автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Система возбуждения генератора с приводом от сельскохозяйственного трактора

ЧЕЛЯБИНСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАаЮГО ЗНАМЕНИ ГССУДАРСТЕИШЫЙ ЛГРСШШНШШЙ УНИВЕРСИТЕТ

г, г с? П 3 V I и 0

- у На правах рукописи

ДАНИЛОВ Владимир Владиславович

СИСТЕМ ЕОЗВУВДЕШШ ГЕНЕРАТОРА С ПРИВОДОМ ОТ ШЮШХОЗЯЙСТВШНОГО ТРАКТОРА

05.20.02 - Электрификация сельскохозяйственного

производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск, 1993

Работа выполнена в Челябинской ордена Трудового Красного Знамени государственном агрсинженерном университете.

Научный руководитель

Официальные оппоненты -

кандидат технических наук, доцент И.Д.Кабанов;

доктор технических наук, профессор А.Т.Пластун (¿НИ, г.Екатеринбург);

кандидат технических наук, доцент Г. 1,1.Грачев (ЧГЛУ, г.Челябинск);

Ведущая организация - Уральский филиал Всероссийского

института электрификации сельского хозяйства (УралБИЭСХ), г.Челябинск.

ос

Защита состоится " Н" \MAfim_ 1993г. в 10"

часов на заседании специализированного совета Д 120.46.02 Челябинского ордена Трудового Красного Знамени государственного агроинженерного университета по адресу: 454080, г.Челябинск, проспект Ленина, 75.

С диссертацией ыогшо ознакомиться в библиотеке университет

Автореферат разослан " 19 " Срутр&К Л 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

доцент —'—' Л «А. Сап лин

ОБЩАЯ ХЛРЛ!"ГЕРКСТт РАБОТУ

Ритуальность теш. Автономгпю источники электрической энергии занимает важное место в электрификации процессов сельскохозяйственного производства. Перспективным является применение в качестве автономного источника электроэнергии сельскохозяЯстЕен-иого трактора, оборудованного электрической системой отбора модности (ЗСОМ). Дальнейшее совершенствование 0С0М- связано с повшз-иием технико-экономических показателей, таких как энергетические, массогабаритныо, стоимостные и эксплуатационные.

Эффективное использование генератора ЭСОМ сельскохозяйственного трактора в качестве автономного источника электроснабжения возможно лишь при условии обеспечения требуемого качества вырабатываемой энергии. "Применяемые в настоящее время синхронные генераторы со схемами компаундирования и неуправляемый выпрямителем при работе в ЗСОМ имеют низкие показатели качества электрической энергии. Одним из путей решения этой задачи является разработка системы возбуждения, позволяющей улучшить качество электрической анергии в статических и динамических режимах работы генератора ЭСОМ.

Работа выполнена в соответствии с научно-технической программой 0.СХ.71 на 1986...1990 гг. "Осуществить поиск и разработку высокоэффективных методов и средств рационального использования электроэнергии в сельскохозяйственном производстве и быту сельского населения". Задание 03.01 "Разработать и проверить в условиях опытного производства перспективные энергосберегающие электрифицированные мобильные технологические процессы, создать макетные образцы мобильных технических средств для производства".

Цель и задачи исследования. Дельп работы является повышение эффективности использования генератора с приводом от сельскохозяйственного трактора за счет улучшения качества электроэнергии цутем применения тиристорной системы регулирования напряжения.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

- разработка тиристорной системы возбуждения генератора ЭСОМ сельскохозяйственного трактора;

- теоретический анализ влияния основных параметров системы возбуждения на динамические показатели и устойчивость переходных • процессов и на ее массогабаритныв показатели;

- анализ режимов работы тиристорного преобразователя систег. возбуждения;

- разработка, методики расчета тиристорпых систем возбуждения генераторов малой мощности;

- экспериментальная проверка основных теоретических положений и практической целесообразности применения тнристориоЯ систс мы возбуждения генератора 3C0i<!.

"етодч I'сследования. Исследование динамических показателей и устойчивости переходких процессов генератора, а так;.;о массога-баритных показателен систему возбуждения проведено с испольяоса-нисм математического анализа и моделирования на ЭВМ. Опенка дост верности проводилась путем сопоставления результатов расчета с данными эксперимента, полненными на лабораторной установке и в производственных условиях.

Научи:"? новизна. Получено аналитическое решение для условия устойчивости переходного процесса генератора с учетом пероходног процесса дизеля. Установлено, что основные параметры системы воз буадения генераторов малой мощности следует рассчитывать по услс г.'г'я устойчивости. Получены выражения, позволяющие оптимизировав параметры тиристорноЯ системы возбуждения с целью получения мини мальных массогабарптных показателей.

Практическое значение работы. Разработана методика расчета систем возбуждения генераторов малой мощности. Разработанная тиристор ;ая система возбуждения с релейно-фазовым принципом управления позволяет улучшить качество электрической энергии генерата 3COM, и том самым, повысить эффективность его использования.

Реализация результатов работы. Генераторная установка с ти-^исторной системой возбуждения внедрена в совхозе "Новый мир" Чесменского района Челябинской области.

Научный отчет по результатам исследований принят к пепользо вашга Уральским филиалом Всероссийского института электрификации сельского хозяйства (УралЕИЭСХ).

Результаты работы вошли в учебное пособие и используются в учебном процессе ЧГДУ.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-технических конферен :;иях ЧГЛУ (г.Челябинск, 1988...1992 гг.), A4i!XX (г.Зерноград, гг.), ВНШУьМЭСХ (г.Зерноград, 1988...1990 гг.),

Всесоюзном научно-техническом совещании "Регулируемые электродвигатели переменного тока" (г.Владимир, 19В?), маивузовской конференции "Многоскоростной и злектронизированный электропривод" (г.Зэрногрзд, АЧИЖХ, 1950 г.), второй Всесоюзной научно-технической конференции "Энергосберегаглдее электрооборудование для АПК" (г.Москва, 1990 г.).

Публикации. Но материалам диссертации опубликовано 9 работ.

Объем та-боты. Диссертация состоит но введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (ЮЗ наименований), изложенных на 185 страницах: машинописного текста и включает 51 рисунок, 4 таблицы и пять приложений.

СОДШСАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности диссертационной работы, выделены основные положения, имеккцие научную новизну и практическую ценность.

В пстсюй гла~е приведен анализ современного состояния и перспектив применения ЭСОМ сельскохозяйственных трактороп. Проанализированы особенности ренкков работы дизеля трактора и генератора в условиях ЗСО.М. Отмечено, что эффективнее использование генератора ЭСОЛ сельскохозяйственного трактора в качестве автономного источника электроснабжения возможно лиаь при условии обеспечения требуемого качества вырабатываемой энергии. Применяемые в настоящее время а ЭСОУ синхронные генератора со схемами компаундирования и неуправляемым выпрямителем и ¡.ею? низкие показатели качества электрической энергии. Отклонения напряжения в статических режимах достигают 8... 10%, а в динамических - 30...35%. Одниы из путей решения этой задачи является разработка системы возбуждения, позволяющей улучшить качество электрической энергии в статических и динамических режимах работы генератора ЭСОМ. Анализ применяемых систем возбуждения и тенденций развития систем возбуждения генераторов малой мощности позволил сделать вывод, что наиболее перспективным направлением является разработка и применение тиристорных систем возбуждения.

Широкое внедрение тиристорных систем возбуждения для синхронных генераторов большой мозности потребогало значительных теоретических и проектно-конструкторских работ. Однако, результаты .

этих работ на могут бить полностью применены к тирпсторным системам возбуждения автономных синхронных генераторов ;.:а;;о!: мощности. Это связано с различием задач регулирования возбукдения генераторов и больших снергосиггемах и автономных генераторов .'¡алс!1 моцноси В настоящее Еромя недостаточны научные и методические рекомзздации для выбора и расчета тиристорных систем возбуждения генераторов иалс мощности.

В соответствии с этим в работе сформулированы оадачи исследования.

По РТОТОЙ ГЛП?П Ш1а.'ШЗ ЮЛЫОЯНЫХ конструктивных рОРЮНИЙ позволил сделать синод, что для спстеш возЗугденпл генератора ЭСОМ целесообразно попользовать трехфазный шстсвсС тиристорныП п ро об р >: I о Г: ат о л I > с питанием по схеме разового коагулирования. Для управления тиристоргшм преобразователе:! била разработана система релййно-^азевого управления, рис.1.

Напряженно возбуждения, в общем случае, имеет две составляющие, пропорциональные напряжению генератора и току нагрузки.

иг = ХсКс-1| ,

где , Хы, - комплексные множители, учитывающие коэффициент мощности нагрузки и зависящие от схецы суммиров нпя составляющих.

Коэффициенты пропорциональности Ка и Кс являатся основными параметрами систем*' возбуждения. Для автономных генераторов, мощность которых соизмерима с мощностью первичного двигателя и нагрузки, основным критерием работоспособности является сохранение устойчивости при резком изменении нагрузки. Поэтому для генератора ОСОЙ сельскохозяйственного трактора коэффициенты 1{ш и Кс следует рассчитывать по условна устойчивости переходного процесса генератора с учетом переходного'процесса дизеля трактора. С определенными допущениями переходам?» процесс изменения напряжения генератора йоте? быть списан четвертым уравнение!,: Нарка-Горэва, которое с учетом изменения частоты вращения дизеля трактора записывается в видо

* Ка-и = , (I)

К1 * ; кг = т>Тс{о ;

у - 2у|Хд-н*" * Гонй

Хун = Ху + Хи | х'с/н = хУ + х„ ;

гщ|х<>и** Гонг . Х'ЛнОЦн + Го.,1

Хс}ц а Хс} * Х,1 ; Ган = Га + Гц *,

Хс\ I Х/р - синхронные индуктивные сопротивления по про-

( дольной и поперечной осям;

Xс/ _ переходное индуктивное сопротивление по продольной оси;

ГЬ - активное сопротивление обмотки статсрп; гн,Хн,Гн - сопротивления нагрузки; Тс]о - постоянная времени обмотки возбуждения. Переходный процесс дизеля с момента включения на генератор электродвигателя до момента досткнения последним критического скольжения описывается функцией

СОН) = 0)т'(1- EXP("t/Tчíj ,

где ЬУт- максимальное отклонение угловой скорости дизеля, определяемое как величина амплитуды первого полу. периода колебаний; Т* - постоянная времени механического процесса. Из анализа решетя уравнения (I) получено условие устойчивости переходного процесса, которое для схемы с индуктивными компаундирующими элементами, имеет вид:

^ к«* ♦ (Ке/2)г* г км-ксашуугн > 1/(т-(1-со«.)) .

На рис.2 представлены зависимости допустимого тока нагрузки по условию устойчивости от основных параметров системы возбуждения для генератора моащостью 60 кВт ЭСОМ трактора Т-150 К.

Зависимости на рис.3 представляют соотношения коэффициентов Кш и Кс, обеспечивающие устойчивый переходный процесс генератора при запуске электродвигателей с различными коэффициентами соизмеримости мощностей Ко .

Расчет основных параметров системы возбуждения по условии устойчивости переходного процесса не дает однозначного решения.

- й -

Для выбора конкретного рвгзния использовался критерий минимума иасси системы возбуждения

min M

àhcca определяй гея мотлостья плекситов системы возбузденпл. Выяснение зависимостс-»'. мошностоЛ о;:-з:.:иитсБ системы ьоэбухдения от ее основных параметров яозг-олнг.о виорать соотнесения параметров Кш и Кс, сбеспзиигаяцео устойчньий подоходны« процесс, при котором система возбуждения будет иметь ыикиулльиуз uaeej'. Решение отой зздачи позволило полу-ять г-.црги-.'.зннп для расчета ыощнос-.Töii элементов систему возЗуздеипя.

Мощность, определяющая :.:асс.у chctcvíi воззугхданил:

$ = + St * Q-Sà ,

где Sit - коздюсть трансформатора налуяг^-лн^я;

5т " мощность компаундирующего трансформатора; 5¿j - мощность компаундирующего элемента; а - коэффициент, учитывающий разницу в удельных весах элементов системы возбуждения.

$н - 0,816 'I^i'Ug»*' Ku/уз ;

5т = Ui*x-3>Ke/j3 ;

Sb = ir-x ;

us ß

lä' {{Кь Г V

- Kc-Z/X-ffljK-Тн))'« (Ke-Z/y-AinU-W) [Z-COùd)ï V [Z-iitld - X)a

2 a ¡[SÎ" • ^ Martin*,) , -x.ún<l

л = сгст!_тЫт+зх/м)-*

* да^й1 + Кс2 ♦ 2-Кш-Кс- т • з^

где Х2н - номинальный ток возбуждения;

и£х* - напряжение возбуждения холостого хода; р - коэффициент, связывающий коммутирузхуз э.д.с.

и напряжение на стороне постоянного тока гьшрямителя; ХЬ - ток через компаундирующий элемент; X - индуктивное ко:.'лаундирущсе сопротивление; ?н - номинальный угол нагрузки генератора;

- сопротивление обмотки возбуждения;

- угол управления тиристорным преобразователем.

На рис.4 показаны зависимости мощности, определяющей массо-габаритные показатели системы возбуждения генератора мощностью й кБт, рассчитанные для коэффициентов Кш и Не, обеспечивающих устойчивость переходного процесса при запуске асинхронного двигателя с К = 0,44. Зависимости рассчитаны для систем возбуздения с индуктивными рис.4а и активными рис.46 компаундирующими элементами.

Проанализированы режимы роботы тиристорного преобразователя с релейно-фазовым управлением, а также выполнен анализ влияния режимов работы и параметров системы возбуждения на качество формы кривой напряжения генератора и получены зависимости коэффициента искажения синусоидальности от режима работа и параметров системы возбуждения.

На основании проведенных исследований предложена методика, позволяющая рассчитывать параметры тиристоршх систем возбуждения генераторов малой мощности по условию устойчивости переходного процесса и оптимизировать их с целью получения минимальных массо-габаритных показателей. Методика реализована в виде программы автоматизированного расчета на ЭВМ. Исходными данными для расчета являптся параметры дизеля, генератора, нагрузки. Результатом расчета являются значения компаундирующего сопротивления, коэффициентов трансформации трансформаторов напряжения Кн и тока К^,, мощностей элементов системы возбуждения. Алгоритм методики расчета представлен на рис.5.

- о -

В третьей главе приведена методика, результаты и анализ эксноримоитальных исследовании.

Целью экспериментальных исследований является проверка основ них теоретических положений, их уточнение и дополнение, а таю;;е проверка работоспособности и оЭДогл-пвиости использования генератора ЗСОМ с тиристорной системой возбуждения в производственных условиях.

Лабораторные и. с следования проведены па генераторе моп;:юстьк) 5 кЕт с моделью тиристорной системы возбуждения. Исследовались переходные провес си при набросо на генератор номинальной статической нагрузки и запуске асинхронных двигателей с К » 0 .,2; 0,37; 0,6. Обработка осциллограмм проводилась в соответствии с Г'ССТ 22407-85. Полненные зависимости для электродвигатели с К - 0,37 показаны па рис.6, 7.

Определение пределов устойчивого переходного процесса при запуске дикгателей производилось из анализа осциллограмм и зависимостей времени разгона двигателей рис.0. Расховдоние шзду зна-енпями определенными теоретически и экспериментально не превышает 10$.

Исследования генератора ЭС0.\! сельскохозяйственного трактора проводились на производственном образце генераторной установки ыацностьс 100 кВт с тиристорной системой возбуждения, приводимой от трактора Т-150 К. Исследовались статические и динамические режимы работы. Осциллограммы переходных процессов представлены на рис.9, 10.

Производственные испытания генераторной установки с тиристор ной системой возбуждения проводились при резервировании МГО на 400 голов, электроснабжении передвижной доильной установки и отапливаемого гаража.

В четвертой глат проведена технико-экономическая оценка предложенной системы возбуждения. Экономический эффект рассчитан для применения генераторной установки на на 400 голов. Доля экономического эффекта от снижения ущерба от перерывов электроснабжения, приходящаяся на систему возбуждения, составляет 9916 к молока. Экономический з^скт от улучшения качества электроэнергии составляет 459 кг молока.

СБЩИЫ ШБОДй И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Анализ современного состояния и перспектив развития сельскохозяйственной энергетики показывает'устойчивую тенденцию развития электрического отбора мощности от сельскохозяйственных тракторов.

2. Разработанная тиристорнап система возбуждения позволяет улуадить качество электрической энергии за счет уменьшения отклонения и времени восстановления напряжения и, тем самим, повысить oi*<iô.;"i'i:Éûocïb использования генератора ЗСОМ сельскохозяйственного трактсра.

3. Получено аналитическое выраг.ение условия устойчивости переходного процесса генератора с учетом переходного процесса дизеля трактора. Установлено, что основные параметры системы Еосб.ухдс-н:!я генератора CCO.'.Î необходимо рассчитывать по условию устойчивости. Расхождение мекду расчетным!! и экспериментальный» данными, спроделяюц".!".; продел устойчивого переходного процесса, не промтет 102.

4. Установлено, что для обеспечения минимальной массы системы возбуждения коэффициент Кс следует выбирать равным 1,1-1,2, а коэффициент Кс рассчитывать по условию устойчивости переходного процесса. Оптимальное отношение индуктивного компаундирующего сопротивления к сопротивлению обмотки возбуждения X / P. I находится в пределах 0,7-0,9.

5. Установлено, что коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения генератора, вносимый тиристорной системой возбуждения с рзлейно-фазоБым принципом управления, не превышает 0,3%.

0. Разработана методика расчета тиристорных систем возбуждения генераторов малой мощности, реализованная в виде программы автоматизированного расчета на ЭВМ.

7. Генератор ЗСОМ сельскохозяйственного трактора с предложенной тиристорной системой возбуждения может эффективно ¡«пользоваться для питания различных сельскохозяйственных потребителей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Пястолов A.A., Данилов B.D. Расширение диапазона регулирования скорости мобильных технологических агрегатов и рабочих органов// Электрификация мобильных с.-х.агрегатов. - Челябинск,

- 1С -

1987.

2. Регулируемые электроприводы переменного тока для мобильных сельскохозяйственных агрегатов// Тезисы докладов к Всесоюзному научно-техническому совещании "Регулируемые электродвигатели переменного тока" . - Владимир, 198?.

3. Данилов З.В. Выбор системы возбуждения для устройства электрического отбора мощности от сельскохозяйственного трактора // Электрификация мобильных сельскохозяйственных агрегатов. -Челябинск, 1988.

4. Кабанов И.Д., Мэдведев Е.И., Данилов В.В., Поляков Ю.Г. Обоснование и разработка автономного источника электроэнергии для резервирования электроснабжения сельскохозяйственных объектов. Отчет НИР/ ЧШЭСХ, № Г.Р. 0I86002232I, Челябинск, 1989. - 241 с.

5. Данилов В.В. Влияние режима работы генератора ЭСОМ на его параметры и характеристики// Электрификация мобильных сельскохозяйственных агрегатов. - Челябинск, 1989.

6. Данилов В.В. Устойчивость работы синхронного генератора электрической системы отбора мощности от сельскохозяйственного трактора// Электрификация мобильных сельскохозяйственных агрегатов. - Челябинск, 1990.

7. Данилов В.В., Кабанов И.Д. Устройство возбуждения для синхронного генератора электрической системы отбора мощности// Тезисы докладов. Вторая Всесоюзная научно-техническая конференция "Энергосберегающее электрооборудование для ЛПК". - И.: ИНЗОРАЭЛЕКТРО, 1990.

8. Данилов В.В., ¡Сабанов И.Д. Возбуждение автономного

, генератора по деуы осям// Электрификация мобильных сельскохозяйственных агрегатов. - Челябинск, IS9I.

9. Кабанов И.Д., Данилов В.В. Еыбор параметров электрической системы отбора мощности// Техника в сельском хозяйстве, . » I, 1991. '

Подписано /С печати 1/02.93 Формат 60*90. */f6

Тираж iOO эез. Заказ * нг vrjy.

<0 c<

u, \o

2].

Л

г;

О

H

rt

ß

о

ra

«

P. «

Я" ю «

CJ о Г-<

п и (1) X ■ m

îi. У й) С)

щ к о s и

о о

и, Р-;

X iJ Ü) О с

л р, с!

р, о :

о Ö о U '

П< Е* Iii ^

я а « л: fi

h; ' ; У- <и г/

и Р. а с*

X о ьз X О rt

'У ? > Е< о p. tí

1 i—i 1 l\¡ 1 СО 1 4J' 1 л т из

СЧ1

о >1 О - о О - о

о

(S

Зависимости допустимого тока нагрузки генератора от основных параметров системы возбуждения

Й1С.2.

Зависимости коэффициентов Кш и Кс по условию устойчивости при запуске электродвигателей

щ

- 13 -

Зависимости мопцгссти системы возбуждения от её параметров Дег

И 505 ДО 103

0.2 ач 0.6 0.1 1.0 i.î ЛЛ L6 И X/RÍ

а)

5, Вт

^СО

ко

ICO

0.2 0Л 05 M 10 II íh {.6 U R/Rí б)

Рис.4. I - Кс=2, Кш=1; 2 - Kc=I,5, ¡fe=2,4; 3 - Кс=1,Кл=3,7; 4 - Kc=0,5, Ka=5; 5 - Kc«=0, Кл=6,3 .

Блок-схема алгоритма расчёта системы возбуждения

Рис.5.

Зависимость динамического отклонения напряжения от параметров систем! избувдения

¿ил

50 25 20 15

12 3 к U

Рис.б. + - Кс=0; а - Кс=0,5; д - Кс=1; • - Кс=1,5; о - Ке=2; Ко=0,37.

Зависимости вре-меии запуска электродвигателя от параметров ci:ctcmi возбуждения

• 1 а

V

\ 0 _„ - ------ —— \ Л \ 3

*

12 3^ Ки

Рис.7. + - Кс=0;п-Кс=0,5;д- Кс=1; • - Кс=1,5; о- лс-2; Ко =0,37 .

Зависимости коэффициентов Ка и Кс, обеспе чивающих устойчивый переходный процесс

-

\ > \ NN чч > N4

\ чЧ V NN чЧ^

г 5 4 Кы

Рис.8, п- Ко=0,2; Ко=0,37;о- Ко=0,6

— - эксперимент, ---- расчёт

Осциллограмма запуска асинхронных двигателей обшей мощностью 25 кВт _230е 2Ш

Рис.9.

Осциллограмма наброса активной нагрузки мощностью 100 кВт

Рис.Ю.