Статья поступила в редакцию 06.03.3013. Ред. рег. № 1582 The article has entered in publishing office
06.03.2013 Ed. reg. No1582.
УДК 62-111.2
АВТОНОМНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР ДВОЙНОГО
ВРАЩЕНИЯ
В.М. Чебан, Р.А. Толкацкий НГТУ, проспект Карла Маркса, 20, г. Новосибирск, Россия, 630073, телефон: (383) 346-08-43, факс: (383) 34602-09; 346-03-01, email: rector@nstu.ru
INDEPENDENT ASYNCHRONOUS GENERATOR DOUBLE ROTATION
Чебан Сведения об авторах:
Владимир Доктор технических наук, профессор. Место работы - ФГБОУ
Матвеевич ВПО Новосибирский государственный технический университет, факультет энергетики, кафедра автоматизированных электроэнергетических систем (АЭЭС). Должность - профессор кафедры АЭЭС. Образование - Одесский политехнических институт, электромеханический факультет, специальность "Электропривод", 1946 - 1950. Основной круг научных интересов: Исследование и разработка управления режимами ЭЭС на основе фазовых воздействий в электрических сетях, электромашины переменного тока с вращающимся статором. Автор и соавтор более 130 научных работ и научно-методических пособий, 2 монографии, 12 патентов на изобретения. Заслуженный работник НГТУ, почетный академик электротехнической академии, почетный академик международной энергетической академии. С 1964 по 1992 заведующий кафедрой электроэнергетических систем.
Толкацкий Роман
Александрович
Аспирант кафедры АЭЭС, факультета энергетики НГТУ. Образование - Новосибирский государственный технический университет, факультет энергетики кафедра АЭЭС, 2005 - 2011 гг. Основной круг научных интересов: электромашины переменного тока с вращающимся статором. Участвовал в различных научных студенческих конференциях с докладами, которые впоследствии были опубликованы.
Введение
Асинхронные автономные генераторы находят все большее распространение в нетрадиционной энергетике, самолетостроении и других областях. Их повсеместное использование, однако, затрудняется низкой управляемостью, присущей асинхронным машинам, что проявляется, в частности, в необходимости дополнительных устройств для стабилизации
частоты получаемого напряжения и поддержания других параметров вырабатываемой электроэнергии.
На кафедре автоматизированных электроэнергетических систем (АЭЭС) факультета энергетики НГТУ в последние годы ведутся исследования по пути расширения управляемости асинхронных машин с ко-роткозамкнутым ротором за счет использования возможностей вращения статора. При вращении статора происходит дополнительное смещение магнитного поля статора относительно обмотки ротора, что изменяет величину синхронной скорости и частоты напряжения. Представляется, что таким образом путем некоторого усложнения механической конструкции электрической машины можно существенно по-
высить качество вырабатываемой энергии - стабилизировать частоту и величину напряжения, сохраняя его синусоидальную форму без привлечения частотных преобразователей и специальных фильтров. 1.1 Описание физической модели
Для исследования предложенного принципа управления на кафедре АЭЭС была создана физическая модель на базе автономного асинхронного генератора (АГ) с вращающимся статором (далее автономный асинхронный генератор двойного вращения).
Физическая модель в соответствии с рис. 1 представляет собой три электрические машины: машина постоянного тока, асинхронная машина и тахо-генератор, установленные на раме и имеющие еди-
ную ось вращения. Также на раме установлен серводвигатель с редуктором для вращения статора. Использование в модели машины постоянного тока в качестве турбины определено ее возможностью в широком диапазоне менять скорость вращения, тем самым моделируя изменение мощности на валу асинхронной машины. Крепление асинхронной машины реализовано при помощи стоек с подшипниками для вращения статора. Поскольку статор вращается, вопрос токосъема решен применением контактных колец, соединенных непосредственно с выводами машины. Трансмиссия, используемая в данной модели для привода статора, выполнена на основе червячного редуктора с целью предотвратить самораскручивание статора.
Рисунок 1 - Конструкция физической модели: 1 - машина постоянного тока, 2 - асинхронная машина, 3 -тахогенератор, 4 - серводвигатель, 5 - редуктор, 6 - подшипник, 7 - вал ротора, 8 - контактные кольца,
9 -ременная передача
Figure 1 - The design of the physical model: 1 - DC machine, 2 - asynchronous machine, 3- tachogenerator, 4 - servomotor, 5 - reducer, 6 - bearing, 7 - rotor shaft, 8 - slip rings, 9 - belt drive
Использование автономного асинхронного генератора двойного вращения в ветроэнергетике
Авторами статьи было предложено использовать автономный асинхронный генератор двойного вращения для регулирования частоты, напряжения и повышения надежности ветроэнергетической установки (ВЭУ) при возмущениях (например, порывах ветра).
1.2 Регулирование частоты и напряжения автономного асинхронного генератора двойного вращения [1]
На физической модели проводились опыты по стабилизации частоты и напряжения при помощи вращения статора автономного асинхронного генератора. Опыты проводились следующим образом: нормальный режим работы модели с частотой 50 Гц и номинальным напряжением 220 В устанавливался при самовозбуждении автономного асинхронного
генератора от батареи конденсаторов. Изменение режима осуществлялось увеличением (уменьшением) скорости вращения машины постоянного тока, что приводило к установлению нового режима с повышенной (пониженной) частотой и напряжением. В силу технических и конструктивных особенностей модели изменение частоты составляло не более 3 Гц. Затем при помощи вращения статора частота и напряжение восстанавливались до своего первоначального значения.
Для стабилизации повышенной частоты статор автономного асинхронного генератора необходимо вращать по направлению вращения ротора, а для стабилизации пониженной частоты его необходимо вращать против направления вращения ротора. В результате описанных опытов были получены характеристики, которые аппроксимированы кривыми, изображенными на рисунках 2, 3.
Рисунок 2 - Характеристика активной мощности от скорости вращения ротора при вращении статора
для стабилизации повышенной частоты и напряжения Figure 2 - Characteristics of the active power of the rotation speed of the rotor stator during rotation to stabilize the high frequency and voltage
0.6-1 p
0.4-
0.2-
0.S8
Рисунок 3 - Характеристика активной мощности от скорости вращения ротора при вращении статора
для стабилизации пониженной частоты и напряжения Figure 3 - Characteristics of the active power of the rotation speed of the rotor rotation to stabilize the lower
stator frequency and voltage
Зависимости были построены по трем точкам, обозначенным на рисунках. Точка "1" - точка холостого хода, точка "2" - сопротивление нагрузки на зажимах статора 1000 Ом, точка "3" - сопротивление нагрузки на зажимах статора 800 Ом. 1.3 Использование автономного асинхронного генератора двойного вращения при порывах ветра [2]
При ударных механических нагрузках при порывах ветра повышенная надежность ветроэнергетической установки (ВЭУ) обеспечивается за счет расхода части энергии ветра на разгон статора и перехода в кинетическую энергию вращения статора генератора. Возникающие при порыве ветра механические воздействия на ВЭУ окажутся уменьшенными. В соответствии с рисунком 4 установка работает следующим образом. В нормальном режиме при отсутствии сильных порывов ветра специальным устройством осуществляется фиксация корпуса статора генератора относительно его опоры. При порывах ветра выше заданного уровня срабатывает безынерционный датчик силы ветра и осуществляется рас-тормаживание статора генератора путем отключения
его фиксации с опорой. Существующий в генераторе электромагнитный момент взаимодействия магнитных полей статора и ротора
перестает уравновешиваться моментом реакции неподвижной опоры и начнет вращать статор, ускоряя его в сторону вращения ротора. После окончания порыва ветра фиксирующим устройством осуществляется постепенное торможение статора с последующей фиксацией его относительно неподвижной опоры.
Применение безынерционного датчика силы ветра, снижающего инерционность управления, уменьшает вероятность повреждения ВЭУ при порывах ветра, и повышает ее надежность.
На рисунке 5 представлена экспериментально полученная запись процесса изменения мощности автономного асинхронного генератора при снятии фиксации статора при его вращении. Исходя из этого рисунка, можно судить о положительном эффекте, который достигается за счет вращения статора. Так, на рисунке видно, что при вращении статора мощность, выдаваемая генератором, уменьшается почти в два раза. Подобный эффект будет достигаться и
при резких изменениях режима работы ВЭУ (например, порыв ветра). В этом случае вращением статора можно достичь снижения избыточной мощности и
тем самым снизить как механические, так и электрические перегрузки, возникающие при этом.
Рисунок 4 - Принципиальная схема ВЭУ на базе машины двойного вращения. 1 - статор автономного асинхронного генератора; 2 - подшипниковый узел; 3 - неподвижная опора; 4 - ротор генератора; 5 - вал ветротурбины; 6 - безынерционный датчик силы ветра; 7 - фиксирующее устройство статора Figure 4 - Schematic diagram of the wind turbine based on the machine double rotation. 1 - autonomous asynchronous generator stator; 2 - bearing assembly; 3 - fixed bearing; 4 - generator rotor; 5 - wind turbine shaft; 6 - instantaneous wind speed sensor; 7 - fixer stator
Рисунок 5 - Вращение статора в установившемся режиме автономного асинхронного генератора Figure 5 - The rotation of the stator steady autonomous asynchronous generator
Статические характеристики режимных параметров автономного асинхронного генератора двойного вращения
Одной из главных задач при исследовании автономного асинхронного генератора двойного вращения являлось получение статических характеристик его режимных параметров при изменении скольжения. Подробно описаны алгоритмы получения теоретических характеристик [3], а также приве-
дены гр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.