СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ ПРИ РАБОТЕ ПАРАЛЛЕЛЬНО С СЕТЬЮ
METHOD TO INCREASE POWER RATIO OF ASYNCHRONOUS GENERATOR WITH SHORT-CIRCUITED ROTOR DURING OPERATION IN PARALLEL WITH GRID

Изобретение относится к электротехнике, в частности к серийно выпускаемым асинхронным двигателям с короткозамкнутым ротором, используемым в качестве генераторов энергетических установок для преобразования механической энергии в электрическую.
Асинхронные генераторы промышленностью не выпускаются, выпускаются серийно только асинхронные двигатели. Однако генераторный режим представляет определенный научный и практический интерес при использовании его в энергетических установках для преобразования механической энергии в электрическую.
При переводе асинхронного двигателя в режим генератора необходимо рассмотреть изменение его характеристик.
Эффективность использования асинхронной машины оценивается по коэффициенту мощности, определяемому отношением активной мощности к полной (результирующей) мощности или равнозначно отношением активной составляющей тока к полному току фазы.
Асинхронная машина, подключенная к электрической сети, при работе как в режиме двигателя, так и в режиме генератора потребляет реактивную намагничивающую мощность, необходимую для создания магнитного поля машины, а также активную мощность для совершения работы (преобразования электрической энергии в механическую или механической в электрическую в зависимости от режима работы машины) [1]. При этом реактивная мощность и соответствующая ей реактивная составляющая тока дополнительно (нежелательно) нагружают как электрическую питающую сеть, так и фазную обмотку асинхронной машины. Поэтому для повышения эффективности работы асинхронной машины стремятся скомпенсировать реактивную мощность, а следовательно, и реактивную составляющую тока.
Известен способ повышения коэффициента мощности асинхронной машины, подключенной к электрической сети, путем компенсации реактивной мощности с помощью конденсаторов, присоединенных параллельно фазам машины. Каждая фаза асинхронной машины содержит индуктивные сопротивления. Реактивная мощность, потребляемая конденсатором, находится в противофазе с реактивной мощностью, потребляемой индуктивными сопротивлениями фазы, поэтому происходит компенсация общей реактивной мощности, потребляемой из сети. Такой способ компенсации реактивной мощности рассмотрен в учебнике [2].
Но этот известный способ позволяет скомпенсировать только ту составляющую реактивной мощности, которая передается по электрической сети от источника до потребителя, он не позволяет уменьшить реактивную мощность и реактивную составляющую тока внутри каждой фазы асинхронной машины и тем самым не позволяет увеличить коэффициент мощности асинхронного генератора.
Цель настоящего изобретения состоит в увеличении коэффициента мощности асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором при работе параллельно с сетью.
Поставленная цель достигается посредством перераспределения реактивной и активной составляющих тока внутри каждой фазы асинхронного генератора и основывается на следующем.
Для серийно выпускаемых асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, которые используются в качестве генераторов энергетических установок, нами установлены теоретические зависимости реактивной и активной составляющих тока фазы.
Реактивная составляющая тока фазы зависит в основном прямо пропорционально от напряжения сети. Активная составляющая тока фазы зависит прямо пропорционально как от напряжения сети, так и от скольжения ротора, следовательно, путем воздействия на отношение напряжения сети к номинальному напряжению генератора и скольжение ротора в режиме генератора имеется возможность влиять на перераспределение активной и реактивной составляющих тока фазы.
Предлагаемый способ повышения коэффициента мощности асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором при работе параллельно с сетью реализуется следующим образом.
Первое, что необходимо сделать в предлагаемом способе - это уменьшить реактивную составляющую тока фазы путем уменьшения напряжения сети относительно номинального напряжения генератора. С учетом имеющихся стандартных величин напряжений рекомендуется уменьшить линейное напряжение сети относительно номинального линейного напряжения генератора на одну ступень из расчета: . Тем самым при работе генератора уменьшается реактивная составляющая тока фазы вследствие уменьшения напряжение сети по отношению к номинальному напряжению асинхронного генератора.
Далее при работе асинхронного генератора параллельно с сетью увеличивается активная составляющая тока фазы до номинального значения путем увеличения активной мощности, подводимой к валу асинхронного генератора со стороны приводного двигателя генератора. В результате перераспределения реактивной и активной составляющих тока в пределах номинального тока фазы значительно повышает коэффициент мощности асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором при работе параллельно с сетью. Процесс контролируется по увеличению частоты вращения и скольжения ротора, а также по загрузке асинхронного генератора до номинальной величины тока фазы.
Этот способ был экспериментально подтвержден на лабораторной установке, содержащей:
1) асинхронный двигатель типа АИМЛ71В4УЗ, работающий в качестве генератора и имеющий следующие номинальные значения:
- мощность 0,75 кВт,
- напряжение 380/220 B,
- ток 1,9/3,3 A,
-1
- частота вращения ротора 1395 мин,
- коэффициент полезного действия 74%,
- коэффициент мощности 0,75,
2) приводной двигатель постоянного тока типа П21У4, имеющий следующие номинальные данные:
- мощность 1,0 кВт,
- напряжение 220 B,
- ток 6,14 A,
-1
- частота вращения якоря 2200 мин,
- коэффициент полезного действия 74%.
При проведении экспериментов были проведены сравнительные испытания генератора при разных фазных напряжениях сети: при напряжении 220 В, равном номинальному напряжению генератора, и при пониженных напряжениях сети 200, 180, 160, 140, 110 B.
ф
вых
Проводились измерения тока фазы I, мощности на выходе генератора P, частоты вращения n, угла отклонения балансирного механизма α, по которому рассчитывался момент на валу асинхронного генератора.
вх
вх
ак
реак
По опытным данным были рассчитаны скольжение ротора S, момент на валу асинхронного генератора M, мощность на валу P, активная и реактивная составляющая токов I, I, а также коэффициент мощности асинхронного генератора cosφ.
Ниже в таблицах 1 и 2 для сравнения приведены опытные и расчетные данные, снятые при напряжении сети 220 и 110 B.
Таблица 1
Опытные и расчетные данные по испытанию асинхронного генератора при напряжении сети 220 B
Опытные данные
Расчетные данные
I<sub>ф</sub>, A
P<sub>вых</sub>, Вт
n, мин<sup>-1</sup>
α, град.
S, отн.ед.
М<sub>вх</sub>, Нм
P<sub>вх</sub>, Вт
I<sub>ак</sub>, A
I<sub>реак</sub>, A
cosφ, отн.ед.
1,80
0
1500
1,0
0
0,09
14,3
0
1,80
0
1,90
144
1514
14
-0,009
1,26
200,4
0,22
1,88
0,11
2,02
348
1526
28
-0,017
2,48
392,3
0,53
1,93
0,26
2,08
452
1534
36
-0,023
3,07
493,8
0,69
1,96
0,33
2,14
513
1541
42
-0,027
3,50
564,7
0,78
2,00
0,36
2,19
596
1548
51
-0,032
4,06
658,8
0,91
2,01
0,41
2,28
680
1558
60
-0,038
4,50
751,0
1,03
2,03
0,45
Таблица 2
Опытные и расчетные данные по испытанию асинхронного генератора при пониженном напряжении сети 110 B по отношению к номинальному напряжению генератора
Опытные данные
Расчетные данные
I<sub>ф</sub>, A
P<sub>вых</sub>, Вт
n, мин<sup>-1</sup>
α, град.
S, отн.ед.
М<sub>вх</sub>, Нм
P<sub>вх</sub>, Вт
I<sub>ак</sub>, А
I<sub>реак</sub>, A
cosφ, отн.ед.
0,62
0
1500
1,0
0
0,09
14,1
0
0,62
0
0,78
130
1538
13
-0,025
1,17
188,4
0,40
0,67
0,51
0,97
225
1553
20
-0,035
1,79
291,0
0,68
0,70
0,70
1,19
300
1580
26
-0,053
2,29
378,8
0,91
0,77
0,76
1,33
345
1600
30
-0,067
2,61
437,3
1,05
0,82
0,79
1,67
450
1640
38
-0,093
3,22
552,9
1,35
0,97
0,81
2,20
590
1692
52
-0,128
4,12
730,0
1,78
1,27
0,81
При рассмотрении данных таблиц 1 и 2 видно следующее:
1. При напряжении сети, равном номинальному напряжению генератора 220 B, при скольжении S=0 реактивная составляющая тока имеет значения 1,8 A, что составляет 94,7% от номинального значения тока фазы, это ограничивает нагрузку генератора.
2. При снижении напряжения сети в 2 раза реактивная составляющая тока фазы при скольжении S=0 приобрела значение 0,62 A, что составляет всего 32,6%, это дает возможность значительно увеличить нагрузку генератора.
3. При снижении напряжения сети относительно номинального напряжения генератора произошло перераспределение реактивной и активной составляющих тока фазы в пределах номинального значения, значительно повысился коэффициент мощности, тем самым подтвердилось достижение поставленной цели при предлагаемом способе повышения коэффициента мощности асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором при работе параллельно с сетью.
Источник информации
1. Вольдек, А.И. Электрические машины. - М.: Энергия, 1974.
2. Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1961.