Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Система рекуперации давления как решение проблемы гидравлической разбалансированности систем тепло- и водоснабжения 11
Глава 2. Выбор типа электрической машины и схемы, пригодной для использования в СРД 21
2.1 Выбор типа электрической машины 21
2.1.1 Асинхронная машина 22
2.1.2 Синхронная машина 29
2.1.3 Вентильно-индукторная машина 34
2.1.4 Машина постоянного тока 35
2.2 Анализ различных структур системы рекуперации давления 36
2.2.1 Работа генератора параллельно с сетью 37
2.2.2 Работа генератора в автономном режиме 40
2.2.3 Работа генератора на инвертор 42
2.2.4 Смешанная структурная схема 44
2.3 Асинхронный генератор на практике и в трудах исследователей45
Глава 3. Конструкция и принцип работы СРД 51
3.1 Конструкция СРД 51
3.2 Принцип работы установки СРД 59
3.3 Система управления установкой СРД 62
3.4 Работа системы управления 65
Глава 4. Математическая модель асинхронной машины 70
4.1 Моделирование в Matlab-Simulmk 70
4.1.1. Переходные процессы в асинхронной машине 71
4.1.2 Описание модели 72
4.1.3 Зависимость пусковых токов от скорости вращения ротора и фазы напряжения включения 74
4.1.4. Ограничение пусковых токов 80
4.1.5 Влияние внешнего ударного момента на работу асинхронного генератора 85
4.2 Моделирование в среде программирования Matlab 86
Глава 5. Работа генератора на автономную нагрузку 101
Глава 6. Проверка электромагнитной совместимости 115
Глава 7. Оценка экономической эффективности внедрения системы рекуперации энергии 129
Основные выводы и результаты работы 133
Список литературы 134
Приложение 1. Модель асинхронной машины в среде программирования Matlab 139
Приложение 2. Технические характеристики прибора «Энергомонитор 3.3» 151
Приложение 3. Расчёт себестоимости и срока окупаемости установки по рекуперации давления 154
Приложение 4. Акт о внедрения результатов диссертационного исследования 158
- Асинхронная машина
- Работа системы управления
- Моделирование в среде программирования Matlab
- Проверка электромагнитной совместимости
Введение к работе
з
Аннотация. В работе рассматривается способ получения электрической энергии на основе рекуперации избыточного магистрального давления жидкостей в системах централизованного тепло- и водоснабжения. Представлены результаты исследований того, как влияют на броски токов генератора скорость вращения вала и фаза напряжения, при которых осуществляется включение генератора в сеть. Также рассматривается способ ограничения пусковых токов асинхронного генератора с помощью включённых в цепь статора добавочных резисторов. При этом исследуется зависимость бросков тока статора от скорости, при которой генератор включается в сеть, и от величины пусковых резисторов. Делается вывод
0 том, что не на всякой скорости мы получаем желаемое ограничение.
Представлен вариант использования асинхронного генератора в режиме работы
на выпрямительную нагрузку.
Актуальность работы. Современная энергетика в РФ характеризуется направлением к повышению надежности, энергоэффективности и экологической безопасности, что соответствует основным положениям «Энергетической стратегии России на период до 2030 года» и ФЗ - 261 «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности».
По данным Министерства по науке и образованию РФ до 60 % резервов возможной экономии электроэнергии находится в сфере потребления.
Известно, что крупные города по всему миру потребляют огромное количество энергии. И потребление электроэнергии постоянно растет. Так, рост потребления электроэнергии в г. Москве достигает 5 % в год. При росте электропотребления растёт и дефицит мощностей. В настоящее время он оценивается в 12-15 % от общего уровня потребления. При этом потенциал энергосбережения Москвы оценивается примерно в 11 млн. т. у.т. в год, т.е. около
1 % от всего потребления первичной энергии в России. Неразумно при таком
огромном потенциале энергосбережения решать проблему надежного
обеспечения города энергоресурсами только за счет увеличения производства энергии.
Поисками новых нетрадиционных источников энергии занято значительное число учёных в различных областях науки и техники.
Актуальной является и проблема гидравлической разбалансированности систем теплоснабжения. Известно, что при транспортировке рабочих и технологических жидкостей (водные среды, углеводороды и др.) для преодоления гидравлического сопротивления магистральных трубопроводов мощность насосных агрегатов выбирается исходя из требуемого давления среды для обеспечения самых удалённых объектов. Все абоненты, расположенные ближе, вынуждены получать продукт под избыточным давлением. Это обстоятельство приводит к значительным безвозвратным потерям энергии, которая попросту дросселируется.
Поэтому разработка системы, позволяющей решить, с одной стороны, проблему разбалансированности гидравлической системы, а с другой, вырабатывать электроэнергию нетрадиционным, экологически чистым способом, полностью отвечающим требованиям Киотского протокола, является актуальной и отвечающей требованиям времени.
В качестве электрического генератора предлагается использовать асинхронную машину.
Асинхронные генераторы находят достаточно разнообразное применение в самых различных областях народного хозяйства. Как источники электроснабжения основного и вспомогательного электрооборудования асинхронные генераторы находят применение на судах и летательных аппаратах. Асинхронная машина с вентильным возбуждением находит применение в автономных системах электроснабжения и для комбинированного энергетического привода гибридного автомобиля в качестве стартёр-генератора. Для обеспечения бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей малой мощности (до 5 кВт) при кратковременных провалах напряжения сети находят применение источники бесперебойного питания на базе инерционного
накопителя энергии и асинхронной машины с короткозамкнутым ротором. Асинхронные генераторы широко применяются в ветроэнергетических установках и гидроэлектрических станциях малой мощности.
Известны разработки энергосберегающих установок с использованием асинхронных генераторов. Так, бельгийские фирмы АСТС и EBES предложили и приступили к реализации проекта по использованию энергии, которая высвобождается при снижении давления газа. Также известны разработки, в которых попутный газ, содержащийся в нефтяных скважинах, предлагается использовать для привода АГ, к которому подключены нефтяные насосы.
Целью работы является разработка и создание экспериментальной и опытно-промышленной установок системы рекуперации давления (СРД), использующую для выработки электроэнергии энергию обычно теряемого, избыточного магистрального давления в системах тепло- и водоснабжения.
Разработка рекомендаций по выбору оптимальных режимных параметров работы установок СРД.
Создание аварийного источника электроэнергии для поддержания работоспособности теплового пункта в случае внезапного отключения электроэнергии.
Для достижения поставленной цели ставились следующие задачи:
Выбор оптимальной структуры системы рекуперации давления и типа электрического генератора.
Создание модели асинхронной машины в среде программирования Matlab, которую можно было бы интегрировать как составную часть в более сложную математическую модель системы водоснабжения.
Анализ переходных процессов в при включении генератора в сеть и при работе на автономную нагрузку.
Участие в создании экспериментальной и опытно-промышленной установок рекуперации давления
Проверка электромагнитной совместимости опытно-промышленных установок.
При решении поставленных задач соискатель опирался на труды известных ученых, внесших значительный вклад в развитие теории электромеханических преобразователей, в том числе асинхронных генераторов: Алиевский Б.Л:, Балагуров В.А., Вольдек А.И., Джендубаев А.-З.Р., Иванов А.А., Иванов-Смоленский А.В., Копылов И.П., Костырев М.Л., Скороспешкин А.И., Торопцев Н.Д., Фришман B.C. и др.
Методы исследования. При исследовании применялись как теоретические, так и экспериментальные методы. Исследования выполнялись с использованием базовых законов теоретических основ электротехники, с применением теории обобщенной электрической машины, методов проектирования и математического моделирования трехфазных асинхронных машин. При разработке математической модели электрической части установки СРД использовалась среда программирования Matlab. Достоверность теоретических исследований подтверждается совпадением результатов расчёта и эксперимента. Научная новизна работы состоит в следующем:
Установлена зависимость бросков тока от скорости, при которой осуществляется включение генератора в сеть.
Установлена зависимость бросков тока от фазы напряжения включения.
Исследовано влияние скорости, при которой осуществляется включение генератора в сеть, на броски токов при использовании токоограничивающих резисторов.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Разработана энергосберегающая установка СРД на основе асинхронного генератора.
Созданы экспериментальная и опытно-промышленная установки СРД
Разработан алгоритм автоматического управления установкой.
Изготовлен экспериментальный стенд для определения оптимальных режимных параметров установки СРД.
Создана математическая модель электрической части установки СРД, позволяющая в составе модели систем централизованного тепло- и водоснабжения исследовать динамические процессы.
Определены схемы установки СРД, позволяющие работать параллельно с сетью и на автономную нагрузку в оптимальном режиме.
Основные результаты диссертации используются ЗАО «ОПТИМА» для внедрения в городскую целевую программу по энергосбережению г. Москвы.
Рекуперационные энергосберегающие установки СРД находят применение в энергохозяйстве г. Москвы на 12 тепловых пунктах ОАО «МОЭК».
Проведённые исследования электромагнитной совместимости показали, что установки СРД не ухудшают качество электроэнергии системы электроснабжения
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов определяется:
использованием апробированных методик планирования и проведения
исследований, методик анализа экспериментальных результатов,
применением средств измерений необходимой точности;
использованием стандартных пакетов прикладных программ.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы использованы:
в учебно-экспериментальной установке "Рекуперация избыточного
давления теплоносителя в электрическую энергию" на тепловом пункте НИУ "МЭИ" (г. Москва, ул. Красноказарменная, дом 13, корп. С), созданной в 2007...2008 г.г. по заказу НИУ "МЭИ" при реализации федеральной инновационной образовательной программы и модернизированной в 2011;
в установке СРД-1РА на тепловом пункте №0704/002 (г. Москва,
Кутузовский пр-т, д. 22), созданной в 2009 году по заказу МГУП ЭВАЖД;
в лабораторной рекуперационной установке ЗАО "ОПТИМА",
предназначенной для апробации алгоритмов управления ЭРУ и созданной в
2009...2010 г.г. при выполнении НИР «Разработка систем эффективного использования избыточного магистрального давления при транспортировке теплоносителя и воды в системен тепло- и водоснабжения» по заказу Минобрнауки (государственный контракт № 02.516.12.6024 от 18.06.2009) в конструкциях ЭРУ, разрабатываемых в процессе выполнении ОКР «Разработка типового ряда опытно-промышленных энергосберегающих установок для эффективного использования энергии избыточного магистрального давления в системах центрального тепло- и водоснабжения» по заказу Минобрнауки (государственный контракт № 16.526.12.6003 от 10.05.2011)
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
докладывались и обсуждались на:
Международной научно-технической конференции «Энергобезопасность и энергоэффективность: состояние и проблемы» Бишкек, Кыргызский государственный технический университет (КГТУ) им. И. Раззакова 22-23 сентября 2011г.
XV международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ (ТУ), 26-27 февраля 2009г.
На защиту выносятся:
Исследования по влиянию скорости вращения ротора на величину бросков тока при включении генератора в сеть;
Рекомендации по применению токоограничивающих резисторов при включении генератора на параллельную работу с сетью;
Результаты исследования автономного режима работы СРД;
Результаты исследования установок СРД на электромагнитную совместимость.
Оценка экономической эффективности внедрения СРД.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 4 печатных труда, из них в изданиях по перечню ВАК - 3 статьи, 1 доклад.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 160 стр., имеет 70 рисунков и 13 таблиц, включает титульный лист, содержание, введение, 7 глав, заключение, 4 приложения и список использованных источников (50 наименований).
Асинхронная машина
Асинхронные машины предлагались как генераторы во многих публикациях и являются доминирующим типом генераторов, выпускающихся для подобного рода установок. Преимущества этих мащин включают возможность работы при переменной скорости, которая обеспечивает гибкость в работе с нерегулируемой приводной турбиной, относительную простоту и надёжность конструкции, высокую статическую и динамическую устойчивость, хорощие демпфирующие свойства, параллельную работа с сетью.
Включение асинхронного генератора на параллельную работу с сетью крайне просто и осуществляется следующим образом. Предварительно проверяют совпадение направления вращения первичного двигателя с направлением вращения поля статора генератора (одинаковое чередование фаз), затем, стремясь по возможности уменьшить бросок тока, доводят асинхронный генератор до синхронной или несколько выше синхронной скорости и включают его в сеть без выполнения каких бы то ни было предварительных условий. Величина ЭДС в обмотке статора и её частота определяются напряжением U\ и частотой сети f\ и устанавливается при включении асинхронного генератора в сеть автоматически. Следует обратить особое внимание на то, что, поскольку генератор возбуждается от сети, к которой он приключен, частота отдаваемого асинхронным генератором в сеть тока не зависит от его скорости вращения.
Асинхронные машины делятся на две основные категории: машины с короткозамкнутым ротором и машины с фазным ротором.
Возможность использования асинхронной машины с короткозамкнутой обмоткой ротора в режиме генератора была обоснована еще в начале XX века.
Для осуществления генераторного режима работы асинхронной машины ее нужно включить в сеть переменного тока и вращать с помощью соответствующего приводного двигателя (машина постоянного тока, синхронная машина, тепловой или гидравлический двигатель) в сторону вращения магнитного поля со скоростью п, превышающей синхронную скорость щ. Скольжение мащины s при этом отрицательно. Необходимую для образования вращающегося магнитного поля реактивную мощность асинхронный генератор потребляет из сети, поэтому должен работать параллельно с сетью переменного тока, к которой присоединены другие машины или установки (например, синхронные генераторы), способные снабжать реактивным током асинхронные генераторы и других потребителей. Наряду с этим асинхронный генератор может работать также в режиме самовозбуждения на отдельную сеть, получая реактивный ток возбуждения от конденсаторов, приключаемых к его зажимам.
Такие автономные асинхронные генераторы (ААГ) при одинаковых электромагнитных нагрузках, частоте вращения и прочих равных условиях имеют массу (без устройств системы возбуждения) значительно меньше массы синхронного генератора. Например, в диапазоне изменения мощностей 5-100 кВт масса ААГ примерно в 1,3-1,4 раза меньше классического синхронного генератора и в 2-3 раза меньше массы бесконтактного синхронного генератора (например, индукторного). Однако широкому внедрению ААГ долгое время препятствовали значительная масса и стоимость конденсаторов возбуждения. В настоящее время эта проблема отошла на второй план, поскольку в России созданы высокоэффективные пленочные самовосстанавливающиеся конденсаторы серии К78-17. Удельная масса конденсаторов этой серии менее 30% массы конденсаторов предыдущей серии. Например, при частоте 50 Гц конденсатор серии К78-17 емкостью 35 мкФ с рабочим напряжением 500 В имеет удельную массу 0,109 кг/квар. [8]
В последнее время для самовозбуждения асинхронных генераторов стали применять статические источники реактивной мощности с управляемыми полупроводниковыми вентилями (тиристорами).
Асинхронные генераторы с такими источниками реактивной мощности приближаются по своей эффективности к синхронным генераторам. [9]
В 90-х годах прошлого века появились достаточно надежные и мощные полупроводниковые силовые преобразователи, позволяющие обеспечить стабилизацию амплитуды и частоты электрогенераторного агрегата с использованием асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором. Силовой преобразователь, необходимый для создания такого агрегата, должен обеспечивать двунаправленное преобразование энергии, синусоидальность выходных токов и напряжений. [10]
Привлекательность использования асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором в качестве генератора переменного тока объясняется прежде всего простотой его конструкции, надежностью и более низкой стоимостью. Техническое обслуживание такого генератора ограничивается практически только смазкой подшипников.
Однако, одними из недостатков асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором, препятствующими их более широкому применению, являются трудности по созданию автоматических регуляторов напряжения. Многие авторы предлагают при использовании асинхронного генератора в качестве источника электроэнергии преобразовывать его выходное напряжение в постоянное, а затем в переменное требуемой частоты и величины, т.е. использовать дополнительно статический преобразователь частоты.
Для использования асинхронного генератора в качестве источника электроэнергии в [10] была предложена схема, представленная на рис. 2.1.
Первым звеном этой структуры является собственно асинхронный генератор с короткозамкнутым ротором. Инвертор-стабилизатор выполняет две функции: управляет возбуждением генератора и преобразует переменное напряжение генератора в постоянное. Второе звено этой структуры -преобразователь постоянного напряжения в выходное трехфазное напряжение переменного тока. Эти звенья объединены между собой звеном постоянного тока, в состав которого входит батарея конденсаторов, сглаживающих пульсацию тока инвертора И-С и играющих роль накопителя энергии.
Работа системы управления
Алгоритм работы системы управления предлагается более подробно рассмотреть на примере рис. 3.9, 3.10.
Внешний вид панели управления представлен на рис. 3.11. Такая панель управления аналогична той, что установлена в установках СРД по рис. 3.6.
Система управления должна быть включена до гидравлического включения СРД. Для приведения системы в рабочее состояние необходимо включить автоматические выключатели АВ0...АВ4. Свечение светодиода «ПИТАНИЕ - СЕТЬ» и ЖКИ свидетельствуют соответственно о наличии напряжения внешней сети и питания БУ. Светодиоды «РЕЖИМ» информируют о заданном режиме работы (положении вытяжного переключателя «РУЧное - АВТомат»), в исходном состоянии системы генератор отключен (горит светодиод «АГ - выкл»), а КЗР полностью открыт (ВКО замкнут, горит светодиод «КЗР - откр»). ЖКИ отображает фактический перепад давлений АР=Р1-Р2 в 1-ом теплофикационном контуре ЦТП.
Работа в автоматическом режиме
При нажатии кнопки «ПУСК» загорается светодиод «ПУСК» и БУ посредством контактора Кб начинает закрывать КЗР (гаснет светодиод «КЗР - откр»). Закрытие КЗР приводит к увеличению расхода теплоносителя через турбину СРД, которая раскручивает ротор генератора. БУ через датчик контролирует частоту вращения ротора, и при достижении первой синхронной частоты 1500 об/мин подключает генератор к внешней сети посредством контактора К2 блока БПС, - загорается светодиод «АГ - вкл». Возбуждение генератора обеспечивается за счет реактивного сопротивления внешней сети. При полном закрытии КЗР загорается светодиод «КЗР - закр» (замыкается ВКЗ).
Если расход теплоносителя достаточен для эффективной работы генератора на второй синхронной частоте 3000 об/мин, то БУ формирует команды переключения скоростей АГ: отключает АГ от сети (обесточивает контактор К2), обеспечивая раскрутку ротора; вновь подключает АГ к сети посредством контакторов КЗ и К4 блока БПС при достижении второй синхронной частоты.
При снижении расхода теплоносителя БУ обеспечивает переход со второй синхронной частоты на первую в следующем порядке: посредством контактора К5 открывается КЗР; обесточиваются контакторы КЗ и К4, т.е. отключается АГ; при достижении первой синхронной частоты АГ вновь подключает к сети посредством контактора К2, а команда открытия КЗР заменяется командой закрытия (запитывается контактор Кб). Питание с контактора Кб снимается при замыкании ВКЗ. Участие КЗР в этом процессе обеспечивает торможение ротора АГ после отключения электрической нагрузки.
Если в процессе работы генератора на сеть его мощность снижается до нуля по причине уменьшения расхода теплоносителя через турбину, то БУ, обесточивая контакторы К2...К4, отключает АГ от сети и переводит СРД в режим холостого хода. В этом режиме БУ посредством КЗР стабилизирует частоту вращения ротора АГ на уровне 1500 об/мин и отслеживает величину расхода теплоносителя посредством датчика положения КЗР. Повторное автоматическое включение генератора в сеть БУ обеспечивает при восстановлении достаточного расхода теплоносителя.
Примечание. Промежуточное положение штока КЗР характеризуется отсутствием свечения светодиодов «КЗР» (ВКО и ВКЗ разомкнуты).
В процессе работы генератора БУ постоянно контролирует перепад давлений АР=Р1-Р2, лимитированный «снизу» техническими требованиями ЦТП. В случае чрезмерного снижения перепада БУ подает на контактор К5 команду открытия КЗР. Эта команда снимается после восстановления минимально допустимого (заданного) перепада давлений.
При этом шток КЗР занимает промежуточное положение (светодиоды «КЗР» не горят), а электрическая мощность генератора, отдаваемая в сеть, ограничивается.
При нажатии кнопки «СТОП» изменяется состояние светодиодного индикатора «ПУСК - СТОП», а БУ, включая контактор К5, открывает КЗР. При снижении мощности генератора до нуля БУ, снимая питание с контакторов К2...К4, отключает генератор от сети. При отключенном от сети АГ открытие КЗР приводит к снижению частоты вращения ротора турбины и его остановке. После полного открытия КЗР (срабатывания ВКО) загорается светодиод «КЗР - откр».
В автоматическом режиме БУ постоянно анализирует информацию, поступающую с датчиков тока, напряжения и частоты вращения ротора АГ. При аварийном состоянии генератора или отказе датчика частоты, или чрезмерной раскрутке ротора БУ обеспечивает индикацию «НЕИСПРАВНОСТЬ» и автоматический останов ГТГ, самостоятельно формируя команды, соответствующие нажатию кнопки «СТОП».
При внезапном отключении внешней сети система управления сохраняет работоспособность за счет ИПБ в течение времени, достаточного для аварийной остановки ГТГ. При этом БУ переключает привод КЗР с сетевого питания на аварийное питание от аккумуляторной батареи ИБП (загорается светодиод «ПИТАНИЕ - АБ»). Если напряжение внешней сети восстановится, то БУ автоматически запустит СРД, самостоятельно формируя команды, соответствующие нажатию кнопки «ПУСК».
В случае отказа датчика положения КЗР или любого из датчиков давления БУ обеспечивает индикацию «НЕИСПРАВНОСТЬ» и автоматически переводит АГ на пониженный режим работы (1500 об/мин), исключающий снижение АР до порогового значения.
Моделирование в среде программирования Matlab
Одной из задач, ставившейся при работе над диссертацией, было создать модель асинхронной машины в программном пакете Matlab, написанную на языке этой программы, которую можно было бы интегрировать как составную часть в более сложную модель водоснабжения.
Модель асинхронной машины должна рассчитывать как двигательный, так и генераторный режимы работы. В схеме водоснабжения модель для двигателя должна моделировать работу различных насосов, а модель генератора - работу асинхронного генератора системы рекуперации давления. При этом должно учитываться насьщение магнитной системы электрической машины.
Процессы преобразования энергии в электрических машинах в установившихся режимах описываются общеизвестными комплексными уравнениями. Например, для симметричных асинхронных машин с короткозамкнутым ротором при синусоидальном напряжении они выглядят следующим образом.
Несинхронная (асинхронная) машина из обобщенной машины получается, когда к обмоткам статора с числом витков wsa и wsp подводятся синусоидальные напряжения частотой fb сдвинутые во времени на 90. В обмотках ротора при этом проходят токи частотой f2=f\s, которые создаются приложенными к ротору напряжениями или наводятся токами обмоток статора. В асинхронной машине угловая скорость ротора не равна синхронной угловой скорости поля (ю ю,); а поля ротора и статора неподвижны относительно друг друга, так как сумма угловой скорости ротора и угловой скорости поля ротора относительно ротора равна ш5 [4, 5].
Система уравнений электромеханического преобразования энергии, описывающая процессы преобразования энергии, состоит из четырех уравнений Кирхгофа для четырех обмоток (2), а также (3) и (4), которые объединяют и получают систему из пяти уравнений.
В этих уравнениях Wsa, us$, ит, wrp, zsa, 5р, zra, zrp — соответственно напряжения и токи в обмотках статора и ротора по осям а и 3; rsa, rsp, rra, rrp — активные сопротивления обмоток статора и ротора; М — взаимная индуктивность; Lsa, L5p, Lm, Lrp — полные индуктивности обмоток статора и ротора по осям а и (3.
В уравнении движения (4) J — момент инерции. Если электрическая машина исследуется вместе с приводным механизмом, то в выражении J должен учитываться момент инерции ротора и приведенный к частоте вращения ротора момент инерции приводного механизма.
При изучении электрических машин момент сопротивления Мс принимают постоянным, в электромеханических системах — изменяется во времени. Системы уравнений электрических машин отличаются от систем уравнений других электротехнических устройств наличием уравнения электромагнитного момента (Мэ) (3). Электромагнитный момент равен произведению токов во всех контурах машины. В обобщенной машине значение момента определяется двумя произведениями значений токов, протекающих в обмотках фаз а и Р статора и ротора.
Система уравнений электромеханического преобразования энергии (2)—(4) при постоянных коэффициентах перед переменными — нелинейная (так как в уравнение электромагнитного момента (3) входят произведения зависимых переменных) и не имеет аналитического решения. Поэтому решения с высокой точностью получаются при расчетах на ЭВМ.
В пяти уравнениях электромеханического преобразования энергии пять независимых переменных (обычно это напряжения на обмотках usa, us, ит, wrp И момент сопротивления на валу машины Мс)г пять зависимых переменных (токи /sa, 4р, /га, /гр И угловая скорость юг)- Коэффициенты перед зависимыми переменными называют параметрами электрической машины, ими являются активные сопротивления и индуктивности и взаимные индуктивности обмоток (2), а также момент инерции /.
Системы координат ротора и статора перемещаются относительно друг друга, при этом угол 0 между осями определяет относительную угловую скорость уравнения электрического равновесия, описывающие электромагнитные переходные процессы в асинхронной машине можно записать в различных формах записи (системах координат); в системе координат м, V, вращающихся с произвольной угловой скоростью озк; d, q, вращающихся со скоростью вращения ротора COK=GV; а, Р - неподвижных относительно статора сок=0 Для исследования асинхронных машин целесообразно применять систему координат а, р.
Эта система уравнений значительно проще по своей структуре и представляет собой совокупность линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами, что делает возможным ее решение аналитическими методами и существенно облегчает решение с помощью аналоговых или цифровых вычислительных машин. Уместно напомнить, что коэффициенты при токах (Rh R2, h, L% L12m, U\, 02, со) в уравнениях напряжений в осях а, (3 можно считать постоянными при допущениях о пренебрежении: насыщением стальных участков магнитной цепи; наличием пазов у сердечников; высшими и низшими пространственными гармоническими составляющими магнитного поля (учитываются приближенно только при расчете дифференциального рассеяния); высшими временными гармоническими составляющими токов; магнитными потерями и дополнительными потерями от вихревых токов в проводниках.
Проверка электромагнитной совместимости
Целью исследований было определить влияние генератора в составе рекуперационной установки на показатели качества электроэнергии при его включении в сеть, работе параллельно с сетью и отключении от сети. Также необходимо было определить величину потребляемой реактивной и вырабатываемой активной мощности, коэффициент мощности.
Объектом исследований являлся асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором АИР71В4УЗ (мощность 1 кВт, ном. частота вращения ротора 1350 об/мин, КПД 75 %, coscp 0,8, ном. ток статора 1,9 А, напряжение питания 380 В), работающий в режиме генератора. Приводом генератора является гидравлическая турбина.
Для измерения показателей качества электроэнергии и энергетических параметров использовался прибор «Энергомонитор 3.3» (далее - Прибор ЭМ-3.3) производства ООО "НПП Марс-Энерго".
Регистрация показателей качества электроэнергии осуществлялась в соответствии с требованиями следующих нормативных документов:
ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
РД 153-34.0-15.501-00. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Часть 1 Контроль качества электрической энергии.
РД 153-34.0-15.502-2002. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Часть 2. Анализ качества электрической энергии.
Принципиальная электрическая схема экспериментального стенда показана на рисунке 6.2.Также показано место подключения прибора «Энергомонитор 3.3». При проведении опыта ключи ВЗ, В01, BG2, находились в закрытом положении, остальные ключи были открыты. Подключение генератора осуществлялось выключателем BG0. Упрощенная схема эксперимента примет вид рис. 6.3. Прибор подключается к трёхфазной четырёхпроводной сети. При этом измеряемые напряжения до 400 В подаются на входы напряжений Прибора ЭМ-3.3 с помощью тестерных щупов, подключаемых к фазам сети, а измеряемые токи подаются на токовые входы с помощью токоизмерительных клещей 10А.
При измерении реактивной мощности методом сдвига, мгновенные значения напряжения перемножаются с мгновенными значениями тока, сдвинутыми на 90. При измерении реактивной мощности методом перекрестного включения, мгновенные значения фазных токов умножаются на мгновенные значения линейных напряжений.
Необходимо отметить, что в симметричной системе, при отсутствии нелинейных искажений все три реактивные мощности совпадают между собой. При нарушении симметрии системы векторов напряжений (Uab Ф Ubc Ф Uca) реактивная мощность, измеренная по методу перекрестного включения, сильно отличается от первых двух. При наличии нелинейных искажений в цепях тока и напряжения реактивная мощность, измеренная по геометрическому методу, отличается от двух других. Таким образом, в реальных условиях все три реактивные мощности отличаются друг от друга.
Обычно в энергосистемах используются счетчики реактивной энергии одного типа (в России, как правило, реализующие метод перекрестного включения в трехфазных сетях и метод сдвига в однофазных), поэтому за базисные будем принимать значения реактивной мощности, рассчитанные по методу перекрестного включения, хотя значения реактивной мощности, полученные по разным методам практически совпадают, что видно из рисунка 8.
Максимальное значение реактивной мощности, вычисленной по геометрическому методу составляет -1493,81 В Ар, по методу сдвига и методу перекрёстного смещения -1491,53 ВАр и -1491,73 ВАр соответственно. Максимальная полная мощность составляет 1509,87 ВА.
Коэффициент мощности при работающем генераторе равняется 0,17, при отключенном - 0,5. Компенсацию реактивной мощности можно осуществить подсоединив в параллель с генератором конденсаторы.
На графиках также видны моменты включения генератора на сеть и отключения его от сети.
Провалы на графиках токов, мощностей и коэффициента мощности (рис. 7-Ю) объясняются инерционностью гидравлических процессов; временем закрытия задвижки, снижением вслед за этим гидравлического момента турбины, и как следствие механического момента на валу генератора. Отключение генератора осуществлялось гидравлически во избежание достижения слишком больших скоростей вращения ротора.
Во время эксперимента данные прибора сравнивались с показаниями установленного на стенде счётчика электрической энергии «Меркурий 230» и другими электроизмерительными приборами (амперметр, вольтметр, ваттметр). Показания этих приборов совпадают с показаниями прибора «Энергомонитор 3.3».
