автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электропривод сепаратора с питанием от нетрадиционных возобновляемых источников энергии

РГб од

МшистерствОрНауки, высшей школы и технической политики У ,\!И Российской Федерации

Краснодарский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт

На правах рукописи

БОЗАН МОХАШД ШАДХАН

УДК 62.83:621.3.035.32:620.91

ЭЛЕКТРОПРИВОД СЕПАРАТОРА С ПИТАНИЕМ ОТ НЕТРАДИЦИОННЫХ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Специальность 05.09.03 - "Электротехнические комплексы и

системы, включая их управление и регулирование"

АВТОР-ЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар - 1993г.

Работа выполнена на кафедре электротехники Краснодарского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Б.Х.Гайтов

Офоциальные оппоненты: доктор технических наук

Б.А.Коробейникрв кандидат технических наук В.С.Змитрович .

Ведущее предприятие: Южно-Российская агропромышленная компанш

(г,Краснодар)

Защита диссертации состоится " ", ОЦ_1993г,

в Щ_ час на заседании специализированного совета К.063.40.06 Краснодарского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института (Краснодар, ул.Красная,135,ауд.80)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Краснодарского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института - 350072, Краснодар, ул.Московская,2

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах) просим направлять по адресу: 350072, Краснодар, ул.Московская,2, КПИ, ученому секретарю.

Автореферат разослан ".. " ;,тярфя 1993г.

Ученый секретарь специализированного совета, к.т.н., доцент

В.И.Лойко

<¿7

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальность темы. Анализ работы некоторых специфичных электроприводов, например высокоскоростных с промежуточными передаточными связями; показывает неудовлетворительные их технико-экономические показатели , и в первую очередь - малогабаритные и энергетические, а также надежностные.

Одним из вариантов решения этой проблемы является органическое объединение приводной асинхронной машины с рабочей машиной и создание, таким образом, электропривода по системе "двигатель-машина" (Д-М).

Электропривод по системе двигатель-машина не имеет промежуточных передаточных звеньев, обеспечивает хорошие массо-габаритные и высокие энергетические, показатели (КПД, СОЭ^). Последнее особенно важно при использовании нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

В связи с разработкой ряда Д-М, представляющих собой в электромагнитном отношении асинхронный двигатель с массивным ротором (АДМР), возникла необходимость в разработке теории и методов расчета АДМР, являющегося наиболее'типичным представителем асинхронных двигателей с переменными параметрами (АДПП) и соответствующих электроприводов на их основе.

В связи с вышеизложенным, асинхронный электропривод по системе Д-М с. питанием от нетрадиционных источников энергии являющийся объектом настоящих исследований, изучается по теории асинхронных электроприводов с переменными параметрами.

В,связи с ограничностью запасов органического топлива и необходимостью защиты окружающей среды от загрязнений расширился интерес к использованию нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ).

Одной из наиболее целесообразных областей электропривода, где применение нетрадиционной энергии деег сукествленнке приимущества, является электропривод сепараторов различного назначения.

В Краснодарском политехническом институте (КПИ) разработан "солнечный сепаратор", в основе которого лежит электропривод

постоянного тока, электроснабжение которого осуществляется от батареи фотоэлектрических преобразователей (ФЭП).

Однако остро стоит вопрос реализации электроснабжения двигателя - сепаратора (Д-С) не только от ФЭП, но и от других видов нетрадиционной энергии, например, ветровой,биогаза и др., а тем более при комплексном использовании нескольких видов нетрадиционных источников энергии.

Для исследования комплексной системы использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) для электроснабжения сепаратора и Д-С, разработанного на основе сепаратора, необходимо найти математические модели всех узлов системы с целью получения комплексной математической модели, системы "источник - потребитель".

Большой интерес при этом предствляют собой вопросы повышения эффективности работы НВИЭ и в первую очередь ФЭП. Результаты экспериментов, изложенные в настоящей работе позволяют судить о целесообразности использования для этой цели линзы.

Ц работе сделана попытка-развить теорию электропривода сепаратора по системе Д-М для случая его питания от НВИЭ, построение комплексной математической модели полученной системы, "источник-потребитель" и преобразование основного уравнения сепарирования Бремера-Соколова-Лукьянова применительно к нетрадиционному электроснабжению. '

Целью,работы является развитие теории электропривода ' сепаратора по системе "двигатель-машина" для случая его питания от НВИЭ, построение комплексной математической модели полученной системы "источник-потребитель" и преобразование основного уравнения сепарирования Бремера-Соколова-Лукьянова применительно к нетрадиционному электроснабжению.

Методика исследований. В данной работе исследования основывались на аналитических, вычислительных и экспериментальных методах применительно к обобщенной теории электромеханического преобразователя энергии. Математическая модель Д-М построена в трех осях

Научная новизна„основных результатов;работы-

1. Углубление, теории электропривода с переменными параметрами, питаемого совместно от различных нетрадиционных источников энергии.

2. Построение комплексной математической модели полученной системы, позволяющей решать вопросы рационального синтеза различных двигателей - машин, например , двигателя-сепаратора.

3. Получение уравнения производительности сепаратора в зависимости от освещенности при его электроснабжении от фотоэлектрического преобразователя (ФЭП).

Практическая .ценность результатов .работы,заключается

в .следующем:

1. Выработка рекомендаций по рациональному построению электропривода по системе :двигатель-машина".

2. Правильный выбор параметров двигателя-машины, обеспечивающий требуемые динамические и статические характеристики.

3. Рекомендация по рациональному выбору нетрадиционных источников (одного или комплексно) для автономного электроснабжения двигателя-машины и в возможности получения динамических и статических характеристик полученной комплексной системы "источник-потребитель".

4. Установление функциональной зависимости производительности сепаратора от освщенности.

Аппробация .работы. На различных этапах выполнения, основные положения диссертационной работы докладывались на:

- научно-технических семинарах кафедры электротехники Краснодарского политехнического института (г.Краснодар , 1990-1992Г.);

- Седьмой Всеоюзный научно-технической конференции "Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов " (г.Бишкек,1991г.)

Публикация. По теме диссертационной работы опубликовано к печатные работы.

Структура и объем .работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы из 95 наименований, изложена на 152 страницах,содержит 42 рисунка, 9 таблиц и приложения на 40 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, определены цель и задачи исследования Д-Ы,питательного от НВИЭ,- Приведена структура диссертационной работы, сформулированы решаемые задачи и новые научные результаты, полученные при их решении.

В_первой главе приведено состояние вопроса по литературным и патентным исследованиям, современное состояние электропривода сепараторов и перспектива развития.

Во второй главе сформулированы проблемы использования НВИЭ для электроснабжения двигателя-сепаратора (Д-С) и сепаратора (С).

При использовании НВИЭ важно сочетать одновременно использование нескольких видов источников с целью повышения надежности электроснабжения и качества электроэнергии.

С этой целью в работе разработана комплексная схема использования и накопления энергии солнца, ветра и биогаза, которая представлена на рис.1.

В схему включены.-фотоэлектрический преобразователь (ОЭП), ветроэлектрическая установка (ВЭЧ) с синхронным генератором, турбогенератор для получения энергии от биогаза (ТУ), аккумуляторная батарея"(АБ), инвертор (И), выпрямитель (В), и в качестве нагрузки двигатель-сепаратор (Д-С) и сепаратор (с).

С целью решения проблемы использования НВИЭ для электроснабжения сепараторов были 'сняты вольт-амперные характеристики ФЭП, представлены на рис.2.

эс

эв

ЭБГ

и ' В I.

4,8' .27'

4,5' 24'

4,2. 21.

3,9 18

3,5 15"

3,3 12 •

3,0. 9-

2,7. 6

2,4 3

2,1 0

Рис.1 иА

3 4

17 ГО5 кд ср/м2

Ш

Нэ ».8 3,9

3.6

3.3

3.0

2.7

2.4

2.1

1.8

1.5

Р iIO"3 Вт 120.

108

96 84

72

60

48

36 24

12

Рис.3

0 12 3

Рис .4

h

3 - ФЭП; Р - фокусное расстояние линзы; Й - нагрузочный реостат; 5 - выключатель

Для повышения эффективности ФЭП была разработана специальная конструкция, которая состоит из линзы диаметром 80мм, и фокусным растоянием 199м и солнечной батареи, покрытой бумажным листом. В листе сделано отверстие переменного диаметра в диапазоне 20т-50мм с шагом 5мм.

Эксперименты проводились с целью снятия характеристик ФЭП с использованием линзы и без нее, где снимали вольт-диаметр, ампер-диаметр и ватт-диаметр характеристики с использованием линзы и без нее и коэффициент эффективности ФЭП (Кэ). Результаты экспериментов показали, что чем меньше диаметр отверстия, раскрывающего солнечной элемент, тем больше Кэ» Так, при диаметре 20 мм коэффициент эффективности составляет 3,9/ а при увеличении его до 50мм, он уменьшается до уровня 1,7 раз.

Полученные в результате эксперимента характеристики ФЭП представлены на рис.3 и 4.Схема экспериментальной установки представлена на рис.5.

С целью выбора подходящей ВЭУ для работы в условиях Сирии рассмотрены три промышленные ВЭУ типа ВЭ-4, ВЭ-16 и ВЭ-ЮО. На рис.6 представлены данные по выработке электроэнергии на этих установках в зависимости от скорости ветра.

А А ' А

600 40 60 ■

500 «а 7 400 о> СО 300 ^ 30. 1 о* а> 20 <х> 30-

200' 10 15-

100"

о] 0, 0

кВг.ч/сут

- ВЭ-4 __

^/^ВЭ-100

М/с

4' 5' 6' 7' *

Рис.6

С помощью характеристик этйх установи и' информации метеостанций Сирии, данные которые представлены в табл.1 для 5-и городов Сирии, получены сумарная месячная и годовая производительности всех установок. Результаты анализа показали, что установка ВЭ-4 имеет наивысшую (в 4-5 раз большую) эффективность в сравнении с установками ВЭ-16 и ВЭ-100.

Таблица I

Метео- !

"Сред.

станция! . Средняя месячная скорость,м/с вая°~

|_;____;_скоро

! сть

! I ! 2 ! 3 ! 4 1 5 ! 6 ? 7 ! 8 ! 9 НО III 1 12! We

Дамаск 2,7 3,3 4,0 4,3 4,1 4,1 4,9 4,2 3,0 2,5 2,1 2,3 3,5 Хомс . 2,9 3,1 3,3 4,3 4,-2 6,1 6,1 5,9 3,9.2,6 1,9 2,2 3,9 Хама 2,6 3,0 3,3 3,5 3,5 4,4 4,9 4,1 3,2 2,2 1,9, 2,2" 3,2 Халаб 3,8 3,6 3,8 4,1 4,3 5,7 6,8 5,9 4,4 2,8 2,4 3,1 4,2 Латакня 5,7 5,4 4,5 4,4 3,3 3,6 4,0 3,7 3,1 3,2 4,3 5,3 4,3

Другим видом НВИЭ является биога'з , получаемый из навоза животных.

В естественных условиях разрушения навоза животных для получения биогаза, происходит в почвенном гумусе путем разложения на, элементарные соединения под действием разлагающих организмов - грибов, бактерий. После получения биогаза подогревается вода для получения пара, который в свою очередь, вращает турбогенератор для получения электроэнергии.

В третьей главе построены математические модели отдельных узлов комплексной системы по рисЛ.

Постоены модели фотоэлектрического преобразователя и' аккумуляторной батареи в случае заряда аккумуляторной бате-рии от фотоэлектрического преобразователя, модели инвертора и двигателя-сепаратора, а также модели ветроэлектической установки (турбогенераторы) и выпрямителя.

\ ' 11

Математические модели отдельных узлов-представлены ниже: Математическая модель фотоэлектрического преобразователя - аккумуляторной батареи в случае заряда аккумуляторной батареи от фотоэлектрического преобразователя по рис.7:

Цн * |'н Яо = Ци- £ , (1)

Р(|| ^

откуда

гТщ

где ¡5 - ток заряда АБ; )н - выходной ток ФЭП;

1<р - фототок; ¡о - обратный ток насыщения;

С|, - заряд электрона;ии- напряжение на выходе ФЭП; Яп- последовательное сопротивление ФЭП;

- Шунтирующее сопротивление ФЭП;

А г- диодный фактор; к - постоянное Больцмана; Т - обсолютная температура ФЭП; £ - ЗДС поляризации АБ;

- внутренне сотротнвление аккумуляторной батареи з случае заряда.

Математическая модель ветроэлектрической установки (турбогенератора) - выпрямителя по рис.8 сделана для всех интервалов, включая комг.тутационные и меккоммутационные интервалы с помощью переключающих функций . ' :

и* - (р,4- ив*(ё-5ч> ис -сН

-Ж 1в ш*

+ ^ Й!..*' ¡В - : ^

2 (\\ 2 и >'

(3)

где

Я,»'Х^,- активное и реактивное-сопротивление статора синхронного генератора;

у - напряжение сети переменного тока; •'.

¡В - ток на выходе системы ВЭУ-В;

! к - ток коммунитации

Математическая модель инвертора с целью питания двигателя-сепаратора переменным током по рис.9.

бх

ки^н р и сПки 1/Ц Л Ь/Ц сП

1/Ц

и

H

.Рис. 7

Ri Xu a

U

Со — и

'AB

f?. Хи ь -1-nno-í-

J

Рис. 3

Rc С Iе

Рис. 9„-

.-*и2н'г- - I, Ы-\2 Ъ^ЛГ^гЪ-Ъ) ^ К*

ЦД^и,,,- напряжение статора подающиеся от инвертора;

¡на ~ ток коммутации инвертора

В четвертой главе выполнено совместное моделирование фотоэлектрического преобразователя, ветроэлектрической установки, турбогенератора, выпрямителя и аккумуляторной батареи в случае заряда аккумуляторной батареи от фотоэлектрического преобразователя и системы ветроэлектрической установки (турбогенератора) - .выпрямителя, где мы считаем, что фотоэлектрический преобразователь и система ветроэлектрической установки (турбогенератора)- выпрямителя как источники тока.

После заряда АБ принято, что АБ питает совместно с ФЭП и ВЗУ (ТУ) -¡В двигатель-сепаратор через инвертор. Здесь ток ШЗП - |'н , ток ВЭУ(ТУ) - В - |'в и ток АБ - |р идут в инвертор с целью питания двигателя-сепаратора переменным током.

Комплексная математическая модель системы нетрадиционных возобновляемых источников энергии - двигателя-сепаратора по рис.10 представлена ниже:

с

(б)

(7)

о

где

\iZ\s - токи статора Д-С;

(8)

»m

tx ¿ с:

ex С £

чнП I

X>\r~

4» ДЭ

оГП. кГП

Kl

xi

er

Oí

С

то

с

■о

+

♦

CL|Q_

КО

дэ

с

к. —•

Q_

X

+

o-iq.

X)

s

ь» ю

CL

cl

lo

-CL

■я

Cl

С

X t

яэ

з

Cl

Kj

и

ÛL

Û. -ft '

íD x TD

> TT

с

X »

ST* X) а

Q.

Cl

о

h-i

ГО

С

M

X

II

«Л1 M o<

a

/—\ X

—ri 1

c"

♦

ДЭ

Ä «

•i

m к»

i дэ

►Г"

___ ♦

— « —s.

X

F -Ш

4-

8 о СП

4 • 1

1

V-»

дэ

♦

Û-ICL

m

i

-o

С

"0

V_-

CL\Cl

•m . -

Fl

to

ЯЭ

С »

i

»T

ЧС

50 p»

oT", i '

Kj ¿0

С

N3

30

3 . ♦

Kl

K>

=0

с

о

ûJO.

Щг ч-

Q-ICl

Ht-

O.I Qu

Не* ■i

clIÛ.

CL CL

r+ Nj

clIcl

ПЗ x X3

> 7Г

cT

X

ï" 33

Cl

С

X

сл

Cl

о. cl

m

flu«

—» of

-й-

—в

Комплексная модель системы (8)-г (12) позволяет получить динамические и статические характеристики полученной системы "источник-потребитель".

Проведена реализация математической модели Д-С на ЭВМ с целью оценки влияния изменения параметров Д-С и величины и частоты питающего напряжения на важнейшие показатели переходного процесса.

Анализ полученных характеристик показывает, что наибольшее влияние на величины ударных токов оказывает величина активного сопротивления ротора (при уменьшении величины

от номинального значения 10,35 Ом до величины 7,35 Ом ■ , величина ударных токов ротора увеличивается от 3,2 А до величины 3,9 А1.

В пятой главе выполнен эксперимент с целью преобразования уравнения сепарирования Бремера-Соколова-Лукьянова и получение производительности сепаратора в зависимости от освещенности.

На рис. II преставлены зависимости частоты вращения сепаратора в функции освещенности и производительности сепаратора в функции частоты вращения сепаратора и освещенности.

ю-\ 6 . л/ч \ -¡-дЗ Об/ШШ . ^ /| ( ^ КД ср/г/

а 50 зо ю 10. 30- Pnc.II 50 . а •\20 26 f \ » \ % л/ч

Полученная зависимость частоты вращения сепаратора от освещенности оппроксимирована на ЭВМ и получены две формулы (в виде алгебраического уравнения и ряда), представлены ниже:

П =а Р*Ь ; (13)

I

п =а0♦а1F*аiF2♦аJf;^ сиу

С учетом простоты формулы и досточной точности получаемых результатов предпочтение отдано формуле (13).

Уравнение сепарирования Бремера-Соколова-Лукьянова

>

О .= , Ч, 2 р Л 1д ос с!о л/ч (15)

где 0.- производительность сепаратора;^ - технологический КПД сепаратора; • . ,

П - частота вращения, сепаратора; 2 - число щелей в пакете тарелок; С10~ диаметр осаждаемого жирового шарика; 1 - температура сепарируемой жидкости; К^К1^ - соответственно большой и меньший радиусы тарелок; - угол конусности тарелок; показатель степени при частоте вращения сепаратора; у - показатель степени при радиусах барабана ,

В конечном виде получено уравнение для различных видов сепараторов:

о.* ч,8 р (а Ьг+Ь) V о^ ¿о 1 ■(, л/ч (16)

ГДе г ^ Ц

р - освещенность;и , Р - постоянные коэффициенты.

Таким же образом получено уравнение, сепарирования индивидуально для бытового сепаратора (Плава-Э):

си?,¿7 /0'6( 2171,23 СпР- 1/323,7) \5 л/ч. (17)

В приложении приведен текст программы расчета переходных процессов Д-С с переменными параметрами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения работы получены следующие основные результаты:

1. Разработка метода использования линзы для повышения эффективности солнечной батареи. Экспериментально показано, что эффективность солнечной батареи с использованием линзы в 3-4 раза больше эффективности той же батареи без линзы. Предложено использовать устройства слежения за солнцем, что позволяет повысить эффективность ФЭП около 40% за счет того, что солнечные элементы генерируют максимальную энергию только, когда они располагаются строго перпендикулярно направлению солнечных лучей. Сделан выбор рационального ВЭУ для работы

в условиях Сирии.

2. В качество модели, позволяющей исследовать Д-С в переходных режимах с учетом насыщения, использована пространственная модель в заторможенной трехфазной системе координат <Х, Р , Ъ ' как наиболее-эффективная и позволяющая получать

реальные (а не фиктивные) электромагнитные и механические параметры и характеристики.

3. Построены математические модели всех узлов комплексной системы использования НВИЭ для электроснабжения двигателей-сепараторов.

4. Построена комплексная математическая модель системы использования НВИЭ для электроснабжения двигателей-сепараторов.

5. Проведен анализ переходных процессов, происходящих в машине и исследовано влияние параметров ротора, частоты и величины питающего напряжения на динамические характеристики Д-С.

Из анализа видно, что активное сопротивление ротора 4 оказывает наибольшее влияние на ударные значения токов ротора и статора по осям С*,/3 , X и на установившееся значение угловой скорости ротора.

Момент инерции вращающих частей оказывает наибольшее влияние на время разгона двигателя.

6. Результаты теоретических исследований подтверждены экспериментальными исследованиями по снятию вольт-диаметр, ампер-диаметр и ватт-диаметр характеристик ФЭП с использова-ниаем линзы, а также по установлению количественного влияния напряжения на выходе ФЭП на скорость вращения барабана сепаратора и производительность сепаратора.

7. На основании экспериментальных исследований уточнено основное уравнение сепарирования Бремера-Соколова-Лукьянова применительно к сепараторам малой производительности (бытовым) и получена зависимость производительности сепаратора

от освещенности при электроснабжении сепаратора от фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Последнее по существу, означает преобразование основного уравнения сепарирования к виду, удобному для практического использования при электроснабжении сепаратора от ФЭП. ,

Главным результатом работы является развитие теории Д-С с питанием от НВИЭ на основе построения комплексной математической модели системы электроснабжения Д-С от нескольких видов НВИЭ, включая ряд преобразователей этой системы и собственно Д-С.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Эффективность работы ветроэлектрических установок в Сирийской Арабской Республике //Б.Х.Гайтов, М.Ш.Бозан., М.М.'Адани, Краснодарский политехнический институт. Краснодар, 1992г. 11с. - деп. в Информэлектро. 01.04.1992г. № II.ЭТ.92.

2. Повышение эффективности работы фотоэлектрических преобразователей //Б.Х.Гайтов, М.Ш.Бозан, М.М.Адани, Краснодарским политехнический институт. 1992г. 5с. - деп. в Информэлектро. 01.04.1992г. № 12-ЭТ-92.

3. Частотное управление асинхронным двигателем совмещенной конструкции //Б.Х.Гайтов, А.З.Косолапов, М.Ш.Бозан , Краснодарский политехнический институт, Краснодар. Тезисы докладов" У1 Всесоюзной научно-технической конференции. Бишкек,1991.

4. Критерий Рауса при анализе статической устойчивости АДПП при частотном управлении //М.М.Адани, М.Ш.Бозан (КПИ), Т.Б.Гайтова (МЭИ), Краснодарский политехнический институт, Краснодар. Тезисы докладов У1 Всесоюзной научно-технической конференции. Бишкек,1991.