CC BY
39
УДК 621.314
В. А. Буторин, И. В. Голубцова
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОЩНОСТИ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА НА БАЗЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
С ФАЗНЫМ РОТОРОМ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ», ЧЕЛЯБИНСК
V. A. Butorin, I. V. Golubtsova METHOD FOR DETERMINING POWER SYNCHRONOUS GENERATOR BASED ON ASYNCHRONOUS MOTOR WITH SLIP-RING MOTORS
FEDERAL STATE BUDGET EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «SOUTH-URAL STATEAGRICULTURAL UNIVERSITY», CHELYABINSK
Аннотация. Представлена возможность использования асинхронного двигателя с фазным ротором в качестве синхронного генератора в резервных источниках электроснабжения. На основе тепловых схем замещения предложено определять допустимый ток обмотки ротора и, соответственно, мощность синхронного генератора.
Ключевые слова: асинхронная машина; синхронный генератор; температура нагрева; обмотка ротора; мощность.
t Владимир Андреевич Буторин
Vladimir Andreevich Butorin доктор технических наук, профессор butorin chgau@list.ru
Введение. Одним из важнейших условий эффективного использования электрической энергии в сельскохозяйственном производстве является обеспечение надежного электроснабжения потребителей. Ряд отраслей сельского хозяйства, особенно животноводство, требуют высокой надежности электроснабжения. Перебои в электропитании из-за аварийных и плановых отключений наносят экономический ущерб агропромышленному комплексу. Поэтому проблема надежного обеспечения сельскохозяйственного производства электроэнергией требует решения. Это подтверждается наблюдаемым и постоянно растущим дефицитом электроэнергии в сельском хозяйстве, вызванным общим состоянием топливно-энергетического комплекса Российской Федерации [1].
В настоящее время с целью обеспечения безотказности электроснабжения часто применяются автономные источники электроснабжения на базе дизельных электростанций. Наряду с этим использование технических средств, обеспечивающих резервирование электроснабжения сельскохозяйственных предприятий, на
Summary. The paper presents the possibility of using an asynchronous motor with a phase rotor as the synchronous generators for backup power sources. On the basis of the thermal equivalent circuits it was invited to determine the allowable current of the rotor winding and, accordingly, the synchronous power generator.
Keywords: induction machine; a synchronous generator; the rotor winding temperature; the synchronous power generator.
Ирина Васильевна Голубцова
Irina Vasilyevna Golubtsova кандидат технических наук, доцент
emez 86-CHAU@mail.ru
базе имеющегося на нем электрооборудования является актуальным. Это уменьшит капитальные затраты на приобретение электростанций и повысит эффективность использования имеющегося в хозяйствах электрооборудования.
На ремонтных предприятиях и в мастерских агропромышленного комплекса имеются обкаточно-тормозные стенды. Эти стенды используют для холодной и горячей обкатки отремонтированных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в мобильных средствах сельскохозяйственного применения.
Обкаточные стенды включают в себя асинхронные машины с фазным ротором. В процессе горячей обкатки восстановленный ДВС приводит во вращение асинхронную машину. Эта машина переходит в режим генератора и начинает передавать электроэнергию в сеть. Вследствие этого агрегат на базе обкаточно-тормозного стенда, состоящий из ДВС и двигателя с фазным ротором, выполняет роль электростанции. На обкаточных стендах используются асинхронные машины в широком диапазоне номинальных мощностей: от 30 кВт до 160 кВт [2].
Научный журнал
Вестник Курганской ГСХА
В Челябинской области до 1991 г. в АПК имелось свыше 150 обкаточных стендов. В настоящее время по экспертным оценкам в рабочем состоянии находится около 50 стендов. Непосредственно в ремонтных мастерских хозяйств на стендах стоят электродвигатели мощностью 30, 37 и 55 кВт, а в ремонтных предприятиях - электродвигатели мощностью от 55 кВт до 160 кВт.
Целью работы является доказательство возможности использования асинхронных машин с фазным ротором в качестве синхронных генераторов в резервных источниках электроснабжения.
Задачи исследования:
1 На основе тепловых схем замещения предложено определить допустимый ток обмотки ротора.
2 По допустимому току обмотки ротора определить мощность синхронного генератора.
Материалы и методы. Известны схемы использования асинхронной машины с фазным ротором в качестве синхронного генератора [3].
Наиболее простая и надежная схема возбуждения синхронного генератора на базе асинхронной машины с фазным ротором представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Принципиальная схема возбуждения генератора
Схема содержит блок возбуждения, состоящий из трансформатора ТУ и выпрямителей Уй7-Уй10, и блок компаундирования из трех последовательных трансформаторов ТА1-ТА3, питающих обмотку возбуждения через трехфазный выпрямитель по схеме Ларионова. Блок компаундирования служит для поддержания необходимого напряжения у потребителей при увеличении тока нагрузки.
Самовозбуждение генератора происходит за счет емкостного тока статических конденсаторов С1-С3, а необходимое напряжение на холостом ходу генератора устанавливается блоком возбуждения с помощью потенциометра РК
В асинхронном двигателе магнитодвижущая сила (МДС) обмотки ротора меньше МДС обмотки статора. Поэтому при работе асинхронной машины в режиме синхронного генератора ток возбуждения (ток обмотки ротора) ограничен по величине из-за возможного превышения температуры обмотки над допустимой температурой нагревостойкости изоляции обмотки ротора.
В связи с этим мощность синхронного генератора на базе асинхронной машины с фазным ротором ограничена температурой нагрева обмотки возбуждения (ротора).
Нами предложена методика расчета температуры нагрева обмотки ротора с помощью тепловых схем замещения.
Т
1в I
Рисунок 2 - Зависимость температуры нагрева обмотки возбуждения от тока
В методике отражены особенности устройства ротора, а также конструкция и материалы изоляции обмотки ротора. Температура нагрева обмотки ротора рассчитывается в зависимости от тока возбуждения. В результате получена зависимость, представленная графически на рисунке 2. По значению допустимой температуры для класса нагревостойкости изоляции, использованной при намотке ротора, определяют допустимый ток обмотки возбуждения /В и по регулировочной характеристике определяют значение тока нагрузки генератора /1 (рисунок 3).
£ = т ■и ■ /1 -10-3 кВА,
где т - число фаз;
и - фазное напряжение асинхронной машины, В;
/1 - ток нагрузки генератора, А.
Для исследуемой на лабораторной установке машины АК 51-4 мощностью 2,8 кВт с классом изоляции А, допустимое превышение температуры которого составляет / = 60 °С, ток возбуждения равен 1в = 25,3 А. Используя регулировочную характеристику по полученному значению /в определим ток нагрузки генератора /1 = 4,6 А. Отсюда мощность генератора: £ = 3-220-4,6-10_3 = 3,04 кВА.
В двигательном режиме полная потребляемая мощность составляет:
£ =-
Р
П ■ СОБ^
где Р - активная мощность синхронного генератора, кВт; П - коэффициент полезного действия; еозф - коэффициент мощности:
£
2,8
0,78 ■ 0,82
4,38 кВА.
Рисунок 3 - Регулировочная характеристика генератора
Тогда мощность синхронного генератора на базе асинхронной машины с фазным ротором определяется по выражению:
Вывод. Теоретические расчеты и экспериментальные данные показали, что мощность синхронного генератора составляет 65-75 % от номинальной мощности асинхронной машины с фазным ротором [4].
Список литературы
1 Чарыков В. И., Новикова В. А., Городских А. А. Эффективность транспорта электроэнергии (на примере района электрических сетей) // Актуальные проблемы энергетики : материалы VII международной научно-практической конференции / Под редакцией В. А. Трушина. - Саратов : Саратовский ГАУ, 2016. - С. 244-247.
2 Цитнер О. Ю., Басарыгина Е. М., Сперанская О. А. Состояние и перспективы сельскохозяйственного производства на Южном Урале в свете реализации стратегии национальной безопасности России. // Природа и общество: технологии обеспечения продовольственной и
экологической безопасности. - Сер. « Социоестествен-ная история. Генезис кризисов природы и общества России». - М. : МГУ, 2016. - С. 149-155.
3 Брагида М. В. Асинхронный электродвигатель в качестве синхронного генератора // Техника в сельском хозяйстве. - 1986. - № 10. - С. 26-28.
4 Яруллин Р. Б., Линенко А. В. К вопросу динамической характеристики асинхронного двигателя // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - Уфа : Уфимский госуниверситет экономики и сервиса, 2013. - С. 42-46.
