автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка автоматизированной системы автономного энергоснабжения на базе двухмерной электрической машины-генератора

На правах рукописи

Ладенко Николай Васильевич

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ АВТОНОМНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ ДВУХМЕРНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ-ГЕНЕРАТОРА

Специальности: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар-2011

005012502

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» (КубГТУ)

Научны» руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Гайтов Борис Хамндович;

доктор технических наук, профессор Атрощснко Валерий Александрович доктор технических наук, профессор Стрижков Игорь Григорьевич Государственная корпорация «Росте-хнологии» ООО СКБИМ г.Армавир Краснодарского края.

Защита диссертации состоится «31» января 2012 г. в 14°° на заседании диссертационного совета Д 212.100.06 при Куб ГТУ по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Старокубанская, 88/4, ауд. 410

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2.

Автореферат разослан «29» декабря 2011 г.

Ученый секретарь

диссертациоииого совета Д 212.100.06, кандидат технических наук, доцент

J1.E. Копелевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Основным источником энергии на Земле, как известно, является ископаемое топливо. Этот факт свидетельствует о малой доле использования нетрадиционных источников энергии. Доля растительного топлива большой энергетики стран в мире составляет всего 16 % от общего потребления энергоресурсов. Наряду с этим солнечная радиация, поступающая на земную поверхность, превосходит нынешнее энергопроизводство в 2*104 раз. Примерно 2 % этой радиации вследствие преобразования в тепловую энергию превращается в энергию ветра.

Основными проблемами использования ископаемого топлива является развивающийся в мире энергетический кризис, невозобновляемость энергетических ресурсов, ухудшающаяся экологическая обстановка и др.

Все эти причины приводят к уменьшению эксплуатации невозоб-новляемых источников энергии (НВИЭ). Ситуацию также обостряет перспектива развития ядерной энергетики. Основным направлением в поиске выходов из складывающейся ситуации является поиск альтернативных экологически чистых и возобновляемых источников энергии, таких, как энергия солнца, ветра, малых рек, биотопливо, приливная энергетика, энергия морских волн, подводных течений, геотермальных вод, использование эффекта запоминания формы и др.

Эти факторы заставляют решать задачу генерации электроэнергии в системах нетрадиционной энергетики посредством электромашинного либо фотоэлектрического преобразования.

Плотность радиации Солнца у земной поверхности и ветровой энергии при скорости до 10 м/с колеблется от нуля до 1 кВт/м2, тогда как плотность потока электромагнитной энергии в воздушном зазоре обычной электрической машины (ЭМ) составляет 500 кВт/м2.

Таким образом, перспектива расширенного использования НВИЭ напрямую связана с проблемой разработки новых, нетрадиционных типов ЭМ и систем управления ими, т.е. с развитием нетрадиционной электромеханики.

Развивая мысль профессора Копылова И.П. профессор Б.Х. Гайтов предложил оригинальную конструкцию двухмерной электрической машины (ДЭМ), потребляющей одновременно энергию Солнца, предварительно преобразованную в электрическую с помощью ФЭП и энергию, например, ветра, биогаза, или геотермальных вод и т.д., предварительно преобразованную в механическую энергию. На выходе ДЭМ, в зависимости от режима работы машины снимается за вычетом потерь суммарная энергия в виде механической (режим двигателя) или электрической (режим генератора).

Тема работы связана с научно-технической программой Т. 14.01 "Разработать и создать производство энергетических комплексов с использованием возобновляемых источников и осуществить широкомасштабный эксперимент по их применению для объектов агропромышленного, жи-лищно-гражданского и курортно-оздоровительного назначения", а также Краснодарской краевой программой "Состояние тепло- и электроснабжения, обеспечение топливом. Уровни и структура потребления. Местные энергоресурсы, запасы возобновляемых источников энергии (малые ГЭС, термоэнергетика, ветроэнергетика, тепловые насосы и т.д.), разработанной в соответствии с Постановлением главы администрации края от 20.06.96, №269.

Цель работы

Целью работы является анализ параллельной работы нескольких ДЭМ-Г с учетом возможных аварийных режимов в автоматизированной системе автономного энергоснабжения (АСАЭС).

Задачи исследования

1. Обосновать целесообразность построения эффективной автоматизированной системы автономного электроснабжения на базе параллельно работающих ДЭМ-Г.

2. Разработать рациональную конструкцию и схему управления двухмерных электрических машин - генераторов (ДЭМ-Г) в системах нетрадиционной энергетики малой мощности до 50 кВА, имеющей в своём составе звено постоянного тока.

3. Создать математические модели, устанавливающие связь параметров и характеристик ДЭМ-Г в области расчета энергии поля в рабочем зазоре машины и математические модели номинальных, и аварийных режимов работы автоматизированной системы автономного энергоснабжения на базе ДЭМ-Г.

Научная новизна

В работе решены вопросы теории работы систем управления параллельно работающих двухвходовых электрических машин - генераторов в системе нетрадиционной энергетики, а именно:

-теоретически обоснована целесообразность и эффективность использования параллельной работы двух и более ДЭМ-Г;

-получены аналитические зависимости, характеризующие аварийные режимы работы системы автономного энергоснабжения на базе ДЭМ-Г и построены математические модели ДЭМ-Г для систем нетрадиционной энергетики, позволяющие определить их характеристики в динамических и статистических режимах работы, получена взаимосвязь конструктивных параметров и характеристик ДЭМ-Г;

-обоснована рациональная система управления ДЭМ-Г и регулирования ее выходных параметров.

Практическая ценность работы

Работа имеет прикладной характер и ставит своей основной задачей повысить эффективность освоения нетрадиционной энергетики. В связи с этим решены следующие практические вопросы:

-разработаны основы методики инженерного расчета ДЭМ-Г как элемента звена постоянного тока АСАЭС для нетрадиционной энергетики;

-предложен вариант системы автономного электроснабжения на базе параллельной работы двух ДЭМ-Г.

Внедрение результатов работы

Разработанная с участием автора методика расчёта аварийных режимов работы оборудования, которая позволяет увеличить точность и достоверность расчётов элементов защиты технологического оборудования. В настоящее время успешно эксплуатируется компанией ООО «Югнефте-маш» (г. Армавир).

Испытания образца АСАЭС, проведённые на базе ООО «НПО Эко-технологии» (г. Москва), показали, что разработанное устройство может быть успешно применено при подборе наиболее стойких к внешним воздействиям систем энергоснабжения при конструировании систем автономного электропитания систем очистки сложно загрязнённых поверхностей. На основании выше изложенного в производственном цеху возможно выполнение модифицированной установки ОУЗП-50 с применением АСАЭС на базе ДЭМ-Г, что необходимо при наличии высоких требований по электромагнитной совместимости рабочей камеры и модуля питания.

Теоретическая значимость работы

Полученные автором результаты и разработанные методики могут быть использованы учебными, проектными, производственными и научно-исследовательскими организациями при обучении, проектировании, эксплуатации, а также при совершенствовании системы энергоснабжения в нетрадиционной энергетике.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научной конференции «Технические и технологические системы» г. Краснодар, 2009 г. и на международной научно-технической конференции (г. Краснодар 2010г.).

Публикации результатов работы

По результатам выполненных исследований опубликовано 6 работ, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 116 наименований и приложения. Общий объем 174 страниц машинописного текста, включая 76 рисунков, 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена научная проблема, актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, описаны методы исследований. Приведены основные положения, выносимые на защиту, изложены сведения о научной значимости и практической ценности, реализации и апробации работы.

В первой главе сформулированы задачи исследования, произведен сравнительный анализ существующих технических решений проблем использования НВИЭ, показаны подходы к решению проблем, а также технические и экологические аспекты комплексного использования НВИЭ.

Во второй проведен анализ вопросов, касающиеся нестационарных режимов работы АСАЭС на базе ДЭМ-Г, дачных режимов, и основное внимание при написании данной главы было уделено коротким замыканиям.

Анализ режимов коротких замыканий дает возможность более правильно проектировать элементы защиты, прогнозировать последствия по-

явления внезапных не ограниченных токов коротких замыканий. В целом, как следствие, этот анализ позволит улучшить технико-экономические показатели работы оборудования. Силовой канал, в виду разных уровней напряжения, на которых происходит передача и преобразование энергии имеет разную величину тока. Как правило, накопление энергии в подобных системах производят при помощи аккумуляторных батарей, которые в свою очередь могут являться источником больших аварийных токов. И их работа в режиме коротких замыканий может привести к выходу из строя аккумуляторов.

В данной главе также детально рассмотрены и классифицированы:

- внешнее глухое короткое замыкание трёхфазного мостового выпрямителя на неуправляемых вентилях звена постоянного тока систем энергоснабжения;

- внутреннее короткое замыкание трехфазного мостового выпрямителя цепи постоянного тока системы энергоснабжения на базе ДЭМ-Г;

- внутреннее короткое замыкание при пробое вентиля в момент окончания коммутации;

- внутренне короткое замыкание трехфазного мостового выпрямителя при пробое вентиля в момент максимума обратного напряжения.

Для каждого из вышеуказанных режимов коротких замыканий в соответствующих разделах приведены основные соотношения, характеризующие работу звена постоянного тока АСАЭС на базе ДЭМ-Г при конкретном виде аварии. Так для первого случая проведён детальный анализ возникновения токов коротких замыканий в различные моменты времени, характеризуемые текущими фазами возникновения короткого замыкания, постоянными времени и другими параметрами, учитываемыми в расчётных функциях.

С момента возникновения внешнего глухого короткого замыкания система выпрямитель нагрузка делится поврежденным участком па две не-

зависимые друг от друга части. В каждой из них токи определяются своими источниками эдс, запасенной в элементах схемы энергией и сопротивлениями контуров. Поэтому каждую из частей системы выпрямитель-нагрузка можно рассматривать отдельно.

Для! источника питания, сети, трансформатора и генератора внешнее глухое короткое замыкание выпрямителя эквивалентно трехфазному короткому замыканию. В рассматриваемом режиме в каждой фазе получается по два встречно-параллельно соединенных вентиля, поэтому ток может беспрепятственно проходить в обоих направлениях (рисунок I).

Тогда

к.

2

е

е---а-

Рисунок 1 - Эквивалентная схема выпрямителя С учетом начальных условий решение имеет вид:

Е,

£

5т(,9 + 1// -<рк)+ /„,--^--fsi.1l// С""""1 ,

где хк и /?а:— индуктивное и активное сопротивления схемы;

хк

(рк - угол коммутации, вычисляемый по формуле *Р к ~ агс1Я

к

Наибольшее значение амплитуды тока вентиля I (ударный ток) зависит от угла. Это видно из выражения для тока /| в относительных единицах

Ктф

sin(,9 + ц> - <рк) + [/'„i - siii(y/ - <рк )]р Л ,

где 1\ 1 =/„, л]х2к + Ягк ¡Етф.

Если рассматривать ток /'*, как функцию двух независимых переменных у> и <р, то частные производные тока записываются как

ЗЛ

аэ

дцг

= cos(5 +1// -<рк)~ ctg<pK [/'„i -siiify/ - <рк)]г 'lk'""fK.; = co^9+t¡f-q>K)-co^f-<pK)е я.

В обычных преобразовательных установках нетрадиционной энергетики 1*,1< <0,1, а величина cosy? лежит в пределах 0,1 - 0,3. Тогда получаем siny5<0,03. Токи вентилей в момент прохождения КЗ по первому типу представляются следующим образом:

и = sin(i9 - <рк) + sin ;

t's =sin( «9 + - <рк | +

i й = sin) 9 + --<Рк | +

/(, - sin] ~-fK

AKVk

где I а — относительный ток нагрузки при <р- 0. Примерно таким же образом рассмотрены и последующие три режима. Двухфазное короткое замыкание фаз А к С через неповрежденный вентиль / и поврежденный вентиль 5:

S

7Г

Н 9 + г-~-<Рк

к

„-■fc'm-

Трехфазное короткое замыкание через оба неповрежденных (1-й и 3-й) и поврежденный (5-й) вентили

)■; = sin^ + у/ - у- - <рк j - sinj^/ - -у - <рк je-1"*«'« ;

ÍJ = sin 9 + у/ - J - <РК j - sin^i// - - J - ^ jí> .

Двухфазное короткое замыкание фаз В и С через вентили 3 и 5

, , 41

h = 's = ~

sin

9 + у/--~(рк l-sinl V---9>лг Iе

71 I • Í Я" 1, .'»"ísft

Также был проведён анализ режимов коротких замыканий с учётом характера нагрузки звена постоянного тока АСАЭС на базе ДЭМ-Г.

В третьей главе разработана оригинальная схема синхронной работы нескольких ДЭМ-Г, получены основные математические соотношения, характеризующие работу каждой ДЭМ-Г.

Один из наиболее эффективных с точки зрения обеспечения оптимального режима работы ДЭМ-Г, является параллельная работа нескольких ДЭМ-Г с последующим отключением части генераторов при определенном снижении нагрузки. Такой режим может возникнуть при неизбежном, например, суточном изменении нагрузки.

Наличие в схеме специальных вспомогательных устройств, приводит к увеличению габаритов и удорожанию установки. Поэтому в тех случаях, когда возможное неравенство статических моментов роторов невелико, может оказаться целесообразной синхронизация вращения осей механизма посредством электрической связи роторов самих ДЭМ-Г. Естественно, что в этом случае для обеспечения необходимой величины эде в цепи роторов ДЭМ-Г всегда должно быть некоторое не выводимое активное сопротивление. Величина его должна быть таковой, чтобы скольжение ДЭМ-Г при нормальной работе было не менее 30 - 40 %. При меньшем значении сопротивления эде и соответственно уравнительный ток и

синхронизирующий момент будут весьма малы. При отсутствии взаимного сдвига роторов токи роторов будут замыкаться только через сопротивление, в котором будет протекать сумма роторных токов всех ДЭМ, включенных в систему синхронного вращения. При возникновении рассогласования в цепи роторов дополнительно возникает уравнительный ток, который, минуя реостат, будет протекать между роторами двигателей аналогично тому, как он протекал в цепи системы синхронизации (рисунок 2).

Рисунок 2 - Система синхронной работы двух ДЭМ на общую нагрузку

Значения активных составляющих токов ¡¡СОЩ и 1гС0Щ)2 мо!утбыть определены после анализа потенциальной диаграммы.

После решения системы уравнений, составленной на основе анализа потенциальной диаграммы, получим выражение для активной составляющей тока второй машины:

и

'-2 + 2';,

- л1

+ X

Полученная формула соответствует наиболее общему случаю системы электрического вала с ДЭМ. Положив г =*> или .<¡1 =*>, эти формулы

непосредственно преобразуются к виду, характерному для электрического вала со вспомогательными устройствами:

М,=Мк

1 -со$в + ~'-ят0

.V Л\

+ ■■

■V, .с

. М, = М.

1 - СОЯ в - ■■--вШ О Л»

Л' Л-

+

■V,. Л-

Приняв значение угла рассогласования равным нулю (0 = 0), получим обычное уравнение искусственной механической характеристики

2М,

асинхронного двигателя: ~М2 -М

.V .чк

--- + - •Л, .5

Формулы моментов свидетельствуют о двоякости ДЭМ в конструктивном отношении - с одной стороны якорь машины постоянного тока, а с другой - ротор машины переменного тока. Ротор ДЭМ включается по типу ротора асинхронного двигателя, что подтверждают расчеты.

Необходимо, однако, заметить, что в это равенство входит критиче-

. '2 + 2

ское скольжение =---------, отличное от случая АД л'»„

Это обусловлено тем, что роторы обеих машин подключены к общему реостату. В результате ток в реостате равен сумме роторных токов и падение напряжения в реостате соответственно имеет практически удвоенное значение. Как следует из полученных равенств, моменты двухмерных машин в схеме электрического вала с общим реостатом в цепи роторов зависят от угла рассогласования и сопротивления реостата.

В четвертой главе разработан математический аппарат, позволяющий учитывать параметры ДЭМ-Г. Выведены соотношения характеризующие появление реакции якоря ДЭМ-Г.

Одним из мало изученных вопросов проектирования, эксплуатации и математического моделирования электромагнитных процессов в ДЭМ,

является вопрос касающийся установления зависимости между геометрическими размерами, конструкцией машины и энергией поля в рабочем воздушном зазоре. Основная сложность, появляющаяся при расчете поля в воздушном зазоре ДЭМ, заключается в учете конструкции и формы паза.

После анализа полуоткрытого паза ДЭМ клиновидной формы необходимо рассчитать двухмерное магнитное поле в пазу ДЭМ, является энергия в пазу и индуктивность пазового рассеяния.

Для достижения этой цели решено уравнение Пуассона для векторного потенциала во внутренней области паза при следующих граничных условиях: при г - ггНя{гг,а)~ 0; при а = 0, Я,.(г,0)=0; т.е. в плоскости симметрии а = 0, = 0; при а = ±/?//(г,±/?) = 0;при г = г1Нп =//„(г,,а).

Величина напряженности Н1, при заданном токе в пазу может быть найдена с помощью закона полного тока |/7 <11 = I.

Векторный потенциал в пазу удовлетворяет уравнению Пуассона. Гак как <5 = 5. то А = А_, и, следовательно, это уравнение имеет видЛ: =~/.ф. Уравнение является неоднородным дифференциальным уравнением второго порядка в частных производных. Решение этого уравнения представим в виде суммы двух составляющих А = А, + А2, аналогично Н = Я, + //,. Будем считать, что Л,(Я,) - частное решение уравнения, т.е. удовлетворяет уравнению Пуассона, а решение - уравнение

Лапласа. При этом каждое из решений должно удовлетворять граничным условиям. Решение для составляющей /!,(//,) было получено при исследовании поля в открытом пазу:

А. + С 1пг + С,, И.

I А 1 2' I.

4

Здесь С, и С, - неизвестные постоянные. Постоянную С, определим из условия, согласно которому на дне паза //„(г,,а) = О, т.е. получим

0 = --л~— • V п, следовательно, С, =-—/\\ Постоянную С, можно вы-2 '/.ir' 2

брать произвольно, поэтому выберем се таким образом, чтобы избежать в дальнейшем громоздких алгебраических преобразований. На всех поверхностях. граничащих с железом, поток вектора Пойтинга отсутствует и весь интеграл определяется лишь потоком через поверхность /• = ?;. Если же на поверхности ;,//,(;•,«)= 0, то первый интеграл для (//,,//,) будет равен нулю, а энергия в пазу определится как 2WU =jSAdV. При /!,((,)=О имеем

г

//S , fiS : //S I , //S , /;

С =~L— Г. ---—In/-, Д= —(г -г г, In —.

4 2 " 4 ' 2 ~ г

Таким образом, выше приведённые выражения определяют пуассо-новскую составляющую решения задачи. Функция /(, удовлетворяет уравнению Лапласа: = 0, которое в цилиндрической системе координат в

1 д( ЯЛ) 1 д~А, п двухмерном варианте имеет вид---г—- +---^ = 0.

г дг\ дг ) г да'

Уравнение решено методом разделения переменных, полагая, что А, = ('")./» (£r)=:Zi^t ■ ® итоге окончательные решения для векторного потенциала н магнитной напряженности //„ принимают вид:

sin**©*»

А = _г)+н1,.г lnü_гцН^—Р , ч eoskJLa ; 4 ' 2 1 г, Ы?('(г,) р

■ N Ьг

sin QRAr Icos а

" 2 2 г *<(,-)

Как известно, энергию в пазу ДЭМ-Г можно рассчитать двумя спо-

собами: либо по формуле IVи = с!У, где Н = ^Н] + Н\ , либо с

г 2

мощью известной энергетической теоремы: И/„ = -1 /I6(1V + -|[/1 х 11 .

2 г 2 .V

Воспользуемся вторым способом. Рассмотрим каждый из интегралов. Первый интеграл является объемным. При этом на единицу длины в одномерном поле (/К = 2/?«/г, а в двухмерном поле - (IV = 2гс!ас1г. Обратим внимание, что интеграл по каждому слагаемому в этой сумме по а в

пределах 0 < а < /?: |соъ—айа = 0, т.е. при интегрировании в нуль обра-0 Р

тится и вся сумма. В итоге остается проинтегрировать лишь решение Л, по объему V : \ASclV = 8\Ас1У = .

Г Г п

Решение полученных выражений позволяет получить окончательное выражение для энергии (№,,) магнитного поля в пазу:

по-

2 \2flfc -¿У

, Р у Р Л>> ©^ (кхУп'М)

4 Г Л----_ г;(г2 _ ,•;)+ г* 1 п —

4 "V1 г.

и

Кк)

К

г V* г,

г.

В пятой главе приведена методика и некоторые результаты экспериментальных исследований АСАЭС на базе ДЭМ-Г. Показана сходимость результатов эксперимента и теории.

Для выполнения лабораторных испытаний ДЭМ-Г был изготовлен экспериментальный образец ДЭМ-Г, имеющий следующие номинальные данные (мощность 200 Вт., генерируемый ток в энергосистему 10 А, напряжение 15 В, номинальная скорость вращения ротора 800 об/мин, актив-

мое сопротивление якорной обмотки 5 Ом, импеданс якоря па номинальной частоте 9,8 Ом, активное сопротивление ротора 10 Ом, импеданс ротора на номинальной частоте 19 Ом.

Экспериментальные исследования проведены на изготовленном автором испытательном комплексе и ввиду нетрадиционной конструкции и сложности изготовления двухмерной электрической машины - генератора, се система управления и контроля параметров экспериментальные образцы данного комплекса оборудования были испытаны в лаборатории специальных электрических машин Кубанского Государственного Технологического Университета.

Основная задача при проведении экспериментальной части работы, сводилась к моделированию работы автоматизированных систем автономного энергоснабжения па базе ДЭМ-Г в различных условиях, в том числе при аварийных режимах, к оценке зависимостей выходных параметров системы от входных и к доказательству достигнутых теоретических результатов в работе.

Программа эксперимента включала в себя:

1) Разработку, изготовление и испытание ДЭМ-Г, имеющего следующие номинальные данные: мощность 200 Вт, генерируемый ток в энергосистему 10 А, напряжение 15 В, номинальная скорость вращения ротора 800 об/мин, активное сопротивление якоря 5 Ом, импеданс якоря на номинальной частоте 9,8 Ом, активное сопротивление ротора 10 Ом, импеданс ротора на номинальной частоте 19 Ом.

2) Разработку рационального экспериментального стенда, позволяющего имитировать различные режимы работы системы на основе ДЭМ-Г.

3) Сборку экспериментального стенда.

4) Определение параметров звеньев и частей экспериментального

стенда;

5) Снятие скоростных зависимостей.

6) Снятие нагрузочных зависимостей,

7) Экспериментальное доказательство возможности стабилизации выходных параметров системы по частоте и уровню напряжения.

8) Установление возможности генерации выходного напряжения в автономном режиме.

9) Экспериментальное доказательство правильности методики расчета токов коротких замыканий, в звене постоянного тока системы.

Оценка мощности механического входа ДЭМ-Г производилась средствами измерения электрической мощности, потребляемой блоком имитации ветротурбииы с учетом поправок на КПД частотного преобразователя, КПД асинхронного двигателя и ременной передачи. Мощность электрического входа ДЭМ-Г измерялась косвенным методом с использованием вольтметра и амперметра, включенных в цепь якоря машины. Измерение параметров выходного однофазного напряжения (частоты и уровня напряжения, уровеня потребляемого тока, угла сдвига фаз между выходным током и напряжением) производилось измерительным блоком, специально сконструированным для данного стенда. В целях повышения точности измерений всех параметров производилось измерения напряжений и токов (после преобразования сигнала тока в сигнал напряжения лабораторными шунтами с классом точности не ниже 0,05) и дополнительный пересчет на основании осциллограмм необходимых параметров. На рисунке 3 представлен экспериментальный стенд для испытания ДЭМ-Г.

Экспериментальный стенд состоит из электромеханического блока, включающего в себя ДЭМ-Г рисунок 4, асинхронный двигатель с частотным преобразователем рисунок 5, защитнопреобразовательного блока и измерительного блока.

В состав электромеханического блока входят двухмерная электрическая машина-генератор (рисунок 4), устройство имитации ветротурбин-

ной установки, состоящие в свою очередь, из асинхронного электродвигателя, частотного преобразователя и автоматического выключателя, выполняющего роль аппарата защиты от электрических перегрузок, блока низковольтных нагрузок.

Рисунок 3 - Внешний вид Рисунок 4 - ДЭМ-Г

экспериментального стенда и ДЭМ-Г

Рисунок 5 - Электромеханический блок В ходе эксперимента выяснилось, что наибольшую опасность для энергоустановок нетрадиционной энергетики на базе ДЭМ-Г представляют короткие замыкания звена постоянного тока. Это связано с наличием накопителя избыточной энергии, выделяемой в часы пиковой генерации либо в часы малого потребления, выполненного в виде аккумуляторной батареи. Другим фактором опасности наличия аккумуляторных батарей служит их низкое рабочее напряжение, ввиду чего приходится иметь дело с относительно высокими значениями номинальных затрудняющих обеспечение защиты от ТКЗ. Для облегчения и уменьшения объемов расчетов, произво-

димых при прогнозировании и обработке экспериментальных данных, была применена программа МаЛсас! 14, которая позволяет не только производить расчеты, но и осуществлять визуализацию результатов в виде графиков функций. Для подтверждения вышеизложенных теоретических аспектов в создании и испытании ДЭМ-Г и системы электроснабжения на ее основе был поставлен вычислительный эксперимент охватывающий основные теоретические аспекты и выводы полученные в диссертационной работе.

Результатом произведённых испытаний явились следующие данные: - Мощность ДЭМ-Г.....................................................................200 Вт.

- Генерируемый линейный ток ДЭМ-Г в энергосистему.............10 А.

- Линейное напряжение ДЭМ-Г.....................................................15 В.

- Номинальная скорость вращения ротора ДЭМ-Г...........800 об/мин.

- Активное сопротивление якорной обмотки ДЭМ-Г................5 Ом.

- Импеданс якоря ДЭМ-Г на номинальной частоте.................9,8 Ом.

- Активное сопротивление ротора ДЭМ-Г.................................10 Ом.

- Импеданс ротора ДЭМ-Г на номинальной частоте................19 Ом.

- Действующее значение номинального напряжения, выдоваемого однофазной нагрузке......................................................220 В.

- Предельный ток нагрузки 2 А на напряжении.........................225 В.

- Время работы в автономном режиме на активную нагрузку (при полном отключении от сети, при токе 2 А и напряжении 223 В)......40 мин.

- Напряжение звена постоянного тока находится в пределах 11 ^-15 В, зависит от режима работы нагрузки 220 В и от уровня заряда аккумулятора.

- Частота выходного напряжения 220 В составила...............49,97 Гц.

- Автоматическое отключение от цепи нагрузки срабатывает на токе...............................................................................2,2 А.

- Пиковая активная мощность автоматизированной системы автономного энергоснабжения на базе ДЭМ-Г в цепи 220 В, составила...500 Вт.

- Заряд аккумулятора происходит в автоматическом режиме в функции напряжения в пределах.........................................................11 + 14 В.

- Результаты динамического испытания ДЭМ-Г:

1. Зависимость скорости якоря ДЭМ-Г от напряжения якоря при постоянном минимальном сопротивлении роторной цепи, для различных

скоростей ротора.

ия, В.

10 15 20 25 30 35 40

п, ,=300 125 250 310 340 345 352 363 820

п„=400 140 300 480 580 710 780

п„=500 375 520 810 1050 1100 1480 1150 1508 1210 1529'

пр=600 410 805 Изо 1320

п,=700 510 1080 1350 1490 1630 1710 1732

2. Зависимость скорости якоря от скорости ротора, для различных напряжений якоря.

пр, об/мин.

175 ~ 350 525 700 875 1050

11=10 В 460 605 610 622 631 720

ия=20 В 833 920 1053 1120 1132 1141

ия=зо В 1503 1521 1538 1549 1561 1569

Обработка результатов исследований энергосистемы производилась по нескольким направлениям, среди которых - измерения первичных параметров, снятие скоростных зависимостей машины, входящей в состав энергосистемы как генерирующей, моделирование с последующим исследованием аварийных режимов работы звена постоянного тока как наиболее не защищенного от данных воздействий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен сравнительный анализ традиционных способов и средств использования нетрадиционных источников энергии. Показана необходимость улучшения энергетических показателей комплексного использования нескольких видов первичных источников энергии.

2. С целью анализа аварийных режимов исследовано поведение звена постоянного тока АСАЭС, что позволило увеличить селективность защиты. В частности отклонение ТКЗ от расчетного в звене постоянного тока составило не более 10 %. Отклонение фазных напряжений в номинальном режиме составило не более 12 %. Ошибка от расчетного времени работы в автономном режиме без поступления энергии на механический и электрический входы машины, т.е. при работе с аккумуляторной батареей, составило не более 13 %.

3. Параллельная работа ДЭМ-Г на общую нагрузку позволяет повысить энергетические характеристики АСАЭС. Для параллельной работы произведено исследование моментов сопротивления и определения активных составляющих токов роторов, участвующих в работе машин. Наряду с этим произведено исследование устойчивости АСАЭС, которое дало возможность определения границу самовозбуждения и самораскачивания системы.

4. На основе анализа известных методов матмоделирования электрических машин обосновано определение параметров ДЭМ-Г, позволяющее оценить электромагнитную энергию в рассматриваемой машине, необходимую для определения конструктивных параметров.

5. Составлена и решена система дифференциальных уравнений, описывающая энергию магнитного поля в рабочем воздушном зазоре ДЭМ-Г с целью уточнить методику расчета и повысить энергетические показатели узла генерации АСАЭС.

6. Разработана методика анализа аварийных режимов звена постоянного тока АСАЭС при различных вариантах возникновения коротких замыканий в системе нетрадиционной энергии. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов исследования показало удовлетворительную сходимость их между собой.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Ладенко Н.В., Гайтов Б.Х., Иванюк В.А. Анализ характеристик звеньев в системах с нетрадиционными источниками энергии (статья). Сборник научных трудов международной научной конференции «Технические и технологические системы». Краснодар, 2009 г. - с.33-36.

2. Ладенко Н.В., Князев Д.А. Применение САПР для расчета двухмерной электрической машины (статья). Сборник научных трудов международной научной конференции «Технические и технологические системы». Краснодар, 2009 г. - с.58-61

3. Ладенко Н.В., Курашинов Т.А. Построение системы прямого управления моментом асинхронного кранового электропривода механизма подьёма (статья). Сборник научных трудов международной научной конференции «Технические и технологические системы». Краснодар, 2010 г. -с.93-96

4. Ладенко Н.В., Ладенко A.B., Курашинов Т.А. Работа звена постоянного тока силового канала ДЭМ-Г (статья). Сборник научных трудов международной научной конференции «Технические и технологические системы». Краснодар, 2010 г. - с. 110-113

5. Ладенко Н.В., Гайтов Б.Х., Науменко В.А. Моделирование звена постоянного тока двухмерной электрической машины - генератора (статья). // «Энергосбережение и водоподготовка», №2 (70). М.: Энергоинвест, 2011 г., - с.74-75

6. Ладенко Н.В., Гайтов Б.Х., Науменко В.А Параллельная работа двухмерных электрических машин на общую нагрузку (статья). // «Энергосбережение и водоподготовка», №3 (71). М.: Энергоинвест, 2011 г., - с.74-75

Подписано в печать 26.12.2011. Печать трафаретная. Формат 60x84 V|6. Усл. иеч. л. 1,36. Тираж 100 экз. Заказ № 586. Огпечатано в ООО «Издательский Дом-Юг» 350072, г. Краснодар, ул. Московская 2, корп. «В», оф. В-120, тел. 8-918-41-50-571

61 12-5/1595

Кубанский государственный технологический университет

На правах рукописи

Ладенко Николай Васильевич

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ АВТОНОМНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ ДВУХМЕРНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ-ГЕНЕРАТОРА

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д-р. техн. наук, профессор

Б.Х. Гайтов

Краснодар - 2011

СОДЕРЖАНИЕ

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

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ ИСЛЕДОВАНИЯ..................................................................11

1Л Общие сведения о состоянии вопроса развития

нетрадиционной энергетики..................................................................11

1.2 Сравнительный анализ традиционных способов и средств использования НВИЭ...........................................................................................................................12

1.3 Экологические и технико-экономические предпосылки комплексного использования НВИЭ.....................................................................................................15

1.4 Современные способы и средства повышения качества электроэнергии в нетрадиционной энергетике......................................................................................21

1.5 Выводы по главе 1 ........................................................................24

ГЛАВА 2 АНАЛИЗ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ В АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ

СИСТЕМЕ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ ДЭМ-Г.................................26

2 Л Общие сведения по аварийным режимам............................................26

2.2 Методика определения величин, вводимых в схему

замещения питающей сети на базе ДЭМ..................................................31

2.3 Выбор метода анализа аварийного режима.........................................33

2.4 Внешнее глухое короткое замыкание трёхфазного мостового выпрямителя на неуправляемых вентилях звена постоянного

тока систем энергоснабжения...............................................................34

2.5 Внутреннее короткое замыкание трехфазного мостового выпрямителя цепи постоянного тока системы энергоснабжения на базе ДЭМ-Г........................47

2.6 Внутреннее короткое замыкание при пробое вентиля в момент окончания коммутации.....................................................................................54

2.7 Внутреннее короткое замыкание трехфазного мостового выпрямителя при пробое вентиля в момент максимума обратного напряжения........................66

2.8 Выводы по главе 2........................................................................68

ГЛАВА 3 ПАРАЛЕЛЬНАЯ РАБОТА ДВУХМЕРНЫХ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН НА ОБЩУЮ НАГРУЗКУ И

УСТОЙЧИВОСТЬ АС АЭС НА БАЗЕ ДЭМ-Г...........................................69

3. 1 Общие сведения о параллельной работе...........................................69

3.2 Определение момента сопротивления ротора первой двухмерной машины входящей в состав системы синхронного вращения двух машин.....................73

3.3 Определение момента сопротивления ротора второй двухмерной машины входящей в состав системы синхронного вращения двух машин...................79

3.4 Статическая устойчивость простейшей АС АЭС на базе ДЭМ-Г при управлении током якоря с использованием пропорционального регулятора..............82

3.5 Нерегулируемая АС АЭС, без учёта электромагнитных переходных процессов в ДЭМ-Г..........................................................................100

3.6 Самораскачивание и самовозбуждение АСАЭС на базе ДЭМ-Г..............104

3.7 Выводы по главе 3 ......................................................................111

ГЛАВА 4 УЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДЭМ-Г В АСАЭС.................................113

4.1 Общие сведения о параметрах ДЭМ-Г..............................................113

4.2 Расчет поля воздушного зазора. Нахождение составляющей поля, удовлетворяющей уравнению Пуассона.............................................................114

4.3 Составляющая поля, удовлетворяющая уравнению Лапласа..................118

4.4 Расчет энергии магнитного поля в пазу ДЭМ.....................................122

4.5 Магнитное поле и параметры клиновидного паза ДЭМ

с открытием в узкой части..................................................................125

4.6 Оценка влияния реакции якоря в двухмерной

электрической машине.......................................................................131

4.7 Выводы по главе 4..................................................................... 138

ГЛАВА 5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ..........................................140

5.1 Общие сведения об экспериментальной части работы...........................140

5.2 Обоснование методики эксперимента................................................141

5.3 Обоснование рационального экспериментального стенда.....................143

5.4 Результаты экспериментальных исследований....................................146

5.5 Выводы по главе 5........................................................................159

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................160

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...................................162

ПРИЛОЖЕНИЕ..............................................................................173

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Основным источником энергии на Земле, как известно, является ископаемое топливо. Этот факт свидетельствует о малой доле использования нетрадиционных источников энергии. Доля растительного топлива большой энергетики стран в мире составляет всего 16 % от общего потребления энергоресурсов. Наряду с этим солнечная радиация, поступающая на земную поверхность, превосходит существующее энергопроизводство в 2*104 раз. Из этой энергии примерно 2% этой радиации вследствие преобразования в тепловую энергию превращается в энергию ветра.

Если внимательно рассмотреть первопричины возникновения источников энергии эксплуатируемых человеком, то неизбежно напрашивается вывод, что вся энергия появилась на земле в виде солнечной, затем преобразовалась в другие виды, например, через органический синтез получились такие виды ископаемого топлива как каменный уголь, нефть, газ, древесина и т.д. Затем эти виды топлива, в основном через сжигание, преобразовываются в тепловую энергию, которая сначала преобразуется в энергию пара (нагреванием воды в котлах) после чего перегретый пар, обладающий определенным уровнем энергий как кинетической, так и потенциальной, вращает турбину. На этой стадии происходит получение механической энергии, после чего совершается преобразование в электрическую энергию в электрогенераторах. Возможен еще один вариант преобразования солнечной энергии, который сводится к испарению воды под действием солнечной радиации, ее перенос в виде облаков конденсация с выпадением в виде дождя или снега в водоемы или ледники, после чего возможно выделение механической энергии из потока воды, с последующим преобразованием электрогенераторами в электрическую. Эти варианты преобразования имеют малый КПД преобразования солнечной радиации в электроэнергию, и не превышает сотых долей процента.

Основными проблемами использования ископаемого топлива является развивающийся в мире энергетический кризис, невозобновляемость энергетических ресурсов, ухудшающаяся экологическая обстановка и др.

Все эти причины приводят к уменьшению эксплуатации невозобновляе-мых источников энергии. Ситуацию также подстегивает перспектива развития ядерной энергетики. Основным направлением в поиске выходов из складывающейся ситуации является поиск альтернативных источников энергии, экологически чистых и возобновляемых таких, как энергия солнца, ветра, малых рек, биотопливо, приливная энергетика, морских волн, подводных течений, геотермальных вод, использование эффекта запоминания формы и др.

Все эти поиски сопровождаются стремлением к увеличению КПД преобразования солнечной энергии в электрическую, что наиболее часто сводится к уменьшению количества ступеней преобразования энергии, наилучший случай - это непосредственное преобразование энергии без использования машин, например - с помощью фотоэлектрических преобразователей (ФЭП).

Однако до настоящего времени вопросы прямого преобразования энергии не нашли обширного развития, несмотря на того, что генерация тока из химически активных веществ в электрохимических генераторах без теплового и механического циклов уже давно известны. Известен также способ термоэлектрического, термоэмиссионного, фотоэлектрического, преобразования тепловой и солнечной энергии непосредственно в электрическую.

Развивая мысль проф. Копылова И.П. в работе [35] предложена оригинальная конструкция двухмерной электрической машины (ДЭМ), потребляющей одновременно энергию Солнца, предварительно преобразованную в электрическую с помощью ФЭП и энергию, например ветра, или биогаза, или геотермальных вод и т.д., предварительно преобразованную в механическую энергию. На выходе ДЭМ снимается суммарная энергия в виде механической (режим двигателя) или электрической (режим генератора) в зависимости от режима работы машины.

Тема работы связана с научно-технической программой Т. 14.01 "Разработать и создать производство энергетических комплексов с использованием возобновляемых источников и осуществить широкомасштабный эксперимент по их применению для объектов агропромышленного, жилищно-гражданского и курортно-оздоровительного назначения", а также Краснодарской краевой программой "Состояние тепло- и электроснабжения, обеспечение топливом. Уровни и структура потребления. Местные энергоресурсы, запасы возобновляемых источников энергии (малые ГЭС, термоэнергетика, ветроэнергетика, тепловые насосы и т.д.), разработанной в соответствии с Постановлением главы администрации края от 20.06.96 №269.

Цель работы. Целью работы является разработка автоматизированной системы и анализ параллельной работы ДЭМ-Г с учетом возможных аварийных режимов в автоматизированной системе автономного энергоснабжения (АСАЭС).

Задачи исследования. Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

-обоснование целесообразности построения и эффективности построения автоматизированной системы автономного электроснабжения на базе параллельно работающих ДЭМ-Г;

-разработка рациональной конструкции и схемы управления двухмерных электрических машин-генераторов (ДЭМ-Г) в системах нетрадиционной энергетики малой мощности до 50 кВА, имеющей в своём составе звено постоянного тока;

-развитие основ теории и математических моделей устанавливающих связь параметров и характеристик ДЭМ-Г в области расчета энергии поля в рабочем зазоре машины;

- построение основ теории и математических моделей номинальных и аварийных режимов работы автоматизированной системы автономного энергоснабжения на базе ДЭМ-Г;

Методы исследования. В теоретических исследованиях автором использована теория построения энергосистем, расчета аварийных режимов в системах энергоснабжения, аварийных режимов звеньев постоянного тока, математического аппарата матричного анализа электрических машин, теория электромагнитного поля и метода синтеза электрических машин. Поставленные задачи решены аналитическими, численными и экспериментальными методами с использованием, в целесообразных случаях, метода планирования эксперимента. Экспериментальные исследования проведены на экспериментальном образце ДЭМ-Г с помощью специально разработанной установки, сочетающей в себе как основные элементы энергосистемы, так и элементы контрольно измерительной аппаратуры.

Научная новизна. В работе построены теоретические основы работы систем управления параллельно работающих двухвходовых электрических машин - генераторов в системе нетрадиционной энергетики, а именно:

-обоснована целесообразность и эффективность использования параллельной работы двух и более ДЭМ-Г;

-получены аналитические зависимости, характеризующие аварийные режимы работы системы автономного энергоснабжения на базе ДЭМ-Г;

-построены математические модели ДЭМ-Г для систем нетрадиционной энергетики, позволяющие получить их характеристики в динамических и статистических режимах работы, получена взаимосвязь конструктивных параметров и характеристик ДЭМ-Г;

-обоснована рациональная система управления ДЭМ-Г с целью стабилизации ее выходных параметров и построения, таким образом, системы автономного электроснабжения.

Практическая ценность. Работа имеет прикладной характер и ставит своей основной задачей повысить эффективность нетрадиционной энергетики. В связи с этим решены следующие практические вопросы:

- разработана принципиальная схема стабилизации выходных параметров параллельно работающих ДЭМ-Г на общую нагрузку;

-предложен вариант системы автономного электроснабжения на базе

параллельной работы двух ДЭМ-Г.

Реализация результатов работы. Научные результаты работы использованы в компании ООО «Югнефтемаш» и на базе ООО «НПО Экотех-нологии.

Автор защищает:

-обоснование целесообразности выбора режима параллельной работы нескольких ДЭМ-Г в АС АЭС, рациональные способы и методы согласования системы автономного электроснабжения, состоящей из нескольких ДЭМ-Г, включенных на параллельную работу;

-методику расчета токов коротких замыканий (ТКЗ) при различных вариантах возникновения аварийных режимов в АС АЭС;

-энергетические соотношения учитывающие конструктивные параметры ДЭМ для систем нетрадиционной энергетики;

-методику расчета конструктивных параметров ДЭМ-Г, обеспечивающих наилучшие энергетические, конструктивные и надежностные характеристики АС АЭС;

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на двух международных научно-технических конференциях (г. Краснодар 2009 и 2010г.)

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 6 работ, в том числе 2 работы - в журнале, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 116 наименований и приложения. Общий объем 174 страниц машинописного текста, включая 76 рисунков, 6 таблиц.

В первой главе сформулированы задачи исследования, произведен сравнительны анализ существующих технических решений задачи использования НВИЭ, показаны подходы к решению проблем, а также технические и экологически аспекты комплексного использования НВИЭ.

В главе второй разработаны методы выбора схем замещения системы автономного энергоснабжения на базе ДЭМ-Г для разных случаев возникновения аварийных режимов. Приведены основные энергетические соотношения позволяющие производить уточненный расчет элементов защиты.

В главе третьей разработана оригинальная схема синхронной работы нескольких ДЭМ-Г выведены уравнения активных составляющих токов управления и моментов роторов ДЭМ-Г.

В главе четвертой разработан математический аппарат позволяющий учитывать параметры ДЭМ-Г. Выведены соотношения характеризующие появление реакции якоря ДЭМ-Г.

В пятой главе приведена методика и некоторые результаты экспериментальных исследований АСАЭС на базе ДЭМ-Г. Показана сходимость результатов эксперимента и теории.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Общие сведения о состоянии вопроса развития нетрадиционной энергетики

В последнее время перед народным хозяйством нашей страны и всего мира становится актуальной проблема поиска путей использования новых экологически чистых источников энергии. Это связано, в первую очередь, обострившейся экологической обстановкой, во-вторых, с истощением запасов природных ископаемых видов топлива, в-третьих, с изменением общественных взглядов на ядерную энергетику. Всё возрастающие мощности потребителей электроэнергии и невозможность в полной мере удовлетворить эту потребность за счет традиционных средств энергетики приводит к медленно, но неуклонно разрастающемуся энергетическому кризису. Перспективы же термоядерной энергетики, теоретически позволяющей удовлетворить возрастающие энергетические потребности человечества, на сегодняшний день ещё явно не определены.

В то же время в природе существует множество различных нетрадиционных возобновляемых источников электроэнергии (НВИЭ), которые либо вообще не используются, либо используются совершенно неэффективно, хотя по мощности своей они превосходят не возобновляемые (истощаемые) источники электроэнергии. В силу своей специфики (трудность в утилизации, малая плотность энергии и др.) разработкой данных источников невозможно полностью удовлетворить потребности в электроэнергии, но снизить возрастающий дефицит между выработкой и потребностью в электроэнергии вполне реально.

Особенно актуальным вопрос использования НВИЭ становится на территории Юга России. Это связано, во-первых, с высокими метеорологическими показателями (около 300 солнечных дней в году), во-вторых тем, что

Юг России - это в основном курортные зоны, поддержание благоприятной экологической обстановки в которых имеет первостепенную важность.

Различным аспектам использования НВИЭ посвятили свои работы отечественные исследователи: Ахмедов Р.В. [6], Белый Б.И. [17], Берковский Б.М. [8], Васильев Ю.К. [24], Васильев Ю.С. [12-14], Винокуров В.А. [15], Гайтов Б.Х., Гайтова Т.Б. [17-27], Копылов И.П. [47-56], Красавин В.В. [61] , Воль-шаник В.В. [16], , Шефтер Я.И. [104], и др., а также зарубежные авторы: Golding E.W. [11