Методология проектирования самовозбуждающегося асинхронного генератора

МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ САМОВОЗБУЖДАЮЩЕГОСЯ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Берзан В.П., Бырладян А.С., Тыршу М.С.

Институт энергетики Академии наук Молдовы

Аннотация. В статье изложена методология проектирования асинхронного генератора с емкостным самовозбуждением. Известно, что его проектирование возможно на основе серийного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. При таком подходе проектирования переделывается только обмотка статора электрической машины, что позволяет с минимальными затратами реализовать создание генератора. Поэтому, методология проектирования, оптимизация расчетов, разработка схемы статорной обмотки и системы возбуждения приобретают не только практический интерес, а также могут быть полезными для специалистов в области электрических машин при проектировании асинхронных генераторов.

Ключевые слова: методология, асинхронный генератор, емкостное возбуждение, самовозбуждение, конденсатор, обмотка статора.

METODOLOGIA PROIECTARII GENERATORULUI ASINCRON AUTOEXCITABIL

Berzan V., Barladean A., Tir$u M.

Institutul de Energetica al A§M

Rezumat. in articol este prezentata metodologia proiectarii generatorului asincron cu autoexcitatie capacitiva. Este gtiut ca proiectarea lui este posibila pe baza motorului asincron cu rotor in scurtcircuit produs in serie. Astfel, de abordare a proiectarii permite numai modificarea infagurarii statorice a maginii electrice, ce permite cu cheltuieli minimale a realiza crearea generatorului. Iata de ce, metodologia proiectarii, optimizarea calculelor, elaborarea schemei infagurarii statorice §i sistemului de excitatie, prezinta nu numai un interes practic, dar gi poate fi de folos pentru specialigtii din domeniul maginilor electrice la proiectarea generatoarelor asincrone. Cuvinte-cheie: metodologie, generator asincron, excitatie capacitiva, autoexcitatie, condensator, infagurare statorica.

DESIGN METHODOLOGY OF SELF-EXCITED ASYNCHRONOUS GENERATOR

Berzan V., Birladeanu A., Tirsu M.

Institute of Power Engineering of the Academy of Sciences of Moldova

Abstract. The paper sets out the methodology of designing an asynchronous generator with capacitive selfexcitation. It is known that its design is possible on the basis of serial synchronous motor with squirrel cage rotor. With this approach, the design reworked only the stator winding of electrical machines, making it cost-effectively implement the creation of the generator. Therefore, the methodology for the design, optimization calculations, the development scheme and the stator winding excitation system gain, not only of practical interest, and may also be useful for specialists in the field of electrical machines in the design of asynchronous generators.

Keywords: methodology, induction generator, capacitive stimulation, self-excitation, a capacitor, stator winding.

Введение

Развитие автономной энергетики характеризуется ростом потребности в автономных источниках электроэнергии различной мощности, повышением требований по качеству электрической энергии, надежности и экономичности. В связи с этим, определенный интерес представляет проектирование и создание автономных источников электроэнергии на основе асинхронных генераторов с конденсаторным возбуждением.

Следовательно, для создания современных асинхронных генераторов необходимо решить следующие задачи: разработать хорошую методологию

проектирования и схему соединения емкостей возбуждения, а также систему регулирования и стабилизации напряжения генератора.

В данной работе предложена методология проектирования асинхронного генератора на основе серийного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Кроме того, данная методология описывает не только последовательность расчета параметров генератора, но и показывает необходимость учета технико -экономических показателей асинхронного двигателя, на основе которого реализуется асинхронный генератор. Этим условиям полностью соответствует оптимальный подход проектирования генератора и обеспечение высоких показателей автономного источника электроэнергии в процессе эксплуатации.

1. Постановка задачи

Рассматривается задача проектирования генератора асинхронного типа на базе серийного асинхронного двигателя (АД) с короткозамкнутым (к.з.) ротором и конденсаторным возбуждением. Проектирование и изготовление асинхронного генератора (АГ) на основе АД позволяет с минимальными затратами создать АГ с требуемыми технико-экономическими параметрами и рабочими характеристиками.

Следовательно, при такой постановке задачи проектирования АГ переделывается только обмотка статора с учетом выбора оптимальных величин электромагнитных нагрузок - индукции в воздушном зазоре асинхронной машины (АМ) и линейной нагрузки статора при заданных главных размерах АД. Кроме того, при этом учитывается мощность АД и число оборотов ротора проектируемого АГ [1].

2. Объект проектирования.

В качестве объекта рассматривается АГ с конденсаторным возбуждением при его проектировании на основе промышленного АД, учитывая качество изделия при использовании серийной технологии его изготовления. Кроме того, если сравнить генераторы синхронные и асинхронные с к.з. ротором, то последние имеют ряд преимуществ: более низкий вес и стоимость, простая технология изготовления, отсутствие скользящих контактов и высокая надежность при эксплуатации. Однако, такое сравнение не является исчерпывающим, поэтому при проектировании АГ должны быть приняты меры, обеспечивающие генератору необходимые характеристики и параметры при различных режимах его работы [2].

Следует также учесть, что работа АГ в автономных установках при значительном диапазоне изменения частоты вращения и /или нагрузки является более устойчивой, в том числе и при работе параллельно с сетью, из -за демпфирующих свойств к.з. ротора. Это означает, что АГ с к.з. ротором в несимметричных и динамических режимах работает более устойчиво и надежно [3]. Другим важнейшим фактором является лучшая форма кривой выходного напряжения АГ [4].

3. Методика выбора технических данных

При выборе исходного АД для проектирования АГ рекомендуется использовать электродвигатель с к.з. ротором, стандартного напряжения и частоты, с приемлемым числом оборотов, имеющий защищенное исполнение и предназначенный для продолжительного режима работы. Отметим, что пониженная скорость вращения магнитного поля требует увеличения числа полюсов, что приводит к снижению полезного магнитного потока в АМ, а следовательно, к уменьшению выходного напряжения АГ. Если увеличить число витков обмотки статора с целью увеличения выходного напряжения генератора, то при этом возрастает падение напряжения на активных и индуктивных сопротивлениях генератора, что не позволяет выполнить АГ мощностью равновеликой мощности АД. Следовательно, АД должен быть большей мощности, примерно на 25-30%, что приводит к существенному росту себестоимости

АГ. Кроме того, при этом необходимо учесть рост показателя удельной металлоемкости и установленной мощности, что снижает его технико-экономические показатели и возможность работы АГ в системах автономного энергоснабжения.

Таким образом, правильный выбор технических данных АД, требований и условий эксплуатации АГ, уровень использования активной части АМ, являются важнейшими факторами, которые должны учитываться при проектировании автономных АГ.

4. Электромагнитные нагрузки

Известно, что от соотношения между магнитной индукцией в воздушном зазоре

-Es и линейной нагрузкой статора - А зависят технические параметры и рабочие характеристики генератора. Поэтому, значения электромагнитных нагрузок Es и А, в зависимости от полюсного деления, рекомендуется выбирать по кривым рис. 13-1 [5]. Кроме того, необходимо иметь ввиду, что при больших значениях E и А могут получиться недопустимые перегревы определенных частей АГ, ухудшение определенных технических показателей из-за перегрева внешней поверхности статора над температурой охлаждающего воздуха. Поэтому, значения электромагнитных величин E и А рекомендуется выбирать в зависимости от заданных главных размеров

и способа охлаждения электрической машины, согласно рекомендациям по проектированию электрических машин, изложенных в соответствующей литературе.

5. Схема статорной обмотки

Обмотка статора является одной из наиболее важных частей АМ, которая определяет технико-экономические показатели АГ в процессе его эксплуатации. Следовательно, расчет параметров, разработка и составление развернутой схемы, особенно ее технологическое исполнение, имеет особо важное значение при изготовлении электрогенератора из-за существенного ее влияния на надежность АГ [6]. Отметим, что при составлении схемы расстояния между началами и концами фаз должны быть равны 120-ти электрическим градусам, а положение начала первой фазы может быть выбрано произвольно. Изображают схему в развернутом виде и в одной проекции.

При составлении развернутой схемы обмотки статора генератора следует руководствоваться техническими показателями выбранного АД и следующими исходными данными, относящимися к АГ: z1 - число пазов статора; m1 - число фаз генератора;

2р - число полюсов обмотки статора; q1 - число пазов на полюс и фазу; y1 - шаг обмотки по пазам;

Д1 - плотность тока в проводнике обмотки.

Необходимо отметить, что класс изоляции статорной обмотки тесно связан с нагревостойкостью изоляционных материалов, то есть с постоянной потерей изолирующих свойств и механической прочности под воздействием тепла и физико -химических процессов, которым подвергается изоляция электрической машины в условиях ее эксплуатации. Поэтому, выбор класса изоляции обмотки во многом определяет надежность работы АГ в условиях эксплуатации. По нагревостойкости обмоточные провода и изоляционные материалы можно разделить на семь классов, характеристики которых приведены в [5, 7], где даны указания, которыми следует руководствоваться при выборе статорной обмотки, ее изоляции и обмоточных

проводов. Основными величинами, определяющими конструкцию статорной обмотки, являются номинальные значения напряжения и тока генератора: напряжение влияет на выбор класса изоляции, ток определяет требуемое сечение проводников обмотки и необходимость числа параллельных ветвей фазы.

Таким образом, при переделке АД на АГ надо стремиться к тому, чтобы обмотка статора мало отличалась от обмотки заводского исполнения. Это относится к числу витков в фазе, к диаметру и марке обмоточного провода, числу проводов в пазу, к пазовой изоляции, магнитного потока в воздушном зазоре и общего коэффициента насыщения АМ. В этом случае, генератор будет работать с практически неизменными значениями к.п.д. и СОБф.

6. Последовательность расчета параметров генератора

Расчет параметров АГ выполняется в соответствии с проектным (техническим) заданием, в котором должны быть указаны следующие данные: номинальная мощность и напряжение, число фаз и частота тока, схема соединений обмотки статора, к.п.д. при номинальной нагрузке, характер нагрузки и другие необходимые данные. При этом следует признать, что конструкция АГ зависит от типа выбранного АД, главные размеры которого зависят от номинальной мощности и быстроходности АМ.

Следовательно, на основе сведений, приведенных в [9] - главные размеры АД, число пазов статора, размеры пазов статора и ротора, их форма, а также конструктивной схемы магнитной системы имеется возможность выполнить пересчет АД на исполнение асинхронного самовозбуждающегося генератора.

Последовательность расчета АГ может быть различной, но наиболее предпочтительным является вариант, который не требует большого количества перерасчетов. Этим условиям удовлетворяет следующая последовательность расчета генератора: 1) выбор АД и его основных исходных данных согласно техническому заданию; 2) уточнение главных размеров АД и конструктивное исполнение его магнитной системы; 3) выбор схемы исполнения обмотки статора и расчет ее параметров; 4) расчет магнитной цепи и определение индукций в воздушном зазоре, зубцах, спинках статора и ротора генератора; 5) определение общего коэффициента насыщения магнитной цепи; 6) расчет активных и индуктивных сопротивлений статора и ротора; 7) расчет электрических и магнитных потерь; 8) определение полезной мощности и к.п.д. генератора; 9) расчет величины емкости конденсаторов возбуждения, согласно [10]; 10) экономический расчет: затраты на приобретение АД и перемотку, пропитку и испытания обмотки статора АГ, стоимость конденсаторов возбуждения и системы стабилизации напряжения генератора, т.е. определение ориентировочной себестоимость генератора. Но, с другой стороны, определение всех параметров АГ не поддается точному расчету поэтому, изготовленный образец генератора подвергается экспериментальному испытанию с целью проверки в какой мере параметры и характеристики АГ соответствуют расчетным данным и проектному заданию.

7. Пример выбора и перерасчета АМ на генераторное исполнение

Выбор АМ. При выборе АМ на основании которой разрабатывается АГ с конденсаторным возбуждением необходимо руководствоваться определенными техническими требованиями, а именно:

- минимально возможной величине воздушного зазора АМ, учитывая что при этом значение тока намагничивания минимальное, а следовательно, реактивная мощность АГ будет незначительна;

- область рабочих скольжений должна быть малых значений, особенно при номинальной нагрузке, что обеспечит пониженные потери в АМ;

- синхронная скорость вращения магнитного поля при частоте 50 Гц должна быть 750 или 1000 об/мин, что обеспечит достаточно легкое и надежное возбуждение АГ;

- мощность АМ выбирается на 15^20% больше мощности разрабатываемого АГ.

С точки зрения выбора технических данных, электромагнитных нагрузок и других параметров АМ, необходимо провести их выбор на основании справочника [9]. Результаты выбора технических, электромагнитных и обмоточных данных приведены ниже, в таблицах 1 и 2.

Таблица 1

Наименование технических данных Цифровые данные

Номинальная мощность, 2,2

Напряжение, V 380

Ток, А 5,6

Число оборотов, об/мин 940

Число полюсов, 2р 6

Число пазов статора и ротора 36/33

Энергетические показатели:

к.п.д., % 81

соб ю 0,74

Основные конструктивные размеры АМ представлены в таблице 2. Таблица 2

Внешний диаметр сердечника статора, мм 168

Диаметр расточки статора, мм 112

Длина пакета статора, мм 122

Величина воздушного зазора, мм 0,3

Форма и размеры пазов статора и ротора приведены соответственно на рис.6.1 и 6.2,а в [9]. Электромагнитные нагрузки согласно таблице 2.1 [9] имеют следующие значения:

- индукция в воздушном зазоре, Вз = 0,81 Тл;

- плотность тока в обмотке статора, АС1 = 6,3 А/мм2;

-линейная токовая нагрузка, А = 230 А/см.

На основании выбранных технических данных АМ выполнен перерасчет АД на двухфазный вариант исполнения АГ.

Электромагнитный расчет АМ. В данной научно-исследовательской работе, все расчеты выполнены на основе методик проектирования асинхронных машин, согласно

[5, 8].

1. Примерная мощность согласно геометрическим размерам сердечника статора

р = С • Д2 • 1Л • п • 106 = 0,9 -11,2 • 12,2 • 1000 • 10"6 = 1,4 кЖ.

2. Общая мощность определенная по нагрузкам активных материалов

5 = С • А • В • Д • 1Л • п • Кб • 10"12 = 1,26 • 230 • 8000 • 11,22 • 12,2 • 0,96 • 10“12 = 3,4 кЖА

3. Активная мощность при к.п.д.=81%, соб ю = 0,84 составит

р = 5 • г] • соб р = 3,4 • 0,81 • 0,84 = 2,3 кЖ

I. Число пар полюсов в зависимости от диаметра расточки и высоты спинки статора,

будет иметь следующее значение р = 0,33 • = 0,33 • _ = 3,18, следовательно,

К 1,16

р = 3, что соответствует синхронной скорости магнитного поля АГ

60 • /1 60 • 50 1ЛЛЛ

п1 =------------------------------- =--“------ = 1000 об/мин.

Р 3

5. Величина магнитного потока полюсного деления АД

Ф = 0,715• В •?• к = 0,715• 8000• 5,86• 12,2 = 0,4089• 106мкс.

6. Величина магнитного потока в воздушном зазоре АГ

Ф = К • и-1°8 = °-95 •220 -108 = 0,416-10« мкс

3 4• кв • / щко61 4• 1,09• 50• 240• 0,96 .

7. Пересчет индукции в воздушном зазоре при генераторном исполнении АМ

Ф 0,416 • 106 0100

В =-----------=----------------= 8138 гс.

5 «¿•V /й 0,715 • 5,86 • 12,2

8. Значения магнитных нагрузок (индукций) в стальных участках магнитной цепи генератора при магнитных потоках п.5 и 6, индукции Вз п.7, имеют следующие

значения: В? = 17784 гс В = 15470 гс

?1ср. 5 С1 5

В = 9618 гс В = 6864 гс

?1мин. 5 Р1

9. Расчет коэффициентов насыщения в различных участках магнитной цепи показал следующие значения:

- коэффициент насыщения зубцов кг = 1,82,

- общий коэффициент насыщения кнас = 1,94.

10. Намагничивающий ток

I =------р • рцепи----=----3 •893,6------= 6,32 А,

ц 0,9 • щ • щ • коб1 0,9 • 2 • 240 • 0,96

где Ецепи= 893,6 намагничивающая сила магнитной цепи АМ, т.е. АГ.

II. Номинальный ток АГ

Д •Ю3 2,0• 103

I гг =------2---------=----------------------------= 6,68 А

щ • и •!• 2• 220• 0,81 • 0,84

12. Сечение проводника при Д1 = 5,05 А/мм и номинальном токе 6,68А будет

11Н 6,68 1 *2 О 2 2

^ ^ 05 = 1,32 мм , следовательно провод сечением 1,32мм имеет

следующие диаметры ё = 1,45 мм, с изоляцией ёиз. = 1,45 мм, при этом коэффициент паза статора равен

Мпр • < 28 •1,562

к,ап. = — = 99 33 = 0,686 при Ипр= 28 (14 х 2).

Многофункциональная обмотка статора. Исполнение двухфазной статорной обмотки многофункционального назначения АГ выполнено в соответствии с рекомендациями [8, 9]. Для составления схемы обмотки и ее реализации надо знать определенные величины и показатели, которые определяются ниже.

1. Число пазов на полюс и фазу —

36

2. Шаг обмотки статора по пазам yz і —

2р- щ 2 • 3 • 2 ^ 36

—3.

2р 6

— 6 (1^7).

3. Обмотки статора сдвинуты в пространстве на 90 электрических градусов при угле между соседними пазами

360° -р 360° • 3

36

— 30

электрических градусов.

Следовательно, начало следующей фазы, которая должна отстоять от начала предыдущей на 90 электрических градусов, должна находиться на расстоянии 90/30 = 3, трех пазовых делений.

Развернутая схема обмотки статора АГ составлена на отдельном листе для ее исполнения в двухфазном варианте. По каждой фазе сделаны определенные выводы -отводы для получения напряжений различной величины и назначения, в том числе: для питания конденсаторов возбуждения, нагрузки электрогенератора и аккумуляторной батареи.

Таким образом, общее число выводов стало больше, но все они должны быть выведены на панель зажимов электрогенератора.

иліл4 = 220 V, ил2Л4 = 156 V, илзл4 = 48 V, Цлш = 311 V.

А

-О-

А

К

220У

о-

наг

_^пп.

В4 В3 В2

ЧГ'іО.

В.

-о

1

В.

1

Рис.1. Принципиальная схема обмотки статора двухфазного АГ с самовозбуждением и векторная диаграмма напряжений генератора.

При генераторном режиме работы АМ необходимый намагничивающий ток может быть получен в процессе конденсаторного самовозбуждения, поэтому к зажимам обмотки статора АГ необходимо подключить батарею конденсаторов соответствующей величины.

Процесс и условия самовозбуждения АГ подробно изложен в [ 10], а методика определения величины емкости изложена в работе [11] и рассчитывается по следующим формулам:

- проводимость фазы в номинальном режиме

г

у = = 668 = 0,03036

1 £/1Я 220 ’

- емкостная проводимость в относительных единицах

ьо.е. _ cos ф sin ф__0,84 0,54 _Л

Ьф =^/Г+~=цт+—=0,665 ое-'

- емкостная проводимость фазы

Ьф = Ьофе- • у = 0,665 • 0,03036 = 0,0202,

- величина рабочей емкости одной фазы

Сф = Ьофе'1 о = 0,0202 • 107314 = 64,3 мкФ.

Следует отметить, что при расчете величина емкости параллельного возбуждения может варьировать (изменяться) в определенных пределах из -за изменения индуктивного сопротивления контура намагничивания (Xm) и выходного напряжения АГ в функции нагрузки [12].

Заключение

В статье изложена методология и принципы проектирования асинхронного генератора с емкостным возбуждением на основе серийного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Разработанная методология проектирования позволяет учитывать показатели и конструктивные данные электродвигателя, на основе которого создается асинхронный генератор. При этом, обеспечивается приемлемая сходимость параметров и показателей генератора с экспериментальными данными. Кроме того, она имеет определенную особенность, что позволяет определить величину емкости батареи конденсаторов возбуждения при разработке системы стабилизации выходного напряжения, которая учитывает характер изменения нагрузки и частоты вращения ротора генератора.

Таким образом, важнейшие факторы, которые должны учитываться при проектировании асинхронного самовозбуждающегося генератора, это соответствие его технико-экономических показателей современному техническому уровню, надежности в работе и экономичности при эксплуатации в различных режимах работы.

Литература

[1] Богуславский И.З. Генераторы автономных электростанций. - Известия Академии наук, «Энергетика», 2004, №6, с.29-37.

[2] Радин В.И., Винокуров В.А., Аскеров В.С. Применение асинхронных генераторов как автономных источников переменного тока. - Электротехника, 1967, №8, с.17-20.

[3] Глазенап М.С. Несимметричная нагрузка асинхронного самовозбуждающегося генератора. - Электричество, 1953, №3, с.37-38.

[4] Бояр-Созонович С.П. Асинхронные генераторы: свойства и перспективы. -

Электротехника, 1990, №10, с.11-13.

[5] Сергеев П.С., Виноградов Н.В., Горяинов Ф.А. Проектирование электрических машин. -М.: «Энергия», 1969, 632 с.

[6] Гольденберг О Д. Качество и надежность асинхронных двигателей. - М.: «Энергия», 1968, 176 с.

[7] Петров Г.Н. Электрические машины, часть первая. - М.: 1974, с.35-41.

[8] Гурин Я.С., Кузнецов Б.И. Проектирование серий электрических машин. - М.: «Энергия», 1978, 479 с.

[9] Справочник «Асинхронные двигатели серии 4А» - М.: Энергоиздат, 1982, 503 с.

[10] Проблемы региональной энергетики, 2009, №1, с.43-53.

[11] Адаменко А.И. Однофазные конденсаторные двигатели. - Киев, 1960, 247 с.

[12] Известия ВУЗов «Электромеханика», 1981, №6, с.612-617.

Сведения об авторах:

Берзан Владимир Петрович - доктор хаб. техн.наук, директор Института энергетики АН Молдовы. Область научных интересов: энергетика и возобновляемые источники энергии, методы математического моделирования, переходные процессы в линиях электропередач, электрические машины, диагностика энергетического оборудования. Автор более 200 научных публикаций, в т.ч. 10 монографий, 20 изобретений. E-mail: berzan@ie.asm.md.

Бырладян Александр Саввович - научный сотрудник Института энергетики АН Молдовы, Область научных интересов: электрические машины, электропривод, электрические генераторы, электрические системы ветроустановок. Автор более 70 научных публикаций.

Тыршу Михаил Степанович- доктор техн.наук, заместитель директора Института энергетики АН Молдовы, Область научных интересов: диагностика высоковольтного оборудования, силовая

электроника, электрические системы ветроустановок. E-mail: mtirsu@ie.asm.md