Асинхронные генераторы с конденсаторным возбуждением

Расчет характеристик асинхронного генератора с конденсаторным возбуждением Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — В. Ф. Сергеев

Текст научной работы на тему «Расчет характеристик асинхронного генератора с конденсаторным возбуждением»

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С КОНДЕНСАТОРНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

(Представлена научным семинаром кафедр электрических машин и

В качестве источника переменного тока стабильной частоты при изменяющейся скорости привода может быть использован асинхронный генератор с самовозбуждением от батареи конденсаторов, включенных параллельно нагрузке. Стабилизация частоты на выходе генератора осуществляется за счет регулировки скольжения путем изменения какого-либо параметра первичной или вторичной цепей.

Несмотря на то, что применение таких систем представляется перспективным в отношении снижения веса и габаритов источников питания, используемых для подобных целей в настоящее время, они еще не получили сколь-либо широкого распространения вследствие недостаточной разработки их теории и инженерных методов расчета и конструирования.

Наиболее известным способом регулирования скольжения является введение во вторичную цепь добавочного активного сопротивления. При этом скольжение генератора прямо пропорционально сумме добавочного сопротивления и активного сопротивления обмотки ротора.

В настоящей работе предлагается методика расчета внешних и регулировочных характ еристик асинхронного генератора со стабилизацией частоты изменением активного сопротивления ротора.

В основу положена методика, предложенная в [1], которая в отличие от рассматриваемой предполагает стабилизацию частоты соответствующим изменением скорости привода при постоянном сопротивлении ротора.

Расчет ведется на базе Т-образной схемы замещения (рис. 1). Параметры схемы считаются постоянными и не зависящими от насыщения магнитных цепей, потерями в стали пренебрегаем.

Рис. 1. Т-образная схема замещения асинхронного генератора с конденсаторным возбуждением

Уравнения для схемы замещения имеют следующий вид:

НУ1 = I, Ёу'г = У 2

Для случая активно-индуктивной нагрузки при наличии компаундирующих емкостей (хск) проводимости цепей машины могут быть представлены следующими выражениями.

Комплексная проводимость первичной цепи

=__fi(zH2 + *с2) + zHxc(xccosy — 2r1sincp)_

ízH[(xc +ХСК — A^Sincp + r.COSf] 4- Xc(xt — xCK)P + I '

+ |zH[rtsincp — (хс + хск — Xj )cos ср ] — TjX

Комплексная проводимость вторичной цепи, включая добавочное активное сопротивление

Комплексная проводимость цепи намагничивания

Из схемы замещения можно получить следующие равенства [1, 2]:

Имея характеристику намагничивания машины, можно построить зависимость

Эта зависимость и приведенные выше соотношения позволяют определить выходные пераметры генератора при заданных значениях параметров нагрузки, а также построить внешние и регулировочные характеристики генератора при постоянной частоте в первичной цепи и переменной скорости привода.

Для работы генератора характерно, что скорость вращения его ротора не является функцией нагрузки, а изменяется принудительно в соответствии со скоростью вращения привода. В то же время имеем известное соотношение [2]

где ро)цр — угловая скорость вращения ротора,

со — угловая частота статора, которая устанавливает характер зависимости угловой частоты статора от скольжения.

Если стабилизировать w изменением активного сопротивления ротора, то при постоянных параметрах внешней цепи и частоте статора 10 = const, выходное напряжение генератора остается практически постоянным во всем диапазоне изменения скорости привода, что объясняется неизменным значением проводимости вторичной цепи за счет линейной зависимости R/2 = f(s). Из этого следует, что вид внешней характеристики при данных услозиях не зависит от скорости вращения ротора, что дает возможность провести их расчет для pcoBp = const, учтя затем изменение скорости при расчете регулировочных характеристик.

Расчет внешних характеристик при данных условиях состоит в следующем.

1. Для минимального сопротивления нагрузки zn = zMIIH определяют по (2) значение gi при заданном значении коэффициента мощности.

2. Из (4) с учетом (8) по значению gi при r'g — O определяют номинальную величину скольжения s —sHom-

При минимальной скорости вращения привода частота тока в статоре должна быть не ниже заданной. В противном случае необходим соответствующий пересчет параметров генератора.

3. Задаются рядом значений zH в пределах изменения нагрузки. По выражению (2) и (8) определяют для этих значений gV Поскольку (о —const, то при любой нагрузке должно выполняться равенство s = Sm>.M. Необходимое для этого активное сопротивление ротора может быть определено из (4)

4. По вычисленным значениям R'2 из (5) определяют значения Ь'2 при 'S' = Shom-

5. Определяют bi согласно (3) для выбранных значений zH, после чего по (9) определяют bm.

6. По значениям bm из характеристики E = f(bm) определяют значение электродвижущей силы Е.

7. Из векторной диаграммы асинхронного генератора по известным значениям Е и параметрам внешней цепи можно определить величину фазного напряжения на нагрузке

и = — M^COS'h + (х, — xCK)sin^J+ V&—Irl(x, -xCK)cosvsin'^j ,

где = E V gt2 + b/2 для соответствующих значений zH. Угол xpi между током I] и э. д. с. Е может быть определен из выражения

Ь = 2'V —7 — arc tg

о = агс^ хс-2нхс'81пу — (Х| — хск)(гн2 — 2гнхс81гир + хс2) т1[гн 2 — 2гнхс$ту •+- хс2) + гнхс2со8?

8. По значениям и и параметрам внешней цепи можно определить токи и мощности нагрузки и конденсаторов возбуждения.

Таким образом в результате расчета могут быть построены внешние характеристики генератора при различных емкостях возбуждения, компаундирующих емкостях и коэффициентах мощности нагрузки.

Добавочное активное сопротивление в роторе кемпенсирует изменение скольжения, соответствующее как изменению нагрузки, так и принудительному изменению скорости привода. Регулировочные характеристики машины К'2 = Г(з-) могут быть рассчитаны по (11), если вместо з1ЮМ подставить значение 5 = 8ш)м+здч где эд — составляющая скольжения, соответствующая относительному изменению скорости привода.

По данной методике был произведен расчет характеристик асинхронного генератора со следующими параметрами: номинальное напряжение на выходе (линейное) 133 в, мощность 1200 ва, частота 400 гц9 номинальная скорость вращения 8000 об/мин, максимальная скорость 12000 об/мин. На рис. 2, 3 представлены расчетные и экспериментальные характеристики генератора.

Как следует из рисунков, представленная методика обеспечивает

Рис. 2. Внешние характеристики асин- Рис. 3. Регулировочные ха-хронного генератора: 1 — расчетная, рактеристики асинхронного 2 — экспериментальная генератора: 1 — расчетная,

1. О. В. Кекот, Р. В. Фильц. Расчет характеристик трехфазной асинхронной машины с конденсаторным возбуждением. Сборник научных работ аспирантов Львовского политехнического института, 1, 1961

2. Ю. Д. Зубков. Асинхронные генераторы с конденсаторным возбуждением. Изд. АН Казахской ССР, Алма-Ата, 1949.

Асинхронный электрический генератор.Возбуждение асинхронного генератора

Во всех случа­ях асинхронная электрическая машина потребляет из сети реактивную мощность, необходимую для создания магнитного поля. При автономной работе асинхронной электрической машины в генераторном режиме магнитное поле в воздушном зазоре создается в результате взаимодействия магнитной движущийся силы магнитной силы всех фаз и магнитной движущийся силы обмотки ротора. Характер распределения магнитной движущийся силы точ­но такой же, как и в асинхронном электрическом двигателе(АД) , он также определяет характер распределения магнитного поля на полюсном делении. В асинхронном генераторе этот поток весьма близок к си­нусоидальному и при вращении ротора индуцирует в фазах статора и в обмотке ротора ЭДС Е| и Е₂, которые можно принять синусоидальными.
В отличие от асинхронного электрического двигателя в асинхронном электрическом генераторе в данном случае ЭДС Е1 и Е₂ являются активными, поддерживают ток в соответствующих цепях и в нагрузке, подклю­ченной к выходным зажимам.

В установившемся режиме работы основные соотношения для асинхронного электрического генератора с самовозбуждением определя­ются из схемы замещения. Основное отличие только в том, что к ее выводам подключено сопро­тивление нагрузки 2_Н = К_н +]Х_Н и конденсаторы для обеспечения само­возбуждения и регулирования на­пряжения при изменении нагрузки асинхронного электрического генератора с сопротивлениями Х_с = 1/соС и Х_ск = 1/соС_к.
Как видно, напряжение при работе под нагрузкой изменяется как за счет падения напряжения на сопротивлениях r₁ и х₁, так и за счет сни­жения магнитного потока Фо_т , связанного с размагничивающим действи­ем магнитной движущийся силы ротора. Если магнитная цепь асинхронного электрического генератора выполнена с достаточно силь­ным насыщением, то поток Фо_т остается почти постоянным и напряжение U₁ при увеличении нагрузки изменяется в меньшей степени, а его внешняя характеристика получается более «жесткой».

Способы регулирования напряжения автономного асинхронного генератора. Самовозбуждение асинхронного электрического генератора

Особенности самовозбуждения асинхронного генератора. Асинхронный элетродвигатель, под­ключенный к трехфазной сети переменного тока, при частоте вращения ротора, больше, чем частота вращения поля статора, переходит в генера­торный режим и отдает в сеть активную мощность, потребляя из сети ре­активную мощность, необходимую для создания вращающегося магнитно­го поля взаимной индукции. Тормозной электромагнитный момент, дейст­вующий на роторе, преодолевается приводным двигателем — дизелем, гид­ротурбиной, ветродвигателем и т.п.
Для возбуждения асинхронного электрогенератора необходимо наличие источника реактивной мощности — батареи конденсаторов или синхронно­го компенсатора, подключенных к обмотке статора. При этом почти есте­ственной представляется работа асинхронного генератора при сверх синхронном скольжении, ко­гда скорость вращения ротора выше скорости вращающегося магнитного поля. Однако практически асинхронный генератор может возбуждаться при частоте вращения ротора, значительно меньшей синхронной, причем значения напряжения и частоты тока оказываются пропорциональными частоте вращения ротора и, кроме того, зависящими от схемы соединения конденсаторов. Так, в эксперименте ( по опытным данным гл. инж. Штефана А.М. (НК ЭМЗ, г. Н.Каховка)) конденсаторный асинхронный мотор-редуктор типа АИРУ112-М2 при соединении бата­реи конденсаторов емкостью 3×120 мкФ в «звезду» возбуждается при ско­рости п_р= 2133 об/мин с напряжением ГГф = 60 В и током фазы 1ф = 0,8 А, а при соединении тех же конденсаторов в «треугольник» напряжение =52 В и ток 1ф = 1,4А возникают при скорости п_р= 1265 об/мин.

Весьма интересное явление наблюдалось в асинхронном генераторе серии А ИМН 90-L4 при включении емкости 40 мкФ только в одну из трех фаз. В этом случае возбуждение асинхронного генератора наступило при скорости п₂ = 1369 об/мин с параметрами U1ф = =209 В, I = 1,29 А, Г = 44 Гц. При емкости С = 60 мкФ, включенной в одну из фаз, параметры возбуждения асинхронного электрогенератора были равны: п₂ — 1300 об/мин, U = 500 В, I = 6,4 А, Г = 124 Гц. При увеличении частоты вращения ротора до син­хронной (1500 об/мин) наблюдалось увеличение частоты тока до 400Гц. В некоторых случаях, наоборот, не удавалось добиться устойчивого возбуж­дения асинхронного генератора даже при сверх синхронной частоте вращения ротора. Например, для намагниченных гладких стального массивного и шихтованного рото­ров самовозбуждения не возникало при любых величинах присоединенной емкости.

Для массивного стального ротора с тонким экраном из меди, а также для массивного стального зубчатого ротора с торцовыми медными конца­ми АГ устойчиво возбуждается при расчетном значении емкости. Асин­хронная машина с гладкими роторами из меди или алюминия возбуждает­ся без каких-либо дополнительных воздействий извне.

Таким образом, физические процессы самовозбуждения асинхронного генератора с пол­ным основанием можно отнести к недостаточно изученным, что связано, по нашему мнению, с преимущественным использованием до настоящего времени АМ в качестве двигателя, с разработкой для него теории, расчет­ных методик и проектирования, а для генераторного режима эти машины проектировались и выпускались достаточно редко.
В маломощных системах генерирования применяются, как правило, АМ, предназначенные для работы в двигательном режиме с конденсатор­ным возбуждением.

Описание процесса самовозбуждения на принципе остаточной намагниченности магнитной цепи.

Современные работы по са­мовозбуждению АГ с помощью статических конденсаторов по­строены на трех подходах. Один из них базируется на принципе остаточной намагниченности маг­нитной цепи машины, начальная ЭДС от которой затем усиливает­ся емкостным током в статоре . Рассмотрим этот подход.

Автономная работа асинхронного генератора в режиме самовозбуждения от потока остаточного намагничивания возмож­на, если к выводам обмотки статора подключить конденсаторы, необходи­мые как источник реактивной мощности от для возбуждения магнитного поля асинхронного электрогенератора, а при его работе на активно-индуктивную нагрузку эти конденсаторы должны служить источником реактивной мощности 0_Н и для нагруз­ки.

Введение

Асинхронные самовозбуждающиеся генераторы (АСГ) находят широкое применение в промышленности, в основном как автономные источники электропитания.

Основные области использования АСГ: электроагрегаты и системы электроснабжения передвижных объектов, ветро- и гидроэнергетика малой мощности, автономные источники электропитания передвижных маломощных потребителей повышенной частоты (ручной инструмент и др.), высокоскоростные источники электропитания, асинхронные стартергенераторы с газотурбинным приводом и др. Круг пользователей АСГ непрерывно расширяется.

С одной стороны это объясняется тем, что АСГ легко реализуется на основе наиболее массовой асинхронной машины, обладающей известными достоинствами, а с другой — широкими и, главное, разнообразными возможностями эффективного практического применения АСГ на основе использования особых свойств этих машин. Возможности эти все еще недостаточно известны широкому кругу специалистов.

В ранее опубликованных книгах по данной теме переходные процессы в АСГ не анализируются, между тем некоторые из них, например процессы самовозбуждения, могут быть рабочими режимами (в импульсных системах электроснабжения и т. д.).

Теория же и методы расчета установившихся режимов АСГ излагаются на основе использования круговой диаграммы проводимостей. Последняя может быть построена только в предположении постоянства частоты тока. Между тем АСГ, именуемый иногда асинхронным генератором с конденсаторным возбуждением, представляет собой резонансную систему, которая генерирует свободные электрические колебания.

Частота этих колебаний зависит от нагрузки и может изменяться относительно электрической частоты генератора на холостом ходу, даже при условии постоянства частоты вращения ротора, на 10—14 %, не говоря уже о тех случаях, когда данный генераторный режим используется для торможения асинхронного электропривода.

Классификация асинхронных генераторов. Энергетические соотношения

Асинхронные генераторы можно классифицировать по:

· характеру выходной частоты (изменяющаяся, постоянная);

· способу стабилизации напряжения;

· рабочим областям скольжения;

Как видно, последние два признака характеризуют конструктивные особенности генераторов. Характер выходной частоты и методы стабилизации напряжения в значительной степени обусловлены способом образования магнитного потока машины. Классификация асинхронных генераторов по способу возбуждения является основной. Таким образом, условимся различать генераторы с самовозбуждением и с независимым самовозбуждением.

Асинхронные генераторы первого класса возбуждаются:

а) с помощью конденсаторов, включенных в цепь статора или ротора или одновременно в первичную и вторичную цепи;

б) посредством вентильных преобразователей с естественной и искусственной коммутацией вентилей.

Асинхронные генераторы второго класса возбуждаются от внешнего источника переменного напряжения.

По характеру частоты самовозбуждающиеся генераторы разделяются на две группы. К первой из них относятся источники практически постоянной (или постоянной) частоты, ко второй переменной (регулируемой) частоты. Последние применяются для питания асинхронных двигателей с плавным изменением частоты вращения Частота генераторов первой группы в пределах нормальных нагрузок при постоянной частоте вращения ротора изменяется незначительно и может быть стабилизирована (например, с помощью балластных сопротивлений). Рабочими областями асинхронных генераторов являются области отрицательных и положительных скольжений, определяемых по соотношению

где n частота вращения магнитного поля, или синхронная частота вращения; n₂ частота вращения ротора, причем

rдe f₁ частота генерируемого напряжения;

р число пар полюсов машины.

Если электромагнитная мощность генератора является только мощностью скольжения, то питание нагрузки возможно лишь при отрицательных скольжениях. В области отрицательных скольжений работают самовозбуждающиеся генераторы и короткозамкнутые генераторы независимого возбуждения с трехфазной статорной обмоткой. Для короткозамкнутого генератора нормального исполнения xaрактерно, что егo статорная обмотка выполняет функции входной (возбуждения) и выходной (генераторной) обмоток. При раздельном выполнении входной и выходной обмоток электромагнитная мощность первой остается мощностью скольжения направление ее передачи зависит от знака скольжения, в то время как направление передачи электромагнитной мощности второй обмотки от скольжения не зависит.

К асинхронным генераторам независимого возбуждения, работающим в области положительных скольжений, относятся асинхронные тахогенераторы и асинхронные преобразователи частоты.

В ряде случаев на напряжение возбуждения включается обмотка ротора. Генераторы, возбуждаемые со стороны ротора, используются при параллельной работе с сетью и при работе на автономную сеть.

Если возбуждать ротор трехфазным током прямого или обратного следования фаз, частота которого пропорциональна скольжению, то при изменении частоты вращения ротора частота вращения поля и, соответственно, частота напряжения на выходе будут оставаться постоянными. Частота вращения поля может быть выбрана промежуточной между предельными значениями частоты вращения ротора.

Тогда при s=0 генератор должен возбуждаться постоянным током. Это послужило поводом к введению термина «асинхронизированная синхронная машина«.

Практическое использование генератора в трех областях скольжений связано с решением ряда проблем. Более простая система генерирования переменного тока стабильной частоты получается при рaботе генератора в одной области положительных скольжений.

Среди асинхронных генераторов независимого возбуждения особое место занимает короткозамкнутый генератор, работающий в режиме асинхронного усилителя мощности переменного тока. Основными элементами генераторной установки являются асинхронный (АГ) и задающий (ЗГ) генераторы. Назначение ЗГ состоит в генерировании колебаний определенной частоты, а АГ- в усилении этих колебаний. В зависимости от типа ЗГ возможно получение переменного тока прецизионной частоты, необходимого для некоторых новых областей техники.

Рассмотрим операцию перевода асинхронной короткозамкнутой машины в режим генератора независимого возбуждения. Для этого достаточно асинхронный двигатель, включенный на напряжение сети, развернуть с помощью постороннего двигателя в направлении вращения магнитного поля до сверхсинхронной частоты вращения (рис.1). Положим, что значения скольжения машины в двигательном и генераторном режимах равны, что отмечено звездочками на шкале скольжений (рис. 2). Toгдa векторная диаграмма токов и напряжений примет вид, показанный на рис. 3.

Из анализа диаграммы следуют важные выводы:

1) асинхронный генератор является источником активной мощности, так как по сравнению с двигательным режимом у него изменяется направление только активной составляющей тока;

2) асинхронный генератор, так же как и двигатель, является потребителем реактивной мощности, необходимой для создания магнитного поля.

АСИНХРОННЫЙ АВТОНОМНЫЙ ГЕНЕРАТОР

Асинхронная машина, подключенная к трехфазной сети переменного тока, при частоте вращения n₂ > n₁переходит в генераторный режим. При этом реактивную мощность, необходимую для возникновения вращающего магнитного поля, машина получает из сети. Можно также обеспечить работу асинхронной машины в качестве автономного генератора, если подавать в обмотку статора необходимую реактивную мощность от батареи конденсаторов.

В автономном асинхронном генераторе (рис. 2.71, а) к выходу генератора AГ, приводимого во вращение каким-либо первичным двигателем Д, параллельно нагрузке в каждую фазу подключают конденсатор С. При активной нагрузке реактивная мощность, поступающая от конденсатора, Q_c должна быть равна реактивной (намагничивающей) мощности генератора Q_р, необходимой для создания его магнитного потока. При смешанной активно-индуктивной нагрузке мощность Q_c должна покрывать также реактивную мощность Q_рн нагрузки. Схема замещения асинхронного генератора с конденсаторным возбуждением изображена на рис. 2.71, б.

Рис. 2.71 — Схема включения асинхронного генератора с конденсаторным возбуждением (а),

его схема замещения (б) и зависимость ЭДС от тока I_с

В рассматриваемом асинхронном генераторе возникает процесс самовозбуждения, как и в генераторе постоянного тока с параллельным возбуждением. Ввиду наличия в магнитной системе машины остаточного магнетизма при вращении ротора в обмотке статора индуцируется остаточная ЭДС Е_ост (рис. 2.71, в), которая создает в конденсаторах ток I_с. Этот ток, проходя по обмотке статора, усиливает его магнитный поток, в результате чего индуцируемая в генераторе ЭДС Е_ги ток конденсатора увеличиваются. Рассматриваемый процесс продолжается до тех пор (точка А), пока ЭДС Е_гне станет равной напряжению на конденсаторе U_c. Это условие можно выразить в виде равенства сопротивлений Х₁ + X_m= Х_с, где Х_m — индуктивное сопротивление намагничивающего контура, уменьшающееся из-за насыщения магнитной цепи машины; Х_с — емкостное сопротивление конденсатора. В ряде случаев начало процесса самовозбуждения генератора обеспечивается путем разряда на обмотку статора предварительно заряженной конденсаторной батареи.

Автономные асинхронные генераторы с конденсаторным возбуждением обычно выполняют с короткозамкнутой обмоткой ротора. Их используют главным образом на гидроэлектростанциях небольшой мощности, работающих без обслуживающего персонала.

Список литературы:

1. Копылов И.П. Электрические машины. – М.: Энергоиздат, 2004.

2. Брускин Д.Э., Зерохович А.Е., Хвостов В.С. Электрические машины. Т.1,2. – М. Высш. шк., 1987.

3. Токарев Б.Ф. Электрические машины, — М.: Энергоиздат, 1990.

4. Копылов И.П. Математическое моделирование энергетических машин. Учебник. – М. Высш. шк., 2001.

5. Гольдберг, Свириденко Я.С. Проектирование электрических машин. Учебник для ВТУзов. – М. Высш. шк., 2001.

6. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. – М. Энергия, 1988.

7. Кацман М.М. Электрические машины. – М.: Энергоиздат, 1990.

8. Вольдек А.И. Электрические машины. – Л.: Энергия, 1984.

Электрические машины переменного тока (для студентов форм обучения направления подготовки 6.090603 “Электрические системы электроснабжения”, 6.090605 “Светотехника и источники света”, 6.092204 “Электрический транспорт”)

Авторы: Марина Леонидовна Глебова,

Анатолий Иванович Кузнецов,

Игорь Тимофеевич Карпалюк,

Маргарита Васильевна Чернявская

Редактор: З.М. Москаленко

Корректор: З.И. Зайцева

План 2008, поз. 79

[1] При изложении теории электрических машин переменного тока по аналогии с трансформатором приняты следующие обозначения: А, В, С — начала фаз; X, Y, Z — концы фаз.

[2] Принимается, что результирующий поток, создаваемый всеми фазными обмотками, имеет синусоидальную форму.

Источники реактивной мощности для возбуждения асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором

Изучение схемы включения асинхронного генератора (асинхронного двигателя в качестве генератора). Ознакомление с мировыми производителями конденсаторов и анализом их технических характеристик с целью использования в качестве источника реактивной мощности.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВПО Иркутский государственный технический университет

ИСТОЧНИКИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

Урнеев М.С., Константинов Г.Г.

В настоящее время проявляется повышенный интерес к асинхронным генераторам в качестве автономных возобновляемых источников.

Известно, что асинхронный двигатель не может работать в режиме автономного генератора без источника реактивной мощности. В качестве источника реактивной мощности могут быть использованы синхронные компенсаторы, батареи конденсаторов.

Для асинхронных генераторов небольшой мощности по техническим и экономическим соображениям целесообразно применять батареи конденсаторов.

Если ротор асинхронного двигателя, привести во вращение, каким-либо первичным двигателем, то согласно принципу обратимости электрических машин, под воздействием остаточного магнитного поля, на зажимах статорной обмотки, образуется некоторая Е.Д.С. При подключении к статорной обмотке конденсаторов С, в обмотках статора, потечет опережающий емкостной ток, являющийся в данном случае намагничивающим (см. рис.1).

Рис.1. Схема включения асинхронного генератора (асинхронного двигателя в качестве генератора)

Под его действием по принципу самовозбуждения будет расти генерируемое напряжение, величина которого зависит от характеристики электродвигателя и емкости конденсаторов. Таким образом, асинхронный двигатель можно легко превратить в асинхронный генератор, подобрав емкости так, чтобы напряжение асинхронного генератора и его мощность, соответствовали тем же параметрам его работы, в качестве электродвигателя. Взаимосвязь реактивной мощности Q и емкости С определяется выражением

где С — емкость конденсаторов, мкФ.

Основное преимущество асинхронного генератора заключается в том, что в качестве его может быть использован обычный асинхронный электродвигатель без каких-либо переделок. Кроме того, в случае параллельной работы с сетью нет необходимости в синхронизации и в применении конденсаторов. Генераторы асинхронного типа имеют малую чувствительность к короткому замыканию и высокую степень защиты от внешних воздействий. Цена генераторов такого типа ниже по сравнению с синхронными и генераторами постоянного тока, что является еще одним их плюсом.

В данной статье предполагается провести анализ литературных источников по разработанным в настоящее время конденсаторам, с целью использования их в качестве источника реактивной мощности в асинхронных генераторах.

При этом, главной задачей является, подбор конденсаторов с такими характеристиками, чтобы при мощности асинхронного генератора от 1 до 25кВт, номинальное напряжение источника реактивной мощности было не менее Uн = (250 — 400)В.

Курс на микроминиатюризацию, снижение массы и габаритов, повышение стойкости к внешним факторам, рост надёжности предъявляет повышенные требования к конденсаторам. В последние годы разработаны новые конденсаторы с улучшенными электрическими и эксплуатационными характеристиками. реактивный конденсатор генератор асинхронный

В настоящее время наиболее известными компаниями по производству конденсаторов являются Panasonic, Kemet, Murata, Epcos, Vishay и ряд других. Как видно из таблицы 1, самый широкий диапазон продукции — у компании Panasonic, затем идут Epcos и Vishay. Но это не говорит о высоких технических характеристиках конденсаторов данных производителей.

Таблица 1 Конденсаторы основных мировых производителей

В России известными производителями конденсаторов являются:

— ООО «МИРКОН» — один из официальных дилеров ООО «Северо-Задонский конденсаторный завод»,

— ОАО «ПОЛИКОНД», которые специализируются на выпуске пленочных конденсаторов, пусковых конденсаторов для асинхронных двигателей, для люминесцентных и газоразрядных ламп, а также косинусных конденсаторов для повышения коэффициента мощности в силовых установках, установках компенсации реактивной мощности УКМ58(АУКРМ).

— по номинальному напряжению (220, 380, 660 1 050, 3 150, 6 300 и 10 500 в);

— по числу фаз (однофазные и трехфазные);

-по роду установки (внутренние и наружные);

— по роду пропитки (минеральным маслом или синтетическим жидким диэлектриком).

Исследование работы асинхронного генератора на индивидуальную сеть средствами имитационного моделирования

Исследование работы асинхронного генератора на индивидуальную сеть средствами имитационного моделирования

В последние годы, в связи с поисками путей энергосбережения в различных отраслях хозяйст­ва, возник интерес к энергетическим комплексам, потребляющим нетрадиционные энергоресурсы. При электроснабжении небольших животноводче­ских комплексов, например, в качестве первичного энергоносителя можно рассматривать биогаз, а в качестве генератора — асинхронный двигатель, приводимый двигателем внутреннего сгорания. Возможностями применения простого в эксплуа­тации асинхронного генератора (АГ) в небольших по мощности (до 100 кВт) электростанциях по­священо ряд исследований, в которых отмечаются трудности поддержания частоты генерируемого напряжения при наличии индуктивной нагрузки.

Для возбуждения АГ применяют конденсаторы с емкостью, зависящей от характера и режима нагрузки. Найти законы регулирования емкости конденсаторов можно моделированием работы АГ с разным характером и уровнем нагрузки.

Анализ публикаций, посвященных разработ­кам математических моделей АГ, показывает разнообразие методов преобразований и описаний электрической машины. Различия в математических описаниях АГ заключаются в результате исследования, т.е. какой результат необходимо получить при моделировании. Определив объект исследования, технические условия, точность результатов расчета, что позволит сделать возмож­ные допущения, получим интересующую нас ма­тематическую модель.

На основе математического описания АГ [1] составлена модель с помощью средства визуаль­ного моделирования Simulink из пакета Matlab (рис. 1).

Рис. 1 – Модель асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором под нагрузкой

В предложенной модели АГ влияние насы­щения моделируется путем использования динамических индуктивностей, а потери в стали учи­тываются с помощью дополнительной (фиктив­ной) обмотки статора.

Дифференциальные уравнения АГ в непод­вижной системе координат α β имеют вид:

Для обмотки статора:

Для фиктивной обмотки статора:

Для обмотки ротора:

где

• U_iα, U_iβ — напряжение по осям α β
• I_1a, i_1β, I_2a, i_2β — токи статора и ротора
• r1, r2 — активные сопротивления фаз статора и ротора
• r_μα — фиктивное сопротивление, эквивалент­ное потерям в стали
• i_μαα, i_μαβ — токи в фиктивной обмотке стато­ра (активные составляющие намагничивающего тока по соответствующим осям)
• L_δ1, L_δ2, L_δμα — индуктивности рассеяния фаз статора и ротора и фиктивной обмотки статора
• Ψ_δα, Ψ_δβ — проекции вектора главного потокосцепления на оси α β
• ω_р — частота вращения ротора

Уравнения учета внешней цепи, т.е. конденса­торов возбуждения и нагрузки:

где

• i_Cα, i_Cβ — токи в конденсаторах возбуждения
• 1_Hα, 1_Hβ токи нагрузки по соответствую­щим осям
• С — емкость конденсаторов возбуждения
• r_Н, L_H — активное сопротивление и индук­тивность нагрузки

С помощью представленной модели были проведены исследования работы АГ на индивиду­альную сеть при различных нагрузках.

В качестве АГ была использована асинхронная машина 4A132S4Y3, параметры которой имеют следую­щие значения:

• r₁ = 0.739 Ом
• r₂ = 0.471 Ом
• L₁ = 0.004 Гн
• L₂ = 0.006 Гн

Индуктивность рассеяния фиктивной обмотки статора принималась равной L_μ = 0.112 Гн, фиктивное сопротивление r_μ = 64 Ом.

Коэффициенты аппроксимирующих полино­мов, рассчитанные на основе зависимости:

• i_μ = ƒ(Ψ_δ)
• k₁= 12,6
• k₃ = 30,2

В свою очередь частота вращения ротора АГ принята постоянной ω = 330 рад/с.

При работе машины в установившемся режи­ме общие активные и реактивные сопротивления машины должны быть равны по величине, соот­ветственно, активному и реактивному сопротив­лениям внешней цепи, что равносильно равенству полных проводимостей машины и её внешней се­ти [2].

где

• Y_г, Y_c , Y_н — полные проводимости фазы асинхронного генератора, группы конденсаторов и нагрузки

Во внешнюю сеть, на которую работает асин­хронный генератор с конденсаторным возбужде­нием, была включена активная нагрузка, величина которой может изменяться в широ­ких пределах.

Считаем, что асинхронный ге­нератор работает при постоянной частоте генерируемых колебаний. Проводимость конденсаторов воз­буждения при постоянной частоте генерируемых колебаний зависит только от величины их емкости. Проводимость фазы нагрузки с по­стоянным коэффициентом мощно­сти зависит исключительно от ве­личины фазы токоприемника.

Что же касается проводимости фазы асинхронного генератора, то она определяется параметрами ма­шины, т.е. ее активными и индук­тивными сопротивлениями.

По мере изменения нагрузки напряжение изменяется, что приво­дит к различному состоянию насы­щения магнитных цепей машины. Это сказывается на изменении величины взаимной индуктивности фаз статора и ротора. Изменение тока нагрузки, сопровождается установлением того или иного скольжения, вызывая значитель­ные изменения приведенного активного сопро­тивления ротора.

Таким образом, первостепенными факторами, влияющими на проводимость асинхронного гене­ратора, являются напряжение на зажимах машины и величина скольжения, определяющие собой численные значения параметров нагружаемой асинхронной машины.

Для поддержания заданного на­пряжения постоянным реактивная проводимость намагничивающего контура должна оставаться неиз­менной, независимой от нагрузки. Для этого необходимо, чтобы лю­бое приращение реактивной прово­димости главного контура, обу­словленное изменением нагрузки, было компенсировано соответст­вующим приращением реактивной проводимости конденсаторов.

На рис. 2 представлены внеш­ние характеристики асинхронного генератора, работающего на актив­ную нагрузку при разных значениях емкости возбуждения.

Рис. 2 – Внешние характеристики асинхронного генератора, работающего на активную нагрузку при постоянном числе оборотов ротора

Из рассмотрения представлен­ных кривых видно, что величина возбуждающей емкости оказывает существенное влияние на характе­ристики U_ф = ƒ(Ш_н) при cosØ= const.

Применение сравнительно больших емкостей, приводит к по­вышению напряжения и высокому состоянию насыщения магнитной системы генератора. Этим обеспечивается сравнительно пологая форма характери­стики и значительная перегрузочная способность машины.

Небольшие емкости не дают возможности снять с генератора номинальную мощность, и приводит к быстро спадающим кривым.

На рис. 2 кружками обозначены данные, полу­ченные из эксперимента. Вращение ротора АГ осуществлялось с помощью асинхронного двига­теля (АД) мощностью 11 кВт со скоростью на 5% больше синхронной в двигательном режиме. В качестве нагрузки использовались нагреватель­ные элементы различной мощности. Совпадение данных, полученных при моделировании и экспе­риментальных данных говорит об адекватности разработанной математической модели реальным процессам в АГ.

Работа асинхронного генератора на симмет­ричную нагрузку в значительной степени услож­няется, если среди потребителей имеются потре­бители с моторной нагрузкой. Возникающие при этом затруднения особенно остро проявляются при пуске короткозамкнутых асинхронных двига­телей потребителей.

Короткозамкнутые асинхронные двигатели, потребляя во время пуска большие пусковые токи при низком коэффициенте мощности, вызывает большое падение напряжения генератора, снижа­ют устойчивость его работы, и могут привести к размагничиванию машины при пуске двигателей относительно большой мощности.

Так как при любом характере нагрузок в рас­сматриваемой энергетической системе должен иметь место баланс реактивных мощностей, то при неизменном возбуждении емкость конденса­торов будет ограничивать мощность пускаемых от генератора короткозамкнутых двигателей, реак­тивная проводимость которых при пуске значи­тельно увеличивается, достигая 6-18 кратного увеличения по сравнению с проводимостью при номинальной нагрузке [2].

Процесс пуска АД типа 4A100S4Y в сети АГ был смоделирован при помощи Simulink. Для соз­дания математической модели АД было использо­вано математическое описание, рассмотренное в [3]. На рис. 3 показаны кривые напряжения, тока АГ и тока статора АД, полученные в результате моделирования.