СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ГЕНЕРАТОРОМ ПРИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЕ С СЕТЬЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO CONTROL ASYNCHRONOUS GENERATOR DURING PARALLEL OPERATION WITH GRID AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Предлагаемый способ управления асинхронным генератором и устройство для его осуществления относятся к электротехнике и могут быть использованы для повышения энергетических показателей асинхронных генераторов, работающих параллельно с сетью или синхронным генератором. В качестве приводного двигателя может применяться ветро-, гидро- или тепловой двигатель.
Общеизвестно, что асинхронная машина может работать в тормозном режиме с отдачей энергии в сеть - генераторный режим работы параллельно с сетью (Чиликин М.Г. Общий курс электропривода / М.Г.Чиликин, А.С.Сандлер // Учебник для вузов. - М.: Энергоиздат, 1981. - Стр.82).
Известный способ работы асинхронной машины параллельно с сетью реализуется в том случае, когда асинхронная машина обмоткой статора непосредственно подключена к сети, а приводным двигателем ее вал (ротор) вращается со скоростью (частотой), большей синхронной частоты вращения магнитного поля. В этом случае асинхронная машина потребляет реактивный ток намагничивания и переводится из двигательного режима работы в режим асинхронного генератора с рекуперацией активной мощности в сеть. При этом частота тока асинхронного генератора определяется частотой сети, к которой подключена асинхронная машина, и поддерживается за счет изменения величины скольжения.
Недостатком такого способа управления является зависимость тока намагничивания асинхронного генератора от величины напряжения в сети, различная величина скольжения, коэффициента мощности и различные потери в обмотках ротора, которые пропорциональны скольжению и снижают энергетические показатели.
Известен способ управления асинхронным генератором переводом асинхронной машины из двигательного режима в генераторный, когда для повышения коэффициента мощности сети параллельно с сетью и асинхронным генератором подключают конденсаторы (Вольдек А.И. Электрические машины / А.И.Вольдек // Учебник для вузов. - Л.: Энергия, 1978. - Стр.587-588). Недостаток такого способа управления заключается в том, что дополнительные конденсаторы увеличивают стоимость и массогабаритные показатели, но не стабилизируют напряжение. В зависимости от нагрузки напряжение сети изменяется, изменятся реактивный ток намагничивания, а это, в конечном счете, отрицательно влияет на энергетические показатели асинхронного генератора.
Известна схема включения асинхронной машины для генераторного режима работы (Вольдек А.И. Электрические машины / А.И.Вольдек // Учебник для вузов. - Л.: Энергия, 1978. - Рис.29-6 на странице 588). В этой схеме асинхронный генератор, работающий параллельно с сетью, потребляет из нее реактивный ток. Этот ток создает в генераторе магнитное поле, а активный ток и активная мощность отдаются в сеть и потребляются местным потребителем или другим, включенным в любом другом месте сети.
Недостаток этой схемы состоит в том, что в зависимости от напряжения в сети будет изменяться ток намагничивания (реактивный ток). Поэтому для повышения коэффициента мощности применяются дополнительные конденсаторы. В зависимости от уровня напряжения в сети для загрузки генератора необходимо увеличивать скорость (частоту) вращения приводного двигателя. При этом возрастает скольжение, и пропорционально ему увеличиваются потери в роторной цепи асинхронного генератора. Особенно это проявляется в случае работы с сетью ограниченной мощности, например, параллельно с автономным синхронным генератором.
Наиболее близким по техническому решению является газотурбогенератор (Пат. №2151971 РФ, МПК F25B 11/00. Газотурбогенератор - №97118075/06; заявл. 30.10.97; опубл. 27.06.00, бюл. №18. - 6 с.: ил.). Известный газотурбогенератор, служащий преимущественно для утилизации избыточной энергии газа, содержит в качестве приводного двигателя турбину, а в качестве электрической машины использована асинхронная машина в генераторном режиме с рекуперацией энергии в питающую сеть. Причем асинхронный генератор статорной обмоткой соединен непосредственно с сетью переменного тока.
Теоретически, скорость вращения асинхронной машины в генераторном режиме может изменяться от синхронной скорости вращения магнитного поля до бесконечности. В действительности высокие скорости не используются по условиям ограничения потерь и сохранения высокого КПД. Реально скорость может изменяться на 15…20%, в пределах до критического скольжения.
Общим недостатком для всех известных способов и устройств является то, что намагничивающий (реактивный) ток зависит от напряжения в сети. Увеличение напряжения приводит к увеличению намагничивающего тока и снижению коэффициента мощности и КПД. Снижение напряжения приводит к уменьшению намагничивающего тока, момента, КПД и активной мощности отдаваемой в сеть. В этом случае для загрузки асинхронного генератора активной мощностью необходимо увеличивать скорость вращения приводного двигателя. В случае, когда приводным двигателем является ветро-, гидро- или тепловой двигатель, изменение скорости вращения сопряжено с определенными трудностями. С другой стороны, увеличение скорости вращения ротора асинхронного генератора приводит к увеличению скольжения, потерь и снижению энергетических показателей.
Техническим решением задачи является повышение энергетических показателей (коэффициента мощности и КПД) при незначительном изменении скольжения асинхронного генератора при параллельной работе с сетью.
Поставленная задача достигается тем, что в заявляемом способе управления асинхронным генератором при параллельной работе с сетью путем перевода асинхронной машины из двигательного режима в режим асинхронного генератора увеличением частоты вращения приводного двигателя, согласно изобретению, асинхронный генератор статорной обмоткой соединяют параллельно с сетью через вторичные обмотки вольтодобавочного трансформатора, который посредством регулирования коэффициента трансформации трансформатора поддерживает напряжение на статоре асинхронного генератора в пределах (93-100)% от номинального напряжения в функции активной мощности асинхронного генератора.
Способ реализуется с помощью устройства, содержащего асинхронную машину, стационарную или автономную сеть, приводной двигатель, переводящий асинхронную машину в режим асинхронного генератора увеличением частоты вращения приводного двигателя, согласно изобретению, асинхронный генератор статорной обмоткой соединен с сетью через вторичные обмотки вольтодобавочного трансформатора, первичные обмотки которого имеют отпайки, соединенные в нулевую точку через оптоэлектронные реле переменного тока, например, типа 5П36.3ТМА1 с контролем перехода напряжения через ноль и имеющие входы, соединенные с выходами устройства управления с аналого-цифровым преобразователем, преобразующим сигналы датчиков активной мощности, расположенных на выходе асинхронного генератора, в сигналы управления оптоэлектронных реле.
Новизна заявляемого предложения обусловлена тем, что в заявляемом способе управления асинхронный генератор статорной обмоткой соединяют параллельно с сетью через вторичные обмотки вольтодобавочного трансформатора, который посредством регулирования коэффициента трансформации трансформатора поддерживает напряжение на статоре асинхронного генератора в пределах (93-100)% от номинального напряжения в функции активной мощности асинхронного генератора. Коэффициент трансформации вольтодобавочного трансформатора регулируют с помощью переключения отпаек на первичной обмотке оптоэлектронными реле переменного тока, которые переключаются в функции активной мощности асинхронного генератора.
По данным научно-технической и патентной литературы авторам неизвестна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения уровню изобретения.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, поскольку оно работоспособно и предлагается его использование в промышленности.
H
0
0
H
H
H
Для проверки способа управления асинхронным генератором в лаборатории кафедры электрических машин и электропривода КубГАУ изготовили специальный стенд, состоящий из двух двигателей и аппаратуры управления. Исследуемый асинхронный двигатель 4A100L2Y3 (Р=5,5 кВт, n=3000 об/мин, η=87,5%, cos (φ=0,9) и двигатель постоянного тока (ДПТ) типа 2ПН132МУХЛ4 (Р=10,5 кВт, U=220 В, n=2500-3500 об/мин) соединили «вал» в «вал» через эластичную муфту и закрепили на основании стенда. Частота вращения приводного ДПТ регулируется изменением напряжения на якоре ДПТ источником постоянного тока необходимой мощности.
Проверка способа управления асинхронным генератором осуществляется следующим образом. Исследуемый асинхронный двигатель включили в сеть через регулируемый трехфазный автотрансформатор. На обмотке статора исследуемого асинхронного двигателя устанавливали фиксированное линейное напряжение: 355, 360, 365, 380, 385, 390 В. При каждом значении фиксированного напряжения на статоре приводным двигателем постоянного тока повышали частоту вращения исследуемого асинхронного двигателя, переводя его из режима двигателя в режим асинхронного генератора.
Частота вращения контролировалась бесконтактным тахометром типа VICTOR DM623P+, а электрические параметры записывались анализатором сети - CIRCUTOR AR5. Некоторые данные эксперимента приведены в таблице 1. По этим данным построены графики на фиг.1 и 2.
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
Фиг.1 - зависимость отдаваемой активной мощности в сеть асинхронным генератором от частоты вращения ротора при разном линейном напряжении на статоре (1-U=355 В, 2-U=360 В, 3-U=365 В, 4-U=380 В, 5-U=385 В, 6-U=390 В). Фиг.2 - зависимость cosφ от отдаваемой мощности в сеть генератором при разном линейном напряжении на статоре (1-U=355 В, 2-U=360 В, 3-U=365 В, 4-U=380 В, 5-U=385 В, 6-U=390 В).
Таблица 1
Результаты экспериментальной проверки способа управления асинхронным генератором при параллельной работе с сетью (частоту вращения n необходимо умножать на 2, Р - активная мощность, отдаваемая в сеть асинхронным генератором)
U<sub>1</sub>=355 В
n, об/мин
1517
1531
1548
1565
Р, Bт
1370
2942
4720
6500
cosφ
0,77
0,8639
0,89
0,8926
U<sub>2</sub>=360 В
n, об/мин
1519
1527,1
1544
1560,6
Р, Вт
2090
3080
5040
6800
cosφ
0,79
0,845
0,88
0,88
U<sub>3</sub>=365 В
n, об/мин
1514,9
1535
1556
1564,4
Р,Вт
2140
4563
6975
8090
cosφ
0,735
0,8574
0,87
8860
U<sub>4</sub>=380 В
n, об/мин
1516,7
1535
1554
1564,4
Р, Вт
2940
5140
7540
8860
cosφ
0,725
0,84
0,855
8860
U<sub>5</sub>=385 В
n, об/мин
1514
1535
1550
1563
Р, Вт
3256
5617
7489
9222
cosφ
0,73
0,8262
0,84
0,84
U<sub>6</sub>=390 В
n, об/мин
1513,3
1525
1537,4
1545,2
1558
1564
Р, Вт
3550
4830
6240
7220
8917
9771,5
cosφ
0,645
0,732
0,7951
0,8123
0,8205
0,8238
Из графиков видно, что при увеличении напряжения на статоре коэффициент мощности снижается, следовательно, выбрав оптимальное значение напряжения на статоре асинхронного генератора и изменяя коэффициент трансформации, можно поддерживать оптимальный коэффициент мощности для данного асинхронного генератора при изменении частоты вращения приводного двигателя.
С другой стороны, при реализации заявляемого способа управления асинхронным генератором устанавливаем постоянную частоту вращения приводным двигателем, например, 1540×2=3180 об/мин (см. фиг.1, характеристики 1-6). Изменяем коэффициент трансформации от характеристики 1 до характеристики 6. На выходе асинхронного генератора получаем различную мощность, отдаваемую в сеть от 3800 до 6600 Вт.
Включив датчик активной мощности и настроив его, например, на 5500 Вт (номинальная мощность асинхронного генератора), мы ограничим увеличение коэффициента трансформации, ограничим снижение энергетических показателей и, в конечном счете, защитим генератор от перегрузки.
Сущность изобретения реализующего способ управления асинхронным генератором при параллельной работе с сетью поясняет схема функциональная на фиг.3. Асинхронный генератор 1 с приводным двигателем 2, статорной обмоткой 3 через вторичные обмотки 4 трансформатора 5 соединен с сетью 6, первичные обмотки 7 трансформатора 5 имеют отпайки 8 и 9, которые соединяются в нулевую точку 10 через оптоэлектронные реле переменного тока 11 и 12, имеющие входы 14 и 15, соединенные с выходами 16 и 17 аналого-цифрового преобразователя 18, преобразующего аналоговый сигнал от датчика активной мощности 19 в дискретный сигнал управления оптоэлектронными реле переменного тока, например, типа 5П36.3ТМА1 или аналогичное с контролем перехода напряжения через ноль.
Устройство для реализации способа работает следующим образом. При увеличении скорости (частоты) вращения приводного двигателя 2 асинхронный генератор 1 переходит в режим работы параллельно с сетью.
В это время устройство управления 18 с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и распределителем импульсов подает управляющий сигнал на вход 15 оптоэлектронного реле 12 с рабочими симисторами 13. Последние открываются в момент перехода синусоиды через ноль и замыкают отпайки 8 вольтодобавочного трансформатора 5 в нулевую точку 10, тем самым уменьшая коэффициент трансформации трансформатора 5 до минимального уровня.
При этом на выходе обмотки 4 вольтодобавочного трансформатора и в сети 6 напряжение будет максимальным, и от асинхронного генератора 1 в сеть 6 будет поступать активная максимальная мощность.
Если активная мощность АГ 1 превысит допустимую (установленную для конкретного АГ), то от датчиков активной мощности 19 увеличивается сигнал, который обрабатывается устройством управления 18. Устройство управления отключает сигнал управления с выхода 15 оптоэлектронного реле 12 и его симисторные ключи 13 отключают отпайки 8 от нулевой точки 10.
Одновременно устройство управления 18 подает сигнал на вход 14 другого оптоэлектронного реле 11 с аналогичными 13 симисторными ключами. Реле 11 соединяет отпайки 9 с нулевой точкой 10 и вольтодобавочный трансформатор 5 увеличивает коэффициент трансформации. На статорной обмотке 3 асинхронного генератора на выходе обмотки 4 и сети 6 снижается напряжение, асинхронный генератор 1 уменьшает передачу активной мощности.
Процесс переключения отпаек 8 и 9 и изменение коэффициента трансформации вольтодобавочного трансформатора 5 происходят при изменении напряжения сети 6, вызванного внешними воздействиями, или при изменении скорости (частоты) вращения приводного двигателя 2.
Достоинство предлагаемого способа управления асинхронным генератором и устройства для его осуществления заключается в следующем.
1. Асинхронный генератор работает при оптимальном значении напряжения на статоре. В этом случае его энергетические характеристики отвечают номинальным значениям, предусмотренным заводом изготовителем.
2. Вольтодобавочный трансформатор активную мощность передает только вторичной обмоткой, поэтому его мощность и габариты минимальны.
3. Изменение коэффициента трансформации происходит при переходе синусоиды через ноль, поэтому исключены помехи и коммутационные перенапряжения.
4. Изменение коэффициента трансформации позволяет регулировать загрузку генератора при постоянной частоте вращения приводного двигателя или при их небольших изменениях, причем количество отпаек для регулирования коэффициента трансформации определяется точностью регулирования.
5. Такой способ управления асинхронным генератором может использоваться с приводным ветро-, гидро- или тепловым двигателем.