Статья поступила в редакцию 09.10.14. Ред. рег. № 2111
The article has entered in publishing office 09.10.14. Ed. reg. No. 2111
УДК 62-111.2
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ДВОЙНОГО ВРАЩЕНИЯ В АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ПРИ РЕЗКИХ УВЕЛИЧЕНИЯХ МОЩНОСТИ ТУРБИНЫ
Р.А. Толкацкий, В.М. Чебан
Новосибирский государственный технический университет (НГТУ) 630073 Новосибирск, пр. Карла Маркса, д. 20 Тел.: (383) 346-08-43, факс: (383) 346-02-09; 346-03-01, e-mail: rector@nstu.ru
Заключение совета рецензентов: 15.10.14 Заключение совета экспертов: 20.10.14 Принято к публикации: 25.10.14
В статье приведены результаты экспериментального и теоретического исследования по использованию вращения статора асинхронного генератора для повышения надежности работы ВЭУ при порывах ветра за счет расхода части энергии ветра на разгон статора и перехода в кинетическую энергию вращения статора.
Ключевые слова: машина двойного вращения, математическая модель, вращение статора.
THE STUDY OF THE ASYNCHRONOUS GENERATOR DOUBLE ROTATION IN THE AUTONOMOUS POWER SYSTEMS WITH A SHARP INCREASES
IN TURBINE POWER
R.A. Tolkatsky, V.M. Cheban
Novosibirsk State Technical University (NSTU) 20 Karl Marx Ave., Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: (383) 346-08-43, fax: (383) 346-02-09; 346-03-01, e-mail: rector@nstu.ru
Referred: 15.10.14 Expertise: 20.10.14 Accepted: 25.10.14
In the article the results of experimental and theoretical studies on the use of rotation of the stator of the asynchronous generator to improve the reliability of wind turbines in the wind due to the consumption of the energy of the wind on the dispersal of the stator and transition in the kinetic energy of rotation of the stator.
Keywords: machine double rotation, the mathematical model, stator rotation.
Роман Александрович Толкацкий Roman A. Tolkatsky
Сведения об авторе: аспирант кафедры АЭЭС факультета энергетики НГТУ. Образование: Новосибирский гос. технический университет, факультет энергетики, кафедра АЭЭС (2011).
Область научных интересов: электромашины переменного тока с вращающимся статором. Публикации: доклады на различных научных студенческих конференциях, которые впоследствии были опубликованы.
Graduate student department of automated power sy stems, Faculty of Power Engineering, NSTU. Education - NSTU, Faculty of Power Engineering, department of automated power systems (2011).
The main scientific interests of AC electric machines with rotating stator.
He participated in various scientific conferences student presentations, which were later published.
№ 18 (158) Международный научный журнал
Владимир Матвеевич Чебан Vladimir M. Cheban
Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор кафедры автоматизированных электроэнергетических систем (АЭЭС) НГТУ. Заслуженный работник НГТУ, почетный академик Электротехнической академии, почетный академик Международной энергетической академии. С 1964 по 1992 зав. кафедрой электроэнергетических систем.
Образование: Одесский политехнический институт, электромеханический факультет, специальность «Электропривод» (1950).
Область научных интересов: исследование и разработка управления режимами ЭЭС на основе фазовых воздействий в электрических сетях, электромашины переменного тока с вращающимся статором.
Публикации: более 130 научных работ и научно-методических пособий, 2 монографии, 12 патентов на изобретения.
Doctor of Technical Sciences, Professor. Affiliation - NSTU, Faculty of Power Engineering, department of automated power systems. Title - Professor of department of automated power systems. Honored Worker of the NSTU, Honorary Academician of the Academy of electrical, Honorary Academician of the International Energy Academy. From 1964 to 1992, head of the department of electrical power systems.
Education: Odessa Polytechnic Institute, electromechanical department, specialty "Екйттс drive", 1946-1950.
The main research interests: research and development mode control power systems on the basis of phase effects in networks, electrical ac machines with rotating stator.
Author of over 130 scientific papers and research tools, 2 monographs, 12 patents for inventions.
Введение
Авторами предлагалось применение асинхронных автономных генераторов двойного вращения в электроэнергетике для повышения надежности ветроэнергетической установки (ВЭУ) [1]. Также был получен патент на использование асинхронного генератора двойного вращения в ВЭУ при порывах ветра с целью повышения надежности их работы за счет расхода части энергии ветра на разгон статора и перехода в кинетическую энергию вращения статора [2].
В общем случае можно говорить о том, что повышение надежности за счет применения асинхронного генератора двойного вращения может быть обеспечено не только для ВЭУ при порывах ветра, но и для любой автономной электрической системы при резком увеличении мощности турбины.
В связи с этим целесообразно более подробно рассмотреть электромеханические переходные процессы, происходящие при резком увеличении мощности турбины. Авторами были проведены соответствующие эксперименты на существующей физической модели автономной электрической системы с асинхронным генератором двойного вращения (далее генератором), а также предложена математическая модель для расчета электромеханических переходных процессов.
Математическая модель
В основу принятой упрощенной математической модели были положены алгоритмы расчета статических характеристик генератора, приведенные в [3]. Для моделирования резкого изменения мощности в первом приближении использовалась искусственная
кривая изменения мощности турбины, которую можно описать следующей математической зависимостью:
МТ0 при 0 < ( < 0,5 МТ1 при ( = 0,6 МТ = МТ 2 при t = 0,7 , (1)
МТ 3 при t = 0,8 МТ4 при 0,9 < t
где МТ - значение момента турбины в относительных номинальных единицах; t - время, с. Кривая изменения мощности турбины приведена на рис. 1.
Рис. 1. Кривая изменения мощности турбины во времени Fig. 1. Curve the power turbine in time
№ 18 (158) Международный научный журнал
Р.А. Толкацкий, В.М. Чебан. Работа асинхронного генератора двойного вращения ... при резких увеличениях мощности турбины
Условно процесс можно разбить на два этапа: на первом этапе статор неподвижен, ротор разгоняется под воздействием избыточного момента, на втором этапе статор освобождается от фиксации с опорой и начинает свободно вращаться под действием на него электромагнитного момента генератора. На первом этапе приближенно применяются статические характеристики для генератора с неподвижным статором, а на втором - для генератора с вращающимся статором. Для расчета использовались статические характеристики, полученные в [3].
В качестве математической модели для расчета электромеханического переходного процесса использовалась следующая система уравнений:
MT = f (t); S = f (ю r);
E = f (»,); E = f (ю r);
_ (ю о +ю s )-ю г .
T=M - M,;
d ю
Ts ~dt~ = MЭМ -MS '
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
Уравнения (3) и (4) являются аппроксимированными статическими характеристиками генератора с неподвижным статором, где - скольжение; Е -ЭДС; юг - скорость вращения ротора. Уравнение (5) - аппроксимированная статическая характеристика для генератора с вращающимся статором, а скольжение вычисляется по выражению (6), где ю0 - скорость вращения поля; - скорость вращения статора. Уравнения (7) и (8) являются уравнениями движения ротора и статора соответственно. В правой части (7) находится разность действующих на ротор моментов турбины и электромагнитного момента генератора, а в правой части (8) находится разность моментов, действующих на статор, - электромагнитного генератора и электромагнитного момента, обусловленного вращением статора относительно ротора.
Наличие этого противодействующего момента объясняет, почему статор генератора не разгоняется бесконечно, а только до определенной скорости, которая, как показали эксперименты, больше при работе генератора на холостом ходу, чем при работе под нагрузкой.
Указанная система уравнений решалась с помощью метода численного интегрирования. По результатам расчетов была получена кривая, представленная на рис. 2.
Рис. 2. Изменение мощности нагрузки генератора Fig. 2. The change in the load capacity of the generator
На участке А-В происходит резкое увеличение мощности турбины в соответствии с рис. 1. На участке В-С происходит освобождение статора от фиксации с опорой и его разгон, вместе с увеличением скорости статора снижается мощность нагрузки.
Экспериментальные исследования
Эксперименты проводились на физической модели, созданной на кафедре АЭЭС НГТУ. Подробное описание модели приведено в [1].
Для проведения экспериментов физическая модель была несколько модернизирована: дополнительно были установлены цифровые датчики скорости ротора и статора, а также измерительный преобразователь мощности. Информация с датчиков скорости поступала на микроконтроллер, который отображал значение скоростей ротора и статора на индикаторах. С микроконтроллера и измерительного преобразователя мощности информация передавалась на двухканальный осциллограф.
Эксперимент по моделированию на физической модели резкого изменения мощности турбины проводился следующим образом:
- ротор асинхронного генератора разгонялся турбиной, которую моделировала машина постоянного тока, до момента самовозбуждения асинхронного генератора от емкости, подключенной к обмотке статора;
- к зажимам статора подключалось нагрузка (постоянное активное сопротивление) (I);
- имитация резкого увеличения мощности турбины происходила путем шунтирования активного сопротивления в цепи якоря машины постоянного тока (II);
- через небольшой промежуток времени происходило снятие фиксации статора от неподвижной
№ 18 (158) Международный научный журнал
опоры, статор начинал раскручиваться за счет действующего на него электромагнитного момента (III);
- значение скорости вращения статора достигало установившегося значения (IV);
- производилось торможение статора специальным фиксирующим устройством (V).
На полученны
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.