автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Разработка системы рекуперации энергии на базе асинхронного генератора

На правах рукописи

Иванов Александр Сергеевич

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ РЕКУПЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ НА БАЗЕ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

1 7 мдй 2012

Москва-2012

005044372

005044372

Работа выполнена на кафедре электромеханики ФГБОУВПО НИУ «МЭИ»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Котеленец Николай Федорович

кандидат технических наук, доцент Еременко Владимир Григорьевич доктор технических наук, профессс ФГБОУВПО НИУ «МЭИ», кафед] Электротехнических комплексов автономнь объектов

Кунцевич Петр Антонович

кандидат технических наук, старший научны сотрудник, ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадеми отдел возобновляемых источников энергии

Ведущая организация:

ЗАО «ОПТИМА» (г. Москва)

Защита диссертации состоится «31» мая 2012 г. в 15 часо в аудитории Е-205 на заседании диссертационного совета Д 212.157.15 пр: Национальном исследовательском университете «МЭИ» по адресу: 11125С Москва, Красноказарменная ул., д. 13, корп. «Е»,2 - этаж.

Отзывы на автореферат диссертации (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просьба направлять по адресу: 111250, Москва Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « Д9_» 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н.

Боровкова А.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Аннотация. В работе рассматривается способ получения электрической энергии на основе рекуперации избыточного магистрального давления жидкостей в системах централизованного тепло- и водоснабжения. Представлены результаты исследований того, как влияют на броски токов генератора скорость вращения вала и фаза напряжения, при которых осуществляется включение генератора в сеть. Также рассматривается способ ограничения пусковых токов асинхронного генератора с помощью включённых в цепь статора добавочных резисторов. При этом исследуется зависимость бросков тока статора от скорости, при которой генератор включается в сеть, и от величины пусковых резисторов. Делается вывод

0 том, что не на всякой скорости мы получаем желаемое ограничение. Представлен вариант использования асинхронного генератора в режиме работы на выпрямительную нагрузку.

Актуальность работы. Современная энергетика в РФ характеризуется направлением к повышению надежности, энергоэффективности и экологической безопасности, что соответствует основным положениям «Энергетической стратегии России на период до 2030 года» и ФЗ - 261 «Об энергосбережении и ювышении энергетической эффективности».

По данным Министерства по науке и образованию РФ до 60 % резервов юзможной экономии электроэнергии находится в сфере потребления.

Известно, что крупные города по всему миру потребляют огромное юличество энергии. И потребление электроэнергии постоянно растет. Так, рост ютребления электроэнергии в г. Москве достигает 5 % в год. При росте лектропотребления растёт и дефицит мощностей. В настоящее время он щенивается в 12-15% от общего уровня потребления. При этом потенциал «ергосбережения Москвы оценивается примерно в 11 млн. т. у.т. в год, т.е. около

1 % от всего потребления первичной энергии в России. Неразумно при таком иромном потенциале энергосбережения решать проблему надежного

обеспечения города энергоресурсами только за счет увеличения производств энергии.

Поисками новых нетрадиционных источников энергии занято значительно число учёных в различных областях науки и техники.

Актуальной является и проблема гидравлической разбалансированності систем теплоснабжения. Известно, что при транспортировке рабочих і технологических жидкостей (водные среды, углеводороды и др.) для преодолени гидравлического сопротивления магистральных трубопроводов мощності насосных агрегатов выбирается исходя из требуемого давления среды дш обеспечения самых удаленных объектов. Все абоненты, расположенные ближе вынуждены получать продукт под избыточным давлением. Это обстоятельств* приводит к значительным безвозвратным потерям энергии, которая попрост; дросселируется.

Поэтому разработка системы, позволяющей решить, с одной стороны проблему разбалансированности гидравлической системы, а с другой вырабатывать электроэнергию нетрадиционным, экологически чистым способом полностью отвечающим требованиям Киотского протокола, является актуальної" и отвечающей требованиям времени.

В качестве электрического генератора предлагается использовать асинхронную машину.

Асинхронные генераторы находят достаточно разнообразное применение і самых различных областях народного хозяйства. Как источникі электроснабжения основного и вспомогательного электрооборудовани) асинхронные генераторы находят применение на судах и летательных аппаратах. Асинхронная машина с вентильным возбуждением находит применение в автономных системах электроснабжения и для комбинированного энергетического привода гибридного автомобиля в качестве стартёр-генератора. Для обеспечения бесперебойного электроснабжения ответственных потребителе? малой мощности (до 5 кВт) при кратковременных провалах напряжения сети находят применение источники бесперебойного питания на базе инерционного

накопителя энергии и асинхронной машины с короткозамкнутым ротором. Асинхронные генераторы широко применяются в ветроэнергетических становках и гидроэлектрических станциях малой мощности.

Известны разработки энергосберегающих установок с использованием синхронных генераторов. Так, бельгийские фирмы АСТС и ЕВЕБ предложили и р иступили к реализации проекта по использованию энергии, которая ысвобождается при снижении давления газа. Также известны разработки, в оторых попутный газ, содержащийся в нефтяных скважинах, предлагается спользовать для привода АГ, к которому подключены нефтяные насосы.

Целью работы является разработка и создание экспериментальной и пытно-промышленной установок системы рекуперации давления (СРД), спользующую для выработки электроэнергии энергию обычно теряемого, збыточного магистрального давления в системах тепло- и водоснабжения.

Разработка рекомендаций по выбору оптимальных режимных параметров аботы установок СРД.

Создание аварийного источника электроэнергии для поддержания аботоспособности теплового пункта в случае внезапного отключения 1ектроэнергии.

Для достижения поставленной цели ставились следующие задачи:

1. Выбор оптимальной структуры системы рекуперации давления и типа электрического генератора.

2. Создание модели асинхронной машины в среде программирования МайаЪ, которую можно было бы интегрировать как составную часть в более сложную математическую модель системы водоснабжения.

3. Анализ переходных процессов в при включении генератора в сеть и при работе на автономную нагрузку.

4. Участие в создании экспериментальной и опытно-промышленной установок рекуперации давления

5. Проверка электромагнитной совместимости опытно-промышленных установок.

При решении поставленных задач соискатель опирался на труды известных ученых, внесших значительный вклад в развитие теории электромеханических преобразователей, в том числе асинхронных генераторов: Алиевский Б.Л:, Балагуров В.А., Вольдек А.И., Джендубаев А.-З.Р., Иванов A.A., Иванов-Смоленский A.B., Копылов И.П., Костырев М.Л., Скороспешкин А.И., Торопцев Н.Д., Фришман B.C. и др.

Методы исследования. При исследовании применялись как теоретические, так и экспериментальные методы. Исследования выполнялись с использованием базовых законов теоретических основ электротехники, с применением теории обобщенной электрической машины, методов проектирования и математического моделирования трехфазных асинхронных машин. При разработке математической модели электрической части установки СРД использовалась среда программирования Matlab. Достоверность теоретических исследований подтверждается совпадением результатов расчёта и эксперимента. Научная новизна работы состоит в следующем:

• Установлена зависимость бросков тока от скорости, при которой осуществляется включение генератора в сеть.

• Установлена зависимость бросков тока от фазы напряжения включения.

• Исследовано влияние скорости, при которой осуществляется включение генератора в сеть, на броски токов при использовании токоограничивающих резисторов.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

• Разработана энергосберегающая установка СРД на основе асинхронного генератора.

• Созданы экспериментальная и опытно-промышленная установки СРД

• Разработан алгоритм автоматического управления установкой.

• Изготовлен экспериментальный стенд для определения оптимальных режимных параметров установки СРД.

• Создана математическая модель электрической части установки СРД, позволяющая в составе модели систем централизованного тепло- и водоснабжения исследовать динамические процессы.

• Определены схемы установки СРД, позволяющие работать параллельно с сетью и на автономную нагрузку в оптимальном режиме.

• Основные результаты диссертации используются ЗАО «ОПТИМА» для внедрения в городскую целевую программу по энергосбережению г. Москвы.

• Рекуперационные энергосберегающие установки СРД находят применение в энергохозяйстве г. Москвы на 12 тепловых пунктах ОАО «МОЭК».

• Проведённые исследования элекгромагпипюй совместимости показали, что установки СРД не ухудшают качество электроэнергии системы электроснабжения

остовепность и обоснованность полученных в работе результатов тределяется:

• использованием апробированных методик планирования и проведения исследований, методик анализа экспериментальных результатов, применением средств измерений необходимой точности;

• использованием стандартных пакетов прикладных программ. еализация работы. Результаты диссертационной работы использованы:

• в учебно-экспериментальной устаповке "Рекуперация избыточного давления теплоносителя в электрическую энергию" на тепловом пункте НИУ "МЭИ" (г. Москва, ул. Красноказарменная, дом 13, корп. С), созданной в 2007...2008 г.г. по заказу НИУ "МЭИ" при реализации федеральной инновационной образовательной программы и модернизированной в 2011;

• в установке СРД-1РА на тепловом пункте №0704/002 (г. Москва, Кутузовский пр-т, д. 22), созданной в 2009 году по заказу МГУП ЭВАЖД;

• в лабораторной рекуперационной установке ЗАО "ОПТИМА", предназначенной для апробации алгоритмов управления ЭРУ и созданной в

2009...2010 г.г. при выполнении НИР «Разработка систем эффективного использования избыточного магистрального давления при транспортировке теплоносителя и воды в системен тепло- и водоснабжения» по заказу Минобрнауки (государственный кошракт№ 02.516.12.6024 от 18.06.2009) • в конструкциях ЭРУ, разрабатываемых в процессе выполнении ОКР «Разработка типового ряда опытно-промышленных энергосберегающих установок для эффективного использования энергии избыточного магистрального давления в системах центрального тепло- и водоснабжения» по заказу Минобрнауки (государственный контракт № 16.526.12.6003 от 10.05.2011) Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• Международной научно-технической конференции «Энергобезопасность и энергоэффективность: состояние и проблемы» Бишкек, Кыргызский государственный технический университет (КГТУ) им. И. Раззакова 22-23 сентября 2011г.

• XV международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ (ТУ), 26-27 февраля 2009г.

На защиту выносятся:

• Исследования по влиянию скорости вращения ротора на величину бросков тока при включении генератора в сеть;

• Рекомендации по применению токоограничивающих резисторов при включении генератора на параллельную работу с сетью;

• Результаты исследования автономного режима работы СРД;

• Результаты исследования установок СРД на электромагнитную совместимость.

• Оценка экономической эффективности внедрения СРД.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 4 печатных труда, из них в изданиях по перечню ВАК - 3 статьи, 1 доклад.

труктура и объем работы. Диссертация изложена на 160 стр., имеет 70 зсунков и 13 таблиц, включает титульный лист, содержание, введение, 7 глав, попечение, 4 приложения и список использованных источников (50 именований).

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры гектромеханики НИУ «МЭИ» за помощь в работе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, [юрмулированы цели и задачи работы, научная новизна и практическая гачимость результатов, представлены основные положения, выносимые на щиту.

В первой главе описаны проблемы в системах тепло- и водоснабжения )ссийской Федерации, обуславливающих их неэффективное использование, реди таких проблем отмечается гидравлическая разбалансировашгость систем :плоснабжения. Проблема гидравлической разбалансированности систем плоснабження проявляется, в частности, в форме дросселирования избыточного шления, которое осуществляется путем установки на входе в тепловой пункт порно-регулирующего клапана, который рассеивает избыточную энергию, что >иводит к безвозвратной потере большого количества энергии. По данным ^следований на нескольких теплопунктах г. Москвы, потенциал [ергосбережения оценивается на уровне 250-300 тыс. МВт-ч/год. На основе этих шных и данных о потере давления на тепловых пунктах г. Москвы, предлагается ¡пользовать систему рекуперации избыточного магистрального давления вдкостей - СРД.

Система выполняет функции демпфирующего устройства и обеспечивает шжение давления до требуемой величины. Уменьшение перепада давлений на >ганах, регулирующих расход теплоносителя в центральных тепловых пунктах (ТП), улучшает условия их работы, способствуя продлению их ресурса. Весь быточный перепад давления посредством гидроагрегата преобразуется в

механическую энергию. Эта энергия, в свою очередь, преобразуется в электрическую с помощью электрического (асинхронного или другого) генератора. В итоге производится электроэнергия, на выработку которой не расходуется ни один из видов топлива.

Во второй главе поведён анализ возможности использования в качестве генератора системы рекуперации давления электрических машин различных типов. При выборе оптимальной машины к ней предъявляются следующие требования:

1. Генератор должен иметь возможность работать одинаково хорошо в режимах параллельно с сетью и на автономную нагрузку.

2. Генератор должен иметь на выходе стабильные параметры (напряжение, частота) при изменяющихся в широких пределах входных параметрах (частота вращения, момент на валу, мощность).

3. Генератор должен выдавать максимальную мощность в широком диапазоне изменения скоростей вращения приводной турбины.

4. Генератор должен отличаться надёжностью, чтобы иметь возможность длительно автономно работать в сложных условиях эксплуатации.

5. Генератор должен иметь систему автоматического управления режимами работы для эксплуатации без участия оператора.

6. Генератор вместе с системой управления должен обладать, по возможности, наименьшей стоимостью.

7. Генератор должен быть приспособлен к работе в режиме частых пусков.

Рассмотрены последовательно асинхронная машина с короткозамкнутым и

фазным ротором, синхронная машина с электромагнитным возбуждением и возбуждением от постоянных магнитов, машина постоянного тока и вентильно-индукторная машина.

Проведён обзор различных схемных решений использования генераторов различных типов при работе параллельно с сетью и работе на автономную нагрузку. На основе проведенного анализа сделан вывод, что наиболее

одходящей по предъявляемым требованиям является асинхронная машина с ороткозамкнутым ротором.

Проведён обзор выполненных отечественными и зарубежными учёными сследований генераторного режима асинхронной машины.

В третьей главе подробно описана конструкция СРД и варианты установки истемы на тепловом пункте. С конструктивной точки зрения предлагаемая СРД редставляет собой гидроагрегат с системой автоматического управления, идроагрегат выполняется на базе модифицированного типового динамического acoca, работающего в турбинном режиме, и асинхронного электродвигателя, аботающего в режиме электрического генератора (рис. 1).

избыточное

2>

давление

срд

гидротурбина

II

динамически насос

4=

генератор

II

+ I

асинхронный

потреоное

давление • электроэнергия

система управления

[ электродвигатель

Рис. 1. Структурная схема СРД. На примере схемы реализации установки по рис. 2 описаны принцип работы :тановки и работа системы управления.

кт

Рис. 2. Типовая схема рекуперационной установки: КТ - кран трехходовой с ручным приводом, КП - кран полнопроходной с ручным приводом, КЗР - клапан запорно-регулирующий с автоматическим приводом,

БУД - блок управления двигателем Д клапана КЗР, БУ - блок управления установкой, Т - турбина, Г - асинхронный генератор, В1 - В5 - автоматические

выключатели.

Четвертая глава посвящена моделированию переходных процессов в асинхронной машине. Моделирование проведено в системе МайаЪ-5,ипи1тк.

В качестве генератора гидроагрегата был выбран серийный асинхронный двигатель. Наряду с высокой надёжностью, простотой эксплуатации и синхронизации он, однако, имеет существенный недостаток: большой бросок тока статора при включении генератора в сеть. Этот бросок может повлиять на работу установки рекуперации давления как в гидравлической, так и в электрической части. В гидравлической части он может инициировать значительный ударный момент и связанные с этим возмущения. В электрической части большие пусковые токи, возникающие при включении генератора в сеть, вызывают не только ударные нагрузки на обмотки машины а также па аппараты управления, контроля и защиты, но и инициируют значительные помехи в сети, связанные с провалами напряжения. При частых пусках эти помехи могут создать серьёзные нарушения в работе сети, а ударные нагрузки могут сказаться на надёжной работе коммутирующей аппаратуры и системы в целом. Поскольку установки

екуперации давления могут включаться и выключаться по несколько раз в день, э значительные броски тока могут сказаться на их надежной работе.

Поэтому необходимо было выяснить:

1. Влияет ли на броски токов скорость, при которой осуществляется ¡слючение генератора в сеть?

2. Влияет ли на броски токов фаза напряжения включения?

3. Каковы скорость и фаза напряжения включения, при которых бросок тока ыл бы минимальный..

Для решения поставленных задач применялся программный пакет Мм1аЬ-IтиИпк с применением библиотеки . Объектом исследования

ыл переходной процесс, возникающий при включении генератора в сеть.

Моделирование проводилось для машин 7,5 и 22 кВт. Результаты показали,

го:

- в случае фиксированной фазы включения напряжения разница между аксимальным и минимальным значениями тока в заданном диапазоне сольжений не превышает 4,4 %;

- меньший бросок тока наблюдается при более низких скоростях включения ¡нератора;

- в случае фиксированной частоты вращения и переменной фазы шряжения разница между максимальным и минимальным значением тока в 1ждой фазе достигает 76 % с периодом Т-п;

- наименьший общий (совместно для всех фаз) ток наблюдается при гаальных углах напряжения, рашгых л/4 + п-я/3. Подбор фазы включения может ззволить снизить пусковой ток на величину до 4 %.

Результаты моделирования приведены на рис. 3 и 4.

1460 14В0 1500 1520 1540 Начальная сюро'.ть, оэ.мпн

V/ А Й □ ■

рч

р V. « / с 1 у

У Р V: У

•,<■ V т V /\ / Щ

р \ * А \ 1 V'

■ чЛ ■ V ! Ъ

Рис. 3. Зависимость кратности тока Рис. 4. Зависимость кратности тока

включения от начальной скорости включения от фазы напряжения

генератора: 1 - ток фазыу4, 2 - ток включения: 1 - ток фазы Л, 2 - ток

фазы В, 3 - ток фазы С фазы В, 3 - ток фазы С

Снизить броски тока можно включением в цепь статора активных сопротивлений на небольшой промежуток времени, в который происходит переходной процесс. Как только система входит в установившийся режим резисторы шунтируются, и система продолжает работать в обычном режиме. Переходный процесс при включении имеет продолжительность не более 1 е., что позволяет нам говорить о незначительных тепловых потерях в активных сопротивлениях, при этом броски токов снижаются в несколько раз.

Во второй части эксперимента исследовалась зависимость величины броска тока и момента от скорости, на которой генератор включается в сеть, при отраничении тока в 1.5, 2 и 4 раза машин разной мощности от 4 до 37 кВт с синхронной скоростью вращения 1500 об/мин.

В эксперименте генератор, ротор которого был разогнан до определенной превышающей синхронную скорости, подключался к сети через пусковые резисторы. Через одну секунду, когда переходной процесс уже заканчивался, пусковые резисторы шунтировались. Фиксировались броски токов в фазах при первом (включение в сеть) и втором (шунтирование резисторов) переходных процессах. Также фиксировались максимальные броски момента,

Диапазон скоростей был выбран от 1510 до 1600 об/мин, что соответствует ольжениям от -0.667 % до -6.667 %.

Было замечено, что величина бросков тока при первом переходном оцессе практически не зависит от того, на какой скорости из рассматриваемого апазона мы включим генератор в сеть. Однако на определённой скорости осок тока при втором переходном процессе превышает бросок тока при первом, и даже превышает бросок пускового тока без применения токоограничивающих зисторов. То же касается и момента на валу генератора.

Результаты эксперимента показаны на рис. 5, 6 на примере машины 4 кВт, 0.5, Rn=5.67 Ом (0.142 o.e.). Здесь п - скорость вращения ротора (об/мин), к -атность броска тока по отношению к естественному. Естественным (к=1.0) зовём бросок тока, который наблюдался без применения пусковых резисторов.

1500 1320 15-Ш 1560 t'S'J 1600 п. ой'ЫГШ 1500 1520 1540 1560 15S0 Ii00 п. о&'мпн

Рис. 5. Первый (1) и второй (2) Рис. 6. Сравнительные зависимости броски тока фазы В для машины кратностей бросков тока от скорости 4 кВт, а=0.5 ротора при первом и втором

переходных процессов для трёх фаз для

машины 4 кВт, а=0.5. 1—1-й бросок ф. А, 2—1-й бросок ф. В, 3 - 1-й бросок ф. С, 4 - 2-й бросок ф. А, 5 - 2-й бросок ф. В, 6 - второй бросок ф. С

Выводы по результатам исследований:

1. Броски тока при переходном процессе, вызванном шунтированием ^ограничивающих резисторов, существенно зависят от частоты вращения гора.

2. Ограничите пускового тока также влияет на возможный диапазон скоростей вращения ротора, при котором включение установки не будет вызывать излишних нагрузок на элементы системы.

3. Исследования показали, что с увеличением степени ограничения пусковых токов диапазон скоростей ротора, в котором броски тока при шунтировании резисторов не будут превышать броски тока включения, уменьшается. Необходимо учитывать это условие при выборе сопротивлений, которые будут включены в цепь статора.

В процессе эксплуатации СРД было замечено, что в гидравлической системе появляются возмущения, имеющие технологический характер. Это кратковременные гидравлические удары с длительностью 0,5мс и амплитудой, кратной шести номинальным моментам.

Задачей было оценить влияние такого удара на работу системы. Генератор под действием внешнего номинального момента вращается с установившейся скоростью (в модели эта скорость равна 1556 об/мин), когда внезапно появляется возмущение. Были оценены изменения скорости, момента и тока статора в каждой из фаз. Для учета влияния турбины момент инерции генератора был увеличен в два - три раза. Результаты моделирования сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Результаты моделирования.

Зг, О.Є. 1а, О.е. 1ъ, О.е. 1с, о.е. п, об/мин. М, о.е.

2 1,34 1,33 1,34 1575 1,145

3 1,30 1,30 1,31 1575 1,112

Анализ результатов моделирования показывает, что ввиду своего краткосрочного воздействия такие возмущения мало влияют на работу генератора.

Отдельный раздел посвящен созданию модели асинхронной машины в среде программирования МаНаЬ, которую можно было бы интегрировать как составную часть в более сложную модель СРД.

На основании известных уравнений электромеханического преобразователя энергии в системе координат а-|3 была создана модель асинхронной машины, позволяющая моделировать двигательный и генераторный режимы работы

синхронной машины. Модель также учитывает насыщение магнитной системы. ДС холостого хода в относительных единицах аппроксимируется зависимостью

л * *

(/ ) = 1.12-о7-с1£(1.2-/ ), а кривая взаимоиндукции выражением ^ Ц

(*(1и)=—1,344, . Этот вид зависимостей был выбран как наиболее полно

1+1.44-Тц2

ювлетворяющий требованиям к аппроксимирующим функциям, основной из >торых является наименьшая погрешность.

Применение полученной модели совместно с моделью гидравлической гстемы позволило провести подробные исследования динамических процессов в ютемах рекуперации давления.

Разработанные модели для имитации работы установки СРД в условиях ¡йствующих промышленных объектов позволяет прогнозировать поведение южной системы при аварийных отказах СРД, вызывающих гидравлический (ар.

В пятой главе рассмотрен автономный режим работы асинхронного нератора, а также проверка работоспособности выбранной структурной схемы ектрической части СРД.

В тепловых пунктах, расположенных в подвалах жилых зданий, яееообразно использовать вырабатываемую электроэнергию на освещение щъездов. Применение СРД может стать альтернативой солнечным батареям, торые также применяются для энергосбережения на объектах жилшцно-ммунального хозяйства. Преимущество СРД перед солнечной энергией ановится очевидным особенно зимой, когда количество солнечных часов в оскве невелико. Кроме этого, вырабатываемую энергию можно использовать в мом тепловом пункте: на аварийное освещение либо на привод аварийных сосов в случае перерыва в электроснабжении.

В случае автономной нагрузки избыточная электроэнергия, вырабатываемая иератором, запасается в аккумуляторной батарее.

из=^п)

700 800 аоо аооо

п, об/мим

Рис. 7. Зависимость напряжения заряда аккумуляторной батареи от скорости вращения вала и ёмкости конденсаторов возбуждения.

В результате проведённых экспериментов была подтверждена

работоспособность выбранной схемы реализации системы рекуперации давления.

Путём подключения к обмотке статора асинхронного генератора конденсаторов возбуждения различной ёмкости, было получено стабильное напряжение заряда аккумуляторной батареи. Также, меняя ёмкость конденсаторов, можно регулировать ток заряда. Чем ток заряда выше - тем быстрее заряжается аккумуляторная батарея.

Вариант работы на автономную выпрямительную нагрузку был впоследствии реализован на действующих теплопунктах, где от аккумуляторной батареи питается система аварийного освещения и система освещения подъездов.

Заявка на полезную модель системы рекуперации избыточного магистрального давления в тепловых пунктах сетей теплоснабжения, обеспечивающей циркуляцию теплоносителя во вторичном контуре теплоснабжения в аварийных режимах при пропадании питающего напряжения теплового узла находится на рассмотрении в Роспатенте.

В тестой главе проверялась электромагнитная совместимость генератора с сетью путем определения влияние генератора на показатели качества электроэнергии при его включении в сеть, работе параллельно с сетью и отключении от сети. Также определялась величина потребляемой реактивной и вырабатываемой активной мощности и коэффициент мощности.

В результате проведённых измерений выяснилось, что контролируемые жазатели качества электроэнергии не выходят за границы допустимых гачений.

В седьмой главе проводилась оценка экономической эффективности іедрения системы рекуперации энергии. На основе данных о выработке [ектроэнергии на действующих в энергохозяйстве г. Москвы СРД оценивалась с себестоимость и срок окупаемости. Здесь же приведены рекомендации по (зможности уменьшения срока окупаемости.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана рекуперационная установка СРД на основе асинхронного генератора.

2. Создана математическая модель электрической части установки СРД, позволяющая в составе модели систем централизованного тепло- и водоснабжения исследовать динамические процессы.

3. Определены схемы установки СРД, позволяющие работать параллельно с сетью и на автономную нагрузку в оптимальном режиме.

4. Установлена зависимость бросков тока от скорости, при которой осуществляется включение асинхронного генератора в сеть.

5. Установлена зависимость бросков тока от фазы напряжения включения асинхронного генератора в сеть.

6. Исследовано влияние скорости, при которой осуществляется включение генератора в сеть, на броски токов при использовании токоограничивающих резисторов.

7. Проведена оценка экономической целесообразности внедрения установок СРД.

8. Показано, что параллельная работа СРД с сетью не приводит к ухудшению качества электроэнергии последней.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Иванов A.C., Котеленец Н.Ф. Использование избыточного давления в системах централизованного теплоснабжения для производства электрической энергии. Энергобезопасность и энергосбережение. №3(27), 2009г. сс. 13-15.

2. Иванов A.C., Котеленец Н.Ф. Исследование процесса включения асипхронного генератора в сеть. Электротехника. №9, 2010г. сс. 13-15

3. Иванов A.C., Котеленец Н.Ф. Особенности использования пусковых резисторов в асинхронном генераторе при включении в сеть. Известия вузов. Электромеханика. №6,2010г. сс. 25-27.

4. Тезисы доклада «Система рекуперации избыточного давления в системах централизованного тепло- и водоснабжения» Международной научно-технической конференции «Энергобезопасность и энергоэффективность: состояние и проблемы» Бишкек, Кыргызский государственный технический университет (КГТУ) им. И. Раззакова 22-23 сентября 2011г. (Организаторы -Министерство образования и науки KP, Министерство энергетики KP, КГТУ им. И. Раззакова, МЭИ (ТУ))

Подписано в печать Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул., д. 13

61 12-5/2548

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

На правах рукописи

Иванов Александр Сергеевич

Разработка системы рекуперации энергии на базе асинхронного генератора

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент Котеленец Н.Ф.

Москва - 2012

Оглавление

Введение.....................................................................................................4

Глава 1. Система рекуперации давления как решение проблемы

гидравлической разбалансированности систем тепло- и водоснабжения......11

Глава 2. Выбор типа электрической машины и схемы, пригодной для использования в СРД.........................................................................................21

2.1 Выбор типа электрической машины..............................................21

2.1.1 Асинхронная машина...............................................................22

2.1.2 Синхронная машина................................................................29

2.1.3 Вентильно-индукторная машина............................................34

2.1.4 Машина постоянного тока......................................................35

2.2 Анализ различных структур системы рекуперации давления.....36

2.2.1 Работа генератора параллельно с сетью.................................37

2.2.2 Работа генератора в автономном режиме...............................40

2.2.3 Работа генератора на инвертор...............................................42

2.2.4 Смешанная структурная схема...............................................44

2.3 Асинхронный генератор на практике и в трудах исследователей45 Глава 3. Конструкция и принцип работы СРД.......................................51

3.1 Конструкция СРД...........................................................................51

3.2 Принцип работы установки СРД...................................................59

3.3 Система управления установкой СРД...........................................62

3.4 Работа системы управления...........................................................65

Глава 4. Математическая модель асинхронной машины.......................70

4.1 Моделирование в МайаЬ-БшшИпк.................................................70

4.1.1. Переходные процессы в асинхронной машине.....................71

4.1.2 Описание модели.....................................................................72

4.1.3 Зависимость пусковых токов от скорости вращения ротора и фазы напряжения включения.....................................................................74

4.1.4. Ограничение пусковых токов.................................................80

4.1.5 Влияние внешнего ударного момента на работу асинхронного

генератора...................................................................................................85

4.2 Моделирование в среде программирования Matlab.....................86

Глава 5. Работа генератора на автономную нагрузку..........................101

Глава 6. Проверка электромагнитной совместимости.........................115

Глава 7. Оценка экономической эффективности внедрения системы

рекуперации энергии........................................................................................129

Основные выводы и результаты работы...............................................133

Список литературы................................................................................134

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Модель асинхронной машины в среде

программирования Matlab...............................................................................139

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Технические характеристики прибора

«Энергомонитор 3.3».......................................................................................151

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Расчёт себестоимости и срока окупаемости

установки по рекуперации давления...............................................................154

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Акт о внедрения результатов диссертационного исследования....................................................................................................158

Введение

Актуальность работы. Современная энергетика в РФ характеризуется направлением к повышению надежности, энергоэффективности и экологической безопасности, что соответствует основным положениям «Энергетической стратегии России на период до 2030 года» и ФЗ - 261 «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности».

По данным Министерства по науке и образованию РФ до 60 % резервов возможной экономии электроэнергии находится в сфере потребления.

Известно, что крупные города по всему миру потребляют огромное количество энергии. И потребление электроэнергии постоянно растет. Так, рост потребления электроэнергии в г. Москве достигает 5 % в год. При росте электропотребления растёт и дефицит мощностей. В настоящее время он оценивается в 12-15 % от общего уровня потребления. При этом потенциал энергосбережения Москвы оценивается примерно в 11 млн. т. у.т. в год, т.е. около 1 % от всего потребления первичной энергии в России. Неразумно при таком огромном потенциале энергосбережения решать проблему надежного обеспечения города энергоресурсами только за счет увеличения производства энергии.

Поисками новых нетрадиционных источников энергии занято значительное число учёных в различных областях науки и техники.

Актуальной является и проблема гидравлической разбалансированности систем теплоснабжения. Известно, что при транспортировке рабочих и технологических жидкостей (водные среды, углеводороды и др.) для преодоления гидравлического сопротивления магистральных трубопроводов мощность насосных агрегатов выбирается исходя из требуемого давления среды для обеспечения самых удалённых объектов. Все абоненты, расположенные ближе, вынуждены получать

продукт под избыточным давлением. Это обстоятельство приводит к значительным безвозвратным потерям энергии, которая попросту дросселируется.

Поэтому разработка системы, позволяющей решить, с одной стороны, проблему разбалансированности гидравлической системы, а с другой, вырабатывать электроэнергию нетрадиционным, экологически чистым способом, полностью отвечающим требованиям Киотского протокола, является актуальной и отвечающей требованиям времени.

В качестве электрического генератора предлагается использовать асинхронную машину.

Асинхронные генераторы находят достаточно разнообразное применение в самых различных областях народного хозяйства. Как источники электроснабжения основного и вспомогательного электрооборудования асинхронные генераторы находят применение на судах и летательных аппаратах. Асинхронная машина с вентильным возбуждением находит применение в автономных системах электроснабжения и для комбинированного энергетического привода гибридного автомобиля в качестве стартёр-генератора. Для обеспечения бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей малой мощности (до 5 кВт) при кратковременных провалах напряжения сети находят применение источники бесперебойного питания на базе инерционного накопителя энергии и асинхронной машины с короткозамкнутым ротором. Асинхронные генераторы широко применяются в ветроэнергетических установках и гидроэлектрических станциях малой мощности.

Известны разработки энергосберегающих установок с использованием асинхронных генераторов. Так, бельгийские фирмы АС ТС и ЕВЕ Б предложили и приступили к реализации проекта по использованию энергии, которая высвобождается при снижении давления газа. Также известны разработки, в которых попутный газ, содержащийся в нефтяных скважинах,

предлагается использовать для привода АГ, к которому подключены нефтяные насосы.

Целью работы является разработка и создание экспериментальной и опытно-промышленной установок системы рекуперации давления (СРД), использующую для выработки электроэнергии энергию обычно теряемого, избыточного магистрального давления в системах тепло- и водоснабжения.

Разработка рекомендаций по выбору оптимальных режимных параметров работы установок СРД.

Создание аварийного источника электроэнергии для поддержания работоспособности теплового пункта в случае внезапного отключения электроэнергии.

Для достижения поставленной цели ставились следующие задачи:

1. Выбор оптимальной структуры системы рекуперации давления и типа электрического генератора.

2. Создание модели асинхронной машины в среде программирования Matlab, которую можно было бы интегрировать как составную часть в более сложную математическую модель системы водоснабжения.

3. Анализ переходных процессов в при включении генератора в сеть и при работе на автономную нагрузку.

4. Участие в создании экспериментальной и опытно-промышленной установок рекуперации давления

5. Проверка электромагнитной совместимости опытно-промышленных установок.

При решении поставленных задач соискатель опирался на труды известных ученых, внесших значительный вклад в развитие теории электромеханических преобразователей, в том числе асинхронных генераторов: Алиевский Б.Л., Балагуров В.А., Джендубаев А.-З.Р., Иванов A.A., Иванов-Смоленский A.B., Копылов И.П., Костырев M.JL, Скороспешкин А.И., Торопцев Н.Д., Фришман B.C. и др.

Методы исследования. При исследовании применялись как теоретические, так и экспериментальные методы. Исследования выполнялись с использованием базовых законов теоретических основ электротехники, с применением теории обобщенной электрической машины, методов проектирования и математического моделирования трехфазных асинхронных машин. При разработке математической модели электрической части установки СРД использовалась среда программирования МайаЬ. Достоверность теоретических исследований подтверждается совпадением результатов расчёта и эксперимента.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• Установлена зависимость бросков тока от скорости, при которой осуществляется включение генератора в сеть.

• Установлена зависимость бросков тока от фазы напряжения включения.

• Исследовано влияние скорости, при которой осуществляется включение генератора в сеть, на броски токов при использовании токоограничивающих резисторов.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

• Разработана энергосберегающая установка СРД на основе асинхронного генератора.

• Созданы экспериментальная и опытно-промышленная установки СРД

• Разработан алгоритм автоматического управления установкой.

• Изготовлен экспериментальный стенд для определения оптимальных режимных параметров установки СРД.

• Создана математическая модель электрической части установки СРД, позволяющая в составе модели систем централизованного тепло- и водоснабжения исследовать динамические процессы.

• Определены схемы установки СРД, позволяющие работать параллельно с сетью и на автономную нагрузку в оптимальном режиме.

• Основные результаты диссертации используются ЗАО «ОПТИМА» для внедрения в городскую целевую программу по энергосбережению г. Москвы.

• Рекуперационные энергосберегающие установки СРД находят применение в энергохозяйстве г. Москвы на 12 тепловых пунктах ОАО «МОЭК».

• Проведённые исследования электромагнитной совместимости показали, что установки СРД не ухудшают качество электроэнергии системы электроснабжения

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов определяется:

• использованием апробированных методик планирования и проведения исследований, методик анализа экспериментальных результатов, применением средств измерений необходимой точности;

• использованием стандартных пакетов прикладных программ. Реализация работы. Результаты диссертационной работы

использованы:

• в учебно-экспериментальной установке "Рекуперация избыточного давления теплоносителя в электрическую энергию" на тепловом пункте НИУ "МЭИ" (г. Москва, ул. Красноказарменная, дом 13, корп. С), созданной в 2007...2008 г.г. по заказу НИУ "МЭИ" при реализации федеральной инновационной образовательной программы и модернизированной в 2011;

• в установке СРД-1РА на тепловом пункте №0704/002 (г. Москва, Кутузовский пр-т, д. 22), созданной в 2009 году по заказу МГУП ЭВАЖД;

• в лабораторной рекуперационной установке ЗАО "ОПТИМА", предназначенной для апробации алгоритмов управления ЭРУ и созданной в 2009...2010 г.г. при выполнении НИР «Разработка систем

эффективного использования избыточного магистрального давления при транспортировке теплоносителя и воды в системен тепло- и водоснабжения» по заказу Минобрнауки (государственный контракт № 02.516.12.6024 от 18.06.2009)

• в конструкциях ЭРУ, разрабатываемых в процессе выполнении ОКР «Разработка типового ряда опытно-промышленных энергосберегающих установок для эффективного использования энергии избыточного магистрального давления в системах центрального тепло- и водоснабжения» по заказу Минобрнауки (государственный контракт № 16.526.12.6003 от 10.05.2011) Апробация работы. Основные положения диссертационной работы

докладывались и обсуждались на:

• Международной научно-технической конференции «Энергобезопасность и энергоэффективность: состояние и проблемы» Бишкек, Кыргызский государственный технический университет (КГТУ) им. И. Раззакова 22-23 сентября 2011г.

• XV международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ (ТУ), 26-27 февраля 2009г.

На защиту выносятся:

• Исследования по влиянию скорости вращения ротора на величину бросков тока при включении генератора в сеть;

• Рекомендации по применению токоограничивающих резисторов при включении генератора на параллельную работу с сетью;

• Результаты исследования автономного режима работы СРД;

• Результаты исследования установок СРД на электромагнитную совместимость.

• Оценка экономической эффективности внедрения СРД. Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 4

печатных труда, из них в изданиях по перечню ВАК - 3 статьи, 1 доклад.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 160 стр., имеет 70 рисунков и 13 таблиц, включает титульный лист, содержание, введение, 7 глав, заключение, 4 приложения и список использованных источников (50 наименований).

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры электромеханики НИУ «МЭИ» и сотрудникам научного центра «Износостойкость» НИУ МЭИ за помощь в работе.

Глава 1. Система рекуперации давления как решение проблемы гидравлической разбалансированности систем тепло- и водоснабжения

Для передачи тепловой энергии от источника к потребителю в России и в ряде других стран используются централизованные системы теплоснабжения. На сегодняшний день они представляют из себя сложные сооружения, содержащие протяженные трубопроводы, насосные станции и агрегаты, значительное число единиц запорно-регулирующей арматуры, большое количество приборов контроля и учета. [1]

Анализ научно-технических изданий и публикаций [2, 3] показывает, что за последнее время резко снизилась эффективность транспортировки, распределения и потребления тепловой энергии.

Основными проблемами систем теплоснабжения являются:

1) коррозионные процессы и процессы накопления отложений на поверхности трубопровода и оборудования;

2) значительное гидравлическое сопротивление трубопроводов и оборудования;

3) гидравлическая разбалансированность систем теплоснабжения.

Проблема гидравлической разбалансированности систем

теплоснабжения проявляется, в частности, в форме дросселирования избыточного давления.

Вследствие протяженности трубопроводов величина давления теплоносителя определяется из условия гарантированного обеспечения самого удаленного потребителя, поэтому все потребители, находящиеся ближе к источнику тепловой энергии получают теплоноситель с избыточным давлением. На близко расположенных от ТЭЦ и котельных тепловых пунктах перепад давлений намного больше рабочего (рис. 1.1) (см. главу 3). Возникает необходимость срабатывать избыточное давление. Для этого обычно используют следующие способы:

1) уменьшение магистрального давления за счет установки ряда повысительных станций, располагающихся на протяжении всей тепловой сети. Это сложная циркуляционная система с основной насосной установкой на ТЭЦ и насосными подстанциями на подающем и обратном трубопроводах, а также многочисленными ответвлениями от магистралей, по которым сетевая вода приходит из подающего в обратный трубопровод через теплопотребляющие установки.

2) дросселирование избыточного давления путем установки на входе в тепловой пункт запорно-регулирующего клапана, который рассеивает избыточную энергию, что приводит к безвозвратной потере большого количества энергии.

У—:

-О

го

О« и**

О

з: Ш

¿к

Ш

ш

f

ЦГГГ 4

ЦТП

1 км

л щ

О,

ТО

ш-

(К

№..

т СЕ о

8 км

Рис. 1.1. К пояснению гидравлической разбалансированности.

В качестве примера на рис. 1.2 приведены значения потерь давления при дросселировании потоков теплоносителя на 17-ти характерных тепловых пунктах, эксплуатирующихся в ОАО «МОЭК». Очевидно, значительная часть энергии, затраченной на создание магистрального перепада давления,

является потерянной и составляет от 50 до 75% для всей представленной выборки тепловых пунктов.

В системе теплоснабжения города Москвы насчитывается более 9000 тепловых пунктов, 95% из которых получают теплоноситель с