CC BY
11ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ.
ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕ.
ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ И МАЛАЯ ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.313.332
АСИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР С АВТОТРАНСФОРМАТОРНОЙ ОБМОТКОЙ СОЕДИНЕННОЙ ЗВЕЗДОЙ С УЛУЧШЕННЫМИ СТАБИЛИЗИРУЮЩИМИ СВОЙСТВАМИ
Баракин Н.С., Кумейко A.A.
ФГБОУ ВО Кубанский Государственный Аграрный Университет им.
ИХ Трубилина
Аннотация. Одним из сдерживающих факторов использования асинхронных генераторов является сложность в стабилизации напряжения. Повысить стабилизирующие свойства генератора возможно при применении автотрансформаторной статорной обмотки. В статье приведены основные расчеты такой статорной обмотки.
Ключевые слова: Асинхронный генератор, обмотка статора, автотрансформаторная обмотка, стабилизация напряжения.
Введение. Анализ существующего электрооборудования показывает, что в сельском хозяйстве наиболее распространены многофункциональные автономные электростанции небольшой мощности, которые питают электротехнологические установки, а в межсезонье использоваться для других целей, например, в качестве источников питания сварочной дуги, как резервный источник для ВЭУ или солнечной электростанции. Автономные электростанции для сельского хозяйства должны иметь наименьшую массу и габариты, бесконтактное исполнение и обладать высокой надежностью.
Основная часть. Исходя из условий работы автономного источника питания существующего электрооборудования в АПК, можно считать подходящей для этой цели машины является самовозбу^дающийся асинхронный генератор, отличающийся простотой конструкции и удобством в эксплуатации. Кроме того при параллельной работе асинхронных генераторов с электросетью включении их отличается особой простотой, так как нет необходимости в синхронизации при этом отпадает [1]. Учитывая эти факторы, в КубГАУ разработаны несколько вариантов генераторных
установок для систем автономного электроснабжения [3,4].
Несмотря на известные преимущества АГ в АПК распространены электростанции с синхронными генераторами с компаундной системой возбуждения, частотой вращения привода 3000 об/мин. Генератор для однофазных агрегатов, как правило, синхронный с регулируемой системой возбуждения мощностью 1,5 -5,5 кВА.
Требования качества электроэнергии для автономных источников известны из ГОСТа. Однако, при включении однофазных электроприемников к синхронным генераторам возникает асимметрия и искажение формы напряжения, так в почвенно-экологической лаборатории, где используется 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 [6].
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 [2]
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). 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.
Однако увеличить стабилизирующие свойства возможно за счет изменения статорной обмотки асинхронного генератора. Если фазу обмотки представить в виде двух частей, сдвинутых на определенный угол в и нагружать только одну часть, то
размагничивающее действие от тока активной нагрузки будет меньше, что поясняет рисунок 1 (активные сопротивления частей обмоток не изображены на рисунке). Нагрузив часть обмотки В\ - В3 (ток нагрузки в этом случае 1тв3), как на рисунке 1, б) падение напряжения
на обмотке уменьшит напряжение на конденсаторах, что в свою очередь уменьшит возбуждение генератора. Однако, если нагрузить части обмотки В1Н 3 и Н 3В3 (токи нагрузки в этом случае ¡В1Н3 и
Iв3Н3), т0 Размагничивающее действие от тока активной нагрузки
будет меньше или больше, о чем свидетельствует векторная диаграмма 1, б).
Ец.1Ш
Рисунок 1 - Часть обмотки с подключенной нагрузкой и емкостью возбуждения, а), ее векторная диаграмма, б) С,
К»
В1
В2, В3<
и21
ГШ
и31
Н2
■НЗ
Рисунок 2 - Схема подключения трехфазной нагрузки к АГ с
автотрансформаторной обмоткой соединенной звездой.
М
ис(
1 2 3
Приведем расчет такой статорной обмотки экспериментального
генератора с соотношением сечения проводников в частях обмотки 2/1 на базе двигателя 4А10084: Б = 0,95 м; I = 0,11 м; !1н = 6,7 А; = 0,82; № = 360; коб = 0,637; В8 = 0,9 Тл; км = 1,65; 8 = 0,3 мм; кв = 1,32; г^г = 36/28 [5]. Соотношение ЭДС 266/230 В. Принятой индукции в воздушном зазоре В8 = 0,90 Тл соответствует поток Ф = 5,2 • 10-3 .
Число витков на фазу генератора
№ = 266/(222 • 0,637 • 5,2 • 10-3) = 361.
= 36; q =
г
36
= 3; а = 1; р = 1;2 р = 2; у = 9;а = 20° ;т = mq = 3 • 3 = 9
2 рт 2 • 2 • 3
Рисунок 3 - Схема четырехполюсной обмотки статора экспериментального генератора
В катушке 361/18 = 20 витков. Уточненное число витков № = 360. При площади изолированного паза 50 мм2, диаметр провода ¿/¿из = 0,85/0,915 мм. Сечение провода 0,567 мм2. Сопротивление 120 витков частей обмотки при длине витка 0,52 м составляет 2,44 Ом и 1,22 Ом. (3,0 + 0,55 = 3,55) Ом.
Намагничивающий ток В5лрдк5кц = 0,90 • 3,1416 • 2 • 0,3 -10-3 -1,32 -1,65
I \12т№кы
- = 3 А.
%б/и0 1,414 • 3 • 360 • 0,637 • 4 • 3,1416 • 10" Реактивная составляющая тока статора базового двигателя ¡1р = 11н sinq>н = 6,7 • 0,572 = 3,83 А. Приведенное значение реактивного тока ротора при номинальной нагрузке
I2p - lip - IM= 3,8 - 3 = 0,83 A.
Степень размагничивания тока ротора при номинальной нагрузке
n = ^ - hlL = 083 = 0,217.
h + h p Ii p 3,83
С учетом увеличенной индукции принимаем степень размагничивания номинального тока ротора равной 0,2.
Напряжение на конденсаторах при соединении в звезду, сопротивление и емкость конденсаторов, рабочее напряжение конденсаторов:
Uc = — = Ж = 277 В; х= = 420 = ш,6 0м; с к— 0,96 с I^o 3,6 '
106 106
с = — = —10— = 28 мкФ; ахс 314 • 77
Заключение. Для самовозбуждения асинхронный генератор должен вращаться с определённой частотой вращения от приводного двигателя, при этом к выводам генератора должны подключаться конденсаторы с определённой ёмкостью. В асинхронном генераторе с шестью фазными зонами основные конденсаторы с ёмкостью 16 мкФ включены на выводы В1, В2 и В3. При этом на выводах генератора 240/420 В. При подключении трёхфазной нагрузки происходит снижение напряжения на всех трёх фазах, при однофазной нагрузке -на всех фазах, но преимущественно на нагруженной фазе. С другой стороны из госта по качеству электроэнергии допускается отклонение напряжения ±10% или 198-242В. Отсюда следуют требования к алгоритму работы системы возбуждения с микроконтроллером, которая должна включать ёмкости возбуждения в зависимости от напряжения на выводах. Зная внешние характеристики АГ, возможно определить шаг регулирования, т.е. определить зависимость ёмкость мкФ/ напряжение В. Так как максимальное увеличение напряжения будет наблюдаться на XX, то это условие будет определяющим для выбора номинала дополнительной ёмкости. Из зависимости напряжения от ёмкости стандартная ёмкость 16 мкФ повысит напряжение на 28 - 36 В. Алгоритм включения ёмкостей следующая -имеются две опорные точки для однофазной нагрузки - 198 и 242 В. При запуске включены основные конденсаторы, далее идёт сравнение напряжение на нагрузке, если напряжение менее 198 В включаются дополнительные конденсаторы, если напряжение более 242В происходит отключение дополнительной ёмкости. Контроль аварийного режима должен происходить от датчиков тока в фазах.
Список использованных источников:
1. Богатырев Н.И. Работа асинхронного генератора параллельно с сетью [Текст] / Н.И. Богатырев, Н.С. Баракин, Д.Ю. Семернин // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве: Сб. науч. тр. по материалам междунар. науч.-практ. конф. - М.: 2012. - С. 162 - 168.
2. Богатырев Н.И. Синтез обмоток статора для асинхронных генераторов и двигателей / Н.И. Богатырев, В.Н. Ванурин, Н.С. Баракин и др. // Науч. журн. КубГАУ [Электронный ресурс]. -Краснодар: КубГАУ, 2011. - №74(10). - Шифр Информрегистра: 04201000012/0116. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2011/10/pdf/74./p26. asp.
3. Патент 2356709, МПК В23К 9/10 Источник питания сварочной дуги [Текст] / Богатырев Н.И, Баракин Н.С., Вронский О.В. и др. заявитель и патентообладатель КубГАУ. - № 2007142899/02; Заявл. 19.11.07; Опубл. 27.05.09; Бюл. № 15. - 6 е.: ил.
4. Патент 2332773, МПК Н02К 19/38, H02P 9/38 Автономный бесконтактный синхронный генератор [Текст] / Богатырев НИ, Ванурин В.Н., Баракин Н.С. и др. заявитель и патентообладатель КубГАУ - № 2007120541; Заявл. 01.06.07; Опубл. 27.08.08; Бюл. № 24. - 4 е.: ил.
5. Патент 2475927, МПК H02K 17/14, H02 K 3/28 Двухполюсная статорная обмотка асинхронного генератора [Текст] / Богатырев НИ, Ванурин В.Н., Баракин Н.С. и др. (РФ) заявитель и патентообладатель КубГАУ. - № 2010131644/07; Заявл. 27.07.10; Опубл. 20.02.2013; Бюл. № 5. - 7 е.: ил.
6. Терпелец В.И. Структура почвенного покрова агроэкологического мониторинга азово-кубанской низменности / Терпелец В.И., Прочухан Е.Е. // Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2009. Т.9 С. 229.
Баракин Н.С., доцент кафедры «Электрические машины и электропривод», к.т.н., ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И. Т. Трубилина»
Кумейко A.A., магистрант, ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И. Т. Трубилина»
ASYNCHRONOUS GENERATOR WITH AUTOTRANSFORMER WINDING CONNECTED TO STAR WITH IMPROVED STABILIZING PROPERTIES.
Abstract. One of the limiting factors of the using of asynchronous generators is the difficulty in stabilizing the voltage. We can improve the stabilizing properties of the generator by means of auto transformer stator windings. The article provides basic calculations of such stator windings.
Key words. Asynchronous generator, the stator winding, the winding of the autotransformer, voltage regulation.
Alexander Vladimirovich Bogdan, doctor of technical Sciences, Professor, Nikolai Sergeevich Barakin, candidate of technical Sciences, docent, [email protected] Russia, Krasnodar, Kuban state agrarian University".
