Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы электрооборудования для автономных электроэнергетических систем сельскохозяйственного назначения 11
1.1. Существующие автономные электроэнергетические системы сельскохозяйственного назначения 11
1.2. Состояние и перспективы развития АЭЭС 14
1.2.1. Вариант АЭЭС с питанием от электрических сетей через трансформатор ограниченной мощности 14
1.2.2. Вариант АЭЭС с питанием от дизель-электрических источников 15
1.2.3. Вариант АЭЭС в составе электрифицированного мобильного технологического агрегата.. 16
1.2.3.1. Предпосылки электрификации мобильных процессов в растениеводстве 16
1.2.3.2. Технические и технологические предпосылки создания системы электрооборудования для мобильных агрегатов с автономными источниками энергии 20
1.2.3.3. Технические и технологические предпосылки выбора параметров силового электрооборудования электрифицированных МТА 22
1.2.3.4. Особенности электрифицированных МТА и требования к электрооборудованию 31
1.3. Сравнение вариантов АЭЭС и выбор направлений исследования 32
1.4. Научные и технические задачи по совершенствованию электрооборудования АЭЭС 33
1.5. Цель и задачи исследований. 36
Глава 2. Совершенствование и разработка новых модификаций синхронных генераторов для АЭЭС 37
2.1. Существующие электрогенераторные установки сельскохозяйственного назначения 37
2.2. Резервы и пути улучшения технико-экономических показателей дизельных генераторов „. 39
2.3. Обоснование и выбор величины воздушного зазора, индуктивных сопротивлений и статической перегружаемости генераторов для автономных дизельных электроагрегатов 40
2.3.1. Взаимосвязь воздушного зазора с индуктивными сопротивлениями синхронного генератора 40
2.3.2. Обоснование допустимой величины синхронного индуктивного сопротивления по критерию статической перегружаемости генератора 42
2.3.3. Влияние величины воздушного зазора на характеристики генератора 45
2.4. Разработка новых модификаций синхронных генераторов 52
2.4.1. Синхронные генераторы с дискретным изменением частоты... 52
2.4.2. Синхронные генераторы с крутопадающей внешней характеристикой в зоне рабочих токов 61
2.4.2.1. Синхронные генераторы для дуговой сварки выпрямленным током ,. 62
2.4.2.2. Универсальный синхронный генератор (УСГ) с приводом от ВОМ сельскохозяйственных тракторов 74
2.5. Совершенствование генераторов автономных источников с учетом вероятностных показателей режимов работы 84
2.6. Выводы по главе 91
Глава 3. Совершенствование тиристорных преобразователей для АЭЭС 93
3.1. Научно-технические задачи по совершенствованию тиристорных преобразователей для АЭЭС 93
3.2. Обоснование и выбор силовой схемы преобразователя частоты 96
3.3. Повышение устойчивости и работоспособности системы управления , 112
3.3.1. Особенности работы систем управления импульсно-фазового управления от источника энергии с нестабильными параметрами 112
3.3.2. Разработка ФСУ для условий источника питания с нестабильными параметрами 114
3.3.3. Система импульсно-фазового управления тиристорными преобразователями, питающаяся от источника энергии с нестабильным по частоте напряжением 122
3.4. Обоснование конструктивно-компоновочного исполнения тиристорного преобразователя частоты с непосредственной связью 124
3.4.1. Конструктивное исполнение унифицированного силового модуля 124
3.4.2. Температурные режимы тиристоров. Допустимые токи. Защита с помощью автоматических выключателей 125
3.4.3. Тиристорные преобразователи на основе унифицированного силового модуля 128
3.5. Результаты теоретических исследований ТПЧН при питании от
источника ограниченной мощности 128
3.5.1. Режимы работы ТПЧН в схеме с нулевым проводом при активной и активно-индуктивной нагрузках 132
3.5.2. Режимы работы ТПЧН в схеме без нулевого провода при активной и активно-индуктивной нагрузках... 134
3.5.3. Электромагнитные процессы при инвертировании на спадаю щем участке тока ,. 136
і 3.5.4. Режимы работы ТПЧН при нагрузке, содержащей противо Ъ>, эдс 137
3.6. Экспериментальные исследования ТПЧН 138
3.6.1. Температура перегрева полупроводниковой структуры тиристоров 139
3.6.2. Максимально допустимый ударный ток тиристора 142
3.6.3. Исследование работоспособности системы управления ТПЧН при работе от источника энергии с нестабильными параметрами электрической энергии 144
3.6.4. Результаты исследования режимов работы ТПЧН с активно-индуктивной нагрузкой, не содержащей противо ЭДС 146
3.6.5. Результаты исследований режимов работы ТПЧН с активно-индуктивной нагрузкой, содержащей противо ЭДС (асинхронный двигатель) 146
3.6.6. Производственные испытания :: 148
3.7. Выводы по главе... 149
Глава 4. Повышение коммутационной надежности двигателей постоянного тока при питании от вентильных преобразователей 152
4.1. Обоснование вопроса 152
4.2. Индуктивность цепи якоря машин постоянного тока 154
4.2.1. Существующие способы расчета индуктивности цепи якоря 154
4.2.2. Расчет индуктивности цепи якоря и ее составляющих с учетом взаимоиндукции между обмотками 156
4.2.3. Распределение индуктивности обмотки якоря на полюсном делении 161
4.2.4. Результаты экспериментальных исследований 164
4.3. Потенциальные условия на коллекторе двигателей постоянного тока при питании от вентильных преобразователей 169
4.3.1. Величина амплитудного напряжения на выводах и на коллекторе двигателей при питании от вентильных преобразователей 170
4.3.2. Распределение переменной составляющей выпрямленного напряжения по коллектору 174
4.3.3. Сравнение показателей потенциальной напряженности на коллекторе при питании двигателей от генераторов и вентильных преобразователей 175
4.3.4. Результаты экспериментальных изменений потенциальной напряженности на коллекторе 181
4.4. Влияние пульсаций тока якоря на уменьшение коммутационной надежности двигателей 186
4.4.1. Особенности коммутации при пульсирующем токе якоря 186
4.4.2. Уравнение тока разрыва в коммутируемом контуре 189
4.4.3. Решение уравнения (4.38) 192
4.4.4. Использование уравнения тока разрыва для определения влияния пульсаций тока якоря на коммутационную надежность 198
4.5. Влияние вентильных возбудителей на коммутацию машин по
стоянного тока 201
4.5.1. Трансформаторные ЭДС в секциях якоря при возбуждении от вентильных возбудителей 202
4.5.2. Влияние трансформаторной ЭДС в секции на коммутации 203
4.6. Выводы по главе 208
Глава 5. Повышение использования мощности АЭЭС на электрифицированных МТА 213
5.1. Постановка задачи 213
5.2. Теоретические исследования динамики электрифицированных МТА с автономным источником энергии 214
5.2.1. Динамика МТА при гармонических колебаниях нагрузки 214
5.2.2. Динамика МТА при случайном характере изменения нагрузки 221
5.2.3. Методика расчета активной мощности энергетической установки с учетом переменной нагрузки 225
5.3. Новые научно-технические разработки для электрифицированных МТА 226
5.4. Выводы по главе 230
Глава. 6. Технико-экономические показатели новых модификаций электрооборудования для аээс и вариантов их применения 232
6.1. Технико-экономические показатели новых модификаций элек трооборудования для АЭЭС 233
6.1.1. Технико-экономические показатели синхронных генераторов 233
6.1.2. Технико-экономические показатели ТПЧН 234
6.1.3. Технико-экономические показатели установок «вентильный преобразователь - двигатель постоянного тока» 234
6.2. Экономическая эффективность новых разработок электрообо рудования в зависимости от вариантов их применения 235
6.2.1. Экономическая эффективность применения генераторных установок с дискретным изменением частоты при резервном электроснабжении сельскохозяйственных объектов 235
6.2.2. Экономическая эффективность применения УСГ в составе автономного электроагрегата 236
6.2.3. Экономическая эффективность применения ТПЧН в электротехнологии приготовления кормов 239
6.2.4. Экономическая эффективность применения регулятора активной мощности на электрифицированном мобильном технологическом агрегате 240
6.3. Выводы по главе 241
Основные выводы 242
Литература
- Вариант АЭЭС с питанием от электрических сетей через трансформатор ограниченной мощности
- Обоснование и выбор величины воздушного зазора, индуктивных сопротивлений и статической перегружаемости генераторов для автономных дизельных электроагрегатов
- Обоснование и выбор силовой схемы преобразователя частоты
- Существующие способы расчета индуктивности цепи якоря
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Современное сельскохозяйственное производство немыслимо без электрификации. Повышение производительности труда, внедрение новых электротехнологий и технических средств электрификации увеличивает спрос на электрическую энергию. Так как рост цен на энергоносители продолжается, то повышаются и составляющие затрат на единицу продукции. В связи с этим возникают научно-технические и практические проблемы по вопросам разработки новых энергосберегающих технологий и технических средств электрификации.
Основой электрификации сельского хозяйства являются три разновидности электроэнергетических систем:
с питанием от электрических сетей;
с дизель-электрическим источником питания;
в составе электрифицированных мобильных технологических агрегатов (МТА).
По основным признакам и свойствам они относятся к автономным системам.
Автономность системы обусловлена соизмеримостью мощностей источников питания и потребителей и их обособленностью от других систем. В этом главная особенность и отличие АЭЭС от больших энергетических систем. Но не только в этом. В результате взаимного влияния источника энергии и нагрузки нарушаются режимы работы АЭЭС вплоть до полной неработоспособности системы электрооборудования. Особенно это относится ко второму и третьему вариантам. Источник питания в составе дизеля и синхронного генератора имеет нестабильную частоту вращения и частоту тока, усугубляющие режим работы.
Самым сложным и наименее изученным является третий вариант АЭЭС в составе электрифицированных мобильных технологических агрегатов. Его особенности и отличия рассмотрены в первой и пятой главах.
Здесь лишь отметим необходимость решения ряда научно-технических задач для обеспечения работоспособности, надежности и эффективности системы электрооборудования в условиях мобильности агрегатов, соизмеримости мощности источника питания и нагрузки, тяжелых условий окружающей среды.
Работа выполнена в соответствии с республиканской программой №29 «Механизация, энергетика и ресурсосбережение. Разработать основные направления долгосрочной федеральной технической политики, систему энергетического обеспечения, развития автоматизации производств и экономии энергетических ресурсов в сельскохозяйственном производстве России». Приказ №10 от 17.03.95 г. Министерства сельского хозяйства Российской Федерации. Главное управление высших учебных заведений, г. Москва, 1995 г.
Цель и задачи исследования
Цель работы — обеспечение работоспособности и повышение эффективности электрооборудования АЭЭС путем совершенствования и разработки новых модификаций электрооборудования.
Задачами исследования являются:
- обоснование и разработка новых вариантов исполнения автоном
ных генераторов с улучшенными энергетическими, массогабаритными и
эксплуатационными показателями;
- обоснование конструктивно-компоновочного исполнения тири-
сторных преобразователей частоты с непосредственной связью и разра
ботка устройств по обеспечению работоспособности системы управления
в условиях нестабильности параметров электрической энергии;
повышение коммутационной надежности двигателей постоянного тока при питании от вентильных преобразователей;
повышение использования мощности энергетической установки электрифицированных МТА.
Научная новизна. Теоретически обоснованы и разработаны методи
ки расчета, обеспечивающие:
^т> - создание новых исполнений синхронных генераторов для авто-
номного электроснабжения, в том числе генераторов с уменьшенным воздушным зазором, с крутопадающей внешней характеристикой в зоне заданного тока нагрузки, с дискретным изменением частоты вращения и тока, сварочных генераторов, универсального генератора;
новое конструктивное исполнение тиристорного преобразователя частоты с непосредственной связью для электрифицированного МТА и новое техническое решение системы управления при питании преобразователя от источника с нестабильной частотой и напряжением;
повышение коммутационной надежности двигателя постоянного тока при питании от вентильных преобразователей;
- повышение использования мощности энергетической установки
f ^ электрифицированных МТА.
На защиту представлены:
теоретические основы повышения работоспособности, надежности и эффективности электрооборудования для АЭЭС;
новые модификации синхронных генераторов и тиристорного преобразователя для АЭЭС;
- повышение использования мощности энергетической установки
электрифицированных МТА.
Практическая ценность и реализация результатов исследований
Теория, инженерные методы расчетов, новые технические средства
и технические решения, разработанные на основе результатов исследова
ний, обеспечивают повышение работоспособности, надежности и эффек-
1 TV тивности электрооборудования в АЭЭС.
Новые конструктивно-компоновочные исполнения генераторов и тиристорного преобразователя отличаются уменьшенными массогабарит-
ными показателями и расходом электротехнической меди и стали.
Электрогенераторная установка с дискретным изменением частоты 50/100 Гц мощностью 105/85 кВт при coscp 0,8 и 135/105 кВт при coscp =1,0 изготовлена для резервного электроснабжения животноводческих ферм, испытана и внедрена в совхозе «Новый мир» Чесменского района Челябинской области.
Генераторы для дуговой сварки выпрямленным током с приводом от В ОМ тракторов в количестве 20 шт. изготовлены и внедрены в сельскохозяйственных предприятиях Оренбургской области.
Универсальные генераторы, обеспечивающие путем переключения режим синхронного генератора 50Гц мощностью 16 кВТ и режим дуговой сварки выпрямленным током до 250А, рекомендованы к постановке на производство предприятиями и организациями ОАО «Уралтрак», «Урал-нефтегазстрой», ГО и ЧС Челябинской области, ЧВВАИУ (г. Челябинск), войсковая часть 77966.
Тиристорные преобразователи с непосредственной связью мощностью 110 кВА изготовлены и внедрены на обкаточно-тормозных стендах Кичигинского завода и Уральского ремонтного завода Челябинской области. Преобразователь мощностью 100 кВА изготовлен и внедрен в учхозе Белорусского института механизации сельского хозяйства.
Научно-технические разработки и материалы их расчетов приняты к внедрению Уральским филиалом ВИЭСХ, Главным управлением сельского хозяйства и продовольствия Правительства Челябинской области, ЗАО Челябагропромэнерго, ОАО «Челябэнерго» Центральные электрические сети и др.
Учебное пособие «Резервирование электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с помощью автономных источников», результаты исследований по генераторам и повышению использования мощности энергетической установки электрифицированного МТА внедрены в учебный процесс Челябинского государственного агроинженерного университета.
Апробация работы
Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на ежегодных научно-технических конференциях ЧГАУ (1975-2000 гг.), на Всесоюзном научно-методическом совещании на секции «Применение электрической энергии в сельском хозяйстве» (Тбилиси, 1981 г.) научно-практической конференции «Пути и задачи электрификации сельского хозяйства края в свете решений майского (1982 г.) Пленума ЦК КПСС» (Барнаул, 1983 г.), Всесоюзном научно-методическом совещании секции «Применение электрической энергии в сельском хозяйстве» и «Электроэнергетика, энергоснабжение и эксплуатация электроустановок и энергобезопасность в сельском хозяйстве» отделения механизация и электрификация сельского хозяйства ВАСХНИЛ (Ташкент, 1984 г.), Рее-публиканском научно-техническом совещании «Электрификация и автоматизация технологических процессов орошения, возделывания, уборки и переработки хлопка-сырца» (Ташкент, 1982 г.)» шестой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями» (Свердловск, 1983. г.), Всесоюзной научно-практической конференции «Развитие и совершенствование агрегатирования и приводов сельскохозяйственной техники» (Москва, 1984 г.), XVIII научно-производственной конференции «Проблемы повышения эффективности использования производственного потенциала сельского хозяйства в условиях научно-технического прогресса» (Кустанай, 1989 г.), II Всесоюзной научно-технической конференции «Эиергосберегающее электрооборудование для АПК» (Москва, 1990 г.).
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 42 печатных работах, 11 описаниях изобретений, 7 научных отчетах о результатах НИР.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, б глав, заключения и выводов, списка литературы и приложений. Общий объем 323 страниц, основной текст изложен на 261 страницах и включает ^3 рисунка и ** таблиц.
Вариант АЭЭС с питанием от электрических сетей через трансформатор ограниченной мощности
АЭЭС этого типа является наиболее распространенной и изученной. Отмеченные выше недостатки известны, но они продолжают усугубляться в связи с увеличением единичной мощности электроприемников, применением частотных преобразователей, расширением применения технических устройств, критичных к искажению формы кривой напряжения.
Перспективы применения и развития этого варианта АЭЭС самые широкие. По масштабам и разнообразию электроснабжения с.х. он остается ведущим на длительный период.
Главными задачами дальнейшего технического совершенствования этой системы являются: - повышение общего технического уровня и технико-экономических показателей; - совершенствование существующих и разработка новых технических средств электрификации в направлении ослабления обратного воздействия электроприемников на источник и повышения устойчивости электроприемников к отклонениям показателей качества электрической энергии от номинальных значений; - уточнение существующих и создание новых методик расчетов, обеспечивающих достоверные результаты электроэнергетических показателей АЭЭС.
АЭЭС этого типа характеризуют два этапа электрификации сельского хозяйства в нашей стране. Первый - до 1954 года, когда действовал запрет на присоединение с.-х. потребителей к государственным энергосистемам. На этом этапе средняя мощность тепловых электростанций составляла всего 27 кВт, которые главным образом работали на осветительную нагрузку. Переход на электроснабжение от централизованных электрических сетей привел на практике к бурному внедрению первого варианта АЭЭС и ликвидации второго. Однако повышение требований к надежности электроснабжения с.-х. потребителей и необходимость электроснабжения объектов, удаленных от централизованных электрических сетей, возродили потребность в использовании ДЭС, ДЭА и ЭГУ. Но произошло это на новом уровне электрификации с.х. В настоящее время номенклатура дизель-электрических источников энергии охватывает диапазон мощностей от единиц до нескольких тысяч киловатт различного исполнения. Отмеченные ранее недостатки АЭЭС с дизель-электрическими источниками учитывают не только свойства самих источников, но и появление новых электроприемников, таких, как управляемые преобразователи частоты различного назначения.
Тенденция развития этого варианта АЭЭС является положительной. Возрастают число, номенклатура и суммарная мощность автономных источников электрической энергии. Уже имеются новые исполнения комбинированных источников электрической и тепловой энергии. Главными задачами дальнейшего технического совершенствования рассматриваемого варианта АЭЭС являются: - совершенствование и разработка новых дизель-электрических и других источников с улучшенными технико-экономическими показателями и расширенными функциональными свойствами; - разработка технических решений и устройств, обеспечивающих работоспособность преобразователей частоты при питании от дизель-электрического источника ограниченной мощности; - разработка методик расчета параметров защитных RC — цепочек преобразователей частоты при питании от синхронного генератора ограниченной мощности; - повышение коммутационной устойчивости коллекторных двигателей постоянного тока при питании от управляемых преобразователей.
Такая АЭЭС является .наиболее сложной по конструктивно-компоновочному исполнению и многообразию, по режимам работы системы. Она менее изучена в научном и техническом плане. В то же время этот вариант электрификации сельского хозяйства имеет большие перспективы и, по нашему мнению, является ее закономерным этапом развития [3]. Поэтому ниже рассматриваются вопросы, характеризующие состояние, перспективу и задачи развития данного варианта АЭЭС.
Предпосылками электрификации мобильных процессов в растениеводстве являются по меньшей мере четыре очевидные проблемы: первая - неизбежность изменения структуры энергетических источников в связи с ограничением, а затем полной заменой невозобновляемого источника жидкого топлива; вторая - трудности дальнейшего совершенствования мобильной сельскохозяйственной техники на базе тракторной энергетики; третья - внедрение в растениеводство новых электротехнологий; четвертая - большая (свыше 60%) энергоемкость производственных процессов в полеводстве, которые остаются неэлектрифицированными.
В мобильной энергетике сельскохозяйственного производства сложились три концепции технического использования энергетических средств механизации: в виде тракторов, самоходных шасси и самоходных машин.
Прогнозы [4-6] отмечают следующие тенденции изменения параметров и конструктивно-компоновочных исполнений мобильных сельскохозяйственных агрегатов: - переход от тягового способа передачи мощности к тягово приводному; - применение машин и орудий с активными рабочими органами, рабочими органами-движителями и колесами-движителями; - блочно-модульный принцип построения комбинированных агрегатов, обеспечивающий многофункциональность их применения и совмещение нескольких операций за один проход; - повышение энергонасыщенности тракторов» увеличение пространственных параметров агрегатов для крупных хозяйств и создание новых средств механизации малой мощности для небольших ферм; - автоматизация технологических процессов и роботизация агрегатов. Создание техники, удовлетворяющей совокупности таких свойств, возможно на принципиально новой технической основе — на основе электрификации.
Обоснование и выбор величины воздушного зазора, индуктивных сопротивлений и статической перегружаемости генераторов для автономных дизельных электроагрегатов
Характеристики и свойства генератора обуславливаются внутренними параметрами: синхронными индуктивными сопротивлениями xj, xq, переходным x d и сверхпереходными Xj,x q индуктивными сопротивлениями, коммутационным индуктивным сопротивлением X .
Гипотеза о возможном уменьшении до определенной величины воздушного зазора и соответствующего увеличения индуктивных сопротивлений проверена расчетным путем [16, 42, 53], подтверждена опытом производственного применения асинхронных машин в режиме генератора, имеющих уменьшенный воздушный зазор по сравнению с синхронными генераторами [54, 55].
Расчеты выполнены на основе известных положений теории электрических машин для усредненных численных значений индуктивностеи генераторов [56]. Получены приближенные выражения для относительного изменения индуктивных сопротивлений от изменения воздушного зазора [16, 57].
Синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси для яв-нополюсного генератора л = 0,89/5.+0,11, (2.1) где 5»- относительная величина воздушного зазора по сравнению с зазором серийных генераторов; xd - относительная величина индуктивного сопротивления по сравнению с сопротивлением серийных генераторов; для неявнополюсного генератора
Синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси для яв-нополюсного генератора ду =0,84/5 +0,16; (2.3) для неявнополюсного генератора X(f =0,95/5 +0,05. (2.4) Переходное индуктивное сопротивление по продольной оси x d = 0,2/5 +0,8; (2.5) сверхпереходные индуктивные сопротивления по продольной и поперечной оси x d. = х"д = 0,28/5 + 0,72. (2.6) Коммутационное индуктивное сопротивление для явнополюсных генераторов с успокоительной обмоткой л =0,28/5 +0,72, (2.7) т.е. совпадает с (2.6).
Для явнополюсных генераторов без успокоительной обмотки хк. =0,32 + 0,08/5. +(0,06/5? +0,25/5 +0,046)1/2; (2.8) для неявнополюсных генераторов без успокоительной обмотки хк. =0,236 + 0,059/5 +(0,094/5? +0,386/5. +0,02)1 \ (2.9)
В графическом виде зависимости (2.1)...(2.9) представлены на рис. 2.1. Из рисунка видно, что синхронные индуктивные сопротивления изменяются почти обратно пропорционально величине воздушного зазора; переходные и сверхпереходные — незначительно и при уменьшении воздушного зазора в два раза возрастают на 20...28% , а коммутационные — на 28...43% в зависимости от исполнения генератора.
Взаимосвязь статической перегружаемости с синхронным индуктивным сопротивлением выражается известным равенством [56]: Ен где Ен - насыщенное (по спрямленной характеристике холостого хода) значение ЭДС в относительных единицах; д: - насыщенное значение синхронного индуктивного сопротивления в относительных единицах, х =xadn +xs здесь xada xad к\х к\х " коэффициент насыщения магнитной цепи; cos ф - коэффициент мощности нагрузки.
Согласно [58, 59] статическая перегружаемость генераторов должна быть не ниже 1,7 при cos ф = 0,9. При этом синхронное индуктивное сопротивление для явнополюсных машин составляет 0,6...1,8 о.е., для турбогенераторов 1,2...2,75 о.е.
В мобильньгх дизельных элекгроагрегатах высокая перегрузочная способность генераторов не реализуется из-за низкой перегрузочной способности дизелей, не превышающей величины 15...20%. Электроагрегаты с более высокой перегрузочной способностью имеют мощность дизелей больше, чем генераторы, что нерационально для МТА по условиям массы, стоимости, топливной экономичности дизеля. Поэтому дизельные генераторы для МТА целесообразно проектировать с уменьшенной перегрузочной способностью, уменьшенным воздушным зазором, увеличенным индуктивным сопротивлением. Количественная оценка допустимого увеличения индуктивного сопротивления выполнена расчетным путем [42, 53]. Результаты представлены на рис. 2.2 и 2.3. Допустимые индуктивные сопротивления следует понимать как предельные значения, при которых обеспечивается номинальное напряжение генератора в статическом режиме при двукратном токе возбуждения и статическая перегружаемость не менее 1,2 при cos ф = 0,9.
По сравнению с типовым генератором с параметрами S = 1,0, ха — 1,35, кп = 1,7 в рассматриваемом генераторе при к„ = 1,25 можно увеличить синхронное индуктивное сопротивление в 2...3 раза и соответственно уменьшить основной воздушный зазор в 2...2.5 раза. Фактическое увеличение синхронного индуктивного сопротивления (рис. 2.1) меньше предельно допустимых, что обеспечивает дополнительный запас по статической перегружаемости.
Обоснование и выбор силовой схемы преобразователя частоты
В настоящее время в народном хозяйстве до 35% электрической энергии потребляется с преобразованными параметрами [69, 70]. Для АЭЭС нами рассматриваются тиристорные преобразователи частоты (ТІ 14).
Совершенствование и разработка, новых ТПЧ для сельскохозяйственного производства, в том числе для АЭЭС требует решения ряда научно-технических задач, учитывающих особенности производства и объектов электрификации.
Сформулируем основные из них.
1. Конструктивно-компоновочные исполнения.
Конструктивное исполнение ТПЧ должно удовлетворять противоречивым требованиям простоты и надежного функционирования в условиях широкого диапазона механических и климатических воздействий.
2. Работоспособность и надежное функционирование при питании от источника энергии ограниченной мощности.
3. Надежность.
Высокая надежность очень важна для с.-х. производства, где выход из строя технических средств сопровождается невосполнимыми материальными потерями.
Для обеспечения надежности ТПЧ должен обладать совокупностью свойств: безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость.
4. Универсальность и расширенные функциональные возможности
В интересах уменьшения капитальных затрат и эксплуатационных расходов следует обеспечить универсальность и расширенные функцио
нальные возможности ТПЧ. Это объясняется низким коэффициентом использования некоторых АЭЭС в течение года и большим разнообразием технологий и машин.
5. Высокий коэффициент полезного действия.
Важность этого требования объясняется тем, что через ТПЧ передается весь поток мощности. Современные ТПЧ имеют КПД более 90% при выходных частотах до 200...300 Гц и более 80% при частотах 1000...2000 Гц. Самым высоким КПД (до 98%) обладают тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью (ТГ1ЧН).
6. Минимальные массогабаритные показатели.
Для АЭЭС, особенно в мобильном исполнении, это требование приобретает важное значение. Выпускаемые промышленностью ТПЧ не удовлетворяют этому условию. Масса ТПЧ для диапазона от нескольких киловатт до сотен киловатт в 6...2 раза, а объем в 10...6 раз больше аналогичных показателей асинхронных короткозамкнутых двигателей [72].
7. Стоимость ТПЧ.
Высокая стоимость является одним из препятствий широкого применения ТПЧ. К резервам по снижению стоимости ТПЧ можно отнести выбор наиболее экономичной схемы по минимуму установленной мощности элементов и применение недефицитных комплектующих изделий.
8. Высокий коэффициент мощности.
В АЭЭС с автономным источником энергии, нет ограничений коэффициента мощности со стороны теплового двигателя, но есть ограничения со стороны синхронного генератора, так как реактивная мощность увеличивает его установленную мощность и, следовательно, ухудшает массогабаритные показатели.
9. Высшие гармоники в выходном напряжении.
Гармонический состав выходного напряжения ТПЧ определяется технико-технологическими особенностями потребителя. Для частотно управляемого электропривода требуется минимальное содержание высших гармоник, а для некоторых электротехнологий, наоборот, наличие высших гармоник необходимо для получения специальной формы выходного напряжения. Техническая разумность допускает отклонение формы выходного напряжения от синусоидальной при диапазоне регулирования частоты вращения до 1 : 10 [72].
10. Свободный обмен реактивной энергии между источником и на грузкой.
Это требование влияет на выбор схемы ТПЧ для регулируемого электропривода. Система должна обеспечить протекание тока через нагрузку с фазовым сдвигом по отношению к напряжению.
11. Рекуперация энергии в питающую сеть.
Рекуперация энергии обеспечивает генераторное торможение электропривода. В условиях АЭЭС с источником энергии ограниченной мощности этот режим сложнее, чем в мощной энергосистеме, так как накладывается ограничение со стороны источника энергии.
12. Раздельное регулирование частоты и амплитуды выходного на пряжения ТПЧ.
Это требование относится прежде всего к регулируемому электроприводу, где необходимо выполнять соотношение между частотой и амплитудой питающего напряжения в интересах эффективного использования электродвигателя и соответствия его механических характеристик с характеристиками статической нагрузки. 13. Удобство сопряжения ТПЧ с типовыми источниками и приемни ком энергии.
Существующие способы расчета индуктивности цепи якоря
Доказано, что степень компенсации реакции якоря оказывает решающее влияние на распределение индуктивности цепи якоря между обмотками, в частности, эквивалентная индуктивность обмотки якоря положительна при недокомпенсации, равна нулю при точной компенсации и отрицательна при перекомпенсации. Влияние неточности компенсации на суммарную индуктивность цепи якоря незначительно.
Влияние насыщения магнитной системы на величину эквивалентной индуктивности отдельных обмоток зависит от степени компенсации и для неточно скомпенсированных машин оно незначительно, в частности, при номинальном возбуждении индуктивность уменьшается на 10...20% по сравнению с ненасыщенным значением.
Распределение эквивалентной индуктивности обмотки якоря на полюсном делении неравномерно и зависит от величины и знака отклонений от точной компенсации.
Дальнейшее повышение точности расчета требует более жестких ограничений в допущениях, в частности, уточнения распределения потоков взаимоиндукции в зоне добавочных полюсов и между главными полюсами.
Потенциальные условия на коллекторе характеризуют амплитудным и средним значениями напряжения между смежными коллекторными пластиками, а также распределением напряжения по коллектору, в том числе в зоне коммутации.
Наиболее опасно для искрообразования максимальное напряжение. В схемах с вентильными преобразователями к двигателю прикладывается выпрямленное напряжение, амплитуда, которого периодически превышает среднее значение, обуславливая увеличение потенциальной напряженности на коллекторе. Для ограничения амплитуды пульсаций тока и напряжения применяют сглаживающие индуктивности и многофазные преобразователи.
Существующие методы расчета амплитудных напряжений на коллекторе дают большую погрешность, так как либо не учитывают индуктивность компенсационной обмотки и добавочных полюсов, либо принимают их значения без учета взаимоиндукции с якорем. В результате расчетные потенциальные условия оказываются более тяжелыми, по сравнению с фактическими, и как следствие, технические мероприятия по их уменьшению усложняют преобразовательную установку в ущерб ее технико-экономическим показателям.
В связи с изложенным были поставлены задачи: - уточнить методику расчета амплитудных напряжений и потенциальных условий на коллекторе при питании от вентильных преобра зователей с учетом индуктивности обмоток компенсационной и добавочных полюсов и взаимоиндукции между обмотками цепи якоря; - обосновать рекомендации по обеспечению минимальной величины пульсаций на коллекторе от выпрямленного напряжения с использованием взаимоиндукции между обмотками цепи якоря; - выполнить экспериментальные исследования и сравнить по тенциальные условия на коллекторе при питании от генераторов и вен тильных преобразователей.
Мгновенное значение выпрямленного напряжения преобразователя в интервале повторяемости (Ot — 0...2л/т для всех схем с симметричным управлением равно Ud = Um cos (Ш + а - %/т). (4.22) Ее постоянная составляющая U4 — (тг/m) sin (п/т) Um cos1 а = % cosa (4.23) уравновешивается противоЭДС якоря. Переменная составляющая выпрямленного напряжения на заданном участке пропорциональна его индуктивности и равна и = (LJLz)( Ud - Udo cosa), (4.24) где Lx - индуктивность участка; Ljr суммарная индуктивность цепи тока нагрузки. Суммируя (4.23) и (4.24) с учетом (4.22) получим выражение для мгновенного напряжения на участке схемы, содержащем противоЭДС: их — и cosa + —— Um cos( o Л-a )- Vdo cosa . (4.25) L L m J Дальнейшее преобразование выполнено в относительных единицах с учетом равенств:
