подготовке персонала.

В настоящее время широко используют электрические сверлильные машины для отбора проб грунта на различную глубину. Как правило, мощность электробуров колеблется от 0,6 до 1,8 кВт с напряжением питания 220 В. Применение их обосновано для почвенных лабораторий, в которых имеется автономный источник для питания лабораторного и вспомогательного оборудования. От него же и получают питание электрические сверлильные машины. Они могут быть в виде ручного инструмента для отбора проб почвы до 1 м, например, сверлильная машина DS-101D мощностью 1,8 кВт, а могут быть в виде сверлильной установки для отбора почвы до 30 см, например сверлильная машина DS-5V 0,6 кВт, рисунок 1.2.

Рисунок 1.1 – Почвенный гидравлический пробоотборник Niefeld N-2005 а) и цилиндрический почвенный бур с бензиновым отбойным молотком б) Особенностями отбора проб при помощи электрического инструмента являются: низкая стоимость, удобство при использовании (уровень шума ниже, небольшая масса от 3 до 10 кг) в сравнении с приводом от двигателей внутреннего сгорания.

Для деления проб используют различные делители проб. Например, делитель проб Laborette 27 мощностью 90 Вт на напряжение 220 В рисунок 1.3.

Почва, взятая в поле, должна быть высушена до воздушно – сухого состояния. С этой целью ее расстилают на чистой бумаге слоем 0,5–1,0 см, разламывают крупные агрегаты, удаляют корни, новообразования и включения [94, 99].

Рисунок 1.3 – Просеивающая машина AS 400, а) и делитель проб Laborette 27, б) Применяется микроволновая система подготовки проб, например Multiwave 3000 мощностью 1400 Вт, на напряжение 220 В и частоту 50 Гц, которая позволяет произвести высушивание образца, при этом действие происходят при высокой температуре и давлении. Подготовка проб образцов длится от 20 до 45 минут.

Высушенный образец почвы просевают через сито с диаметром отверстий 1 мм. Просеивающие машины AS 400 control мощностью 125 Вт на напряжение 220 В, частоту 50 Гц используются для рассева сухих материалов с контрольными ситами диаметром до 400 мм (рисунок 1.3, а)). Равномерное циркулярное и горизонтальное движение обеспечивает хорошее разделение просеиваемого материала [40, 53].

Для проведения точного анализа почвы в полевых условиях с минимальными затратами времени и снижения трудозатрат применяются разнообразные электронные устройства и электрооборудование.

Перемешивание жидкостей одновременно в нескольких сосудах осуществляется вибраторами с подогревом платформы: LOIP LS-110 (ЛАБ-ПУ-01) объемом от 50 до 2000 мл мощностью 250 Вт, вибратор ПЭ-6410 объемом 100 мл мощностью 300 Вт обеспечивает равномерное перемешивания реактивов в колбе (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 – Вибратор сосудов: а) LOIP LS-110 (ЛАБ-ПУ-01), б) ПЭ- Для подогрева колб применяют нагреватели, которые обеспечивают равномерный, быстрый нагрев жидкостей и точное поддержание температуры за счет применения пропорционально-интегрального регулятора, имеющего обратную связь с контрольной термопарой и плавную регулировку температуры.

Сушка посуды, пробирок, колб производится сушильными устройствами.

Обычно происходит одновременная сушка крупных единиц (колбы, стаканы) и мелких единиц лабораторной посуды (пробирки).

Для исследования влажности почвы используют электрометрические, весовые (гравиметрические), тензиометрические и радиометрические методы.

Наиболее распространенными являются весовые методы, при которых происходит сушка образца почвы в сушильном шкафу при 105° до постоянной массы. Сушильные шкафы также применяются для сушки, подогрева, прокаливания и испытания различных материалов в воздушной среде. Как правило, они оснащены программными терморегуляторами с точностью поддержания температуры ±1 °С, мощностью – 1,1 кВт.

Проанализировав электроприемники, мы построили график электрической нагрузки для технологического процесса отбора проб и анализа почвы, но с определенной вероятностью возможного случайного включения однофазного электрифицированного оборудования. Это необходимо учитывать при определении режима работы генератора автономного источника (рисунок 1.5).

Кроме того, для исследования показателей плодородия почвы используются различные электронные приборы, обладающие небольшой мощностью и питающиеся от аккумулятора, но требующие качественную электроэнергию в соответствии с ГОСТом [58], такие как магнитные мешалки, мощность которых колеблется от 10 до 30 Вт, требующие питание через стабилизатор напряжения 220 В; вытяжные шкафы, мощность которых варьируется от 30 до 400 Вт; титраторы мощностью 10-20 Вт; портативные pН–метры, кондуктометры, фотометры, полярографы, лабораторные электрические весы и др.. Электрооборудование, используемое в мобильной почвенной лаборатории, перечислено в А.1.

Основные термины, определения и методы расчета электрических нагрузок описаны в нормативных документах [138, 139]. Однако существует ряд научных проблем, связанных с доработками и совершенствованию методик по расчету определенных электрических нагрузок, а именно, определение максимальной нагрузки сельских потребителей [59], определение предельных законов распределения для взаимной корреляции нагрузок [95], выбор мощности автономного генератора для сельских потребителей [42, 154]. В соответствии с [141, 153] для составления графика электрических нагрузок собираются исходные данные для расчета на основании полученных от технологов, операторов и других специалистов таблиц-заданий на проектирование электротехнической части и согласно справочным материалам, в которых приведены значения коэффициентов использования и реактивной мощности для индивидуальных электроприводов.

Проблема определения расчетных электрических нагрузок возникает при числе электроприемников более трех, так как расчетный ток и расчетная мощность не могут находиться по упрощенным выражениям как сумма номинальных токов и мощностей отдельных электроприемников.

Когда мы имеем дело более чем с тремя электроприемниками, разнородными по мощности и режиму работы, суммарная их нагрузка образует общую величину, которая может быть представлена в виде графика мощности или тока в зависимости от времени [77].

Существенное влияние на формирование графика нагрузок для почвенноэкологической лаборатории оказывает случайный фактор включения электроприемника, так как последовательность проведения почвенного мониторинга не описана в нормативных документах [138, 139], то возможны различные варианты включения электроприемников.

Случайный график нагрузки характеризуется тремя показателями: математическим ожиданием MP, дисперсией DP и корреляционной функцией R [153].

При взаимной независимости отдельных электроприемников и одинаковой вероятности их включения, распределение числа включенных электроприемников является биноминальным. Если к генератору можно подключить m токоприемников, то вероятность включения токоприемника мощностью n из них составляет [49, 52, 153]:

где q=1-p;

Cm - сочетание чисел от m до n, которое определяется:

Математическое ожидание нагрузки:

где - единичная мощность электроприемника.

Среднеквадратическое отклонение мощности:

При достаточно большом числе m в каждой группе, как в нашем случае, закон распределения нагрузок можно считать нормальным. Тогда функцию распределения нагрузки можно записать:

Известно, что значение среднеквадратического отклонения можно рассматривать как оценку отклонения случайной величины от ее математического ожидания. Для определения расчетного значения нагрузки используется формула [153]:

где - коэффициент надежности расчета и определяет вероятность, с которой случайные значения нагрузки останутся меньшими принятого расчетного значения Sp.

Анализ электроприемников передвижной почвенной лаборатории показал, что в формировании общей нагрузки могут участвовать электроприемники с фиксированным временем работы и случайно включаемые, причем последние в значительной степени преобладают над первыми.

Исходными данными для расчета являются: потребляемая активная мощность Р, вероятность р, и длительность работы t. В случае независимости включения электроприемников друг от друга в пределах одного получасового интервала вероятность одновременной работы равна [59].

где n – количество электроприемников.

Число возможных комбинаций одновременно включаемых потребителей Применяя (1.9) и (1.10), можно рассчитать вероятности всех возможных сочетаний одновременно работающих электроприемников. Каждой комбинации соответствует своя суммарная мощность.

Таким образом, с помощью выражений (1.7), (1.8) и (1.10) можно рассчитать все возможные для конкретного набора электроприемников значения суммарной мощности и вероятности появления этих значений. Если одно и то же значение может создаваться разными комбинациями электроприемников, вероятность появления такой мощности находят как сумму вероятностей всех комбинаций, создающих данное значение.

Учитывая данные технологического процесса отбора и экспресс-анализа почвы, задаем временной период более чем 0,5 часа – 4 часа и 1 час и наиболее вероятное время работы каждого электроприемника. Вероятность включения задаем для отрезков времени (800-1200, 1200-1300, 1200-1700) часов, так как возможны отклонения от заданного графика работы. Например, отбор почвы может не завершиться до 1200 и продолжиться далее, при этом появляется меньшая по величине вероятность включения почвенных пробоотборников. Разработанная программа расчета опробована, работоспособна и получено свидетельство на программный продукт №2012615763 [140].

Из теории вероятностей [49, 52] следует, что распределение мощности с числом электроприемников более 30 подчиняется нормальному закону. Суммарную максимальную мощность выбирают в соответствии с принципом практической уверенности, исходя из которой, выбирают максимум из суммарных мощностей с вероятностью более чем 0,05.

Расчетные графики (рисунок 1.6) показывают возможные случайные включения однофазной нагрузки, что может привести к загруженности одной фазы и появлении значительного несимметричного напряжения на других. Из полученных расчетных графиков видно, что включение однофазного электрооборудования носит случайный характер, и максимальная мощность их не превышает 3,1 кВт, а наиболее вероятная мощность составляет 2,5 кВт. Мощность трехфазная не превышает 2,5 кВт. Уровень напряжения электроприемников и 380 В, частотой тока 50 Гц.

Рисунок 1.6 – Результат расчета подключаемой мощности электроприемников передвижной лаборатории в зависимости от вероятности включения в период с 800 до 1200, с 1200 до 1300 и с 1300 до Требования качества электроэнергии для автономных источников известны из ГОСТа [58]. Однако, в почвенно-экологической лаборатории возможны включения однофазной нагрузки единичной мощности до 1,2 кВт к генератору, что приводит к несимметрии по фазам, отклонению напряжения и т.д., и может повлиять на работу лабораторного оборудования и внести погрешность при анализе, прервать опыты или испортить пробу.

1.2 Анализ существующих автономных источников, применяемых в АПК Научные проблемы использования автономных источников в АПК исследовались многими учеными [11-17, 19-23, 87, 141, 145, 147, 151]. К электрическим генераторам автономных источников электроэнергии небольшой мощности для сельского хозяйства предъявляется ряд специфических требований:

наименьшая масса и габариты, бесконтактное исполнение, надежность генератора. Известны отечественные разработки автономных источников [1-5, 25, 26, 35-38], некоторые из них серийно выпускались заводом «Калугатрансмаш», в том числе и передвижные электростанции типа АБ и ГАБ (Б2.1).

В настоящее время большинство серийно выпускаемых промышленностью автономных электростанций мощностью до 10 кВт выполняются на основе синхронных или асинхронных генераторов с частотой вращения 1500- об/мин с бензиновым или дизельным приводом, отличаются большими габаритами и массой, недостаточно надежны и неремонтопригодны в полевых условиях. Так, масса электростанции GEKO 6401 с асинхронным генератором мощностью 6 кВт составляет 108 кг, синхронный EISEMANN H 7400 аналогичной мощности – 117 кг (Г2.1). Анализ передвижных электростанций показывает, что проблема создания малогабаритных и экономичных электростанций может быть решена на основе бесконтактных асинхронных генераторов с определенной системой емкостного возбуждения для стабилизации напряжения и частоты генератора при изменении нагрузки. Тип устройства возбуждения генератора оказывает решающее влияние на показатели проектируемой электростанции и должен определяться по всей совокупности требований, предъявляемых к автономному источнику. При питании определенного вида нагрузок (активная нагрузка, полупроводниковые выпрямители и др.) асинхронный генератор обладает преимуществами по сравнению с другими типами генераторов. Они характеризуются малой удельной массой, малыми габаритами, отсутствием скользящих контактов, прочностью ротора, низкой рыночной стоимостью.

Емкостная система возбуждения исполняет роль фильтра на пути высших гармоник напряжения, а в сочетании с дросселями, настроенными в резонанс с наиболее нежелательными – пятой и седьмой гармониками, может снизить их уровень до 1 - 3 % по отношению к первой гармонике [150].

Одним из производителей автономных источников является группа компаний «Вепрь», которая производит широкий ряд генераторных установок (приложение Б2.2). Особенностью этих установок является малая стоимость за счет низкой шумовой изоляции и степени защиты генератора, что ограничивает их использование в АПК. Генератор для однофазных электроагрегатов «Вепрь»

2 - 8 кВА синхронный, однофазный, без колец и щеток, с компаундной системой возбуждения посредством подключаемой емкости. Охлаждение обмоток статора генератора осуществляется с помощью центробежного вентилятора, расположенного со стороны привода. Частота вращения привода 3000 об/мин.

При снижении оборотов ниже 50% генератор не возбуждается, напряжение отсутствует. Генератор для трехфазных агрегатов 5 - 10 кВА синхронный с системой возбуждения с компаундированием.

При подключении однофазных электроприемников к трехфазному синхронному генератору возникает нарушение симметрии напряжения. В синхронных генераторах снижение напряжения в фазах служит сигналом системе возбуждения к увеличению тока возбуждения, при этом увеличивается напряжение во всех трех фазах, в том числе и ненагруженных (приложение В1 – В2).

Проведенные нами исследования СГ разных производителей и систем возбуждения показали следующие результаты. К СГ типа ПСГС-6,25 (Рн=5 кВт, fн=50 Гц, Iн=15,7 А, Uн=230/130 В, cos = 0,8, КПД = 80%, n=1500 об/мин, класс изоляции В, вес 135 кг) подключалась нагрузка в виде индукционного регулятора к линейным выводам АС.

Рисунок 1.7 – Изменение линейного напряжения синхронного генератора ПСГС-6,25 и коэффициента несинусоидальности напряжения от тока нагрузки В СГ с системой регулирования возбуждения при подключении нагрузки 20 А, что является 1,2Iн, наблюдалось в фазе В увеличение фазного напряжения до 155 В (рисунок 1.7) и искажение формы напряжения. В СГ без системы регулирования возбуждения при подключении нагрузки 20 А, наблюдалось уменьшение напряжения на нагрузке до 60 В и искажение формы напряжения.

Испытание синхронного генератора ГАБ–4Т/230 (Рн =5 кВт, fн=50 Гц, Iн=15,7 А, Uн=230/130 В, cos = 0,8, КПД = 80%, n=3000 об/мин, класс изоляции В, вес 78 кг) показали, что при включении однофазной активной- индуктивной нагрузки 5 А в ненагруженной фазе увеличивается напряжение до 274 В, а коэффициент несинусоидальности достигает 17 %. При дальнейшем увеличении нагрузки асимметрия напряжений возрастает, рисунок 1.8 и 1.9.

Рисунок 1.8 – Изменение линейного напряжения на выводах СГ ГАБ – 4Т/230 и коэффициента несинусоидальности напряжения от тока нагрузки с системой регулирования возбуждения Рисунок 1.9 – Осциллограммы напряжения на выводах СГ ГАБ – 4Т/230 при подключении однофазной нагрузки с системой регулирования возбуждения. Настройки осциллографа: 1 - 100 В/см, 20 мс/см.

В почвенно-экологической лаборатории НИИ Прикладной экологии КубГАУ используются преимущественно однофазные автономные источники зарубежных производителей: Endress, Eismann, Geko, мощностью 1,5 – 5 кВА открытого исполнения. Существенным недостатком однофазных генераторов является высокий коэффициент несинусоидальности напряжения, отклонение напряжения больше допустимого при подключении нагрузки. Испытания однофазного автономного источника Endress ESE 40 BS (рисунок 1.10) показали, что при подключении активно-индуктивной нагрузки 10 А (0,8 Iн) напряжение падает ниже допустимого 188 В, а коэффициент несинусоидальности напряжения выходит за пределы допустимого значения свыше 12 %.

Рисунок 1.10 – Зависимость напряжения на выводах и коэффициента несинусоидальности напряжения от тока нагрузки однофазного генератора Endress ESE Анализ существующих и перспективных автономных источников показали, что при включении однофазных электроприемников к синхронным генераторам возникает асимметрия и искажение формы напряжения, что увеличивает погрешность лабораторных приборов. Это подтверждает актуальность применения асинхронного генератора в качестве источника питания.

1.3 Существующие методы и схемы стабилизации напряжения асинхронных генераторов Обзор публикаций по современному состоянию автономных источников питания выполнялся по библиотечному фонду КубГАУ, базам научной электронной библиотеки http://elibrary.ru, ФГБУ ФИПС http://www1.fips.ru и другим доступным научным базам. Рассматривались также каталоги и паспорта производителей генераторных и сварочных установок.

Среди российских ученых наибольшее число публикаций и патентов по исследованию асинхронных генераторов в различных режимах имеют: Алюшин Г.Н., Балагуров В.А., Богатырев Н.И., Ванурин В.Н., Вронский О.В., Григораш О.В., Джендубаев А.-З.Р., Зубков Ю.Д., Екименко П.П., Кицис С.И., Кунцевич П.А, Лесник В.А., Лищенко А. И., Оськина А.С., Синицин А.С., Торопцев Н.Д., Фаренюк А.П., Фильц Р.В. и другие авторы.

В известных публикациях рассмотрены вопросы самовозбуждения и стабилизации напряжения асинхронных генераторов; их внешние характеристики;

работа с параллельной и продольной системами возбуждения; работа асинхронных генераторов на выпрямительную нагрузку и сварочную дугу [8, 16, 18, 20 - 39, 48, 62 - 64, 69 - 75, 78 - 80, 85, 86, 88 - 90, 98, 144, 148 - 152].

По своим свойствам и принципу работы АГ не может служить источником реактивной мощности, поэтому внешние характеристики его являются крутопадающими, особенно при подключении активно- индуктивных нагрузок.

Такие генераторы нуждаются в стабилизации напряжения. Стабилизация напряжения осуществляется компенсацией индуктивной мощности, как потребителей, так и самого генератора, который нуждается в реактивном токе для создания основного магнитного потока [29, 102-105, 120, 121, 125, 128] Под стабилизацией напряжения, в общем случае, понимается сохранение постоянства напряжения на зажимах нагрузки путем такого регулирования основного магнитного потока, при котором напряжение на зажимах генератора остается постоянным или изменяется в допустимых пределах.

При постоянной частоте вращения ротора АГ можно выделить два основных метода регулирования основного магнитного потока: первоначальное насыщение магнитопровода (подмагничивание спинки сердечника статора). Этот метод и схемные решения достаточно подробно изучены и представлены в публикациях [5, 80, 148, 152]. Недостатки таких схем -большие потери на холостом ходу, не удовлетворительные масса и габаритные показатели, искажение формы выходного напряжения.

Второй метод - увеличение емкостного тока конденсаторов по мере снижения напряжения асинхронного генератора. Такое направление наиболее перспективно в плане энергетических показателей и точности регулирования напряжения. Оно реализовано во многих технических решениях, например, в автономном источнике электрической энергии [1] емкостный ток конденсаторной батареи регулируется якорем ДПТ, соединенным валом с приводным двигателем. Учитывая, что емкостный ток АГ может достигать 60% от номинального тока, то в этом случае часть энергии через вал ДПТ возвращается в систему.

Достоинство – повышается КПД. Недостаток – сложная схема управления и как следствие – малая надежность.

Другое устройство для автоматического регулирования напряжения АГ предназначено для питания нагрузки соизмеримой мощности (рисунок 1.11) [102]. Здесь реализована система параллельного и последовательного возбуждения АГ. К недостаткам следует отнести сложность схемы и большую емкость пусковых конденсаторов, включаемых при запуске мощного двигателя.

При длительных перерывах в работе часто возникают проблемы самовозбуждения АГ. В автономном источнике [103] повышается надежность самовозбуждения АГ за счет принудительного возбуждения от катушки зажигания приводного двигателя. Главное преимущество предлагаемого этой схемы с АГ – возможность возбуждения генератора в любых условиях (без постороннего источника), что повышает надежность работы особенно в полевых условиях.

По конструктивным особенностям АГ стабилизация его частоты принципиально возможна двумя основными методами: регулированием скорости вращения вала АГ приводным двигателем и применением управляемых преобразователей частоты.

В регуляторе частоты электроэнергетической установки [101] реализован электромеханический способ поддержания частоты тока АГ. В приводном двигателе этой установки выход центробежного регулятора соединен с устройством подачи топлива и валом синхронного двигателя, у которого обмотка статора соединена с выходом АГ. Стабильность частоты определяет астатизм центробежного регулятора, так как он вращается со скоростью, строго пропорциональной частоте тока АГ.

Рисунок 1.11 – Схема стабилизации напряжения АГ автономного источника. GA – асинхронный генератор; C1-C3 – конденсаторы возбуждения; C7-C9 – группа пусковых конденсаторов; UZ – На рисунке 1.12 показана структурная схема устройства для стабилизации частоты и напряжения автономного асинхронного генератора [105].

Устройство содержит АГ 1, конденсаторы возбуждения 2, преобразователь частоты 3, выходной фильтр 4, блок трансформаторов тока 5, блок трансформаторов напряжения 6, выходные зажимы 7, блок косинусной синхронизации 8, задающий генератор частоты 9 и регулятор частоты 10, блоки формирования управляющих сигналов 11, 12, 13, каждый из которых содержит: первый, второй и третий формирователи импульсов 14, 15, 21, два логических элемента «И» 16 и 17, два распределителя импульсов 18 и 25, два усилителя импульсов 19 и 26, генератор пилообразного напряжения 22, делитель напряжения 23, датчик тока 24, генератор – формирователь типа кривой 20.

Принцип стабилизации частоты и напряжения АГ заключается в регулировании реактивной мощности, потребляемой генератором, за счет изменения угла сдвига фаз на входе преобразователя частоты. Изменение угла сдвига фаз происходит путем непрерывного смещения участков кривых выходных напряжений положительного и отрицательного типов, формирующихся преобразователем частоты, относительно полярности тока нагрузки. При этом угол сдвига фаз на входе преобразователя может изменяться от -90о до +90о.

Работа блоков формирования управляющих сигналов, обеспечивающих стабилизацию выходного напряжения АГ, подробно описана [105].

В КубГАУ совместно с автором разработаны несколько современных стабилизаторов напряжения для АГ и СГ [119 – 125, 128]. Принципиальная схема автономного источника электрической энергии со стабилизированным выходным напряжением представлена на рисунке 1.13 [121].

На статоре расположены под углом 90 электрических градусов основная и дополнительная обмотки w1 и w2. Конденсаторы возбуждения C1 – C3 подключены к основной обмотке, а конденсаторы регулирования С4 – С6 включены между одноименными фазными выводами двух обмоток. В результате рабочая обмотка и конденсаторы регулирования C4 – C6 представляют собой феррорезонансный стабилизатор напряжения. При подключении нагрузки происходит стабилизация напряжения без дополнительных элементов автоматики, что способствует повышению КПД и энергетических показателей.

Устройство для регулирования и стабилизации напряжения автономного асинхронного генератора (рисунок 1.14) [125] содержит автономный АГ 1, к фазам статора которого подключены батарея некоммутируемых конденсаторов 2, выходные контакты статора 3 (А, В, С), блок управления 4, трехфазные электронные ключи 5, 6, 7 соединены выходами с батареями коммутируемых конденсаторов 8, 9, 10, а оптронными входами 11, 12, 13, с блоком управления 4.

Особенностью схемы является то, что при снижении напряжения трехфазные электронные ключи 5-7 по сигналу блока управления 4 подключаются при переходе коммутирующего напряжения через ноль, поэтому отсутствуют гармонические составляющие тока и напряжения, а также коммутационные перенапряжения и помехи.

Рисунок 1.14 – Схема для регулирования и стабилизации напряжения автономного асинхронного генератора Перспективным направлением наших исследований является разработка универсального автономного источника питания сварочной дуги и электротехнологических установок в АПК [122, 124]. Источник, изображенный на рисунке 1.15, содержит АГ 1 с конденсаторами возбуждения 2, от которого питается трехфазная нагрузка и выпрямитель 3 для сварочной приставки. Достоинства предлагаемого источника – за счет повышения частоты тока 30 70 кГц снижается масса разделительного трансформатора 4 сварочного инвертора, а молекулярный накопитель энергии 10 позволяет АГ устойчиво работать при коротких замыканиях сварочного электрода в процессе сварки.

Рисунок 1.15 – Автономный источник питания сварочной дуги и электротехнологических установок Устройство для регулирования и стабилизации напряжения автономного многофункционального асинхронного генератора (рисунок 1.16) имеет выводы 400/231 В, 42/24,2 В переменного и 56/28 В постоянного тока (возможны другие соотношения напряжений) [128].

Возбуждение АГ осуществляется от батареи некоммутируемых 9 и регулируемых конденсаторов 12. Стабилизация напряжения осуществляется регулируемыми конденсаторами по трем фазам посредством компаратора 15 и трехфазного ключа 11. Трехфазный электронный ключ 11 периодически подключается при переходе коммутирующего напряжения через ноль, поэтому отсутствуют высшие гармонические составляющие тока и напряжения, а также коммутационные перенапряжения и помехи. Изменяя положение ползунка потенциометра 21, изменяют момент переключения компаратора 15 и, тем самым, выходное напряжение АГ.

Различные выходные напряжения расширяют функциональные возможности генератора и источника питания с таким генератором.

При известных положительных качествах рассмотренных устройств имеются недостатки: в данных устройствах недостаточно исследован режим подключения однофазной нагрузки к АГ и рассматриваются преимущественно режимы подключения трехфазной или однофазной симметричной нагрузки.

При подключении однофазной нагрузки к данным генераторам, происходит включение дополнительной емкости на всех фазах, что приведет к включению лишней емкости и отклонению напряжения на других фазах.

1.4 Современный уровень развития технических и электротехнологических показателей статорных обмоток асинхронных генераторов В асинхронном генераторе, как в любой асинхронной машине, статорная обмотка является наиболее сложной, ответственной и технологически трудоемкой в изготовлении частью электрической машины. Статорная обмотка определяет своими электромагнитными свойствами, технологичностью и стоимостью все основные показатели АГ. В этой связи выбор наиболее рациональных схем обмоток АГ и оптимизация их электромагнитных параметров – важнейший этап разработки и создания АГ небольшой мощности для автономных источников питания.

Разработкой и исследованием статорных обмоток занимаются на протяжении более сотни лет со дня создания асинхронного двигателя. Известные обмотки переменного тока достигли достаточно высокой технологичности в изготовлении и имеют приемлемые электромагнитные параметры, но поиски новых, более совершенных и эффективных схем и конструкций трехфазных обмоток продолжаются и в настоящее время.

Анализ доступных литературных источников показал, что вопросами исследования и разработки статорных обмоток асинхронных двигателей в разное время занимались: К.И. Шенфер, М. Лившиц - Гарик, Я. Кучера, Й. Гапл, М.П.

Костенко и другие ученые.

В этих работах рассмотрены принципы построения и расчета различных обмоток и методы их анализа. В частности для обмоток машин переменного тока приведены разные способы исследования обмоточных коэффициентов, определено влияние обмоток на распределение индуцированного напряжения.

Для исследования электромагнитных свойств обмоток переменного тока применялись диаграммы магнитных напряжений – диаграммы Гергеса.

Однако эти издания уже не отражают современного состояния развития электромашиностроения, технологии и уровня обмоточного производства и изоляционных материалов. В более поздних работах А.Э. Кравчика [84], Г.К.

Жерве [67], В.И. Попова [133, 134], В.Н. Ванурина [46, 47] изложены принципы формирования трехфазных обмоток, и приведены новые схемы обмоток с улучшенным гармоническим составом МДС для АД. Показаны исследования электромагнитных параметров по многоугольникам МДС и их оптимизация для различных типов обмоток, в том числе для многоскоростных АД по условиям минимизации коэффициента дифференциального рассеяния, а также возможности матричного метода анализа обмоток. Предложенные обмотки использованы в новой серии RA АД мощностью до 100 кВт производства ЯЭМЗ [9, 133, 134].

Необходимо отметить тот фактор, что в известных изданиях приведены результаты исследований, направленные на совершенствование обмоток для асинхронных двигателей, и нет информации по усовершенствованию обмоток асинхронных генераторов.

В начале XXI века возрос интерес к автономным асинхронным генераторам для систем автономного электроснабжения. В этой связи возникла потребность в создании новых статорных обмоток для генерирования разного выходного напряжения, частоты тока и других функциональных свойств. В этом направлении определенных результатов достигли ученые ВНИПТИМЭСХ (г.

Зерноград) и КубГАУ (г. Краснодар) которые разработали более 30 новых обмоток для АГ, некоторые представлены в [106-115, 117, 118, 129-132].

В работе Вронского О.В. [50, 103, 108, 113] подробно исследованы модулированные статорные обмотки АГ на частоту тока 200 Гц для питания двигательной нагрузки и сварочной дуги. При вращении таких АГ двигателями внутреннего сгорания без мультипликаторов (с частотой вращения, близкой к об/мин) подходят 10 и 8 полюсные статорные обмотки с комбинированной схемой соединения (рисунок 1.17). При одинаковом числе витков в катушках соотношение напряжений генератора составляет Uв/Uн = 5,46/1 = 230/42 В.

Рисунок 1.17 – Схема обмотки статора и базовые диаграммы Гергеса, 2р = Рисунок 1.18 – Схема обмотки статора и базовые По мнению исследователя из разных по конструктивным признакам вариантов 10 и 8 полюсных статорных обмоток (двухслойных, цепных, двойного шага) наименьшим коэффициентом дифференциального рассеяния характеризуются обмотки двойного шага. Среди гармоник МДС от тока нагрузки присутствует и гармоника = р, оказывающая определенное влияние на магнитное состояние генератора (рисунок 1.19 и 1.20).

Рисунок 1.19 – Ориентация ЭДС обмоток на 10 и 8 полюсов, токи нагрузки в обмотках на 10 и 8 полюсов Рисунок 1.20 – Первые гармоники периода МДС от тока нагрузки обмотки двойного шага, 2р = Обмотки называются модулированными, поскольку форма их МДС от тока нагрузки отличается от формы МДС от тока возбуждения (рис. 1.22) [30].

Рисунок 1.21 – Первые гармоники периода МДС от тока нагрузки обмотки двойного шага, 2р = В работе Оськиной А.С. для питания электрифицированных инструментов, электротехнологических установок в садах и виноградниках разработан многофункциональный АГ на частоту тока 200 Гц и три уровня выходного напряжения [98]. Автор показала, что при расчете обмоток и параметров асинхронных генераторов ранее не учитывалось влияние размагничивающего реактивного тока роторной обмотки на магнитное состояние генератора при нагрузке, что, в свою очередь, заметно влияет и на определение номинальной мощности генераторов, и на вид их внешних характеристик.

Рисунок 1.22 – МДС от тока возбуждения и от тока нагрузки, 2р = 10, а); 2р = 8, б) Для указанных токоприемников в большей мере подходит разработанная восьмиполюсная модулированная обмотка [22, 38, 98] при 23 и = - 50° (рисунок 1.23). Для получения среднего напряжения ее выполняют с дополнительными выводами.

Рисунок 1.23 – Схема обмотки статора, принципиальная схема соединения обмоток с подключением конденсаторов возбуждения и указанием соотношения ЭДС на отдельных выводах Направление разработки модулированных обмоток продолжил в своих исследованиях Синицын А.В. [142]. Автор предложил двухчастотный генератор на 200/50 Гц для питания электроприводов и оборудования стригальных цехов. Обоснована схема статорной обмотки для генератора на 200/50 Гц, со схемой соединения фаз / и с соотношением витков в однослойных и двухслойных катушках равным 4/3. Для этой обмотки kоб8 = 0,883, kоб2= 0,79, д8 = 0,171, д2= 0,0057. Наличие заметных амплитуд высших гармоник (рисунок 1. и 1.25) потребовало анализа их дополнительных тормозных моментов.

По нашему мнению, рассмотренные выше комбинированные обмотки на частоту тока 200 Гц и двухчастотные не решают поставленных нами задач для питания мобильной почвенно-экологической лаборатории.

Рисунок 1.24 – Гармоники периода МДС, низшая и высшие гармоники МДС, 2р = Рисунок 1.25 –Гармоники периода МДС, низшая и высшие гармоники МДС, 2р = 1.5 Выводы, обоснование рабочей гипотезы, цель работы и задачи исследования Испытание трехфазных синхронных генераторов ПСГС и ГАБ-4 соизмеримой мощности (5 кВт) показали, что при подключении однофазной нагрузки приводит к асимметрии напряжения. На ненагруженных фазах напряжение возрастает до 268 В (ПСГС) и до 320 В (ГАБ-4), а коэффициент несинусоидальности до 17%, что недопустимо по нормам качества электрической энергии. Поэтому нами предлагается применение асинхронного генератора в качестве источника тока.

Научная проблема состоит в следующем: существующие статорные обмотки асинхронного генератора не позволяют в должной мере осуществить стабилизацию напряжения, что ведет к необходимости использования дополнительных устройств или завышать габарит генератора.

Целью работы является обоснование и разработка параметров обмотки статора асинхронного генератора, позволяющей рационально использовать габарит электрической машины и обеспечивающей максимальную загрузку асинхронного генератора с нормированным качеством электрической энергии при питании однофазного и трехфазного электрооборудования почвенно- экологической лаборатории для оперативных мониторинговых исследований почвы в полевых условиях.

Задачи исследования:

1. Определить состав электрооборудования для проведения исследования почвы в полевых условиях, смоделировать график электрических нагрузок почвенно-экологической лаборатории и обосновать параметры асинхронного генератора для автономного источника электропитания.

2. На основе современной матричной теории разработать шестизонную обмотку статора, позволяющую рационально использовать габарит электрической машины и обеспечивающую максимальную загрузку асинхронного генератора с нормированным качеством электрической энергии при питании однофазного и трехфазного электрооборудования почвенно-экологической лаборатории.

3. Разработать математическую модель асинхронного генератора и проверить ее работоспособность в пакете MathСad с серийной, автотрансформаторной и шестизонной обмоткой статора при включении несимметричной однофазной и трехфазной грузки.

4. Рассчитать, изготовить и провести лабораторные исследования экспериментального образца асинхронного генератора с шестизонной обмоткой и сравнить с характеристиками генератора с серийными обмотками.

5. Провести сопоставление теоретических и экспериментальных данных степени стабилизации напряжения асинхронного генератора с серийной, автотрансформаторной и шестизонной обмоткой статора 6. Выполнить технико-экономическое обоснование эффективности применения асинхронного генератора с шестизонной обмоткой для питания электрооборудования почвенно-экологической лаборатории.

2 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

С ШЕСТИЗОННОЙ ОБМОТКОЙ СТАТОРА

2.1 Математическая модель асинхронного генератора с серийной обмоткой статора при включении несимметричной нагрузки Многими учеными отмечалось, что математическое моделирование асинхронного генератора является одной из важнейших задач при исследовании автономного асинхронного генератора [63, 82, 88, 89, 92, 143], в том числе и в иностранной литературе [155, 157, 160, 161, 166, 170]. Пользуясь данными моделями, реально оценить свойства генератора не затрачивая время на выполнение опытов и получить информацию по таким вопросам, как определение рабочих характеристик генератора в широком диапазоне изменения нагрузки при симметричном и несимметричном подключении однофазной нагрузки, выбор оптимального способа стабилизации напряжения при заданном коэффициенте мощности нагрузки, определение параметров генератора при переходных процессах, значения критических параметров емкости возбуждения и частоты вращения, при которых возможно самовозбуждение и другим вопросам.

Одной из задач работы является исследование асинхронного генератора с несимметричной нагрузкой. Известно [82], что при несимметрии напряжений приводить трехфазную машину к двухфазной, как сделано в [157] неправомерно, так как поля внутри таких машин отклоняются друг от друга.

При моделировании [82] (если нет других указаний) используются общепризнанные обозначения электрических и физических параметров с индексом s для обмотки статора; с индексом r - для обмотки ротора.

На других схемах замещения и уравнениях мы принимаем:

1, 2, 3, 7, 8, 9 - потокосцепление частей обмотки статора;

4, 5, 6 - потокосцепление обмотки ротора;

Ls1, Ls 2 Ls 3, - индуктивность рассеяния обмотки статора;

M - взаимная индуктивность обмоток статора с обмотками ротора;

uсА, uсВ, uсС, uсАВ, uсВС, uсСА - напряжения на конденсаторах;

i1, i2, i3, i7, i8, i9 - токи в частях обмоток статора;

iсА, iсВ, iсС, iсАВ, iсВС, iсСА - токи конденсаторов;

iнA, iнВ, iнC - токи нагрузки; rнA, rнВ, rнC - сопротивление нагрузки;

R1, R2, R3, R7, R8, R9 - активное сопротивление частей обмотки статора;

Rs, Rr - сопротивления фазы статорной и роторной обмотки;

CA, CB, CC, CAB, CBC, CCA - емкости возбуждения;

- коэффициент, учитывающий часть используемой обмотки.

Известна математическая модель идеализированной трехфазной обобщенной машины [82]. В преобразованной трехфазной системе координат:

Рисунок 2.1 – Трехфазная двухполюсная электрическая машина в осях, и, а) и асинхронный генератор в осях, и, б) Результирующие потокосцепления для фаз статора и ротора записываются как Так как M i, то определенная сложность появляется в нахождении матрицы для взаимной индуктивности обмоток статора и ротора [82].

Как известно, все возможные произведения токов определяют значение электромагнитного момента Однако, расчет такой математической модели подходит для расчета асинхронного двигателя, в модели асинхронного генератора напряжения статора равны напряжению конденсаторов и определяются функцией us uс f (i ), напряжения ротора приравниваются к нулю так как рассматривается короткозамкнутый ротор.

Схема АГ с короткозамкнутым ротором, показанная на рисунке (2.1, б) в заторможенной системе 3-фазных координат,,, а система дифференциальных уравнений будет иметь вид:

M – взаимная индуктивность между обмотками асинхронного генератора;

где p – число пар полюсов генератора; r – угловая частота вращения ротора;

J – суммарный момент инерции АГ и его привода;

M пр – момент двигателя, приводящий ротор АГ во вращение;

M c – момент сопротивления на валу генератора.

Так как моделирование выполняется в среде Mathcad, приведенная система уравнений и последующие будут приводиться к форме Коши.

Моделирование различных нагрузочных режимов АГ возможно лишь при учете нелинейности его характеристики намагничивания. Поэтому для модулируемой машины был проведен опыт ХХ, результаты которого приведены в главе 3 и на ее основе построена зависимость F(В), где В – значение индукции в воздушном зазоре. А общий вид этой зависимости, представляемой как F ( B ) M o f ( B ), характеризуется рисунком изображающим функцию уменьшения магнитной связи между обмотками.

Рисунок 2.2 – Характеристика намагничивания асинхронного генератора и изменение магнитной связи между обмотками В результате решения системы (2.1) получается значение потокосцепления всех обмоток АГ. Их величины можно представить вектором, размер которого зависит от числа обмоток АГ. Токи обмоток АГ находятся в результате решения системы алгебраических уравнений методом обратной матрицы где M B - обратная матрица взаимоиндукции между обмотками АГ.

Таким образом, определяются токи всех обмоток АГ. Матрица M учитывает взаимное расположение обмоток в расточке статора АГ, и в дальнейшем она будет представлять для различных схем их соединение.

При изменении нагрузок и схемы соединения обмоток статора АГ расположение эквивалентных обмоток ротора не будет меняться. Поэтому в дальнейшем в выражениях записывать уравнения для потокосцеплений обмоток ротора не будем.

В описании математической модели для асинхронного генератора при несимметричном режиме приняты следующие допущения. Существует синусоидальное распределение магнитного поля и МДС вдоль воздушного зазора; наличие симметрии магнитопровода относительно осей, и ; отсутствие потерь в стали и вытеснения тока в проводниках; независимость сопротивлений рассеяния от пространственного положения ротора; постоянство активных сопротивлений обмоток; токи во всех обмотках переменного тока принимаются синусоидальными и равномерным воздушный зазор генератора.

Рисунок 2.3 – Принципиальная схема для математического моделирования асинхронного генератора с серийной обмоткой статора соединенной звездой Испытания проводились на специализированном стенде [100], в котором приводным двигателем является двигатель постоянного тока независимого возбуждения, то для адекватности моделирования рассматривается система двигатель постоянного тока – асинхронный генератор – нагрузка (рисунок 2.3).

Для схемы статорной обмотки асинхронного генератора, нагрузки и емкости, изображенных на рисунке 2.4 система контурных дифференциальных уравнений будет иметь вид (2.3).

Результатом расчета схемы будут токи i1, i2 i3,, поэтому необходимо остальные токи выразить через них.

Первое допущение Второе условие для узла N Для узлов А, В, С справедливы следующие выражения Из 2.4 получаем Подставив 2.7 в первое уравнение 2.6 получим Если из 2.8 вычесть второе уравнение 2.6 получим Откуда iсАВ i3 i1 iнА iнВ, если значение iсАВ подставить первое уравнение в 2.6 то Из 2.5 можно получить Если теперь подставить 2.10 в 2.9 то имеем Значение третьего тока получим из 2. Для определения величины iн составим контурные уравнения Откуда выразим токи iнА и iнC через iнB Подставим эти токи в 2. Откуда получим значение iнB Аналогично получим уравнения для iнА и iнС Матрица индуктивностей и взаимных индуктивностей запишется в виде При однофазной нагрузке система дифференциальных уравнений упрощается и для схемы статорной обмотки асинхронного генератора, нагрузки и емкости изображенных на рисунке 2.5 система контурных дифференциальных уравнений имеет вид Для узлов А, В, С справедливы следующие выражения Из условия 2.4 iсCA iсAB iсBC подставим в 2.13 первого уравнения Если из 2.14 вычесть второе уравнение 2.13 получим i i1 2iсAB iсBC iсBC iсAB iнВ откуда Использование автотрансформаторных обмоток дают определенные преимущества, как будет показано далее. Чтобы преобразовать схему статорной обмотки в автотрансформаторную, представим обмотку в виде шести частей, причем одна часть обмотки смещена относительно другой на угол. В каждой фазе статора АГ имеется две полуобмотки с разными токами. Например, в фазе А ток i7, проходящий по обмотке, создает падение напряжения на ее активном сопротивлении где Rs - активное сопротивление всей обмотки фазы статора.

Падения напряжения на активном сопротивлении обмотки w, составит:

В моделировании рассматривается следующая схема, изображенная на рисунке 2. Рисунок 2.6 – Принципиальная схема для математического моделирования асинхронного генератора с автотрансформаторной обмоткой, соединенной звездой Рисунок 2.7 – Схема соединения звездой автотрансформаторной обмотки асинхронного генератора с включением емкостей треугольником для 3-фазной нагрузки, а) и преобразованная трехфазная электрическая машина в осях, и, б) Чтобы не загромождать рисунки с автотрансформаторными обмотками, в частях обмотки не изображены их активные сопротивления, но при моделировании они учтены с теми же индексами. Система дифференциальных уравнений для схемы по рисунку 2.7 следующая Если представить схему звезды как на рис. 2.7, а) то очевидно, что Если продифференцировать выражение с учетом, что напряжение не содержит постоянных составляющих, то получим

C AВ CВС CСА

При моделировании асинхронного генератора будут определены токи, проходящие по обмоткам, i1, i2, i3, i4, i5, i6. Для записи системы уравнений и icAВ, icВС, icСА, iнА, iнВ, iнС выразить через токи обмоток. Получим их с помощью преобразований.

Из 2.17 имеем: i2 i3 i1, а из 2.19 получим: icСА icAВ icВС. Заменим в 2.16 третьего уравнения значение icСА и получим Выразим icАВ из первого и второго уравнения 2. Подставив icВС во второе уравнение 2.15 получим Учитывая, что из 2.17 i3 i1 i2, окончательно имеем Для тока icСА из 2.19 получим Таким образом, при равных емкостях напряжения на них можно определять с помощью дифференциальных уравнений Подставив выражения токов нагрузки через токи обмоток 2.18, основной дельно от остальных из уравнений 2.5. Преобразуем 2.15 в следующем виде После сокращений получим Продифференцировав, получим их сумму Принимаем индуктивность рассеяния половин обмоток Ls 3 Ls1 Ls 2, тогда из условия 2.17 получаем условие для потокосцеплений Откуда Подставим 2.26 и 2.27 во второе уравнение 2.25, получим И для третьего потокосцепления Аналогично получим Учитывая выражение для токов iнА, iнВ, iнС можно записать Схема «звезда» с автотрансформаторной обмоткой и соединением емкости «треугольником» для 1-фазной нагрузки изображена на рисунке 2.8. Так как по полуобмоткам w3, w6 и w2, w5, сопротивления активные их равны Rs, проходят общие токи i3 и i2, то представим их эквивалентными обмотками, а потом будем считать, что эквивалентные обмотки ротора имеют совпадение с этими обмотками по осям и.

Рисунок 2.8 – Схема соединения «звездой» с автотрансформаторной обмоткой и включением емкостей «треугольником» для 1-фазной нагрузки, а) и преобразованная трехфазная электрическая машина в осях, и, б) Тогда система дифференциальных уравнений для обмоток статора будет иметь вид:

Напряжения на емкостях:

Величину тока нагрузки находим как:

Из ранее рассмотренного анализа известно, что:

Выразим из первого уравнения 2.32 icCA icAB icBC и подставим в первое уравнение 2. Если из 2.34 вычесть второе уравнение 2.33 получим i3 i1 3icab, откуда Подставим 2.35 во второе уравнение 2.33 получим i1 icBC (i3 i1 ), откуда Подставив 2.35 в первое уравнение 2.33 получим i3 (i3 i1 ) icCA, откуда Преобразуем 2.29 с помощью подстановки четвертого уравнения Запишем дополнительные условия для напряжений, исходя из конструктивных особенностей обмоток АГ.

Из этого выражения получим Подставим последнее в третье уравнение 2.29, имеем:

Произведем подстановку 2.41 в 2.38 и получим выражения для Если подставить 2.43 в третье уравнение 2.29 получим Из четвертого уравнения 2.29 получим Таким образом, получена полная система уравнений для всех четырех потокосцеплений обмоток статора АГ Матрица индуктивностей и взаимных индуктивностей запишется как Для расчета фазового сдвига нагруженной автотрансформаторной обмотки соединенной, «звездой» (рисунок 2.8, б) со всеми нагруженными фазами в пространстве, расчетные коэффициенты следующие:

угол сдвига трехфазных обмоток статора / Угол сдвига эквивалентных обмоток ротора и одной из обмоток статора равны. А между обмотками ротора и другими фазами статора Так как токи в полуобмотках фазы А и С такие же, то представим их эквивалентными, и по ним ориентированы эквивалентные обмотки ротора (рисунок 2.8). Для расчета фазового сдвига нагрузочной автотрансформаторной обмотки соединенной «звездой» с одной нагруженной фазой в пространстве расчетные коэффициенты следующие.

Тогда матрица индуктивностей и взаимных индуктивностей запишется Таким образом, получена полная система дифференциальных уравнений для моделирования схемы обмоток асинхронного генератора на рисунке 2.8.

Результаты математического моделирования асинхронного генератора со стандартными схемами обмоток «звездой» и автотрансформаторной «звездой»

представлены на рисунках 2.9 – 2.11. Для удобства оценки адекватности модели амплитудные значения приведены к действующим значениям. В моделях показаны процесс самовозбуждения при емкости возбуждения 18 мкФ с подключенной однофазной нагрузкой одинаковой мощностью 0,5 кВт, затем на фазе В увеличивается нагрузка до 1,1 кВт, отклонение напряжения в случае с автотрансформаторной обмоткой меньше на 4,7 %, ток якоря приводного двигателя практически одинаковый, момент на валу в связи с увеличением отбираемой мощности увеличился с 19 до 33 Н*м, а частота вращения уменьшилась.

Рисунок 2.9 – Результаты математического моделирования АГ со стандартной обмоткой статора соединенной «звездой» и автотрансформаторной «звездой»

Рисунок 2.10 – Результаты математического моделирования асинхронного генератора с серийной обмоткой статора соединенной «звездой» при трехфазной нагрузке Рисунок 2.11 – Результаты математического моделирования асинхронного генератора с автотрансформаторной обмоткой соединенной «звездой» при однофазной нагрузке 2.2 Синтез схемы шестизонной обмотки статора асинхронного генератора На внешние характеристики асинхронных генераторов существенно влияют электрические и конструктивные параметры обмоток статора. Современные приемы формирования обмоток статора позволяют расширить поиск способов для повышения энергетической эффективности асинхронных генераторов при их эксплуатации в режимах трехфазных и однофазных нагрузок, как уже было показано нами [13, 20, 32, 36].

Для уменьшения соотношения МДС от токов нагрузки и от возбуждения, следовательно, степени размагничивания тока нагрузки в асинхронных генераторах известных производителей чаще применяют автотрансформаторный вариант обмотки статора (рисунок 2.12-2.13). Конденсаторы Сст являются стартовыми и подключаются к основным конденсаторам на время пуска трехфазных асинхронных двигателей или при значительном снижении напряжения. Существенным недостатком такой обмотки статора является то, что мощность генератора с автотрансформаторной обмоткой снижается практически пропорционально коэффициенту трансформации [33].

Рисунок 2.12 – Часть обмотки с подключенной нагрузкой и емкостью возбуждения, а), ее векторная диаграмма, б) Если фазу обмотки представить в виде двух частей, сдвинутых на определенный угол и нагружать только одну часть, то размагничивающее действие от тока активной нагрузки будет меньше, что поясняет рисунок 2.12 (активные сопротивления частей обмоток не изображены на рисунке). Нагрузив часть обмотки В1 В 3 (ток нагрузки в этом случае iB1B3 ), как на рисунке 2.12, б) падение напряжения на обмотке уменьшит напряжение на конденсаторах, что в свою очередь уменьшит возбуждение генератора. Однако, если нагрузить части обмотки B1H 3 и H 3 B 3 (токи нагрузки в этом случае iB1H 3 и iB 3 H 3 ), то размагничивающее действие от тока активной нагрузки будет меньше или больше, о чем свидетельствует векторная диаграмма 2.13, б).

В асинхронных генераторах автономных электростанций применение автотрансформаторных обмоток статора дают определенные преимущества. Различное подключение конденсаторов к обмотке статора позволяет регулировать возбуждение АГ в некоторых пределах. В варианте схемы автотрансформаторной обмотки с шагом у = 15 в тех же пазах статора можно расположить проводники разного сечения катушек последовательной части и общей части обмотки.

Рисунок 2.13 – Схема электрических соединений и схема автотрансформаторной двухполюсной обмотки асинхронного генератора, - 0. На схеме: С1 – С3 - конденсаторы возбуждения; Сст - конденсаторы стартовые; KU – реле для форсирования возбуждения; ВА, ВВ, ВС – выводы для подключения конденсаторов возбуждения; НА, НВ, НС – выводы для подключения нагрузки; QF – автоматический выключатель.

Развитием теории модулированных статорных обмоток занимались ученые: Ванурин В.Н., Богатырев Н.И., Вронский О.В., Синицын А.С., Креймер А.С. [25, 30, 36, 45, 46, 50, 85, 142].

Из предложенного Вануриным В.Н. [46] матричного способа формирования обмоток статора асинхронных электрических машин вытекает, что чередование сторон катушек катушечных групп в цепном варианте совпадает с их чередованием при преобразовании МДС фазных обмоток по известному методу полюсно - амплитудной модуляции, согласно которому число катушек, приходящееся на фазную зону, пропорционально синусу угла расположения зон относительно нейтралей N (рисунок 2.14). Модуляцию МДС фазных обмоток со смещением на угол условной волной с единичной амплитудой можно представить в виде F= Fmcos px sinx sin t + cos p(x- ) sin(x - ) sin (t – 2/3) + cos p(x sink(x - 2) sin (t – 4/3).

Реализация метода осуществляется реверсированием тока в катушечных группах, охватываемых полупериодом модулирующей волны.

Рисунок 2.14 – Распределение катушек по зонам и представление модулирующей волны для фазы А Развитием пространственной модуляции МДС послужило представление условной модулирующей волны с единичной амплитудой ее составляющими (рисунок 2.15).

Если при модуляции МДС двух частей каждой фазной обмотки изменять и фазу токов во вторых частях по принципу кругового перемещения трехфазных токов, то такого рода модуляция запишется в виде ( и - смещение фазных обмоток и смещение частей в каждой фазной обмотке):

F = Fm [cospx sinx sin(t - 2/3) + cosp(x - ) sin(x - ) sint + cosp(x sin(x - ) sin(t - 4/3) + cosp(x - - ) sin(x - - ) sin(t - 2/3) + cosp(x - 2) sin(x - 2) sint + cosp(x - 2 - ) sin(x - 2 - ) sin(t - 4/3).

Для двухполюсной обмотки ввиду диаметрального расположения сторон в слое можно реализовать только фазную модуляцию МДС половин фазных обмоток в виде F = Fm[cosxsin(t - 2/3) + cos(x - ) sint + cos(x - ) sin(t - 4/3) + cos(x - - ) sin(t - 2/3) + cos(x - 2) sint + cos(x - 2 - ) sin(t - 4/3)] = Fm/2 [sin(t - 2/3 - x ) + sin(t - 2/3 + x ) + sin(t - x + ) + sin(t + x - ) + + sin(t - 4/3 + x - 2 - )].

Результат модуляции при смещении фазных обмоток на = 2/ x - ) + sin(t - 4/3 - x + 2/3) + sin(t - 4/3 + x - 2/3) + sin(t - 2/3 - x + 2/3 + ) + sin(t - 2/3 + x - 2/3 - ) + sin(t - x + 4/3) + sin(t + x - 4/3) + sin(t - 4/3 - x + 4/3 + ) + sin(t - 4/3 + x - 4/3 - )] = Fm/2 [sin(t - x sin(t + x - 2/3) + sin(t - x + ) + sin(t + x - ) + sin(t - x - 2/3) + sin(t + x) + sin(t - x + ) + sin(t + x - 4/3 - ) + sin(t - x + 4/3) + sin(t + x - 4/3) + sin(t - x + ) + sin(t + x - 2/3 - )] = Fm/2[3sin(t - x - 2/3) + 3sin(t - x + )] =3/2Fm[sin(t - x - 2/3) + sin(t - x + )] = 3Fm[sin(t - x - / + /2) · cos(- /3 - /2)] = 3Fm [sin(t - x - /3 + /2) · cos(/3 + /2)].

Результат модуляции при смещении фазных обмоток на = 4/ - ) + sin(t - 4/3 - x + 4/3) + sin(t - 4/3 + x - 4/3) + sin(t - 2/3 - x + 4/ + ) + sin(t - 2/3 + x - 4/3 - ) + sin(t - x + 2/3) + sin(t + x - 2/3) + sin(t - 4/3 - x + 2/3 + ) + sin(t - 4/3 + x - 2/3 - )] = Fm/2 [sin(t - 2/3 x) + sin(t - 2/3 + x) + sin(t - x + ) + sin(t + x - ) + sin(t - x) + sin(t + x - 2/3) + sin(t - x + 2/3 + ) + sin(t + x - ) + sin(t - x + 2/3) + sin(t + x - 2/3) + sin(t - x - 2/3 + ) + sin(t + x - )] = Fm/2 [3sin(t + x - 2/3) + 3sin(t + x - ) = 3/2 Fm [sin(t + x - 2/3) + sin(t + x - ) = 3Fm [sin(t + x - /3 - /2) · cos(- /3 + /2)] = 3Fm [sin(t - x - /3 - /2) · cos(/3 - /2)].

Модулированную обмотку статора двухполюсного асинхронного генератора можно выполнить с шириной фазной зоны 1200. При этом качество МДС обеспечивает диаметральный шаг, что возможно при выполнении фазных обмоток из двух частей вразвалку.

У двухполюсной двухслойной обмотки с шириной фазной зоны 1200 результат модуляции МДС при = -600 и = 2/3 (рисунок 2.16) 3Fm[sin(t - x - /3 + /2) · cos(/3 + /2)] = 3Fm sin(t - x + 900) cos300.

Рисунок 2.16 – Схема токов до и после модуляции, = 2/ Результат модуляции МДС при = -600 и = 4/3 (рис. 2.17) 3Fm [sin(t - x - /3 - /2) · cos(/3 - /2)] = 3Fmsin(t - x - 300)cos900 = 0.

Рисунок 2.17 – Схема токов до и после модуляции, = 4/ Если после модуляции при = -600 и = 4/3 реверсировать ток в половине фазных обмоток, то обмотка статора становится эквивалентной обмотке с шириной зоны 600 (рисунок 2.18).

Рисунок 2.18 – Схема токов после модуляции и реверсирования тока в половине фазных обмоток, = 4/ Схема обмотки диаметрального шага асинхронного генератора с соотношением ЭДС на выводах 1/1 показана на рисунках 2.19 и 2.20.

Как было показано в нашей статье [33] двухполюсная двухслойная обмотка диаметрального шага выполнима только из двух частей, при этом в каждой части вразвалку, что в некоторой степени затрудняет ее практическую реализацию. Положительной особенностью обмотки является то, что проводники частей фаз расположены в тех же пазах статора и могут иметь разное сечение, учитывая характер изменения тока при нагрузке на выводах «Н». Выполнение двухслойных обмоток диаметрального шага на другие чисел полюсов проще.

Рисунок 2.19 – Схема двухполюсной обмотки с шагом у = 15, а); векторная диаграмма токов возбуждения, б) Рисунок 2.20 – МДС и диаграмма Гергеса двухполюсной обмотки Значение коэффициента дифференциального рассеяния для этой обмотки одинаково как от тока возбуждения, так и при нагрузке. Модулированную обмотку с шириной фазной зоны 1200 и = 2/3 и можно представить в виде шестифазной обмотки, рисунок 2.19, б). Цветными линиями отмечены фазные токи возбуждения. Их геометрическая сумма на каждом участке представлена в виде результирующих векторов. Последовательное соединение катушечных групп позволяет применить к обмотке термин «кольцевая» обмотка статора. При диаметральном шаге обмоточный коэффициент относительно выводов В1 и Н2 kоб = 0,6374, а схема токов двух слоев эквивалентна схеме токов в слое.

Рисунок 2.21 – Схема четырехполюсной обмотки, а); схема подключения трехфазной нагрузки, б); МДС четырехполюсной обмотки, в); распределение тока в частях обмотки, г) В таком представлении токов двухполюсной обмотки:

И в этом варианте схемы токов и значение коэффициента дифференциального рассеяния не изменяет своей величины. При другом значении пар полюсов число накладываемых друг на друга колец (параллельно расположенных колец) увеличивается пропорционально росту пар полюсов, рисунок 2.21 [30].

Рисунок 2.22 – Схема обмотки с четырьмя фазными зонами 2р = 6, а); векторная диаграмма токов возбуждения, б); схема подключения выпрямительной нагрузки и емкости возбуждения, в) Особенностью кольцевых обмоток статора является то, что для расположенных на полупериметрах статора катушек каждой фазной обмотки коэффициент распределения kр = 2/ = 0,6366. При диаметральном шаге он же является и обмоточным коэффициентом. Кольцевые обмотки являются также и автотрансформаторными обмотками с коэффициентом трансформации 2/1,732.

Вращающееся магнитное поле в генераторе создают двухфазные и четырехфазные токи возбуждения (рисунок 2.22).

Вращающееся магнитное поле в генераторе могут создавать и двухфазные токи, а двухфазную обмотку можно представить и в виде четырехфазной обмотки, рисунок 2.22. Включением и отключением диаметрально включенных конденсаторов можно изменять реактивную мощность. Применять такую обмотку возможно в однофазных генераторах автономных источников. Расчет обмотки приведен в Г3.

2.3 Математическая модель асинхронного генератора с шестизонной обмоткой статора при включении несимметричной нагрузки Чтобы оценить стабилизирующие свойства асинхронного генератора с шестизонной обмоткой необходимо рассмотреть влияние несимметричной нагрузки на уровень напряжения на выходе генератора. Угол показывает геометрическое расположение обмоток друг относительно друга. В случае шестизонной обмотки статора угол равен 1,5 паза или 150, если нагрузку подключить на другие части обмотки, чем на рисунке 2.23 угол составит -150.

Рисунок 2.23 – Асинхронный генератор с шестизонной обмоткой статора в осях,, и, а); и части обмотки с определением угла, б) Для схемы с шестизонной обмоткой статора, нагрузкой и емкостью асинхронного генератора (рисунок 2.24) система контурных дифференциальных уравнений будет иметь вид Основная задача для решения этой системы уравнений без дифференцирования переменных, состоит в том, чтобы выразить токи нагрузки iнА, iнВ, iнС и токи емкостей iсАВ, iсВС, iсСА, через токи, проходящие по обмотке статора асинхронного генератора. Для токов нагрузки очевидно, что Токи емкостей находим из условия Подставив iсСА iсАВ iсВС в 2.47 получим Вычтем из 2.50 уравнение 2. Из 2.48, подставив ток iсАВ, получим выражение для тока iсСА Рисунок 2.25 – Схема шестизонной обмотки статора асинхронного генератора с однофазной нагрузкой Таким образом, имеем все токи, входящие в исходную систему дифференциальных уравнений, выраженных через токи обмоток.

«Треугольник» емкостей, возможно, преобразовать в соединение «звездой», что упрощает расчеты. Тогда для асинхронного генератора с шестизонной обмоткой и соединением емкости по схеме «звезда» для однофазной нагрузки, система уравнений соответствующая рисунку 2. Токи через емкости находятся из выражений Рисунок 2.26 – Принципиальная схема для математического моделирования асинхронного генератора с шестизонной обмоткой статора Рисунок 2.27 – Схема шестизонной обмотки асинхронного генератора с включением трехфазной нагрузки и емкостей по диаметру кольца Система дифференциальных уравнений для рис. 2. По общей методике выражаем токи емкостей и нагрузок через токи обмоток. Для этого составим уравнения для узлов Запишем условие для контура Так как в емкостях не накапливается заряд, то можно записать Соединим уравнения для узлов Так как сумма емкостных токов равна нулю, то Приравнивая 2.61 и 2.63 получаем rнС Если подставить 2.13 и 2.14 в 2.12, то получаем выражение для тока iсА С помощью аналогичных преобразований получаем Имея значения icА, icB, icC из 2.54, 2.55, 2.56 получаем значения iнА, iнB, iнC Таким образом, для системы 2.53 имеем выражение для всех токов в функции от токов обмоток асинхронного генератора.

Матрица индуктивностей и взаимных индуктивностей запишется в таком же виде, что и для автотрансформаторной обмотки, соединенной звездой. Для расчета составлены системы дифференциальных уравнений в программной среде МathCad, которые представлены в 2. Результаты математического моделирования асинхронного генератора с шестизонной обмоткой представлены на рисунке 2.28 и 2.29. В модели показан процесс самовозбуждения генератора при емкости возбуждения 45 мкФ с подключенной однофазной нагрузкой одинаковой мощностью 0,5 кВт, затем на фазе В увеличивается нагрузка до 1,1 кВт, при этом напряжение по фазам падает от 138 В при холостом ходе до 120 В, ток якоря приводного двигателя увеличивается до 33 А, момент на валу в связи с увеличением отбираемой мощности увеличился с 19 до 27 Н*м, а частота вращения уменьшилась, причем при появлении несимметричного режима появляется значительная переменная составляющая на валу, о чем свидетельствует колебание частоты вращения, а следовательно и частоты тока ±0,1 Гц.

Рисунок 2.28 – Результаты математического моделирования асинхронного генератора с шестизонной обмоткой статора Необходимо отметить, что отклонение напряжения меньше с шестизонной обмоткой, чем с другими обмотками до 4 %. Во всех случаях меньшее значение тока якоря объясняется снижением электрических потерь шестизонной обмотки за счет выполнения разным сечением провода частей обмотки статора.

Рисунок 2.29 – Результаты математического моделирования асинхронного генератора с шестизонной обмоткой 1. Получена математическая модель асинхронного генератора с серийной, автотрансформаторной и шестизонной обмоткой. Компьютерное моделирование показало, что в нагружаемой фазе до 0,9 кВт наблюдалось снижение напряжения со схемой серийной обмотки: до -25,4 %, с автотрансформаторной обмоткой: до – 7,1 % и с шестизонной обмоткой: до - 3,0 %. Математическая модель АГ показала хорошую сходимость результатов. При нагрузке до 1,2 кВт отклонение напряжения в нагружаемой фазе с шестизонной обмоткой экспериментально полученные и рассчитанные значения отличаются не более 5,3 %.

2. Развитие метода пространственной модуляции МДС позволило разработать новую шестизонную обмотку для рационального использования габарита электрической машины и обеспечивающую максимальную загрузку АГ с нормированным качеством электрической энергии при питании однофазного и трехфазного электрооборудования с меньшим отклонением напряжения при несимметричной нагрузке.

3. Определены основные параметры экспериментальной шестизонной обмотки статора в виде четырехполюсной двухслойной обмоткой с шириной фазной зоны 120° и диаметральным шагом (коб = 0,637) на базе двигателя 4A100S4 с длиной статора l = 110 мм. Соотношение ЭДС на выводах Е1/Е2 = 380/220 В.

3 РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ И ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С ШЕСТИЗОННОЙ ОБМОТКОЙ

3.1 Оценка степени стабилизации напряжения асинхронного генератора с серийной, автотрансформаторной и шестизонной обмоткой статора Разработка новых схемных решений обмоток статора требует новых методик расчета асинхронного генератора на стадии проектирования. В известных литературных источниках приведены примеры расчета стандартных обмоток асинхронных двигателей [9, 44 46, 67, 134] и некоторых разработанных ранее асинхронных генераторов [36, 89, 142].

На стадии проектирования необходимо определить обмоточные данные генератора, емкость возбуждения, потери и, в конечном счете, энергетические показатели. Поскольку асинхронные генераторы проектируются на базе современных серийных АД, то некоторые параметры АГ принимаются из заводских характеристик аналогичных по габариту двигателей: механические потери, активное сопротивление ротора, номинальное скольжение.

Для оценки степени стабилизации напряжения экспериментального асинхронного генератора выполнен сравнительный расчет параметров схемы замещения с серийной, автотрансформаторной и шестизонной обмоткой статора.

Расчет выполнен для генераторов, спроектированных на базе асинхронных двигателей типа АИР112М2 и 4А100S4. Расчет приведен в приложении Г1 по методике, описанной в [23, 24, 33, 36].

На внешние характеристики АГ существенное влияние оказывают коэффициент насыщения магнитной цепи k, индукция в воздушном зазоре, B которая связана с амплитудой основной гармоники МДС F и определяют намагничивающий ток асинхронного генератора (Г2).

При расчете емкости конденсаторов необходимо учитывать размагничивающее действие реактивного тока ротора. Его размагничивание пропорционально приведенной реактивной составляющей номинального тока ротора (Г2).

Для серийной обмотки двигателя типа АИР112М2, используемого в качестве асинхронного генератора, ток намагничивания равен по (Г1.2) Степень размагничивания тока ротора составит (Г1.21) При выполнении ротора без скоса пазов индуктивная составляющая х2 = 2,64 · 10-4 Ом и степень размагничивания тока ротора составит 0,125.

Выполнен расчет степени размагничивания тока ротора и потерь мощности в обмотках статора в функции изменения зазора между статором и ротором без скоса пазов и со скосом пазов на роторе (рисунок – 3.1, 3.2).

Рисунок 3.1 – Зависимость степени размагничивания АГ и потерь электрической мощности в относительных единицах от величины воздушного зазора со скосом, а) и без скоса пазов на роторе, б) (приложение Е1) Расчеты показали, что увеличение зазора с 0,6 (серийный двигатель) до 0,66 мм, увеличит потери электрические в статоре до 59,1 Вт, однако степень размагничивания уменьшится до 0,121 при роторе со скосом пазов (рисунок – 3.1, 3.2).

Если ротор выполнить без скоса пазов при увеличении воздушного зазора до 0,65, потери электрические в статоре будут составлять 61,92 Вт, а степень размагничивания – 0,112.

Вт Рэл 300 0, 100 0, Если стандартный двухполюсный асинхронный двигатель АИР112М применить в качестве асинхронного генератора, то его фазная ЭДС при холостом ходе должна быть примерно равна 240 В. При прежних витках на фазу это значение ЭДС может быть только при увеличенном магнитном потоке. Следовательно необходимо увелить индукцию в 240 В/216 В = 1,11 раза, где 216 В – ЭДС фазной обмотки двигателя. С учетом значительной степени насыщения магнитопровода стандартного двигателя (k = 1,75) и нелинейного характера кривой намагничивания индукция генератора составит 0,79 Тл и k 2,5.

Для этого варианта генератора намагничивающий ток (Г1.1.2) коэффициент проводимости рассеяния скоса пазов (Г1.1.11) Индуктивное сопротивление роторной обмотки (Г1.1.12) При практически той же степени размагничивания тока ротора намагничивающий ток при холостом ходе составит 9,25 А.

Таким образом, увеличение расчетной индукции в воздушном зазоре, следовательно, и потока позволяет уменьшить степень размагничивания от токов ротора, а также и от тока нагрузки, но при этом в большей степени возрастает намагничивающий ток, что в свою очередь увеличивает электрические потери (рисунок 3.2). Кроме этого, при значительном насыщении магнитной цепи магнитопровод становится источником и высших гармоник потока, при этом наиболее выраженной является третья гармоника. ЭДС от третьей гармоники может быть причиной появления контурных токов в статорной обмотке (при соединении фаз обмотки в треугольник), или в определенной степени исказить симметрию фазных ЭДС (при соединении фаз обмотки в звезду).

При использовании серийной однослойной двухполюсной обмотки (рисунок 3.3) для генератора на базе двигателя АИР112М2, E = 240 В при практически той же степени размагничивания тока ротора, что и при автотрансформаторной обмотке 0,07, намагничивающий ток при холостом ходе генератора составит I 0 10,6 A. Потерям в обмотке базового двигателя (402 Вт) соответствует ток 13,8 А, активный ток нагрузки 9,6 А. Соотношение амплитуд МДС от номинального тока нагрузки и от тока возбуждения холостого хода составляет 9,6 / 10,6 = 0,91.

При однофазной нагрузке потери в двух ненагруженных фазах от тока I составляют 236 Вт. Разности потерь (402 – 236) Вт соответствует ток в общей части обмотки 15,4 А, а активный ток нагрузки 16 А.

Рисунок 3.3 – Схема подключения нагрузки к асинхронному генератору с серийной обмоткой асинхронного двигателя, а); схема однослойной обмотки серийного асинхронного двигателя, б) Уменьшить размагничивающее действие тока нагрузки можно соотношением МДС от тока нагрузки и МДС от тока возбуждения, применяя в генераторе автотрансформаторный вариант статорной обмотки, а также увеличивая воздушный зазор машины. В том и другом случае, снижается степень использования габарита электрической машины практически пропорционально коэффициенту трансформации.

Анализ автотрансформаторной обмотки. При шаге у = 15 в одних и тех же пазах статора расположены проводники катушек последовательной части обмотки с намагничивающим током и общей части обмотки с общим током.

По соотношению воздушных зазоров рассчитываемой и машины на базе двигателя АИР112М2 соотношение ЭДС Ев/Ен = 320/240 В (рисунок 3.4), со схемой обмотки (рисунок 2.13).