CC BY
2УДК 621.313.12 Елескин А.А., Манин А.В.
Елескин А.А.
магистрант 2 курс Рыбинский государственный авиационный технический университет
им. П.А. Соловьёва (г. Рыбинск, Россия)
Манин А.В.
канд. техн. наук, доцент кафедры электротехники и промышленной электроники Рыбинский государственный авиационный технический университет
им. П.А. Соловьёва (г. Рыбинск, Россия)
ВЛИЯНИЕ МОМЕНТА НА ВАЛУ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ПРИ НАЧАЛЕ ПРОЦЕССА ГЕНЕРАЦИИ
Аннотация: в данной статье исследованы переходные процессы в мехатронной системе, состоящей из двигателя постоянного тока и асинхронного двигателя с соединенными валами, обладающими соизмеримыми мощностями. Рассмотрено влияние пусков двигателей и резких изменений нагрузки на качество электроэнергии, а также возможность самовозбуждения генератора при определенных условиях. Приведены расчеты по подбору конденсаторов для обеспечения реактивной мощности асинхронного двигателя, работающего в режиме генератора. Описана лабораторная установка для исследования режимов работы асинхронного двигателя в качестве генератора с различными нагрузками.
Ключевые слова: электрические машины, асинхронный генератор, газотурбинная установка, математическая модель.
Исследования проводились для мехатронной системы состоящей из двигателя постоянного тока (ДПТ) и асинхронного двигателя с соединенными валами и характеризующимися соизмеримыми мощностями.
Переходные процессы, обусловленные пусками двигателей соизмеримой мощности или резкими изменениями нагрузки, могут вызвать значительное ухудшение качества электроэнергии, которое проявляется в провалах и всплесках напряжения и частоты. Такое изменение параметров режима системы оказывает отрицательное влияние на работу всех электроприемников [1].
Если отключенный от сети асинхронный двигатель привести во вращение от какого-либо первичного двигателя, то в соответствии с принципом обратимости электрических машин при достижении синхронной частоты вращения, на зажимах статорной обмотки под действием остаточного магнитного поля образуется некоторая ЭДС. Если теперь к зажимам статорной обмотки подключить батарею конденсаторов С, то в обмотках статора потечёт опережающий ёмкостный ток, являющийся в данном случае намагничивающим.
Ёмкость конденсаторов должна превышать некоторое критическое значение ^ зависящее от параметров асинхронного двигателя, в этом случае произойдёт самовозбуждение генератора и на обмотках статора установится трёхфазная симметричная система напряжений. [2]
У двигателя АИР56А4У3 обмотка статора имеет 2 пары магнитных полюсов, значит его номинальная синхронная частота составляет 1500 об/мин., но при работе под нагрузкой, ротор данного двигателя вращается с частотой 1350 об/мин., поскольку это асинхронный двигатель.
Конденсаторы подбираются в соответствии с мощностью применяемого асинхронного двигателя и характером нагрузки. Реактивную мощность, которую должны обеспечивать конденсаторы в данном режиме работы в зависимости от их ёмкостей, можно вычислить по формуле 1.
о = 2п • с • и2, (1)
где Q - реактивная мощность, f - частота питающей сети, С - ёмкость конденсаторов, и - питание сети.
Для асинхронного двигателя, рассчитанного на номинальную мощность в 0,12 кВт при работе от трехфазной сети с напряжением 380 Вольт и частотой 50 Гц, конденсаторы при полной нагрузке должны обеспечить всю эту мощность.
Поскольку ток трехфазный, то речь здесь идет о емкости каждого конденсатора. Емкость можно найти по формуле 2.
О
с =
2пи2 (2)
Следовательно, для данного асинхронного двигателя, ёмкость каждого
из конденсаторов при полной нагрузке составит:
С =-120-- = 2,64 • 10-6
2 • 3,14 • 50 • 3802 Ф.
Для исследования режимов работы асинхронного двигателя в режиме генератора была собрана лабораторная установка, схема электрическая соединений которой приведена на рис.1. Объектом исследования является асинхронный двигатель АИР56А4У3 в режиме генератора c номинальной электрической мощностью 0,12 кВт приводимый в действие двигателем постоянного тока.
На установке исследовался режим работы генератора на холостом ходу и с подключённой нагрузкой.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки.
Разработанная схема состоит из самого асинхронного двигателя, первичного двигателя, в данном случае двигателя постоянного тока, способного развивать скорость вращения ротора свыше синхронной частоты вращения асинхронного двигателя, а также включает в себя блоки: 01 - трёхфазный источник питания,
А4 - преобразовательный трансформатор, А5 - блок диодов, для преобразования переменного тока в постоянный, А9 - тиристорный преобразователь, для регулирования частоты вращения двигателя постоянного за счет регулирования напряжения на его якоре, А17 - блок датчиков тока и напряжения, предназначен для получения нормированных гальванических развязанных от сети сигналов, пропорциональных токам и напряжениям,
А24 - указатель частоты вращения, для отображения частоты вращения электрических машин в аналоговой форме.
Экспериментальные исследования проводились по следующей методике:
1) Запуск ДПТ. Для этого необходимо запустить преобразователь А9 в ручном режиме. Меняя фазовый угол управления убедиться, что происходит вращение вала двигателя и изменяются показания датчика числа оборотов A24.
Поскольку к обмоткам подключены конденсаторы, будет иметь место соответствующий емкостный ток, который станет намагничивать статор.
При достижении синхронной частоты вращения ротора двигателя постоянного тока n = 1500 об/мин должно произойти самовозбуждение, благодаря чему в обмотках статора установится трехфазный синусоидальный ток.
Напряжение, генерируемое асинхронным двигателем, измеряется с помощью вольтметра. При проведении опыта, необходимо регистрировать показания приборов, для дальнейшего вывода зависимостей.
Результаты виртуальных измерительных приборов обрабатываются в программе LabVIEW и в дальнейшем сохраняются в файлы формата .bin, которые можно открыть в программе Matlab.
Исходя из существующих моделей генераторов на основе электрических машин [3-7], разработана модель работы асинхронного генератора.
Модель работы асинхронного двигателя в режиме генератора, разработанная в программе Simulink предназначена для сравнения результатов исследования на лабораторной установке.
Модель для исследования генератора на основе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Модель лабораторной установки генератора на основе асинхронного двигателя.
Блок Repeating Sequence выполняет роль регулятора управляющего напряжения.
Двигатель постоянного тока в данной модели выполняет роль первичного двигателя, разгоняющего ротор асинхронного двигателя.
ДПТ можно выбрать любой, но способный развивать скорость вращения ротора свыше синхронной частоты вращения асинхронного двигателя.
На ДПТ от асинхронного двигателя передаётся значение электромагнитного момента.
К обмоткам статора асинхронного двигателя подключена батарея конденсаторов схемой треугольник, также подключена трёхфазная нагрузка схемой звезда.
Данная модель имитирует работу лабораторной установки по исследованию генератора на основе асинхронного двигателя.
Результаты исследования. Результаты эксперимента на лабораторной установке представлены на рисунках 3-8, на которых изображены: управляющее напряжение, скорость вращения ротора и напряжение, генерируемое асинхронным двигателем.
При проведении опыта, было выявлено, что самовозбуждение генератора происходит и при ёмкости конденсаторов меньшей расчетной. Результаты эксперимента при использовании конденсаторов номиналами 0,44, 0,66, 0,88 мкФ. изображены на рисунках 3-5.
о м 1 и 1 I и I (Я 1 I м ( и }
"С -10* вдам. , 10* вим». "в :„«*
Рис. 3. Результаты эксперимента при ёмкости конденсаторов 0,44 мкФ.
Рис. 4. Результаты эксперимента при ёмкости конденсаторов 0,66 мкФ.
Рис. 5. Результаты эксперимента при ёмкости конденсаторов 0,88 мкФ.
Начальные эксперименты проводились в режиме холостого хода. Из данных результатов можно сделать выводы о том, что генерация напряжения на холостом ходу происходит практически без снижения скорости вращения ротора. Чем больше ёмкость конденсаторов, тем меньше скорости вращения необходимо, для начала генерации напряжения, но при этом напряжение становится менее стабильным.
Следующие опыты были проведены с подключённой 3-фазной нагрузкой с сопротивлением 1000 Ом. Результаты эксперимента изображены на рисунках 6-8.
Управляют« нвпрж*в«ив Скорость вр*ш*ми« роторе »ивркруемо« напряжем*« эм*троиеп<кпчы#
О'-"-■---1 -5О0 ---3001-■---0.351-*-■-■-
0 0.5 1 1.5 2 0 05 1 1.5 2 0 0.5 1 1.5 2 0 0.5 1 1.5 2
Врв-чн, мс врчии. мс Вриыя, ис к|д* Время , мс х|д*
Рис. 6. Результаты эксперимента при подключённой нагрузке и конденсаторов
ёмкостью 0,44 мкФ.
Рис. 7. Результаты эксперимента при подключённой нагрузке и конденсаторов
ёмкостью 0,66 мкФ.
Рис. 8. Результаты эксперимента при подключённой нагрузке и конденсаторов
ёмкостью 0,88 мкФ.
Из данных результатов можно сделать выводы о том, что генерация напряжения при подключённой нагрузке происходит с резким снижением скорости вращения ротора. В момент начала генерации, электромагнитный момент изменяется с 0 до (-0,3...-0,5) Нм, с последующим затуханием. Из-за резкого изменения электромагнитного момента происходит сильное снижение
скорости вращения ротора, в связи с чем не происходит генерация стабильного напряжения.
На основе [8, 9] можно сделать выводы о том, что возможным решением данной проблемы является включение регулятора напряжения на выходе с асинхронного генератора на нагрузку.
Результатами работы модели являются графики, показывающие: напряжение, генерируемое асинхронным двигателем, скорость вращения ротора, электромагнитный момент.
Рис. 9 Результаты моделирования генератора с подключённой нагрузкой и конденсаторов ёмкостью 0,88 мкФ.
Из результатов моделирования видно, что в момент генерации напряжения, 0.5 секунд, происходит резкое снижение электромагнитного момента, в связи с чем скорость вращения ротора падает с 2700 до 1700 оборотов в минуту.
Данные результаты соответствуют результатам лабораторной установки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Кавалеров Б.В., Зиятдинов И.Р., Бахирев И.В. Исследование адаптивного управления газотурбинной электроэнергетической установкой при пуске соизмеримого по мощности асинхронного двигателя // Фундаментальные исследования. - 2016. - № 12-1. - С. 49-57;
2. Кацман М.М. Электрические машины 12-е издание - М.: Академия, 2013 год -496 с;
3. Сафарян В. С., Геворгян С. Г. Исследование режимов автономного асинхронного генератора с учетом характеристик первичного двигателя // Вестник ГИУА (Политехник). Сер. «Энергетика, Электротехника».- 2013. - Вып. 16, № 1. - С. 91-100;
4. Горин, В. А. Исследование математической модели синхронного генератора в среде МаЙаЬ / В. А. Горин, В. В. Карагодин, И. В. Хомич // Труды Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского. - 2021. - № 676. - С. 207-213;
5. Афанасьев, Д. И. Разработка модели асинхронного генератора микрогэс в среде МаЙаЬ / Д. И. Афанасьев, Р. В. Кузьмин // Научно-техническое творчество аспирантов и студентов : материалы всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов, Комсомольск-на-Амуре, 09-20 апреля 2018 года. Том Часть 1. -Комсомольск-на-Амуре: Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет, 2018. - С. 218-220;
6. Рамадан А. Компьютерное моделирование сетевой ветроэнергетической установки с асинхронным генератором / А. Рамадан, В. В. Елистратов // Электричество. - 2017. - № 12. - С. 4-11. - Б01 10.24160/0013-5380-2017-12-4-11;
7. Кимкетов М.Д. Совершенствование моделирования автономного асинхронного генератора/ М.Д. Кимкетов, М.М. Кимкетов, Э.М. Кимкетов// Электрика. 2009. № 11. С. 17-19;
8. Кривов Ю.Н. К вопросу о моделировании процессов регулирования мощности потребителей/ Ю.Н. Кривов, А.В. Манин, В.В. Юдин// Электрика. 2013. № 7. С. 2427;
9. Юдин А.В. Система регулирования переменного напряжения с контролем спектрального состава/ А.В. Юдин, Е.А. Елисеичев, В.В. Юдин// Вестник Брянского государственного технического университета. 2019. № 4 (77). С. 68-75;
10. Прудников Н.А. Процесс регулирования мощности с помощью тиристоров// Студенческий. 2022. № 20-7 (190). С. 60-61;
11. Юдин В.В. Выбор оптимального режима работы регулятора переменного напряжения с комбинированным управлением/ В.В. Юдин, А.В. Юдин, А.В. Манин// Вестник РГАТА имени П. А. Соловьева. 2016. № 4 (39). С. 45-49
Eleskin A.A., Manin A. V.
Eleskin A.A.
Rybinsk State Aviation Technical University (Rybinsk, Russia)
Manin A.V.
Rybinsk State Aviation Technical University (Rybinsk, Russia)
EFFECT OF TORQUE ON SHAFT OF ASYNCHRONOUS GENERATOR AT BEGINNING OF GENERATION PROCESS
Abstract: in this article, transient processes in a mechatronic system consisting of a DC motor and an asynchronous motor with connected shafts with commensurate capacities are investigated. The influence of engine starts and sudden load changes on the quality of electricity, as well as the possibility of self-excitation of the generator under certain conditions, is considered. Calculations are given for the selection of capacitors to provide the reactive power of an asynchronous motor operating in generator mode. A laboratory installation for studying the operating modes of an asynchronous motor as a generator with various loads is described.
Keywords: electric machines, asynchronous generator, gas turbine installation, mathematical model.
