Параметры и режимы асинхронного генератора с переключаемой статорной обмоткой дождевальной машины кругового действия

Во введении раскрывается актуальность исследований, приве- дены цель работы, научная новизна, практическая значимость, и представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ режима работы на основе гра- фиков нагрузки и способов электроснабжения дождевальной ма- шины кругового действия. Наличие частых пусков электродвигате- лей приводных тележек и бустерного насоса приводят к завышениям сечений питающих проводников и расходу топлива.
Расчет электромеханической характеристики показал, что при пуске электродвигателя реактивная составляющая потребляемого тока существенно больше чем активная. Снижение реактивной со- ставляющей тока ведет к существенному снижению электрических потерь в дождевальных машинах, так как их питание осуществляется по сетям электроснабжения низкого напряжения большой протяжен- ностью.
Задача компенсации реактивной мощности для дождеваль- ных машин может решаться разделением конденсаторных установок на основную и дополнительную, основная служит для создания не- обходимого тока возбуждения в генераторе, а дополнительная – для компенсации реактивной составляющей тока электродвигателей. Причем дополнительный блок устанавливается непосредственно в конце линии, а основной блок конденсаторов возле асинхронного ге- нератора. Получена научная гипотеза: используя график электриче- ской нагрузки и учитывая требования к качеству электроэнергии, можно разработать рациональный асинхронный генератор автоном- ного источника с особой конструкцией переключаемой обмотки ста- тора для снижения материальных и эксплуатационных затрат в дож- девальных машинах кругового действия.
Использование асинхронного генератора в качестве автоном- ного источника электроснабжения дождевальной машины является
комплексным решением, так как для возбуждения асинхронного ге- нератора используются конденсаторные установки которые можно использовать для компенсации реактивной мощности с целью уменьшения электрических потерь в линии.
Сформулирована цель работы и задачи исследования.
Во второй главе представлены теоретические исследования и математическое моделирование асинхронного генератора с пере-
ключаемой обмоткой статора.
Характерной особенностью автотрансформаторных обмоток
статора асинхронного генератора является возможность подключе- ния конденсаторов на более высокое напряжение, вследствие чего уменьшается необходимая емкость возбуждения, при этом часть ста- торной обмотки одной фазы используется для возбуждения генера- тора (Рис. 1). Генератор с такой схемой статорной обмотки возможно соединить как в автотрансформаторную звезду (при этом формиру- ется напряжение 380 В на выводах Н1-Н3), так и по схеме звезда- треугольник (напряжение на выводах Н1-Н3 составит 220 В).
Рисунок 1 -Схема пе- реключаемой обмотки статора асинхронного генератора с включе- нием конденсаторов треугольником для пи- тания двигательной нагрузки
Математическая модель асинхронного генератора с переклю- чаемой обмоткой статора выполнена в трехфазной системе коорди- нат. Токи обмоток асинхронного генератора находятся в результате решения системы алгебраических уравнений методом обратной мат- рицы.
Для математического описания асинхронного генератора с пе- реключаемой обмоткой статора сделано допущение, что при пуске
электродвигателя компенсируется вся реактивная составляющая тока. Тогда можно представить нагрузку генератора как активную, которая меняется в зависимости от скольжения. Сопротивление нагрузки является функцией скольжения электродвигателя rн(s) и рассчитывается на основании расчетов его электромеханической ха- рактеристики. На рисунке 2 представлена схема соединения звезда – треугольник автотрансформаторной обмотки статора асинхронного генератора с включением конденсаторов треугольником для 3-фаз- ной нагрузки.
При моделировании использовались общепризнанные при про- ектировании электрических машин обозначения: CА, CВ, CС – емко- сти возбуждения; Ψ1, Ψ2, Ψ3, Ψ4, Ψ5, Ψ6 – потокосцепления частей об- мотки статора; ucАB, ucАC, ucBC – напряжения на конденсаторах; i1, i2, i3, i4, i5, i6 – токи в частях обмоток статора; icАB, icАC, icBC – токи кон- денсаторов; iнА, iнВ, iнC – токи нагрузки; R1, R 2, R 3, R 4, R 5, R 6 – актив- ные сопротивления частей обмотки статора; rнА, rнВ, rнC – сопротив- ления нагрузки; Ls1, Ls2, Ls2 – индуктивности рассеяния обмотки ста- тора; ks = w1/ w2 – коэффициент, учитывающий часть используемой обмотки; w1 – количество витков L1-1 и w2 – количество витков L1-2.
Рисунок 2 – Схема соединения звезда –треугольник автотранс- форматорной обмотки статора асинхронного генератора с включением конденсаторов тре- угольником для 3-фазной нагрузки
Система дифференциальных уравнений для определения пото- косцеплений определяются согласно первому и второму закону Кирхгофа:
kd1kRikRiri 1u 1u 1u s dt s 11 s 22 нCнC 2сCB 2сАB 2сCA
kd2kRikRiri1u 1u 1u; sdt s11 s33 нAнA 2сCB 2сCA 2сАB
kd3kRikRiri 1u 1u 1u
s dt s 22 s 33 нВнВ 2сCB 2сАB 2сCA (1)
  1  k  d  6    1  k  R i  r i  r i ;  s dt s 66 нВнВ нCнC
1k d 1k Riri ri ; s4 s44нAнAнВнВ
 dt
1ksd5 1ksR5i5 rнAiнA rнСiнС.
 dt
Токи проходящих в обмотке статора по схеме звезда-треуголь-
ник асинхронного генератора определяются системой уравнения: i  i1  i2 ; i  i3  i1 ; i  i2  i3 ;
сВС 3 сАВ 3 cСА 3
iнВ i6 i4 i3; iнA i5 i4 i2; iнC i5 i6 i1;
iнА iнB iнC  0; i4 i5 i6  0; icAВ icВС icСА  0.

(2)
При равных емкостях конденсаторов изменены напряжения на них можно определить с помощью дифференциальных уравнений:
duсАB  1 i3 i1 ; duсВC  1 i1 i2 ; dt СА 3 dt СВ 3
duсСA  1 i2 i3 . dt СС 3
(3)
В результате исследования углов смещения частей статорных обмоток друг относительно друга определена матрица индуктивно- стей и взаимных индуктивностей m0=f(L).
Расчет электрических потерь в статорной обмотке асинхрон- ного генератора определяется после нахождения всех токов в частях статорной обмотки:
Р  3  (i 2  R  i 2  R  i 2  R  i 2  R  i 2  R  i 2  R ) (4) э1г 112233445566
В работе проведена реализация математической модели для асинхронного генератора мощностью 3 кВт на базе асинхронного двигателя 4А100 S4. Схема соединений обмотки представлена на ри- сунке 3.
Получена математическая модель асинхронного генератора:
 k d  1   k R i  k R i  r ( s ) i  1 u  1 u  1 u ; sdt s11 s22 н нC 2сCB 2сАB 2сCA
kd2kRikRir(s)i1u 1u 1u ; sdts11s33ннA2сCB2сCA2сАB
kd3kRikRir(s)i1u 1u 1u ; sdt s22 s33 н нВ 2сCB 2сАB 2сCA
1kd6 1kRir(s)i i ; sdts66ннВнC
1ksd4 1ksR4i4 rн(s)iнA iнВ;  dt
(5) m  f (L); U  f (i); i  i1  i2 ; i  i3  i1 ; i  i2  i3 ;
1kd5 1kRir(s)i i ; sdts55ннAнС
0cсВС3сАВ3cСА3
iнВ i6 i4 i3; iнA i5 i4 i2; iнC i5 i6 i1; iнА iнB iнC 0; i4 i5 i6 0; icAВ icВС icСА 0;
Р 3(i2 R i2 R i2 R i2 R i2 R i2 R ).  э1г 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6
Для полного математического описания электромеханических процессов использовалась система уравнений обобщенной электри- ческой машины в трехфазной системе координат с учетом формиро- вания электромагнитного момента токами статорной и роторной об- моток:
 d  r 1   R  i   r 2   r 3  ; d  r 2   R  i   r 3   r 1  ; dt r1 r1 3 r dt r2 r2 3 r
dr3 R i r1r2; dtr3r3 3r
d  p 3L f(B)(i i i i i i i i i i i i 
 r m  dt J 2
s1 r3
s2 r1
s3 r2
s1 r2 s2 r3 M M
s3 r1
(6)

is4 ir3 is5 ir1 is6 ir2 is4 ir2 is5 ir3 is6 ir1)
 J
M p 3L (i i i i i i )(i i i i i i )  эм 2 m s1 r3 s2 r1 s3 r2 s1 r2 s2 r3 s3 r1
(i i i i i i )(i i i i i i )].  s4 r3 s5 r1 s6 r2 s4 r2 s5 r3 s6 r1
пр c
где p – количество пар полюсов, Lm – взаимноиндуктивность обмоток, Мпр – момент приводного двигателя, J – суммарный мо- мент инерции, Мс – момент сопротивления.
Рисунок 3 – Схема соединений генератора с автотрансформа- торной обмоткой статора (патент RU2640403)
Все потери были разделены на три составляющие – в электро- двигателе ΔРд, в линии ΔРл и в генераторе ΔРг. В результате расчета электрических потерь в генераторе с переключаемой обмоткой ста- тора получена графическая зависимость, представленная на рисунке 4. Для оценки электрических потерь при пуске и установившемся ре- жиме работы бустерного насоса дождевальной машины использова- лось компьютерное моделирование в программном комплексе SimInTech.
Рисунок 4 – Зависимость электрических потерь в обмотках статора асинхронного генератора от мощности нагрузки
Компьютерная модель электропривода бустерного насоса дож- девальной машины основана на Т-образной схеме замещения с вы- несенной цепью намагничивания, без учета насыщения. Блок для ре- ализации модели асинхронного электродвигателя описывается си- стемой дифференциальных уравнений:
u Ri dqs  ; u Ri dds  ; qs sqs dt qs ds dds dt qs
u 0Ri dqr (Z ) ; u 0Ri ddr (Z ) ; qr rqr dt r p dr dr rdr dt r p qr
Mв 1,5p(dsiqs qsiqd );
(7)

 (L L )i L i ;  (L L )i L i ;
qs s mqs mqr ds s mds mdr  (L L)i Li; (L L)i Li;
qr r mqr mqs dr r mdr mds
d 1
 r  M M . dtJв cв
где: Rs, Rr – активные сопротивления статора и ротора; Lσs, Lσr– индуктивности рассеяния статора и ротора; Lm – индуктивность цепи намагничивания; Uds, ids, Ψds – проекции напряжения, тока и потокос- цепления статора на ось d; Udr, idr, Ψdr – проекции напряжения, тока и потокосцепления ротора на ось d; Uqs, iqs, Ψqs – проекции напряже- ния, тока и потокосцепления статора на ось q; Uqr, iqr, Ψqr – проекции напряжения, тока и потокосцепления ротора на ось q; ωr – угловая частота вращения ротора; Mв – электромагнитный момент двигателя; Mсв – момент сопротивления насоса; J – момент инерции эл. двига- теля.
Параметры линии электроснабжения заложены в блоке «сопро- тивления линии» компьютерной модели и зависят от длины линии. Генератор представлен в виде источника электроэнергии блоком «U». Компьютерная модель снабжена необходимым комплектом из- мерительных устройств. В компьютерной модели анализировались электрические потери во всей электроустановке и в следующих ре-
жимах: пуск при номинальном напряжении, пуск при пониженном
напряжении 220 В с компенсацией реактивного тока и установив- шийся режим работы электропривода.
Рисунок 5 – Блок схема компьютерной модели системы электро- снабжения дождевальной установки для оценки электрических по- терь в линии и электродвигателе бустерного насоса
В качестве исходных данных вводились следующие: номиналь- ная мощность асинхронного двигателя бустерного насоса – 3 кВт, ли- ния электроснабжения длиной 300 м и сечением каждого проводника 10 мм2. В результате моделирования установлено, что снижение напряжения и использование компенсирующих конденсаторов при- водит к уменьшению электрических потерь энергии, во всех состав- ляющих энергосистемы: в генераторе в 2,5 раза, в линии в 2,6 раза, в электроприводах 2,9 раза. На основании расчетов получен график потерь мощности в электродвигателях дождевальной машины кру- гового действия в течении одного цикла (Рисунок 6). Рассчитаны сравнительные потери энергии во всех составляющих электроуста- новки за один цикл: при использовании асинхронного генератора с переключаемой обмоткой статора – ΔWг= 39 Вт∙ч, а при питания от типового генератора – ΔWс= 104 Вт∙ч.
Количество циклов перемещения дождевальной машины за
день зависит от нормы полива. При средней норме полива 300 м3/га,
количество циклов за сутки составляет около 20 штук, что приводит
к общему потреблению энергии в размере 9,5 кВт∙ч, в том числе по- тери энергии составят 2,1 кВт∙ч.
а) с компенсирующими конденсаторами
Рисунок 6 – График общих потерь мощности дождевальной ма-
шины кругового действия в течении времени работы
Использование предлагаемого генератора приводит сокраще- нию электрических потерь электроэнергии и уменьшению расхода топлива на 12 %. Кроме того, завышенные потери электроэнергии приводят к сокращению моторесурса автономного источника пита- ния.
В третьей главе приведен расчет магнитной системы асин- хронного генератора с переключаемой обмоткой статора и с серий- ной обмоткой статора. В результате расчета установлено, что при пуске электродвигательной нагрузки мощностью 0,36 кВт, и исполь- зовании серийного асинхронного генератора на 3 кВт запуск элек- троприводов становится невозможным из-за сильного снижения напряжения (до 46%) и размагничивания генератора. При использо- вании предлагаемого генератора той же мощности наблюдается устойчивый запуск электроприводов при снижении напряжения на 8,7%.
Экспериментальные исследования асинхронного генератора с переключаемой обмоткой статора выполнены на специализирован- ном испытательном стенде и содержат испытания с записью харак- теристик: холостого хода, частотных, внешних и регулировочных.
б) без компенсирующих конденсато- ров

Внешний вид экспериментального стенда и его принципиальная схема представлены на рисунке 7.
М, ВС1 НС1
ВВ1 НВ1 ВА1 НА1
а) внешний вид экспериментального стенда
U, I, P, S, cos
б) принципиальная схема Рисунок 7 – Экспериментальный стенд для исследования асинхрон-
ного генератора с переключаемой обмоткой статора
Внешние характеристики показывают, что такой асинхрон- ный генератор можно нагружать до 70% от установленной мощности при емкости возбуждения 18 мкФ. При увеличении нагрузки свыше 2 кВт необходимо будет включить дополнительную емкость 8 мкФ (рисунок 8).
а) обмотка статора, соединенная по б) обмотка статора соединенная по схеме двойная звезда схеме звезда – треугольник
Рисунок 8 – Внешние характеристики асинхронного генератора с переключаемой обмоткой статора
С1С3 UcCA UcAB UcBC

Сопоставление электрических потерь в генераторе получен- ных расчетным путем и экспериментально, представлено на рисунке 9, из которого видно, что максимальная относительная ошибка не превышала 5% (рисунок 9).
Рисунок 9 – Зависимость электрических потерь в обмотках статора асинхронного генератора, теоретические и экспериментальные дан- ные
Для подтверждения теоретических расчетов потерь электро- энергии в электродвигателе бустерного насоса при пуске проводился эксперимент с асинхронной машиной серии АИР100S4 мощностью 3 кВт (рисунок 10).
а) от генератора б) от сети
Рисунок 10 – Осциллограммы токов при включении двига-
тельной нагрузки
Эксперимент показал, что опытные данные по потерям мощ- ности практически совпали. Осциллограммы токов электродвига- теля в момент пуска и при переключении представлены на рисунке 10, которые показывают, что при использовании асинхронного гене- ратора с переключаемой статорной обмоткой значительно уменьша- ется пусковой ток. После пуска электродвигателя включение ком- пенсирующих конденсаторов позволяет уменьшить ток в линии электропередач в 1,6 раза. Таким образом, при использовании пред- лагаемого генератора можно рекомендовать уменьшить сечение пи- тающих проводников.
Расчет потерь электроэнергии по экспериментальным данным производился для линии электроснабжения длиной 300 м сечением 10 мм2. В случае использованием асинхронного генератора с пере- ключаемой обмоткой статора потери энергии за цикл составляют 44 Вт∙ч, что отличается от расчетного на 11,3 %.
В четвертой главе произведен расчет экономической эффек- тивности внедрения асинхронного генератора в составе дождеваль- ной машины кругового действия с питающей линией электрообору- дования длиной 500 м, применяемой для полива полей кукурузы пло- щадью 50 га. Снижение электрических потерь при применении асин- хронного генератора с переключаемой обмоткой статора ведет к уменьшению эксплуатационных затрат и дает возможность спроек- тировать линию с меньшим сечением проводников. Внедрение пред- лагаемых мероприятий приводит к получению ЧДД равного 207 тыс. руб. за 5 лет эксплуатации. При этом срок окупаемости проекта со- ставляет 3 года.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги выполненного исследования
1. Получены математическое описание и математическая мо- дель асинхронного генератора с переключаемой обмоткой статора на базе дифференциальных уравнений, которые позволяют получить представление о переходных и стационарных процессах, протекаю- щих в электроустановке.
2. Исследование математической модели показало, что исполь- зование автотрансформаторного варианта обмотки статора с диамет-
ральным шагом и выполнение частей обмотки разным сечением про- водников позволяет снизить электрические потери в генераторе на 5% по сравнению с серийной электрической машиной.
3. Определены основные параметры асинхронного генератора: количество обмоток статора одной фазы – 2, число витков в обмот- ках одной фазы w1 = 120, w2 = 240, количество пар полюсов – 2, тип – двухслойная с диаметральным шагом – 9. При пуске емкость кон- денсаторов должна составлять 130 мкФ, в номинальном режиме – 26 мкФ, на холостом ходу – 18 мкФ.
4. Для оценки электрических потерь в системе электроснабже- ния дождевальной машины разработана компьютерная модель в про- граммном комплексе SimInTech. Пуск электродвигателя бустерного насоса на пониженном напряжении и при включении компенсирую- щих конденсаторов приводит к уменьшению электрических потерь энергии в электроустановке: в генераторе в 2,5 раза, в линии в 2,6 раза, в электроприводах 2,9 раза.
5. Математическое моделирование показало, что использова- ние асинхронного генератора с в качестве источника питания приво- дит к уменьшению потери энергии до 39 Вт∙ч за один цикл переме- щения. При работе дождевальной машины с радиусом полива 300 м на площади 36 га, с предлагаемым асинхронным генератором сокра- щается расход топлива на 12 %.
6. Изготовлен опытный образец на базе асинхронного двига- теля 4A100S4 и проведены лабораторные исследования эксперимен- тального образца асинхронного генератора с автотрансформаторной переключаемой обмоткой статора с записью характеристик генера- тора, осциллограмм токов и напряжений. На основании эксперимен- тально полученных характеристик произведен расчет электрических потерь в переключаемой обмотке статора асинхронного генератора, расхождение с теоретически полученными данными не превышает 5%. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных по расходу энергии оценивалось по относительной ошибке, которая со- ставила не более 11%.
7. Технико-экономическое обоснование эффективности приме- нения асинхронного генератора с переключаемой автотрансформа- торной обмоткой статора приведено на примере дождевальной ма-
шины радиусом 500 м. Снижение эксплуатационных и материаль- ных затрат привело к получению ЧДД в размере 207 тыс. руб. при сроке окупаемости проекта 3 года.
Рекомендации производству
Рекомендации исследования могут быть использованы при проектировании асинхронных генераторов с переключаемой обмот- кой статора электроснабжающих удаленных потребителей. При экс- плуатации дождевальных машин кругового действия, работающих с большим радиусом полива предлагается провести модернизацию: за- менить типовой генератор на генератор с переключаемой обмоткой и уменьшить сечение проводников.
Перспективы дальнейшей разработки темы
Используя теоретические и экспериментальные данные, полу- ченные в ходе проведения исследований, можно разработать мате- матическую модель отражающую физические процессы, которые протекают в асинхронном генераторе с переключаемой обмоткой статора, например, в программе COMSOL Multiphysics. Такое иссле- дование позволит оптимизировать саму конструкцию машины и ре- комендовать более рациональный режим работы. Актуальным направлением исследования является разработка электронных ком- мутирующих элементов – ключей для необходимых переключений обмотки статора асинхронного генератора, которые имеют более вы- сокое быстродействие и лучшие энергетические показатели. Даль- нейшие исследования по сочетанию предлагаемого асинхронного ге- нератора при работе с частотно управляемыми электроприводами те- лежек дождевальной машины приведет к экономии энергоресурсов и повышению надежности агрегата.