CC BY
28ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ АСИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
Вишневский Л.В.
Национальный Университет «Одесская Морская Академия» (НУ «ОМА»), заведующий кафедры автоматизации судовых паросиловых установок, профессор, д.т.н.;
Веретенник А.М.
НУ «ОМА», профессор кафедры судовых энергетических установок, д.т.н.;
Муха Н.И.
НУ «ОМА», доцент кафедры судовой электромеханики и электротехники, к.т.н.
IMPROVING TECHNICAL AND ECONOMIC PARAMETERS OF AUTONOMOUS ELECTRIC POWER STATIONS BY USING ASYN-CHRONOUS GENERATOR
Vishnevskiy L., National University «Odessa Maritime Academy» (NU «OMA»), head of automation of ship steam power plants chair, Professor, Doctor of Technical Sciences;
Veretennik A., NU «OMA», professor of marine power plants chear, Doc-tor of Technical Sciences;
Mukha N., NU «OMA», assistant professor of electrical engineering and ma-rine electrical engineering chair, Ph.D.
АННОТАЦИЯ
В статье приведены результаты сравнительного анализа технико-экономических характеристик генераторных агрегатов на основе синхронного и асинхронного генератора. Определены следующие преимущественные характеристики асинхронного генератора перед синхронным. Асинхронный генератор имеет меньшие габариты и вес, проще конструкция коротко-замкнутого ротора генератора, отсутствуют многовитковые роторные обмотки,
скользящие контакты и вращающиеся полупроводниковые элементы, отсутствует токовая изоляция на роторе, что повышает предельную температуру нагрева и обеспечивает высокие предельные скорости вращения ротора. Более высокий КПД асинхронного генератора вследствие малого значения активного сопротивления ротора обеспечивает его экономичность. Асинхронный генератор вырабатывает напряжение синусоидальной формы, симметричное трёхфазное напряжения при неравномерной нагрузке. Быстрое затухание токов рассеяния при потере возбуждения обеспечивает безопасность режимов коротких замыканий для асинхронного генератора. Регулирование емкостного возбуждения асинхронного генератора по цепи статора позволяет создать быстродействующие и инвариантные системы стабилизации напряжения. Простота и безопасность включения на параллельную работу, отсутствие колебаний ротора при значительных изменениях нагрузки обеспечивают устойчивость параллельной работы в многоагрегатных электростанциях.
Указанные преимущества асинхронных генераторов перед синхронными подтверждают целесообразность широкого внедрения асинхронных генераторных установок в автономных электростанциях с целью повышения их надежности и снижения стоимости электроэнергии.
ABSTRACT
The article presents the results of a comparative analysis of technical and economic characteristics of the generating units based on synchronous and asynchronous generator. It defines the following advantageous characteristics of the asynchronous generator to synchronous. The asynchronous generator has a smaller size and weight, easy short-circuited rotor of the generator design, no multiturn rotary winding, sliding contacts and rotating semiconductor elements, there is no current insulation on the rotor, which increases the limit of heating temperature and provides high rotor speed limits. Due to the low value of the active rotor resistance the asynchronous generator has higher efficiency which provides its economy. Asynchronous generator generates a sine wave, a symmetrical three-phase voltage at an uneven load. Fast currents scattering attenuation if it is loss of excitation provides security for asynchronous generators in short-circuit accidents. Regulation capacitive excitation of asynchronous generator by stator circuit allows you to create fast and invariant system voltage stabilization. Simple and safe parallel operation, the absence of rotor vibrations at considerable load changes provide stability of parallel operation of many generators power plants. These advantages of asynchronous generators in compare with synchronous to confirm the feasibility of the widespread introduction of asynchronous generator sets in power plants in order to in-crease their reliability and reduce the cost of electricity.
Ключевые слова: генерация электрической энергии, синхронные и асинхронные генераторы, сравнительный анализ технико-экономических параметров, основные преимущества асинхронных генераторов.
Keywords: Electric power generation, synchronous and asynchronous generators, comparative techno-economic analysis, the main advantages of asynchronous generators
Надежность и экономичность источников электроэнергии для автономных объектов в промышленности, на транспорте является обязательным требованием. В настоящее время в автономных и резервных электростанциях используют генераторы переменного трехфазного тока.
Традиционно и в большинстве случаев в качестве генератора применяют синхронные генераторы (СГ), производство которых хорошо налажено и их конструкция оп-
тимизирована, [1-3]. Контактное исполнение ротора, как основной недостаток синхронных генераторов, преодолен освоением бесконтактной технологии его возбуждения путем установки на роторе обращенной синхронной машины и вращающихся диодов, рис. 1, а. Однако такое усложнение конструкции ротора привело к усложнению и подорожанию СГ. Кроме этого недостатка синхронные машины имеют
еще ряд особенностей и ограничений их использования в автономных установках, о которых будет сказано ниже.
Альтернативой использования СГ в автономных электростанциях является более широкое применение асинхронных генераторов (АГ) с короткозамкнутым ротором, рис. 1, б, [46], которые практически вытеснили СГ из ветроэнергетики.
Асинхронная машина имеет простую конструкцию корот-козамкнутого ротора с алюминиевой литой обмоткой типа «беличья кленка» с закрытыми пазами. Такая конструкция обмотки позволяет существенно уменьшить величину воз-
душного зазора и снизить потери по пути основного потока намагничивания, что позволяет уменьшить геометрические размеры ротора и машины в целом. Отсутствие скользящих контактов и вращающихся полупроводниковых элементов, замена многожильной медной обмотки с изоляцией на литую алюминиевую позволяет поднять рабочую температуру ротора и увеличить его максимальную частоту вращения, что расширяет эксплуа-тационный диапазон применения асинхронной машины по сравнению с синхронной.
Рис. 1 - Автономные электроустановки с бесконтактным синхронным (а) и асинхронным (б) генератором
Таким образом, при одинаковых механических характеристиках и степени защищенности асинхронная машина будет иметь лучшие массогабаритные и ценовые показатели. По данным конструкторов электрических машин, мас-согабаритные показатели асинхронных машин будут в 1.4 раза меньше, чем у синхронных с контактными кольцами на роторе, [5, 6].
Небольшое активное сопротивления ротора асинхронной машины и меньший воздушный зазор определяют более высокий коэффициент полезного действия п АГ по сравнению с СГ, что обеспечивает большую эконо-мичность АГ, [4, 5].
На рис.2 приведены зависимости КПД (п) ряда промышленных син-хронных и асинхронных генераторов разных производителей от их номи-нальной активной мощности P , а также асинхронных машин серии AIR, [1-4].
0 1000 Рис. 2 - Коэффициент полезного действия генераторов
КПД АГ примерно на 2 % выше, чем у СГ той же мощно- пример, годовая экономия от замены судового синхронного сти, что делает его использование более экономичным. На-
генератора на асинхронный мощностью 1 МВт составит около 12 тыс. долларов.
Основной причиной, по которой АГ не нашли применения в автономных энергоустановках является техническая необходимость для возбуждения и управления напряжением АГ использовать дополнительный источник реактивной мощности в виде силовых конденсаторов, рис. 1, б.
В настоящее время произошли изменения в технологии производства конденсаторов переменного тока, существенно снизившие их стоимость и массогабаритные показатели. Так, полипропиленовые конденсаторы в своей основе имеют тонкую полимерную пленку с алюминиевым напылением электродов, т.е. дешевые и легкие компоненты. Удельный вес таких конденсаторов примерно равен 0.1 кг/кВА., что в 50...100 раз меньше веса электрических машин, [1-4]. Стоимость современных конденсаторов также на порядок меньше цены генераторов.
Снижение цены косинусных конденсаторов и тиристоров в настоящее время стимулировало производство управляемых установок компенсации реактивной мощности с полупроводниковой коммутацией конденсаторов и их широкое применение на предприятиях и на транспорте. Технологически такие установки отличаются от систем возбуждения АГ только контроллерами управления.
АГ и СГ существенно отличаются конструкцией ротора, а также способом возбуждения и управления генерируемым напряжением, см. рис. 1.
В СГ возбуждение осуществляется со стороны роторной цепи, а элек-тромагнитное поле генератора создается и изменяется обмоткой возбуждения путем регулирования тока в ней. Регулятор напряжения СГ изменяет ток в обмотке возбуждения в функции отклонения напряжения на статорных обмотках от заданного значения. Как правило, аналоговый регулятор напряжения синхронного генератора реализует пропорциональный или пропорционально-интегральный
закон управления. Для снижения мощности управления обмотка возбуждения выполняется многовитковой для создания необходимого поля при небольшом токе. Однако за счет этого индуктивность и постоянная времени обмотки возбуждения существенно увеличиваются, что снижает быстродействие СГ.
Для повышения быстродействия системы регулирования напряжения регулятор СГ обладает форсировочными возможностями, т.е. максимальное значение напряжения возбуждения в переходном процессе допускает величину 5.8 кратную номинальному значению.
В АГ возбуждение обеспечивается за счет колебательного процесса обмена энергией между индуктивностью машины и емкостью возбуждения, подключенной к статорным цепям АГ. Напряжение АГ будет зависеть от кривой намагничивания машины, частоты вращения, нагрузки и величины емкостного тока возбуждения, [6, 7].
Регулятор возбуждения АГ изменяет емкостной ток конденсаторов в функции отклонения его напряжения от номинального значения. Ток нагруки и емкостной ток возбуждения протекают по одной статорной цепи генератора, что позволяет практически мгновенно компенсировать реакцию генератора на нагрузку емкостным током. Проблема остается лишь в быстром измерении регулируемой величины и выборе оптимального закона управления.
Регулирование возбуждения АГ по цепи статора позволяет создать быстродействующие и инвариантные системы стабилизации напряжения [8, 9].
Если измерение напряжения и коммутацию конденсаторов производить в течение одного периода генерируемого тока, то переходной процесс восстановления напряжения АГ после коммутации нагрузки заканчивается за 2...3 периода, т.е. за 0.04.0.06 с. В то же время минимальное время переходного процесса в СГ составляет 0.5 с, рис.3, [10].
Рис. 3 - Переходной процесс восстановления напряжения СГ и АГ после включения 50 % номинальной нагрузки с коэффициентом мощности 0,8; ^ — 0,02IIт
Различие в системах возбуждения СГ и АГ отражается на перегрузочной способности генераторов и их реакции на короткие замыкания. При двукратной (и более) перегрузке и ограниченной емкости возбуждения АГ резко снижает напряжение до нуля, что не происходит в СГ при перегрузке, поэтому он нуждается в защите от таких аварийных режи-
мов. В случае короткого замыкания емкость возбуждения шунтируется, а АГ быстро развозбуждается из-за малых постоянных времени контуров рассеяния генератора.
На рис. 4 показаны процессы изменения фазного тока и напряжения при увеличении проводимости нагрузки в пять раз.
О 0.2 0.4 ic
Рис. 4 - Процессы короткого замыкания в СГ и АГ
Таким образом, режим короткого замыкания для АГ является безопасным. При этом селективность защиты от к.з. в разветвленной электрической сети АГ должна обеспечиваться за 2.. .3 периода тока, [6].
Следует заметить, что ограничение перегрузочной способности АГ пропорционально зависит от величины емкости возбуждения. Если генератор рассчитывается на номинальный cos ф = 0.8, то от него возможен прямой пуск асинхронного двигателя мощностью до 30 % от мощности генератора.
Если же емкость возбуждения АГ не ограничена, то возможен пуск двигателя соизмеримой с генератором мощности, [7].
За счет фильтрующих свойств конденсаторов асинхронный генератор обладает синусоидальной формой кривой генерируемого напряжения с низким содержанием гармоник [7], симметричностью трехфазного напряжения при неравномерном распределении нагрузки [6].
Вектор электромагнитного поля СГ жестко привязан к геометрической оси обмотки возбуждения. Увеличение угла нагрузки (между полем и осью обмотки) более чем на 90 градусов приводит к аварийному режиму выпадения из синхронизма. Особенно опасен режим «качаний ротора» СГ при включении на параллельную работу и при перераспределении нагрузки во время параллельной работы. В этом
случае выпадение из синхронизма приводит, как правило, к обесточиванию, [11].
В отличие от СГ, технологическое наличие скольжение ротора АГ относительно поля существенно повышает устойчивость системы параллельно работающих генераторов. При этом нет ограничений количества генераторов, работающих в одной сети, что подтверждено опытом использования АГ в ветроэнергетике.
Режим включения АГ в параллель совершенно не опасен для генераторов, а при несовпадении фаз до 90 градусов провал напряжения не превышает 30 %. В то же время при разнице фаз включаемых СГ более 60 градусов провал напряжения превышает 50 %.
На рис. 5 приведены процессы синхронизации моментов, частот вра-щения и установления напряжений генераторов при разнице фаз при включении 90 градусов. Моменты синхронизации М1, М2 достигают 5 номинальных значений, а частоты ю ю2 отклоняются на 5.. .7 %. Затухание колебаний моментов и частот при включении в параллель СГ длится 0.7 с, а при аналогичном включении АГ - 0.2 с. Динамические отклонения модуля вектора напряжения ит СГ составляют +50.-80 %, процесс установления напряжения длится 0.35 с. При включении АГ напряжение отклоняется на +20.-30% в течение 0.2 с.
Рис. 5 - Процессы включения генераторов на параллельную работу с разницей фаз 90 градусов
Если к АГ включать в параллель невозбужденный вращающийся с синхронной частотой другой АГ, то синхронизация произойдет с двукратным моментом, с отклонением частот на 3 % в течение 0.2 с, провал напряжения составит 50% в течение 0.15с.
Выводы.
Асинхронный генератор имеет меньшие габариты и вес, проще конструкция короткозамкнутого ротора генератора, отсутствуют многовитковые роторные обмотки, скользящие контакты и вращающиеся полупроводниковые элементы, отсутствует токовая изоляция на роторе, что повышает предельную температуру нагрева и обеспечивает высокие предельные скорости вращения ротора.
Более высокий КПД АГ вследствие малого значения активного сопротивления ротора обеспечивает его экономичность.
Асинхронный генератор обладает синусоидальной формой кривой генерируемого напряжения, симметричностью трехфазного напряжения при неравномерной нагрузке.
Быстрое затухание токов рассеяния и потеря возбуждения обеспечивает безопасность режимов коротких замыканий для генератора.
Регулирование емкостного возбуждения АГ по цепи статора позволяет создать быстродействующие и инвариантные системы стабилизации напряжения.
Простота и безопасность включения на параллельную работу, отсутствие колебаний ротора при значительных изменениях нагрузки обеспечивают устойчивость параллельной работы в многогенераторных электростанциях.
Преимущества АГ подтверждают целесообразность широкого внедрения асинхронных генераторных установок в автономных электростанциях с целью повышения их надежности и снижения стоимости электроэнергии.
Литература
1. Синхронные генераторы 1FC. Brushless Constant-Voltage Synchronous Alternators 1FC. - Low-Voltage for shipboard and industrial use. - 40 c.
2. Синхронные генераторы MJB. Data Sheets Three-phase Synchronous Generators. - 160 - 630 FRAME SIZES INDUSTRIAL APPLICATION. - 348 с.
3. Синхронные генераторы Sincro SK. - http://www. sincro.com.au.
4. Асинхронные генераторы G11R - G22R. Three-phase Asynchronous Generators. - VEM motors GmbH. - 17 с.
5. Радин В.И., Винокуров В.А. Применение асинхронных генераторов как автономных источников переменного тока // Электротехника. - 1967. -№8. - С.17 - 20.
6. Вишневский Л.В., Пасс А.Е. Системы управления асинхронными генераторными комплексами. - Киев - Одесса: Лыбидь, 1990. - 68 с.
7. Вишневский Л.В. Теория, методы расчета систем управления и рабочие режимы судовых электроустановок с асинхронными генераторами: Дис. докт. техн. наук. -Санкт-Петербург, 1991. - 400 с.
8. Вишневский Л.В. Анализ качества дискретных законов управления напряжением генераторных установок //
Електромашинобудування та електроустаткування. - К.: Техшка, 2000. - Вип. 55. - С. 46-52.
9. Вишневский Л.В., Муха Н.И., Веретенник А.М. Расчет напряжений в электроустановках с импульсными регуляторами // Автоматизация судовых технических средств. - Одесса: ОГМА, 2003. - Вып. 8. - С. 8-15.
10. Вишневский Л.В., Муха Н.И., Веретенник А.М. Компьютерное моделирование судовых вспомогательных электроустановок // Судовые энергетические установки. - Одесса: ОГМА. - 2001. - № 6. - С.23-30.
11. Веретенник А.М. Повышение эффективности эксплуатации судовой установки стабилизацией потока электрической энергии: Дис. докт. Техн. наук. - Одесса, 2013. - 321 с.
РЕСУРСНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ ОТРАБОТАННЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ
ФИЛЬТРОВ
Ганошенко Е.Н.
ассистент Полтавского национального технического университета им. Ю. Кондратюка, г. Полтава
Голик Ю.С.
к.т.н., профессор
Полтавского национального технического университета им. Ю. Кондратюка,
г. Полтава
Колтунов А.Г.
генеральный директор ОАО «НИИ КОЛАН», г. Полтава
RESOURSE POTENTIAL OF USED AUTOMOBILE FILTERS Ganoshenko E., Assistant, Poltava National Technical Yuriy Kondratiuk University, Golik Yu., Ph.D., Professor, Poltava National Technical Yuriy Kondratiuk University, Koltunov A., General Director of NDIKOLANPJSC
АННОТАЦИЯ
В работе представлена проблема образования отработанных автомо-бильных фильтров. Рассмотрены конструкции воздушных, топливных, масляных и салонных фильтров. Установлен компонентный состав отработанных фильтров (легковых автомобилей), большая часть которых являются ресурсоценными отходамими.
ABSTRACT
The paper presents problem of the formation of used automotive filters. Designs of air, fuel, oil and cabin filters. The components of the used filters (passenger cars), most of which are resource valuable waste.
Ключевые слова: отработанные автомобильные фильтры, способ утилизации, рециклинг, ресурсоценный отход.
Keywords: waste automotive filters, ways of utilization, recycling, resource valuable waste.
В Украине с каждым годом увеличивается количество отходов, поли-гонов и свалок, как следствие - ухудшается состояние окружающей среды населенных мест и здоровье людей. Исследования показали, что самой большой экологической проблемой является образование огромного количества отходов производства и транспорта. Ежегодно в Украине образуется около 200 млн. т промышленных отходов и так же, как в других странах остро стоит проблема с их обращением [1].
Анализируя направления экологической политики в сфере обращения с отходами в Украине можно выделить следующие приоритетные направления:
- обеспечение захоронения отходов на специализированных и экологически безопасных полигонах;
- увеличение до 2020 года в 1,5 раза объёмов заготовки, утилизации и использования отходов в качестве вторичного сырья;
- внедрение современных инновационных технологий утилизации промышленных и бытовых отходов [2].
Внимание к промышленным и бытовым отходам в современном мире достаточно высоко, так как они являются потенциальными сырьевыми компонентами. Для получения необходимых материалов из природных источников, полезных ископаемых необходимы колоссальные финансовые, энергетические и человеческие ресурсы. Если же рассматривать переработку, утилизацию вторичного сырья, можно
говорить о значительной экономической выгоде при получении необходимого продукта.
Многие страны направляют все свои силы на защиту окружающей среды путем разработки и эффективного внедрения современных технологий утилизации и повторного использования промышленных отходов как ресурсоценных компонентов для улучшения экологической обстановки. Одним из которых является вышедший из эксплуатации автомобиль. Статистические данные показывают, что ежегодно в Украине насчитывается от 100 до 200 тысяч таких машин, и уже на сегодня утилизации подлежит более 1 млн. автомобилей [3]. Рассматривая эти данные, можем только предположить ресурсный потенциал таких отходов.
Внедрение концепции утилизации вышедших из эксплуатации автомобилей даст возможность переработать их, не причиняя вреда окружающей среде и здоровью людей. Срок жизни легкового автомобиля около 15 лет, в результате эксплуатации, а так же происходящих физических и химических процессов, его узлы и механизмы постепенно изнашиваются, техническое состояние ухудшается, и как следствие увеличивается количество вредных выбросов в атмосферу. Некоторые его части такие как аккумуляторы, шины, фильтры имеют значительно меньший срок эксплуатации, по окончанию которого они представляют собой опасные отходы. То, на сколько правильно и своевременно происходит замена этих элементов зависит работоспособность автомобиля, не менее важный вопрос - вредное влияние на окру-
