Параметры и режимы работы синхронизированной двухвходовой генераторной установки с использованием ВИЭ для электроснабжения биофабрик агропромышленного комплекса

Во введении раскрывается актуальность исследований, при-
ведены цель работы, научная новизна, практическая значимость, и
представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ электроснабжения предпри-
ятий по переработке продукции АПК на основе статистических
данных РЭС Юга России, который показывает в динамике ряд ха-
рактерных тенденций в изменении уровня надежности электро-
снабжения. Увеличение потока отказов может быть вызвано следу-
ющими негативными факторами: устаревает обслуживающая тех-
ника, резко нарастает износ линий и оборудования (амортизация
составляет более 70%), недостаточное финансирование и т.д.
Сегодня сельскохозяйственные предприятия активно разви-
ваются, существующие – расширяются, что приводит к росту по-
требления электроэнергии, а так же возникают новые предприятия,
которые также нуждаются в электроснабжении.
Стратегической задачей ряда биофабрик РФ является увели-
чение доли сухих вакцин, так как нативные препараты влекут за со-
бой дополнительные затраты при их транспортировке и хранении,
увеличивается срок хранения в 1,5 раза, гарантированно сохраняет-
ся активность. Существующий лимит электроэнергии не позволяет
увеличить выпуск продукции. Например, за 12 месяцев 2017 года
на Армавирской биофабрики было потреблено электроэнергии –
7346 тыс. кВт∙ч, что на 10,04% больше, чем в 2016 году (6675,4 тыс.
кВт∙ч), в физическом выражении увеличение составило 670,6 тыс.
кВт∙ч, в денежном выражении 6789,3 тыс. рублей (увеличение на
18,2%, при росте цены на 7,3%). В это же время произошло увели-
чение выпуска продукции на 13,5%, в физическом выражении –
126,4 т. Итого: обоснованное увеличение составило порядка 662,34
тыс. кВт∙ч.
Строить ТЭС небольшой мощности для электроснабжения
биофабрик экономически нецелесообразно, а возводить более мощ-
ные нет смысла, в силу отсутствия рядом других крупных потреби-
телей. Актуальным экологически чистым методом решения про-
блем недостатка генерирующих мощностей является использование
возобновляемых источников энергии. Использование одного вида
ВИЭ приводит к перебоям снабжения электроэнергией и, соответ-
ственно, к экономической неэффективности такой системы, повы-
шению себестоимости генерируемой ею электроэнергии. Вслед-
ствие этого необходимо сооружать накопители большой мощности.
Что также экономически невыгодно. Применение двухвходовой ге-
нераторной установки (поступление солнечной и ветровой энергии)
с использованием ВИЭ, синхронизированной с трехфазной сетью
центрального электроснабжения, может покрыть дефицит мощно-
сти биофабрик АПК.
Во второй главе представлены теоретические исследования и
математическое моделирование синхронизированной двухвходовой
генераторной установки для обеспечения электроснабжения био-
фабрик.
На основании определенных требований к электроснабжению
биофабрик разработана электрическая схема синхронизированной
двухвходовой генераторной установки (Рисунок 1). Принцип рабо-
ты СДГУ состоит в следующем. Вращающий момент, создаваемый
ветротурбиной, вызывает вращение постоянного многополюсного
магнита 1 индуктора подвозбудителя, жестко закрепленного на ва-
лу установки. При вращении постоянного многополюсного магнита
1 индуктора подвозбудителя магнитный поток взаимодействует с
многофазной обмоткой 2 якоря подвозбудителя, уложенной в пазы
неподвижного магнитопровода, и наводит в ней многофазную си-
стему ЭДС, которая выпрямляется первым многофазным двухполу-
периодным выпрямителем 3 и подается на основную однофазную
обмотку 4 возбуждения возбудителя, уложенную в пазы неподвиж-
ного магнитопровода. При этом в основная однофазная обмотка 4
создает магнитный поток.

Рисунок 1 – Электрическая схема синхронизированной
двухвходовой генераторной установки

Одновременно постоянный ток (от ФЭП) протекающий по
дополнительной обмотке возбуждения возбудителя 6 создает маг-
нитный поток, направленный согласно с магнитным потоком, со-
здаваемым основной однофазной обмоткой 4. Суммарный магнит-
ный поток взаимодействует с многофазной обмоткой 7 якоря воз-
будителя и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая вы-
прямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 8 и
подается на однофазную обмотку возбуждения 9 основного генера-
тора. Магнитный поток однофазной обмотки 9 возбуждения основ-
ного генератора взаимодействует с трёхфазной обмоткой 10 якоря
основного генератора и наводит в ней трёхфазную систему ЭДС,
которая подается в сеть.
При уменьшении (увеличении) частоты выходного напряже-
ния, снимаемого с обмотки 10 якоря основного генератора, вызван-
ного изменением частоты вращения вала, частота вращения магни-
та 11 синхронизатора уменьшается (увеличивается). Это приводит к
сдвигу (опережению или запаздыванию) оси полюсов вращающе-
гося магнитного поля обмотки 12 синхронизации по отношению к
осям полюсов магнита 11 синхронизатора. Синхронизатор перехо-
дит в режим двигателя (генератора), то есть потребляет (вырабаты-
вает) активную электроэнергию из внешней трехфазной сети. Маг-
нитное поле, создаваемое током обмотки 12 синхронизации, созда-
ет дополнительный вращающий момент, направленный согласно
(встречно) вращению ротора. Скорость вращения ротора увеличи-
вается (уменьшается), частота напряжения обмотки 10 якоря основ-
ного генератора, увеличивается (уменьшается) до частоты напря-
жения внешней трехфазной сети.
Математическая модель СДГУ приведена к двухфазной моде-
ли по осям d, q (рисунок 2) и построена в виде дифференциальных
уравнений.

Рисунок 2 – Пространственная модель СДГУ по осям d, q
Скорость ветра в функции времени VД(t) описывается линей-
ным уравнением:
V Д (t )  A0  A1  sin( n1  вет  t )  …  An  sin( nn  вет  t ) (1)
где A0 – постоянная составляющая, не допускающая отрицательно-
го значения функции VД(t), A1, A2, An – амплитудные значение 1-ой,
2-ой и последующих гармоник, вет – угловая скорость ветроколеса,
n1… nn – номер с 1-й по n-ю гармонику.
Изменение индуцируемой ЭДС е2 в обмотке 2 якоря подвоз-
будителя, разложенную по осям d (e2.1(t)) и q (e2.2(t)). ЭДС е2 зави-
сит от параметров обмотки (активного сопротивления (R2.1, R2.2 ) и
индуктивности L2), скорости ветра и величины магнитной индук-
ции (B1), создаваемой постоянным многополюсным магнитом ин-
дуктора подвозбудителя 1, и изменения средневыпрямленного зна-
чения напряжения на однофазной обмотке 4 возбуждения возбуди-
теля (U2.1ср(t)), зависящего от тока (i2.1(t), i2.2(t)), протекающего по
обмотке 2 и вызванного ЭДС е2, и потокосцепления 2 (2.1(t),
2.2(t)) многофазной обмотки 2 якоря подвозбудителя, которые
определяются индуктивностью L2 обмотки, взаимною индуктивно-
стью М, токами, протекающими по обмоткам, расположенных на
соответствующих осях описывается системой уравнений:
e2.1 (t )  B1  lкат 2  V Д (t )  sin(вал (t )  t );

e2.2 (t )  B1  lкат 2  V Д (t )  sin(вал (t )  t  90);
d  2.1 (t )
e2.1 (t )  ( R2.1  R3.1 )  i2.1 (t ) ;
dt
d  2.2 (t )(2)
e2.2 (t )  ( R2.2  R3.2 )  i2.2 (t ) ;
dt
d  2.1 (t )
U 2.1 (t )  R2.1  i2.1 (t ) ;
dt
1
T

T 0
U
 2.1cp(t ) U 2.1 (t ) dt.

где lкат2 – длина проводника обмотки 2 якоря подвозбудителя; R3.1,
R3.2 – сопротивление первого многофазного выпрямителя 3 по осям
d и q; U2.1(t) –значение напряжения на однофазной обмотке 4 воз-
буждения возбудителя.
Изменение индуцируемой ЭДС е7 в обмотке 7 многофазной
обмотки якоря возбудителя, разложенную по осям d (e7.1(t)) и q
(e7.2(t)), которая зависит от параметров обмотки (активного сопро-
тивления R7 и индуктивности L7), скорости ветра Vд и потокосцеп-
ления 7 (7.1(t), 7.2(t)) многофазной обмотки якоря возбудителя, и
средневыпрямленного значение напряжения на однофазной обмот-
ке 9 возбуждения основного генератора (U7.1ср(t)), зависящего от
тока i7 (i7.1(t), i7.2(t)), протекающего по обмотке 7 и вызванного ЭДС
е7 можно определить из системы уравнений:
W7
e7.1 (t )  k   l lкат 7  (i4 (t )  i6 (t ))  VД (t )  sin(вал (t )  t );
серд 7

W7
e7.2 (t )  k  lкат 7  (i4 (t )  i6 (t ))  VД (t )  sin(вал (t )  t  90);
lсерд 7
d  7.1 (t )
e7.1 (t )  ( R7.1  R8.1 )  i7.1 (t ) ;
dt
(3)
e (t )  ( R  R )  i (t )  d  7.2 (t ) ;
 7.27.28.27.2
dt

U 7.1 (t )  R7.1  i7.1 (t ) d  7.1 (t )
;
dt
T
U (t )  1 U (t ) dt.
T 0
7.1cp7.1

где – Kµ– коэффициент магнитной проницаемости; lкат7 – длина
проводника многофазной обмотки 7 якоря возбудителя; lсерд7 – дли-
на средней линии сердечника якоря возбудителя; R8.1, R8.2 – сопро-
тивление второго многофазного двухполупериодного выпрямителя
по осям d и q; U7.1ср(t) – средневыпрямленное значение напряжения
на однофазной обмотке 9 возбуждения основного генератора.
Изменения напряжения U9 на однофазной обмотке 9 возбуж-
дения основного генератора, зависящего от U7.1ср и вызывающего
ток i9 в обмотке описывают уравнения:
K В  U 7.1ср (t )
U 9 (t ) ;
1 KП
(4)
i (t )  U 9 (t ) .
 9R9
Изменения напряжения U4 на основной однофазной обмотке
4 возбуждения возбудителя, зависящего от U2.1ср и вызывающего
ток i4 в обмотке, и напряжения U6 на дополнительной однофазной
обмотке 6 возбуждения возбудителя в функции времени, зависяще-
го от освещенности ФЭП и вызывающего ток i6 в обмотке можно
описать системой уравнений:
K В  U 2.1ср (t )
U 4 (t )  1  K;
П

U 4 (t )
i4 (t ) ;
R4(5)
U (t )  С  С  sin( n    t )  …  С  sin( n    t );
 6011 cnnc

U 6 (t )
i6 (t )  R .
6

где KВ, KП – коэффициенты выпрямления и пульсации, соответ-
ственно; С0 – постоянная составляющая, не допускающая отрица-
тельного значения функции U6(t); С1, С2, Сn – амплитудные значе-
ние 1-й, 2-й и последующих гармоник; ωс – угловая частота изме-
нения напряжения, поступающего от ФЭП.
Изменение индуцируемой ЭДС е10 в обмотке 10 якоря ос-
новного генератора, разложенной по осям d (e10.1(t)) и q (e10.2(t)), ко-
торая зависит от параметров обмотки (активного сопротивления R10
и индуктивности L10), скорости ветра Vд и потокосцепления 10
(10.1(t), 10.2(t)) обмотки якоря основного генератора отражает си-
стема уравнений.
W10
e10.1 (t )  k  l lкат10  i9 (t ) V Д (t )  sin(вал (t )  t );
серд10

W10
e10.2 (t )  k   lкат10  i9 (t )  V Д (t )  sin(вал (t )  t  90);
lсерд10
(6)
d 10.1 (t )
e10.1 (t )  ( R10.1  Rнагр )  i10.1 (t ) dt
;

e (t )  ( R  R )  i (t )  d 10.2 (t ) .
 10.210.2нагр10.2
dt
где lсерд10 – длина средней линии сердечника катушки якоря основ-
ного генератора; lкат7 – длина проводника катушки якоря основного
генератора; Rнагр – сопротивление нагрузки.
Потокосцепления, описанные в системах уравнений 1-6,
формируются токами обмотки якоря подвозбудителя, обмоток яко-
ря возбудителя и обмоток якоря основного генератора определяют-
ся с помощью системы уравнений потокосцеплений:
 2.1  L2  i2.1  M  i7.1  M  i9  M  i10.1  B1  S1 ;
  L  i  M  i  M  i  M  i  M  i  B  S ;
 2.22 2.2467.210.211

 7.1  L7  i7.1  M  i2.1  M  i9  M  i10.1  B1  S1 ;
(7)
 7.2  L7  i7.2  M  i2.2  M  i4  M  i6  M  i10.2  B1  S1 ;
10.1  L10  i10.1  M  i10.1  M  i7.1  M  i9  B1  S1 ;

10.2  L10  i10.2  M  i2.2  M  i4  M  i6  M  i2.2  B1  S1.
где L2, L7, L10 – индуктивности обмотки якоря подвозбудителя, об-
моток якоря возбудителя и обмоток якоря основного генератора; S1
– площадь сечения постоянного многополюсного магнита индукто-
ра подвозбудителя 1.
Изменения моментов (электромагнитного, сопротивления,
синхронизирующих), параметров сети, токов, протекающих по об-
моткам СДГУ, описывается системой уравнений.
  d вк3 2
 M вет (t )  Vвет (t );
4,16
  d вк3 2
 M вет.ном (t ) Vвет.ном ;
4,16
 M син (t )  М возм (t )  М вет (t )  М вет.ном ;

 M син.max (t ); t  (0;5T );
3  p EЭТК  U с
 M син.1 (t )  cos( (t ));
2   fX ЭТК
3  p EЭТК  U с(8)
 M син.1 расч (t )  cos(60);
2   fX ЭТК
M
 син.М 2 расч  M син.max (t )  M син.1 расч (t );
m  M  i (t )  B1  sin(вал (t )  t )  M 7  (i4 (t )  
 M ЭМ (t )    2 2.2;
3  i6 (t ))  i7.2 (t )  M 10  i9  i10.2 (t )

M
 сопр( t )  Mсопр .  (t );
1d (t )
 M Д (t )   jсист  вал .
pdt
где Mвет(t) – крутящий момент ветра в функции времени;  – коэф-
фициент использования энергии ветра; dвк – диаметр ветроколеса;
Mв.ном – номинальный крутящий момента ветра (принятый при дан-
ных типоразмерах машины и Vв.ном=5,23 м/с); Мсопрот(t) = Мсопрот(t)
– Mсопр(t) – момент сопротивления ДГУ; Mсин(t)=Mвозм.(t) – момент
«возмущения» от ветра (в функции времени); (t) – угол нагрузки
(при расчете принят равным 60); Uc – напряжение внешней сети;
Хэтк – индуктивное сопротивление СДГУ; Mэм(t) – электромагнит-
ный момент, учитывающий процессы электромагнитного взаимо-
действия, протекающие в подвозбудителе, возбудителе и основном
генераторе; Mсопр(t) – момент сопротивления установки, учитыва-
ющий момент сопротивления ДГУ, момент сопротивления М2 (син-
хронизатора) и сил трения в движущих частях установки; Мд(t) –
динамический момент СДГУ; Jсист.– момент инерции СДГУ.
Программа расчета, разработанная в среде «Mathcad», поз-
воляет рассчитать переходные процессы в СДГУ с получением кар-
тины этих процессов, определить функциональные зависимости
между выходными параметрами СДГУ и внешними факторами, а
также функциональные зависимости между выходными параметра-
ми СДГУ и параметрами СДГУ (рисунок 3). Причем, при исследо-
вании рассмотрены режимы работы установки без синхронизатора
и с синхронизатором.

Рисунок 3 – Скриншоты зависимостей e10.1 = φ(t); Mсин= φ(t); Mсин1.расч
= φ(t); Mсин.2 расч = φ(t) при переменном ветре с синхронизатором (на
рис. по осям абсцисс указано время (t) в сек., по осям ординат указа-
ны ЭДС (e10.1) – в В, моменты Mсин, Mсин1.расч.,Mсин2.расч. -в Нм)

Моделирование СДГУ показало, что при постоянной скоро-
сти ветра (5,23 м/с) и постоянном напряжении на зажимах ФЭП
(24 В) электромагнитный момент Mэм содержит экспоненциальную
составляющую (диапазон изменения Mэм составляет от 1,3 Нм до
15,2 Нм). Установлено что для стабилизации напряжения необходим
синхронизатор, диапазон изменения момента, который нужно досин-
хронизировать, составляет от 5 Нм до 12 Нм.
Определены номинальные входные параметры СДГУ мощ-
ностью 3 кВт (скорость ветра, 5,23 м/с и напряжение на выходе
ФЭП, 24 В).
В третьей главе проведены экспериментальные исследова-
ния, которые состоят из двух этапов: вычислительный эксперимент,
исследование натурного образца.
Определены показатели планирования эксперимента объекта
исследования. По полученным значениям целевых функций постро-
ена квадратичная модель. По результатам расчетов получены регу-
лировочные характеристики зависимости вращающего и синхрони-
зирующих моментов СДГУ от входных параметров (рисунок 4).
50,25
2050,20

050,15

1218243650,10
М син.2, Нм

‐20
v=1 м/c50,05
f, Гц

‐40v=3 м/c
50,00
v=5,23 м/c
‐60v=7 м/c49,95
49,90
‐80
49,85
‐100
49,80
‐12035,2379
V, м/с
U фэп, В
Uфэп=24 В, Эксп. ‐ΔUфэп=24 В, Эксп.Uфэп=24 В, Эксп. +ΔUфэп=24 В, расч.

а) Зависимость Mсин = UФЭП(t) СДГУб) Зависимость fвых = Vв при
при изменении скорости ветранапряжении на выходе ФЭП 24 В
Рисунок 4 – Регулировочные характеристики СДГУ

Наибольшее влияние на величины целевых функций Uвых
(величина выходного напряжения СДГУ) и fвых (величины частоты
выходного напряжения СДГУ), оказывают величины скорости вет-
ра Vв и величина напряжение на выходе ФЭП UФЭП. Частота вы-
ходного напряжения СДГУ зависит от скорости ветра и не зависит
от напряжения на выходе ФЭП. На величину выходного напряже-
ния СДГУ наибольшее влияние из входных параметров оказывает
скорость ветра. В целях подтверждения основных теоретических
положений проведено экспериментальное исследование натурного
образца мощностью 3 кВт с записью регулировочных и внешних
характеристик (рисунок 5).

а) Фото лабораторного стенда
б) Принципиальная электрическая схема
Рисунок 5 – Лабораторный стенд для экспериментальных исследо-
ваний СДГУ мощностью 3 кВт

Адекватность математической модели и результатов матема-
тического экспериментов оценивалось с применением программно-
го комплекса «Statiatica». Величины Δ получены из программного
комплекса «Statistica» как допустимые отклонения искомой вели-
чины (экспериментальные кривые – сплошные линии красного цве-
та). Как видно из рисунков расчетные кривые находятся в допусти-
мом «коридоре» погрешности (рисунок 6).
230
Uвых., В
190
Iнагр., А 678
Uфэп=24 В; эксп.‐ΔUфэп=24 В; эксп.Uфэп=24 В; эксп.+ΔUфэп=24 В; расч

Рисунок 6 – Зависимости действующего значения устано-
вившегося выходного напряжения СДГУ от тока нагрузки при
напряжении на выходе ФЭП 24 В, полученные в ходе вычислитель-
ного эксперимента и эксперимента на натурном образце
Наложение графиков натурного эксперимента и математиче-
ского эксперимента показывают, что отклонение результатов мате-
матического эксперимента от натурного находится в пределах 5%.
В четвертой главе приведены анализ ущерба от прерываний
электроснабжения, возможности наращивания объемов производ-
ства и расчет экономической эффективности применения СДГУ на
биофабрике по производству ветеринарных препаратов. Стоимость
инвестиций в создание генерирующих мощностей на базе СДГУ
можно значительно уменьшить за счет отказа от силовых преобра-
зователей в системе электроснабжения. Дополнительный эффект
также получен за счет снижения ущербов от перерывов электро-
снабжения предприятия. Чисто дисконтированный доход за 5 лет
составил 1246 тыс. рублей, что значительно выше в сравнении со
случаем применения ДЭС – 83 тыс. рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги выполненного исследования
1. Анализ источников и потребителей электроэнергии био-
фабрик по производству ветеринарных препаратов показал, что
биофабрики имеют необходимость в наращивании объемов произ-
водства продукции и дефицит генерирующих мощностей, что при-
водит к экономическому ущербу порядка 2,5 млн. руб.
2. Разработана математическая модель синхронизированной
двухвходовой генераторной установки (СДГУ) на базе дифферен-
циальных уравнений, описывающих электромагнитные и электро-
механические процессы в СДГУ, которая позволяет получить
функциональные связи между динамическими характеристиками и
параметрами СДГУ. Величина выходного напряжения СДГУ про-
порциональна скорости ветра в степени 2,5.
3. Результаты математической модели показали необходи-
мость применения синхронизатора напряжения для получения на
выходе СДГУ синусоидального выходного напряжения и создания
синхронизирующего момента. Диапазон изменения момента син-
хронизации составляет от 0,1 Нм до 5,8 Нм (при изменении скоро-
сти ветра от 0,3 м/с до 9 м/с). Величина мощности синхронизатора
напряжения СДГУ должна составлять 0,525 кВт.
4. Разработана конструкция синхронизированной двухвходо-
вой генераторной установки, позволяющей одновременно преобра-
зовывать световую энергию Солнца и кинетическую энергию ветра
с синхронизацией этой установки с трехфазной сетью центрального
электроснабжения. Определены сопротивления обмоток СДГУ: со-
противление обмотки якоря подвозбудителя (R2 =0,95 Ом), сопро-
тивление основной обмотки возбуждения возбудителя (R4 = 210
Ом), сопротивление дополнительной обмотки возбуждения возбу-
дителя (R6=5 Ом) сопротивление обмотки якоря возбудителя (R7 =
0,95 Ом), сопротивление обмотки возбуждения основного генера-
тора (R9= 120 Ом), сопротивление обмотки якоря основного генера-
тора (R10=112 Ом).
5. Экспериментальноподтвержденаработоспособность
СДГУ, позволяющей поддерживать параметры выходного напря-
жения установки (амплитуду и частоту) при изменении входных
параметров (скорость ветра изменяется в диапазоне 3 – 9 м/с, интен-
сивность солнечного излучения – напряжение на зажимах ФЭП из-
меняется в диапазоне 12-36 В) в заданных пределах (отклонение
амплитуды напряжения не белее 4,5 %, отклонение частоты напря-
жения – не более 0,15 Гц).
6. Получены внешние и регулировочные характеристики
СДГУ, которые позволяют учитывать влияние параметров СДГУ
(активные сопротивления обмоток) и внешних факторов (скорость
ветра и интенсивность солнечного излучения) на параметры выход-
ного напряжения установки (амплитуда и частота выходного
напряжения) для поддержания этих параметров в заданных преде-
лах. Полученные экспериментально характеристики близки к рас-
четным, погрешность при этом составляет до 5%.
7. Создание генерирующих мощностей на базе СДГУ позво-
лят уменьшить стоимость инвестиций в создание генерирующих
мощностей на базе ВИЭ за счет отказа от силовых преобразовате-
лей в системе и получить поступление денежных средств выражен-
ный в чисто дисконтированном доходе 1246 тыс. рублей за 5 лет.
Использование СДГУ для устранения дефицита мощностей био-
фабрики обеспечит снижение технологического ущерба, что приве-
дет к годовому доходу в 3423 тыс. рублей, срок окупаемости 4,16
года.
Рекомендации производству
При изготовлении СДГУ рекомендуется применять высоко-
эффективный способ изготовления магнитопроводов аксиальных
электрических машин (патент РФ №2475924), при котором соглас-
но технологии полностью отсутствуют отходы электротехнической
стали, за исключением неизбежной вырубки паза. При использова-
нии СДГУ необходимо провести предварительные расчеты для
оценки дефицита необходимой мощности.

Перспективы дальнейшей разработки темы
Используя теоретические и экспериментальные данные, полу-
ченные в ходе проведения исследований, можно разработать мате-
матическую модель установок для суммирования двух других раз-
нородных ВИЭ (например, мини ГЭС и ФЭП). Отдельного рас-
смотрения требуют вопросы разработки структурно-схемных реше-
ний управления параметрами СДГУ.