Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 Анализ электроснабжения сельскохозяйственных районов Челябинской области и значение резервных источников электроснабжения 10
1.2 Использование асинхронных машин в качестве генераторов электрической энергии 16
1.2.1 Способы возбуждения асинхронных генераторов 16
1.2.2 Схемы возбуждения асинхронных генераторов 18
1.3 Системы и схемы возбуждения синхронных машин 23
1.4 Выбор схемы возбуждения синхронных генераторов на базе асинхронной машины с фазным ротором 28
1.4.1 Схема возбуждения генератора с присоединением компаундирующего трансформатора между выводами обмотки статора и точками присоединения возбуждающих конденсаторов 29
1.4.2 Генераторная установка для резервного электроснабжения 31
1.5 Показатели надежности систем электроснабжения 32
1.6 Особенности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей 36
1.7 Выводы и задачи исследования 39
Глава 2 Теоретические предпосылки исследования синхронного генератора на базе асинхронной машины с фазным ротором 41
2.1 Резервные источники в системе эксплуатации электрооборудования сельскохозяйственных объектов 41
2.2 Обоснование схемы соединения фаз обмотки ротора, используемой в качестве обмотки возбуждения генератора з
2.3 Теоретические предпосылки по расчету характеристик синхронного генератора 47
2.4 Выводы 52
Глава 3 Методика оценки температуры нагрева обмотки возбуждения генератора на базе асинхронной машины 54
3.1 Потери энергии в электрической машине 54
3.2 Превышение температуры частей электрической машины 57
3.3 Исходные данные для теплового расчета обмотки ротора 59
3.4 Тепловые сопротивления зубцовой зоны и лобовой части обмотки ротора. Тепловая схема замещения ротора 61
3.4.1 Тепловые сопротивления теплопроводности Rx 61
3.4.2 Тепловые сопротивления теплоотдачи 62
3.4.3 Выявление значимых источников тепла и места их выделения 63
3.4.4 Тепловая схема замещения ротора 63
3.4.5 Определение тепловых сопротивлений схемы замещения 67
3.4.6 Определение температуры нагрева лобовых и активных частей обмотки ротора 73
3.5 Выводы 76
Глава 4 Экспериментальные исследования 77
4.1 Согласование работы ДВС с требованиями синхронного генератора 77
4.2 Характеристики синхронного генератора с использованием асинхронной машины 4АНК2Б-250М4УЗ 79
4.3 Экспериментальные исследования характеристик синхронного генератора в лабораторных условиях 81
4.3.1 Описание лабораторной установки 81
4.3.2 Экспериментальное определение характеристик источника электропитания 85
4.4 Экспериментальное определение температуры нагрева обмотки ротора синхронного генератора на базе асинхронной машины с фазным ротором 86
4.4.1 Методика опытного определения температуры обмотки ротора 86
4.4.2 Экспериментальное определение температуры нагрева обмотки ротора и
сравнение с расчетными значениями 90
4.5 Оценка времени подключения устройства возбуждения резервного источника электропитания 96
4.6 Выводы 97
Глава 5 Экономическая оценка результатов исследования 99
Основные выводы 106
Список литературы 108
- Способы возбуждения асинхронных генераторов
- Обоснование схемы соединения фаз обмотки ротора, используемой в качестве обмотки возбуждения генератора
- Тепловые сопротивления зубцовой зоны и лобовой части обмотки ротора. Тепловая схема замещения ротора
- Экспериментальное определение температуры нагрева обмотки ротора синхронного генератора на базе асинхронной машины с фазным ротором
Способы возбуждения асинхронных генераторов
В последние годы в автономных электроустановках находят применение асинхронные машины, работающие в генераторном режиме [22]. Самовозбуждение асинхронного генератора производится с подключением конденсаторов к выводам обмотки статора.
При возбуждении от сети генератор потребляет из сети реактивный (намагничивающий) ток порядка 25...65% от номинального значения, что является существенным недостатком асинхронного генератора при этом способе возбуждения. Кроме того, асинхронный генератор, потребляя реактивный ток, снижает коэффициент мощности сети [27-29].
Другой способ возбуждения асинхронного генератора заключается в самовозбуждении от потока остаточной намагниченности ротора. В этом случае к зажимам обмотки статора присоединяется батарея конденсаторов [28]. Увеличение напряжения при самовозбуждении продолжается до точки пересечения характеристики холостого хода Ео=ї{Іт) вольтамперной характеристики конденсатора ис=ї{Іс), где 1т и 1С - соответственно намагничивающий ток и ток через конденсатор (рисунок 1.1).
При постоянной частоте вращения ротора напряжение холостого хода зависит только от значения возбуждающей емкости. Генератор возбуждается, если емкость конденсаторов больше критического значения.
При холостом ходе асинхронного самовозбуждающегося генератора параметры колебательного контура автоматически настраиваются на частоту, соответствующую электрической частоте вращения ротора.
Существенным недостатком генераторов с самовозбуждением при использовании только конденсаторов оказывает значительное влияние тока нагрузки и его характера на напряжение на зажимах генератора. Поэтому предлагаются различные схемы возбуждения для поддержания напряжения генератора в необходимых пределах. 1.2.2 Схемы возбуждения асинхронных генераторов
В работах [29,30] рассматривается возможность использования асинхронных генераторов с конденсаторным самовозбуждением в качестве силовых источников тока для питания автономных электроприводов. При этом используется крутопадающая внешняя характеристика генератора.
Недостатком данного варианта использования асинхронного генератора является то, что к нему можно подключать только один электродвигатель.
Имеется ряд работ, посвященных разработке устройств для автоматической стабилизации напряжения асинхронных генераторов. Многие предлагаемые устройства для автоматического регулирования напряжения асинхронного генератора с конденсаторным возбуждением не обеспечивают сохранения постоянства напряжения на зажимах генератора при изменении нагрузки от нуля до номинальной.
В работах [31,32] рассматриваются устройства для автоматического регулирования напряжения. В [32] поддержание достигается регулированием величины тока в статоре; для чего применяется трехфазный дроссель насыщения с двумя обмотками управления, создающими встречно направленные магнитодвижущие силы. Одна из обмоток включена через выпрямительную схему на зажимы генератора, а вторая также через выпрямитель - на зажимы вторичных обмоток трансформаторов тока.
В результате взаимодействия МДС обеих обмоток управления дросселя ток возбуждения асинхронного генератора изменяется таким образом, что напряжение на его зажимах сохраняется практически неизменным при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной и изменении коэффициента мощности от 0,8 до 1,0.
Усовершенственная схема стабилизации напряжения генератора предложена изобретением [33]. Большая точность стабилизации напряжения достигается тем, что намагничивающая обмотка управления дросселя отсоса (рисунок 1.2) подключена к обмотке статора генератора через выпрямитель и нелинейный измерительный элемент, а размагничивающая обмотка управления подключена к обмотке статора через выпрямитель и фазочувствительный орган. Кроме того, нелинейный измерительный элемент подключен к обмотке статора генератора через линейный дроссель и конденсатор, контур которого настроен на резонанс при номинальной частоте напряжения.
В режиме холостого хода генератора, при минимальном токе в размагничивающей обмотке, дроссель компенсирует избыток реактивной мощности батареи конденсаторов, обеспечивая тем самым необходимое значение намагничивающего тока генератора. Необходимый режим подмагничивания дросселем устанавливается с помощью регулируемого сопротивления.
С ростом значения тока нагрузки и уменьшения коэффициента мощности увеличивается ток в размагничивающей обмотке дросселя отсоса, что приводит высвобождению части реактивной мощности батареи конденсаторов. Напряжение генератора при этом поддерживается на необходимом уровне.
В [34] представлено устройство для автоматической стабилизации напряжения автономного асинхронного генератора с конденсаторным возбуждением. Устройство содержит дроссели магнитных усилителей с рабочими обмотками, намагничивающими и размагничивающими обмотками управления чувствительный элемент с выпрямителем, включенным между выводами фаз статорной обмотки и намагничивающими обмотками усилителя (рисунок 1.3).
Недостатком указанных устройств возбуждения асинхронного генератора является необходимость завышенного значения емкости конденсаторов для возбуждения. Это экономически нецелесообразно в генераторах, мощность которых составляет десятки киловатт.
Главная проблема, затрудняющая применение асинхронных генераторов, состоит в создании компактного регулируемого источника реактивной мощности. Для решения этой проблемы предложено вентильное возбуждение асинхронных генераторов [35].
Сущность вентильного возбуждения асинхронного генератора заключается в том, что путем принудительной циклической коммутации токов обмотки статора с помощью вентилей создается магнитное поле, основная гармоника которого вращается в соответствии с требуемой частотой возбуждения.
Недостатком схем вентильного возбуждения является сложность и значительная стоимость устройств, осуществляющих такое возбуждение. Наличие большого количества элементов снижает надежность схемы возбуждения. При этом возможны отказы силовых полупроводниковых приборов, а также отказы коммутирующих узлов и блоков управления, что приводит к пробою вентилей. Пробой вентилей создает режим короткого замыкания внутри схемы автоматического возбуждения генератора.
Обоснование схемы соединения фаз обмотки ротора, используемой в качестве обмотки возбуждения генератора
Асинхронная машина как при работе в режиме двигателя, так и при работе в режиме асинхронного генератора для создания магнитного потока потребляет реактивный ток из сети. При этом МДС обмотки статора больше МДС обмотки ротора. Соответственно конструктивно сечение меди проводов пазовых частей обмотки ротора составляет 70...80% общего сечения проводов пазовых частей обмотки статора.
В исследуемом генераторе ток для создания магнитного потока в генераторе подается в обмотку возбуждения (ротора). Так как МДС обмотки ротора меньше, чем МДС обмотки статора, то значение тока ротора ограничивает возможности использования номинальной мощности асинхронного двигателя при его работе в режиме синхронного генератора.
В соответствии с этим появляется необходимость определения значения тока обмотки ротора для допустимой температуры класса изоляции, примененной в данной электрической машине.
Поэтому в этой главе рассматривается методика тепловой оценки температуры обмотки ротора на основе тепловых сопротивлений и тепловых схем замещения. При этом определяются источники тепла, вызванные потерями электроэнергии, тепловые сопротивления всех участков в тепловых потоках и составляется система уравнений для расчета температуры нагрева лобовой и пазовой частей обмотки ротора.
В течение всего времени работы электрической машины в ней выделяется тепло, обусловленное потерями энергии, которые возникают при взаимном преобразовании механической и электрической энергии. Электрическая машина является сложным, неоднородным и не статичным механизмом и выделение тепла детерминировано по всему ее объему. Поэтому некоторые части машины нагреваются сильнее других, при этом, условия охлаждения разных элементов электрической машины сильно различаются [79].
Как известно, потери энергии в электрической машине можно разделить на основные и добавочные. Основные потери энергии обусловлены основными механическими и электромагнитными процессами, протекающими в электрической машине. Основные потери подразделяются [79-82] на:
Всего потерь 20,8 100,0 Электрические потери в обмотках электрической машины являются самыми большими из всех видов потерь (таблица 3.1). Электрические потери в синхронном генераторе на базе асинхронной машины с фазным ротором можно условно разделить на потери в обмотке статора и потери в обмотке ротора.
Магнитные потери включают в себя потери на гистерезис и вихревые токи, вызванные перемагничиванием сердечников активной стали. Магнитные потери по величине вторые после электрических потерь и оказывают заметное влияние на тепловое состояние электрической машины.
Механические потери состоят из потерь в подшипниках, потерь на трение щеток о контактные кольца и вентиляционных потерь, которые включают в себя потери на трение частей машины о воздух и на расход кинетической энергии отходящего воздуха и потерь в вентиляторе. Потери в подшипниках, в общем случае не приводят к сколько-нибудь заметному изменению теплового состояния обмоток электрической машины, и имеют значение только при рассмотрении условий надежной работы подшипниковых узлов. Потери на трение частей машины о воздух можно отнести к вентиляционным потерям. Вентиляционные потери оказывают несколько опосредованное влияние на тепловое состояние обмоток электрической машины через общее снижение КПД. Потери на трение щеток о контактные кольца также имеет смысл рассматривать только при исследовании самого щеточного узла.
Добавочные потери, вследствие сложной природы, не имеют простых способов вычисления или экспериментального определения. На практике, для учета добавочных потерь следует руководствоваться рекомендациями государственных стандартов, так для асинхронных машин, согласно ГОСТ 183-74, их принимают 0,5.. .1,0% от подводимой мощности [82].
Потери энергии приводят к превышению температуры отдельных частей машины над температурой других частей машины и окружающей среды. Как известно, неоднородность температуры в какой-либо системе вызывает появление тепловых потоков, которые направлены от более нагретых элементов к менее нагретым. Передача тепла в электрической машине происходит путем лучеиспускания, теплопроводности и конвекции.
В нормальных условиях работы электрической машины практически все выделяющееся в машине тепло отводится путем конвекции и теплопроводности. Теплопередача путем теплопроводности происходит главным образом внутри электрической машины в твердых телах (медь, сталь, изоляция). Теплопередача путем конвекции в основном происходит в жидких и газообразных средах и используется (преимущественно принудительная конвекция) для охлаждения электрической машины.
С целью обеспечения нормальных сроков службы электрических машин температуры отдельных частей машины, и в особенности температура изоляции обмоток должны быть ограничены. ГОСТ 183-74 и стандарты на отдельные типы машин нормируют предельно допустимые превышения температуры и одновременно фиксируют значение максимально допустимой температуры окружающей среды 40 С [83]. Рабочая температура изоляции и отдельных частей машины зависит от нагрузки машины и температуры окружающей или охлаждающей среды. Собственно от нагрузки электрической машины непосредственно зависит только превышение температуры отдельных ее частей [67]
Тепловые сопротивления зубцовой зоны и лобовой части обмотки ротора. Тепловая схема замещения ротора
Чаще всего используются термосопротивления - это проводники и полупроводники с большим температурным коэффициентом сопротивления. На интенсивность теплообмена проводника со средой влияют температура окружающей среды, ее физические свойства, а также геометрические размеры арматуры, в которой крепится проводник.
Особенностью метода измерения температуры обмотки ротора является то, что он является вращающейся частью электрической машины.
Непосредственная установка термосопротивлений в обмотку ротора возможна только при изготовлении электрической машины на заводе. Кроме того, необходима установка контактных устройств для соединения с термосопротивлением, что практически невозможно по конструктивным соображениям.
В связи с изложенным, наиболее приемлемым методом оценки температуры обмотки ротора является измерение ее сопротивления при ее нагревании.
В самом общем виде методы измерения сопротивления обмоток машин переменного тока можно классифицировать [93-96]: - методы измерения сопротивления без отключения машин от сети; - методы измерения сопротивления с отключением машин от сети. Первые являются более предпочтительными, поскольку они позволяют измерить сопротивление обмоток электрических машин переменного тока в установившемся рабочем режиме, в то время как вторые зачастую требуют экстраполяции результатов измерения, так как время прошедшее после отключения машины от сети до полного останова ротора, может оказаться недопустимо большим, что приводит к изменению теплового состояния обмоток. Однако методы измерения, связанные с отключением машины от сети как правило значительно проще в осуществлении, и при определенных условиях обладают достаточно высокой точностью получаемого результата. Методы измерения сопротивления обмоток машин переменного тока без отключения ее от сети основаны на измерении падения напряжения на испытуемых обмотках при работе машины [89].
При приложении напряжения постоянного тока к обмоткам машины переменного тока, находящейся под нагрузкой, происходит наложение составляющих постоянного и переменного токов. При прохождении через реактивное сопротивление составляющие постоянного и переменного токов могут быть разделены. Измерение сопротивления обмотки при помощи постоянного тока допускается проводить как по схеме измерительного моста (рисунок 4.9), так и по схеме вольтметра-амперметра (рисунок 4.10). Выбор схемы зависит от мощности и напряжения машины, способа соединения ее обмоток, а также методы испытания на нагревание.
Значение наложенного постоянного тока должно быть достаточно малым, а время его прохождения незначительным, чтобы исключить влияние измерительного тока на нагрев обмоток. В противном случае необходимо прибегать к дополнительным расчетам, либо вносить коррективы в результат эксперимента.
Измерение сопротивления в холодном состоянии и под нагрузкой следует проводить по какой-либо одной схеме с применением одних и тех же приборов.
Основным отличием методов измерения сопротивления обмоток машин с отключением ее от сети является то, что в схеме измерения отсутствуют элементы разделения тока на переменную и постоянную составляющую. Для измерения сопротивления, достаточно просто снять значение падения напряжения на обмотке при некотором измерительном токе, в случае применения схемы вольтметра амперметра, либо путем сравнения с эталонным сопротивлением в мостовой схеме измерения. К достоинствам методов относятся: простота схемы, достаточно высокая точность измерения.
Для измерения сопротивления обмотки ротора генератора был выбран метод вольтметра-амперметра с отключением машины от сети. Интервал времени между моментом отключения генератора от сети и моментом измерения составлял несколько секунд, а значит изменение температуры обмотки ротора было пренебрежительно мало. Это позволяет использовать данный метод для измерения сопротивления обмотки ротора электрической машины небольшой мощности (до 10 кВт) с достаточно высокой точностью. Для измерения падения напряжения на обмотке ротора и для точного задания измерительного тока согласно рекомендациям ГОСТ 27222 - 98 использовались приборы 0.5 класса точности.
Задачей лабораторного исследования является установление на практике параметров теплового состояния ротора синхронного генератора, выполненного на базе асинхронного двигателя, а также экспериментальная проверка предлагаемой методики теоретической оценки теплового состояния ротора генератора.
Для определения сопротивления обмоток ротора синхронного генератора использовался метод «амперметра-вольтметра». Сущность метода заключается в измерении падения напряжения на контактных кольцах обмоток ротора. Поскольку метод «амперметра-вольтметра» является косвенным методом измерения сопротивления в дальнейшем под словосочетанием «измерение сопротивления» понимается ряд элементарных шагов, в ходе которых происходит измерение падения напряжения на обмотках ротора при некотором фиксированном небольшом постоянном токе и собственно определение сопротивления путем расчета его значения по закону Ома. Учитывая незначительную величину сопротивления и степень влияния погрешности измерения на результаты теплового расчета для про 91 ведения данного эксперимента, были выбраны вольтметр и амперметр класса точности 0,5, что соответствует рекомендациям ГОСТ 27222-98 [93].
Первоначально, используя метод «амперметра-вольтметра» был произведен замер сопротивления обмоток ротора холодного генератора. Следующий замер сопротивления обмоток ротора генератора производился в установившемся тепловом состоянии работы генератора. Генератор работал в номинальном режиме, при токе ротора равном номинальному току ротора асинхронного двигателя. В связи с практической сложностью замера падения напряжения на кольцах ротора у работающего генератора все измерения производились сразу после останова ротора генератора.
Поскольку обмотки ротора генератора соединены в «звезду», то сопротивление измерялось сразу двух фаз. При испытании на нагревание обмотки ротора измерение температуры производим по методу сопротивления. Этот метод позволяет определить среднюю температуру обмотки.
Экспериментальное определение температуры нагрева обмотки ротора синхронного генератора на базе асинхронной машины с фазным ротором
Аналитические выражения для определения всех тепловых сопротивлений представлены в предыдущей главе. Расчет числовых значений, а также результаты расчета представлены в Приложении 3. На рисунке 4.12 представлено сравнение экспериментальных и расчетных данных по определению температуры обмотки ротора.
Графическое представление результатов расчетов приводится на рисунке 4.12, из которого видно, что использование асинхронной машины с фазным ротором в качестве синхронного генератора не приводит к перегреву обмотки ротора при значениях тока возбуждения в нем, не превышающих значение номинального тока ротора. Более того, имеется возможность более полно использовать паспортную мощность асинхронной машины в режиме синхронного генератора путем увеличения тока возбуждения на 25% выше номинального [78].
Полученная зависимость температуры нагрева обмотки ротора от тока возбуждения позволяет по допустимой температуре класса нагревостойкости изоляции определить предельный ток возбуждения и по регулировочной характеристике определить соответствующий ток статора I.
В результате теоретических расчетов определены: температура нагрева лобовой части обмотки ротора, температура нагрева пазовой части обмотки ротора, превышение температуры лобовой и пазовой частей обмотки ротора. На рисунке представлена зависимость средней температуры нагрева обмоток, определенная экспериментальным путем. 4.5 Оценка времени подключения устройства возбуждения резервного источника электропитания
Эксперимент проводился в лаборатории электрических машин кафедры ЭМЭЭСХ ЧГАУ. При этом приводной двигатель имитировался двигателем постоянного тока параллельного возбуждения, нагрузка производилась подключением трехфазного жидкостного реостата. Подключение устройства возбуждения производилась разными исполнителями и фиксировалось время ввода резервного источника электропитания в работу. Опыт производился 30 раз. Результаты наблюдений записывались в таблицу 4.4.
Сравнивая с данными времени восстановления системы электроснабжения, приведенные для районов Челябинской области, можно заключить, что при использовании предложенной установки по переводу обкаточного стенда в режим синхронного генератора это время сократилось в 5 раз. Значительное сокращение указанного времени, указывает на высокую эффективность предложенного мероприятия.
Внешние и регулировочные характеристики синхронного генератора, полученные опытным путем, показывают возможность использования предлагаемой методики для получения этих характеристик расчетным путем. Расхождение между экспериментальными и расчетными значениями напряжений не превышает
Анализ методов измерения температуры нагрева вращающихся обмоток электрических машин показал, что наиболее простым и удобным для применения является метод вольтметра-амперметра с отключением электрической машины от сети.
Экспериментально полученные значения температуры обмотки ротора исследуемого генератора в источнике электропитания подтверждают возможность использования предлагаемой методики расчета нагрева данной обмотки. Расхождения между полученными расчетным путем значением температуры и опытными значениями не превышают 5%.
По допустимой температуре нагревостойкости класса изоляции, примененной для изоляции обмотки ротора, и полученным кривым нагрева определяют допустимый ток обмотки ротора, т.е. ток возбуждения. По значению допустимого тока ротора, используя регулировочную характеристику определяют ток статора генератора и мощность генератора.
Внедрение источника электроснабжения для обкаточного стенда приведет к увеличению коэффициента готовности электроснабжения на 0,0004
Как известно, надежность сельских электрических сетей ниже, чем сетей других назначений (промышленных, городских и др.) [101]. Из-за этого надежность электроснабжения присоединенных к ним потребителей часто не соответствует нормативной [101-104].
Согласно [102] электроприемники и потребители I категории должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых источников питания. Перерыв их в электроснабжении при исчезновении напряжения от одного из источников допускается лишь на время автоматического восстановления электроснабжения. Однако, и при сетевом резервировании не устраняются отключения потребителей, так как велика вероятность одновременного повреждения основной и резервной линий. Поэтому сетевое резервирование не гарантирует абсолютной надежности электроснабжения [101].
Определить ущерб от перерывов электроснабжения, в принципе, очень сложно из-за многих факторов, влияющих на эффективность работы предприятий. Тем более, что отсутствуют точные показатели этих факторов. Например, перерывы в электроснабжении не только нарушают технологические параметры процессов содержания животных, но оказывают влияние на их продуктивность, а также влияют , хотя и косвенно, на работу ремонтных мастерских и других подсобных предприятий из-за простоев в работе и недополучении продукции [104,105,110].
В этих условиях возрастает роль резервных электростанций (РЭ), которые обеспечивают подачу электроэнергии объектам при отключении централизованного электроснабжения.
В случае отсутствия централизованного электроснабжения в работе предлагается резервный источник электропитания на базе обкаточно-тормозного стенда, в котором асинхронная электрическая машина переводится в режим синхронного генератора.