Асинхронный генератор с улучшенными эксплуатационными характеристиками для электротехнологических установок при производстве прудовой рыбы
На правах рукописи
ИЛЬЧЕНКО Яков Андреевич
АСИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР С УЛУЧШЕННЫМИ
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПРУДОВОЙ РЫБЫ
Специальность 05.20.02 – «Электротехнологии и электрооборудование
в сельском хозяйстве»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Краснодар - 2012 2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образователь ном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет»
(ФГБОУ ВПО «Кубанский ГАУ»)
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Богатырев Николай Иванович
Официальные оппоненты: Тропин Владимир Валентинович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кубанский ГАУ», профессор кафедры «Примене ние электрической энергии»
Степанчук Геннадий Владимирович кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Азово черноморская государственная агроинженерная академия», доцент кафедры «Эксплуатация энерге тического оборудования и электрические машины»
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образо вательное учреждение высшего профессионального образования «Ставропольский государственный аг рарный университет» (г. Ставрополь)
Защита состоится «21» ноября 2012 г. в 1000 часов на заседании диссерта ционного совета Д 220.038.08 при ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина 13, КубГАУ, корпус факультета энергетики и электрификации, ауд. № 4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кубан ский государственный аграрный университет».
Автореферат размещен на сайте ВАК РФ http://vak2.ed.gov.ru/ «17» октября 2012 года.
Автореферат размещен на сайте Кубанского ГАУ http://kubsau.ru «17» октября 2012 года.
Автореферат разослан «» октября 2012 года.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук В.С. Курасов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследований. Рыбное хозяйство в Российской Фе дерации является комплексным сектором экономики, который включает широ кий спектр видов деятельности и играет важную роль в качестве поставщика пищевой, кормовой, технической продукции. В общем балансе потребления животных белков человеком доля рыбных белков составляет около 10%.
С 1991 г. объем добычи водных биологических ресурсов во внутренних водоемах непрерывно сокращается и вызвано это, прежде всего экономически ми причинами. Сокращение отечественного производства рыбы, в свою оче редь, поставило под угрозу продовольственную безопасность страны из-за уве личения потока импортной продукции и дальнейшей деградации отрасли.
Для сельского хозяйства характерна пространственная рассредоточенность производства, удаленность от линий электроснабжения, и зачастую рентабель ность производства определяется в первую очередь затратами на электрифика цию производства. Дополнительным фактором, сдерживающим развитие рыб ной отрасли, является недостаточный темп внедрения современных электро технологий и средств механизации для переработки рыбной продукции, ввиду их высокой стоимости. Строительство стационарных систем электроснабжения связано с высокими затратами. Так, расчет по укрупненным показателям стои мости 1 км линии 0,38 кВ составляет 800 т.р. В этом случае наиболее перспек тивным решением вопросов электрификации рыбоводческих хозяйств является применение автономных систем электроснабжения.
Автономные источники электрической энергии должны быть конструк тивно простыми и надежными с эксплуатационной точки зрения, поэтому со здание и развитие автономных источников, адаптированных к различным ти пам потребителей сельского хозяйства, является актуальной задачей.
Из существующих генераторных установок для полевых условий наиболее подходят асинхронные генераторы (АГ) с короткозамкнутым ротором и кон денсаторным возбуждением. Значительный вклад в разработку таких генерато ров внесли А. А. Иванов, Ю. Д. Зубков, С. И. Кицис, В. А. Балагуров, З. Гент ковски, З. Р. Джендубаев, В. Н. Ванурин, Н. И. Богатырев, Н. Д. Торопцев, Е. А.
Зайцев, О. В. Вронский, П. П. Екименко, А. В. Синицын, А. С. Оськина. Анализ научных работ показывает, что, несмотря на большое количество разработок в области асинхронных генераторов, отсутствуют исследования их работы в ре жимах, превышающих номинальный, а также в области разработки методик выбора соответствующей мощности.
В нашей работе мы предлагаем новую схему обмотки асинхронного гене ратора, а также методику выбора его мощности, учитывающую специфику ры боводческих хозяйств.
Работа выполнена в рамках плана НИР Кубанского ГАУ по госбюджетной тематике 2006–2010 гг. (ГР 01.2.00606851), 2011–2015 гг. (ГР 01.2.01153641) и технического задания департамента сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края на 2011–2012 гг. (№ 32-2011) на выпол нение научно-исследовательской работы «Разработка научно обоснованных ме тодов и программного комплекса оптимизации работы электроустановок на сельскохозяйственных предприятиях Краснодарского края».
Научная гипотеза – разработка асинхронного генератора, способного устойчиво (по критерию максимального рабочего диапазона мощности) рабо тать на нагрузку, характерную для рыбоводческих хозяйств, должна строиться на основе специального схемного решения статорной обмотки в виде «сколь зящего треугольника», что позволяет компенсировать индуктивный ток нагруз ки и генератора емкостью возбуждающих конденсаторов.
Цель работы – создание эффективного (низкие массогабаритные показа тели, повышенная перегрузочная способность) асинхронного генератора и ме тодики выбора его мощности для питания электроприемников рыбоводческих хозяйств.
Задачи исследования:
1. Разработать типовой график нагрузки рыбоводческого хозяйства и про анализировать его характер.
2. Разработать методику выбора рациональной мощности асинхронного ге нератора, учитывающую особенности графика нагрузки потребляемой мощности рыбоводческого хозяйства.
3. На основе матричной теории формирования схем статорных обмоток и диаграмм Гергеса разработать рациональную схему статорной обмотки асин хронного генератора и определить ее основные характеристики.
4. Разработать математическое описание асинхронного генератора, учиты вающее работу генератора при резкопеременном характере нагрузки электропо требителей рыбоводческого хозяйства.
5. Разработать математическую модель системы приводной двигатель – асинхронный генератор с нагрузкой – асинхронный двигатель и проверить ее работоспособность в пакете MathСad.
6. Провести экспериментальные исследования разработанного асинхронно го генератора.
7. Определить экономическую эффективность внедрения результатов ис следований.
Объект исследования – статорные обмотки асинхронных генераторов с конденсаторным возбуждением, электропотребители и графики электрических нагрузок рыбоводческих хозяйств, методики выбора рациональной мощности асинхронных генераторов.
Предмет исследования – характеристики и эксплуатационные показатели асинхронных генераторов, параметры потребителей, компьютерные модели электрических машин.
Методики исследования – математическое моделирование, диаграммы Гергеса, теоретические основы электротехники, статистические методы оценки данных, компьютерное моделирование в программных комплексах MathCad, MatLab. Экспериментальная часть выполнена на кафедре электрических машин и электропривода Кубанского ГАУ на специализированном стенде с использо ванием соответствующего лабораторного оборудования.
Научная новизна работы:
– разработана методика определения рациональной мощности асинхронных генераторов с максимальным рабочим диапазоном мощности при случайной пе ременной нагрузке, создаваемой технологическим процессом рыбоводческого хозяйства;
– получено математическое описание асинхронного генератора для авто номного источника питания рыбоводческого хозяйства, предоставляющее воз можность теоретически определить диапазон рабочих мощностей генератора;
– разработана математическая модель системы приводной двигатель – асинхронный генератор с нагрузкой – асинхронный двигатель, позволяющая моделировать работу системы в режимах с резкопеременным характером нагрузки и подтверждающая теоретические результаты.
Практическая ценность результатов исследований:
– получены типовые графики нагрузок рыбоводческих хозяйств, позволя ющие проводить дальнейшие исследования по оптимизации работы технологи ческих машин и электроснабжающих установок;
– разработана новая схема статорной обмотки (патент РФ № 2316880) для проектирования автономных источников питания малой мощности, позволяю щая повысить их эксплуатационные характеристики, а также образец асин хронного генератора с предлагаемой обмоткой для питания средств электроме ханизации рыбоводческих хозяйств;
– разработан программный продукт (свид. № 2009610367) для расчета ос новных конструктивных показателей асинхронных генераторов мощностью 0,12–11,0 кВт, уменьшающий трудоемкость расчетов асинхронных машин;
– разработана компьютерная модель процесса самовозбуждения асинхрон ного генератора в пакете Simulink, позволяющая определить диапазон необхо димых емкостей конденсаторов для различных асинхронных генераторов;
– разработана методика определения мощности генератора автономного источника питания, включенная в состав научных работ, выполненных в соот ветствии с техническим заданием департамента сельского хозяйства и перера батывающей промышленности Краснодарского края на 2011-2012 гг. № 32-2011;
На защиту выносятся следующие положения:
– типовые графики нагрузок электроприемников рыбоводческого хозяй ства, разработанные на основе анализа применяемого оборудования;
– методика определения рациональной мощности асинхронных генерато ров с конденсаторным возбуждением при случайной переменной нагрузке;
– рациональная схема асинхронного генератора для типового рыбоводче ского хозяйства, а также экспериментальные характеристики асинхронного ге нератора с предлагаемой обмоткой;
– математическое описание асинхронного генератора для автономного ис точника питания рыбоводческого хозяйства;
– математическая модель системы приводной двигатель – асинхронный ге нератор с нагрузкой – асинхронный двигатель;
– результаты компьютерного моделирования работы системы и процессов самовозбуждения асинхронного генератора;
Реализация и внедрение результатов исследований. Опытные образцы асинхронных генераторов установлены в научной и учебной лабораториях ка федры электрических машин и электропривода Кубанского ГАУ. Материалы исследований используются в учебном процессе Кубанского ГАУ. Методика определения мощности генератора автономного источника питания включена в научно-исследовательскую работу по теме: «Разработка научно обоснованных методов и программного комплекса оптимизации работы электроустановок на сельскохозяйственных предприятиях Краснодарского края», выполненной со гласно техническому заданию департамента сельского хозяйства и перерабаты вающей промышленности Краснодарского края на 2011–2012 гг. № 32–2011.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и об суждались на 6-й, 7-й, 8-й, 9-й и 10-й региональных научно-практических кон ференциях молодых ученых «Научное обеспечение АПК» (г. Краснодар, 2005 - 2011 гг.);
на Международной научно-практической конференции «Высо кие технологии энергосбережения» (г. Воронеж, 2005 г.);
на Международной научно-практической конференции «Новые технологии в сельском хозяйстве и пищевой промышленности с использованием электрофизических факторов и озона» (г. Ставрополь, 2006 г.);
на Всероссийской научно-практической конфе ренции «Проблемы развития аграрного сектора региона» (г. Курск, 2006);
на 5-й Всероссийской научной конференции «Энерго- и ресурсосберегающие тех нологии и установки» (г. Краснодар, 2007);
на 4-й Российской научно практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе» (г. Ставрополь, 2007 г.);
на Меж дународной научно-практической конференции «Энергосберегающие техноло гии. Проблемы их эффективного использования» (г. Волгоград, 2007 г.);
на Международной научно-практической конференции «Инновационные техноло гии для АПК России» (г. Зерноград, 2008 г.);
на 6-й международной научно практической конференции «Проблемы энергообеспечения и энергосбереже ния» (г. Москва, 2008 г.);
на 2-й Всероссийской научно-технической конферен ции «Технические и технологические системы» (г. Краснодар, 2008 г.);
на Международной научно-практической конференции «Технические и техноло гические системы» (г. Краснодар, 2009 г.);
на Международном агропромыш ленном конгрессе (г. Санкт-Петербург, 2009 г.);
на международной научно практической конференции «UCOLIZ-2010» (2010, Прага, Чехия).
В 2008 году на 2-й Всероссийской научно-практической конференции мо лодых ученых «Научное обеспечение АПК» автором получен диплом 1-й сте пени конкурса научных разработок. В 2009 году на 3-й Всероссийской научно практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение АПК» ав тором получен диплом 3-й степени конкурса научных разработок.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 10 печатных работах, включая 3 патента РФ на изобретение, одно свидетельство на про граммный продукт, 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК. Общий объем опубликованных работ составляет 9,52 п.л., из них на долю автора приходится 2,74 п.л.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти раз делов, общих выводов, списка использованных источников, включающего наименований, в том числе 8 – на иностранном языке и приложения. Диссерта ция изложена на 162 страницах машинописного текста, включая 30 страниц приложения, содержит 72 рисунка, 19 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цель работы, научная новизна, практическая значимость и представлены основ ные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены состояние и перспективы развития рыбовод ства в Краснодарском крае, существующее технологическое оборудование, перспективные разработки в области автономных источников питания.
По данным ГМЦ Росстата, с 1991 по 2006 г. объемы добычи водных био логических ресурсов во внутренних водоемах уменьшились почти в 2 раза. При этом общий объем допустимых уловов осваивается только на 50%, а потенциал пресноводной аквакультуры используется не более чем на 40%. В период с 2006 по 2012 г. положение существенно не изменилось. Аналогичная ситуация в развитии рыбоводства в Краснодарском крае, который находится в благопри ятной для разведения рыбы зоне.
Исходя из приоритетов социально-экономического развития РФ и устой чивого развития рыбного хозяйства, решения основных проблем отрасли при няты: концепция развития рыбного хозяйства РФ на период до 2020 года (рас поряжение Правительства РФ от 21 июля 2008 г. № 1057-р) и постановление Законодательного собрания Краснодарского края от 26 марта 2008 г. №375–П «О мерах по увеличению производства прудовой рыбы субъектами малого предпринимательства и гражданами, ведущими личные подсобные хозяйства на территории Краснодарского края». В данных документах предусматривается устойчивое развитие рыбоводства в водоемах Российской Федерации, повыше ние эффективности добычи и переработки водных биологических ресурсов в частности за счет: расширения проведения научных исследований и разработок в области рыбного хозяйства;
внедрения новой техники и технологий, глубокой и комплексной переработки сырья.
Потенциалом развития отрасли рыбоводства является внедрение новых технологий выращивания рыбы, передовых энергосберегающих электротехно логий и оборудования, а также развитие сети поставок энергоресурсов должно го качества, в том числе электроэнергии. Для определения требований к каче ству электроэнергии необходимо подробно рассмотреть технологические про цессы и оборудование.
Технологический процесс производства рыбы включает в себя следующие стадии: выращивание рыбы, лов, разделка, охлаждение. Эти операции произво дятся непосредственно в прудовом хозяйстве. Для кормления рыб используют ся различные способы, в том числе с использованием кормораздатчиков (например КР-4М, «Рефлекс МТ-У», «Рефлекс М-12-0,25», «Рефлекс Т-50», «Рефлекс Т-1500»). Для повышения качества кормов за счет увеличения доли живых кормов широко используются электрооптические установки, привлека ющие насекомых световым излучением.
При интенсивных формах ведения прудовых хозяйств, содержание кисло рода в воде снижается, что отрицательно влияет на рост рыбы и в некоторых случаях может привести к замору. Для поддержания биологической продуктив ности на необходимом уровне требуется аэрация водоема. Существует большое количество установок, различающихся по принципу действия, но наиболее рас пространены кинетические (например Airmaster «Turbo») и механические (например SolarBee v18).
Наиболее затратный, с точки зрения потребления электроэнергии, процесс – охлаждение выловленной рыбы. Обработка рыбы холодом – способ консер вирования, позволяющий в максимальной степени сохранить ее натуральные свойства с высокой эффективностью. Так как охлаждение является наиболее важным технологическим процессом, то от холодильного оборудования требу ется сохранение постоянной температуры при любых условиях, что накладыва ет определенные требования к источнику питания, а также недопустимости пе ребоев в электропитании.
При выпуске рыбной продукции для повышения рентабельности и сниже ния себестоимости производства необходимо внедрение инновационных техно логических решений, обеспечивающих глубокую переработку рыбы. Одним из наиболее трудоемких процессов является разделка рыбы. Она осуществляется, например, с использованием рыбочистки KT-S, Perfekta пилы разделочной plus MKB 649, машины для удаления костей CT 2612. Одним из наиболее рента бельных способов обработки рыбы является копчение. Анализ ассортимента выпускаемой рыбной продукции показывает, что в области глубокой перера ботки радикальных изменений по сравнению с 1990 г. не произошло и произ водство сушеной, вяленой, копченой рыбы уменьшилось в 3,9 раза.
Проведенный автором анализ средств производства показывает, что обо рудование является разнородным, режим его работы является резкоперемен ным. Для проведения качественного анализа режима работы электрооборудо вания прудовых хозяйств необходимо построить типовой график нагрузки, на основании которого можно будет рационализировать очередность технологиче ских процессов и определить потребную мощность источника питания. В настоящее время в литературе не существует типовых графиков нагрузки для прудовых хозяйств. Для составления графика нагрузки необходимо учесть ми нимальный набор оборудования для реализации основных технологических процессов, а также периодичность его включения. Следует учесть, что в летний период недопустимы перебои в энергоснабжении, так как это повлечет за собой порчу большого количества продукции. Так как оборудование чувствительно к качеству электроэнергии, необходимо не только обеспечить бесперебойность электроснабжения, но и поддерживать качество электроэнергии на должном уровне, что в большинстве случаев невозможно сделать по причине удаленного расположения рыбоводческих хозяйств от трансформаторных подстанций и большой протяженности линий электропередач. Избежать возможных негатив ных последствий от нарушения централизованного энергоснабжения можно путем внедрения автономных источников питания.
По типу используемых генераторов установки можно классифицировать на автономные с асинхронными генераторами и с синхронными генераторами.
Асинхронные генераторы (АГ) более просты конструктивно, практичны и гене рируют напряжение практически без нелинейных искажений. В условиях ма лых рыбоводческих хозяйств из-за наличия резкопеременной нагрузки с ярко выраженным коэффициентом сезонности нецелесообразно выбирать АГ по максимальной мощности, так как генератор длительное время будет недогру жен. Анализ научных работ показал отсутствие теоретических исследований, освещающих работу АГ при резкопеременных нагрузках, а также методик вы бора рациональной мощности АГ, учитывающих особенности графика нагрузки рыбоводческих хозяйств.
В первой главе выдвинута научная гипотеза, сформулирована цель работы и задачи исследований.
Во второй главе на основе анализа технологии производства рыбоводче ского хозяйства получены графики потребления электрической энергии (рисун ки 1, 2) хозяйством, разработана методика выбора рациональной мощности асинхронного генератора и его математическое описание.
Для выбора мощности автономного источника питания необходимо соста вить суточные и годовой графики нагрузок. В известных литературных источ никах отсутствуют типовые электрические графики нагрузок для данного типа потребителей электроэнергии. Поэтому в данной работе представлена усред ненная модель рыбоводческого фермерского хозяйства с типовым набором электропотребителей и временем их работы. Анализ графиков показывает, что процесс имеет неравномерный характер с четко выраженными периодами по вышенного потребления электроэнергии, на которые необходимо ориентиро ваться при выборе источника мощности.
Рисунок 1 – Суточный летний график потребления энергии рыбоводческого хозяйства Рисунок 2 – Суточный зимний график потребления энергии рыбоводческого хозяйства Вероятностно-статистический метод обработки данных дает возможность, используя теорему Ляпунова, охарактеризовать суммарное воздействие слу чайных факторов и их изменчивость двумя интегральными показателями: ма тематическим ожиданием и среднеквадратическим отклонением.
Средняя квадратичная мощность для летнего графика нагрузки составляет 1946,7 Вт, для зимнего – 506,3 Вт. Таким образом, исходя из условий нагрева, можно подобрать генератор эквивалентной мощности, ориентируясь на значе ние средней квадратичной мощности.
Для генераторных установок, питающих средства механизации производ ства рыбоводческого хозяйства, разработана рациональная схема статорной об мотки АГ (рисунок 3), выполненная из девяти секционных групп разного рас положения в пространстве машины. Все секции обмотки одинаковые. При этом обмотки 1–6 имеют по две катушечные группы из трех секций, обмотки 7– имеют по две катушечные группы из двух секций, т. е. число витков, составля ющее 2/3 от числа витков обмоток 1–6. Секционные группы имеют симметрич ное трехфазное расположение в пазах статора, т. е. обмотки 1, 2, и 3 составляют трехфазную обмотку, обмотки 2, 4 и 6, а также 7, 8 и 9 составляют две другие трехфазные обмотки. Ротор традиционный, с короткозамкнутой обмоткой.
Данная схема позволяет использовать конденсаторы возбуждения при более высоком напряжении, чем на нагрузке, и уменьшать их габариты и вес.
Рисунок 3 – Схема соединения обмоток статора генератора и реакция то ка при активно-индуктивной нагрузке При математическом описании генератора были сделаны допущения об идентичности конструкций секций статорных обмоток, из чего следует равен ство их активных сопротивлений и собственных индуктивностей. Рассматрива ется только основная гармоника ЭДС, токов и распределения МДС вдоль воз душного зазора, который принимается равномерным и гладким. Приведенная схема позволяет использовать конденсаторы возбуждения при более высоком напряжении, чем на нагрузке, и уменьшить их габариты и вес.
Получено математическое описание асинхронного генератора:
d u1 ri1 dt u r i d 2 22 dt....
d u9 r9i9 dt L M 1 yd M 1 yq M 12 M 13 M 14 M 15 M 16 M 17 M 18 M M M 23 M 24 M 25 M 26 M 27 M 28 M 29 M 2 yd M 2 yq L 21 M 31 M 32 L M 34 M 35 M 36 M 37 M 38 M 39 M 3 yd M 3 yq M 41 M 42 M 43 L M 45 M 46 M 47 M 48 M 49 M 4 yd M 4 yq M 51 M 52 M 53 M 54 L M 56 M 57 M 58 M 59 M 5 yd M 5 yq M 61 M 62 M 63 M 64 M 65 L M 67 M 68 M 69 M 6 yd M 6 yq (1) M 71 M 72 M 73 M 74 M 75 M 76 L M 78 M 79 M 7 yd M 7 yq M 81 M 82 M 83 M 84 M 85 M 86 M 87 M 89 M 8 yd M 8 yq L M 91 M 92 M 93 M 94 M 95 M 96 M 97 M 98 L M 9 yd M 9 yq M yd 1 M yd 2 M yd 3 M yd 4 M yd 5 M yd 6 M yd 7 M yd 8 M yd 9 L M L yq1 M yq 2 M yq 3 M yq 4 M yq 5 M yq 6 M yq 7 M yq 8 M yq 9 uн1н 2 u1 u uн 2 н 3 u3 u uн 3н1 u5 u M M i (i i ) n yd yq э n М М J d дв э dt где ri – активное сопротивление j-той обмотки;
ij – ток соответствующей обмот ки;
j – потокосцепление j-ой обмотки;
Li – собственные индуктивности обмо ток;
Mij – взаимные индуктивности обмоток i и j;
Мдв – момент первичного дви гателя;
Мэ – электромагнитный момент АГ.
Для дальнейшего анализа устойчивости работы АГ под нагрузкой целесо образно перейти к компьютерному моделированию в специализированных про граммных комплексах MatLab и MathCad.
Третья глава посвящена математическому моделированию режима само возбуждения АГ и процесса подключения двигательной нагрузки. Моделирова ние проводилось с целью получения интервала значений рабочих емкостей воз буждения и исследования работы генератора в переходных режимах. Необхо димость теоретического исследования процессов емкостного самовозбуждения обусловлена существенным влиянием этого режима на протекание технологи ческого процесса, который подразумевает подключение нагрузки мощностью до 60% мощности асинхронного генератора. В том случае, если коммутация нагрузки производится в период возбуждения генератора и выхода его на но минальный режим, то это приводит к развозбуждению генератора. С учетом общепринятых допущений и постоянной скорости вращения ротора асинхрон ный генератор с конденсаторной батареей в цепи статора может быть описан следующими уравнениями:
di k uS riS xS S R R k R p R, dt TR di k S R R k R p R, uS riS xS dt TR d R 0 k R rR iS R p R, TR dt d R 0 k R rR iS R p R, TR dt m k ( i i ), R S R S R d (2) m mн, Tm dt duS iS iн, с dt duS iS iн, с dt diн uS iн rн dt, Lн diн uS iн rн.
dt Lн Для решения системы (2) был использован программный комплекс MatLab. На рисунке 4 приведен фрагмент решения системы уравнений и ре зультат. Экспериментальные исследования процесса самовозбуждения, прове денные на специализированном стенде на кафедре ЭМ и ЭП, подтверждают ре зультаты математического моделирования.
diS kR Рисунок 4 – Решение уравнения uS riS x R k R p R S dt TR Для анализа работы АГ с нагрузкой в программном комплексе MathCad были разработаны математические модели приводного двигателя, нагрузки, АГ и системы в целом (рисунок 5, уравнения (3)).
Рисунок 5 – Расчетная пространственная модель системы приводной двигатель – асинхронный генератор с нагрузкой – асинхронный двигатель Решение системы уравнений представлено на рисунке 6.
Рисунок 6 – Расчетная осциллограмма процесса подключения к АГ двигательной нагрузки мощностью 250 Вт diв uв rв dt L L iв, в в k k i diя u я (rя Rсети ) iя e ф в dpt, dt Lя Lя Lя dis us rsis k k r r r p r, dt Ls Ls LsTr Ls dis us rsis k k r r r p r, dt Ls Ls LsTr Ls d kr rr is r p r, r dt Tr d r kr rr is r p r, dt Tr du s iс rнis, dt С du (3) iс rнis s, dt С d r is r is J M J я, k kфiвi kr dt J АГ J dpt АГ dpt dids us rdsids kdr kdr p, dr dr dt dd Lds Lds LdsTdr Lds dids us rdsids kdr kdr p, dt dr dr dd Lds Lds LdsTdr Lds d dr k r i 1 p, dt dr dr ds dr dr dd Tdr d dr dr pd d dr, kdr rdr ids dt Tdr dd kdr dr ids dr ids Jвр.д M dt Jd d Из анализа осциллограммы следует, что при подключении двигателя (t = 3 c) к возбужденному асинхронному генератору с нагрузкой ток в фазе ге нератора резко увеличивается (на 2–3 периода), затем падает и постепенно рас тет до установившегося. Установившийся ток фазы генератора больше, чем до подключения двигателя. У двигателя первый толчок тока на уровне пускового, затем ток падает, а в дальнейшем нарастает до установившегося.
В четвертой главе описана экспериментальная проверка теоретических исследований на специализированном стенде. Изготовлен опытный образец асинхронного генератора с рациональной статорной обмоткой (рисунок 7) на базе асинхронного двигателя серии АИР и определены энергетические показа тели генератора. Для снижения трудоемкости расчетов асинхронных генерато ров был разработан специальный программный продукт (свид. № 2009610367).
Рисунок 7 –Статорная обмотка асинхронного генератора Весь процесс испытания асинхронного генератора производится в два эта па: снятие характеристик холостого хода АГ и определение его внешних харак теристик при активной и активно-индуктивной нагрузке. Испытательный стенд для определения характеристик холостого хода, внешних характеристик, а так же потерь асинхронного генератора представлен на рисунке 8.
По полученным экспериментальным данным после статистической обра ботки построены характеристики холостого хода, внешние (рисунок 9), опреде лены полные потери в АГ и их составляющие, а также зависимость КПД от нагрузки (рисунок 10). Методика определения составляющих потерь основана на определении механических потерь, потерь в стали, а также потерь холостого хода и разделения их на составляющие.
Рисунок 8 – Испытательный стенд для определения внешних характеристик асинхронного генератора Рисунок 9 – Внешние характеристики АГ при различных значениях емкости возбуждения В результате проведенного анализа эксплуатационных свойств асинхрон ного генератора можно сделать вывод о высоких энергетических показателях машины, сопоставимых с показателями серийных образцов, на базе которых они спроектированы.
При загрузке генератора на 50% КПД составляет 88%, на 75% – 86%, при 100%-й нагрузке – 84%.
Рисунок 10 – Зависимость f ( Pн ) асинхронного генератора В пятой главе определены показатели экономической эффективности от внедрения методики выбора рациональной мощности генератора. Сравнение производилось по следующим вариантам: 1) подключение к линии централизо ванного электроснабжения;
2) использование серийной и предлагаемой генера торной установки. Чистый дисконтированный доход прудового хозяйства пло щадью 10 га с объемом вылова рыбы 1 т/га составляет 6209 руб. при норме дисконта 17% и уровне инфляции 6,5%.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. На основе анализа технологии производства в рыбоводческом хозяйстве и анализа нагрузок получены: годовой, суточные летний и зимний графики по требления электрической энергии прудовым хозяйством. Разработана методика выбора рациональной мощности асинхронного генератора, учитывающая осо бенности графика потребления электроэнергии рыбоводческим хозяйством, со гласно которой мощность генератора определяется исходя из значения средне квадратической мощности.
2. Получено математическое описание асинхронного генератора, состоя щее из 15 уравнений, учитывающее конструктивные параметры асинхронного генератора и предоставляющее возможность теоретически определить диапазон рабочих мощностей генератора.
3. В пакете Simulink разработана структурная схема процесса самовозбуж дения АГ, позволяющая оценить влияние параметров машины на процесс само возбуждения, выбрать величину рабочей емкости и определить время самовоз буждения. Кривые напряжений, полученные расчетом на модели, согласуются с реальными осциллограммами (относительная погрешность – 4–9 %).
4. Получены системы дифференциальных уравнений в пакете MathCad, ко торые позволяют моделировать динамические процессы, возникающие при подключении двигательной нагрузки к асинхронному генератору. В результате моделирования установлено, что время переходного процесса составляет 1 с;
асинхронный генератор не развозбуждается при подключении нагрузки с большими пусковыми токами;
переходный процесс, возникающий при подклю чении нагрузки с большими пусковыми токами, не несет негативных послед ствий для технологического оборудования.
5. Используя матричную теорию формирования статорных обмоток и диа грамм Гергеса, разработана схема статорной обмотки асинхронного генератора с конструктивными параметрами, учитывающими особенности потребителей и графика нагрузок рыбоводческого хозяйства (патент РФ № 2316880). Для сни жения трудоемкости при определении параметров асинхронных машин разра ботан программный продукт (свидетельство № 2009610367 «Расчет асинхрон ных генераторов мощностью 0,12-11,0 кВт»).
6. Экспериментально получены: кривая намагничивания, характеристики самовозбуждения, внешние и регулировочные характеристики. Определена за висимость КПД от выходной мощности: при загрузке генератора на 50% он со ставляет 88%, на 75%–86%, при 100%-й нагрузке – 84%.
7. Экономический эффект достигается за счет снижения начальных капи таловложений в 2 раза и позволяет получить чистый дисконтированный доход в размере до 6209 руб. при Е = 17% и r = 6,5% и до 6378 руб. – при Е = 19% и r = 8,5% за счет сокращения эксплуатационных затрат. При этом внутренняя норма доходности составляет 25,33%, срок окупаемости – 4,19 лет.
Основные положения диссертации опубликованы – в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Ильченко Я. А. Математическое описание асинхронного генератора с разветвленной статорной обмоткой / В. Н. Ванурин, И. Г. Стрижков, Я. А.
Ильченко // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. – Краснодар:
КубГАУ, 2011. - № 71(07). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2011/07/pdf/29.pdf 2. Ильченко Я. А. Методика определения электромеханических характери стик асинхронного генератора / Н. И. Богатырев, Я. А. Ильченко, А. В. Врон ский, Н. С. Баракин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2008. – № 6. – С. 20–21.
- в прочих изданиях:
3. Свид. РФ № 2009610367. Расчет асинхронных генераторов мощностью 0,12-11,0 кВт / Н. И. Богатырев, Я. А. Ильченко, А. С. Оськина;
заявитель и патентообладатель КубГАУ. – № 2008615024 заявл. 30.10.2008;
опубл.
16.01.2009.
4. Ильченко Я. А. Вопросы электрификации прудовых фермерских хо зяйств / Я. А. Ильченко // Научное обеспечение агропромышленного комплек са: материалы 3-й Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. – Краснодар, 2009. –С. 137–138.
5. Ильченко Я.А. Существующие и перспективные технологии повышения эффективности производства рыбы / Я.А. Ильченко // Университет. Наука, идеи и решения. – Краснодар: КубГАУ, 2010. – № 1. – С. 157-159.
6. Ильченко Я.А. Обоснование выбора конденсаторов возбуждения для асинхронных генераторов частотой 50/200/400 Гц / Я.А. Ильченко // Научное обеспечение агропромышленного комплекса: материалы 1-й Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. – Краснодар: КубГАУ, 2007. – С. 314 – 316.
7. Ilchenko Y.A. Method of research asynchronous 50200 Hz asynchronous generators for autonomous power supply / N.I. Bogatyrev, N.S. Barakin, Y.A.
Ilchenko // University Conference in Life Sciences - Proceedings. – Prague: Czech University of Life Sciences, 2010. – p. 397-400.
- патенты на изобретения:
8. Пат. 2316880, Российская Федерация МПК Н 02 К 17/14, 3/28. Статорная обмотка асинхронного генератора [Текст] / Н. И. Богатырв, В. Н. Ванурин, В.
В. Лепетухин, В. М. Семнов, Я. А. Ильченко, А. А. Демкович (РФ);
заявитель и патентообладатель КубГАУ. – 2006113472/09;
заявл. 20.04.2006;
опубл.
10.02.08;
Бюл. № 4. – 17 с.
9. Пат. 2337465, Российская Федерация МПК Н 02 К 17/14, 3/28. Устройство для стабилизации напряжения асинхронного генератора [Текст] / Н.И. Богаты рев, А.О. Григораш, Я.А. Ильченко, Е.А. Власенко, Р.М. Хатхе (РФ), заявитель и патентообладатель КубГАУ.– 2007140615/09;
заявл. 01.11.2007;
опубл.
27.10.08;
Бюл. № 30. – 7 с.
10. Пат. 2351129, Российская Федерация МПК Н 02 К 17/14, 3/28. Мобиль ная электрооптическая установка для уничтожения летающих насекомых [Текст] / Богатырев Н.И., Газалов В.С., Григоренко А.Г., Григораш А.О., Мор гун С.М. (РФ);
заявитель и патентообладатель КубГАУ. – 2007149126/12;
за явл. 25.12.2007;
опубл. 10.04.09;
Бюл. № 10. – 14 с.