Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Автономная ветроэлектрическая установка (вэу) малой мощности 8
1.1 Требования к автономной ВЭУ 8
1.2 Системы преобразования энергии ветрового потока
1.3 Генераторы, используемые для малых ВЭУ 15
1.4 Магнитоэлектрический синхронный ветрогенератор (конструктивная идея и технико-экономическое обоснование) 18
1.5 Структура автономной ВЭУ малой мощности 25
Выводы по 1 главе 31
ГЛАВА 2. Совместная работа генератора с элементами системы 32
2.1 Определение установленной мощности ветрогенератора и её обеспечение 33
2.2 Рациональный рабочий диапазон скоростей ветрового потока 35
2.3 Нагрузочная характеристика ветрогенератора и регулирование нагрузки 41
2.3.1 Аппроксимация аэродинамической характеристики ветродвигателя 43
2.3.2 Расчёт механических и рабочих характеристик ветродвигателя 46
2.3.3 Нагрузочная характеристика генератора 47.
2.4 Технические требования к синхронному
магнитоэлектрическому ветрогенератору 49
2.4.1 Номинальные значения напряжения, частоты и коэффициента мощности ветрогенератора 51
2.4.2 Частота вращения
2.5 Особенности моделирования переходных процессов магнитоэлектрического синхронного генератора в ВЭУ 58
Выводы по 2 главе 63
ГЛАВА 3. Особенности проектирования синхронных ветрогенераторов с постоянными магнитами на базе асинхронных двигателей 65
3.1 КПД и верхняя граничная частота тока генератора 67
3.2 Электромагнитные нагрузки 72
3.3 Выбор базового статора 82
3.4 Оптимальная геометрия ротора 88
3.5 Оценка разработанных генераторов 98
Выводы по 3 главе 99
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование магнитоэлектрического синхронного генератора 101
4.1 Программа экспериментов 102
4.2 Расчет и конструирование опытного магнитоэлектрического синхронного генератора 103
4.3 Экспериментальная установка 109
4.4 Экспериментальное исследование генератора
4.4.1 Опыты холостого хода и короткого замыкания 113
4.4.2 Определение синхронного продольного индуктивного сопротивления 114
4.4.3 Снятие внешних характеристик 114
4.4.4 Исследование гармонического состава кривых напряжений и токов 126
Выводы по 4 главе 131
Заключение 132.
Список использованных источников
- Генераторы, используемые для малых ВЭУ
- Аппроксимация аэродинамической характеристики ветродвигателя
- Выбор базового статора
- Экспериментальная установка
Генераторы, используемые для малых ВЭУ
Следует отметить, что лишь 10 - 15 % потребителей электроэнергии предъявляют жёсткие требования к её параметрам, например, частоте или уровню напряжения /47; 52; 53/. В связи с этим, потребителей автономной ВЭУ целесообразно подразделить на две или более групп. Наиболее ответственных потребителей, требовательных к уровням напряжения и частоты, а также не допускающих сбои в электроснабжении, назовём потребителями первой группы (ППГ). Сюда относятся осветительные приборы, асинхронные двигатели большинства бытовых механизмов, ЭВМ, теле- и радиоаппаратура и т. п. Если в качестве резервного источника используется аккумуляторная батарея, то её также следует отнести к ППГ. Потребители, непродолжительные сбои в электроснабжении которых допустимы, назовем потребителями второй группы (ПВГ). Это нагреватели воды и воздуха, опреснительные установки, асинхронные двигатели нетребовательных механизмов, например, водоподъёмников. Большинство ПВГ нетребовательны к постоянству напряжения и частоты.
Подобное подразделение потребителей позволяет реализовать многоканальную схему распределения электроэнергии, которая нашла применение в автономных ВЭУ, работающих по системе «переменная скорость - постоянная частота» (рис. 4 б). Здесь в случае безветрия, а также на время обслуживания ВЭУ все потребители первой группы либо их часть (ЭВМ, осветительные приборы, сигнальные и защитные устройства) должны обеспечиваться электроэнергией от резервного источника - солнечной или аккумуляторной батареи, дизель-генератора. В рабочем диапазоне скоростей ветра требуемый закон регулирования частоты вращения ветродвигателя (рис. 2 а) достигается путем изменения величины нагрузки второй группы, подключаемой к зажимам генератора.
Исходя из вышеизложенного, системы «постоянная скорость - постоянная частота» целесообразно применять в том случае, когда энергия автономной ВЭУ предназначена для электроснабжения в основном ППГ. Здесь характер потребителей исключает возможность регулирования нагрузки. Поддержание требуемого уровня вырабатываемой мощности и стабилизация частоты вращения осуществляется с помощью устройств регулирования угла установки лопастей.
Системы «переменная скорость - постоянная частота» в автономной ВЭУ целесообразно применять в случае наличия на объекте электроснабжения достаточного количества ПВГ, например, обогревателей. При этом, регулируя сопротивление нагрузки ПВГ в соответствии с уровнем вырабатываемой ветроге-нератором мощности, можно обеспечить максимально полное использование энергии ветра в диапазоне скоростей v„p - vKp. Таким образом, при электроснабжении от ВЭУ автономных объектов с разнородными потребителями целесообразно использовать систему «переменная скорость - постоянная частота» с многоканальной схемой распределения электроэнергии. Это позволяет увеличить выработку электроэнергии ВЭУи осуществить простой и надежный способ регулирования частоты вращения ВД.
При разработке ВЭУ, работающих по системе «переменная скорость -постоянная частота» требуется изменение частоты вращения ветродвигателя по заданному закону и стабилизация параметров части вырабатываемой электроэнергии. При этом значительное влияние на надежность и стоимость системы, а также на структурное построение ВЭУ оказывает тип используемого электрического генератора. Генератор в автономной ВЭУ должен обладать высокой надёжностью, хорошими массогабаритными показателями, минимальной стоимостью, безотказным самовозбуждением и т.д. /25; 28/.
Вплоть до начала восьмидесятых годов в мире велись разработки ВЭУ с генераторами постоянного тока /47; 54; 55/. Эти генераторы имеют хорошие регулировочные свойства, однако применение их в ВЭУ является неэкономичным из-за большой стоимости и низкой надежности, обусловленной наличием щёточно - коллекторного узла /23; 56; 57/.
Исключить проблемы, связанные со скользящим контактом, позволяет применение бесконтактных генераторов, например, асинхронного генератора (АГ) с короткозамкнутой обмоткой на роторе /58-60/. Эти машины просты по конструкции, надежны, конструктивно отработаны и имеют относительно невысокую стоимость. Работа автономной ВЭУ с АГ с оптимальным коэффициентом быстроходности может быть обеспечена соответствующим автоматическим регулированием нагрузки второй группы.
Основные трудности, ограничивающие использование АГ в ВЭУ, касаются вопросов самовозбуждения, а также обеспечения генераторов реактивной мощностью. В автономной ВЭУ для возбуждения АГ требуются конденсаторы большой ёмкости либо управляемый выпрямитель с искусственной коммутацией вентилей в цепи статора /61/.
Так как требуемая емкость конденсаторов зависит от частоты генератора, то есть от частоты вращения его ротора, то при переменной частоте вращения регулируемая емкость, требуемая для стабилизации напряжения на нагрузке, резко возрастает. Масса и стоимость конденсаторов в этом случае значительно больше массы возбуждающих устройств традиционных синхронных машин /62; 63/. Применение АГ с возбуждением от конденсаторов становится экономически целесообразным при частоте порядка 400 Гц и частоте вращения 3000 об/мин. Однако данная частота вращения требует увеличения передаточного отношения мультипликатора, что нецелесообразно для ВЭУ (п. 1.2).
При использовании управляемого выпрямителя для возбуждения АГ обмотки фаз генератора подключены к управляемому преобразователю и нагрузке. Вентили включаются с опережением относительно момента пересечения кривых фазных ЭДС, и за счет опережающего тока образуется реактивная мощность, необходимая для возбуждения АГ /56/.
Такие АГ обладают хорошими массо-габаритными показателями и регулировочными качествами, однако их электрическая схема отличается значительной сложностью, что усугубляется в связи с переменной частотой вращения ветрогенератора/56; 61; 63/.
Реализовать автономную ВЭУ, работающую по системе «переменная скорость - постоянная частота», можно на основе асинхронизированного синхронного генератора (АСГ) (рис. 5). АСГ представляет собой электрическую машину с симметричным в магнитном и электрическом отношении трехфазным статором и симметричным ротором с двух- или трехфазной обмоткой.
Аппроксимация аэродинамической характеристики ветродвигателя
Кроме структурного построения эффективная и надёжная работа ВЭУ обеспечивается при рациональном выборе рабочих параметров системы. Сюда относятся рабочие диапазоны скоростей ветрового потока, угловых скоростей ветродвигателя и генератора, передаточное отношение мультипликатора, диаметр ветродвигателя и т.д. /43/.
Рабочий диапазон частот вращения ветрогенератора определяется рабочим диапазоном скоростей ветра и передаточным отношением мультипликатора. Выбор рабочего диапазона скоростей ветра зависит от ветровых характеристик района предполагаемого строительства ВЭУ, режима работы ветро-установки, конструкции и параметров ветродвигателя. Номинальные величины и технические требования к ветрогенератору должны определяться с учетом особенностей работы в системе.
Решение перечисленных вопросов возможно только в процессе исследования совместной работы ветрогенератора с элементами системы, а также учета требований, предъявляемых к ветроустановке.
Одним из основных требований к ВЭУ является преобразование энергии ветрового потока в электроэнергию с возможно большим КПД в широком диапазоне скоростей ветра. Для выполнения этого требования электромагнитный момент (мощность) ветрогенератора необходимо регулировать в соответствии с нагрузочной характеристикой, соответствующей максимальному коэффициенту использования энергии ветрового потока.
Оценить работу ВЭУ в переходных режимах позволяет математическое моделирование системы.
В связи с вышеизложенным в настоящей главе решаются следующие задачи: определение установленной мощности ветрогенератора и её обеспечение; - рациональный рабочий диапазон скоростей ветрового потока; - нагрузочная характеристика ветрогенератора и регулирование нагрузки; технические требования к синхронному магнитоэлектрическому вет-рогенератору; особенности моделирования переходных процессов магнитоэлектрического СГ в ВЭУ.
Установленная мощность генератора для автономных объектов энергопотребления выбирается исходя из требуемого уровня электрификации объекта на основе моделирования режимов потребления электроэнергии /31; 36/. Здесь используется определение установленной мощности СГ по потребляемой мощности нагрузки. На этом этапе потерями в цепи генератор-нагрузка пренебрегаем. Пусть известна потребляемая мощность нагрузки первой и второй группы. Предполагается работа ВЭУ с постоянным коэффициентом использования энергии ветра. При этом необходимо учитывать следующие условия.
1. Потребители первой группы должны обеспечиваться, электроэнергией от ветрогенератора как можно большую часть времени эксплуатации ВЭУ.
2. Рациональную работу ВЭУ в рабочем диапазоне скоростей ветра и при колебании спроса на электроэнергию со стороны ППГ должно обеспечивать регулирование величины нагрузки второй группы.
Возможность обеспечения установленной мощности будем определять с помощью кривой повторяемости скоростей ветра Т = f (v) в месте предполагаемого размещения ВЭУ /43/, а также зависимости мощности, вырабатываемой ветрогенератором, от скорости ветра Р -f(v) (рис. 9).
Для выполнения первого условия необходимо, чтобы мощность ветрогенератора, достаточная для электроснабжения ППГ, вырабатывалась в начале отрезка скоростей ветра с наибольшей повторяемостью, т.е. в диапазоне vHp vfwr vMn (точка А). Первоначально целесообразно задаться значением скорости V/7///C последующим уточнением принятого значения по результатам вычислений. Как было отмечено выше, эффективная работа ВЭУ обеспечивается только за счет регулирования ПВГ, т.к. потребляемая мощность нагрузки первой группы отличается в разное время суток и зависит от спроса на электроэнергию. Поэтому для выполнения второго условия установленная мощность генератора Р должна быть равна потребляемой мощности нагрузки второй группы (точка Б):
К вопросу о выборе установленной мощности ветрогенератора: Рти- - наибольшая потребляемая мощность нагрузки первой группы, Рпвг -наибольшая потребляемая мощность нагрузки второй группы; скорости ветра - vn - пусковая, vnp - начальная рациональная; vnnr - скорость ветра, при которой генератор вырабатывает мощность, необходимую для электроснабжения всех потребителей первой группы; vMn - скорость ветра с максимальной повторяемостью, vcpa - среднегодовая; v! p - конечная рациональная скорость ветра
Занижение установленной мощности Руст Рпвг приведёт к недоиспользованию рационального рабочего диапазона скоростей ветра. В зависимости от требований потребителей установленная мощность ветрогенератора может быть выбрана выше, например, Руст - Рпвг + Рппг Это обеспечит электроснабжение всех имеющихся потребителей при высоких скоростях ветра. Работа ВЭУ при v vKp будет проходить в тормозном режиме. В связи с небольшой повторяемостью высоких скоростей ветра и колебаниями графика нагрузки полностью все потребители будут обеспечены электроэнергией лишь незначительное время эксплуатации ВЭУ. Подобное увеличение мощности должно быть экономически обосновано, так как ведёт к увеличению стоимости генератора и механической части ВЭУ. Ниже рассматривается вариант Руст Рпвг как более целесообразный по стоимости.
Выбор базового статора
При достижении скорости ветра значения vn (рис. 14 и 15) происходит разгон системы на холостом ходу до угловой скорости, соответствующей началу рабочего диапазона (со - соп). При дальнейшем увеличении скорости ветрового потока к зажимам генератора подключается первая ступень нагрузки второй группы (точка Q). По мере возрастания скорости ветра до величины vHp генератор должен работать с постоянной частотой вращения со = со . Это обеспечивает наиболее быстрый выход ВЭУ на режим работы с максимальным коэффициентом использования энергии ветра (точка А). При изменении скорости ветра от vHp до v/y/yr и далее до vKp рабочая точка должна перемещаться по кривой A-R-L-B, соответствующей нормальному значению коэффициента быстроходности на АДХ ветродвигателя. При дальнейшем увеличении скорости ветра (v vKp) или снижении нагрузки частота вращения генератора поддерживается на уровне соКр с помощью регулирования угла установки лопастей (п. 1.5). Рассмотренный принцип управления электромагнитным моментом генератора предполагает плавное изменение нагрузки, подключаемой к зажимам СГ. В то же время эффективная работа ВЭУ возможна не только при z = zH, а в некоторой окрестности zH. Эта окрестность ограничивается некоторыми граничными значениями коэффициента быстроходности, которые соответствуют некоторому заданному значению коэффициента использования энергии ветра . То есть обеспечение эффективной работы ВЭУ будет про ЗЗ.Д ходить не на оптимальной нагрузочной характеристике (кривая 3, рис. 14, 15), а в некоторой области нагрузочных характеристик, ограниченных кривыми 3 .
Работа генератора в системе «переменная скорость - постоянная частота» характеризуется определенными диапазонами частот вращения, напряжений и мощности. В то же время ветрогенератор как и любая электрическая машина разрабатывается на основе проектного задания, включающего перечень номинальных величин и технических требований. Под заданными номинальными величинами понимаются полная Sf( или активная Рн мощность, линейное напряжение UH, частота вращения пн, частота тока/, и коэффициент мощности coscpH. Номинальные величины определяются требованиями и характером потребителей, наличием преобразователя, а также типом первичного двигателя.
Таким образом, в рассматриваемой системе для ветрогенератора характерна работа как с переменной частотой вращения, так и с переменной нагрузкой.
В номинальном режиме генератор должен иметь наилучшее использование. Длительная работа машины со значениями величин выше номинальных недопустима во избежание перегрузки СГ. В связи с этим в качестве номинальных величин ветрогенератора целесообразно взять максимальные величины из рационального диапазона.
При выборе численных значений величин технического задания следует учесть, что в рабочем диапазоне скоростей ветра генератор должен обеспечивать максимально возможное количество потребителей. В связи с этим представляет интерес определение диапазонов изменения мощности, частоты, и напряжения СГ.
Использование преобразователя открывает возможность достаточно свободного выбора номинальной частоты тока и напряжения генератора. Нижняя граница диапазонов частоты и напряжения СГ определяется требованиями удовлетворительной работы преобразователя, а также необходимым уровнем напряжения на нагрузке первой группы. Верхний предел значения напряжения и его частоты определяется максимальной частотой вращения генератора743/. Выбор номинальной мощности Рн = SH coscpH и коэффициента мощности необходимо вести с учетом наличия преобразователя и вероятного характера нагрузки. Вопросы определения номинальной (установленной) мощности были рассмотрены в п. 2.1. При проектировании генераторов целесообразно ориентироваться на дискретный ряд стандартных мощностей/115/. 2.4.1 Номинальные значения напряжения, частоты и коэффициента мощности ветрогенератора
Для определения номинальных значений указанных величин представляют интерес диапазоны мощностей, угловой скорости, напряжения, частоты и тока генератора в диапазоне скоростей ветра vnnr - vKp. Рассматриваемые величины в указанном диапазоне изменяются от некоторых минимальных значений Pmin, o)min = соппг, Umin,fmin , Imin до максимальных Ртах = Руст = РПвг тах кр = ПВП UmaxiJmaxi тах
Подразумеваем, что частота и напряжение на нагрузке первой группы стабилизируются преобразователем на уровне fna?p = 50 Гц, Unazp = 220 В. Величина Umtn не должна быть ниже некоторого значения, при котором преобразователь способен обеспечить требуемое напряжение на нагрузке первой группы.
Стабилизация напряжения осуществляется за счет изменения угла регулирования тиристоров выпрямителя от а 0 до а = атах. Для обеспечения удовлетворительной работы преобразователя необходимо, чтобы частота на выходе выпрямителя удовлетворяла условию /43/
Первоначально, на основе рассмотрения основных закономерностей изменения частоты вращения, мощности, а также внешних характеристик СГ, определим кратность изменения напряжения генератора в рассматриваемом диапазоне: ки=тт - (26) ш {-J min Так как величина Umin должна быть такой, чтобы 11нагр при скорости ветра v = v///-/r было не меньше 220 В, то для определения ки следует найти диапазоны мощностей, частот вращения и других величин в диапазоне vnnr - vKp- В рассматриваемом диапазоне скоростей ветра мощность, вырабатываемая генератором, изменяется в диапазоне от Pmjn = Рппг ДО установленной мощности ветрогенератора Ртах - Руст Рпвг- Причём: Ptnin -3 Umin Lmin cS(p \ Ртах - max тах coscp . (27) Так как в рациональном диапазоне предполагается коэффициент использования энергии ветра = const, то мощность, вырабатываемая ветрогенерато-ром, пропорциональная кубу скорости ветра (6). Зная кратность изменения скоростей ветрового потока (п. 2.2), нетрудно определить соотношение мощностей ветрогенератора в рассматриваемом диапазоне
Экспериментальная установка
В предыдущей главе (п. 2.4) было отмечено, что при частотах вращения 1200 и 1500 об/мин в рекомендуемом диапазоне числа полюсов частота тока и перемагничивания сердечника может достигать 120-175 Гц. Следует оценить возможность создания генераторов в рассматриваемом диапазоне частот на базе АД. Толщина листов стали сердечника статора асинхронных двигателей рассчитана на частоту 50 Гц и у серийных АД составляет 0,5 мм /119/. Более высокие частоты обусловливают рост потерь в стали, что может вызвать чрезмерный нагрев зубцовой зоны и, следовательно, обмотки машины. Превыше 68 ниє температуры обмотки статора над температурой охлаждающей среды Ав, должно удовлетворять условию l lmax: где Ав, - максимально допустимое превышение температуры обмот ки над температурой окружающей среды. В базовых АД используются обмот ки с изоляцией класса нагревостойкости F. Данный класс изоляции обмоток предполагается использовать и для разрабатываемых СГ. Для этого случая значение Ав, с учетом теплового запаса составляет 100С /138; 139/.
При заданной частоте вращения и возрастании частоты тока основные электрические потери в обмотке якоря рэ] и механические рмех остаются примерно постоянными. Расчёты показали, что в возможном диапазоне частот тока (табл. 3) потери от вихревых токов в обмотке малы. В большинстве известных методик для машин, проектируемых в рассматриваемом диапазоне мощностей, они не учитываются. Потери в стали рст,осн увеличиваются пропорционально частоте в степени /?= 1,3 -1,5 /138/, что приводит к снижению КПД (рис 21).
Зависимости потерь и КПД СГ от частоты В связи с этим целесообразно оценить, во-первых, рекомендуемые значения КПД для разрабатываемых машин в зависимости от мощности и частоты вращения и, во-вторых, верхние граничные значения частоты , при которых обеспечивается требуемый КПД.
КПД проектируемой машины должен быть не меньше некоторого рекомендуемого значения rjpeK. На основе многолетнего опыта проектирования традиционных машин получены различные рекомендации, в том числе по КПД и коэффициенту мощности.
Для получения рекомендаций по КПД применительно к разрабатываемым СГ предполагается использовать имеющиеся зависимости средних значений КПД от номинальной активной мощности Рн для серийных синхронных генераторов, а также зависимости КПД г)Ад и cos(pAj$ от номинальной мощности для базовых АД серии 4А /119; 138-140/.
В первом случае для оценки КПД магнитоэлектрических СГ следует учесть отсутствие у данных машин потерь на возбуждение и трение щёток. Зависимость КПД магнитоэлектрического СГ от номинальной активной мощности получена для пн = 1500 об/мин и приведена на рис. 22 (кривая 1).
Разрабатываемый СГ конструктивно и по условиям теплоотвода больше сопоставим с базовыми АД. Поэтому КПД СГ с ПМ целесообразно определять с учётом различий в потерях базового АД и разрабатываемого генератора, а также различного направления передачи мощности. Рекомендации по КПД для второго случая получены на основе сравнения показателей АД и магнитоэлектрического СГ, рассчитываемых на базе одного и того же статора.
С учётом того, что активная часть ротора СГ с ПМ не имеет обмоток и массивных элементов, на данном этапе потерями в роторе можно пренебречь. В связи с тем, что теплоотвод АД и СГ практически одинаков, для обеспечения нагрева обмотки якоря на допустимом уровне потери в обмотке якоря и в стали статора СГ могут быть несколько выше, чем в АД. При одинаковых частотах вращения АД и СГ пАд = п, числах пар полюсоврАд =ри, следовательно, частотах тока/]Ад =_/} допустимое тепловое использование может быть обеспечено за счёт увеличения потерь в обмотке якоря. Ниже все величины с индексом «АД» относятся к базовым асинхронным двигателям. Расчётным путём установлено, что для обеспечения значения Ав\ = Ав\тах генератор надо проектировать так, чтобы потери в обмотке якоря СГ превышали потери в обмотке статора АД в среднем на 43%. При этом суммарные потери базового АД и магнитоэлектрического СГ практически одинаковы /141/.
