Асинхронный резонансный генератор как автоперестраиваемая автоколебательная система

Энергетические ресурсы планеты в последнее время становятся одним из решающих факторов в дальнейшем развитии цивилизации. Ограниченность ископаемых энергетических ресурсов Земли приводит к поиску новых источников энергии, например, выделяющейся при распаде или синтезе ядер атомов, и к освоению возобновляющихся (энергии солнечного излучения, геотермальных вод, ветра, приливов и отливов и т. д.). В ССОР использованию возобновляющихся источников энергии придается большое значение. Это отражено и в решениях ХХУ1 и ХХУП съездов КПСС. В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986.1995 годы и на период до 2000 года» указывается: «На основе использования достижений науки и техники. увеличить масштабы использования в народном хозяйстве возобновляемых источников энергии (гидравлической, солнечной, ветровой, геотермальной)» .

Примером, подтверждающим важность решения этой проблемы, может служить опыт применения ветроэнергетических установок (ВЭУ) в Антарктиде на станции Новолазаревская для обогрева жилых помещений и энергообеспечения взлетно-посадочной полосы в период с двадцать девятой по тридцать третью Советских антарктических экспедиций. Если учесть только стоимость доставки в Антарктиду жидкого топлива (до 1000 руб. за тонну) и потребность в электроэнергии для обеспечения жизнедеятельности оеми постоянно действующих антарктических станций, станет понятной важность этой проблемы.

Обширная территория СССР оснащенв широко разветвленной сетью авиалиний, которая продолжает развиваться. Обеспечениебезопасности полетов требует дальнейшего развития и совершенствования системы наземного обслуживания самолетовождения (ЗОС). Соответственно возрастают и потребности в электроэнергии для обеспечения аэродронов и системы ЗОС. В ряде случаев указанные потребности в электроэнергии целесообразно удовлетворять за счет местных источников, в частности, энергии ветра. В первую очередь это относится к аэродромам местных авиалиний и станциям ЗОС, удаленных от централизованных линий электропередач, железнодорожных и шоссейных магистралей.

Современный уровень развития науки и техники позволяет решать проблему использования энергии ветра на качественно новом уровне" Однако особенности ветра как источника энергии ставят задачу его использования в ряд труднорешаемых. Основная трудность заключается в противоречии, которое вытекает из необходимости непрерывного энергообеспечения потребителей при случайном характере скорости ветра" Такая задача не может быть эффективно решена без применения резервных источников и аккумулирования энергии.

Выжное значение в преобразовании энергии ветра в электрическую имеет тип генератора, применяемый в ВЭУ. Основные требования, предъявляемые к генераторам для ВЭУ, — управляемость, бесконтактность, простота конструкции и высокая эксплуатационная надежность.

В СССР для ВЭУ мощностью менее I кВт используют магнитоэлектрические генераторы (МЭГ). В начале 70-х годов была разработана специальная серия бесконтактных синхронных генераторов (СГ) с ког-теобразными полюсами ротора для ВЭУ мощностью I, 2, 4, 8, 16 и 30 кВт. Хотя они и отвечают требованиям по условиям применения (группа У, категория размещения I по ГОСТ 15.150−69) и надежности, их массогабаритные показатели, высокая стоимость и сложность включения на параллельную работу с промышленной сетью делают этот тип генераторов для использования в ВЭУ неперспективным.

Большинство зарубежных фирм в своих разработках наряду с МЭГи СГ используют асинхронные генераторы (АГ)35, причем область их — •' В работе под термином «асинхронный генератор» понимается асинхронная машина с си-отеиой возбуждения и регулирования. использования в последние годы расширяется. Это обусловлено следу" ющиии причинами:1) стремлением снизить капитальные затраты на электрооборудование -2) простотой схемных решений и повышенной устойчивостью работы ВЭУ с АГ на промышленную электросеть-3) стремлением уменьшить массу головки ВЭУ, тем самым увеличить запас прочности конструкции ветроагрегата (ВА) и снизить его металлоемкость.

Таким образом, задача создания электрогенератора для ВЭУ на основе асинхронных машин является актуальной. Однако, несмотря на существенные преимущества АГ, их применение в ВЭУ сдерживается рядом нерешенных задач.

Прерывистый характер скорости ветра определяет и характер работы ветрогенератора. Число его циклов «возбуждение-развозбужде-ние» может достигать нескольких десятков в течение часа. В то же время ВЭУ до 30 кВт целесообразно эксплуатировать без наблюдения. Поэтому в ветроэнергетике обеспечение устойчивости процесса самовозбуждения АГ имеет важное значение. Глубокое и верное понимание процесса самовозбуждения АГ позволит сделать правильный подход к выбору наиболее благоприятных условий и режимов для устойчивого развития этого процесса. В его трактовке имеются серьезные противоречия, указывающие на то, что этот процесс изучен недостаточно глубоко.

Для автономных ВЭУ мощностью до 30 кВт целесообразно применение АГ с конденсаторным возбуждением (резонансных АГ). В условиях переменной частоты вращения ветроколеса и изменения нагрузки требуется создание быстродействующего регулятора напряжения, обеспечивающего заданное качество регулирования и требования к форме кривой генерируемого напряжения.

Использование АМ общепромышленных серий в генераторном режиме сопряжено с необходимостью устранения возможной перегрузки машины реактивным током с учетом обеспечения стандартного значения напряжения на нагрузке" Эта задача особенно актуальна в случае ДОдо 10 кВтСлучайный характер скорости ветра делает задачу создания источников гарантированного электроснабжения на базе ВЭУ актуальнойПрименение ВЗУ в автономных источниках с дизельными двигателями позволит существенно снизить расход жидкого топлива, экономить ресурс двигателей и в ряде случаев снизить стоимость электроэнергии.

Важное значение имеет тип генератора, используемого в автономных источниках электроснабжения. Применение в них резонансных АГ (АРГ), обладающее частотной избирательностью, позволит более простыми способами обеспечить необходимое качество электроэнергии и снизить затраты на создание таких источников*В работе ставятся следующие задачи:1) объяснение процесса самовозбуждения АРГ с позиции классичес кой нелинейной теории колебаний и выработка рекомендаций по обеспечению устойчивости этого процесса-2) разработка рациональных способов управления" удовлетворяющих требованиям к генераторам для ВЗУ-3) отыскание возможности устранения перегрузки реактивным током серийных АМ, работающих в генераторном режиме-4) разработка методики расчета на ЭВМ элементов цепи возбузде-ния и установившихся режимов АРГ в соответствии с разработанными способами управления-5) экспериментальная проверка адекватности разработанных экспериментальных и математических моделей*Диссертационная работа посвящена решению указанных задач применительно к ВЗУ мощностью до 30 кВт.

Научная новизна работы определяется следующими выполненнымитеоретическими и экспериментальными исследованиями:1) найдено объяснение механизма самовозбудцения АРГ с учетом начальных условий и явления частотной автоперестройки автоколебательной системы (АКС)-2) предложен и обоснован новый метод управления АРГ — метод кратных частот-3) теоретически и экспериментально исследованы переходные процессы в АРГ при регулирующем воздействии методом кратных частот-4) теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность устранения перегрузки реактивным током серийных АМ, работающих в генераторном режиме-5) разработана методика расчета установившихся симметричных режимов и элементов цепи возбуждения двухконтурного АРГ с учетом особенностей метода кратных частот, включающая алгоритм и программу расчета на ЭВМ.

Практическая ценность работы определяется следующими результатами:1) предложены и защищены авторскими свидетельствами новые способы и устройства управления АРГ, реализующие метод кратных частот и обеспечивающие качество генерируемого напряжения, определяемое стандартом-2) практически реализован предложенный способ устранения перегрузки реактивным током серийных АМ, работающих в генераторном режиме-3) даны рекомендации по проектированию АРГ, удовлетворяющих требованиям к генераторам для ВЗУ-4) Предложены и защищены авторскими свидетельствами новые технические решения, позволяющие создать надежные автономные источники гарантированного электроснабжения на основе ВЗУ с применением АРГ.

Научные результаты диссертационной работы использованы приразработке опытного образца АРГ для ветроводоподьемной установки мощностью I кВтопытных образцов АРГ мощностью до 8 кВт, прошедших испытания в Антарктиде на станции Новолазаревскаяряда АРГ для ВЗУ мощностью 4, 8, 16 и 30 кВт"Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на научно-технических семинарах и научно-техническом совете НПО «Ветроэн» в 1981. 1987 г. г.- на заседаниях кафедры «Электрические машины и аппараты» Куйбышевского политехнического института в 1986 и 1988 г. г.- в 1984 г. на ведомственной конференции по ветроэнергетике в г. Истра Московской обл*- на Второй Всесоюзной конференции по возобновляющимся источникам энергии, г. Ереван, 1985 г.- на научно-практической конференции по итогам 1985 года Кубайского сельскохозяйственного института, г. Краснодар, 1986 г.- на Первой Всесоюзной конференции по электромеханотронике, Ленинград, 1987 г" - на пленарном заседании подсекции Научного совета АН СССР «Электромеханические преобразователи электрической энергии», г, Пущино Московской обл., 1988 г.

На защиту выносятся:1) результаты теоретических и экспериментальных исследований, раскрывающие с учетом начальных условий механизм самовозбуждения АРГ как явление частотной автоперестройки АКС-2) методика расчета процесса самовозбуждения АРГ как нелинейной автоперестраиваемой АКС при ненулевых начальных условиях-3) метод кратных частот, обеспечивающий эффективное регулирование напряжения генератора-4) способ устранения перегрузки реактивным током серийных АМ, работающих в генераторном режиме, и его теоретическое обоснование-б) методика расчета установившихся симметричных режимов двух-контурного АРГ и элементов намагничивающей цепи с учетом особенностей метода кратных частот, включающая алгоритм и программу расчетана ЭВМ-6) новые способы и устройства возбуждения и управления АГ-7) результаты испытаний макетных и опытных образцов АРГ на лабораторном стенде, полигоне и в Антарктиде*Работа выполнена в соответствии с планом научно-производственного объединения «Ветроэн», разработанным на основании программы по решению целевой комплексной научно-технической проблемы 0.01,08 «Создать и внедрить солнечные, геотермальные, ветровые установки и устройства для щ>оиаводства тепла и электрической энергии» в соответствии с постановлением ПОТ СССР, Госплана СССР и АН СССР В? 516/272/174 от 29 декабря 1981 г.

4.7, Выводы.

1. Применение метода кратных частот в сочетании с регулированием по отклонению амплитуды регулируемой величины позволяет обеспечить качество генерируемой электроэнергии, удовлетворяющее требованиям действующих стандартов.

2. Разработанная методика расчета на персональных ЭВМ граничных статических режимов и элементов намагничивающей цепи АРГ учитывает особенности его двухконтурной модели и метода кратных частот и позволяет оптимизировать режим генератора по току, мощности и коэффициенту мощности, тем самым наилучшим образом использовать генераторный режим серийных асинхронных машин. Погрешность расчета по отношению к измеренным данным не превышает %*.

3, Выполненные разработки АРГ подтверждают результаты теоретических исследований и правильность выбранного направления при создании электрогенераторов для ветроустановок.

4. Годовой экономический эффект от использования в ВЭУ до 30 кВт разработанных АРГ по техническим решениям автора составит свыше 450 тыс. руб. при годовой программе выпуска 610 шт., а при выполнении АРГ на основе мотор-редукторов — свыше 730 тыс. руб.

5* Экономическую целесообразность использования ВЭУ в автономных источниках гарантированного электроснабжения целесообразно оценивать по обобщенному показателю эффективности, учитывающему энергетические и стоимостные показатели.

6. Для повышения эффективности эксплуатации ВЭУ целесообразно их использование в установках гарантированного электроснабжения или при работе на промышленную электросеть.

ЗАКЛШЕНИЕ.

Теоретические и экспериментальные исследования, результаты которых изложены в диссертационной работе, позволяют сделать следующие выводы и рекомендации:

1. Задача обеспечения ветроэлектрических установок электрогенераторами является актуальной. Для ветроустановок до 30 кВт перспективны АРГ, выполненные по техническим решениям автора.

2. Для изучения процесса самовозбувдення АРГ впервые привлечена классическая нелинейная теория колебаний, позволяющая рассмотреть его физическую сущность на основе строгих подходов и методов;

3. Доказано, что в малой по Ляпунову области изменения парамет ров исследуемый генератор можно отовдествлять с автоколебательной системой томсоновского типа, близкой к консервативным. Это позволяет рассмотреть процесс самовозбуящения в рамках резонансной квазилинейной модели.

4. В малой области изменения параметров машины получены строгие гармонические решения первого приближения уравнения электрического равновесия АРГ дня амплитуды и фазы автоколебаний.

5. На основе классической нелинейной теории колебаний уточнена теория самовозбувдення АРГ, а именно:

— учтены начальные условия, определяющие режим самовозбуащения.

— учтено дополнительное необходимое условие самовозбуждения;

— дано объяснению механизма образования и действия внутренней положительной обратной связи;

— раскрыта частотная автоперестройка как явление, определяющее процесс развития и установления автоколебаний;

— дано объяснение амплитудной модуляции ЭДС, имеющей место на.

• ' * I начальной стадии процесса самовозбуждения и определяющей его устойчивость.

6. На основе полученных гармонических решений разработана методика расчета на ЭВМ переходных режимов АРГ при самовозбуждении с учетом начальных условий и нелинейности машины*.

7. Для повышения устойчивости процесса самовозбуждения APT рекомендовано сердечник ротора выполнять из материалов, обладающих по возможности высокой остаточной индукцией и низкой коэрцитивной силой.

8. Предложен и обоснован новый метод управления АРГ — метод кратных частот -, обеспечивающий заданное качество электроэнергии;

9. Доказана целесообразность выполнения АРГ по двухконтурной схеме, что позволяет устранить перегрузку реактивным током серийных машин при работе в генераторном режиме,.

10. Предложены и защищены авторскими свидетельствами новые способы и устройства, обеспечивающие эффективное управление асинхронными генераторами.

11. Разработана методика расчета граничных симметричных режимов и элементов цепи возбуждения двухконтурного АРГ с учетом особенностей метода кратных частот, включающая алгоритм и программу расчета на ЭВМ. Погрешность расчета не цревышает 10%,.

12. Результаты диссертационной работы послужили основой при.

4 ¦ I ¦ разработке серии АРГ для ветроустановок мощностью до 30 кВт. Годовой экономический эффект от использования в ветроустановках разработанных по техническим решениям (автора АРГ составит 450 тыс. рубпри годовай программе производства 610 штукпри использовании серийных мотор-редукторов — свыше 730 тыс. руб.