автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Параметры обмотки статора и режимы асинхронного генератора, повышающие качество электроэнергии для питания электрооборудования почвенно-экологической лаборатории

На правах рукописи

БЛРАКИЫ Николай Сергеевич

ПАРАМЕТРЫ ОБМОТКИ СТАТОРА И РЕЖИМЫ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА, ПОВЫШАЮЩИЕ КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПОЧВЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ

Специальность: 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 КАП 2014

Краснодар - 2014 005548336

005548336

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Богатырев Николай Иванович

Официальные оппоненты: Пахомов Виктор Иванович

доктор технических наук, старший научный сотрудник

ГНУ «Северо-Кавказский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства» Россельхозакадемии, директор

Кобозев Владимир Анатольевич

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет», кафедра «Электроснабжения и эксплуатации электрооборудования», доцент

Ведущая организация: Азово-Черноморский инженерный институт

ФГБОУ ВПО «Донской государственный аграрный университет» (г. Зерноград)

Защита состоится 02 июля 2014 г. в 1000 часов на заседании диссертацион ного совета Д220.038.08 при ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный aipap ный университет» по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13, КубГАУ корпус факультета энергетики и электрификации, ауд. № 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВП «Кубанский ГАУ» http ://kubsau.ru/

Автореферат разослан «08» мая 2014 года и размещен на официальном сайте ВАК при Министерстве образования и науки России http://vak2.ed.gov.r и на сайте ФГБОУ ВПО Кубанского ГАУ http://kubsau.ru/

Ученый секретарь диссертационного совета, Курасов Владимир Станиславович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Проблема рационального использования почв в Краснодарском крае заключается в улучшении мониторинговых исследований, разработке и внедрении технологий, адаптивных к природным условиям региона, обеспечивающих воспроизводство плодородия почв.

В связи с этим разработана нормативная база в виде постановления правительства, федерального закона и концепции развития сельских территорий.

Улучшения качества, сокращение сроков проведения почвенного мониторинга, ведущего к сокращению стоимости обследования, невозможно без применения новейшего электрооборудования, что диктует новые требования к автономным источникам питания.

Включение однофазных токоприемников к трехфазным автономным источникам соизмеримой мощности - это особый режим для генератора, требующий дополнительных исследований для определения оптимальной конструкции статорной обмотки. С учетом специфики электрооборудования почвенно-экологической лаборатории существует необходимость в разработке автономного источника питания с асинхронным генератором, который будет находиться в передвижной лаборатории и питать необходимое однофазное и трехфазное электрооборудование.

Работа выполнена по плану НИР Кубанского ГАУ ГР 01.2006.06851 - раздел 27.1 (2006 - 2010 гг.); №ГР 01.2011.53641 раздел-27.4 (2011 -2015 гг.).

Рабочая гипотеза — используя нагрузочную диаграмму подключений электрооборудования для технологического процесса анализа почвы в полевых условиях и учитывая требования к качеству электроэнергии для данного электрооборудования можно разработать асинхронный генератор автономного источника с особой конструкцией обмотки статора для электроснабжения однофазного и трехфазного электрооборудования почвенно-экологической лаборатории.

Целью работы является обоснование и разработка параметров обмотки статора асинхронного генератора, позволяющей рационально использовать габарит электрической машины и обеспечивающей максимальную загрузку асин-

хроннош генератора с нормированным качеством электрической энергии пр питании однофазного и трехфазного электрооборудования почленно- эколст, ческой лаборатории для оперативных мониторинговых исследований почвы полевых условиях.

Задачи исследования:

1. Определить состав электрооборудования для проведения исследован почвы в полевых условиях, смоделировать график электрических нагрузок по венно-экологической лаборатории и обосновать параметры асинхронного ген ратора автономного источника электропитания.

2. На основе современной матричной теории разработать шестизошг обмотку статора, позволяющую рационально использовать габарит электрич ской машины и обеспечивающую максимальную загрузку асинхронного ген ратора с нормированным качеством электрической энергии при питании одн фазного и трехфазного электрооборудования почвенно-экологической лабор тории.

3. Разработать математическую модель асинхронного генератора и пров рить ее работоспособность в пакете МаШСас! с серийной, автотрансформато ной и шестизонной обмоткой статора при включении несимметричной одн фазной и трехфазной нагрузки.

4. Рассчитать, изготовить л провести лабораторные исследования эксп риментального образца асинхронного генератора с шестизонной обмоткой сравнить с характеристиками генератора с серийными обмотками.

5. Провести сопоставление теоретических и экспериментальных даннь степени стабилизации напряжения асинхронного генератора с серийной, авт трансформаторной и шестизонной обмоткой статора

6. Выполнить технико-экономическое обоснование эффективности пр менения асинхронного генератора с шестизонной обмоткой для питания элек трооборудования почвенно-экологической лаборатории.

Объект исследования - электрооборудование почвенно-эколошческо лаборатории, графики электрических нагрузок, асинхронный генератор с ше

стизонной обмоткой статора с конденсаторным возбуждением, схемы регулирования и стабилизации напряжения асинхронного генератора.

Предмет исследования - внешние и регулировочные характеристики асинхронных генераторов, электромагнитные и конструктивные параметры обмоток статора и их влияние на качественные характеристики асинхронных генераторов, компьютерные модели асинхронных генераторов.

Методы исследования базируются на теории электромеханики, системного анализа, математического и компьютерного моделирования, матричной теории формирования схем обмоток статора, на учете воздействия параметров обмоток статора и ротора на магнитное состояние асинхронных генераторов. Компьютерное моделирование выполнено в программных продуктах МаШСас!. Экспериментальные исследования асинхронных генераторов выполнены на специальном испытательном стенде, запатентованном Кубанским ГАУ.

Научную новизну работы составляют:

1. Математические модели асинхронного генератора с серийной, автотрансформаторной и шестизонной обмотками статора для определения внешних характеристик при несимметричном подключении однофазной и трехфазной нагрузки.

2. Методика определения рациональной мощности асинхронного генератора по графикам электрических нагрузок при случайной однофазной и трехфазной переменной нагрузке, создаваемой электрооборудованием почвенно-экологической лаборатории.

• 3. Параметры шестизонной обмотки статора, полученные методом фазной ■ модуляции, позволяющие рационально использовать габарит электрической машины и обеспечивающие максимальную загрузку асинхронного генератора с нормированным качеством электрической энергии при питании однофазных и трехфазных электропотребителей.

Практическая значимость работы заключается:

- в результатах сравнительных испытаний существующих автономных источников с синхронными и асинхронными генераторами;

- в выборе электрифицированного лабораторного оборудования для про ведения почвенного анализа в полевых условиях и инженерной методике рас чета необходимой мощности автономного генератора по электрически нагрузкам и установлению требований к автономному генератору (свидетель ство на программный продукт № 2012615763);

- в разработке методики расчета обмоток статора и их параметров с и пользованием емкости конденсаторов возбуждения с учетом размагничиват щего действия короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного генератор позволяющей проектировать новые и модернизировать существующие источ ники электроэнергии;

- в новых технических решениях для стабилизации напряжения асин хронных генераторов (патенты № 2373630,2457612); генераторных установок источников питания (патенты № 2332772, 2332773, 2332779, 2336151, 2356709 новой схеме двухполюсной обмотки статора (патент № 2475927);

- в экспериментально полученных внешних и регулировочных харакгери сгиках образцов асинхронного генератора с шестизонной обмоткой для рацио нального использования габарита асинхронного генератора, адаптированног для питания трехфазного и однофазного электрооборудования почвенно- эко логической лаборатории;

- в технико-экономическом обосновании эффективности применени асинхронного генератора с шестизонной обмоткой для питания электрообору дования почвенно-экологической лаборатории.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований pea лизованы в экспериментальных образцах асинхронных генераторов. Материаль исследований применяются в учебном процессе на факультете энергетики i электрификации Кубанского ГАУ и научной деятельности Всероссийског научно- исследовательского института риса.

Апробация работы: Основные положения и выводы диссертации доло жены и одобрены на ежегодных научных конференциях Кубанского ГА (2007-2013 тт.); на ежегодных Всероссийских научно-практических конферен

циях молодых ученых «Научное обеспечение АПК» (2008-2013 гг.); на 6-й Международной научно-практической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» ГНУ ВИЭСХ (г. Москва, 2008 г.); Международном конгрессе (г. Санкт-Петербург, 2009 г.); Всероссийских научно-практических конференциях (г. Ставрополь, 2010 и 2012 гг.).

Публикации результатов работы. Основные положения работы опубликованы в 31 печатной работе, в том числе 10 патентах РФ на изобретения, 7 статьях, опубликованных в изданиях из перечня ВАК и одном свидетельстве на программный продукт.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения с обоснованием задач исследований, 4 глав, основных выводов по работе, списка литературы, включающего 171 наименование и приложения. Общий объем диссертации составляет 191 страницу машинописного текста, включая 86 рисунков, 15 таблиц, 61 страницу приложений.

На защиту выносятся:

- математические модели асинхронного генератора с серийной, автотрансформаторной и шестизонной обмотками статора для определения внешних характеристик при несимметричном подключении однофазной и трехфазной нагрузки;

- методика определения рациональной мощности асинхронного генератора по графикам электрических нагрузок при случайной однофазной и трехфазной переменной нагрузке, создаваемой электрооборудованием почвенно- экологической лаборатории;

- результаты математического анализа МДС известных схем обмоток статора и разработанной шестизонной обмотки, позволяющей рационально использовать габарит электрической машины и обеспечивающей максимальную загрузку асинхронного генератора при питании однофазных и трехфазных электропотребителей;

- результаты сравнительных испытаний существующих автономных источников с синхронными и асинхронными генераторами;

- результаты расчета параметров автотрансформаторных и шестизонны обмоток и емкости конденсаторов возбуждения с учетом размагничивающего действия реактивной составляющей тока ротора при нагрузке;

- экспериментально полученные внешние и регулировочные характери стики образцов асинхронного генератора с шестизонной обмоткой с нормиро ванным качеством электрической энергии для рационального использовани габарита асинхронного генератора, адаптированного для питания однофазног и трехфазного электрооборудования почвенно- экологической лаборатории;

- технико-экономическое обоснование эффективности применения асин хронного генератора с шестизонной обмоткой для питания электрооборудова ния почвенно-экологической лаборатории.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследованшЧ, сформулированы цель работы, научная новизна, практическая значимость и представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрен технологический процесс, выбрано электрооборудование лаборатории, применяемое при почвенном мониторинге, выполнен анализ существующих автономных источников, схем стабилизации напряжения и систем возбуждения асинхронных генераторов.

Установлено, что существенное влияние на формирование графика нагрузок для почвенно-экологической лаборатории оказывает случайный фактор включения электроприемника. Последовательность проведения почвенного мониторинга не описана в нормативных документах, поэтому возможны различные варианты включения элекгроприемников.

Используя данные технологического процесса отбора и экспресс анализа почвы, задавался временной период и вероятное время работы каждого электроприемника и его потребляемая мощность. Для расчета мощности подключаемого электрооборудования и выбора мощности генератора (рисунок 1) разработана и опробована программа, получено свидетельство № 2012615763.

р р.е р, о.е

Р, Вт

Рисунок 1 - Зависимость вероятности включения электрооборудования от подключаемой мощности

По этим данным, в соответствии с принципом практической уверенности, с вероятностью 0,95 мощность однофазной и трехфазной нагрузки находиться в интервале 1,8-3,2 кВт, а наиболее вероятная мощность составляет 2,5 кВт.

Для выбора и обоснования источника тока, руководствуясь требованиям ГОСТ Р 54149-2010 по нормам качества электрической энергии, выполнены сравнительные испытания синхронных генераторов (СГ): ГАЕ^4Т/230, ПСГС-6,25 и Endress ESE 40 BS. При включении однофазной активной- индуктивной нагрузки 5 А к генератору ГЛБ 4Т/230 в ненагруженной фазе увеличивается напряжение до 274 В, а коэффициент несинусоидальности достигает 17 %, При дальнейшем увеличении нагрузки асимметрия напряжений возрастает.

В генераторе ПСГС-6,25 (напряжение номинальное 220/127 В) с системой регулирования возбуждения при подключении нагрузки 20 А, что является 1,2/;/, наблюдалось в ненагруженной фазе увеличение фазного напряжения до 155 В и искажение формы напряжения. В СГ без системы регулирования возбуждения при подключении нагрузки 20 А - наблюдалось уменьшение напряжения на нагрузке до 60 В и искажение формы напряжения.

Таким образом, испытания показали, что при подключении однофазных потребителей к синхронным генераторам, которые имеют явно выраженные роторы, возникает проблема симметрирования напряжения на других фазах.

Это подтверждает актуальность применения асинхронного генератора (АГ) в качестве источника питания.

Обзор литературных источников показал, что среди российских, ученых наибольшее число публикаций и патентов по исследованию асинхронных генен раторов в различных режимах имеют: Алюшин Г.Н., Балагуров В.А., Богатырев Н.И., Богдан A.B., Ванурин В.Н., Вронский О.В., Григораш О.В., Джендубае^ А.-З.Р., Зубков Ю.Д., Кицис С.И., Лесник В.А., Лищенко А. И., Оськина A.C., Торопцев Н.Д., Фаренюк А.П., Фильц Р.В. и другие авторы.

На внешние характеристики АГ существенно влияют электрические и| конструктивные параметры обмоток статора. Современные приемы формирования обмоток статора позволяют расширить поиск способов для повышения энергетической эффективности асинхронных генераторов при их эксплуатации в режимах трехфазных и однофазных нагрузок.

В этой связи выбор наиболее рациональных схем обмоток АГ и оптимизация их электромагнитных параметров - важнейший этап разработки и создания АГ небольшой мощности для автономных источников питания.

Во второй главе на основании современной теории формирования ста-торных обмоток с фазной модуляцией МДС определена обмотка статора с фазной зоной 120°, диаметральным шагом и четным количеством фазных зон.

Применение автотрансформаторных обмоток статора дают определенные преимущества (рисунок 2). Различное подключение конденсаторов к обмотке статора позволяет регулировать возбуждение АГ в некоторых пределах. В варианте схемы автотрансформаторной обмотки с шагом у = 15 в одних и тех же пазах статора можно расположить проводники разного сечения катушек последовательной части и общей части обмотки, при этом степень использования габарита снижается пропорционально коэффициенту трансформации.

Для двухполюсной обмотки, ввиду диаметрального расположения сторон катушек, в слое речь может идти только о фазной модуляции - изменением фазы токов во вторых частях по принципу кругового перемещения трехфазных токов {ß и а - смешение фазных обмоток и смешение частей в каждой фазной обмотке).

Обмотки стотора

Рисунок 2 - Схема автотрансформаторной двухполюсной обмотки Y-Y0 и схема электрических соедине-вА Ан о А в А Ан в А Ан ний асинхронного генератора

Статорную обмотку можно представить и в виде (разбитой на шесть зон) шестизонной (рисунок 3, фазные токи возбуждения на участках представлены результирующими векторами). При указанной схеме включении конденсаторов коэффициент распределения обмотки равен kP ~ 2/ж, а коэффициент трансформации по отношению к ЭДС на выводах «S» и на выводах «Я» составляет 2/1,732. Схема токов двух слоев эквивалентна схеме токов слоя. Дифференциальное рассеяние обмотки то же, что и для однослойной обмотки максимального распределения. Этот вывод справедлив и для двухполюсной обмотки укороченного шага. Последовательное соединение катушечных групп позволяет применить к обмотке термин «кольцевая» обмотка статора. При р = 2 л/3:

F = Frf'2 [sinfox - 2 л'З - х) + sinfox - 2 л'З + х) + sinfox - х - а) + sinfox + х - а) - sin(a)t - 4 л'З -х + 2 л'З) + sinfaX - 4лЗ + д- - 2 л'З) + sinfox - 2л/3 - х

- 2w'3 + а) + sinfox - 2 л'З + х- 2т3 - а) + sinfох -х + 4л3) + sinfox + х -4л'3) + sinfox - 4л'3 - х + 4x3 + а) + sinfox - 4 л'З + х - 4л'3 - а)] = FJ2 [sinfox - х - 2л/3) + sinfox + х - 2 л'З) + sinfox - х + а) - sinfox + х - а) + (1) smfoX - х - 2 л'З) ¡ sin fea i x) \ sinfox - x i a) sinfox x - 4л'3 - a) i sinfox - x + 4 л'З) + sinfox + x - 4я/3) - sinfox - x - a) - sinfox + x - 2w3 -

a)] = Fm /2 [3sinfox - x - 2 л'З) + 3sinfox - x ~ a)] = 3/2Fm [sinfox -x - 2лЗ)

- sinfox - x + a)] ~ 3Fm[sinfüX - x - л'З + a/2) ■ cosf- я/3 - a'2)[ - 3Fm [sinfox - х- л'З + a'2) ■ cosf л'З + a/2)].

НЗ В] В2 ВЗ Н1 Н2

|

7 = 36- а = = = 3; а = 1; Я = 1; 2р = 2; у = 9;« = 20°; г = щ = 3 • 3 = 9 1 2/»и 2-2-3

Рисунок 3 - Схема и векторная диаграмма чегырехполюсной обмотки

При выполнении обмогки с шириной фазной зоны 120° результат модуляции МДС при а = -60° и /3= 2я/3:

ЗРфт(аХ-х - Л3 + а/2) соя(т'3 + а/2)] = ЗРт а\п(аХ - х + 90°) сохЗО0.

Получена математическая модель асинхронного генератора с серийной, автотрансформаторной и шестизонной обмоткой (рисунок 4). Математическое моделирование выполнено для исследования параметров обмоток статора и их влияние на стабилизирующие свойства асинхронного генератора при несимметричном подключении однофазной и трехфазной нагрузки.

Рисунок 4 - Преобразованная трехфазная электрическая машина в осях«,/?,г, и схема соединения обмоток АГ с включением емкостей треугольником для трехфазной несимметричной нагрузки

Известная математическая модель идеализированной трехфазной обобщенной электрической машины была преобразована для автотрансформаторной схемы асинхронного генератора с корогкозамкнутым ротором в заторможенной системе 3-фазных координат «, с учетом геометрического смещения частей фазной обмотки на угол в.

С учетом общепринятых допущений, исходя из схемы замещения, обмотка статора описывается следующими дифференциальными уравнениями:

¿/(/Л + КвКв . ¿У* -0-

(¡1 К л

¿У! -(1-

а ка л

¿4'2 ' + '«А« ¿Ч'г -0

л К а

Л'ы _ 1 , . ёЫсВ 1 с, сА! си Св 1 .

а в' ¿г ,, 1сС С

Так как испытания проводились на специализированном стенде, в котором приводным двигателем является двигатель постоянного тока независимого возбуждения, то для адекватности моделирования рассматривается система двигатель постоянного тока - асинхронный генератор - нагрузка (рисунок 5).

Рисунок 5 - Принципиальная схема для математического моделирования асинхронного генератора с автотрансформаторной шеетизонной обмоткой

Матрица индуктивностей и взаимных индуктивностей запишется как

/Л -0.5 М -0.5М М -0.5 М

-0.5М -0.5 М -0.5 М М

-0.5 М -0.5 М -0.5М -0.5 М

М -0.5М -0.5М и -0.5М

-0.5 М М -0.5М -0.5 М Ьг

-0.5 М -0.5М М -0.5 М -0.5М

М-аа М-Ъа М -са М-аа М-Ъа

М -ар м-ьр М-ср М-ар м-ьр

М -ау М-Ьу М -су М -ау М-Ьу

-0.5 М М-аа М-а/3 М ■ ау

-0.5М М-Ьа М-Ьр М-Ьу

М М-са М-ср М-су

--0.5Л/ М-аа М-ар М-ау

-0.5М М-Ъа М-Ьр М-Ьу . (3)

Ц- М-са М-ср М-су

М-са и -0.5М -0.5М

М-ср -0.5М 1-х -0.5 М М-су - 0.5Л/ -0.5М ¿5

В модели показан процесс самовозбуждения АГ при емкости возбуждения 45 мкФ с подключенной однофазной нагрузкой одинаковой мощности 0,5 кВт, затем на фазе В увеличивается нагрузка до 1,1 кВт, при этом напряжение по фазам падает от 138 В на холостом ходу до 120 В, ток якоря приводного двигателя увеличивается до 33 А, момент на валу в связи с увеличением отбираемой мощности увеличился с 19 до 27 Н-м, а частота вращения уменьшилась, причем при появлении несимметричного режима появляется значительная перемепная составляющая на валу, о чем свидетельствует колебание частоты вращения, а следовательно, и частоты тока ±0,1 Гц. Необходимо отметить, что отклонение напряжения меньше с шестизонной обмоткой, чем в случаях с другими типами обмоток до 4 %. Так как мощность, передаваемая АГ, постоянна во всех случаях, то меньшее значение тока якоря объясняется снижением электрических потерь за счет выполнения разным сечением провода обмотки статора шестизонной обмотки (рисунок 6).

В третьей главе приведены результаты сравнительных расчетов асинхронных генераторов с различными схемами статорных обмоток и испытаний асинхронного генератора с шестизонной обмоткой.

В ходе расчетов было выявлено, что увеличение расчетной индукции в воздушном зазоре, следовательно и потока, позволяет уменьшить степень размагничивания таков ротора, а также и тока нагрузки, но при этом в большей степени возрастает намагничивающий ток, что в свою очередь увеличивает электрические потери. Кроме этого, при значительном насыщении магнитной цепи, магнитопровод становится источником высших гармоник потока, при

14

этом наиболее выраженной является третья гармоника. ЭДС от третьей гармоники может быть причиной появления контурных токов в статорной обмотке (при соединении фаз обмотки в треугольник) или в определенной степени исказить симметрию фазных ЭДС (при соединении фаз обмотки в звезду).

Тмгаттпа ф« Л • С

Рисунок 6 - Фрагмент переходного процесса по результатам математического моделирования асинхронного генератора с шестизонной обмоткой

Таблица 1 - Результаты сравнительных расчетов

Тип обмотки Степень размагничивания, о.е. Ток ЗФ нагрузки,А Ток в обмотке, ЗФ нагрузка, А Ток в обмотке, 1Ф нагрузка, А Ток в ¡Ф нагрузке, А Потери в обмотке, Вт Емкость возбуждения, мкФ

Серийная 0,07 9,6 13,8 16 15,4 402 140

Автотрансформаторная 0,07 8,9 И 16 14,7 402 68

Шестизонная автотрансформаторная 0,07 10,2 16 15,5 402 30

На начальном этапе испытание экспериментального образца АГ выполнено в режиме АД (рисунок 7).

1 '" ' а) ш б)

Рисунок 7 - Схема испытания АГ в режиме АД, а) и в режиме АГ, б) Цель - проверить работоспособность разработанной обмотки, определить потери холостого хода, короткого замыкания. Для режима АГ с самовозбуждением получены необходимые внешние характеристики для подтверждения данных, полученных при моделировании и теоретических расчетах (рисунки 8,9).

Исследование АГ в режиме конденсаторного возбуждения проводится при постоянной и переменной частоте вращения. В качестве регулируемой нагрузки применялись угольный реостат и индукционный регулятор на базе АД с фазным ротором. Режимы работы фиксировались поверенными приборами и анализатором качества электроэнергии Ресурс-ЦР2М-ЗТ52-5-100-1000.

Рисунок 8 - Характеристика холостого хода АГ в режиме АД: 1 - быстрое снижение напряжения на статоре; 2 - плавное снижение напряжения на статоре, я); и в режиме самовозбуждения от конденсаторов, б)

Рисунок 9 - Внешние характеристики АГ при различных емкостях возбуждения

Для того чтобы оценить стабилизирующие свойства асинхронного генератора с шестью фазными зонами проведен сравнительный эксперимент. К А!" подключалась однофазная нагрузка со схемами серийной обмотки звездой, автотрансформаторной звездой и с шестизонной обмоткой.

Эксперимент показал, что при подключении однофазной электроплиты -1,1 кВт отклонение напряжение от номинального значения соответственно составило: -19,8 %, -10,8 % и -7,9 %. (рисунок 10).

щ

--- а)

> 0,2 0 ч 0 4 ад 1 Т6> 14

\

\

\

0 ! 0 1 2 1

\ а)

\ 6)

V

V

Рн.кВт

Рн.кВт

Рисунок 10 - Зависимость отклонения напряжения от подключаемой однофазной мощности на фазе В с шестизонной обмоткой а); соединением автотрансформ аторной обмотки звездой, б); соединением серийной обмотки звездой, в)\ емкость возбуждения соответственно 38д,16т и 160т мкф

Рн.кВт

Это свидетельствует, что стабилизация напряжения при однофазной нагрузке АГ с шестизонной обмоткой выше на 2,9 % чем с автотрансформатор ной обмоткой и на 11,9 % при использовании серийной обмотки.

Для проверки сходимости математической модели расчетные зависимо ста отклонения напряжения от подключаемой однофазной мощности к асин хронному генератору с обмоткой соединенной звездой и шестизонной обмот кой, емкость возбуждения соответственно 160 и 38 мкФ, сравнивались с экспе риментально полученными - сходимость результатов до 4 %. (рисунок 11).

В математической модели рассчитаны коэффициенты нулевой и обратной последовательности. Результаты расчета показали, что при использовании ше стизонной обмотки, в сравнении с автотрансформаторной обмоткой, эти коэффициенты меньше на 6 %. С серийной обмоткой, соединенной звездой, это значение достигает 17,5 %. Экспериментально получены данные коэффициентов нулевой и обратной последовательности на выводах В1-В2-ВЗ, которые не превышают 4 % при подключении однофазной нагрузки на выводы В1-НЗ, В2-Н1, ВЗ-Н2 мощностью до 0,8 кВт.

Рисунок 11 - Отклонени напряжения от подключаемой однофазной нагрузки с шести зонной обмоткой по данным опыта, а) и расчетным путем, б), емкость возбуждения 38 мкФ

Рн.кВт

В четвертой главе определены показатели экономической эффективности от внедрения асинхронного генератора с шестизонной обмоткой статора автономного источника в почвенпо-экологическую лабораторию. При сотрудничестве разработчиков с серийным производителем с учетом кредита в 900 тыс. руб. чистый дисконтированный доход составит 300 тыс. руб. при норме дисконта 15% и уровне инфляции 8 %.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Получены графики нагрузок выбранного электрифицированного оборудования почвенно-экологической лаборатории, которые показывают возможные случайные включения нагрузки. По этим данным, в соответствии с принципом практической уверенности, с вероятностью более чем 0,05 максимальная мощность однофазной нагрузки не превышает 3,2 кВт, а наиболее вероятная мощность однофазной и трехфазной нагрузки составляет 2,5 кВт.

2. Разработана методика повышающая точность расчета и получено свидетельство на программу для ЭВМ по определению оптимальной мощности асинхронного генератора при случайной переменной нагрузке, создаваемой электрооборудованием почвенно-экологической лаборатории.

3. Получена математическая модель асинхронного генератора с серийной, автотрансформаторной и шестизонной обмоткой. Компьютерное моделирование показало, что в нагружаемой фазе до 0,9 кВт наблюдается отклонение напряжения со схемой серийной обмотки: до - 25,4 %, с автотрансформаторной обмоткой: до - 7,1 % и с шестизонной обмоткой: до - 3,0 %.

4. Разработана новая шестизонная обмотка для рационального использования габарита электрической машины, обеспечивающая максимальную загрузку асинхронного генератора с нормированным качеством электрической энергии при питании однофазного и трехфазного электрооборудования. Установлено, что при подключении однофазной нагрузки мощностью 1,1 кВт отклонение напряжения с этой обмоткой ниже на 2,9 % в сравнении с автотрансформаторной обмоткой и на 11,9 % в сравнении с серийной обмоткой.

5. Определены основные параметры экспериментальной шестизонной че-тырехполюсной двухслойной обмоткой на базе асинхронного двигателя 4А10084 с длиной статора 1=110 мм.: ширина фазной зоны 120° с диаметральным шагом у = 9, обмоточный коэффициент к в=о,й37, соотношение ЭДС на

выводах Е1!Е2=&.

6. Экспериментальные исследования показали сходимость теоретических и экспериментальных данных: при однофазной нагрузке 1,1 кВт отклонение

19

напряжения в нагружаемой фазе с шестизонной обмоткой - 3 %, а эксперимен тально получено значение - 7,9 %. При подключении несимметричной трех фазной нагрузки обшей мощностью 2413 Вт и емкостью возбуждения 60 мк получено отклонение напряжения на трехфазных выводах генератора из опыт - до 7%, из расчета - до 5,4 %.

7. Получены новые технические решения для стабилизации напряжени асинхронных генераторов (патент RU № 2356709, 2457612); генераторны установки и источники питания (патент RU № 2332772, 2332773, 2332779 2336151); новая схема двухполюсной статориой обмотки (патент R № 2475927).

8. Технико-экономическое обоснование эффективности применен! асинхронного генератора с шестизонной обмоткой для питания элекгрообору дования почвенно-экологической лаборатории показало, что при серийноь производстве таких автономных источников и затратах на НИОКР в 1126 тыс руб., чистый дисконтированный доход составляет 300 тыс. руб., срок окупаемо ста - 3,04 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Статьи в журналах из перечня ВАК

1. Баракин Н.С. Методика определения электромеханических характерней асинхронного генератора / Н.И. Богатырев, Я.А. Ильченко, Н.С. Баракин, А.В Вронский // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2008. - №6. С. 20-21.

2. Баракин Н.С. Методика расчета автономного источника на повышенную ча стоту тока / Н.И. Богатырев, Я.А. Ильченко, Н.С. Баракин, А.О. Григораш Труды Кубанского государственного аграрного университета. - Вып. № 1(10). Краснодар, 2008. - С. 209-215.

3. Баракин Н.С. Структурный анализ сельскохозяйственных электротехнологи чееккх установок и выбор источников для их автономного электропитания Н.И. Богатырев, A.C. Оськина, Я.А. Ильченко, Н.С. Баракин, A.B. Вронский

Труды Кубанского государственного аграрного университета. - Вып. № 6(21). -Краснодар, 2009. - С. 22 -232.

4. Баракин Н.С. Методика расчета и результаты лабораторных испытаний асинхронного генератора с модулированной обмоткой статора / Н.И. Богатырев, О.В. Вронский, Я. А. Ильченко, Н.С. Баракин — Труды Кубанского государственного аграрного университета -Вып.№3(24).-Краснодар, 2010.-С. 164-168.

5. Баракин Н.С. Асинхронные генераторы для питания сварочной дуги / Н.И. Богатырев, A.C. Креймер, Н.С. Баракин // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2011. - №73(09). - Шифр Информреги-стра: 0421100012\0360. - Режим доступа: http://ei.knbagro.ru/2011/ 09//pd(752./p28. asp

6. Баракин Н.С. Синтез обмоток статора для асинхронных генераторов и двигателей / Н.И. Богатырев, В.Н. Ванурин, Н.С. Баракин, Д.Ю. Семернин // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2011. -№74(10). - Шифр Информрегистра: 04201000012/0116. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/201 l/10//pdf/74./p26. asp.

7. Баракин Н.С. Исследование асинхронного генератора / В.Н. Ванурин, Н.И. Богатырев, Н.С. Баракин, Д.Ю. Семернин // Техника в сельском хозяйстве. -2013. -№5.-С. 29-31.

Статьи в сборниках научных трудов, материалах научных конференций и

прочие публикации

8. Баракин Н.С. Обоснование многофункционального автономного источника с синхронным генератором / Н.С. Баракин // Научное обеспечение агропромышленного комплекса: Материалы I Всероссийской науч. - практ. конф. молодых ученых. - Краснодар, 2007. - С. 299-300.

9. Баракин Н.С. Источники питания сварочной дуги с асинхронными генераторами / Н.И. Богатырев, Н.С. Баракин, Я.А. Ильченко // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве: Труды VI Междунар. науч. - техн. конф. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008. - С. 277-282.

10. Баракин Н.С. Выбор системы автономного электропитания для мобиль ных электротехнологических установок в растениеводстве / Н.И. Богатыре Н.С. Баракин, A.B. Вронский, С.А Шмагайло // Технические и технологически системы: Материалы междунар. науч. техн. конф. -Краснодар,2009.-С. 140-145.

11. Баракин Н.С. Анализ и обоснование новой схемы инверторного истопник питания сварочной дуги / Н.С. Баракин, Н.И. Богатырев // Научное обеспечени АПК: Материалы ТП Всероссийской науч.- практ. конф. молодых ученых. Краснодар, 2009. - С. 329-330.

12. Баракин Н.С. Новые схемы генераторов для ветро- и гидроэлектростан ций малой мощности / Н.И. Богатырев, Н.С. Баракин, Я. А. Ильченко, М.И. По тешин: Материалы Международного агропромышленного конгресса. СПб.: Ле нэкспо - С. 78.

13. Баракин Н.С. Обоснование системы автономного электропитания мо бильных электротехнологических установок для защиты садов. / Н.И. Богаты рев, Н.С. Баракин, П.П. Екименко, Я.А. Ильченко // Технические и технологи ческие системы: Материалы междунар. науч. техн. конф. — Краснодар, 2009. С. 145-149.

14. Баракин Н.С. Многофункциональный источник питания электротехноло гических установок в АПК / Н.С. Баракин, Н.И. Богатырев // Журнал: Универ сигет: наука, идеи и решения. - Краснодар: КубГАУ, 2010. - №2- С. 125 - 126.

15. Баракин Н.С. Элементы систем автономного электроснабжения мобиль ных электротехнологических процессов в АПК / НИ. Богатырев, П.П. Екимен ко, Я. А. Ильченко, Н.С. Баракин // Новые технологии в сельском хозяйстве пищевой промышленности с использованием электрофизических факторов \ озона: Сборник научных трудов по материалам всероссийской науч.- практ конф. - Ставрополь, 2010. - С. 3-10.

16. Баракин Н.С. Автономный источник с асинхронным генератором для про ведения анализа почвы в полевых условиях / Н.С. Баракин, О.Н. Ковалева / Научное обеспечение АПК: Материалы V Всероссийской науч. - практ. конф молодых ученых. - Краснодар, 2011. - С. 401-403.

17. Баракин Н.С. Работа асинхронного генератора параллельно с сетью / Н.И. Богатырев, Н.С. Баракин, Д.Ю. Семернин и др. // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве: Сборник научных трудов по материалам международной науч.- пракг. конф. - М.: 2012. - С. 162 - 168.

18. Баракин Н.С. Результаты лабораторных исследований АГ с двухслойной обмоткой и шириной фазной зоны 120° / Н.И. Богатырев, Н.С. Баракин, Д.Ю. Семернин, В.Н. Ванурин // Актуальные проблемы энергетики АПК: Материалы IV Международной науч.-практ. конф. - Саратов, 2013. - С. 19-24.

19. Баракин Н.С. Обоснование генератора для системы автономного электроснабжения / Н.И. Богатырев, Н.С. Баракин, М.И. Потешин // Технические и технологические системы: Материалы V Международной науч.- практ. конф. -Краснодар, КубГАУ, 2013. - С. 21-25.

20. Патент RU 2332772, МГТС Н02К 19/38 Синхронный генератор / Богатырев Н.И., Григораш О.В., Баракин Н.С. и др. заявитель и патентообладатель КубГАУ. -№ 2007120543; Заявл. 01.06.07; Опубл. 27.08.08; Бюл. № 24. - 5 с.

21. Патент RU 2332773, МПК Н02К 19/38 Автономный бесконтактный синхронный генератор / Богатырев Н.И., Ванурин В.Н., Григораш А.О., Баракин Н.С. заявитель и патентообладатель КубГАУ. - № 2007120541/09 (022374); Заявл. 01.06.07; Опубл. 27.08.08; Бюл. № 24. - 4 с.

22. Патент RU 2332779, МПК Н02Р 9/46 Автономный источник электрической энергии / Богатырев Н.И., Ванурин В.Н., Ильченко Я.А., Баракин Н.С., Григораш А.О. заявитель и патентообладатель КубГАУ. - № 2007120542; Заявл. 01.06.07; Опубл: 27.08.08; Бюл. № 27. - 3 с.

23. Патент RU 2336151, МПК В23К 9/10 Автономный источник питания сварочной дуги / Богатырев Н.И., Ванурин В.Н., Ильченко Я.А., Баракин Н.С., Ковалев Д.Н. заявитель и патентообладатель КубГАУ. - № 2006146460; Заявл. 25.12.06; Опубл. 20.10.08; Бюл. № 29. -3 с.

24. Патент RU 2356709, МПК В23К 9/10 Источник питания сварочной дуги / Богатырев Н.И., Баракин Н.С., Вронский О.В., Власенко Е.А., Григораш А.О.

заявитель и патентообладатель КубГАУ. - № 2007142899/02; Заявл. 19.11.07 Опубл. 27.05.09; Бюл. № 15. - 6 с.

25. Патент RU 2373630, МПК Н02Р 9/46 Устройство для регулирования i стабилизации напряжения автономного асинхронного генератора / Богатыре Н.И., Баракин Н.С., Вронский A.B. и др. заявитель и патентообладател КубГАУ. - № 2007140615; Заявл. 31.03.08; Опубл. 20.11.09; Бюл. № 32. - 7 с.

26. Патент RU 2429193, МГГК С01В 13/11 Озонатор / Богатырев Н.И., Григу лецкий В.Г., Баракин Н.С. и др. (РФ) заявитель и патентообладатель КубГАУ. № 2010101429; Заявл. 18.01.2010; Опубл. 20.09.11; Бюл. № 26. - 8 с.

27. Патент RU 2447015, МПК С01В 13/11 Устройство для производства озон / Богатырев Н.И., Баракин Н.С., Вронский О.В. и др. (РФ) заявитель и патенто обладатель КубГАУ. -№ 2009129801; Заявл. 03.08.2009; Опубл. 10.04.12; Бюл № 10.-7 с.

28. Патент RU 2457612, МПК Н02Р9/46 Устройство для регулирования и ста бшгазации напряжения многофункционального автономного асинхронного ге нератора / Богатырев Н.И, Баракин Н.С., Григораш А.О. и др. (РФ) заявитель г патентообладатель КубГАУ. - № 2011110023; Заявл. 16.03.2011; Опубл 27.07.2012; Бюл. № 21. - 7 е.: ил.

29. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВ №2012615763 Расчет мощности генератора по вероятности подключения элек трических нагрузок / Богатырев Н.И., Баракин Н.С., Нетребко Д.С. (РФ) заяви тель и патентообладатель КубГАУ - № 2012613255; Заявл. 24.04. 2012; зареги стрировано в Реестре программ для ЭВМ 22.06.2012.

30. Патент RU 2475927, МПК Н02К 17/14 Двухполюсная статорная обмотк асинхронного генератора / Богатырев Н.И., Ванурин В.Н., Баракин Н.С. и др. (РФ) заявитель и патентообладатель Кубанский госагроуниверситет. - N 2010131644; Заявл. 27.07.10; Опубл. 20.02.2013; Бюл. №5.-7 с.

31. Barakin N.S. "Calculation method and laboratory test results for the inductio generator with modulated stator winding", / N.I. Bogatyrev, O.V. Vronsky, Ya.A. llchenko., N.S. Barakin // Kybernetik® - 2013. - № 10. - С. 28-35.

Подписано к печати 21.04.2014 г. Бумага офсетная Печ. л. 1 Тираж 100 экз.

Формат 60x84 Чц Офсетная печать Заказ №281

Отпечатано в типографии Кубанского ГАУ 350044, Краснодар, ул. Калинина, 13.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ФГБОУ ВПО Кубанский ГАУ)

На правах рукописи

л "> Г» 1 /.¿ЛГИ и «44. О 1 -гиии 1 и

БАРАКИН Николай Сергеевич

ПАРАМЕТРЫ ОБМОТКИ СТАТОРА И РЕЖИМЫ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА, ПОВЫШАЮЩИЕ КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПОЧВЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ

Специальность: 05.20.02. - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -заслуженный изобретатель РФ, кандидат технических наук, доцент Богатырев Н.И.

Краснодар 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................. 4

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДА ЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ..................... 11

1.1 Выбор электрооборудования почвенно-экологической лаборатории и анализ его установленной мощности............................................... 11

1.2 Анализ существующих автономных источников, применяемых в АПК... 20

1.3 Существующие методы и схемы стабилизации напряжения асинхронных генераторов...............................................................................................................24

1.4 Современный уровень развития технических и электротехнологических показателей статорных обмоток асинхронных генераторов....... 31

1.5 Выводы, обоснование рабочей гипотезы, цель работы и задачи исследования..............................................................................................................................................................36

2 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРА ТОРА

С ШЕСТИЗОННОЙ ОБМОТКОЙ СТА ТОРА...................................... 38

2.1 Математическая модель асинхронного генератора с серийной обмоткой статора при включении несимметричной нагрузки............................38

2.2 Синтез схемы шестизонной обмотки статора асинхронного генератора....................................................................................................................................................................58

2.3 Математическая модель асинхронного генератора с шестизонной обмоткой статора при включении несимметричной нагрузки.............. 66

2.4 Выводы по второй главе................................................................. 73

3 РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ И ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРА ТОРА С ШЕСТИЗОННОЙ ОБМОТКОЙ...... 74

3.1 Оценка степени стабилизации напряжения асинхронного генератора с серийной, автотрансформаторной и шестизонной обмоткой статора. 74

3.2 Методика и результаты испытания асинхронного генератора с шестизонной обмоткой статора.................................................... 83

3.3 Выводы по третьей главе............................................................... 102

4 ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С ШЕСТИЗОННОЙ ОБМОТКОЙ СТАТОРА В АВТОНОМНОМ ИСТО ЧНИКЕ ПИТАНИЯ.........................................103

4.1 Экономическая эффективность внедрения асинхронного генератора с шестизонной обмоткой статора в автономном источнике при проведении полевого почвенного обследования......................................................................103

4.2 Выводы по четвертой главе............................................................ 114

ВЫВОДЫ................................................................................... 115

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................. 117

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................... 131

А Перечень электрооборудования почвенно-экологической лаборатории.... 132

Б Технические характеристики электроагрегатов................................ 133

В Результаты испытания синхронных генераторов.............................. 136

Г Методика расчета обмоток статора для определения степени размаг-

ничивания от тока ротора......................................................................................................139

Д Справочные данные базового двигателя 4А10034................................ 152

Е Результаты расчета степени размагничивания генератора от тока

ротора при определенном воздушном зазоре...................................... 153

Ж1 Результаты исследования асинхронного генератора в двигательном

режиме...................................................................................... 154

Ж2 Результаты исследования асинхронного генератора в генераторном

режиме с самовозбуждением.......................................................... 156

И Регрессионный анализ внешних характеристик асинхронного генератора ......................................................................................... 172

К Копии актов, патентов и свидетельств на программные продукты...... 177

ВВЕДЕНИЕ

Территория Западного Предкавказья является уникальным природным объектом и крупной многоотраслевой частью Северо-Кавказского экономического района Российской Федерации. Краснодарский край, располагая лишь 3 % сельскохозяйственных угодий России, производит 16% зерна озимой пшеницы, 40 % зерна озимого ячменя, 24 % зерна кукурузы, 50 % риса, 30 % подсолнечного масла, 25 % сахара [43].

Сохранение и увеличение показателей плодородия сельхозугодий является не только приоритетной задачей Краснодарского края, но и государственной задачей РФ. В связи с этим разработана нормативная база в виде постановлений правительства [136], [135] и концепции развития сельских территорий [137].

В этих правовых актах определена необходимость проведения комплексного государственного мониторинга сельскохозяйственных земель с целью предотвращения выбытия из севооборота земель сельскохозяйственного назначения, сохранения и вовлечения их в сельскохозяйственное производство, обеспечения всех заинтересованных структур достоверной информацией о состоянии и плодородии сельскохозяйственных земель и их фактическом использовании [81].

Использование данных агрохимического обследования полей позволяет определять потребность почв в основных элементах минерального питания, содержание гумуса по полям и другие показатели плодородия в соответствии с рекомендациями [61] по хозяйствам и в целом по району, и с учетом этого планировать потребность в минеральных удобрениях на текущий год [66].

Улучшение качества почвы, сокращение сроков проведения почвенного мониторинга, ведущего к сокращению стоимости обследования, невозможно без применения новейшего электрооборудования, электроприборов и электроустановок. Для проведения почвенного мониторинга появляются новые электронные приборы и электрооборудование, а также портативные лаборатории, которые способны существенно сократить сроки проведения почвенного анализа, а в ряде случаев, выдать предварительные результаты в течение нескольких

часов. Без применения средств электромеханизации анализ почвы будет затруднен или невозможен. Возросшая оснащенность электрооборудованием почвенно-экологических лабораторий диктует новые требования к генераторам автономных источников электроэнергии. Необходимость в применении нового электрооборудования отмечалось многими учеными почвоведами [91, 93, 94].

Общеизвестно, что включение однофазных токоприемников к автономным трехфазным источникам соизмеримой мощности - это аномальный режим для генератора, требующий дополнительных исследования для определения оптимальной конструкции обмотки статора и системы возбуждения. Многими исследователями доказывались очевидные преимущества применения асинхронных генераторов в полевых условиях: ремонтопригодность, повышенные эксплуатационные характеристики в сравнении с синхронными генераторами, низкий коэффициент несинусоидальности напряжения [6, 7, 10, 16]. С учетом специфики электрооборудования почвенно-экологической лаборатории существует необходимость в разработке специального и надежного автономного источника электроэнергии с асинхронным генератором, который будет находиться в передвижной лаборатории и питать необходимое электрооборудование.

В связи с этим появляется ряд научных задач: определение режима и характера электрической нагрузки передвижной лаборатории, расчет максимальной мощности источника электроэнергии, анализа режима работы генератора, разработка схемы обмотки статора, проверка качества выходного напряжения генератора, определение системы возбуждения асинхронного генератора.

Работа выполнена по планам НИР Кубанского ГАУ ГР №01.2006.06851 -раздел 27.1 (2006 - 2010 г.); № ГР №01.2011.53641 раздел-27.4 (2011 -2015 г.).

Рабочая гипотеза - используя нагрузочную диаграмму подключений электрооборудования для технологического процесса анализа почвы в полевых условиях и учитывая требования к качеству электроэнергии для данного электрооборудования можно разработать асинхронный генератор автономного источника с особой конструкцией обмотки статора для электроснабжения однофазного и трехфазного электрооборудования почвенно-экологической лаборатории.

Целью работы является обоснование и разработка параметров обмотки статора асинхронного генератора, позволяющей рационально использовать габарит электрической машины и обеспечивающей максимальную загрузку асинхронного генератора с нормированным качеством электрической энергии при питании однофазного и трехфазного электрооборудования почвенно- экологической лаборатории для оперативных мониторинговых исследований почвы в полевых условиях.

Задачи исследования:

1. Определить состав электрооборудования для проведения исследования почвы в полевых условиях, смоделировать график электрических нагрузок почвенно-экологической лаборатории и обосновать параметры асинхронного генератора для автономного источника электропитания.

2. На основе современной матричной теории разработать шестизон-ную обмотку статора, позволяющую рационально использовать габарит электрической машины и обеспечивающую максимальную загрузку асинхронного генератора с нормированным качеством электрической энергии при питании однофазного и трехфазного электрооборудования почвенно-экологической лаборатории.

3. Разработать математическую модель асинхронного генератора и проверить ее работоспособность в пакете МаШСас! с серийной, автотрансформаторной и шестизонной обмоткой статора при включении несимметричной однофазной и трехфазной нагрузки.

4. Рассчитать, изготовить и провести лабораторные исследования экспериментального образца асинхронного генератора с шестизонной обмоткой и сравнить с характеристиками генератора с серийными обмотками.

5. Провести сопоставление теоретических и экспериментальных данных степени стабилизации напряжения асинхронного генератора с серийной, автотрансформаторной и шестизонной обмоткой статора.

6. Выполнить технико-экономическое обоснование эффективности применения асинхронного генератора с шестизонной обмоткой для питания

электрооборудования почвенно-экологической лаборатории.

Объект исследования - электрооборудование почвенно-экологической лаборатории, графики электрических нагрузок, асинхронный генератор с шес-тизонной обмоткой статора с конденсаторным возбуждением, схемы регулирования и стабилизации напряжения.

Предмет исследования - внешние и регулировочные характеристики асинхронных генераторов, электромагнитные и конструктивные параметры обмоток статора и их влияние на качественные характеристики асинхронных генераторов, компьютерные модели асинхронных генераторов.

Методы исследования базируются на теории электромеханики, системного анализа, математического и компьютерного моделирования, матричной теории формирования схем обмоток статора, на учете воздействия параметров обмоток статора и ротора на магнитное состояние асинхронных генераторов. Компьютерное моделирование выполнено в программных продуктах МаШСаё. Экспериментальные исследования асинхронных генераторов выполнены на запатентованном в Кубанском ГАУ на кафедре электрических машин и электропривода специальном испытательном стенде.

Научную новизну работы составляют:

1. Математические модели асинхронного генератора с серийной, автотрансформаторной и шестизонной обмотками статора для определения внешних характеристик при несимметричном подключении однофазной и трехфазной нагрузки.

2. Методика определения рациональной мощности асинхронного генератора по графикам электрических нагрузок при случайной однофазной и трехфазной переменной нагрузке, создаваемой электрооборудованием почвенно-экологической лаборатории.

3. Параметры шестизонной обмотки статора, полученные методом фазной модуляции, позволяющие рационально использовать габарит электрической машины и обеспечивающие максимальную загрузку асинхронного генератора с нормированным качеством электрической энергии при питании однофазных и

трехфазных электропотребителей.

Практическая значимость работы заключается:

- в результатах сравнительных испытаний существующих автономных источников с синхронными и асинхронными генераторами;

- в выборе электрифицированного лабораторного оборудования для проведения почвенного анализа в полевых условиях и инженерной методике расчета необходимой мощности автономного генератора по электрическим нагрузкам и установлению требований к автономному генератору (свидетельство на программный продукт №2012615763);

- в разработке методики расчета обмоток статора и их параметров с использованием емкости конденсаторов возбуждения с учетом размагничивающего действия короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного генератора, позволяющей проектировать новые и модернизировать существующие источники электроэнергии;

- в новых технических решениях для стабилизации напряжения асинхронных генераторов (патент №2356709, 2457612); генераторных установках и источниках питания (патент № 2332772, 2332773, 2332779, 2336151, 2356709); новой схеме двухполюсной статорной обмотки (патент № 2475927);

- в экспериментально полученных внешних и регулировочных характеристиках образцов асинхронного генератора с шестизонной обмоткой для рационального использования габарита асинхронного генератора, адаптированного для питания трехфазного и однофазного электрооборудования почвенно- экологической лаборатории;

- в технико-экономическом обосновании эффективности применения асинхронного генератора с шестизонной обмоткой для питания электрооборудования почвенно-экологической лаборатории.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований реализованы в экспериментальных образцах асинхронных генераторов. Материалы исследований применяются в учебном процессе на факультете энергетики и электрификации КубГАУ и научной деятельности Краснодарского научно- ис-

следовательского института риса (ГНУ ВНИИ риса).

Апробация работы. Основные положения и выводы диссертации доложены и одобрены на ежегодных научных конференциях факультета энергетики и электрификации КубГАУ (2007 - 2013 гг.); на ежегодных Всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (2008 - 2013 гг.); на 6-й Международной научно-практической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» ГНУ ВИЭСХ, Москва - 2008, Международном конгрессе, Санкт- Петербург, 2009 г., Всероссийских научно-практических конференциях, г. Ставрополь, 2010 и 2012 гг.

Материалы исследований отмечены дипломом II степени краевого конкурса «Олимп науки» на лучшую научную и творческую работу среди аспирантов, соискателей высших учебных заведений Краснодарского края за 2009 год; дипломами II и I степени соответственно на II и III, VI, VII Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» - Краснодар, 2008 и 2009, 2012, 2013 годы; дипломом за 2 место по номинации «Технические науки» II тура Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Краснодарского края, Зерноград, 2010 г., на XIII Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед - 2010» награждены золотой медалью.

Публикации результатов работы. Основные положения работы опубликованы в 31 печатной работе, в том числе 12 патентах РФ на изобретения и одном свидетельстве на программный продукт.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения с обоснованием задач исследований, 4 глав, основных выводов по работе, списка литературы, включающего 171 наименование и приложения. Общий объем диссертации составляет 130 страниц машинописного текста, включая 86 рисунков, 15 таблиц, 61 страниц приложений.

На защиту выносятся:

- математические модели асинхронного генератора с серийной, автотрансформаторной и шестизонной обмотками статора для определения внешних характеристик при несимметричном подключении однофазной и трехфазной нагрузки;

- методика определения рациональной мощности асинхронного генератора по графикам электрических нагрузок при случайной однофазной и трехфазной переменной нагрузке, создаваемой электрооборудованием почвенно- экологической лаборатории;

- результаты математического анализа МДС известных схем обмоток статора и разработка шестизонной обмотки, позволяющей рационально использовать габарит эле�