Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Проблемы, перспективы и особенности электроэнергетики на базе нетрадиционных возобновляемых источников энергии 11
1.1 Состояние электроэнергетики России и проблемы электроснабжения сельскохозяйственных потребителей в удаленных и децентрализованных районах 11
1.2 Перспективы развития электроэнергетики на основе возобновляемой энергии Солнца, ветра, биомассы и малых рек 16
1.3 Анализ показателей эффективности и особенности АЭЭС 18
1.3.1 Схема типового блока АЭЭС 18
1.3.2 Критерии оптимизации АЭЭС 20
1.3.3 Особенности проектирования АЭЭС для электроснабжения потребителей небольшой мощности 23
1.3.3.1 Выбор источников и преобразователей электроэнергии для АЭЭС 23
1.3.3.2 Выбор параметров электроэнергии АЭЭС 27
1.3.3.3 Коммутаторы, системы защиты, управления и контроля АЭЭС 30
1.3.4 Выбор генератора АЭЭС 31
1.4 Выбор ВИЭ для автономной электростанции небольшой мощности 39
1.4.1 Краткая характеристика ВИЭ Алтайского края и республики Алтай 40
1.4.2 Использование ВИЭ для выработки электроэнергии 45
1.5 Обоснование выбора преобразователя энергии воды в механическую энергию вращательного движения вала генератора 50
1.6 Анализ способов стабилизации параметров генерируемой электроэнергии микро-ГЭС. Выбор принципа работы системы автоматического управления асинхронным генератором 57
1.7 Основные задачи диссертационной работы 64
Раздел 2 Математическое моделирование и методики расчета основных узлов и элементов микро-ГЭС 66
2.1 Расчётная модель водоналивного колеса, методика расчета и оптимизации его параметров 68
2.1.1 Расчет конструктивных параметров водоналивного колеса 69
2.1.2 Расчетная модель водоналивного колеса с водоудерживающим элементом 75
2.1.3 Принципиальная блок-схема расчета и оптимизации параметров водоналивного колеса 79
2.2 Асинхронный генератор как объект исследования 83
2.2.1 Математическое описание асинхронного двигателя 85
2.2.2 Аналитическая методика определения параметров схем замещения асинхронного двигателя 93
2.2.3 Анализ схем замещения асинхронного самовозбуждающегосяге нератора 96
2.2.4 Механизм самовозбуждения асинхронной машины 98
2.2.5 Расчет емкости конденсаторов возбуждения по номинальным электрическим данным асинхронного двигателя 107
2.2.6 Характеристики автономного асинхронного генератора 111
2.2.7 Векторные диаграммы асинхронного генератора 116
2.2.7 Математическая модель автономного трехфазного асинхронного генератора 120
2.2.8 Графо-аналитическая методика расчета рабочих характеристик автономного асинхронного генератора 125
Раздел 3 Экспериментальное исследование работы асинхронного двигателя в генераторном режиме 129
3.1 Экспериментальная установка для исследования работы асинхронного двигателя в генераторном режиме 129
3.2 Методика исследования режимов работы автономного асинхронного генератора 132
3.3 Исследование режимов возбуждения и развозбуждения АСГ 135
3.3.1 Возбуждение и развозбуждение АСГ на холостом ходу 136
3.3.2 Возбуждение и развозбуждение АСГ под нагрузкой 141
3.4 Исследование работы АСГ с приводным двигателем соизмеримой мощности 144
3.4.1 Нагрузочные характеристики АСГ 145
3.4.2 Изучение зависимости характеристик АСГ от нагрузки и емкости конденсаторов возбуждения 154
3.5 Исследование максимального тока нагрузки АСГ 160
3.6 Характеристика холостого хода АСГ 167
3.7 Сравнение экспериментальных и расчетных характеристик АСГ на базе асинхронного двигателя АИР 80А4СУ2 170
Раздел 4 Разработка системы автоматического управления параметрами асинхронного генератора и комплексной методики расчета микро-ГЭС . 175
4.1 Разработка системы автоматического управления 175
4.1.1 Анализ систем автоматического регулирования напряжения асинхронного генератора 176
4.1.2 Тиристорные регуляторы с фазовым управлением 183
4.1.3 Выбор параметров регулирования для стабилизации амплитуды и частоты напряжения 184
4.1.4 Описание блок-схемы системы автоматического управления 187
4.1.5 Описание блока регулирования и управления напряжением 189
4.1.6 Описание блока регулирования и управления частотой 193
4.1.7 Описание блока защиты 196
4.2 Создание методики комплексного расчета микро-ГЭС 197
4.2.1 Методика расчета емкости конденсаторов возбуждения 198
4.2.2 Комплексная методика расчета микро-ГЭС 198
Раздел 5 Исследование работы микро-ГЭС в лабораторных и промышленных условиях 204
5.1 Исследование работы опытного образца микро-ГЭС 204
5.2 Натурные испытания микро-ГЭС на Колыванском камнерезном заводе 210
5.3 Блок автоматического управления электрической нагрузкой асинхронного генератора 215
Заключение 220
Библиографический список использованной литературы 222
Приложения 231
- Перспективы развития электроэнергетики на основе возобновляемой энергии Солнца, ветра, биомассы и малых рек
- Принципиальная блок-схема расчета и оптимизации параметров водоналивного колеса
- Методика исследования режимов работы автономного асинхронного генератора
- Выбор параметров регулирования для стабилизации амплитуды и частоты напряжения
Введение к работе
Актуальность работы. Экологическая ситуация, непрерывный рост территориально разнесенных и удаленных от электрических сетей сельскохозяйственных объектов небольшой мощности, располагающихся вблизи водных потоков с напорами от 1 до 6 м и мощностью от 1 до 100 кВт, ставят задачи создания недорогих и эффективных автономных автоматизированных микро-ГЭС с целью удовлетворения бытовых и производственных потребностей в электрической энергии. Высокая энергетическая плотность потоков воды, широкие возможности по регулированию их энергии и относительная временная стабильность режима стока большинства рек позволяют использовать простые и дешевые системы генерирования и стабилизации параметров производимой электроэнергии. Экстраполяция известных решений создания микро-ГЭС на область малых напоров и расходов водных потоков показала, что наиболее перспективными в указанном выше диапазоне являются электростанции с водоналивными колесами (ВК) и асинхронными самовозбуждающимися генераторами (АСГ). ВК просты по конструкции, имеют низкую стоимость, высокий коэффициент полезного действия (КПД), надежны и просты в эксплуатации, но использование их в качестве нерегулируемых гидродвигателей в микро-ГЭС значительно повышает требования к системе стабилизации величины и частоты вырабатываемого напряжения. Однако современные достижения в области электромашиностроения, конденсаторостроения, полупроводниковой и преобразовательной техники позволяют создавать надежные и недорогие автономные автоматизированные микро-ГЭС, обеспечивающие получение высококачественной электроэнергии при минимальных требованиях к гидродвигателю.
Разработка низконапорных микро-ГЭС с ВК и АСГ - задача комплексная, поэтому для создания электрооборудования микро-ГЭС требуется предварительное изучение диапазонов и динамики частоты вращения вала генератора применительно к возможностям ВК при различных расходах и напорах водотока. В связи с этим приобретают первостепенное значение вопросы исследования режимов работы и определения характеристик АСГ, построения систем автоматического управления (САУ) параметрами электроэнергии для микро-ГЭС с эффективными ВК, проведения глубоких исследований рабочих режимов микро-ГЭС с учетом всех ее основных элементов.
Цель работы. Разработка основ проектирования автономных низконапорных автоматизированных микро-ГЭС с индивидуальным характером электрической нагрузки для сельскохозяйственных потребителей и отработка их на опытных образцах.
Основные задачи исследований:
1. Обоснование требований к качеству электроэнергии и гидроагрегатам с ВК и АСГ в сравнении с существующими, изыскание эффективных технических решений по составу и структуре автоматизированных низконапорных микро-ГЭС для автономных сельскохозяйственных потребителей небольшой мощности.
2. Разработка математических моделей, позволяющих определить диапазон и зависимость частоты вращения вала генератора от параметров ВК и водотока, рабочие характеристики АСГ, параметры схем замещения трехфазного асинхронного двигателя (АД) и ВК, а также комплексной методики расчета низконапорных микро-ГЭС по параметрам водотока и вырабатываемой электроэнергии.
3. Изучение принципов построения и разработка эффективных технических решений по составу и структуре систем автоматической стабилизации параметров электроэнергии, вырабатываемой автономной микро-ГЭС.
4. Проведение лабораторных и натурных испытаний микро-ГЭС с системами стабилизации параметров генерируемой электроэнергии.
Методы исследований. Научные и практические результаты работы базируются на научных основах электротехники, теории электрических машин и нелинейной теории колебаний. В работе использовались математическое и физическое моделирование. Постановка, обоснование и обработка результатов экспериментов проводилась с применением теории планирования эксперимента.
Теоретические данные проверялись при испытаниях макетных, опытных и промышленных образцов микро-ГЭС и их элементов. Испытания проводились в научно-исследовательской лаборатории кафедры «Естествознание и системный анализ» (ЕиСА), лаборатории гидротехнических сооружений, малых гидроузлов и микро-ГЭС кафедры «Теплотехники, гидравлики, водоснабжения и водоотведе ния» (ТГиВВ) Алтайского государственного технического университета им. И.И.
Ползунова, а также на Колыванском камнерезном заводе им. И.И. Ползунова.
Научная новизна работы.
1. Создана расчетная модель, позволяющая определить диапазон и зависимость частоты вращения вала генератора от параметров водоналивного колеса, напора и изменяющегося расхода водотока.
2. Разработана математическая модель автономного трехфазного асинхронного самовозбуждающегося генератора, основанная на уравнениях идеализированной асинхронной машины с постоянными коэффициентами совместно с уравнениями емкостной нагрузки, приведенной Г-образной схеме замещения и балансе мощностей.
3. Обоснована и создана комплексная методика расчета низконапорных автоматизированных микро-ГЭС по напору и расходу водотока и параметрам вырабатываемой электроэнергии.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
1. Создано эффективное техническое решение по составу и структуре автоматизированных низконапорных микро-ГЭС на основе ВК и АСГ с автобалластной тиристорной системой фазного регулирования выходных параметров электрической энергии, что подтверждено патентом на изобретение РФ «Устройство для преобразования энергии воды в электроэнергию» (заявка № 2005133292/06 (037271), положительное решение от 18 января 2007 г.).
2. Разработаны основы проектирования низконапорных микро-ГЭС на базе ВК, АСГ и САУ параметрами вырабатываемой электроэнергии с целью создания недорогих, надежных и эффективных энергоустановок, предназначенных для электроснабжения автономных сельскохозяйственных потребителей небольшой мощности.
3. Разработаны схемы регуляторов амплитуды и частоты выходного напряжения АСГ на основе серийных асинхронных двигателей с короткозамкну тым ротором общепромышленного использования, позволяющие поддерживать высокое качество электроэнергии в широком диапазоне изменения параметров водотока и электрической нагрузки.
4. Создано программное обеспечение для ЭВМ, позволяющее автоматизировать процессы проектирования и оптимизации параметров основных элементов микро-ГЭС, исходя из напора и расхода водотока и параметров вырабатываемой электроэнергии.
5. Разработаны, изготовлены и испытаны САУ параметрами электроэнергии, вырабатываемой микро-ГЭС, обеспечивающие режимы работы гидроагрегатов в соответствии с требованиями сельскохозяйственных потребителей.
6. Созданы опытный образец микро-ГЭС мощностью 4 кВт с ВК диаметром 3 м и действующая с 2002 г. на Колыванском камнерезном заводе им. И.И. Ползунова микро-ГЭС мощностью 12 кВт с ВК диаметром 5,5 м.
Работа выполнена в рамках решения ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» и программы «Старт-05» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической среде. По результатам исследований получен патент РФ «Гидротурбина» (заявка № 2005133291/06 (037270), положительное решение от 18 января 2007 г.).
Достоверность полученных результатов обеспечена:
- достаточным объемом экспериментальных данных и их статистической обеспеченностью;
- использованием поверенной измерительной аппаратуры с достаточной для поставленных целей погрешностью;
- удовлетворительной сходимостью расчетных и экспериментальных данных, сопоставлением результатов, полученных разными методами, сравнением и согласованностью их с результатами литературных источников и их соответствием современным теориям электротехники, электрических машин и колебаний;
- результатами длительной эксплуатации в штатном режиме микро-ГЭС, разработанной по комплексной методике, предложенной в настоящей работе.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Микро-ГЭС на диапазоны водотоков с напорами от 1 до 6 м и расходами от 0,3 до 3,0 м3/с на основе ВК, АСГ на базе серийных трехфазных АД с короткозамкнутым ротором общепромышленного использования и автобалластными тиристорными системами стабилизации амплитуды и частоты напряжения с фазным регулированием, являющиеся эффективным техническим решением, позволяющим успешно конкурировать с другими энергоустановками для электроснабжения автономных сельскохозяйственных потребителей небольшой мощности.
2. Модели систем:
- математическая модель автономного трехфазного АСГ, основанная на уравнениях идеализированной AM совместно с уравнениями емкостной нагрузки, приведенной Г-образной схеме замещения и балансе мощностей;
- расчетная модель, устанавливающая взаимосвязь частоты вращения вала генератора с параметрами ВК, напором и изменяющимся расходом водотока.
3. Методика:
- аналитического расчета параметров схем замещения АД по справочным данным, не требующего экспериментального определения характеристик холостого хода и короткого замыкания;
- графо-аналитического расчета рабочих характеристик АСГ при переменной частоте статора и различных скоростях вращения ротора, которая позволяет определить границу устойчивой работы генератора.
4. Комплексная методика расчета микро-ГЭС для малых напоров и расходов водных потоков, подтвержденная результатами экспериментов, натурных испытаний и длительной эксплуатацией микро-ГЭС в штатном режиме.
Личный вклад автора состоит в реализации основных задач исследований, в том числе в обосновании состава и структуры микро-ГЭС и САУ, в разработке математических моделей и методик расчета, в создании необходимой технической документации образцов, в организации и выполнении лаборатор ных и заводских испытаний, а также в планировании и проведении экспериментов, в анализе и обобщении результатов исследований, формулировке выводов.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: на Третьей Международной конференции «Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов», Барнаул, 1995 г.; Научно-технической конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава Алтайского государственного технического университета, Барнаул, 1996 г., 2000 г., 2001 г.; 2002 г., 2004 г.; Научно-технической конференции «Охрана природы, гидротехническое строительство, инженерное оборудование», Новосибирск, 1996 г.; Международной научно-практической конференции «Горы и человек: в поисках устойчивого развития», Барнаул, 1996 г.; Региональной научно-практической конференции «Малая энергетика Новосибирской области. Современное состояние и перспективы развития», Новосибирск, 2003 г.; Второй международной научно-практической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт», Тобольск, 2004 г., IX Ползуновских чтениях, Барнаул, 2006 г.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 26 печатных работ, из них 3 - в центральной печати.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, библиографического списка использованной литературы из 109 наименований и 7 приложений. Работа изложена на 246 страницах машинописного текста, содержит 82 рисунка, 14 таблиц.
В заключении автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору Б.В. Сёмкину за постоянную поддержку и помощь в работе над диссертацией, доктору технических наук, профессору В.М. Иванову за консультации по гидравлической части и плодотворное сотрудничество в создании опытного образца микро-ГЭС и проведении исследований в лаборатории гидротехнических сооружений, малых гидроузлов и микро-ГЭС кафедры ТГиВВ АлтГТУ. Большую признательность автор выражает кандидату технических наук, профессору М.И.Сталыюй и кандидату технических наук, профессору А.И. Багаеву за консультации и дискуссии по теме диссертации.
Перспективы развития электроэнергетики на основе возобновляемой энергии Солнца, ветра, биомассы и малых рек
Возможность использования ВИЭ для выработки электроэнергии определяется местом расположения и климатическими условиями региона, временем года и суток, спецификой потребителя и другими факторами. В связи с тем, что темой диссертации является разработка недорогой, надежной, эффективной и автоматизированной энергоустановки небольшой мощности, предназначенной для электроснабжения автономных сельскохозяйственных объектов, к рассмотрению принимаются ВИЭ, имеющиеся в достаточном количестве на большей континентальной части России и на территориях Алтайского края и республики Алтай. Это энергия Солнца, ветра, биомассы, рек и малых водных потоков.
Большинство энергоустановок, использующих ВИЭ, еще не достигло уровня безусловной конкурентоспособности. Это обусловлено малой плотностью потока (удельной мощностью) используемой первичной энергии, вследствие чего удельная материало- и капиталоемкость установок на ВИЭ выше, чем для энергоустановок, работающих на традиционных источниках энергии.
По использованию ВИЭ Россия существенно отстает от уровня, достигнутого во многих странах мира, хотя ресурсы ВИЭ в России достаточно велики. Прогнозирование развития в России электроэнергетики на базе ВИЭ наталкивается на серьезные трудности [16]. Достаточно определенное положение имеет место гидроэнергетики на малых реках (малые ГЭС). Более неопределенное положение складывается в ветровой и солнечной энергетике, т.к. предстоит прой ти этап опытно-промышленного освоения ветроэлектростанций (ВЭС) и солнечных электростанций (СЭС).
Существует значительный рынок, где использование ВИЭ конкурентоспособно. Это, прежде всего, относится к регионам, удаленным от энергосетей, где используется дорогое привозное топливо, рекреационным зонам, где на первый план выступает экологическая чистота ВИЭ.
Состояние материально-технической базы для производства оборудования для разных ВИЭ в стране различно. Отечественные предприятия сегодня производят малыми сериями оборудование для малых ГЭС, биогазовых установок небольшой мощности, фотопреобразователи, солнечные водонагреватель-ные установки, малые ветроэнергетические установки, тепловые насосы средней мощности [17-19]. Увеличение доли ВИЭ в энергобалансе страны предусмотрено Энергетической стратегией России. В таблице 1.1 представлен прогноз использования ВИЭ в электроэнергетике России на период до 2015 года [20]. С целью использования ВИЭ необходимо спроектировать различные варианты автономных возобновляемых энергосистем, разработать и наладить производство недорогого, надежного и эффективного оборудования к ним. Для создания недорогой, эффективной, надежной и автоматизированной энергоустановки небольшой мощности, предназначенной для электроснабжения автономных сельскохозяйственных потребителей, нами проведен анализ показателей эффективности и особенностей построения автономных электроэнергетических систем (АЭЭС) на основе литературных источников. Выбран источник электрической энергии. Типовой блок АЭЭС изображен на рисунке 1.1. Он включает в себя [21, 22]: - первичный источник энергии (ПИЭ); - источник электроэнергии (ИЭЭ); - соответствующие резервные источники энергии (РПИЭ и РИЭЭ); - преобразователи электроэнергии (П); - распределительные устройства (РУ); - накопители энергии (НЭ); - блоки регулирования, защиты и управления (БРЗУ); - систему охлаждения (СО); - коммутационную аппаратуру (К). В структурную схему вводят также линии передачи (токопроводы) в качестве отдельных элементов [21]. Правда, их роль в автономных установках не является существенной. Создаваемые ими эффекты можно учитывать в характеристиках распределительных устройств или коммутационной аппаратуры. Все элементы блока должны иметь согласованные характеристики и обеспечивать по заданным целевым функциям оптимальные (или близкие к ним) режимы АЭЭС. Разработанные автономные электроэнергетические системы (АЭЭС) различаются номинальной МОЩЕЮСТЫО (1-100 тыс. кВт), величиной напряжения (12 В-10 кВ), частотой генерируемого тока (0-5000 Гц), типом генератора и способом его охлаждения, типом первичного двигателя или первичного источника энергии, целевым назначением, условиями эксплуатации и другими параметрами [21-22]. Источниками электроэнергии служат синхронные, асинхронные, индукторные электромашинные генераторы (ЭМГ), которые различаются конструкцией и способом охлаждения (воздух, водород, масло, вода, фреон), электрохимические, термоэлектрические, термоэмиссионные, магнитогидродинамиче-ские генераторы, аккумуляторные и солнечные батареи. В качестве приводных двигателей ЭМГ используют двигатели внутреннего сгорания, паровые, ветровые, гидравлические и газовые турбины, водяные колеса каждый со своей частотой вращения, своими особенностями работы и различными условиями эксплуатации. Для повышения мощности, надежности и живучести источников электроснабжения в экстремальных условиях ЭМГ объединяются в группы параллельно работающих единиц, т.е. создаются автономные энергетические системы с быстродействующим автоматическим управлением, энергоблоками (генератор плюс приводной двигатель) на основе современных технических средств, включая малые вычислительные машины и микропроцессоры [21-23]. АЭЭС, использующие ВИЭ, имеют особенности, отличающие их от традиционных стационарных систем электроснабжения, реализуемых стандартны ми методами. Поэтому при разработке конкретной АЭЭС возникает задача выбора оптимальной компоновки оборудования с учетом электромагнитной совместимости элементов, внешних условий, тепловых режимов и технико-экономических показателей. С точки зрения преобразования механической энергии приводного двигателя в электрическую, электрооборудование большинства автономных энергоустановок осуществляется на основе общих принципов. Однако специфический характер ВИЭ вносит существенные особенности в процессы генерирования и стабилизации электрического тока. Равенство мощностей нагрузки генератора и первичного источника механической энергии приводит к взаимному влиянию автономной электрической сети, генератора и приводного двигателя. Поэтому процессы в таких энергосистемах рассматривают на основе системного подхода с учетом характеристик всех элементов, входящих в автономную систему электроснабжения. Временные изменения мощности энергоносителя, характерные для природных источников энергии, а также изменение величины нагрузки в соответствии с нуждами потребителя определяют повышенные требования к системам стабилизации выходных параметров автономного источника электропитания. Комплексный подход к исследованию автономных электроустановок заключается в анализе характеристик всех элементов системы и выявлении их особенностей и взаимосвязей. С целью снижения вероятности принятия нерациональных технических решений проводят поэтапное физическое моделирование основных элементов и подсистем АЭЭС, обеспечивающее проверку правильности принимаемых решений [21-22, 24].
Принципиальная блок-схема расчета и оптимизации параметров водоналивного колеса
На рисунке 2.5 изображена принципиальная блок-схема расчета параметров водоналивного колеса и дается пояснение к ней. В соответствии с порядковыми номерами пояснений обозначены блоки, изображенные на схеме.
Исходными данными для расчета служат рабочий напор участка водотока (Н) и его расход (Q). В соответствии с рисунком 2.1,//= VBE - VHE - h (h - уровень воды над колесом в водоподводящем лотке). По рабочему напору
Ввод новых значений l,p, О определяют внешний диаметр колеса (внешний радиус кольцевых боковин /?,), принимая его максимально возможным (до нижнего края лотка). Задаются: внутренним радиусом кольцевых боковин /?2, радиусом точек изгиба лопаток R3, числом лопаток п, шириной колеса / и определяют угловой шаг 8 по выражению (2.5). Радиус R2 выбирают с условием, чтобы разность (R\-R2) составляла не более 30-40 % и не менее 10-20 % от R\. Если карманы окажутся «мелкими», то часть воды, наполняющая верхний карман, будет выплескиваться, и объем воды в карманах уменьшится. Наполнение карманов зависит и от размеров частей лопаток (е и/) и угла между ними (ф). Исходными данными являются также начальные углы щ, J3\ и у\, которые должны быть заданы так, чтобы линия, соединяющая точки її и Ь, была горизонтальной. Угол щ зависит от числа лопался-2) 2) С целью определения объема воды, наполняющей карманы колеса, и величину момента вращения колеса, зависящего от объема воды, по уравнениям (2.6)-(2.10) производится расчет координат точек пересечения {П\-Пк) уровня воды с лопатками и точек перегиба и присоединения z -ой лопатки к ободу и внешнему краю кольцевых боковин (/ь i2 и /з соответственно). По вычисленным координатам линейной интерполяцией определяют функции, ограничивающие площади сечений объемов воды, задерживаемых двумя соседними лопатками в рабочем диапазоне колеса Fk{X) (см. рисунок 2.2). По найденным функциям рассчитывают объемы воды Vk в каждом кармане колеса (по уравнению 2.13), расстояние от центра тяжести воды в кармане до вертикальной оси колеса и ординату центра тяжести воды Хщ, Уцк (уравнения 2.16 и 2.30), а по ним - радиус центра тяжести воды Ri\\ (уравнение 2.31). Общий объем воды в рабочем секторе колеса VK равен сумме объемов воды в его карманах. Момент вращения колеса (Мк), равный сумме моментов, создаваемых массой воды в каждом кармане, определяют по выражениям (2.14) и (2.15). 3) По уравнениям (2.29), (2.24) и (2.23) вычисляют скорость вращения колеса (пк), время заполнения водой 1-го кармана (t) и требуемый расход воды (7)для создания крутящего момента колеса. 4) От момента вращения колеса зависит мощность, создаваемая ВК. Расчетами необходимо определить оптимальные размеры колеса, количество лопаток, их размеры и расположение по окружности колеса, при которых мо мент вращения имеет максимальное значение. С этой целью, меняя параметры колеса (R2, R3, п, I, углы сс\, /3\ и у\), вычисляют расход воды (Q ), определяемый ее объемом в верхнем кармане колеса (V/), и сравнивают его с заданным расходом (Q). Расчетная величина расхода (Q ) не должна отличаться от заданного (Q) более, чем на 5 %. Расчеты (п.п.2, 3 и 4) повторяют до тех пор, пока это условие не будет выполнено. При выборе размеров лопаток следует иметь в виду, что при очень «глубоких» карманах скорость вращения колеса при изменении расхода будет меняться в больших пределах. Поэтому размеры лопаток подбирают так, чтобы объемы воды в карманах, близких к горизонтальной оси симметрии колеса, были как можно больше, а их центры тяжести - ближе к внешнему диаметру при номинальном и меньших расходах. 5) Задаются углом охвата в и зазором р между водоудерживающим эле ментом и колесом. Угол в выбирают таким образом, чтобы нижний край эле мента доходил до вертикальной оси симметрии колеса, а верхний край не ме шал воде свободно заливаться в верхний карман.
Для получения наибольшей эффективности колеса ордината точки пересечения уровня воды с водоудержи вающим элементом (Пв]) должна быть ниже верхнего края элемента. Зазор р зависит от внешних размеров колеса, т.к. чем больше колесо, тем больше бие ния из-за неточности его изготовления (рисунок 2.4). 6) В расчете ВК с водоудерживающим элементом объем воды в карма нах колеса определяется по уравнениям (2.25)-(2.27) с учетом перемещения ло паток в вертикальной плоскости (// ) и объемами воды, вытекающими из к-то кармана (v ). Координаты точек пересечения уровня воды с лопатками(Яі-Я ), водоудерживающим элементом (Пв\-Пвк) и точек присоединения лопаток к ободу и внешнему краю боковины находят по величине функций Fk{X), определяемых по уравнению (2.13), в левую часть которого подставляют величину Vk, найденную по уравнениям (2.25)-(2,27). По вычисленным координатам точек находят координаты Хцк, УЦк и радиусы Ri\k центров тяжести. По формулам (2.15) и (2.16) определяют момент, создаваемый объемом воды в к-м кармане (Мк), а по формуле (2.14) находят момент колеса {МК). 7) Размеры лопаток (е,/и /.ф) вычисляют по формулам (2.11) и (2.12). 8)
Вводят КПД передаточного механизма (/;„.„) и генератора (//,), момент инерции колеса (Л-) и момент генератора (Мг). КПД передаточного механизма определяют по справочной литературе [112-113]. КПД и момент генератора рассчитывают по методике изложенной в разделе 2.2.8. По выражению (2.20) находят момент сопротивления (Мс). Выбирают материалы, из которых будет изготовлено водоналивное колесо, и рассчитывают его момент инерции. 9) По уравнению (2.19) определяют скорость вращения колеса (соК). По выражениям (2.23) и (2.24) вычисляют требуемый расход воды при найденной скорости вращения. 10) Если рассчитанный расход воды оказался больше заданного потребителем расхода, то расчеты повторяют с новыми размерами лопаток и ширины колеса. Если рассчитанный расход оказался меньше заданного, то для получения необходимого момента можно уменьшить величину р или увеличить ширину колеса /.
Методика исследования режимов работы автономного асинхронного генератора
Методика проведения эксперимента заключалась в следующем. Переключателями QKX и QK2 статорные обмотки АД и конденсаторы возбуждения соединяли звездой или треугольником. Включением автомата QF подавали напряжение на блоки питания тахометра (GX) и частотомера (G2) (при замкнутом выключателе QK34), автотрансформатор (TV). После установления напряжения на обмотке возбуждения ДПТ включали рубильник QS\ и плавно увеличивали напряжение на якоре, что приводило к пуску ДПТ и увеличению скорости вращения якоря. При определенной скорости вращения ротора наступало самовозбуждение АСГ. В зависимости от поставленной задачи, выполнялись соответствующие операции.
При возбуждении (развозбуждешш) АСГ на холостом ходу и под нагрузкой1 плавным увеличением (уменьшением) напряжения на якоре ДПТ повышали (понижали) скорость вращения ротора до возбуждения (развозбуждения) АСГ. Фиксировали скорость и напряжение, при которых наступило самовозбуждение (развозбуждение). Процесс повторяли при различных значениях емкости конденсаторов возбуждения для разных соединений АСГ.
При исследовании зависимости характеристик АСГ от величины нагрузки и емкости конденсаторов возбуждения после возбуждения скорость вращения ротора увеличивали, пока напряжение на зажимах АСГ не достигало необходимого значения. После этого к генератору подключали активную нагрузку замыканием рубильника QS2 и фиксировали скорость вращения ротора, фазные ток и напряжение AM, частоту напряжения и ток нагрузки. Процесс повторяли при различных значениях емкости и нагрузки.
При исследовании рабочих характеристик после самовозбуждения к АСГ через XS\, замыканием рубильника QS3, подключали активную нагрузку. Далее: 1) устанавливали скорость вращения ротора, равной номинальной {пр= пн), и фиксировали частоту напряжения, фазные ток, напряжение и мощность. Процесс вели при номинальной величине конденсаторов возбуждении и повторяли при различной величине трехфазной нагрузки; 2) устанавливали номинальное напряжение и фиксировали частоту напряжения, фазные ток и мощность, скорость вращения ротора; 3) устанавливали номинальную частоту напряжения и фиксировали скорость вращения ротора, фазные ток, напряжение и мощность. Действия 2 и 3 повторяли при различной величине конденсаторов возбуждения и постоянном значении трехфазной нагрузки.
При исследовании работы AM в генераторном режиме необходимо знать номинальные значения активного (гнл/) и емкостного (хсн) сопротивлений схемы замещения фазы АСГ (см. рисунок 2.20 а). Индуктивная составляющая нагрузки не рассматривается, т.к. ее можно учесть в значении емкости подключаемых конденсаторов. Использование в качестве генератора серийного АД подразумевает равенство тока, состоящего из протекающих параллельно через конденсатор (1с) и активное сопротивление нагрузки (1гнг) токов одной фазы АД, номинальному току машины (1ф„) и напряжения на зажимах статора - номинальному (Ць„). Частота напряжения принимается равной номинальной (50 Гц). Сопротивления активной нагрузки гнг и конденсаторов возбуждения хс подключаются параллельно к зажимам статорной обмотки, поэтому при равенстве тока нагрузки и напряжения на ней номинальным параметрам AM активная мощность нагрузки равна реактивной мощности машины, а реактивная мощность нагрузки - активной мощности АД. На основании изложенного и законов электротехники, номинальные значения активного (гнгн) и емкостного (хСн) сопротивлений можно определить по выражениям: По уравнению (3.2) определяется величина номинальной емкости в схеме замещения фазы АСГ: Таким образом, величина Сн совпадает со значениями номинальных емкостей CY/YH И СД/Д„.
Для исследования работы АСГ под нагрузкой на лабораторной установке предусмотрено подключение к его статорным обмоткам активной трехфазной нагрузки и симметричной нагрузки (RHe) через мостовой выпрямитель по схеме Ларионова. Величина номинального сопротивления Янгн может быть определена по формуле [99]: при соединении статорных обмоток AM звездой: где Vdn и Л/« _ номинальные значения выпрямленных напряжения и тока нагрузки, подключенной к АСГ через мостовой трехфазный выпрямитель; к у = 1,35 - отношение выпрямленного напряжения к линейному напряжению при трехфазной мостовой схеме; к[ = 0,817 - отношение фазного тока к выпрямленному при трехфазной мостовой схеме.
Из уравнений (3.4) и (3.5) видно, что Яигун в три раза больше, чем R„ H, т.к. Uy = л/ЗЦд, а /д = л/з/у. Трехфазная нагрузка, подключаемая к АСГ, соединялась звездой, если статорные обмотки АД были соединены звездой, или треугольником, если статор был соединен треугольником. В любом случае величина номинального активного сопротивления фазы определяется по формуле (3.1).
Самовозбуждение АСГ наступает при нижней критической скорости вращения ротора. Если сначала приводится во вращение ротор AM, а затем в цепь статора включается емкость, то при скоростях вращения, превышающих нижнюю критическую скорость, возможны перенапряжения, которые могут вывести из строя полупроводниковые элементы. Если скорость вращения ротора будет меньше нижней критической скорости, то самовозбуждение не произойдет. Для перевода машины в генераторный режим необходимо увеличить скорости вращения ротора. Однако при этом AM может попасть в режим жесткого самовозбуждения, в конце которого возможны перенапряжения еще большей кратности. При обратной последовательности, когда сначала к статорным обмоткам подключают конденсаторы, а затем ротор приводят во вращение, процесс самовозбуждения протекает медленнее, чем в предыдущем случае, но при плавном нарастании амплитуды колебаний напряжения. Поэтому при разработке САУ генератором следует исходить из условия постоянного подключения конденсаторов возбуждения к статорным обмоткам АД. Для определения основной величины емкости конденсаторов, которые будут постоянно включены в цепь статора, проведены исследования зависимости скорости и напряжения возбуждения, скорости и напряжения развозбуждения от величины емкости конденсаторов возбуждения при различных вариантах включения АСГ как на холостом ходу, так и под нагрузкой. При проведении исследований были обеспечены условия мягкого самовозбуждения АСГ.
Выбор параметров регулирования для стабилизации амплитуды и частоты напряжения
САУ предназначена для стабилизации рабочих режимов работы микро-ГЭС. Система «водоналивное колесо - АСГ» описывается уравнением движения (2.18). Момент вращения водяного колеса Мк через передаточный механизм, состоящий из цепной передачи и редуктора, сообщается ротору АСГ. Скорость вращения колеса сок (ротора генератора сор) устанавливается при равенстве моментов Мк и Мс и определяется выражением (2.19). Момент сопротивления Мс определяется уравнением (2.20) и зависит от электромагнитного момента генератора Мг, определяемого по формуле (2.93). Статически устойчивый режим работы микро-ГЭС характеризуется суммарным коэффициентом саморегулирования еъ, который зависит как от параметров водоналивного колеса, так и АСГ [38]: где ег, ек - коэффициенты саморегулирования генератора и колеса; Мги, МКи - номинальные значения моментов генератора и колеса; соги, (oKll - номинальные угловые скорости вращения генератора и колеса. Коэффициент саморегулирования генератора ег графически определяется как тангенс угла наклона касательной к кривой электромагнитного момента в рассматриваемой точке. Электромагнитный момент генератора зависит от многих факторов, среди которых определяющим является способ управления балластной нагрузкой [38]. Таким образом, статическая устойчивость микро-ГЭС зависит от выбора параметра, по которому осуществляется регулирование балластной нагрузки. К параметрам, по которым целесообразно осуществлять регулирование рабочих режимов микро-ГЭС, относятся ток нагрузки и его составляющие, частота выходного напряжения и его величина. Частота напряжения зависит от скорости вращения ротора АСГ (водяного колеса) и скольжения. С другой стороны, скорость вращения ротора АСГ обратно пропорциональна моменту сопротивления генератора, который прямо пропорционален квадрату вырабатываемого напряжения. Это видно из уравнения механической характеристики АГ (2.93).
При активной нагрузке и постоянном расходе водотока в течение длительного времени для стабилизации рабочего режима микро-ГЭС достаточно применение одноканальной САУ. Наши исследования показали, что увеличение активной нагрузки АСГ при постоянных скоростях вращения ротора и емкостях конденсаторов возбуждения приводит к уменьшению частоты напряжения в пределах 5-8 %. Это может быть использовано для создания микро-ГЭС, предназначенных для сельскохозяйственных потребителей электроэнергии, не предъявляющих высоких требований к частоте напряжения. Если мощность, развиваемая водяным колесом, будет изменяться в небольших пределах, то и скольжение АСГ при чисто активной нагрузке будет также изменяться в небольших пределах. Поддержание постоянной скорости вращения колеса за счет равенства мощности колеса суммарной мощности бал ластной и полезной нагрузок обеспечит незначительное изменение частоты напряжения при одной и той же емкости конденсаторов возбуждения. Следовательно, микро-ГЭС, установленная на водотоке, параметры которого изменяются в небольших пределах, будет вырабатывать электричество хорошего качества. Регулирование мощности балластной нагрузки в этом случае целесообразно осуществлять по отклонению вырабатываемого напряжения от номинальной величины. Благодаря постоянству и равенству мощности, потребляемой нагрузкой источника электропитания, и мощности, развиваемой водяным колесом, энергоустановка работает в статическом режиме, который легко может быть оптимизирован по энергетическим показателям. Достоинством регулирования балласта по напряжению является простота схемных решений и приемлемая стоимость САУ. Кроме того, настройка системы осуществляется просто в лабораторных условиях и не требует больших мощностей и специальных приспособлений и оборудования. В двухканальной САУ осуществляется стабилизация еще и частоты напряжения за счет изменения емкости дополнительных конденсаторов возбуждения по отклонению частоты напряжения от номинальной величины. Например, если при включении полезной индуктивной нагрузки или при малых углах открытия тиристорного регулятора балластной нагрузки, приобретающей частично индуктивный характер, ток конденсаторов уменьшится (уменьшится ток статора и ток намагничивания), то при постоянстве напряжения (мощность балластной нагрузки уменьшится, и колесо будет вращаться с большей скоростью), частота увеличится. Пропорционально изменению частоты система автоматического управления с помощью тиристорного регулятора увеличит емкостный ток дополнительных конденсаторов, и частота уменьшится до номинального значения. Таким образом, при смешанной полезной нагрузке и изменении параметров водотока в широких пределах за короткий промежуток времени необходимо применять двухканальную САУ. Стабилизация напряжения осуществляется за счет регулирования мощности балластной нагрузки по напряжению, а стаби лизация частоты - за счет изменения емкостного тока конденсаторов возбуждения. При активной нагрузке и постоянном расходе водотока в течение длительного времени (например, если есть возможность регулировать расход воды, подаваемой на колесо) для электроснабжения потребителей, не предъявляющих высокие требования к частоте питающего напряжения, достаточно применение одноканальной САУ, в которой автоматически стабилизируется только величина напряжения. Частота в такой системе регулируется вручную подключением емкости дополнительных конденсаторов возбуждения.
