CC BY
107
Electrical facilities and systems _
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ ELECTRICAL FACILITIES AND SYSTEMS
Феоктистов Н.А. Feoktistov N.A.
доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет дизайна и технологии»,
Россия, г. Москва
Зайцев А.Г.
Zaitsev A.G.
аспирант ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет дизайна и технологии», Россия, г. Москва
Бабинцева К.А. Babintseva K.A.
магистрант ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет дизайна и технологии»,
Россия, г. Москва
УДК 621.318
РАЗРАБОТКА СИСТЕМ СТАБИЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ОТ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА БЫТОВОГО НАЗНАЧЕНИЯ
В статье предлагаются варианты систем стабилизации напряжения и частоты при работе от ветроэлектрических генераторов малой и средней мощности бытового назначения. Приведены блок-схемы систем стабилизации для разных мощностей, на основе которых разработаны электрические схемы систем:
- системы стабилизации напряжения тиристорным выпрямителем, а частоты - инвертором тока с задающим генератором;
- системы стабилизации частоты инвертором напряжения, а напряжения - транзисторным стабилизатором, включенным на выходе инверторов напряжения.
Установку с ВЭС с выпрямительным мостом целесообразно применять в тепличном хозяйстве в условиях Сибири и Севера, для отопления помещений, удаления влаги из грунта путем создания испарительных устройств из пористых материалов и нагревательных элементов. Систему стабилизации выходного напряжения следует применять для питания бытовой техники и других потребителей переменного тока, в частности, радиоэлектронной аппаратуры. Однако применение системы стабилизации для питания бытовой радиоэлектронной аппаратуры требует фильтрации высших гармоник переменных напряжений.
Ключевые слова: система стабилизации напряжения, система стабилизации частоты, тиристорный выпрямитель, инвертор, ветроэлектрический генератор.
DEVELOPMENT OF SYSTEMS OF STABILIZING OF PARAMETERS OF ELECTRICAL ENERGY FROM THE VETROELEKTRICHESKY GENERATOR
OF THE HOUSEHOLD PURPOSE
In article options of systems of voltage stabilization and frequency are offered by operation from the
Electrical and data processing facilities and systems. № 4, v. 10, 2014
5
Электротехнические комплексы и системы
vetroelektricheskikh of generators of low and average power of a household purpose. Flowcharts of systems of stabilizing for different capacities on the basis of which electric circuits of systems are developed are provided:
- systems of voltage stabilization by the thyristor rectifier, and frequencies the current inverter with the master oscillator;
- systems of frequency fixing by tension inverter, and tension - the transistor stabilizator which has been switched on on an output of inverters of tension.
Installation with windfarm with rectifier bridge is advisable to apply in greenhouses in Siberia and the North, central heating, removing moisture from the soil, through the creation of evaporation from porous materials and heating elements. Stabilization system output voltage to be applied to power household appliances and other consumer alternating current, in particular, electronic devices. However, the use of the stabilization system to power home electronics require harmonic filtering AC voltages.
Key words: system of voltage stabilization, system of frequency fixing, thyristor rectifier, inverter, wind power generator.
Одним из перспективных направлений по созданию нетрадиционных источников электроэнергии является ветроэнергетика [1, 2, 3]. Целесообразность создания и применения экологически чистых источников энергии, таких как ветроэнергетические станции (ВЭС), является важной практической задачей [1, 2], особенно для небольших населенных пунктов Севера, Сибири, фермерских и дачных хозяйств нечерноземной зоны.
Генератор ВЭС может быть бесконтактный синхронный, асинхронный либо магнитоэлектрический с торцевым зазором [4, 5]. Наиболее эффективным вариантом для малых мощностей является последний вариант. Повышение эффективности использования активных материалов магнитной си-
стемы достигается тем, что ротор и статор имеют общий вал, причем ротор состоит из двух стальных колец с закрепленными на них постоянными магнитами, между которыми помещен статор с обмотками, охватывающими его магнитопровод, а ветроколесо прикреплено к торцу ротора. Магнитная система симметрична, и поэтому осевые силы на подшипник практически отсутствуют. Конструкция генератора с равномерным воздушным зазором между магнитопроводом статора и магнитами позволяет обеспечить вращение ротора даже при слабом ветре. Для генератора мощностью 1кВа ВЭС-1 результаты испытаний при работе на выпрямленный мост с различной нагрузкой приведены в таблице.
Результаты испытаний при работе на выпрямленный мост
n об/мин 100 200 315 400
U В 13,5 28 44 50
Id A 12 16 25 24 31 50 34 50 70 40 65 100
R Ом 0,58 0,29 0,15 0,58 0,29 0,15 0,58 0,29 0,15 0,58 0,29 0,15
Ud В 7 5 3,8 16 12 8 25 18 10 30 22 12
P bm 84 80 95 384 372 400 850 900 700 1200 1430 1200
где U, I - действующие значения напряжения и тока фазы; R - сопротивление нагрузки; Ud, Id - среднее значение напряжения и тока на выходе выпрямителя.
Практическое применение таких генераторов ограничено примерами использования в качестве получения тепла, освещения, зарядки аккумуляторов, перекачки воды. Для питания бытовых машин и аппаратов, бытовой радиоэлектронной аппаратуры, вычислительной и компьютерной техники и других потребителей требуется обеспечение стабилизации параметров электрической энергии, в первую очередь напряжения и частоты [4, 6].
Известны несколько вариантов систем стабили-
зации напряжения и частоты при работе от ВЭС [4, 7]. При этом необходимо отметить, что в зависимости от мощности нагрузки системы могут отличаться принципами (способами) и элементной базой.
Рассмотрим два варианта систем стабилизации напряжения и частоты при работе от автономного нетрадиционного источника энергии с переменными параметрами электрической энергии на примере ВЭС.
Для ВЭС средней мощности наиболее целесообразно применение системы (рис. 1а), обеспечивающей стабилизацию напряжения с помощью управляемого выпрямителя (УВ) с обратной связью частоты с помощью инвертора (И) с задающим гене-
6
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 4, т. 10, 2014
Electrical facilities and systems
Рис. 1. Функциональные схемы систем стабилизации напряжения и частоты при питании РЭА от ветроэлектрических станций бытового назначения
ратором (Г). В цепи обратной связи осуществляется сравнение выходного напряжения системы, снимаемого с измерительного элемента (ИЭ), и эталонного напряжения источника опорного напряжения (ИОН). Сигнал рассогласования с выхода элемента сравнения (ЭС) подается на систему управления (СУ) выпрямителя, который воздействует на регулирующие элементы - тиристоры и обеспечивает стабилизацию выходного напряжения.
Устройство коммуникации (УК) определяет режим работы системы: при минимальной скоро-
сти ветра источником энергии является аккумуляторная батарея (АБ).
При большой скорости ветра или отключении блоком управления (БУ) перезаряженной батареи АБ инвертор (И) подключается к выпрямителю УВ. На выходе инвертора, как правило, включается фильтр (Ф) для получения более синусоидального напряжения.
Для ВЭС малой мощности (менее 2кВт) наиболее целесообразно применение системы, осуществляющей стабилизацию напряжения электронным
Electrical and data processing facilities and systems. № 4, v. 10, 2014
7
Электротехнические комплексы и системы
или феррорезонансным стабилизатором переменного напряжения (СПН) с обратной связью на тех же элементах, что и в предыдущем варианте (рис. 1б). В этом варианте можно использовать неуправляемый выпрямитель (В) управления в соответствии с приведенными блок-схемами. В схеме для ВЭС средней мощности (рис. 2) для стабилизации выходного напряжения применен выпрямительный мост по несимметричной схеме с катодной груп-
пой управляемых вентилей-тиристоров Vs1 - Vs3 и упрощенной системой управления ими. Аккумулятор АБ служит для обеспечения бесперебойной работы и сглаживания пульсаций. Чувствительным элементом с целью стабилизации напряжения является измерительный мост (R5-R9, VD8-VD10), в диагональ которого включен усилительный элемент VT3, VT4.
8
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 4, т. 10, 2014
Electrical facilities and systems
Генератор пилообразного напряжения формируется элементами VD11, VD12, VD13, C2, блоком питания, R20-R24
На резисторе R24 происходит формирование трапециодального напряжения, заряжая им конденсатор С2 через R23 и разряжая его через диод VD13. Пилообразное напряжение на С2 сравнивается с выходным напряжением транзистора VT4. Разность этих напряжений усиливается двухкаскадным усилителем на транзисторных элементах VT6, VT7. Выходной каскад собран на элементах VS4, VS5, VD14, VD15, VD16, VD17, C3, трансформаторе Т3. При открытии VT17 на R19 формируется импульс с крутым фронтом. Процесс перезаряда C3 определяет момент открытия и закрытия VS4.
В качестве инвертора может быть использован инвертор тока, управляемый задающим генератором (ЗГ) и стабилизатором заданной частоты (СЗЧ).
Для получения синусоидального напряжения необходимой величины можно использовать сило-
вой трансформатор Т1 и фильтр С5, L1, C6,L2.
Для отключения АБ при перезарядке и большой скорости ветра, а также включения разряженной батареи к выпрямителю служит устройство коммутации (рис. 3).
При малой скорости ветра и низком значении выпрямленного напряжения питание инвертора осуществляется от АБ через коммутирующий диод VD8. В это время диод VD7 закрыт приложенным обратным напряжением. Выпрямительный блок с ВЭС отключен от системы. При наличии ветра и достижении выпрямленного напряжения определенной величины открывается VD7 и закрывается VD8 обратным напряжением. Питание системы осуществляется от ВЭС. Если напряжение АБ меньше допустимого (разряжена), стабилитрон VD10, тиристор VS2 закроется, что приведет к открытию тиристора VS1. Аккумуляторная батарея АБ подключается к системе и начинает заряжаться от выпрямителя.
Когда АБ зарядится полностью, напряжение на R3 достигнет порогового значения стабилитрона VD10. Тиристор VS2 открывается, вызвав закрывание VS1. Заряд АБ прекращается. Резистор R1 ограничивает значение зарядного тока.
Для ВЭС малой мощности можно применить неуправляемый выпрямитель, инвертор на силовых транзисторах с генератором задающих импульсов, трансформатор и стабилизатор переменного напря-
жения на силовых транзисторах.
Электрическая схема системы стабилизации (рис. 4) содержит трехфазный выпрямительный мост VD1 - VD6, коммутатор питания, аккумулятор АБ, инвертор VT1 - VT2 с задающим генератором DD1, трансформатор Т1, фильтр L1, C3, L2, C4 и транзистор VT4, включенный в диагональ моста VD12 - VD15, с системой управления для обеспечения стабилизации напряжения. Уровень
Electrical and data processing facilities and systems. № 4, v. 10, 2014
9
Электротехнические комплексы и системы
выходного напряжения устанавливается резистором R19.
При малой скорости ветра питание системы осуществляется аккумуляторной батареей через коммутирующий диод VD8, а силовой выпрямитель отключен от системы. При увеличении скорости ветра и достижении выправленным напряжением определенной величины коммутирующий диод VD7 открывается, VD8 запирается обратным
напряжением. Если батарея разряжена ниже определенного уровня, напряжение на потенциометре R3 ниже порогового напряжения стабилитрона VD10, и тиристор VS2 закрывается, что приведет к открытию VS1. Аккумуляторная батарея подключается к выпрямителю и будет заряжаться. Когда батарея зарядится полностью, то она отключится от системы.
Рис. 4. Электрическая принципиальная схема ветроэлектрической станции мощностью 1 кВт
Стабилизацию выходного напряжения можно обеспечить и тиристорным стабилизатором, приведенным на рис. 5, в котором стабилизация напряжения обеспечивается тиристорным регулирующим органом. Элементом сравнения является транзистор VT1, момент открытия которого определяется измерительным элементом-стабилитроном VD11. При закрытом транзисторе конденсатор С2 заряжается через R5 и R6 до напряжения переключения тиристора VS5, между анодом и катодом которого включается стабилитрон VD8. При этом разряженный импульс через VS5 и резисторы R3, R4 открывают соответствующие тиристоры VS3, VS4. С целью обеспечения стабилизации при минимальной скорости ветра угол регулирования при номинальном напряжении на выходе трансформатора выбирается
равным приблизительно 60 эл. град., что требует в ряде случаев дополнительно фильтра для улучшения формы выходного напряжения.
Установку с ВЭС и выпрямительным мостом целесообразно применять для поддержания температуры в теплицах в условиях Сибири или Севера, отопления помещения, удаления избыточной влаги из грунта путем создания испарительных колонн из капиллярно-пористых материалов и нагревательных элементов.
Список литературы
1. Кириллин В.А. Энергетика. Главные проблемы: в вопросах и ответах [Текст] / В.А. Кириллин. - М.: Знание, 1990. - 128 с.
2. Кушнир В.Г. Ветер как альтернативный вид
10
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 4, т. 10, 2014
Electrical facilities and systems
Рис. 5. Схема стабилизатора напряжения и частоты при питании от ВЭС
энергии [Текст] / В.Г Кушнир // Электротехнические и информационные комплексы и системы. -2013. - Т. 9 - № 1. - С. 30-32.
3. Сибикин Ю.Д. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии [Текст] / Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин. - М.: КноРус, 2010. - С. 232.
4. Феоктистов Н.А. Научные основы и перспективы создания систем стабилизации для питания бытовой аппаратуры от ветрогенераторов [Текст]/ Н.А. Феоктистов, С.В. Денисов // Теоретические и практические проблемы сервиса. - 2003. - № 3 (8). - С. 22-28.
5. Феоктистов Н.А. Тиристорные устройства управления и защиты бытовых аппаратов и электротехнологических установок: монография [Текст] / Н.А. Феоктистов. - М.: ГАСБУ, 1996. - 222 с.
6. Феоктистов Н.А. Инновационные технологии по созданию автономных систем электропитания и стабилизации параметров электрической энергии от нетрадиционных источников электроэнергии [Текст] / Н.А. Феоктистов, Д.Л. Михайлюк, В.Д. Ходжаев // Межвуз. сб. научн. трудов «Инновационные технологии», вып. 2. - М.: ИГУПИТ, Рос-НОУ, 2009. - С. 20-30.
7. Феоктистов Н.А. Перспектива создания систем стабилизации при питании радиоэлектронной аппаратуры и бытовой техники от нетрадиционных автономных методов [Текст] // Межвуз. сб. научн.
трудов «Инновационные технологии», вып. 1. - М.: ИГУПИТ, РосНОУ, 2007. - С. 6-11.
References
1. Kirillin V.A. Jenergetika. Glavnye problemy: v voprosah i otvetah [Tekst] / V.A. Kirillin. - M.: Znanie, 1990. - 128 s.
2. Kushnir V.G. Veter kak al'ternativnyj vid jenergii [Tekst] / V.G. Kushnir // Jelektrotehnicheskie i informacionnye kompleksy i sistemy. - 2013. - T. 9
- № 1. - S. 30-32.
3. Sibikin Ju.D. Netradicionnye i vozobnovljaemye istochniki jenergii [Tekst] / Ju.D. Sibikin, M.Ju. Sibikin.
- M.: KnoRus, 2010. - S. 232.
4. Feoktistov N.A. Nauchnye osnovy i perspektivy sozdanija sistem stabilizacii dlja pitanija bytovoj apparatury ot vetrogeneratorov [Tekst] / N.A. Feoktistov,
S.V. Denisov // Teoreticheskie i prakticheskie problemy servisa. - 2003. - № 3 (8). - S. 22-28.
5. Feoktistov N.A. Tiristornye ustrojstva upravlenija i zashhity bytovyh apparatov i jelektrotehnologicheskih ustanovok: monografija [Tekst]/ N.A. Feoktistov. - M.: GASBU, 1996. - 222 s.
6. Feoktistov N.A. Innovacionnye tehnologii po sozdaniju avtonomnyh sistem jelektropitanija i stabilizacii parametrov jelektricheskoj jenergii ot netradicionnyh istochnikov jelektrojenergii [Tekst]/ N.A. Feoktistov, D.L. Mihajljuk, V.D. Hodzhaev
Electrical and data processing facilities and systems. № 4, v. 10, 2014
11
Электротехнические комплексы и системы
// Mezhvuz. sb. nauchn. trudov «Innovacionnye bytovoj tehniki ot netradicionnyh avtonomnyh metodov tehnologii», vyp. 2. - M.: IGUPIT, RosNOU, 2009. - [Tekst] // Mezhvuz. sb. nauchn. trudov «Innovacionnye S. 20-30. tehnologii», vyp. 1. - M.: IGUPIT, RosNOU, 2007. -
7. Feoktistov N.A. Perspektiva sozdanija sistem S. 6-11. stabilizacii pri pitanii radiojelektronnoj apparatury i
Титов Д.Е.
Titov D.E.
ассистент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.», старший преподаватель кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Камышинский технологический институт ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», Россия, г. Волгоград
Щуров А.Н.
Shchurov A.N
ассистент кафедры «Электрические станции и электроэнергетические системы» ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет имени М.И. Платова», Россия, г. Новочеркасск
УДК 73.29.61
АНАЛИЗ СТАТИСТИЧЕСКИХ ДАННЫХ О РЕЗУЛЬТАТАХ РАБОТЫ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ГОЛОЛЕДООБРАЗОВАНИЯ
В статье проводится анализ данных о результатах работы гравитационной системы мониторинга гололедообразования СТГН. Анализ проводится для двух параллельных линий ВЛ-110 кВ ПО КЭС «Волгоградэнерго» (V район по гололеду), на одной из которых установлен пост СТГН.
Если бы установка поста системы СТГН не имела системного эффекта, то соотношение отказов линий до и после установки поста должно было бы сохраниться. Реальное соотношение отказов изменилось. Сделан вывод, что установка одного поста СТГН на 50 км линии 110 кВ в V районе по гололеду позволяет снизить поток отказов в 3,6 раза. Аналогично по соотношению потерь электроэнергии при плавках выявлено, что установка СТГН в тех же условиях повышает затраты на плавку более чем в 7 раз (-7,4 раза).
По статистическим данным, только 65% плавок на линии с СТГН - успешны. Полностью исключить неуспешные плавки не представляется возможным, в первую очередь, из-за позднего обнаружения отложений и сложности определения интенсивности нарастания отложений. Для повышения надежности линии необходимо знать момент начала образования отложений, знать интенсивность нарастания и максимально возможную массу отложений, уметь прогнозировать динамику процесса.
Все это становится возможным при условии, что отслеживаются не гололедная муфта на проводе и ее вес, а условия, приводящие к ее возникновению. В рамках данной концепции работает система мони-
12
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 4, т. 10, 2014
