Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Попов Андрей Юрьевич
асинхронный генератор с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками для АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Специальность: 05.09.03- Электротехнические комплексы и системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Краснодар - 2012
Работа выполнена в филиале Военного учебно-научного центра Военно-воздушных сил Военно-воздушная академия
Научный руководитель: | кандидат технических наук, профессор Божко Сергей Владимирович |
Официальные оппоненты: | Атрощенко Валерий Александрович, доктор технических наук, профессор, КубГТУ (г. Краснодар), декан факультета КТАСиЗИ, зав. кафедрой информатики |
Шарифуллин Сергей Равильевич, кандидат технических наук, доцент, филиал ВАС (г. Краснодар), начальник кафедры криптографических средств защиты информации и математических основ криптологии | |
Ведущая организация : | Ф Г О У ВПО Кубанский государственный аграрный университет ( г. Краснодар) |
Защита диссертации состоится л4 мая 2012 г., в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.100.06 при КубГТУ по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Старокубанская, 88/4, ауд. 410.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета по адресу: г. Краснодар, ул. Московская, 2.
Автореферат разослан л19 марта 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук, доцент Л.Е. Копелевич
оБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. На современном этапе развития страны, высокие темпы роста производства, ведут к непрерывному повышению потребления электроэнергии. Кроме того, в настоящее время интенсивно развиваются компьютерные системы связи и обработки информации, автоматические системы управления технологическими процессами и производственными комплексами. Поэтому актуальным является вопрос разработки резервных (аварийных) источников электроэнергии для обеспечения бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей.
Эксплуатируемые в настоящее время автономные источники электроэнергии (АИЭ) имеют относительно низкие эксплуатационно-технические характеристики (ЭТХ). Так, при мощностях генераторов, находящихся в пределах 20 - 30 кВА, их КПД не превышает 60%, а наличие жестких требований по обеспечению постоянства частоты вращения ротора генератора приводит к усложнению аппаратуры, и следовательно, снижению надежности в работе и понижению КПД.
В диссертационной работе предлагается один из путей улучшения ЭТХ автономных систем электроснабжения (АСЭ) за счет применения в качестве источника электроэнергии переменного тока бесконтактного асинхронного генератора (АГ) с емкостным возбуждением.
Целью диссертационной работы является улучшение эксплуатационно-технических характеристик бесконтактного асинхронного генератора для автономных систем электроснабжения за счет улучшения формы магнитного поля генератора и применения высокоэффективных стабилизаторов напряжения.
Объектом исследования является бесконтактный асинхронный генератор с емкостным возбуждением и его стабилизатор напряжения.
Предметом исследования являются внешние и регулировочные характеристики, а также критерии эффективности (массогабаритные показатели, потери и КПД) асинхронного генератора с учетом специфики работы и электропитания в автономных системах электроснабжения.
Методы исследования. Использованы теория электрических цепей, теория электрических машин и статических преобразователей электроэнергии, а также матричная теория формирования статорных обмоток электрических машин.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается совпадением результатов теоретических расчетов и экспериментальных исследований.
Научную новизну работы составляют:
1. Устройство стабилизации напряжения бесконтактного асинхронного генератора с емкостным возбуждением.
2. Методика расчета оптимальных статорных обмоток асинхронного генератора для автономных систем электроснабжения с учетом специфики нагрузочных характеристик потребителей.
3. Методика упрощенного расчета критериев эффективности асинхронного генератора для автономных систем электроснабжения на этапе проектирования с учетом нагрузочных характеристик.
Практическую значимость работы составляют:
1. Результаты анализа способов и устройств регулирования магнитного потока асинхронных генераторов для автономных систем электроснабжения.
2. Экспериментально полученные внешние характеристики асинхронного генератора с емкостным возбуждением с учетом режимов работы.
3. Макетный образец и система управления высокоскоростного асинхронного генератора с емкостным возбуждением.
4. Методика исследования высокоскоростного генератора при постоянной и переменной частоте вращения приводного двигателя на всех режимах функционирования.
На защиту выносится:
1. Устройство стабилизации напряжения бесконтактного асинхронного генератора с емкостным возбуждением, при широком диапазоне изменения величины и характера потребителей.
2. Методика расчета оптимальных статорных обмоток асинхронного генератора.
3. Методика упрощенного расчета критериев эффективности асинхронного генератора на этапе проектирования.
Реализация результатов работы.
Результаты исследований асинхронного генератора внедрены в учебном процессе филиала ВУН - ВВС ВВА (г. Краснодар) и в Кубанском государственном университете (г. Краснодар) при изучении дисциплины Электрические машины.
Материалы по разработке высокоэффективного АГ для бортовых систем электроснабжения использованы в отчете НИР
№ 31205 САЭ-АКС-ДЭМ филиала ВУН - ВВС ВВА
(г. Краснодар).
ичный вклад автора заключается в предложении новой конструкции стабилизатора напряжения, в разработке методик расчета оптимальных статорных обмоток и показателей эффективности асинхронного генератора.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8 международных и российских научно-практических конференциях, в том числе: в Краснодарском ВВАУЛ (2009-2011 гг.), в г. Екатеринбурге на Международной АПК в 2010 г., на российских НПК в г. Ставрополе и Саратове в 2011 г., на Международной НПК в Кубанском ГТУ (г. Краснодар) в 2011 г., на Международной НПК в Волгоградской ГСХА в 2011 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано: 21 научная работа, включая одну монографию, 5 статьей в изданиях, рекомендованных ВАК. Общий объём публикаций составляет 6,3 п.л., из которых 4,4 п.л. принадлежит лично автору.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников, включающего 110 наименований и приложения. Общий объем диссертации составляет 157 страниц, включая 56 рисунков и 4 таблицы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, представлена её общая характеристика, сформулированы научная новизна и практическая значимость.
В первой главе рассмотрены структурные схемы, технические характеристики бортовых систем электроснабжения (БСЭС). Раскрыты основные недостатки АИЭ, а также современные требования, предъявляемые к АИЭ.
Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы задачи исследований:
1. Провести анализ технических решений устройств стабилизации напряжения бесконтактных АГ.
2. Разработать устройство стабилизации напряжения АГ с улучшенными техническими характеристиками.
3. Проанализировать методы формирования статорных обмоток АГ, позволяющие снизить эффект размагничивания генератора при работе с активно - индуктивной нагрузкой.
4. Обосновать оптимальные схемы статорных обмоток АГ на частоту тока 400 Гц и разработать методику их расчета.
5. Провести расчет показателей эффективности и параметров асинхронного генератора.
6. Экспериментально подтвердить эффективность АГ с емкостным возбуждением на частоту тока 400 Гц с предложенным техническим решением статорных обмоток.
Во второй главе рассмотрены недостатки и достоинства известных способов и устройств, их реализующих, по регулированию основного магнитного потока автономного АГ.
Разработано устройство автоматического регулирования и стабилизации напряжения бесконтактного АГ (рис.1).
Рисунок 1 - Функциональная схема силовой части стабилизатора напряжения: Блок электронных ключей БЭК1-БЭК3; блоки конденсаторов возбуждения КВ и компенсации реактивной мощности нагрузки КК1-КК3; блок управления БУ
На рис.2 приведена схема блока управления. Трёхфазные электронные ключи стабилизатора подключают конденсаторы к статорным обмоткам АГ при переходе коммутирующего напряжения через ноль, поэтому отсутствуют высшие гармоники токов и напряжений, что позволяет улучшить параметры генерируемой электроэнергии, а также уменьшить коммутационные перенапряжения и помехи.
В третьей главе показано, что одним из универсальных способов формирования статорных обмоток является матричная теория их формирования. Предложено для анализа МДС статорных обмоток АГ применить диаграммы Гёргеса, которые позволили провести корректировку расчетов индуктивных сопротивлений статорных обмоток генератора и рассчитать значения коэффициента дифференциального рассеяния, характеризующего качество МДС.
В предложенной методике расчета оптимальных статорных обмоток АГ диаграмма Гёргеса строится по сетке, линии которой отображают фазу токов в сторонах катушек. За условное число пазов статора принимаем число сторон катушек с принятым за единицу эффективным числом проводников.
Для двухслойной двухполюсной обмотки (kоб = 0,87) с 72 сторонами катушек с одинаковым числом эффективных проводников (при 72 условных пазах статора, рис. 3):
Рисунок 3 Ц Диаграмма Гёргеса двухслойной обмотки
Магнитное поле основной гармоники наводит в стержнях
m2 = Z2 фазной роторной обмотки синусоидальные ЭДС. Ток стержня i2 создаёт МДС стержня ротора (рис. 4) из множества гармоник ρ
(1)
Рисунок 4 Ц МДС стержня ротора и её первые гармоники
Токи стержней роторной обмотки с фазовым сдвигом при смещении стержней на угол образуют МДС роторной обмотки
МДС роторной обмотки содержит только гармоники
ρ = сZ2 p (2)
где c = 0, 1, 2.
Для них
(3)
МДС основной гармоники при скошенных пазах ротора
(4)
Таким образом, основной гармонике р МДС статорной обмотки отвечают гармоники МДС роторной обмотки ρ = сZ2 p, среди которых ρ = p является основной гармоникой, а остальные - зубцовые роторные гармоники. Любой другой гармонике МДС статорной обмотки отвечают гармоники МДС роторной обмотки ρ = и ρ = сZ2 . Эти рассуждения позволили провести корректировку расчета индуктивного сопротивления двухслойной статорной обмотки, роторной обмотки и коэффициента дифференциального расширения:
(5)
где сопротивление взаимной индукции для основной гармоники определяется по формуле:
, (6)
(7)
где Dк, hк, bк и lл2 - средний диаметр, высота, ширина и длина элемента замыкающих колец.
Коэффициент дифференциального рассеяния
. (8)
В четвертой главе определено, что при проектировании бесконтактных генераторов электроэнергии для автономных систем, привод которых осуществляется от высокоскоростных приводных двигателей (ВПД) с частотой вращения ротора 6000 об/мин и более, вводятся ограничения, связанные с:
- максимальными электромагнитными нагрузками (линейной нагрузкой А и магнитной индукцией в воздушном зазоре В);
- геометрическими размерами активной части машины, как основного элемента электропривода;
- предельными скоростями электропривода, определяемыми его прочностью.
Показано, что для повышения эффективности проектирования АГ на начальных этапах проектирования необходимо проводить предварительную оценку основных критериев эффективности АГ (массогабаритные показатели, потери, КПД и показатели надежности). Предложена упрощенная методика расчета критериев эффективности. Полученные графические зависимости между основными параметрами АГ могут использоваться для предварительной оценки возможностей применения различных типов бесконтактных машин на начальных этапах проектирования для заданных условий эксплуатации, т.е. в составе конкретных структурных решений автономной СЭС.
На рис. 5 приведена схема разработанной статорной обмотки АГ.
Рисунок 5 Ц Схема восьмиполюсной статорной обмотки АГ
Экспериментальные исследования опытных образцов АГ повышенной частоты тока с конденсаторным возбуждением проведены на специализированном стенде.
На рис. 6 приведена функциональная схема испытательного стенда, а на рис. 7 - фотография силовой части.
Рисунок 6 Ц Функциональная схема испытательного стенда
Рисунок 7 Ц Фотография испытательного стенда
В результате исследований получено семейство внешних характеристик АГ (рис. 8).
Экспериментальные исследования подтвердили теоретические расчеты. При изменениях тока нагрузки от нуля до номинальных значений, при коэффициенте мощности cos = 0,85, фазное напряжение АГ изменялось в пределах 3% от номинального значения. При коммутации конденсаторов, обеспечивающих компенсацию реактивной мощности нагрузки, в момент перехода синусоидального напряжения через ноль, практически исключаются перенапряжения на полупроводниковых приборах и нагрузке.
Расчеты показали, что если уменьшить число пар полюсов АГ с 4 до 2, и увеличить скорость вращения ротора с 6000 об/мин до 12000 об/мин, число витков в обмотке уменьшится практически в два раза, а сечение возрастет примерно в два раза. При заданных ранее плотностях тока (8 А/мм2) и увеличении до 16 А/мм2 мощность генератора также возрастет в два раза. При этом несколько снизится КПД генератора за счет дополнительных механических потерь и электрических потерь в роторе.
Кроме того, увеличение линейной нагрузки приводит к уменьшению габаритных размеров АГ, но в этом случае необходимо вводить интенсивное охлаждение статорных обмоток.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
Результаты исследований, содержащихся в диссертационной работе, представляют собой разработку теоретических положений, совокупность которых, позволит создавать трехфазные стабилизаторы напряжения с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками для бесконтактных генераторов автономных систем электроснабжения.
Научно-исследовательская работа позволила получить необходимые результаты и сделать следующие выводы:
1. Проведен анализ технических решений, характеристик и режимов работы АСЭ, а также эксплуатируемых генераторов электроэнергии переменного тока. Раскрыты их основные недостатки, а также современные требования, предъявляемые к АИЭ. Предложено в качестве АИЭ АСЭ применить бесконтактный АГ с емкостным возбуждением.
Однако, на характеристики АГ, применяемых в автономных системах, существенное влияние оказывает эффект размагничивания при работе на активно-индуктивную нагрузку, и, кроме того, системы стабилизации напряжения имеют относительно низкие технические характеристики. В связи с этим сформулированы цель и задачи исследований.
2. Рассмотрены недостатки и достоинства известных способов, в том числе функциональных схем, их реализующих, по регулированию основного магнитного потока автономного АГ.
Разработано устройство автоматического регулирования и стабилизации напряжения автономного бесконтактного АГ. Трёхфазные электронные ключи стабилизатора подключают конденсаторы к статорным обмоткам генератора при переходе коммутирующего напряжения через ноль, поэтому отсутствуют высшие гармоники токов и напряжений, что позволяет улучшить параметры генерируемой электроэнергии, а также уменьшить коммутационные перенапряжения и помехи. Кроме того, новые технические решения стабилизатора напряжения АГ имеют улучшенные показатели надежности и КПД.
3. Предложено для анализа МДС статорных обмоток АГ применить диаграммы Гёргеса, которые позволили провести корректировку расчетов индуктивных сопротивлений статорных обмоток генератора и рассчитать значения коэффициента дифференциального рассеяния, характеризующего качество МДС.
4. Расчеты показали, что оптимальными статорными обмотками генераторов повышенной частоты тока, с точки зрения формы магнитного поля, являются двухслойные обмотки. Проведенные исследования позволили разработать методику расчета оптимальных статорных обмоток АГ АСЭ.
5. Показано, что для повышения эффективности проектирования АГ на начальных этапах, необходимо проводить предварительную оценку основных критериев эффективности АГ. Разработана методика упрощенного расчета и получены графические зависимости, показывающие характерные особенности зависимостей между основными параметрами АГ, которые могут использоваться для предварительной оценки возможностей применения различных типов АГ на начальных этапах проектирования для заданных условий эксплуатации, т.е. в составе конкретных структурных решений АСЭ.
6. Экспериментальные исследования подтвердили теоретические расчеты. При изменениях тока нагрузки от нуля до номинальных значений, при коэффициенте мощности cos = 0,85, фазное напряжение АГ изменялось в пределах 3% от номинального значения. При коммутации конденсаторов, обеспечивающих компенсацию реактивной мощности нагрузки, в момент перехода синусоидального напряжения через ноль, практически исключаются перенапряжения на полупроводниковых приборах и нагрузке.
Расчеты показали, что, если уменьшить число пар полюсов АГ с 4 до 2 и увеличить скорость вращения ротора с 6000 об/мин до 12000 об/мин, число витков в обмотке уменьшится практически в два раза, а сечение возрастет примерно в два раза. При заданных ранее плотностях тока (8 А/мм2) и увеличении до 16 А/мм2 мощность генератора также возрастет в два раза. При этом несколько снизится КПД генератора за счет дополнительных механических потерь и электрических потерь в роторе.
Таким образом, разработанные оптимальные статорные обмотки АГ и предложенное устройство стабилизации напряжения в значительной степени снижают основной недостаток генераторов с емкостным возбуждением, связанный с их крутопадающей характеристикой при активно - индуктивной нагрузке в сравнении с известными конструктивными решениями АГ, выполненных на базе асинхронных двигателей.
Предложенное конструктивное решение АГ на частоту тока 400 Гц с оптимальными статорными обмотками характеризуется минимальными затратами на производство и эксплуатацию в АСЭ.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Монографии
1. Божко С.В. Автономные источники электроэнергии: состояние и перспективы: Монография / С.В. Божко, О.В. Григораш, А.Ю. Попов, В.В. Алмазов, А.В. Квитко. - Краснодар: филиал ВУН - ВВС ВВА, 2012. - 174 с.
Статьи в изданиях из перечня ВАК РФ
2. Попов А.Ю. Силовая электроника в автономных системах электроснабжения / А.Ю. Попов, О.В. Григораш, Р.А. Сулейманов // Тр. КубГАУ. Вып. № 6 (27). - Краснодар, 2010. - С.170 - 172.
3. Оськина А.С. Бесконтактные генераторы в автономных системах электроснабжения / А.С. Оськина, А.Ю. Попов, А.В. Квитко // Тр. КубГАУ. Вып. № 2 (29). - Краснодар, 2011. - С.183 - 186.
4. Григораш О.В. Удельная масса и предельная мощность бесконтактных генераторов электроэнергии / О.В. Григораш, А.Ю. Попов, А.В. Квитко / Тр. КубГАУ. Вып. № 2 (29). - Краснодар, 2011. - С. 199 - 202.
5. Оськина А.С. Ограничения при проектировании высокоскоростных генераторов электроэнергии / А.С. Оськина, А.Ю. Попов, А.В. Бутенко / Тр. КубГАУ. Вып. № 3 (30). - Краснодар, 2011. - С. 238 - 241.
6. Григораш О.В. Синтез модульных структур систем бесперебойного электроснабжения / О.В. Григораш, Ю.П. Степура, А.Ю. Попов / Тр. КубГАУ. Вып. № 4(31) . - Краснодар, 2011 - С. 238 - 242.
Публикации в других изданиях
7. Попов А.Ю. Перспективные системы автономного электроснабжения / А.Ю. Попов, Я.М. Кашин, Е.А. Чумаков. Матер. Междунар. НПК. - Екатеринбург, 2010. - С. 130 - 132.
8. Попов А.Ю. Способы повышения надежности бортовых источников электрической энергии / А.Ю. Попов, Я.М. Кашин, Ю.Н. Тонкошкуров. Матер. II Междунар. науч. конф. ТТС-10. Краснодар: КВВАУЛ, 2010. - С. 240 - 246.
9. Попов А.Ю. Необходимость и перспективы совершенствования характеристик бортовых источников электрической энергии / А.Ю. Попов, Ю.Н. Тонкошкуров. Матер. I Междунар. науч.-техн. школы-семинара. - Краснодар: филиал ВУН - ВВС ВВА, 2011. - С. 98 - 101.
10. Попов А.Ю. Методика расчета массогабаритных показателей асинхронных генераторов / А.Ю. Попов. Матер. III Междунар. науч. конф. ТТС-11. Краснодар: филиал ВУН - ВВС ВВА, 2011. - С. 32Ц35.
11. Кашин А.Я. Постановка задачи оптимизации регламента технического обслуживания и ремонта / А.Я. Кашин, А.Ю. Попов, В.В. Иванченко. Матер. III Междунар. науч. конф. ТТС-11. Краснодар: филиал ВУН - ВВС ВВА, 2011. - С. 269 Ц271.
12. Божко С.В. Особенности расчета бесконтактных генераторов постоянного тока / С.В. Божко, А.Ю. Попов, Д.В. Пауков. Матер. III Междунар. науч. конф. ТТС-11. Краснодар: филиал ВУН - ВВС ВВА, 2011. - С. 36 - 38.
13. Попов А.Ю. Синтез автономных систем электроснабжения / А.Ю. Попов // Университет: наука, идеи и решения. Краснодар: КубГАУ. 2011. № 1. - С. 143 - 144.
14. Григораш О.В. Особенности выбора параметров электроэнергии автономных систем электроснабжения / О.В. Григораш, А.Ю. Попов. Матер. II Междунар. НПК Актуальные проблемы энергетики. Саратов: СГАУ, 2011. - С. 94 Ц95.
15. Попов А.Ю. Перспективы бесконтактных генераторов в автономных системах электроснабжения / А.Ю. Попов // Матер. II Междунар. НПК Актуальные проблемы энергетики. Саратов: СГАУ, 2011. - С. 240 - 241.
16. Григораш О.В. Особенности синтеза систем автономного электроснабжения / О.В. Григораш, А.Ю. Попов, В.В. Алмазов. Матер. VI Российской НПК. Физико-технические проблемы создания новых технологий. Ставрополь: СГАУ, 2011. - С. 31 - 34.
17. Попов А.Ю. Особенности расчета потерь и КПД бесконтактных генераторов электроэнергии / А.Ю. Попов. Матер. VI Российской НПК. Физ.-техн. проблемы создания новых технологий. Ставрополь: СГАУ, 2011 - С. 116 - 118.
18. Попов А.Ю. Бесконтактные генераторы для автономных систем электроснабжения / А.Ю. Попов, Л.Н. Кирьян, А.А. Мушлян. Матер. Междунар. НПК. Ц Волгоград: Волгог. ГСХА, 2011. Ц С. 213 Ц216.
19. Божко С.В. Структурная схема, технические характеристики и режимы работы системы электроснабжения воздушного судна / С.В Божко, А.Ю. Попов, В.В. Иванченко// Научные чтения им. проф. Н.Е. Жуковского. Матер. II науч.-практ. конф. по механике. Краснодар: филиал ВУН - ВВС ВВА, 2012. - С. 106 Ц108.
20. Попов А.Ю. Технические характеристики генераторов переменного тока эксплуатируемых летательных аппаратов/А.Ю. Попов, А.В. Тимков, А.В. Голощапов, А.А. Фурсов. Научные чтения им. проф. Н.Е. Жуковского. Матер. II науч.-практ. конф. по механике. Краснодар: филиал ВУН - ВВС ВВА, 2012. - С. 109 Ц111.
21.Ракло А.В. Устройство стабилизации напряжения асинхронных генераторов / А.В .Ракло, А.Ю. Попов, Р.М. Карпов // Научные чтения имени профессора Н.Е. Жуковского. Краснодар: филиал ВУН - ВВС ВВА, 2012. - С. 119 Ц121.
Сдано в набор 12.03 2012 г Подписано в печать 14.03.2012 г.
Формат 60х84/16. Бумага типографская. Усл. печ. л. 1,3
Уч.-изд. л. 1,4. Тираж 120 экз. Бесплатно.
Изд. № 9-2012. Заказ № 39 - 2012 г.
Редакционно-издательское отделение филиала ВУН - ВВС ВВА.
Типография филиала. 350005, Краснодар, ул.Дзержинского, 135
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям