автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Асинхронный генератор с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками для автономных систем электроснабжения

На правах рукописи

/

Попов Андрей Юрьевич

АСИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР С УЛУЧШЕННЫМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ДЛЯ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность: 05.09.03- Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар - 2012

005020045

005020045

Работа выполнена в филиале Военного учебно-научного центра Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия» Научный руководитель: кандидат технических наук,

профессор Божко Сергей Владимирович Официальные оппоненты: Атрощенко Валерий Александрович,

доктор технических наук, профессор, КубГТУ (г. Краснодар), декан факультета КГАСиЗИ, зав. кафедрой информатики; Шарифуллин Сергей Равильевич, кандидат технических наук, доцент, филиал ВАС (г. Краснодар), начальник кафедры криптографических средств защиты информации и математических основ криптологии Ведущая организация : Ф Г О У ВПО «Кубанский государствен-

ный аграрный университет» ( г. Краснодар)

Защита диссертации состоится «4» мая 2012 г., в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.100.06 при КубГТУ по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Старокубанская, 88/4, ауд. 410.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета по адресу: г. Краснодар, ул. Московская, 2.

Автореферат разослан «19» марта 2012 г. Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На современном этапе развития страны, высокие темпы роста производства, ведут к непрерывному повышению потребления электроэнергии. Кроме того, в настоящее время интенсивно развиваются компьютерные системы связи и обработки информации, автоматические системы управления технологическими процессами и производственными комплексами. Поэтому актуальным является вопрос разработки резервных (аварийных) источников электроэнергии для обеспечения бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей.

Эксплуатируемые в настоящее время автономные источники электроэнергии (АИЭ) имеют относительно низкие эксплуатационно-технические характеристики (ЭТХ). Так, при мощностях генераторов, находящихся в пределах 20 - 30 кВ-А, их КПД не превышает 60%, а наличие жестких требований по обеспечению постоянства частоты вращения ротора генератора приводит к усложнению аппаратуры, и следовательно, снижению надежности в работе и понижению КПД.

В диссертационной работе предлагается один из путей улучшения ЭТХ автономных систем электроснабжения (АСЭ) за счет применения в качестве источника электроэнергии переменного тока бесконтактного асинхронного генератора (АГ) с емкостным возбуждением.

Целыо диссертационной работы является улучшение эксплуатационно-технических характеристик бесконтактного асинхронного генератора для автономных систем электроснабжения за счет

улучшения формы магнитного поля генератора и применения высокоэффективных стабилизаторов напряжения.

Объектом исследования является бесконтактный асинхронный генератор с емкостным возбуждением и его стабилизатор напряжения.

Предметом исследования являются внешние и регулировочные характеристики, а также критерии эффективности (массогабаритные показатели, потери и КПД) асинхронного генератора с учетом специфики работы и электропитания в автономных системах электроснабжения.

Методы исследования. Использованы теория электрических цепей, теория электрических машин и статических преобразователей электроэнергии, а также матричная теория формирования статорных обмоток электрических машин.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается совпадением результатов теоретических расчетов и экспериментальных исследований.

Научную новизну работы составляют:

1. Устройство стабилизации напряжения бесконтактного асинхронного генератора с емкостным возбуждением.

2. Методика расчета оптимальных статорных обмоток асинхронного генератора для автономных систем электроснабжения с учетом специфики нагрузочных характеристик потребителей.

3. Методика упрощенного расчета критериев эффективности асинхронного генератора для автономных систем электроснабжения на этапе проектирования с учетом нагрузочных характеристик.

Практическую значимость работы составляют:

1. Результаты анализа способов и устройств регулирования магнитного потока асинхронных генераторов для автономных систем электроснабжения.

2. Экспериментально полученные внешние характеристики асинхронного генератора с емкостным возбуждением с учетом режимов работы.

3. Макетный образец и система управления высокоскоростного асинхронного генератора с емкостным возбуждением.

4. Методика исследования высокоскоростного генератора при постоянной и переменной частоте вращения приводного двигателя на всех режимах функционирования.

На защиту выносится:

1. Устройство стабилизации напряжения бесконтактного асинхронного генератора с емкостным возбуждением, при широком диапазоне изменения величины и характера потребителей.

2. Методика расчета оптимальных стагорных обмоток асинхронного генератора.

3. Методика упрощенного расчета критериев эффективности асинхронного генератора на этапе проектирования.

Реализация результатов работы.

Результаты исследований асинхронного генератора внедрены в учебном процессе филиала ВУНЦ ВВС «ВВА» (г. Краснодар) и в Кубанском государственном университете (г. Краснодар) при изучении дисциплины «Электрические машины».

Материалы по разработке высокоэффективного АГ для бортовых систем электроснабжения использованы в отчете НИР №31205 «САЭ-АКС-ДЭМ» филиала ВУНЦ ВВС «ВВА» (г. Краснодар).

Личный вклад автора заключается в предложении новой конструкции стабилизатора напряжения, в разработке методик расчета оптимальных статорных обмоток и показателей эффективности асинхронного генератора.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8 международных и российских научно-практических конференциях, в том числе: в Краснодарском ВВАУЛ (2009-2011 гг.), в г. Екатеринбурге на Международной АПК в 2010 г., на российских НПК в г. Ставрополе и Саратове в 2011 г., на Международной НПК в Кубанском ГТУ (г. Краснодар) в 2011 г., на Международной НПК в Волгоградской ГСХА в 2011 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано: 21 научная работа, включая одну монографию, 5 статьей в изданиях, рекомендованных ВАК. Общий объём публикаций составляет 6,3 п.л., из которых 4,4 п.л. принадлежит лично автору.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников, включающего 110 наименований и приложения. Общий объем диссертации составляет 157 страниц, включая 56 рисунков и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, представлена её общая характеристика, сформулированы научная новизна и практическая значимость.

В первой главе рассмотрены структурные схемы, технические характеристики бортовых систем электроснабжения (БСЭС). Раскрыты основные недостатки АИЭ, а также современные требования, предъявляемые к АИЭ.

Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы задачи исследований:

1. Провести анализ технических решений устройств стабилизации напряжения бесконтактных АГ.

2. Разработать устройство стабилизации напряжения АГ с улучшенными техническими характеристиками.

3. Проанализировать методы формирования статорных обмоток АГ, позволяющие снизить эффект размагничивания генератора при работе с активно - индуктивной нагрузкой.

4. Обосновать оптимальные схемы статорных обмоток АГ на частоту тока 400 Гц и разработать методику их расчета.

5. Провести расчет показателей эффективности и параметров асинхронного генератора.

6. Экспериментально подтвердить эффективность АГ с емкостным возбуждением на частоту тока 400 Гц с предложенным техническим решением статорных обмоток.

Во второй главе рассмотрены недостатки и достоинства известных способов и устройств, их. реализующих, по регулированию основного магнитного потока автономного АГ.

Разработано устройство автоматического регулирования и стабилизации напряжения бесконтактного АГ (рис.1).

А В С

Рисунок 1 - Функциональная схема силовой части стабилизатора напряжения: Блок электронных ключей БЭК1-БЭКЗ; блоки конденсаторов возбуждения КВ и компенсации реактивной мощности нагрузки КК1-ККЗ; блок управления БУ

На рис.2 приведена схема блока управления. Трёхфазные электронные ключи стабилизатора подключают конденсаторы к статорным обмоткам АГ при переходе коммутирующего напряжения через ноль, поэтому отсутствуют высшие гармоники токов и напряжений, что позволяет улучшить параметры генерируемой электроэнергии, а также уменьшить коммутационные перенапряжения и помехи.

Рисунок 2 - Функциональная схема блока управления: 11, 12, 13 -оптронные входы электронных ключей (рис.1); 14 - трёхфазный выпрямитель; 15 - конденсатор фильтра; 16 переменный резистор; 17-22 - компараторы; 23 - 27 - делители напряжения; 28 - источник опорного стабильного напряжения; 29 - дешифратор

В третьей главе показано, что одним из универсальных способов формирования статорных обмоток является матричная теория их формирования. Предложено для анализа МДС статорных обмоток АГ применить диаграммы Гёргеса, которые позволили провести корректировку расчетов индуктивных сопротивлений статорных обмоток генератора и рассчитать значения коэффициента дифференциального рассеяния, характеризующего качество МДС.

В предложенной методике расчета оптимальных статорных обмоток АГ диаграмма Гёргеса строится по сетке, линии которой отображают фазу токов в сторонах катушек. За условное число пазов

статора принимаем число сторон катушек с принятым за единицу эффективным числом проводников.

Для двухслойной двухполюсной обмотки (коС, = 0,87) с 72 сторонами катушек с одинаковым числом эффективных проводников (при 72 условных пазах статора, рис. 3):

ИШЫЗЗЭООООЭАМАААЕЕШ^^

Магнитное поле основной гармоники наводит в стержнях т2 = 2г фазной роторной обмотки синусоидальные ЭДС. Ток стержня ¡2 создаёт МДС стержня ротора (рис. 4) из множества гармоник р

0Э©000©ААААДА[

ЗЭОеОООМААМЕШНШ]

Рисунок 3 - Диаграмма Гёргеса двухслойной обмотки

Л Р^р

(1)

2

Рисунок 4 - МДС стержня ротора и её первые гармоники

Токи стержней роторной обмотки с фазовым сдвигом <рг = 2л р / 22 при смещении стержней на угол а2=7л IZ2 образуют МДС роторной обмотки

VI/2 . - 1 / * 1

Г<2 =-г- sin(<y/ - m2p2 —sin р(а - т2аг) = —-> > —

л %Р 2 л ,tta%p

г,-1

cos| cot - ра - 2лтг ——-

-cos| а! + ра - 2к тг

Z,

МДС роторной обмотки содержит только гармоники

р = сХг ±р (2)

где с = 0, 1,2.

Для них

_ m2-J2/2w2 ^ 1 г /^^чт (3)

z ~~ 2, 7 о. cos[т-{сгг±р)а]. V

л ~0cZ2± р

МДС основной гармоники при скошенных пазах ротора

т2^212н',коГ>2 /4)

F2 =—*-i—- ' г cos (со! - ра). v'

л р

Таким образом, основной гармонике р МДС статорной обмотки отвечают гармоники МДС роторной обмотки р = с2г ± р, среди которых р = р является основной гармоникой, а остальные — зуб-цовые роторные гармоники. Любой другой гармонике МДС статорной обмотки v отвечают гармоники МДС роторной обмотки р— v и р = cZ2 ± V. Эти рассуждения позволили провести корректировку расчета индуктивного сопротивления двухслойной статорной обмотки, роторной обмотки и коэффициента дифференциального расширения:

. . у? .1 3/7 + 1 3/3-1 я О ^

*1 = ( , + 0,57 - ) + тлх , ^

р ц 4 2 2р

где сопротивление взаимной индукции для основной гармоники определяется по формуле:

х = Е = 2 Г т^ОЬ'гк'"' * (6)

,,= 2*Ш1 + 2/. —+Гм

где Д., ¿к. и средний диаметр, высота, ширина и длина элемента замыкающих колец.

Коэффициент дифференциального рассеяния

т г (8)

Т2д ~--1 "

2 ,, „ . яр 2

(¿„м^т-р-)

2

В четвертой главе определено, что при проектировании бесконтактных генераторов электроэнергии для автономных систем, привод которых осуществляется от высокоскоростных приводных двигателей (ВПД) с частотой вращения ротора 6000 об/мин и более, вводятся ограничения, связанные с:

- максимальными электромагнитными нагрузками (линейной нагрузкой А и Магниткой индукцией в воздушном зазоре В^);

- геометрическими размерами активной части машины, как основного элемента электропривода;

- предельными скоростями электропривода, определяемыми его прочностью.

Показано, что для повышения эффективности

проектирования АГ на начальных этапах проектирования необходимо проводить предварительную оценку основных критериев эффективности АГ (массогабаритные показатели, потери, К! 1Д и показатели надежности). Предложена упрощенная методика расчета критериев эффективности. Полученные графические зависимости между основными параметрами АГ могут использоваться для предварительной оценки возможностей применения различных типов бесконтактных машин на начальных этапах проектирования для заданных условий эксплуатации, т.е. в составе конкретных структурных решений автономной СЭС.

На рис. 5 приведена схема разработанной статорной обмотки

АГ.

Рисунок 5 - Схема восьмиполюсной статорной обмотки АГ

Экспериментальные исследования опытных образцов АГ повышенной частоты тока с конденсаторным возбуждением проведены на специализированном стенде.

На рис. 6 приведена функциональная схема испытательного стенда, а на рис. 7 - фотография силовой части.

Рисунок 7 - Фотография испытательного стенда

В результате исследований получено семейство внешних характеристик АГ'(рис. 8).

Экспериментальные исследования подтвердили теоретические расчеты. При изменениях тока нагрузки от нуля до номинальных значений, при коэффициенте мощности соз<р = 0,85, фазное

напряжение АГ изменялось в пределах ± 3% от номинального значения. При коммутации конденсаторов, обеспечивающих компенсацию реактивной мощности нагрузки, в момент перехода синусоидального напряжения через ноль, практически исключаются перенапряжения на полупроводниковых приборах и нагрузке.

Рисунок 8 - Внешняя характеристика АГ

Расчеты показали, что если уменьшить число пар полюсов АГ с 4 до 2, и увеличить скорость вращения ротора с 6000 об/мин до 12000 об/мин, число витков в обмотке уменьшится практически в два

раза, а сечение возрастет примерно в два раза. При заданных ранее плотностях тока (8 А/мм2) и увеличении до 16 А/мм2 мощность генератора также возрастет в два раза. При этом несколько снизится КПД генератора за счет дополнительных механических потерь и электрических потерь в роторе.

Кроме того, увеличение линейной нагрузки приводит к уменьшению габаритных размеров АГ, но в этом случае необходимо вводить интенсивное охлаждение статорных обмоток.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Результаты исследований, содержащихся в диссертационной работе, представляют собой разработку теоретических положений, совокупность которых, позволит создавать трехфазные стабилизаторы напряжения с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками для бесконтактных генераторов автономных систем электроснабжения.

Научно-исследовательская работа позволила получить необходимые результаты и сделать следующие выводы:

1. Проведен анализ технических решений, характеристик и режимов работы АСЭ, а также эксплуатируемых генераторов электроэнергии переменного тока. Раскрыты их основные недостатки, а также современные требования, предъявляемые к АИЭ. Предложено в качестве АИЭ АСЭ применить бесконтактный АГ с емкостным возбуждением.

Однако, на характеристики АГ, применяемых в автономных системах, существенное влияние оказывает эффект размагничивания

при работе на активно-индуктивную нагрузку, и, кроме того, системы стабилизации напряжения имеют относительно низкие технические характеристики. В связи с этим сформулированы цель и задачи исследований.

2. Рассмотрены недостатки и достоинства известных способов, в том числе функциональных схем, их реализующих, по регулированию основного магнитного потока автономного АГ.

Разработано устройство автоматического регулирования и стабилизации напряжения автономного бесконтактного АГ. Трёхфазные электронные ключи стабилизатора подключают конденсаторы к статорным обмоткам генератора при переходе коммутирующего напряжения через ноль, поэтому отсутствуют высшие гармоники токов и напряжений, что позволяет улучшить параметры генерируемой электроэнергии, а также уменьшить коммутационные перенапряжения и помехи. Кроме того, новые технические решения стабилизатора напряжения АГ имеют улучшенные показатели надежности и КПД.

3. Предложено для анализа МДС статорных обмоток АГ применить диаграммы Гёргеса, которые позволили провести корректировку расчетов индуктивных сопротивлений статорных обмоток генератора и рассчитать значения коэффициента дифференциального рассеяния, характеризующего качество МДС.

4. Расчеты показали, что оптимальными статорными обмотками генераторов повышенной частоты тока, с точки зрения формы магнитного поля, являются двухслойные обмотки. Проведенные

исследования позволили разработать методику расчета оптимальных статорных обмоток АГ АСЭ.

5. Показано, что для повышения эффективности проектирования АГ на начальных этапах, необходимо проводить предварительную оценку основных критериев эффективности АГ. Разработана методика упрощенного расчета и получены графические зависимости, показывающие характерные особенности зависимостей между основными параметрами АГ, которые могут использоваться для предварительной оценки возможностей применения различных типов АГ на начальных этапах проектирования для заданных условий эксплуатации, т.е. в составе конкретных структурных решений АСЭ.

6. Экспериментальные исследования подтвердили теоретические расчеты. При изменениях тока нагрузки от нуля до номинальных значений, при коэффициенте мощности соэ^ = 0,85, фазное напряжение АГ изменялось в пределах ± 3% от номинального значения. При коммутации конденсаторов, обеспечивающих компенсацию реактивной мощности нагрузки, в момент перехода синусоидального напряжения через ноль, практически исключаются перенапряжения на полупроводниковых приборах и нагрузке.

Расчеты показали, что, если уменьшить число пар полюсов АГ с 4 до 2 и увеличить скорость вращения ротора с 6000 об/мин до 12000 об/мин, число витков в обмотке уменьшится практически в два раза, а сечение возрастет примерно в два раза. При заданных ранее плотностях тока (8 А/мм2) и увеличении до 16 А/мм2 мощность генератора также возрастет в два раза. При этом несколько снизится КПД

генератора за счет дополнительных механических потерь и электрических потерь в роторе.

Таким образом, разработанные оптимальные статорные обмотки АГ и предложенное устройство стабилизации напряжения в значительной степени снижают основной недостаток генераторов с емкостным возбуждением, связанный с их крутопадающей характеристикой при активно - индуктивной нагрузке в сравнении с известными конструктивными решениями АГ, выполненных на базе асинхронных двигателей.

Предложенное конструктивное решение АГ на частоту тока 400 Гц с оптимальными статориыми обмотками характеризуется минимальными затратами на производство и эксплуатацию в АСЭ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Монографии

1. Божко C.B. Автономные источники электроэнергии: состояние и перспективы: Монография / C.B. Божко, О.В. Григораш, АЛО. Попов, В.В. Алмазов, A.B. Квитко. - Краснодар: филиал ВУНЦ ВВС «ВВА», 2012,- 174 с.

Статьи в изданиях из перечня ВАК РФ

2. Попов АЛО. Силовая электроника в автономных системах электроснабжения / АЛО. Попов, О.В. Григораш, P.A. Сулейманов // Тр. КубГАУ. Вып. № 6 (27). - Краснодар, 2010. -С.170- 172.

3. Оськина A.C. Бесконтактные генераторы в автономных системах электроснабжения / A.C. Оськина, АЛО. Попов, A.B. Квитко //

Тр. КубГАУ. Вып. № 2 (29). - Краснодар, 2011. - С. 183 - 186.

4. Григораш О.В. Удельная масса и предельная мощность бесконтактных генераторов электроэнергии / О.В. Григораш, АЛО. Попов, A.B. Квитко / Тр. КубГАУ. Вып. № 2 (29). - Краснодар, 2011. -С. 199-202.

5. Оськина A.C. Ограничения при проектировании высокоскоростных генераторов электроэнергии / A.C. Оськина, А.Ю. Попов, A.B. Бутенко / Тр. КубГАУ. Вып. № 3 (30). - Краснодар, 2011.-С. 238-241.

6. Григораш О.В. Синтез модульных структур систем бесперебойного электроснабжения / О.В. Григораш, Ю.П. Степура, А.Ю. Попов / Тр. КубГАУ. Вып. № 4(31) . - Краснодар, 2011 - С. 238 -242.

Публикации в других изданиях

7. Попов А.Ю. Перспективные системы автономного электроснабжения / А.Ю. Попов, .Я.М. Кашин, Е.А. Чумаков. Матер. Междунар. НПК. - Екатеринбург, 2010. - С. 130 - 132.

8. Попов А.Ю. Способы повышения надежности бортовых источников электрической энергии / А.Ю. Попов, Я.М. Кашин, Ю.Н. Тонкошкуров. Матер. II Междунар. науч. конф. ТТС-10. Краснодар: КВВАУЛ, 2010. - С. 240 - 246.

9. Попов А.Ю. Необходимость и перспективы совершенствования характеристик бортовых источников электрической энергии / А.Ю. Попов, Ю.Н. Тонкошкуров. Матер. 1 Междунар. науч.-техн. школы-семинара. - Краснодар: филиал ВУНЦ ВВС «ВВА», 2011. -С. 98-101.

10. Попов АЛО. Методика расчета массогабаритных показателей асинхронных генераторов / А.10. Попов. Матер. Ш Междунар. науч. конф. ТТС-11. Краснодар: филиал ВУНЦ ВВС «ВВА», 2011,- С. 32-35.

11. Кашин А.Я. Постановка задачи оптимизации регламента технического обслуживания и ремонта / А.Я. Кашин, АЛО. Попов, В.В. Иванченко. Матер. Ill Междунар. науч. конф. ТТС-11. Краснодар: филиал ВУНЦ ВВС «ВВА», 2011. - С. 269 -271.

12. Божко C.B. Особенности расчета бесконтактных генераторов постоянного тока / C.B. Божко, А.Ю. Попов, Д.В. Пауков. Матер. III Междунар. науч. конф. ТТС-11. Краснодар: филиал ВУНЦ ВВС «ВВА», 2011. - С. 36-38.

13. Попов АЛО. Синтез автономных систем электроснабжения / АЛО. Попов // Университет: наука, идеи и решения. Краснодар: КубГАУ. 2011. № 1.-С. 143- 144.

14. Григораш О.В. Особенности выбора параметров электроэнергии автономных систем электроснабжения / О.В. Григораш, А.Ю. Попов. Матер. II Междунар. НПК «Актуальные проблемы энергетики». Саратов: СГАУ, 2011. - С. 94 -95.

15. Попов А.Ю. Перспективы бесконтактных генераторов в автономных системах электроснабжения / АЛО. Попов // Матер. II Междунар. НПК «Актуальные проблемы энергетики». Саратов: СГАУ, 2011. - С. 240 - 241.

16. Григораш О.В. Особенности синтеза систем автономного электроснабжения / О.В. Григораш, А.Ю. Попов, В.В. Алмазов.

Матер. VI Российской НГЖ. Физико-технические проблемы создания новых технологий. Ставрополь: СГАУ, 2011. - С. 31 - 34.

17. Попов А.Ю. Особенности расчета потерь и КПД бесконтактных генераторов электроэнергии / А.Ю. Попов. Матер. VI Российской НПК. Физ.-техн. проблемы создания новых технологий. Ставрополь: СГАУ, 2011 - С. 116 - 118.

18. Попов А.Ю. Бесконтактные генераторы для автономных систем электроснабжения / А.Ю. Попов, JI.H. Кирьян, A.A. Мушлян. Матер. Междунар. НПК, - Волгоград: Волгог. ГСХА, 2011.- С. 213-216.

19. Божко C.B. Структурная схема, технические характеристики и режимы работы системы электроснабжения воздушного судна / С.В Божко, А.Ю. Попов, В!В. Иванченко// Научные чтения им. проф. U.E. Жуковского. Матер. II науч.-практ. конф. по механике. Краснодар: филиал ВУНЦ ВВС «ВВА», 2012. - С. 106 -108.

20. Попов А.Ю. Технические характеристики генераторов переменного тока эксплуатируемых летательных аппаратов/А. 10. Попов, A.B. Тимков, A.B. Голощапов, A.A. Фурсов. Научные чтения им. проф. Н.Е. Жуковского. Матер. II науч.-практ. конф. по механике. Краснодар: филиал ВУНЦ ВВС «ВВА», 2012. - С. 109 -111.

21.Ракло A.B. Устройство стабилизации напряжения асинхронных генераторов / А.В .Ракло, А.Ю. Попов, P.M. Карпов // Научные чтения имени профессора Н.Е. Жуковского. Краснодар: филиал ВУНЦ ВВС «ВВА», 2012.-С. 119-121.

Сдано в набор 12.03 2012 г Подписано в печать 14.03.2012 г. Формат 60x84/16. Бумага типографская. Усл. печ. л 1 3 Уч .-изд. л. 1,4. Тираж 120 экз. Бесплатно. Изд. № 9-2012. Заказ № 39 - 2012 г.

Редакционно-издательское отделение филиала ВУНЦ ВВС «ВВА». Типография филиала. 350005, Краснодар, ул.Дзержинского, 135

61 12-5/3400

Министерство обороны Российской Федерации Филиал Военного учебно-научного центра Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»

(г. Краснодар)

На правах рукописи

Попов Андрей Юрьевич

АСИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР С УЛУЧШЕННЫМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ДЛЯ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Божко С.В.

г. Краснодар - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ............................................................................4

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................................5

1 ГЕНЕРАТОРЫ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ: НЕДОСТАТКИ И ПЕРСПЕКТИВЫ......................10

1.1 Структурная схема, технические характеристики и режимы работы автономных систем электроснабжения..............................................................10

1.2 Технические характеристики эксплуатируемых генераторов переменного тока...........................................................................................19

1.3 Автономные источники электроэнергии............................................................27

1.3.1 Основные требования к автономным источникам................................27

1.3.2 Перспективные автономные источники........................................................29

1.4 Задачи исследования и выводы по первой главе......................................35

2 АНАЛИЗ И СИНТЕЗ УСТРОЙСТВ СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ АСИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ....................................................38

2.1 Способы регулирования основного магнитного потока асинхронного генератора......................................................................................38

2.2 Устройства стабилизации напряжения асинхронного генератора..............................................................................................................................................................45

2.3 Разработка стабилизатора напряжения для бесконтактного асинхронного генератора..........................................................................................................................53

2.4. Выводы по второй главе..................................................................................................63

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА СТАТОРНЫХ ОБМОТОК АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА..................................................................65

3.1 Матричная теория формирования статорных обмоток..........................65

3.2 Применение диаграммы Гёргеса для анализа МДС статорных обмоток генератора..........................................................................................................................................70

3.3 Методика расчета оптимальных статорных обмоток асинхронного генератора..........................................................................................................................74

3.4 Выводы по третьей главе................................................................................................91

4 РАСЧЕТ КРИТЕРИЕВ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ПАРАМЕТРОВ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................................................................................................................93

4 Л Основные ограничения при проектировании бесконтактных

генераторов с приводом от высокоскоростных двигателей......................................93

4.2 Потери и КПД высокоскоростных асинхронных генераторов.... 98

4.3 Удельная масса и предельная мощность бесконтактных высокоскоростных генераторов..........................................................................................................101

4.4 Расчет параметров асинхронного генератора................................................105

4.5 Экспериментальные исследования......................... ..........................113

4.6 Выводы по четвертой главе.................... ..................................................125

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................................................127

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..............................................................130

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................................................................................................142

ОСНОВНЫЕ ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

АБ - аккумуляторная батарея;

АД - авиационный двигатель;

АГ - асинхронный генератор;

БКВ - блок конденсаторов возбуждения;

ВУ - выпрямительное устройство;

Г- генератор электроэнергии;

КПД - коэффициент полезного действия;

МГП - массогабаритные показатели;

НПЧ - непосредственный преобразователь частоты;

САЭ - система автономного электроснабжения;

СГ - синхрогенератор;

СГВВ - синхронный генератор с вращающимися выпрямителями;

СУ - система управления;

СЭС - система электроснабжения самолета;

ЭМГ - электромеханический генератор;

ЭМП - электромагнитные помехи;

ЭМС - электромагнитная совместимость;

ЭТХ - эксплуатационно-технические характеристики.

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе развития страны, в том числе, высокие темпы роста производства, ведут к непрерывному повышению потребления электроэнергии. Кроме того, в настоящее время интенсивно развиваются компьютерные системы связи и обработки информации, автоматические системы управления технологическими процессами и производственными комплексами. Поэтому актуальным является вопрос разработки резервных (аварийных) источников электроэнергии для обеспечения бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей.

Эксплуатируемые в настоящее время автономные источники электроэнергии (АИЭ) имеют относительно низкие эксплуатационно-технические характеристики (ЭТХ). Так, при мощностях генераторов, находящихся в пределах 20 - 30 кВ-А, их КПД не превышает 60%, а наличие жестких требований по обеспечению постоянства частоты вращения ротора генератора приводит к усложнению аппаратуры, и, следовательно, снижению надежности в работе и понижению КПД.

В диссертационной работе предлагается один из путей улучшения ЭТХ автономных систем электроснабжения (АСЭ) за счет применения в качестве источника электроэнергии переменного тока бесконтактного асинхронного генератора (АГ) с емкостным возбуждением.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой КВАИ «Научно-методическое сопровождение учебной дисциплины «Авиационное и радиоэлектронное оборудование»» на 2006 - 2010 гг. , 2011-2015 гг. НИР № 31205 «САЭ-АКС-ДЭМ» филиала ВУНЦ ВВС «ВВА» (г.Краснодар).

Целью диссертационной работы является улучшение эксплуатационно-технических характеристик бесконтактного асинхронного генератора для автономных систем электроснабжения за счет улучшения формы магнитного поля генератора и применения высокоэффективных стабилизаторов напряжения.

Для достижения цели исследований, проводимых в диссертации, в ней решаются следующие научные задачи:

1. Провести анализ технических решений устройств стабилизации напряжения бесконтактных АГ.

2. Разработать устройство стабилизации напряжения АГ с улучшенными техническими характеристиками.

3. Проанализировать методы формирования статорных обмоток АГ, позволяющих снизить эффект размагничивания генератора при работе с активно-индуктивной нагрузкой.

4. Обосновать оптимальные схемы статорных обмоток АГ на частоту тока 400 Гц и разработать методику ее расчета.

5. Провести расчет показателей эффективности и параметров АГ.

6. Экспериментально подтвердить эффективность АГ с емкостным возбуждением на частоту тока 400 Гц с предложенным техническим решением статорных обмоток.

Объектом исследования является бесконтактный асинхронный генератор с емкостным возбуждением и его стабилизатор напряжения.

Предметом исследования являются внешние и регулировочные характеристики, а также критерии эффективности (массогабаритные показатели, потери и КПД) асинхронного генератора с учетом специфики работы и электропитания в автономных системах электроснабжения.

Методы исследования. Использованы теория электрических цепей, теория электрических машин и статических преобразователей электроэнергии, а также матричная теория формирования статорных обмоток электрических машин.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается совпадением результатов теоретических расчетов и экспериментальных исследований.

Научную новизну работы составляют:

1. Устройство стабилизации напряжения бесконтактного асинхронного генератора с емкостным возбуждением.

2. Методика расчета оптимальных статорных обмоток асинхронного генератора для автономных систем электроснабжения с учетом специфики нагрузочных характеристик потребителей.

3. Методика упрощенного расчета критериев эффективности асинхронного генератора для автономных систем электроснабжения на этапе проектирования с учетом нагрузочных характеристик.

Практическую значимость работы составляют:

1. Результаты анализа способов и устройств регулирования магнитного потока асинхронных генераторов для автономных систем электроснабжения.

2. Экспериментально полученные внешние характеристики асинхронного генератора с емкостным возбуждением с учетом режимов работы.

3. Макетный образец и система управления высокоскоростного асинхронного генератора с емкостным возбуждением.

4. Методика исследования высокоскоростного генератора при постоянной и переменной частоте вращения приводного двигателя на всех режимах функционирования.

На защиту выносится:

1. Устройство стабилизации напряжения бесконтактного асинхронного генератора с емкостным возбуждением, при широком диапазоне изменения величины и характера потребителей.

2. Методика расчета оптимальных статорных обмоток асинхронного генератора.

3. Методика упрощенного расчета критериев эффективности асинхронного генератора на этапе проектирования.

Реализация результатов работы.

Результаты исследований асинхронного генератора внедрены в учебном процессе филиала ВУНЦ ВВС «ВВА» (г. Краснодар) и в Кубанском государственном университете (г. Краснодар) при изучении дисциплины «Электрические машины».

Материалы по разработке высокоэффективного АГ для бортовых систем электроснабжения использованы в отчете НИР № 31205 «САЭ-АКС-ДЭМ» филиала ВУНЦ ВВС «ВВА» (г. Краснодар).

Личный вклад автора заключается в предложении новой конструкции стабилизатора напряжения, в разработке методик расчета оптимальных статорных обмоток и показателей эффективности асинхронного генератора.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8 международных и российских научно-практических конференциях, в том числе: в Краснодарском ВВАУЛ (20092011 гг.), в г. Екатеринбурге на Международной АПК в 2010 г., на российских НПК в г. Ставрополе и Саратове в 2011 г., на Международной НПК в Кубанском ГТУ (г. Краснодар) в 2011 г., на Международной НПК в Волгоградской ГСХА в 2011 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано: 21 научная рабб^а, включая одну монографию, 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК. Общий объём публикаций составляет 6,3 пл., из которых 4,4 пл. принадлежит лично автору.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников, включающего 110 наименований и приложения. Общий объем диссертации составляет 157 страниц, включая 56 рисунков и 4 таблицы.

1 ГЕНЕРАТОРЫ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ: НЕДОСТАТКИ И ПЕРСПЕКТИВЫ

1.1 Структурная схема, технические характеристики и режимы работы автономных систем электроснабжения

Эффективными автономными системами электроснабжения (АСЭ) являются бортовые системы электроснабжения (БСЭС) самолета. БСЭС -это сложная энергетическая система, в состав которой входят: генераторные установки постоянного и переменного тока, электромашинные и статические преобразователи, аккумуляторные батареи, аппаратура регулирования напряжения и частоты, аппаратура включения и защиты генераторов, бортовая электрическая сеть, устройства защиты цепей питания потребителей электроэнергии от воздействия радиопомех, импульсов электромагнитных излучений и статического электричества.

Как известно, основная функция БСЭС - обеспечение бортового оборудования самолета электрической энергией требуемого качества в любых условиях полета. При этом под качеством электрической энергии понимается степень соответствия ее основных параметров (напряжения, частоты, формы тока и т. д.) предъявляемым требованиям.

Для питания бортового оборудования современных самолетов обычно используется электроэнергия постоянного тока напряжением 28,5 В, переменного трехфазного и однофазного тока напряжением 200/115 В частотой 400 Гц, а также переменного трехфазного тока напряжением 36 В частотой 400 Гц. Соответственно этому на самолетах устанавливаются, как правило, несколько СЭС различного рода тока и уровня напряжения, что усложняет систему в комплексе [19, 33, 66, 67, 80].

В настоящее время в летательных аппаратах (ЛА) преимущественное значение отводится первичным системам электроснабжения переменного тока, в которых преобразователи служат аварийными источниками энергии, питание которых осуществляется от аккумуляторных батарей. Поэтому целесообразно рассмотреть структурную схему и режимы работы системы электроснабжения самолета СУ-27.

БСЭС самолета СУ-27 (рис. 1.1) предназначена для обеспечения питания потребителей однофазным и трехфазным переменным током номинальным напряжением 200/115 В стабилизированной частотой 400 Гц и электроэнергией постоянного тока напряжением 28 В. СЭС состоит из левого и правого каналов. В каждом канале установлены основные и аварийные источники электроэнергии [54, 80, 93, 99].

БСЭС самолета СУ-27 состоит из системы генерирования электроэнергии переменного тока, вторичной системы генерирования постоянного тока и системы распределения электроэнергии постоянного и переменною тока.

В качестве основного источника питания в обоих каналах установлены генераторы переменного тока ГТ30НЖЧ12.

Основным достоинством этого типа генераторов является отсутствие щеточно-коллекторного узла, кроме того, они имеют хорошие массогабаритные показатели и высокую надежность.

К недостаткам, в первую очередь, необходимо отнести требование обеспечения стабильной частоты вращения ротора генератора. Это вызвано зависимостью частоты генерируемого напряжения от частоты вращения ротора. Для стабилизации частоты вращения в СЭС перед ГТ30НЖЧ12 вводят гидропривод лопаточный ПГЛ-40 и электромуфту, обеспечивающие постоянную частоту вращения ротора генератора (ППЧВ). Генератор, ПГЛ-40 и электромуфта образуют узел ГП-21. И если ГТ30НЖЧ12 отказывает

редко 7 - 8 %), то ГП-21 имеет низкую надежность и часто выходит из строя (~ 44 - 47%, табл. 1.1). Кроме того, применение ППЧВ увеличивает массу генераторного узла в 2,5 раза, а объем в 1,4 раза [27, 81, 99].

ГТЗО 1Г/КЧ-12

и -12000 об мии ]'-3() кИт П1-1.1.3 К1. КПД 0,6 I -208 1 15 И

I

Аварийная шип:! 1.1

Основная пиша I

ВУ- 6Ь

С, ,- 200 I 15 Н

1'.....,-6кН|

■

_

т

С - N00 ГЛ1

Г,.-28 » -200 115 И I -400 1ц Р......-800 ВЛ

I

V.

V

К потребителям переменного тока

I ГЗОНЖЧ-12

и -12000 об мин 1,=30 кМ) иг- 13.3 кг, КПД - 0.6 Г =208/1 15 15

I

Аварийная шипи 2.1

г ним

—

К> - (>Г>

200 I 15 н !>,,,, - 6 к-Ц-1

11 1С - N00 1>М

I , . -200 115 1? Г--НИ) I и I'., .,-800 »Л

Чварммиая 1111111.1 1.2

Основная шина 2

20

НКБН-251

I ,-24 И

(¿,.,„-25 Лч

Н ;■■ ■__

ттт

Аварийная шина 2.2

-V—

К потребителям постоянного тока

\

2011КЫ1-25

и„ом=24 В . О,,. .,=25 Лч

Рисунок 1.1 - Структурная схема и основные характеристики системы элек;-. троснабжения СУ-27

Гидропривод ГП-21 предназначен для обеспечения постоянной частоты вращения ротора генератора ГТЗ ОНЖЧ12.

Как видно из табл. 1.1, второе место по количеству отказов приходится на ПТС-800БМ - аварийный источник электроэнергии переменного тока СЭС самолета типа СУ-27 [34, 35, 54].

Таблица 1.1— Отказы основных узлов и агрегатов БСЭС самолетов типа СУ-27 и

МиГ-29.

Ё'^ВИ^ЩЩ! Ми!-29

Наименование узлов Процент Наименование узлов процент

и агрегатов СЭС отказов и агрегатов СЭС отказов

ГТЗ ОНЖЧ 12 8 ГТЗ ОНЖЧ 12 7

ГП-21 44 ГП-21 47

ПТС-800БМ 26 ГСР-СТ-12/40А 9

ВУ-6Б 12 Тр-1,5/0,2 6

АБ 20НКБН-25 10 ПТО-1000/1500 18

АБ 15СЦС-25 13

Для получения постоянного тока напряжением 28 В в схеме используются выпрямительные устройства (ВУ-6Б - 3 штуки, Рном = 6 кВт каждый), конструктивно представляющие собой силовые трехфазные понижающие трансформаторы с блоком выпрямительных диодов каждый. В качестве аварийных ИП используются 2 преобразователя трехфазных статических ПТС-800 БМ (200/115 В, 400 Гц,. Р„0м= 800 ВА) и аккумуляторные батареи 20НКБН-25 (24В) [19, 54, 55, 99].

Аварийные источники постоянного и переменного тока обеспечивают:

- питание системы дистанционного управления (СДУ), триммеров;

- питание пилотажно-навигационных приборов;

- питание СОС (системы ограничительных сигналов), инерциальной системы курсо-вертикали (ИК-ВК);

- запуск и управление двигателями;

- аварийный сброс подвесок;

- обогрев ПВД-7 (основного и резервного);

- питание защитных устройств (ЗУ) и автоматического регулятора воздухозаборника (АРВ);

- охлаждение двигателя, системы предупреждения перегрева (СПП);

- антиобледенение фонаря;

- управление гидросистемой, тормозным щитком, флаперонами, передним колесом;

- аварийный слив топлива;

- питание расходомера, средств аварийного покидания самолета;

- питание системы пожаротушения, светотехнического оборудования;

- питание системы кондиционирования, сигнализ�