автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Универсальный синхронный генератор с приводом от вала отбора мощности сельскохозяйственного трактора

17

На правах рукописи

№ да

ДОЛГОВ Александр Анатольевич

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР С ПРИВОДОМ ОТ ВАЛА ОТБОРА МОЩНОСТИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ТРАКТОРА

с;!) . 20.02 -- Электрификация

А В Т О Р Е ф Е Р А 'Г

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск - 1997

Работа выполнена в Челябинском агроинженерном университете.

государственном

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор И.Д.Кабанов, (ЧГАУ).

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Р.X.Гафиятуллин, (ЧГТУ); кандидат технических наук, доцент Г.Н.Грачев, (ЧГАУ).

Ведущая организация - Уральский филиал ВИЭСХ.

Задата состоится "28 " марта_ 199 в Ю часов на

заседании диесертацкониого совета Д. 120.46.02. Челябинскогс государственного агрошшенерпого университета по адресу: 454СВ0, г.Челябинск, проспект Ленина, 75.

С диссертацией полно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослал _ " ___199_

Гчгиа'Г: секретарь ДЕСсерттглокн'.го совета, каздидаг технических наук,

про^-ессср "--- Л.А.Саплин

огщля характеристика рлеоти

Актуальность тг-мн. Кнтенсн£кка*;;:г1 производства п слпьсло?' хозяйство во многом записи-? с? разработки прздогмкяя

явеокоэффективсих технических средств элоктрафикак::::. энергосберегающих технология, ксбяхьшяс технических. средств, з том числе" автономных источников электрнческол энергии, обсрудовагошх электрической. сястеной отбора ног;нэстк (С30").

С помощью »юОлдмшх 2йтоко::г.1г: электрэагр-ггатоз «о? ко обеспечить обгонтп ссльскохозпЗствгвкого прсцззодгтва алектрнчоской ннергиел, о ".с:' члсле при ачарклнлх илл плахозл:; отклйчс-впях объекте.:? от сотеГ; ц^ктрагичогаикого ^лелтр-алаС-^лил, оС-осличитгохллчл::кллл средсгллл; ;;лн £уго2£.Л. :;л.ял:р0елкркн постелл'л лллл: : : г. -ч^нтс' го.".:.:-.:-':'. 1; лал;!...'. ;; •• а:--.г-/ : 1-, г-т;.;л; *■¡.о- р ■•л:л'л" ..-¡": ■ : '^рзккл хозл Гл.:глал грл.

ллк.'лллллоллл, ,с л л г; лллрил, ь;лллл.. 1?. .и г.и.

Автоле;-км г.оСПль::::з олл: л роагрегали, огнацзшке упиверсаямшм снихрепним гекератор^я С'.-'СГ) с призодоч от аила отбора !:с:;:;сста (БС") сольллэлсзлГлтг:хл-го трактора, ссгиг-ргк? в саба функции источника злектрл .олклл зл;;'ллл Гц л ллтлчллгл дуговой сваркз! Ехпрямлекнпл тсг.см. Улллерсллрьзгсть гегарлтлла повышает эффективность примеие:-г:ч ал:лл"'л:ллэ кгтачнгл* за сл?.т умекьиения количества ед::н;:ц сОорудоегки«, уиеньизшгя обл;л" материалоемкости к кассо-г&бгрктцих показателей. солрауаллл эксплуатационных расходов. Оп.'.-эчс-пни® тфзилл'лгэатпг. г.сз"_ллз.хт потребительский спрос на такие злектроагреггтц.

Работа выполнена в сооте-зтстенл< с кгу:нэ-техяическ2пг направлением: "Осуществить поле:; и разработку Елеокзз^елткзлыл: методов и средств рацкоизльиэго ::спзльззл2!:лл злэктроз:"эрллл 2 сельскохозяйственно» производстве и Ситу сельского населегекк* и заданием 0.3.01. "Разработать проверить ¡> условиях опытного производства перспективные энергосберегаллиз злектр::1;1щ:ронгнлл;г мобильные процессы, создать налипшие образцы мгЗпльках технических средств производства" .

Цель и задачи исследования. Цель» работы является позасэниз эффективности автоиогшого источника з л с к т р.: че сл о л энергии за счлт

применения УСГ с приводом от ВОН сельскохозяйственного трактора.

Для решения этой'цели били поставлены и решены следующие задачи:

- обоснование эффективности мобильного автономного источника электрической анергии за счет применения УСГ для электроснабжения и дуговой сварки выпрямленным током;

- обоснование параметров и конструктивного исполнения УСГ;

- разработка методики расчета характеристик и энергетических показателей УСГ;

экспериментальная проверка теоретических положений, характеристик и свойств УСГ.

Методы исследования. В работе применены общая теория электрических машин переменного тока, теория вентильных преобразований, теория источников и технологии дуговой сварки. Исследования параметров, характеристик режимов работы УСГ выполнено графоаналитическим и аналитическим методами с использованием ЭВМ. Сценка достоверности научных положений и разработанных методик расчета производилась экспериментальным путем.

Научная новизна. Обоснована эффективность применения автономного электроагрегата, укомплектованного УСГ, совмещающего в себе Функции источника электрической энергии 50 Гц и источника дуговой сварки выпрямленным током. Обоснованы параметры и конструктивное исполнение УСГ, а также разработана методика расчета внешних характеристик УСГ.

Ппактическое значение работы. Разработанный УСГ позволяет повысить эффективность автономных источников электроэнергии, улучшить их технико-экономические показатели.

Разработана методика расчета внешних характеристик УСГ.

Реализация результатов работы. Научный отчет по результатам теоретических и экспериментальных исследований принят к внедрению Уральским филиалом ВИЗСХ г.Челябинск.

Результаты исследований переданы .в департамент селького хозяйства Челябинской области, штаб по делам Гражданской обороны и Чрезвычайным ситуациям при администрации Челябинской области, конструкторское бюро АО "Уралтрак" (завод ЧТЗ) г.Челябинск,

научно-исследовательский отдел Челябинского Высшего Военного Автомобильного Инженерного Училища.

Результаты работы использованы в учебном процессе Челябинского ордена Трудового Красного Знамени Агроинженерном Университете.

Апробация работы. Основные полоиения и результаты исследований.докладывались и обсуждались на экспертной комиссии штаба по делам Гражданской обороны и Чрезвычайным ситуациям Челябинской области 1994-96 г.г., совете по внедрению новой техники АО открытого типа "Уралнефтегазстрой" (г.Челябинск, 1996 г.), конструкторском бюро АО "Уралтрак" (г.Челябинск, 1995-96 г.г.), научно-исследовательском отделе ЧВВАКУ (г.Челябинск, 1996 г.), службе РТО в/части 77966 (г.Челябинск, 5.595 г.), научных конференциях ЧГАУ (г.Челябинск, 1994-96 г.), научной конференции Горского госагроуниЕерснтета

(г.Владикавказ, 1995-96 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано шесть работ.

Объем работ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы (151 наименование), изложенных на 241 страницах машинописного текста и включает 47 рисунков, 23 таблицы и 4 приложения.

С0ДЕРИА1ШЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, ее практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ состояния вопроса, уровень исследований, основных направлений применения автономны:; источников электроснабжения сельскохозяйственных объектов, технических характеристик синхронных и сварочных генераторов, сформулированы задачи исследовании.

Вторая глава посвящена обоснованию конструктивного исполнения и параметров УСГ, предложена инженерная методика проектирования и варианты технической реализации автономных источников электроснабжения с применением УСГ.

УСГ относится к специальным электрическим машинам. В одноь корпусе УСГ'расположены: трехфазный генератор переменного тока с явнополюсным'ротором; возбудитель в виде трехфазного синхронногс генератора обращенного исполнения с вращающимся выпрямителем; переключатель режимов работы. Каждая фазная обмотка статор« разделена на три равные части, которые с помощью переключателя могут соединяться последовательно в режиме источника напряжения 50 Гц или параллельно в режиме источника сварки, причем в первое случае фазные обмотки соединяются в "звезду", во втором - в "треугольник", рис.1.

.Конструктивной особенностью УСГ является уменьшенный воздушный зазор по сравнению с серийными синхронными маринами. Е электромагнитном отношении УСГ выполняется с бОльшиы коэффициентом насыщения при номинальном магнитном потоке.

Принцип универсальности обеспечивается при следующих параметрах и показателях:

- относительный воздушный зазор по сравнению с серийными синхронными генераторами составляет 0,6-0,7;

- отношение короткого замыкания примерно о.к.з.~0,3-0,7;

- синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси в ненасыщенном состоянии ,5-3 o.e.

Для осуществления УСГ разработана инженерная методика проектирования.

3 третьей главе приведены теоретические исследования характеристик и режимов работы УСГ.

В дополнение к известным методам расчета характеристик синхронного генератора разработана методика расчета внешних характеристик системы "синхронный генератор - выпрямитель" с использованием ЭВМ и, как частный случай этой методики, расчет внешних характеристик генератора в обычном режиме источника напряжения.

Результаты теоретических исследований характеристик генератора в режиме источника напряжения лри различных воздушных зазорах приведена на рис.2-6. Они подтверждают идею о возможности применения генераторов с уменьшенным воздушным зазором в режиме источника электроснабжения.

Анализ работы электроагрегата в режиме сварки выпрямленным током показал, что классическая теория вентильных преобразователей, питающихся от сети, не соответствует режиму работы системы "синхронный генератор - выпрямитель" й режиме сварки. Поэтому в методике расчета внешних характеристик использованы рекомендации об ЭДС генератора за, так называемым, коммутационным сопротивлением генератора с учетом изменения этой ЭДС от величины выпрямленного тона.

Угол коммутации определялся по выражению:

21 х : / 1соза-соз(г+а) .1-—^—,

/з-Е „

тГ

где Е _ - амплитудное значение ЭДС генератора за коммутационным лГ

равное:

х +х х - 11 2

к 3

при наличии успокоительной обмотки и

X '+х

X.

к ^

без успокоительной обмотки; здесь х2 - индуктивное сопротивление обратной последовательности.

При расчете среднего значения выпрямленного напряжения также использованы ЭДС Ег и коммутационное сопротивление хк.

Из анализа результатов теоретических исследований системы "синхронный генератор - выпрямитель" в режиме сварки следует:

- выпрямитель может работать во всех режимах 2-3, 3, 3-4 при увеличении выпрямленного тока от наименьшего до максимального значения;

- для исключения отрыва дуги в режиме 3-4 цепь выпрямленного тока должна обладать индуктивностью

где >, - угол коммутации при одновременной работе четырех

вентилей; Лд - сопротивление дуги, равное Кд"11д/1д. Согласно расчетам 7эл.град., требуемая индуктивность составляет сколо О,017 мГн;

- при отклонениях частоты вращения генератора на ±103i изменение выпрямленного тока (тока сварки) составляет ±22% при малых токах, когда ?<тг/3, и ±4% при токах сварки более 150 А, когда 7>я/3.

В четвертой гл"е приведены программа, методика, результата и анализ экспериментальных исследований.

Экспериментальные исследования выполнены с целью проверь работоспособности УСГ и его соответствия ; требованиям, предъявляемым к автономным источникам электрической энергии 50 П к источникам электрической дуговой сварки выпрямленным током, Исследовательские испытания выполнены на макетном образц« мощностью 16 кВт в режиме источника напряжения и сварк! вжрямяенным током.

Анализ результатов в режиме источника напряжени! сохазкзает. что испытуемый генератор относится к генераторам < уменьшенным воздушным зазором, величина которого составляв' врииерно 0,68 по сравнению с воздушным зазором серийны: синхронных иашкн.

По сравнению с серийными синхронными генераторами у УС

коэффициент насыщения больше . и составляет ,47, величин

параметра х =2,08 o.e., х =1,7 o.e. и изменяется до 1,56 o.e. пр

. я

Ешсжадьнои потоке, величина о,к.з.=0,64.

Кратность тока возбуждения при номинальном режиме п отЕосзназ к режиму холостого хода больше по сравнению серийвмки генераторами и составляет 2,23 при cosy=l,0 и 2.63 пр созр=0„8.

Экспериментальные характеристики подтверждаю

работоспособность генератора в режиме источника напряаения.

Экспериментальные исследования генератора в режиме источник дуговой сварки показывают, что характеристика холостого хода характеристика короткого замыкания в относительных единице совпадает- с соответствующими характеристиками в режиме источит напряжения.

Экспериментальные пнеинне характеристики приводе:::: ;:а р::с.7. Ошг пслностьм соответствуют требованиям, предъявляемым к источникам дуговой сварки.

Кратность тока короткого збкшшнгп по отношен:::; к току сварки состазлпот 1,05-1,1.

По результат»! осцкллографироваяил установлено, что кратность ударного тска в ком.тат зажигания дуг:: еостазлнет 0,5-5,5 от установившегося тока короткого замыкания.

Пршизюшкв яидуктквпостп в цепи выпрямленного то:;-! цель" огра-г.гюкнп ударного тока oV-i ектг.вно лныь ;;о значен;:;-кидукткштости 0,5 нГИ.

Зксьерш-ге-ггтллыш^ ксслгу.оазнвя времени госстаногло.ч::.-: :л холостого уодч на н^голпетш для на::;:л~"О ::

w,i'."r- и Го^ульт.тш аналог:",'- гг.кзз'-лтедп?-; эл^ктрс-: :l-л::, кс:: ;луголн4 спорки .

!■..' г-тунлг-л г-; - . "• :-;::л:;л'; 150 и Солее. CCji.na дуг:*,

но причине cr.r-.l; >. i -'jct:' челцуел пентглал г.-а н2.Сгх-,~5.~огь.

3::сп>-;рт1!а.т олуол : кодтсерл.ггда соотвотстйич качества сзаркк 7рсбоБак:п», пр-улчаллоолл к источникам дугонол сварки.

Л И2Л2-; глл.

определена экономическая . эффективность лршькешм автономных иезочникоз электрической экергни, укомплектованных УСГ, для электроснабжения еельскохозяйстьепн-л: объектов и энергией для выполнения сварочных работ посте ллн=л: током. Показатель технического уровня УСГ по сравнению с автономными элоктроагрегатамн, принятыми с качестве объекта сравнения, изменяется от 0,4 до 2,2 o.e., что подтверждает экономическую эффективность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ состояния и перспектив развития сельскохозяйственно;'; энергетики показызает устоГг-швую тенденцию развития систем электрического отбора мощности от ВОЛ сельскохозяйственных тракторов.

2. Установлено, что генератор с уменьшенным, до 50%,

воздувшм з аз орем, и ш-гевчлй параметры о. к. з. =0,3-0,7, х =1,5-3,0 o.e. удовлетворяет требования:.! универсальности в раназгаг автономного источника нанряяеиля 50 Гц и источника дуговой сзаркл Естрямланньм "током. Изменение режима работы генератора осуществляется путем переклвчения схемы обмотки статора.

3. Разработана згатеднха расчета внешгах характеристик гекаратора л с::сте:.ы "елдароннцй генератор — выпрямитель", реализовазшге s впт.о программ автоматизированного расчета на ЭВМ.

4. гкепер^с-лжальЕке исследования подтвердили основные теоретические положения и методику расчета характеристик универсального с::.;и:рс:;::ого гсиэратора.

5. Обосновала эффективность применения универсального csjcspoEEoro генератора с приводе» от БОН сельскохозяйственного трактора за счет совиздакая з одном корпусе генератора функций кгтечгззюз напрженил и дуговой сварка.

Показатель технического уровня электроагрегата с УСГ сгстаз~не~ D.4-2.2 с.е.

6. РаэраСатаннкй уигзерсальный синхронный генератор -rezHUHsciuis гсзмгткгстя и сОласть применения синхронных

Дгльнег'спз:;! задачей;: ~.о разработке и исследования укиЕ.е;гальлэго csa^r?энного генератора является:

- разргбзтга с;:сге;а авго.чатяческого регулирования

- обгакгзазгз рационального типоразмарного ряда;

- ясс;:е-Д02аЕПз скстекн "сажрокккй генератор - выпрямитель" з pS5Z;;e 3-^;

- раси^ренпе уукккг,опальных свойств путем использования генератора з реетгах источника повышенной частоты тока и ЕСточкйга Еьглркжекнсго напряжения.

Основные- положения диссертации опубликована п следующих работах:

1. Кабанов И.Д., Долгов A.A. Научно-технические задачи по разработке универсального синхронного гонератора с приводом от вала отбора мощности сельскохозяйственного трактора // Вестник Челябинского агроншкенерного университета, 1996. - Том ?/14. с.134-138.

2. Кабанов.И.Д., Долгов A.A., Борщ О.Г. Расчет системы "синхронный генератор - выпрямитель" // Вестник Челябинского агрошженерного университета, 1996. - Ton ÏI14. с. 13Ö-145.

3. Кабанов И.Д., Долгов Л.Л., Еорщ О.Г., Малохатко U.E. Программа расчета система "синхронный генератор выпрямитель" на языке TURBO BASIC для сварочного режиа универсального генератора мощностью 16 кВт // Вестник Челябинского агроинженерного университета, 1996. - Тем ÏU6. с.140-144.

4. Кабанов И. Д., Долгов A.A., Бори; О. Г., Малохатко Ы.Е. Расчет системы "синхронный генератор - выпрямитель" // Вестник Челябинского агроинженерпого университета, 1996,

- Том »16. с.136-140.

5. Кабанов И.Д., Долгов A.A. Универсальный синхронный генератор с приводом or SOU трактора для горних и предгорных зон.

- Материалы Всероссийской научно-практической конференции 23-28 сентября 1996 года "Пряродно-ресуроный и экономический потенциал горных и предгорных регионов России и принципа создания "устойчивых" агроландшафтоз". - Владикавказ, 1996. - с.345.

6. Кабанов И.Д., Долгов A.A. Особенности систепи "синхронный генератор-выпрямитель" в режиме источника дуговой сзарки выпрямлешшытокон. - Тезисы докладов научно-производственной конференции Горского госагроугпшерситетп но итогам НИР 1995 г. - Владикавказ, 1996. - с.233.

\\

и> ' л

в

с

£, o.e.

Рис. Характеристика холостого хода и зависимости ивдуктазного сопротивления рэакции якоря по продольной оси при различиях воздушных зазорах 5 i o.e.

Рис. Рпгудиропочннз характеристики при

-- бозвЕнй ток^н соответствует 6=-1.0 о.е

--.— базолый ток Ни соог'в^тствуегЗ'ОН^Г

-IH-

Viio. 5. Еиеснио аракгаю-сгики пш c¿íp¿*i,G

{ß о.г)

Ца.й.

U /.о ол

в.ь

0,ч

0.9

О ал ОЛ о,S a,s и>

Рис-« б. Внеание характеристики при oos у) - а.в (.5 о.о

\ л X

\ is=í,A \ 71

Т 1

O ion ' 203 Id, 4

Рис.. 7. Вметено характеристики, режим схарки "

Подписано к печати 28.01.97. Формат 60x84/11 Заказ 19 Тираж 100.

УОП ЧГЛУ

454080, Челябинск, пр.Ленина,75.