Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ИЛЬЧЕНКО Яков Андреевич
АСИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР С УЛУЧШЕННЫМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПРУДОВОЙ РЫБЫ
Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Краснодар - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Кубанский государственный аграрный университет (ФГБОУ ВПО Кубанский ГАУ)
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Богатырев Николай Иванович
Официальные оппоненты: Тропин Владимир Валентинович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Кубанский ГАУ, профессор кафедры Применение электрической энергии Степанчук Геннадий Владимирович кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО Азовочерноморская государственная агроинженерная академия, доцент кафедры Эксплуатация энергетического оборудования и электрические машины
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ставропольский государственный аграрный университет (г. Ставрополь)
Защита состоится л21 ноября 2012 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 220.038.08 при ФГБОУ ВПО Кубанский государственный аграрный университет по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина 13, КубГАУ, корпус факультета энергетики и электрификации, ауд. № 4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Кубанский государственный аграрный университет.
Автореферат размещен на сайте ВАК РФ л17 октября 2012 года.
Автореферат размещен на сайте Кубанского ГАУ л17 октября 2012 года.
Автореферат разослан л__ октября 2012 года.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук В.С. Курасов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследований. Рыбное хозяйство в Российской Федерации является комплексным сектором экономики, который включает широкий спектр видов деятельности и играет важную роль в качестве поставщика пищевой, кормовой, технической продукции. В общем балансе потребления животных белков человеком доля рыбных белков составляет около 10%.
С 1991 г. объем добычи водных биологических ресурсов во внутренних водоемах непрерывно сокращается и вызвано это, прежде всего экономическими причинами. Сокращение отечественного производства рыбы, в свою очередь, поставило под угрозу продовольственную безопасность страны из-за увеличения потока импортной продукции и дальнейшей деградации отрасли.
Для сельского хозяйства характерна пространственная рассредоточенность производства, удаленность от линий электроснабжения, и зачастую рентабельность производства определяется в первую очередь затратами на электрификацию производства. Дополнительным фактором, сдерживающим развитие рыбной отрасли, является недостаточный темп внедрения современных электротехнологий и средств механизации для переработки рыбной продукции, ввиду их высокой стоимости. Строительство стационарных систем электроснабжения связано с высокими затратами. Так, расчет по укрупненным показателям стоимости 1 км линии 0,38 кВ составляет 800 т.р. В этом случае наиболее перспективным решением вопросов электрификации рыбоводческих хозяйств является применение автономных систем электроснабжения.
Автономные источники электрической энергии должны быть конструктивно простыми и надежными с эксплуатационной точки зрения, поэтому создание и развитие автономных источников, адаптированных к различным типам потребителей сельского хозяйства, является актуальной задачей.
Из существующих генераторных установок для полевых условий наиболее подходят асинхронные генераторы (АГ) с короткозамкнутым ротором и конденсаторным возбуждением. Значительный вклад в разработку таких генераторов внесли А. А. Иванов, Ю. Д. Зубков, С. И. Кицис, В. А. Балагуров, З. Гент ковски, З. Р. Джендубаев, В. Н. Ванурин, Н. И. Богатырев, Н. Д. Торопцев, Е. А.
Зайцев, О. В. Вронский, П. П. Екименко, А. В. Синицын, А. С. Оськина. Анализ научных работ показывает, что, несмотря на большое количество разработок в области асинхронных генераторов, отсутствуют исследования их работы в режимах, превышающих номинальный, а также в области разработки методик выбора соответствующей мощности.
В нашей работе мы предлагаем новую схему обмотки асинхронного генератора, а также методику выбора его мощности, учитывающую специфику рыбоводческих хозяйств.
Работа выполнена в рамках плана НИР Кубанского ГАУ по госбюджетной тематике 2006Ц2010 гг. (ГР 01.2.00606851), 2011Ц2015 гг. (ГР 01.2.01153641) и технического задания департамента сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края на 2011Ц2012 гг. (№ 32-2011) на выполнение научно-исследовательской работы Разработка научно обоснованных методов и программного комплекса оптимизации работы электроустановок на сельскохозяйственных предприятиях Краснодарского края.
Научная гипотеза - разработка асинхронного генератора, способного устойчиво (по критерию максимального рабочего диапазона мощности) работать на нагрузку, характерную для рыбоводческих хозяйств, должна строиться на основе специального схемного решения статорной обмотки в виде скользящего треугольника, что позволяет компенсировать индуктивный ток нагрузки и генератора емкостью возбуждающих конденсаторов.
Цель работы - создание эффективного (низкие массогабаритные показатели, повышенная перегрузочная способность) асинхронного генератора и методики выбора его мощности для питания электроприемников рыбоводческих хозяйств.
Задачи исследования:
1. Разработать типовой график нагрузки рыбоводческого хозяйства и проанализировать его характер.
2. Разработать методику выбора рациональной мощности асинхронного генератора, учитывающую особенности графика нагрузки потребляемой мощности рыбоводческого хозяйства.
3. На основе матричной теории формирования схем статорных обмоток и диаграмм Гергеса разработать рациональную схему статорной обмотки асинхронного генератора и определить ее основные характеристики.
4. Разработать математическое описание асинхронного генератора, учитывающее работу генератора при резкопеременном характере нагрузки электропотребителей рыбоводческого хозяйства.
5. Разработать математическую модель системы приводной двигатель - асинхронный генератор с нагрузкой - асинхронный двигатель и проверить ее работоспособность в пакете MathСad.
6. Провести экспериментальные исследования разработанного асинхронного генератора.
7. Определить экономическую эффективность внедрения результатов исследований.
Объект исследования - статорные обмотки асинхронных генераторов с конденсаторным возбуждением, электропотребители и графики электрических нагрузок рыбоводческих хозяйств, методики выбора рациональной мощности асинхронных генераторов.
Предмет исследования - характеристики и эксплуатационные показатели асинхронных генераторов, параметры потребителей, компьютерные модели электрических машин.
Методики исследования - математическое моделирование, диаграммы Гергеса, теоретические основы электротехники, статистические методы оценки данных, компьютерное моделирование в программных комплексах MathCad, MatLab. Экспериментальная часть выполнена на кафедре электрических машин и электропривода Кубанского ГАУ на специализированном стенде с использованием соответствующего лабораторного оборудования.
Научная новизна работы:
Ц разработана методика определения рациональной мощности асинхронных генераторов с максимальным рабочим диапазоном мощности при случайной переменной нагрузке, создаваемой технологическим процессом рыбоводческого хозяйства;
Ц получено математическое описание асинхронного генератора для автономного источника питания рыбоводческого хозяйства, предоставляющее возможность теоретически определить диапазон рабочих мощностей генератора;
Ц разработана математическая модель системы приводной двигатель - асинхронный генератор с нагрузкой - асинхронный двигатель, позволяющая моделировать работу системы в режимах с резкопеременным характером нагрузки и подтверждающая теоретические результаты.
Практическая ценность результатов исследований:
Ц получены типовые графики нагрузок рыбоводческих хозяйств, позволяющие проводить дальнейшие исследования по оптимизации работы технологических машин и электроснабжающих установок;
Ц разработана новая схема статорной обмотки (патент РФ № 2316880) для проектирования автономных источников питания малой мощности, позволяющая повысить их эксплуатационные характеристики, а также образец асинхронного генератора с предлагаемой обмоткой для питания средств электромеханизации рыбоводческих хозяйств;
Ц разработан программный продукт (свид. № 2009610367) для расчета основных конструктивных показателей асинхронных генераторов мощностью 0,12Ц11,0 кВт, уменьшающий трудоемкость расчетов асинхронных машин;
Ц разработана компьютерная модель процесса самовозбуждения асинхронного генератора в пакете Simulink, позволяющая определить диапазон необходимых емкостей конденсаторов для различных асинхронных генераторов;
Ц разработана методика определения мощности генератора автономного источника питания, включенная в состав научных работ, выполненных в соот ветствии с техническим заданием департамента сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края на 2011-2012 гг. № 32-2011;
На защиту выносятся следующие положения:
Ц типовые графики нагрузок электроприемников рыбоводческого хозяйства, разработанные на основе анализа применяемого оборудования;
Ц методика определения рациональной мощности асинхронных генераторов с конденсаторным возбуждением при случайной переменной нагрузке;
Ц рациональная схема асинхронного генератора для типового рыбоводческого хозяйства, а также экспериментальные характеристики асинхронного генератора с предлагаемой обмоткой;
Ц математическое описание асинхронного генератора для автономного источника питания рыбоводческого хозяйства;
Ц математическая модель системы приводной двигатель - асинхронный генератор с нагрузкой - асинхронный двигатель;
Ц результаты компьютерного моделирования работы системы и процессов самовозбуждения асинхронного генератора;
Реализация и внедрение результатов исследований. Опытные образцы асинхронных генераторов установлены в научной и учебной лабораториях кафедры электрических машин и электропривода Кубанского ГАУ. Материалы исследований используются в учебном процессе Кубанского ГАУ. Методика определения мощности генератора автономного источника питания включена в научно-исследовательскую работу по теме: Разработка научно обоснованных методов и программного комплекса оптимизации работы электроустановок на сельскохозяйственных предприятиях Краснодарского края, выполненной согласно техническому заданию департамента сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края на 2011Ц2012 гг. № 32Ц2011.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на 6-й, 7-й, 8-й, 9-й и 10-й региональных научно-практических конференциях молодых ученых Научное обеспечение АПК (г. Краснодар, 2005 - 2011 гг.); на Международной научно-практической конференции Высо кие технологии энергосбережения (г. Воронеж, 2005 г.); на Международной научно-практической конференции Новые технологии в сельском хозяйстве и пищевой промышленности с использованием электрофизических факторов и озона (г. Ставрополь, 2006 г.); на Всероссийской научно-практической конференции Проблемы развития аграрного сектора региона (г. Курск, 2006); на 5-й Всероссийской научной конференции Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки (г. Краснодар, 2007); на 4-й Российской научнопрактической конференции Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе (г. Ставрополь, 2007 г.); на Международной научно-практической конференции Энергосберегающие технологии. Проблемы их эффективного использования (г. Волгоград, 2007 г.); на Международной научно-практической конференции Инновационные технологии для АПК России (г. Зерноград, 2008 г.); на 6-й международной научнопрактической конференции Проблемы энергообеспечения и энергосбережения (г. Москва, 2008 г.); на 2-й Всероссийской научно-технической конференции Технические и технологические системы (г. Краснодар, 2008 г.); на Международной научно-практической конференции Технические и технологические системы (г. Краснодар, 2009 г.); на Международном агропромышленном конгрессе (г. Санкт-Петербург, 2009 г.); на международной научнопрактической конференции UCOLIZ-2010 (2010, Прага, Чехия).
В 2008 году на 2-й Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых Научное обеспечение АПК автором получен диплом 1-й степени конкурса научных разработок. В 2009 году на 3-й Всероссийской научнопрактической конференции молодых ученых Научное обеспечение АПК автором получен диплом 3-й степени конкурса научных разработок.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 10 печатных работах, включая 3 патента РФ на изобретение, одно свидетельство на программный продукт, 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК. Общий объем опубликованных работ составляет 9,52 п.л., из них на долю автора приходится 2,74 п.л.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованных источников, включающего 1наименований, в том числе 8 - на иностранном языке и приложения. Диссертация изложена на 162 страницах машинописного текста, включая 30 страниц приложения, содержит 72 рисунка, 19 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цель работы, научная новизна, практическая значимость и представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены состояние и перспективы развития рыбоводства в Краснодарском крае, существующее технологическое оборудование, перспективные разработки в области автономных источников питания.
По данным ГМЦ Росстата, с 1991 по 2006 г. объемы добычи водных биологических ресурсов во внутренних водоемах уменьшились почти в 2 раза. При этом общий объем допустимых уловов осваивается только на 50%, а потенциал пресноводной аквакультуры используется не более чем на 40%. В период с 2006 по 2012 г. положение существенно не изменилось. Аналогичная ситуация в развитии рыбоводства в Краснодарском крае, который находится в благоприятной для разведения рыбы зоне.
Исходя из приоритетов социально-экономического развития РФ и устойчивого развития рыбного хозяйства, решения основных проблем отрасли приняты: концепция развития рыбного хозяйства РФ на период до 2020 года (распоряжение Правительства РФ от 21 июля 2008 г. № 1057-р) и постановление Законодательного собрания Краснодарского края от 26 марта 2008 г. №375ЦП О мерах по увеличению производства прудовой рыбы субъектами малого предпринимательства и гражданами, ведущими личные подсобные хозяйства на территории Краснодарского края. В данных документах предусматривается устойчивое развитие рыбоводства в водоемах Российской Федерации, повышение эффективности добычи и переработки водных биологических ресурсов в частности за счет: расширения проведения научных исследований и разработок в области рыбного хозяйства; внедрения новой техники и технологий, глубокой и комплексной переработки сырья.
Потенциалом развития отрасли рыбоводства является внедрение новых технологий выращивания рыбы, передовых энергосберегающих электротехнологий и оборудования, а также развитие сети поставок энергоресурсов должного качества, в том числе электроэнергии. Для определения требований к качеству электроэнергии необходимо подробно рассмотреть технологические процессы и оборудование.
Технологический процесс производства рыбы включает в себя следующие стадии: выращивание рыбы, лов, разделка, охлаждение. Эти операции производятся непосредственно в прудовом хозяйстве. Для кормления рыб используются различные способы, в том числе с использованием кормораздатчиков (например КР-4М, Рефлекс МТ-У, Рефлекс М-12-0,25, Рефлекс Т-50, Рефлекс Т-1500). Для повышения качества кормов за счет увеличения доли живых кормов широко используются электрооптические установки, привлекающие насекомых световым излучением.
При интенсивных формах ведения прудовых хозяйств, содержание кислорода в воде снижается, что отрицательно влияет на рост рыбы и в некоторых случаях может привести к замору. Для поддержания биологической продуктивности на необходимом уровне требуется аэрация водоема. Существует большое количество установок, различающихся по принципу действия, но наиболее распространены кинетические (например Airmaster Turbo) и механические (например SolarBee v18).
Наиболее затратный, с точки зрения потребления электроэнергии, процесс - охлаждение выловленной рыбы. Обработка рыбы холодом - способ консервирования, позволяющий в максимальной степени сохранить ее натуральные свойства с высокой эффективностью. Так как охлаждение является наиболее важным технологическим процессом, то от холодильного оборудования требуется сохранение постоянной температуры при любых условиях, что накладыва ет определенные требования к источнику питания, а также недопустимости перебоев в электропитании.
При выпуске рыбной продукции для повышения рентабельности и снижения себестоимости производства необходимо внедрение инновационных технологических решений, обеспечивающих глубокую переработку рыбы. Одним из наиболее трудоемких процессов является разделка рыбы. Она осуществляется, например, с использованием рыбочистки KT-S, Perfekta пилы разделочной plus MKB 649, машины для удаления костей CT 2612. Одним из наиболее рентабельных способов обработки рыбы является копчение. Анализ ассортимента выпускаемой рыбной продукции показывает, что в области глубокой переработки радикальных изменений по сравнению с 1990 г. не произошло и производство сушеной, вяленой, копченой рыбы уменьшилось в 3,9 раза.
Проведенный автором анализ средств производства показывает, что оборудование является разнородным, режим его работы является резкопеременным. Для проведения качественного анализа режима работы электрооборудования прудовых хозяйств необходимо построить типовой график нагрузки, на основании которого можно будет рационализировать очередность технологических процессов и определить потребную мощность источника питания. В настоящее время в литературе не существует типовых графиков нагрузки для прудовых хозяйств. Для составления графика нагрузки необходимо учесть минимальный набор оборудования для реализации основных технологических процессов, а также периодичность его включения. Следует учесть, что в летний период недопустимы перебои в энергоснабжении, так как это повлечет за собой порчу большого количества продукции. Так как оборудование чувствительно к качеству электроэнергии, необходимо не только обеспечить бесперебойность электроснабжения, но и поддерживать качество электроэнергии на должном уровне, что в большинстве случаев невозможно сделать по причине удаленного расположения рыбоводческих хозяйств от трансформаторных подстанций и большой протяженности линий электропередач. Избежать возможных негатив ных последствий от нарушения централизованного энергоснабжения можно путем внедрения автономных источников питания.
По типу используемых генераторов установки можно классифицировать на автономные с асинхронными генераторами и с синхронными генераторами.
Асинхронные генераторы (АГ) более просты конструктивно, практичны и генерируют напряжение практически без нелинейных искажений. В условиях малых рыбоводческих хозяйств из-за наличия резкопеременной нагрузки с ярко выраженным коэффициентом сезонности нецелесообразно выбирать АГ по максимальной мощности, так как генератор длительное время будет недогружен. Анализ научных работ показал отсутствие теоретических исследований, освещающих работу АГ при резкопеременных нагрузках, а также методик выбора рациональной мощности АГ, учитывающих особенности графика нагрузки рыбоводческих хозяйств.
В первой главе выдвинута научная гипотеза, сформулирована цель работы и задачи исследований.
Во второй главе на основе анализа технологии производства рыбоводческого хозяйства получены графики потребления электрической энергии (рисунки 1, 2) хозяйством, разработана методика выбора рациональной мощности асинхронного генератора и его математическое описание.
Для выбора мощности автономного источника питания необходимо составить суточные и годовой графики нагрузок. В известных литературных источниках отсутствуют типовые электрические графики нагрузок для данного типа потребителей электроэнергии. Поэтому в данной работе представлена усредненная модель рыбоводческого фермерского хозяйства с типовым набором электропотребителей и временем их работы. Анализ графиков показывает, что процесс имеет неравномерный характер с четко выраженными периодами повышенного потребления электроэнергии, на которые необходимо ориентироваться при выборе источника мощности.
Рисунок 1 - Суточный летний график потребления энергии рыбоводческого хозяйства Рисунок 2 - Суточный зимний график потребления энергии рыбоводческого хозяйства Вероятностно-статистический метод обработки данных дает возможность, используя теорему Ляпунова, охарактеризовать суммарное воздействие случайных факторов и их изменчивость двумя интегральными показателями: математическим ожиданием и среднеквадратическим отклонением.
Средняя квадратичная мощность для летнего графика нагрузки составляет 1946,7 Вт, для зимнего - 506,3 Вт. Таким образом, исходя из условий нагрева, можно подобрать генератор эквивалентной мощности, ориентируясь на значение средней квадратичной мощности.
Для генераторных установок, питающих средства механизации производства рыбоводческого хозяйства, разработана рациональная схема статорной обмотки АГ (рисунок 3), выполненная из девяти секционных групп разного расположения в пространстве машины. Все секции обмотки одинаковые. При этом обмотки 1Ц6 имеют по две катушечные группы из трех секций, обмотки 7Цимеют по две катушечные группы из двух секций, т. е. число витков, составляющее 2/3 от числа витков обмоток 1Ц6. Секционные группы имеют симметричное трехфазное расположение в пазах статора, т. е. обмотки 1, 2, и 3 составляют трехфазную обмотку, обмотки 2, 4 и 6, а также 7, 8 и 9 составляют две другие трехфазные обмотки. Ротор традиционный, с короткозамкнутой обмоткой.
Данная схема позволяет использовать конденсаторы возбуждения при более высоком напряжении, чем на нагрузке, и уменьшать их габариты и вес.
Рисунок 3 - Схема соединения обмоток статора генератора и реакция тока при активно-индуктивной нагрузке При математическом описании генератора были сделаны допущения об идентичности конструкций секций статорных обмоток, из чего следует равенство их активных сопротивлений и собственных индуктивностей. Рассматривается только основная гармоника ЭДС, токов и распределения МДС вдоль воздушного зазора, который принимается равномерным и гладким. Приведенная схема позволяет использовать конденсаторы возбуждения при более высоком напряжении, чем на нагрузке, и уменьшить их габариты и вес.
Получено математическое описание асинхронного генератора:
du r1i1 dt u r2i2 d dt ....
du r9i9 dt L M12 M13 M14 M15 M16 M17 M18 M19 M1yd M1yq M L M23 M24 M25 M26 M27 M28 M29 M2 M2 21 yd yq M31 M32 L M34 M35 M36 M37 M38 M39 M3 yd M3 yq M M42 M43 L M45 M46 M47 M48 M49 M4 M4 41 yd yq M51 M52 M53 M54 L M56 M57 M58 M59 M5 yd M5 yq M61 M62 M63 M64 M65 L M67 M68 M69 M6 yd M6 yq (1) M71 M72 M73 M74 M75 M76 L M78 M79 M7 yd M7 yq M M82 M83 M84 M85 M86 M87 L M89 M8 M8 yd yq M91 M92 M93 M94 M95 M96 M97 M98 L M9 yd M9 yq yd1 yd 2 yd 3 yd 4 yd 5 yd 6 yd 7 yd 8 yd M M M M M M M M M L 0 M yq1 M yq2 M yq3 M yq4 M yq5 M yq6 M yq7 M yq8 M yq9 0 L uн1н2 u1 uu u3 uн2н uн3н1 u5 u M M 6 (iyd iyq) э i n n М М J d дв э dt где ri - активное сопротивление j-той обмотки; ij - ток соответствующей обмотки; j - потокосцепление j-ой обмотки; Li - собственные индуктивности обмоток; Mij - взаимные индуктивности обмоток i и j; Мдв - момент первичного двигателя; Мэ - электромагнитный момент АГ.
Для дальнейшего анализа устойчивости работы АГ под нагрузкой целесообразно перейти к компьютерному моделированию в специализированных программных комплексах MatLab и MathCad.
Третья глава посвящена математическому моделированию режима самовозбуждения АГ и процесса подключения двигательной нагрузки. Моделирова ние проводилось с целью получения интервала значений рабочих емкостей возбуждения и исследования работы генератора в переходных режимах. Необходимость теоретического исследования процессов емкостного самовозбуждения обусловлена существенным влиянием этого режима на протекание технологического процесса, который подразумевает подключение нагрузки мощностью до 60% мощности асинхронного генератора. В том случае, если коммутация нагрузки производится в период возбуждения генератора и выхода его на номинальный режим, то это приводит к развозбуждению генератора. С учетом общепринятых допущений и постоянной скорости вращения ротора асинхронный генератор с конденсаторной батареей в цепи статора может быть описан следующими уравнениями:
diS kR u riS xS kR p, S R dt TR R diS kR u riS xS kR p, S R dt TR R 1 d R 0 kRrRiS p, R TR R dt 1 d R 0 kRrRiS p, R TR R dt m kR ( iS iS ), R R (2) d Tm m mн, dt duS iS iн , dt с duS iS iн , dt с diн uS iн rн , dt Lн diн uS iн rн .
dt Lн Для решения системы (2) был использован программный комплекс MatLab. На рисунке 4 приведен фрагмент решения системы уравнений и ре зультат. Экспериментальные исследования процесса самовозбуждения, проведенные на специализированном стенде на кафедре ЭМ и ЭП, подтверждают результаты математического моделирования.
diS kR Рисунок 4 - Решение уравнения uS riS xS kR p R dt TR R Для анализа работы АГ с нагрузкой в программном комплексе MathCad были разработаны математические модели приводного двигателя, нагрузки, АГ и системы в целом (рисунок 5, уравнения (3)).
Рисунок 5 - Расчетная пространственная модель системы приводной двигатель - асинхронный генератор с нагрузкой - асинхронный двигатель Решение системы уравнений представлено на рисунке 6.
Рисунок 6 - Расчетная осциллограмма процесса подключения к АГ двигательной нагрузки мощностью 250 Вт diв uв rв iв, dt Lв Lв kekфiвdpt diя uя (rя Rсети ) iя , dt Lя Lя Lя dis us rsis kr kr r pr, dt Ls Ls LsTr Ls dis us rsis kr kr r pr, dt Ls Ls LsTr Ls dr krrris r pr, dt Tr d r krrris r pr, dt Tr du iс rнis s , dt С (3) du iс rнis s , dt С d kM kфiвiя kr ris ris , dt JАГ Jdpt JАГ Jdpt dids us rdsids kdr dr kdr pdddr, dt Lds Lds LdsTdr Lds ds di us rdsids kdr dr kdr pdddr, dt Lds Lds LdsTdr Lds d kdrrdrids 1 dr pdddr, dr dt Tdr ddr kdrrdrids dr pdddr, dt Tdr dd kdr Mвр.д drids drids dt Jd Jd Из анализа осциллограммы следует, что при подключении двигателя (t = 3 c) к возбужденному асинхронному генератору с нагрузкой ток в фазе генератора резко увеличивается (на 2Ц3 периода), затем падает и постепенно растет до установившегося. Установившийся ток фазы генератора больше, чем до подключения двигателя. У двигателя первый толчок тока на уровне пускового, затем ток падает, а в дальнейшем нарастает до установившегося.
В четвертой главе описана экспериментальная проверка теоретических исследований на специализированном стенде. Изготовлен опытный образец асинхронного генератора с рациональной статорной обмоткой (рисунок 7) на базе асинхронного двигателя серии АИР и определены энергетические показатели генератора. Для снижения трудоемкости расчетов асинхронных генераторов был разработан специальный программный продукт (свид. № 2009610367).
Рисунок 7 ЦСтаторная обмотка асинхронного генератора Весь процесс испытания асинхронного генератора производится в два этапа: снятие характеристик холостого хода АГ и определение его внешних характеристик при активной и активно-индуктивной нагрузке. Испытательный стенд для определения характеристик холостого хода, внешних характеристик, а также потерь асинхронного генератора представлен на рисунке 8.
По полученным экспериментальным данным после статистической обработки построены характеристики холостого хода, внешние (рисунок 9), определены полные потери в АГ и их составляющие, а также зависимость КПД от нагрузки (рисунок 10). Методика определения составляющих потерь основана на определении механических потерь, потерь в стали, а также потерь холостого хода и разделения их на составляющие.
Рисунок 8 - Испытательный стенд для определения внешних характеристик асинхронного генератора Рисунок 9 - Внешние характеристики АГ при различных значениях емкости возбуждения В результате проведенного анализа эксплуатационных свойств асинхронного генератора можно сделать вывод о высоких энергетических показателях машины, сопоставимых с показателями серийных образцов, на базе которых они спроектированы.
При загрузке генератора на 50% КПД составляет 88%, на 75% - 86%, при 100%-й нагрузке - 84%.
Рисунок 10 - Зависимость f (Pн) асинхронного генератора В пятой главе определены показатели экономической эффективности от внедрения методики выбора рациональной мощности генератора. Сравнение производилось по следующим вариантам: 1) подключение к линии централизованного электроснабжения; 2) использование серийной и предлагаемой генераторной установки. Чистый дисконтированный доход прудового хозяйства площадью 10 га с объемом вылова рыбы 1 т/га составляет 6209 руб. при норме дисконта 17% и уровне инфляции 6,5%.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. На основе анализа технологии производства в рыбоводческом хозяйстве и анализа нагрузок получены: годовой, суточные летний и зимний графики потребления электрической энергии прудовым хозяйством. Разработана методика выбора рациональной мощности асинхронного генератора, учитывающая особенности графика потребления электроэнергии рыбоводческим хозяйством, согласно которой мощность генератора определяется исходя из значения среднеквадратической мощности.
2. Получено математическое описание асинхронного генератора, состоящее из 15 уравнений, учитывающее конструктивные параметры асинхронного генератора и предоставляющее возможность теоретически определить диапазон рабочих мощностей генератора.
3. В пакете Simulink разработана структурная схема процесса самовозбуждения АГ, позволяющая оценить влияние параметров машины на процесс самовозбуждения, выбрать величину рабочей емкости и определить время самовозбуждения. Кривые напряжений, полученные расчетом на модели, согласуются с реальными осциллограммами (относительная погрешность - 4Ц9 %).
4. Получены системы дифференциальных уравнений в пакете MathCad, которые позволяют моделировать динамические процессы, возникающие при подключении двигательной нагрузки к асинхронному генератору. В результате моделирования установлено, что время переходного процесса составляет 1 с;
асинхронный генератор не развозбуждается при подключении нагрузки с большими пусковыми токами; переходный процесс, возникающий при подключении нагрузки с большими пусковыми токами, не несет негативных последствий для технологического оборудования.
5. Используя матричную теорию формирования статорных обмоток и диаграмм Гергеса, разработана схема статорной обмотки асинхронного генератора с конструктивными параметрами, учитывающими особенности потребителей и графика нагрузок рыбоводческого хозяйства (патент РФ № 2316880). Для снижения трудоемкости при определении параметров асинхронных машин разработан программный продукт (свидетельство № 2009610367 Расчет асинхронных генераторов мощностью 0,12-11,0 кВт).
6. Экспериментально получены: кривая намагничивания, характеристики самовозбуждения, внешние и регулировочные характеристики. Определена зависимость КПД от выходной мощности: при загрузке генератора на 50% он составляет 88%, на 75%Ц86%, при 100%-й нагрузке - 84%.
7. Экономический эффект достигается за счет снижения начальных капиталовложений в 2 раза и позволяет получить чистый дисконтированный доход в размере до 6209 руб. при Е = 17% и r = 6,5% и до 6378 руб. - при Е = 19% и r = 8,5% за счет сокращения эксплуатационных затрат. При этом внутренняя норма доходности составляет 25,33%, срок окупаемости - 4,19 лет.
Основные положения диссертации опубликованы - в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Ильченко Я. А. Математическое описание асинхронного генератора с разветвленной статорной обмоткой / В. Н. Ванурин, И. Г. Стрижков, Я. А.
Ильченко // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. - Краснодар:
КубГАУ, 2011. - № 71(07). - Режим доступа: 2. Ильченко Я. А. Методика определения электромеханических характеристик асинхронного генератора / Н. И. Богатырев, Я. А. Ильченко, А. В. Вронский, Н. С. Баракин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2008. - № 6. - С. 20Ц21.
- в прочих изданиях:
3. Свид. РФ № 2009610367. Расчет асинхронных генераторов мощностью 0,12-11,0 кВт / Н. И. Богатырев, Я. А. Ильченко, А. С. Оськина; заявитель и патентообладатель КубГАУ. - № 2008615024 заявл. 30.10.2008; опубл.
16.01.2009.
4. Ильченко Я. А. Вопросы электрификации прудовых фермерских хозяйств / Я. А. Ильченко // Научное обеспечение агропромышленного комплекса: материалы 3-й Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. - Краснодар, 2009. ЦС. 137Ц138.
5. Ильченко Я.А. Существующие и перспективные технологии повышения эффективности производства рыбы / Я.А. Ильченко // Университет. Наука, идеи и решения. - Краснодар: КубГАУ, 2010. - № 1. - С. 157-159.
6. Ильченко Я.А. Обоснование выбора конденсаторов возбуждения для асинхронных генераторов частотой 50/200/400 Гц / Я.А. Ильченко // Научное обеспечение агропромышленного комплекса: материалы 1-й Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. - Краснодар: КубГАУ, 2007. - С. 314 - 316.
7. Ilchenko Y.A. Method of research asynchronous 50200 Hz asynchronous generators for autonomous power supply / N.I. Bogatyrev, N.S. Barakin, Y.A.
Ilchenko // University Conference in Life Sciences - Proceedings. - Prague: Czech University of Life Sciences, 2010. - p. 397-400.
- патенты на изобретения:
8. Пат. 2316880, Российская Федерация МПК Н 02 К 17/14, 3/28. Статорная обмотка асинхронного генератора [Текст] / Н. И. Богатырв, В. Н. Ванурин, В.
В. Лепетухин, В. М. Семнов, Я. А. Ильченко, А. А. Демкович (РФ); заявитель и патентообладатель КубГАУ. - 2006113472/09; заявл. 20.04.2006; опубл.
10.02.08; Бюл. № 4. - 17 с.
9. Пат. 2337465, Российская Федерация МПК Н 02 К 17/14, 3/28. Устройство для стабилизации напряжения асинхронного генератора [Текст] / Н.И. Богатырев, А.О. Григораш, Я.А. Ильченко, Е.А. Власенко, Р.М. Хатхе (РФ), заявитель и патентообладатель КубГАУ.Ц 2007140615/09; заявл. 01.11.2007; опубл.
27.10.08; Бюл. № 30. - 7 с.
10. Пат. 2351129, Российская Федерация МПК Н 02 К 17/14, 3/28. Мобильная электрооптическая установка для уничтожения летающих насекомых [Текст] / Богатырев Н.И., Газалов В.С., Григоренко А.Г., Григораш А.О., Моргун С.М. (РФ); заявитель и патентообладатель КубГАУ. - 2007149126/12; заявл. 25.12.2007; опубл. 10.04.09; Бюл. № 10. - 14 с.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям