Асинхронный генератор с самовозбуждением: Асинхронные генераторы для локомобильных ТЭЦ — № 01 (28) февраль 2017 года — Тепловая энергетика — WWW.EPRUSSIA.RU

Разное

Содержание

Асинхронные генераторы для локомобильных ТЭЦ — № 01 (28) февраль 2017 года — Тепловая энергетика — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 01 (28) февраль 2017 года

Продолжая эту тему, рассмотрим проблему использования простого и надежного асинхронного генератора на таких ТЭЦ, что будет верно и для других электростанций данного мощностного класса.

Вопрос о применении асинхронных генераторов, в том числе создаваемых на базе распространенных и весьма надежных промышленных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, был обстоятельно изучен еще в середине прошлого века во Всесоюзном научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) и положительно разрешен на ряде электростанций в практических условиях сельской энергетики (А. П. Златковский. Электрооборудование сельских электрических установок. – 2‑е изд., перераб. и доп. – М., 1957). Этот вопрос стал снова актуален в связи с тем, что при высокоточной стабилизации частоты напряжения (50±0,2 Гц в нормальном режиме, как требуется по ГОСТ Р 54149‑2010), в частности, классическим методом может оказаться выгоднее использовать именно асинхронный генератор, а не более сложный и дорогой синхронный.

На рисунке показан фрагмент упрощенной электротепловой схемы включения паропоршневого двигателя ППД, управляемого по сигналам системы автоматического управления ССАУ, из состава локомобильной ТЭЦ для привода асинхронного электрического генератора ЭГ. Поток острого водяного пара ВП1 подается в ППД от соответствующего парового коллектора ТЭЦ. Поток отработавшего в ППД водяного пара ВП2 утилизируется в бойлер (пароводяной теплообменник) для нагрева воды потребителям. Система стабилизации частоты напряжения – классическая: с выпрямителем ВН и инвертором ИН напряжения высокостабильной частоты (см. выше). Опционально в состав данной системы может входить резервная аккумуляторная батарея АБ. Пунктирной линией условно показана байпасная кабельная сеть.

У любого асинхронного электродвигателя, приводимого во вращение от какого‑либо первичного двигателя, при достижении сверхсинхронной (на 5‑10 % выше синхронной) частоты вращения ротора на выходных клеммах обмотки статора появляется небольшое напряжение частотой 50 Гц от остаточного магнетизма. Если к этим клеммам параллельно с нагрузкой подключить трехфазную батарею конденсаторов, то через последние будет проходить реактивный ток, являющийся для асинхронного генератора намагничивающим. Генераторное напряжение на выходных клеммах обмотки статора будет постепенно возрастать, пока не достигнет некоторого предельного своего значения, зависящего от электрических и магнитных характеристик асинхронной машины и величины емкости конденсаторов.

Емкость конденсаторов необходимо выбирать так, чтобы номинальное напряжение и активная мощность асинхронного генератора соответствовали этим параметрам при его работе в качестве электродвигателя. Емкость на единицу мощности генератора зависит от его напряжения, частоты вращения ротора, мощности и коэффициента мощности нагрузки (Г. Н. Алюшин, Н. Д. Торопцев. Асинхронные генераторы повышенной частоты. Основы теории и проектирования. – М., 1974; Н. Д. Торопцев. Асинхронные генераторы автономных систем. – М., 1998). Так, индуктивная нагрузка (к примеру, электродвигатель переменного тока), понижающая коэффициент мощности, вызывает резкое увеличение емкости конденсаторов для асинхронного генератора. Кроме этого, с целью стабилизации генераторного напряжения при постоянной частоте вращения первичного двигателя необходимо с повышением электрической нагрузки, особенно индуктивной, увеличивать и емкость конденсаторов. Кстати, здесь уместно отметить, что весьма перспективным и инновационным методом высокоточного поддержания частоты вращения только поршневых двигателей является метод Дубинина – Шкарупы для реализации явления самостабилизации оборотов вала двигателя без организации обратных связей (С. О. Шкарупа. Использование точечного преобразования для аналитического описания переходного процесса в тепловом двигателе дискретного действия// Динамика сложных систем. – 2010. – № 2. – С. 39‑42).

Стабилизировать напряжение асинхронного генератора при постоянстве частоты вращения ротора и изменении электрической нагрузки возможно следующими самыми простыми способами:

1. К генератору постоянно и параллельно подключают базовые конденсаторы, емкость которых необходима для его возбуждения в режиме холостого хода. Рабочие конденсаторы добавляют также параллельно с помощью трехфазного выключателя при нагрузочном режиме работы генератора. С изменением электрической нагрузки соответственно изменяется и суммарная потребная емкость конденсаторов, а напряжение на выходных клеммах обмотки статора, таким образом, стабилизируется.

2. Как и в первом случае, к выходным клеммам обмотки статора генератора постоянно подключают базовые конденсаторы, емкость которых соответствует режиму холостого хода. Электрическую нагрузку генератора разбивают на несколько групп, включаемых со щита управления отдельными выключателями. Параллельно с нагрузкой на каждую группу включают конденсаторы соответствующей емкости, чтобы компенсировать падение напряжения в генераторе, вызванное подключением данной электрической нагрузки. При включении выключателя одновременно включаются и дополнительные рабочие конденсаторы, а напряжение остается стабильным.

Напряжение асинхронного генератора допустимо регулировать путем изменения частоты вращения первичного двигателя. Оно весьма чувствительно к изменению числа оборотов ротора. Поэтому при чисто активной нагрузке генератора достаточно бывает регулировать частоту вращения первичного двигателя, чтобы напряжение приводимого им асинхронного генератора оставалось стабильным, несмотря на изменение активной нагрузки от холостого хода до максимально допустимой.

Преимущества асинхронного генератора как альтернативы синхронному состоят в том, что базовые асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором являются наиболее надежными электрическими машинами. Они просты по своей конструкции, их могут обслуживать и ремонтировать специалисты средней квалификации. Они дешевле полноценных синхронных генераторов с электронной системой возбуждения, стабилизации напряжения и его частоты. Асинхронный генератор не боится коротких замыканий.

Наряду с отмеченными выше преимуществами асинхронный генератор с конденсаторным возбуждением, работающий в автономном режиме, имеет ряд недостатков. Они заключаются в том, что напряжение его весьма сильно колеблется при изменении электрической нагрузки и частоты вращения ротора. При индуктивной нагрузке потребная емкость конденсаторов резко возрастает. Как правило, по результатам исследований специалистов из ВИЭСХ, асинхронные генераторы можно использовать при работе электростанций, в том числе ТЭЦ, на чисто осветительную нагрузку, допуская лишь небольшую часть (до 25 %) силовой нагрузки. Однако следует учитывать, что современные энергосберегающие (компактные люминесцентные и светодиодные) лампы не являются чисто активной электрической нагрузкой, как лампы накаливания, и имеют некоторую реактивность. Мощность наибольшего электродвигателя, подключаемого к сети с асинхронным генератором, должна составлять не более 10 процентов от мощности самого генератора. Асинхронные генераторы с конденсаторным возбуждением рационально применять при мощностях до 15‑20 кВА. Однако этот предел нельзя рассматривать в качестве окончательного.

Мощность асинхронного генератора зависит от величины его скольжения: чем отрицательное скольжение больше, тем выше и мощность, развиваемая генератором. Отрицательное скольжение увеличивается с повышением частоты вращения ротора.

Асинхронные генераторы, которые возбуждаются от конденсаторов, являются самовозбуждающимися. Однако изложенную выше точку зрения, что причиной их самовозбуждения является остаточный магнетизм (остаточное магнитное поле) ротора, сегодня считают ошибочной. Установлено, что самовозбуждения асинхронных генераторов возможно достичь и без остаточного магнетизма ротора. Особенно этот эффект проявляется при высоких частотах вращения ротора.

Завершая рассмотрение вопросов работы и эксплуатации асинхронных генераторов с конденсаторным возбуждением, необходимо сказать несколько слов о современных конденсаторах. Среди отечественных типов можно отметить следующие: КБГ-МН (бумажные), БГТ (бумажные, термостойкие), МБГЧ (бумажные с металлизированными обкладками).

Перспективными для использования при работе с асинхронными генераторами являются отечественные пленочные конденсаторы типа К78–17 (Н. Д. Торопцев. Электрические машины сельскохозяйственного назначения: научно-практическое издание. – М., 2005).

Их металлизированная полипропиленовая пленка толщиной около 6,8 мкм обладает свойством самовосстановления. Такие конденсаторы предназначены для работы в цепях переменного тока номинальной частотой, равной 50 Гц. Номинальное напряжение – 250 и 450 В. По своему внешнему конструктивному исполнению эти конденсаторы выпускаются в цилиндрических корпусах. Массовые и габаритные показатели у конденсаторов типа К78–17 существенно лучше, чем у конденсаторов традиционных конструкций (см. выше). Например, при рабочем напряжении, равном 250 В, и емкости – 10 мкФ масса конденсатора типа МБГЧ составляет 270 г. При тех же электрических параметрах масса конденсатора типа К78–17 равна 80 г.

Таким образом, при электрической нагрузке локомобильных ТЭЦ, как и любых других электростанций микромощного класса, которая не является очень требовательной к качеству питающего напряжения и его частоты, асинхронные генераторы на базе электродвигателей с короткозамкнутым ротором и простым конденсаторным возбуждением могут стать реальной альтернативой дорогим и сложным по конструкции синхронным генераторам. Речь идет, в первую очередь, об осветительной нагрузке и электродвигателях для привода водяных насосов постоянного напора, ручного электроинструмента, пилорам.

Синхронный и асинхронный генераторы. Отличия

Генератор — устройство, преобразующее один вид энергии в другой.

В данном случае рассматриваем преобразование механической энергии вращения в электрическую.


Различают два типа таких генераторов. Синхронные и асинхронные.

Синхронный генератор. Принцип действия

Отличительным признаком синхронного генератора является жёсткая связь между частотой f переменной ЭДС, наведённой в обмотке
статора, и частотой вращения ротора n , называемой синхронной частотой вращения:


n = f / p


где p – число пар полюсов обмотки статора и ротора.

Обычно частота вращения выражается в об/мин, а частота ЭДС в Герцах (1/сек), тогда для количества оборотов в минуту формула примет вид:


n = 60·f / p




На рис. 1.1 представлена функциональная схема синхронного генератора. На статоре 1 расположена трёхфазная обмотка, принципиально не отличающаяся от аналогичной обмотки асинхронной машины. На роторе расположен электромагнит с обмоткой возбуждения 2, получающей питание постоянным током, как правило, через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, расположенных на роторе, и двух неподвижных щёток.

В некоторых случаях в конструкции ротора синхронного генератора вместо электромагнитов могут использоваться постоянные магниты, тогда необходимость в наличии контактов на валу отпадает, но существенно ограничиваются возможности стабилизации выходных напряжений.


Приводным двигателем (ПД), в качестве которого используется турбина, двигатель внутреннего сгорания либо другой источник механической энергии, ротор генератора приводится во вращение с синхронной скоростью. При этом магнитное поле электромагнита ротора также вращается с синхронной скоростью и индуцирует в трёхфазной обмотке статора переменные ЭДС EA , EB и EC , которые будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 1/3 периода (120°), образуют симметричную трёхфазную систему ЭДС.


C подключением нагрузки к зажимам обмотки статора С1, С2 и С3 в фазах обмотки статора появляются токи
IA, IB, IC , которые создают вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора. Таким образом, в синхронном генераторе магнитное поле статора и ротор вращаются синхронно. Мгновенное значение ЭДС обмотки статора в рассматриваемом синхронном генераторе


e = 2Blwv = 2πBlwDn


Здесь:
B – магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсами ротора, Тл;
l – активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, т.е. длина сердечника статора, м;
w – количество витков;
v = πDn – линейная скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с;
D – внутренний диаметр сердечника статора, м.


Формула ЭДС показывает, что при неизменной частоте вращения ротора n форма графика переменной ЭДС обмотки якоря (ста-
тора) определяется исключительно законом распределения магнитной индукции B в зазоре между статором и полюсами ротора. Если график магнитной индукции в зазоре представляет собой синусоиду B = Bmax sinα , то ЭДС генератора также будет синусоидальной. В
синхронных машинах всегда стремятся получить распределение индукции в зазоре как можно ближе к синусоидальному.



Так, если воздушный зазор δ постоянен (рис. 1.2), то магнитная индукция B в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (график 1). Если же края полюсов ротора «скосить» так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен δmax (как это показано на рис. 1.2), то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (график 2), а, следовательно, и график ЭДС, индуцированной в обмотке генератора, приблизится к синусоиде.
Частота ЭДС синхронного генератора f (Гц) пропорциональна синхронной частоте вращения ротора n (об/с)


f = pn


где p – число пар полюсов.

В рассматриваемом генераторе (см. рис.1.1) два полюса, т.е. p = 1.

Для получения ЭДС промышленной частоты (50 Гц) в таком генераторе ротор необходимо вращать с частотой n = 50 об/с (n = 3000 об/мин).

Способы возбуждения синхронных генераторов


Самым распространенным способом создания основного магнитного потока синхронных генераторов является электромагнитное возбуждение, состоящее в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения, при прохождении по которой постоянного тока, возникает МДС, создающая в генераторе магнитное поле.
До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись преимущественно специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 1.3, а). Обмотка возбуждения (ОВ) получает питание от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ).
Ротор синхронного генератора, возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронного генератора поступает через контактные кольца и щётки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя r1 и подвозбудителя r2 .
В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.


В синхронных генераторах получила применение также бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе. В качестве возбудителя в этом случае применяют обращенный синхронный генератор переменного тока В (рис. 1.3, б). Трехфазная обмотка 2 возбудителя, в которой наводится переменная ЭДС, расположена на роторе и вращается вместе с обмоткой возбуждения синхронного генератора и их электрическое соединение осуществляется через вращающийся выпрямитель 3 непосредственно, без контактных колец и щёток. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя В осуществляется от подвозбудителя ПВ – генератора постоянного
тока. Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронного генератора позволяет повысить её эксплуатационную надёжность и увеличить КПД.


В синхронных генераторах, в этом числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.4, а), когда
энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий
трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь ПП преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счёт остаточного магнетизма машины.



На рис. 1.4, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подаётся в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора возбуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на входе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты (БЗ), обеспечивающий защиту обмотки возбуждения (ОВ) от перенапряжения и токовой перегрузки.


Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5 % полезной мощности (меньшее значение относится к генераторам большой мощности).

В генераторах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, расположенными на роторе машины. Такой способ возбуждения даёт возможность избавить генератор от обмотки возбуждения. В результате конструкция генератора существенно упрощается, становится более экономичной и надёжной. Однако, из-за высокой стоимости материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничено машинами мощностью не более нескольких киловатт.


Синхронные генераторы составляют основу электроэнергетики, так как практически вся электроэнергия во всём мире вырабатывается посредством синхронных турбо- или гидрогенераторов.


Так же синхронные генераторы находят широкое применение в составе стационарных и передвижных электроустановок или станций в комплекте с дизельными и бензиновыми двигателями.

Асинхронный генератор. Отличия от синхронного


Асинхронные генераторы принципиально отличаются от синхронных отсутствием жесткой зависимости между частотой вращения ротора и вырабатываемой ЭДС. Разницу между этими частотами характеризует коэффициент s — скольжение.


s = (n — n r )/n


здесь:
n — частота вращения магнитного поля (частота ЭДС).
n r — частота вращения ротора.


Более подробно с расчётом скольжения и частоты можно ознакомиться в статье: асинхронные генераторы. Частота.


В обычном режиме электромагнитное поле асинхронного генератора под нагрузкой оказывает тормозной момент на вращения ротора, следовательно, частота изменения магнитного поля меньше, поэтому скольжение будет отрицательным.
К генераторам, работающим в области положительных скольжений, можно отнести асинхронные тахогенераторы и преобразователи частоты.


Асинхронные генераторы в зависимости от конкретных условий применения выполняются с короткозамкнутым, фазным или полым ротором. Источниками формирования необходимой энергии возбуждения ротора могут являться статические конденсаторы или вентильные преобразователи с искусственной коммутацией вентилей.


Асинхронные генераторы можно классифицировать по способу возбуждения, характеру выходной частоты (изменяющаяся, постоянная),
способу стабилизации напряжения, рабочим областям скольжения, конструктивному выполнению и числу фаз.

Последние два признака характеризуют конструктивные особенности генераторов.


Характер выходной частоты и методы стабилизации напряжения в значительной степени обусловлены способом образования магнитного потока.
Классификация по способу возбуждения является основной.


Можно рассмотреть генераторы с самовозбуждением и с независимым возбуждением.


Самовозбуждение в асинхронных генераторах может быть организовано:

а) с помощью конденсаторов, включенных в цепь статора или ротора или одновременно в первичную и вторичную цепи;

б) посредством вентильных преобразователей с естественной и искусственной коммутацией вентилей.


Независимое возбуждение может осуществляться от внешнего источника переменного напряжения.


По характеру частоты самовозбуждающиеся генераторы разделяются на две группы. К первой из них относятся источники практически постоянной (или постоянной) частоты, ко второй переменной (регулируемой) частоты. Последние применяются для питания
асинхронных двигателей с плавным изменением частоты вращения.


Более подробно рассмотреть принцип работы и конструктивные особенности асинхронных генераторов планируется рассмотреть в отдельных публикациях.


Асинхронные генераторы не требуют в конструкции сложных узлов для организации возбуждения постоянным током или применения дорогостоящих материалов с большим запасом магнитной энергии, поэтому находят широкое применение у пользователей передвижных электроустановок по причине своей простоты и неприхотливости в обслуживании. Используются для питания устройств, не требующих жёсткой привязки к частоте тока.

Техническим достоинством асинхронных генераторов можно признать их устойчивость к перегрузкам и коротким замыканиям.

С некоторой информацией по мобильным генераторным установкам можно ознакомиться на странице:
Дизель-генераторы.
Асинхронный генератор. Характеристики.
Асинхронный генератор. Стабилизация.


Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Асинхронный генератор

Подробности
Категория: Электрические машины

При вращении ротора асинхронной машины, включенной в сеть с источниками реактивной мощности (перевозбужденные синхронные генераторы, двигатели, компенсаторы и конденсаторы), с частотой, большей частоты вращения магнитного поля (Q > Qj), ЭДС в обмотке ротора изменяет свое направление на противоположное по сравнению с двигательным режимом. Вследствие этого изменяют свое направление активные составляющие токов /2 и 1Х (по сравнению с двигательным режимом), машина отдает активную мощность в сеть и работает в режиме генератора. Необходимую для образования вращающегося магнитного поля реактивную мощность асинхронный генератор потребляет из сети, нагружая дополнительным реактивным током синхронные машины, которые включены в сеть параллельно с ним. Это потребление реактивной мощности является основным недостатком асинхронного генератора, препятствующим его широкому распространению.

Асинхронные генераторы выполняются преимущественно с короткозамкнутой обмоткой ротора и имеют ограниченное применение, главным образом на малых гидроэлектростанциях, работающих без обслуживающего персонала, так как они могут эксплуатироваться без систем регулирования частоты и напряжения.
Помимо работы параллельно с сетью переменного тока, имеющей источники реактивной мощности, возможна активная работа асинхронного генератора в режиме самовозбуждения (от потока остаточного магнетизма ротора), если к выводам статора подключить конденсаторы, которые должны служить источником реактивной мощности необходимой для возбуждения магнитного поля в генераторе (рис. 1). При работе на активно-индуктивную нагрузку конденсаторы служат источником реактивной мощности для нагрузки.

Рис. 1. Схема включения асинхронного генератора при работе с самовозбуждением:
АГ — асинхронный генератор; ПД — приводной двигатель; С — конденсаторы; Zw — сопротивление нагрузки

Мощность конденсаторов в схеме асинхронного генератора с самовозбуждением близка к его номинальной активной мощности. По этой причине такие генераторы много дороже синхронных, которые генерируют как активную, так и реактивную мощность и не нуждаются в ее дополнительных источниках. В последнее время для самовозбуждения асинхронных генераторов стали применять статические источники реактивной мощности с управляемыми полупроводниковыми вентилями (тиристорами). Асинхронные генераторы с такими источниками реактивной мощности приближаются по своей эффективности к синхронным генераторам.

Асинхронный электрический генератор.Возбуждение асинхронного генератора

Принцип работы асинхронного электрического генератора

Во всех случа­ях асинхронная электрическая машина потребляет из сети реактивную мощность, необходимую для создания магнитного поля. При автономной работе асинхронной электрической машины в генераторном режиме магнитное поле в воздушном зазоре создается в результате взаимодействия магнитной движущийся силы магнитной силы всех фаз и магнитной движущийся силы обмотки ротора. Характер распределения магнитной движущийся силы точ­но такой же, как и в асинхронном электрическом двигателе(АД) , он также определяет характер распределения магнитного поля на полюсном делении. В асинхронном генераторе этот поток весьма близок к си­нусоидальному и при вращении ротора индуцирует в фазах статора и в обмотке ротора ЭДС Е| и Е2, которые можно принять синусоидальными.
В отличие от асинхронного электрического двигателя в  асинхронном электрическом генераторе в данном случае ЭДС Е1 и Е2 являются активными, поддерживают ток в соответствующих цепях и в нагрузке, подклю­ченной к выходным зажимам.

В установившемся режиме работы основные соотношения для асинхронного электрического генератора с самовозбуждением определя­ются из схемы замещения. Основное отличие только в том, что к ее выводам подключено сопро­тивление нагрузки 2Н = Кн +]ХН и конденсаторы для обеспечения само­возбуждения и регулирования на­пряжения при изменении нагрузки асинхронного электрического генератора  с сопротивлениями Хс = 1/соС и Хск = 1/соСк.
Как видно, напряжение при работе под нагрузкой изменяется как за счет падения напряжения на сопротивлениях r1 и х1, так и за счет сни­жения магнитного потока Фот , связанного с размагничивающим действи­ем магнитной движущийся силы  ротора. Если магнитная цепь асинхронного электрического генератора выполнена с достаточно силь­ным насыщением, то поток Фот остается почти постоянным и напряжение U1 при увеличении нагрузки изменяется в меньшей степени, а его внешняя характеристика получается более «жесткой».

Способы регулирования напряжения автономного асинхронного генератора. Самовозбуждение асинхронного электрического генератора

Особенности самовозбуждения асинхронного генератора. Асинхронный элетродвигатель, под­ключенный к трехфазной сети переменного тока, при частоте вращения ротора, больше, чем частота вращения поля статора, переходит в генера­торный режим и отдает в сеть активную мощность, потребляя из сети ре­активную мощность, необходимую для создания вращающегося магнитно­го поля взаимной индукции. Тормозной электромагнитный момент, дейст­вующий на роторе, преодолевается приводным двигателем — дизелем, гид­ротурбиной, ветродвигателем и т.п.
Для возбуждения  асинхронного электрогенератора необходимо наличие источника реактивной мощности — батареи конденсаторов или синхронно­го компенсатора, подключенных к обмотке статора. При этом почти есте­ственной представляется работа асинхронного генератора  при сверх синхронном скольжении, ко­гда скорость вращения ротора выше скорости вращающегося магнитного поля. Однако практически асинхронный генератор может возбуждаться при частоте вращения ротора, значительно меньшей синхронной, причем значения напряжения и частоты тока оказываются пропорциональными частоте вращения ротора и, кроме того, зависящими от схемы соединения конденсаторов. Так, в эксперименте ( по опытным данным гл. инж. Штефана А.М. (НК ЭМЗ, г. Н.Каховка)) конденсаторный асинхронный мотор-редуктор типа АИРУ112-М2 при соединении бата­реи конденсаторов емкостью 3×120 мкФ в «звезду» возбуждается при ско­рости пр= 2133 об/мин с напряжением ГГф = 60 В и током фазы 1ф = 0,8 А, а при соединении тех же конденсаторов в «треугольник» напряжение  =52 В и ток 1ф = 1,4А возникают при скорости пр= 1265 об/мин.

Весьма интересное явление наблюдалось в асинхронном генераторе серии А ИМН 90-L4 при включении емкости 40 мкФ только в одну из трех фаз. В этом случае возбуждение асинхронного генератора наступило при скорости п2 = 1369 об/мин с параметрами U1ф = =209 В, I = 1,29 А, Г = 44 Гц. При емкости С = 60 мкФ, включенной в одну из фаз, параметры возбуждения асинхронного электрогенератора были равны: п2 — 1300 об/мин, U = 500 В, I = 6,4 А, Г = 124 Гц. При увеличении частоты вращения ротора до син­хронной (1500 об/мин) наблюдалось увеличение частоты тока до 400Гц. В некоторых случаях, наоборот, не удавалось добиться устойчивого возбуж­дения асинхронного генератора  даже при сверх синхронной частоте вращения ротора. Например, для намагниченных гладких стального массивного и шихтованного рото­ров самовозбуждения не возникало при любых величинах присоединенной емкости.

Для массивного стального ротора с тонким экраном из меди, а также для массивного стального зубчатого ротора с торцовыми медными конца­ми АГ устойчиво возбуждается при расчетном значении емкости. Асин­хронная машина с гладкими роторами из меди или алюминия возбуждает­ся без каких-либо дополнительных воздействий извне.

Таким образом, физические процессы самовозбуждения асинхронного генератора с пол­ным основанием можно отнести к недостаточно изученным, что связано, по нашему мнению, с преимущественным использованием до настоящего времени АМ в качестве двигателя, с разработкой для него теории, расчет­ных методик и проектирования, а для генераторного режима эти машины проектировались и выпускались достаточно редко.
В маломощных системах генерирования применяются, как правило, АМ, предназначенные для работы в двигательном режиме с конденсатор­ным возбуждением.

Описание процесса самовозбуждения на принципе остаточной намагниченности магнитной цепи.

Современные работы по са­мовозбуждению АГ с помощью статических конденсаторов по­строены на трех подходах. Один из них базируется на принципе остаточной намагниченности маг­нитной цепи машины, начальная ЭДС от которой затем усиливает­ся емкостным током в статоре . Рассмотрим этот подход.

Автономная работа асинхронного генератора в режиме самовозбуждения от потока остаточного намагничивания возмож­на, если к выводам обмотки статора подключить конденсаторы, необходи­мые как источник реактивной мощности от для возбуждения магнитного поля асинхронного электрогенератора, а при его работе на активно-индуктивную нагрузку эти конденсаторы должны служить источником реактивной мощности 0Н и для нагруз­ки.

Понравилось это:

Нравится Загрузка…

Похожее

Коллекции — Открытые архивы — KYRLIBNET


 


скачать FoxitReader

скачать WinDjView



Авторефераты диссертаций

  (1)

  (2)

  (1)

  (1)

  (2)

  (1)

  (5)

  (32)

  (10)

  (19)

  (30)

  (40)

  (3)

  (5)

  (3)

  (11)

  (8)

  (3)

  (2)

  (40)

  (5)

  (13)

  (7)

  (3)

  (13)

  (1)

  (1)

  (1)

Диссертации

  (2)

  (2)

  (1)

  (2)

  (10)

  (6)

  (10)

  (20)

  (1)

  (39)

  (4)

  (12)

  (6)

  (3)

  (2)

  (2)

  (36)

  (5)

  (12)

  (1)

  (4)

  (1)

  (15)

  (1)

  (1)

  (1)

Вестники ВУЗов и ГПТБ

  (142)

  (12)

  (513)

  (57)

  (3)

  (9)

  (22)

  (77)

  (201)

  (291)

  (97)

  (545)

  (232)

  (706)

  (2160)

  (1596)

  (7)

  (9)

  (2019)

  (120)

  (895)

  (18)

  (102)

  (14)

  (670)

  (257)

  (283)

  (226)

  (1350)

  (1)

  (1730)

  (502)

  (57)

  (21)

  (48)

  (8)

  (3)

  (1)

  (17)

  (168)

  (35)

  (14)

  (11)

  (8)

  (19)

  (157)

  (24)

  (1)

  (1)

  (21)

  (5)

  (3)

  (1)

  (60)

  (5)

  (2)

  (24)

  (17)

  (65)

  (207)

  (3)

  (4)

  (4)

  (10)

  (112)

  (8)

  (64)

  (58)

  (13)

  (24)

  (17)

  (2119)

  (15)

  (3)

  (564)

  (18)

Монографии, учебники и патентная документация

  (1)

  (1)

  (2)

  (1)

  (8)

  (3)

  (4)

  (9)

  (13)

  (6)

  (20)

  (72)

  (9)

  (21)

  (4)

  (3)

  (22)

  (5)

  (1)

  (2)

  (2)

  (1)

  (1)

  (1)

  (1)

Лекции и методические пособия

  (5)

  (51)

  (3)

  (2)

  (10)

  (7)

  (9)

  (8)

  (3)

  (4)

  (10)

  (106)

  (4)

  (21)

  (1)

  (55)

  (12)

  (96)

  (15)

  (1)

  (1)

  (226)

  (22)

  (1)

  (5)

  (4)

  (8)

  (4)

  (13)

Отчеты НИР

  (1)

Сборники в помощь малому и среднему бизнесу

  (15)

Обзорная информация и библиографические указатели ГПТБ

  (42)

  (7)

 

Трехфазный асинхронный генератор

Асинхронному двигателю свойственен принцип обратимости электрических машин, согласно которому, он может работать в режиме асинхронного генератора и отдавать электроэнергию во внешнюю сеть.


Для того чтобы перейти в режим генератора, ротор двигателя должен вращаться другим приводным двигателем (ПД), с частотой больше частоты вращения магнитного поля (синхронной). При этом скольжение двигателя становится отрицательным, а  ЭДС ротора меняет свое направление на противоположное. Токи, возникающие под действием ЭДС, меняют свое направление, и генератор начинает отдавать энергию в сеть. Электромагнитный момент на роторе, также меняет свое направление и становится для приводного двигателя тормозящим. Таким образом, на выводах обмотки статора можно получить переменное напряжение, величина которого будет зависеть от схемы соединения.

Для того чтобы создавать вращающееся магнитное поле, генератору требуется реактивная энергия, которую он потребляет из сети, то есть должно происходить возбуждение. Без возбуждения работа генератора невозможна. Именно по этой причине, асинхронный генератор не получил широкого распространения.

Возбуждение может происходить и другим путем – самовозбуждением. При этом к выводам статора подключается батарея конденсаторов, которая является источником реактивной мощности. Таким образом, генератор может работать автономно, то есть вырабатывать энергию при отсутствии внешнего источника. Это свойство используются в различных ветровых генераторах и на малых гидроэлектростанциях.

Батарея конденсаторов, сильно удорожает всю систему, что также влияет на распространение асинхронных генераторов.

Но генераторный режим асинхронного двигателя используется не только для получения электроэнергии, но и в процессах торможения двигателя. Например, при генераторном торможении, когда груз, опускаясь, заставляет вращаться ротор со скоростью большей синхронной и двигатель начинает отдавать энергию в сеть.

В качестве асинхронных генераторов, в основном применяют двигатели с короткозамкнутым ротором. Так как улучшенные пусковые характеристики двигателя с фазным ротором, в данном случае не требуются.

Читайте также — Асинхронный преобразователь частоты

  • Просмотров: 4786
  • Инверторное возбуждение асинхронного генератора Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

    98

    Общетехнические задачи и пути их решения

    Библиографический список

    1. Universal Space-Time Coding / H. El. Gamal, M. O. Damen // IEEE transactions on information theory. — May 2003. — Vol. 49. — №. 5. — Pp. 1097-1119.

    2. High-Rate Full-Diversity Space-Time-Frequency Codes for Broadband MIMO Block-Fading Channels / Wei Zhang, Xiang-Gen Xia, P. C. Ching // IEEE transactions on communications. — January 2007. — Vol. 55. — № 1. — Pp. 25-34.

    3. Построение кодовых слов пространственно-частотно-временных кодов / М. В. Гофман // Программные продукты и системы. — 2010. — № 3. — C. 149-151.

    4. Full-Diversity Full-Rate Complex-Field Space-Time Coding / Xiaoli Ma, Georgios B. Giannakis // IEEE transactions on signal processing. — November 2003. — Vol. 51. — № 11. -Pp. 2917-2930.

    5. A systematic design of high-rate full-diversity space-frequency codes for MIMO-OFDM systems / T. Kiran, B. S. Rajan // ISIT 2005, 4-9 Sept. 2005. — Pp. 2075-2079.

    Статья поступила в редакцию 25.10.2010;

    представлена к публикации членом редколлегии А. А. Корниенко.

    УДК 621.313.3.621.314.5

    Л. С. Гришуков, А. В. Колесова, С. Л. Колесов

    ИНВЕРТОРНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

    Рассмотрены особенности электромагнитных процессов, возникающих при работе асинхронной электрической машины с инвертором в генераторном режиме; сформулированы требования к условиям самовозбуждения при переходе из двигательного в автономный генераторный режим для различных алгоритмов управления тиристорами.

    асинхронный генератор, автономный инвертор, самовозбуждение, алгоритмы управления.

    Введение

    Работа асинхронной машины генератором в режиме инверторного возбуждения (от АИН) имеет целый ряд практически необъясненных моментов [1]. К ним относится падающая внешняя характеристика генератора. Это выражается в том, что при подключении к зажимам обмотки статора или на вход инвертора активного сопротивления и при уменьшении этого сопротивления происходит резкое размагничивание генератора. Следующий вопрос заключается в том, что при постоянном скольжении генератор развивает максимальный тормозной момент при бесконечно большом активном сопротивлении нагрузки. Уменьшение нагрузочного сопро-

    2010/4

    Proceedings of Petersburg Transport University

    Общетехнические задачи и пути их решения

    99

    тивления приводит к уменьшению тормозного момента и в конечном счете к невозможности генераторного режима работы.

    В работах [1], [2] плохо пояснен момент перехода работы асинхронной машины в автономный генераторный режим, т. е. работа машины при отключенной сети. Переход в автономный генераторный режим работы происходит при скольжениях, больших некоторой минимальной величины. При скольжении, близком к нулю, невозможен автономный генераторный режим работы.

    1 Электромагнитные процессы в автономном асинхронном генераторе

    На рис. 1, а представлены осциллограммы изменения фазных токов асинхронной машины при ее работе в автономном генераторном режиме с допущениями, оговоренными в [2]. Сеть и сопротивление нагрузки отключены. К входным зажимам инвертора напряжения подключен конденсатор фильтра Сф . На рис. 1, б представлены схемы подключения фаз машины на шести интервалах полного цикла изменения выходного напряжения при 180градусном управлении инвертором. При этом через интервал времени, рав-

    п

    ный —, происходит коммутация очередного тиристора; в соответствии с заданным алгоритмом изменяется схема включения фаз асинхронной машины.

    п

    В качестве первого интервала времени (0 — —) принят интервал, в котором фазы А и С машины присоединены к положительному зажиму конденсатора фильтра Сф, а фаза В — к отрицательному. На этом интервале напряжение фазы А изменяет свою величину с отрицательного на положительное значение. Реактивная составляющая тока фазы А проходит через свою амплитуду. Фазы А и С образуют контур короткого замыкания, в котором фаза А отдает энергию, запасенную в магнитном поле, фазе С. Фаза В обменивается энергией с конденсатором Сф, отдавая ему энергию через фазу А и получая ее обратно через фазу С.

    п

    В конце первого интервала (—) происходит коммутация, вследствие

    которой фаза С отключается от положительного зажима конденсатора Сф и подключается к его отрицательному зажиму.

    началом образования второго интервала работы машины

    3

    . На

    втором интервале работы создается новый короткозамкнутый контур из фаз В и С. В этом контуре энергия, накопленная в магнитном поле фазы С, передается фазе В. Фаза А обменивается энергией с конденсатором Сф, отдавая ему энергию через фазу С и получая ее обратно через фазу В.

    ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

    2010/4

    100

    Общетехнические задачи и пути их решения

    а)

    В A

    3 3

    C В

    J+ я с* Рт Hi с* Pt 1 я

    18

    t8

    3

    3

    A

    C

    В

    С

    С

    С

    ф

    ф

    C

    A

    В C

    CA

    A В

    Рис. 1. Токи и напряжения в фазах инвертора

    2010/4

    Proceedings of Petersburg Transport University

    Общетехнические задачи и пути их решения

    101

    Таким образом, имеет место процесс обмена энергией между обмотками статора и протекает процесс обмена энергией статора с ротором. Эти процессы определяются величиной механической мощности на валу машины. Процесс преобразования энергии носит циклический характер. Цикличность этого процесса определяется выходной частотой инвертора,

    п

    интервалы повторяются через —. Рассмотрим физическую основу элек-

    тромагнитного процесса, протекающего в машине при ее работе в автономном генераторном режиме на примере первого интервала времени

    (

    V

    0… —

    Для определения правильного направления токов в фазах маши-

    ны были исследованы осциллограммы не только фазных токов, но и токов, протекающих через плечи анодной и катодной групп АИН и тока ротора.

    Исследование осциллограмм позволило определить направление контурных токов в короткозамкнутых фазах на всех интервалах.

    Направление контурных токов показано на рис. 1, б. На первом интер-

    вале

    0…3

    V

    ток фазы А проходит через обратный диод анодного плеча

    фазы и разветвляется на два тока, один из которых идет к конденсатору фильтра, а другой через главный тиристор анодного плеча фазы С замыкается по контуру фаз А и С.

    При работе машины в генераторном режиме к ее ротору подводится механическая энергия. Коммутацией искусственно образуется короткозамкнутый контур фаз А и С. За счет потерь энергии на активном сопротивлении этого контура его потокосцепление уменьшается и уменьшается контурный ток. Контур фаз А, С магнитно связан с ротором. Изменение контурного тока приводит к изменению его потокосцепления с ротором, т. е. имеется трансформаторная связь ротора и контура А, С.

    Трансформаторная связь короткозамкнутого контура А, С с ротором определяет появление в роторе и статоре токов, изменяющихся с несущей частотой. Эти токи создают пульсирующее поле, которое вызывает в роторе и статоре, как в короткозамкнутом трансформаторе, потери электрической энергии. Кроме того, в машине существует вращающееся магнитное поле, определяемое выходной частотой инвертора. Это поле наводит в проводниках ротора ЭДС, определяемую частотой скольжения. Процессы, вызванные вращающимся магнитным полем и трансформаторной связью ротора и короткозамкнутого контура двух фаз статора, совместно определяют физическую природу процесса возбуждения машины и преобразования энергий, т. е. физическую природу и характер протекания всего электромагнитного процесса работы асинхронной машины в автономном генераторном режиме.

    ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

    2010/4

    102

    Общетехнические задачи и пути их решения

    Наличие постоянно действующего с циклической последовательностью изменяемого контура короткого замыкания двух фаз обмотки статора приводит к целому ряду особенностей работы асинхронного генератора от АИН. Эти особенности заключаются в резко выраженном несимметричном режиме работы машины, появлении дополнительных потерь в короткозамкнутых обмотках и специфики формирования магнитного потока. Для выяснения этих особенностей рассмотрим схематически процесс образования магнитного поля машины.

    По обмотке статора течет переменный ток, который создает МДС, вступающую при работе машины во взаимодействие с ротором. Характер изменения этой МДС и форма ее распределения в зазоре могут быть определены графическим путем. На рис. 2 представлено графическое построение распределения МДС статора. На кривой распределения результирующей МДС статора четко определена область пульсаций потока, вызванная обменом энергии между ротором и короткозамкнутыми обмотками статора.

    Д(0)

    I

    а

    0

    2010/4

    Proceedings of Petersburg Transport University

    Общетехнические задачи и пути их решения

    103

    Из формы изменения кривых МДС статора видно влияние на работу асинхронной машины двух процессов вращающегося с частотой ш0 магнитного поля и пульсирующего поля, определяемого трансформаторной связью ротора и статора. На рис. 2 представлены результаты соответствующих построений для двенадцати точек на периоде от 0 до 2-. Сопоставление положения векторов МДС, полученных для выбранных точек, показывает, что вектор результирующей МДС статора вращается в зазоре с угловой частотой, определяемой частотой переключения тиристоров инвертора. Величина результирующей МДС статора при вращении изменяется от Fnax до Fmin. При этом за время одного периода результирующая

    МДС шесть раз достигает своего максимума, т. е. происходит пульсация результирующей МДС.

    2 Особенности самовозбуждения асинхронного генератора

    Асинхронная машина в режиме инверторного возбуждения может работать в автономном генераторном режиме при отключенном фильтровом конденсаторе. На рис. 3 представлены кривые распределения МДС в зазоре машины без учета коммутационного процесса. При отключении Сф в машине создается вращающееся магнитное поле, вектор которого в момент коммутации инвертора изменяет свое положение скачком на угол

    (

    3 J

    Между коммутациями это поле пульсирует, уменьшаясь от макси-

    мальной величины до минимальной, а затем возрастает до своей максимальной величины. На рис. 3 представлены графические построения положения вектора МДС статора F1 с учетом его изменения по величине.

    Работа машины при включенном конденсаторе Сф имеет ряд особенностей по отношению к ее работе с отключенным конденсатором. Эти особенности заключаются в том, что при включенном Сф обмотка статора создает вращающееся магнитное поле, а без конденсатора — «шагающее».

    Асинхронная машина в генераторном режиме работает только в состоянии самовозбуждения. Процесс самовозбуждения машины может быть представлен следующим образом. Остаточный поток ротора, вращаясь, наводит в обмотках статора переменную ЭДС. В трехфазной машине обмотки статора имеют пространственный сдвиг во времени. Поэтому и наводи-

    мая в них ЭДС также имеет сдвиг во времени. В момент времени

    (

    0… —

    3

    л

    )

    (рис. 4) в фазах А и С наводится положительная ЭДС. При этом в фазе А она увеличивается, а в фазе С уменьшается. Если в момент времени, когда

    ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

    2010/4

    104

    Общетехнические задачи и пути их решения

    еА > еС, замкнуть эти фазы, то по замкнутому контуру АС потечет ток,

    совпадающий по фазе с еА. Этот ток создаст поток статора, усиливающий

    поток ротора (см. рис. 4). Контур АС создает неподвижное в пространстве поле, которое увеличивается при увеличении поля ротора. С другой стороны в проводниках ротора, вращающихся в неподвижном поле статора, наводится ЭДС, направление которой показано на рис. 4. Под действием этой ЭДС по ротору течет отстающий от нее ток, который также увеличивает остаточный поток ротора.

    f!(0)

    I

    Рис. 3. МДС обмотки статора без учета коммутационных процессов

    2010/4

    Proceedings of Petersburg Transport University

    Общетехнические задачи и пути их решения

    105

    При дальнейшем вращении ротора (рис. 5) необходимо изменить положение поля статора. Для этого фаза А должна быть отключена от фазы С, а к фазе С подключена фаза В. В этом случае контур СВ продолжает усиливать поле ротора, одновременно наводя во вращающемся роторе большую ЭДС и больший ток, который еще больше усиливает поле машины. Увеличенное поле ротора в свою очередь наводит большие ЭДС в обмотках статора, и по ним течет большой ток. Таким образом, поле машины

    п

    продолжает усиливаться. При дальнейшем вращении ротора через угол —

    должен измениться замкнутый контур обмоток статора. Так, следующий интервал включает соединение фаз ВА, а фаза С отключается. Процесс

    ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

    2010/4

    106

    Общетехнические задачи и пути их решения

    возбуждения заканчивается, когда ЭДС, наводимые в обмотках, уравновешиваются падением напряжения на активных и реактивных сопротивлениях обмоток.

    Ф

    Ф

    Ф

    BC > ФAC 2(б) > Ф 2(a) S(2) > Ф£(1)

    Рис. 5. Распределение потоков при угле поворота ротора свыше

    п

    3

    Таково схематичное описание процесса самовозбуждения машины. Этот процесс имеет особенность, которая заключается в том, что в машине образуется два короткозамкнутых контура: короткозамкнутая обмотка ротора и искусственно созданный короткозамкнутый контур двух фаз обмотки статора. При изменении магнитного потока в этих контурах возникают процессы, аналогичные процессам в короткозамкнутом трансформаторе. Потери энергии в обмотках от этого взаимодействия должны быть компенсированы подводимой механической энергией.

    2010/4

    Proceedings of Petersburg Transport University

    Общетехнические задачи и пути их решения

    107

    Кроме того, если реактивная составляющая тока ротора усиливает поле, то активная, совпадающая по фазе с ЭДС, создает тормозной момент. Если к ротору не подводится дополнительная механическая энергия, то он тормозится и процесс возбуждения затухает. Если к ротору подводится энергия, которая компенсирует потери в машине, то процесс возбуждения развивается. В процессе увеличения напряжения обмотки статора должна возрастать и механическая энергия, подводимая к ротору, также будут возрастать магнитный поток и тормозной момент машины.

    Процесс самовозбуждения заканчивается при равенстве тормозного и механического моментов. При тормозном моменте, большем механического, ротор тормозится, в нем наводится меньшая ЭДС, по нему течет меньший ток. В этом случае уменьшается тормозной момент и процесс стабилизируется при равенстве моментов. В переходном процессе, при увеличении потока машины, статор усиливает поле ротора. В установившемся режиме обмотки статора и ротора, взаимодействуя друг с другом, создают результирующее поле машины. Если по каким-то причинам ток ротора увеличивается, то происходит размагничивание машины, так же как это происходит при короткозамкнутой обмотке трансформатора.

    Процесс самовозбуждения машины можно разделить на два процесса. Первым процессом следует считать усиление потока ротора искусственно созданным короткозамкнутым контуром из двух фаз обмотки статора. Изменение этих контуров позволяет циклически усилить магнитное поле машины. Магнитное поле короткозамкнутых фаз статора неподвижно в пространстве. При вращении ротора в неподвижном поле статора в проводниках ротора наводится ЭДС и по короткозамкнутой обмотке течет ток. Суть второго процесса заключается в том, что ток, возникающий в роторе на стадии самовозбуждения, также усиливает поле машины. Оба эти процесса определяют физическую сущность электромагнитного взаимодействия ротора и статора при самовозбуждении машины, работающей с автономным инвертором напряжения.

    Ток, текущий в роторе, создает тормозной момент, т. е. в машине выделяется энергия. Эта энергия должна быть компенсирована поступающей к валу механической энергией. В машине происходит преобразование энергии. Это преобразование возможно только в том случае, если по мере развития процесса самовозбуждения ротор начинает вращаться быстрее вращения поля статора.

    Процесс самовозбуждения невозможен без наличия остаточного потока ротора. Если ротор немагнитный, то невозможен и процесс автономного генераторного режима работы машины. Иными словами, становится невозможным инверторное возбуждение машины. В случае немагнитного ротора генераторный тормозной режим работы асинхронной машины возможен при питании обмотки статора от сети. В этом случае поток машины

    ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

    2010/4

    108

    Общетехнические задачи и пути их решения

    создается обмоткой статора, а активный ток ротора создает тормозной момент.

    Работа асинхронной машины в автономном генераторном режиме без внешней нагрузки характеризуется наибольшим потоком и наибольшим моментом. В этом случае вся механическая мощность, подводимая к машине, выделяется в обмотках. Это приводит к повышению температуры обмоток. Поэтому необходимо часть потерь вынести из машины во внешнюю цепь, т. е. подключить к ней сопротивление нагрузки.

    При подключении сопротивления нагрузки увеличивается активная составляющая тока статора и появляются потери мощности во внешней цепи. Увеличение тока статора вызывает размагничивание машины. Поток машины уменьшается, а это приводит к уменьшению напряжения и момента. Для сохранения режима постоянной механической мощности частота вращения ротора должна увеличиться. При этом восстанавливается баланс энергий. Восстановление равновесия мощностей происходит при большем скольжении, но при меньшем моменте.

    Потери в машине уменьшаются. Уменьшить потери, вызванные процессом вращения ротора в магнитном поле, нельзя. Поэтому уменьшение потерь происходит за счет уменьшения пульсаций потока, т. е. за счет уменьшения потерь в трансформаторно-связанных обмотках статора и ротора. Происходит перераспределение потерь, потери в машине уменьшаются, во внешней цепи — увеличиваются, но сумма потерь должна остаться равной величине механической мощности. Уменьшение потерь в машине приводит к уменьшению величины магнитного потока, а это в свою очередь приводит к увеличению скольжения машины.

    Работа асинхронной машины генератором от АИН искусственно создает циклически изменяющийся контур короткого замыкания двух фаз обмотки статора. Этот контур является определяющим в процессе стабилизации и усиления поля машины. Поле возбуждения машины образуется вследствие взаимодействия обмотки ротора с короткозамкнутым контуром, образованным из обмоток статора. Подключение сопротивления нагрузки к обмоткам статора приводит к размагничиванию машины, уменьшению ее момента и увеличению скольжения. При этом происходит перераспределение потерь энергии. Часть потерь из машины выносится во внешнюю цепь.

    При частотном управлении от АИН асинхронная машина может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Переход из двигательного режима работы в генераторный происходит автоматически при увеличении частоты вращения ротора больше синхронной. При увеличении частоты вращения ротора увеличивается ЭДС обмотки статора и напряжение на зажимах машины. При этом полупроводниковые приборы выпрямительной установки и тиристоры инвертора закрываются и прекращается обмен энергией с сетью. В этом случае потери энергии в маши-

    2010/4

    Proceedings of Petersburg Transport University

    Общетехнические задачи и пути их решения

    109

    не не компенсируются потреблением энергии из сети. В автономном генераторном режиме асинхронная машина может работать только в состоянии самовозбуждения при потреблении механической мощности, подводимой к валу машины.

    Заключение

    Возбуждение асинхронного генератора требует выполнения ряда необходимых условий.

    1. Наличие в роторе остаточного потока. Асинхронные машины, у которых ротор выполнен из алюминиевого сплава, или машины линейные двухсторонние с ротором из алюминиевой полосы перейти в генераторный режим работы не могут. У таких машин при отключении источника электрической энергии поток уменьшается до нуля. У машин, выполненных из ферромагнитного материала, в роторе имеется магнитный поток, который поддерживается и усиливается обмоткой статора. При отключении сети также могут работать в автономном генераторном режиме.

    2. Согласное включение короткозамкнутых обмоток статора, при котором поток ротора усиливается или поддерживается постоянным. При работе машины обмотка статора должна создавать поток, направленный в ту же сторону, что и поток ротора. В этом случае поток обмотки статора будет усиливать остаточное поле ротора и машина сможет перейти в автономный генераторный режим работы.

    3. К валу машины должна подводиться механическая мощность, уравновешивающая мощность потерь в машине, Рмех > Рпот. При переходе

    машины из режима асинхронного двигателя в генераторный режим напряжение на ее зажимах повышается и прекращается обмен энергией с сетью. В этом случае потери в машине должны быть компенсированы за счет механической мощности, подводимой к ротору. Для устойчивого автономного генераторного режима механическая мощность, подводимая к ротору, должна быть несколько больше, чем требуемая мощность на покрытие потерь в машине.

    Библиографический список

    1. Частотное управление асинхронными двигателями / А. А. Булгаков. — М. : Энергоиздат, 1982. — 216 с.

    2. Метод расчета электромагнитных процессов в системе «автономный инвертор напряжения — электрическая машина» / Л. С. Гришуков, И. М. Ляус, Б. Л. Сыркин // Современные проблемы электрификации железных дорог России : сб. научн. тр. — СПб. : ПГУПС, 1998. — С. 76-82.

    Статья поступила в редакцию 10.06.2010;

    представлена к публикации членом редколлегии А. Н. Марикиным.

    ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

    2010/4

    Самовозбуждающийся индукционный генератор

    — обзор

    PI

    Пропорциональный интеграл

    BEM

    Импульс лопастного элемента

    MPPT

    Отслеживание точки максимальной мощности

    IGBT6
    перем. индукционный генератор

    DFIG

    Индукционный генератор с двойным питанием

    GSC

    Сетевой преобразователь

    RSC

    Конвертер со стороны ротора

    ISC

    Контроллер скорости

    9 0004

    Прямой регулятор скорости

    STATCOM

    Статический синхронный конденсатор

    FOC

    Полевое управление

    IFOC

    Косвенное поле-ориентированное управление

    DTFC

    Прямое управление крутящим моментом и потоком

    PLL

    Фазовая синхронизация

    PWM

    Широтно-импульсная модуляция

    FHC

    000 hysqueresis5 Контроллер

    Flxc

    Контроллер потока

    Torc

    Контроллер крутящего момента

    NPC

    Фиксация нейтральной точки

    DTC-SVPWM

    Пространственная модуляция по ширине импульса

    d, q

    Количества по оси d и q по оси

    α, β

    Количества по оси a и b , ось

    6 s 9000 r

    Статор и ротор

    C

    Емкость промежуточного контура (F)

    MI

    Индекс модуляции

    M

    м мощность ветряной турбины (Вт)

    P с

    Активная мощность статора (Вт)

    Q с

    В реактивная мощность статора

    P r

    Активная мощность ротора (Вт)

    Q r

    Rotor r активная мощность (ВАр)

    P n

    Номинальная мощность

    v n

    902

    o )

    C p

    Аэродинамический КПД ветряной турбины

    Ρ

    Площадь плотности (кг / м 3) 9165

    Рабочая площадь лопастей ветряной турбины (м 2 )

    R

    Радиус турбины (м)

    V

    Скорость ветра (м / с)

    Ом м

    Механическая скорость турбины (рад / с)

    Ом м , opt

    900 04

    Оптимальная угловая скорость (рад)

    Λ

    Передаточное число концевых скоростей

    В ШИМ

    Напряжение ШИМ

    90π2000176

    Двухполупериодное напряжение

    В м

    Регулирующее напряжение

    В p

    65

    Действующее значение основного напряжения

    В действующее значение

    Среднеквадратичное значение выходного напряжения

    M c

    c

    Индекс

    c, макс.

    Индекс максимальной производительности

    MI max

    Индекс максимальной амплитуды

    A k

    Величина каждой спектральной составляющей

    w 6

    3 Угловая скорость / с)

    θ k

    Фазовый угол (рад)

    P n

    Номинальная мощность (Вт)

    β

    Опорный угол наклона

    v dc

    Напряжение постоянного тока

    ƒ p
    p

    Частота

    9202 выходные переменные инвертора

    A r

    Фундаментальное пиковое значение требуемого напряжения нагрузки

    A p

    Амплитуда выходного напряжения

    м f

    Индекс модуляции sd , v sq

    Компоненты напряжения статора в системе Park

    ω с

    9017

    902 902

    9017

    902 , φ sq

    Компоненты магнитного потока статора в d — ось и q — ось парковочной рамы

    i sd 6

    Компоненты тока статора по оси d и q оси парковочной рамы 9 0006

    v rd , v rq

    Компоненты напряжения ротора в системе Park

    ω r 902 φ rd , φ rq

    Компоненты потока ротора в d — ось и q — ось рамы Park

    9016 i rq

    Компоненты тока ротора в d — ось и q — ось парковочной рамы

    T em
    Электромагнитный момент )

    T м

    Механический крутящий момент (Н / м)

    J , f 902 17 c

    Коэффициент инерции и вязкого трения, соответственно

    G

    Коэффициент усиления множителя

    σ

    Коэффициент блондинки

    66

    Сопротивление и индуктивность нагрузки, соответственно

    L ls , L lr

    Индуктивности утечки обмоток статора и ротора, соответственно

    Взаимная индуктивность

    ϕ sn

    Номинальный поток статора

    δ
    |

    Угол потока статора 7 |

    Модуль потока статора

    В ref

    Опорное напряжение

    В с

    (PDF) Самовозбуждающийся индукционный генератор: обзор

    ISSN (Online) 2393-8021

    ISSN (Print) 2394-1588

    International Advanced Research Journal in Science, Engineering and Technology (IARJSET)

    National Conference по возобновляемым источникам энергии и окружающей среде (NCREE-2015)

    Инженерный колледж IMS, Газиабад

    Vol.2, специальный выпуск 1, май 2015 г.

    Авторские права на IARJSET DOI 10.17148 / IARJSET 41

    [18] И. Дж. Награт и Д. П. Котари, Электрические машины, 2-е изд.

    NewYork: Tata McGraw-Hill, 1997.

    [19] Р. Веда, Т. Сонода и К. Гога, «Исследование условий самовозбуждения

    индукционного генератора с самовозбуждением»,

    Proc. .IEEE Ind. Appl.Soc. Ежегодная конференция Rec., Oct. 1986, pp. 889–

    895.

    [20] Ю. Х. А. Рахим, «Возбуждение изолированного трехфазного индукционного генератора

    одним конденсатором», Proc. Inst. Избрать. Англ., Эл.

    Power Appl., Vol. 140, нет. 1, стр. 44–50, 1993.

    [21] К. Ф. Вангер, «Самовозбуждение асинхронных двигателей», AIEE Trans.,

    vol. 58, pp. 47–51, 1939.

    [22] Дж. Э. Баркл и Р. В. Фергюсон, «Теория индукционного генератора и приложение

    », AIEE Trans., пт. III А, т. 73, pp. 12–19, Feb. 1954.

    [23] S. S. Murthy, «Опыт анализа, проектирования и управления

    индукционных генераторов, работающих в автономном или подключенном к сети

    режиме», Proc. Конф. Эволюция Современные аспекты Induction

    Machines, Турин, Италия, 1986, стр. 400–407.

    [24] Р. К. Бансал, Т. С. Бхатти и Д. П. Котари, «Некоторые аспекты сети

    подключенных систем преобразования энергии ветра»,

    Междисциплинарный J.Inst. Англ. (Индия), т. 82, pp. 25–28, May 2001.

    [25] Л. Шридхар, Бхим Сингх, К. С. Джа и Б.П. Сингх, «Анализ

    самовозбужденного асинхронного двигателя с индукционным питанием от генератора», IEEE

    Transactions on Energy Conversion, Vol. 9, No. 2, июнь 1994.

    [26] Л. Ван и К. Х. Ли, «Новый анализ производительности изолированного самовозбуждающегося индукционного генератора

    », IEEE Trans. Энергия

    Конверс., Т. 12, вып.2, pp. 109–115, Jun. 1997.

    [27] С.С. Мурти, Б. Сингх, С. Гупта, Б.М. Гулати, «Общий анализ установившегося состояния

    трехфазного самовозбуждающегося индукционного генератора

    , питающего трехфазную несимметричную нагрузку / однофазную нагрузку для автономных приложений

    ». IEE Pro Distlib. Vol. IS0 № 1. Январь 2003 г.

    [28] TF Chanand Loi Lei Lai, «Анализ установившегося состояния и

    производительность автономного трехфазного индукционного генератора

    с асимметрично подключенными сопротивлениями нагрузки и возбуждением

    Емкости. «Транзакции IEEE по преобразованию энергии, Vol.16,

    № 4, декабрь 2001 г.

    [29] С.М. Алгувайнем, «Анализ стационарного состояния изолированного индукционного генератора с самовозбуждением

    , управляемого регулируемой и нерегулируемой турбиной

    » IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. . 14, No. 3,

    September 1999.

    [30] Абдулрахман Л. Алола и А. Алканхал, «Оптимизационный анализ устойчивого состояния

    трехфазного самовозбужденного индукционного генератора

    на основе оптимизации», IEEE Transactions on Energy Conversion , Vol.15,

    No. 1, March 2000

    [31] С. Раджакаруна и Р. Бонерт, «Методика анализа установившегося состояния

    индукционного генератора с переменной скоростью», IEEE Trans.

    Energy Convers., Vol. 8, вып. 4, pp. 757–761, Dec. 1993.

    [32] C. Grantham, D. Сутанто, Б. Mismail, «Стационарный и переходный анализ

    самовозбужденных индукционных генераторов», IEE Proceedings, Vol.

    136, Пт. E, No. 2, March 1989.

    [33] Олорунфеми Оджо, Ишвар Бхат, «Анализ однофазных индукционных генераторов с самовозбуждением

    : разработка модели и стационарные расчеты

    », IEEE Transactions on Energy Конверсия, Vol.10,

    No. 2, June 1995.

    [34] C.S. Demoulias and P.G. Холмс, «Переходное поведение и самовозбуждение

    ветряного индукционного генератора после его отключения

    от электросети», IEEE Transaction Energy Conversion, Vol. 5, No.

    2, июнь 1990 г., стр. 272-278.

    [35] Олорунфеми Оджо, «Переходные и качественные характеристики самовозбуждающегося однофазного индукционного генератора

    », IEEE Transactions

    on Energy Conversion, Vol.10, № 3, сентябрь 1995 г.

    [36] М.Х. Салама и П.Г. Холм, «Переходные и установившиеся характеристики нагрузки

    автономного самовозбуждающегося индукционного генератора», IEE

    Proc -Electr Power Appl, Vol 143 , № I, январь 1996 г.

    [37] JM Elder, JT Бойз и Дж. Л. Вудвард, «Интегральное управление циклом автономных генераторов

    », IEE Proceedings, Part C, Vol. 132, No. 2,

    pp. 57-66, 1985.

    [38] Ли Ван и Руй Йонг Денг, «Переходные характеристики индукционного генератора

    при сбалансированном конденсаторе возбуждения», IEEE

    Transactions on Energy Конверсия, Vol.14, No. 4, December

    1999.

    [39] S.K. Джайн, Дж.Д. Шарма и С.П. Сингх, «Переходные характеристики трехфазного самовозбуждающегося индукционного генератора

    во время сбалансированных и

    несбалансированных неисправностей». IEE Proc.-Gener. Пер. Дистриб. Vol. 149, №

    1. Январь 2002 г.

    [40] Бхим Сингх, С.С. Мурти и Сушма Гупта «Анализ переходных процессов

    самовозбужденного индукционного генератора с электронной нагрузкой

    Контроллер

    (ELC), обеспечивающий статические и динамические нагрузки , ”IEEE

    Транзакции по отраслевым приложениям, Vol.41, № 5,

    сентябрь / октябрь 2005 г.

    [41] Бхаскара Палле, М. Годой Симойнс и Феликс А. Фаррет, «Динамическое моделирование

    и анализ параллельной самовозбужденной индукции

    Генераторы для автономных Системы ветряных ферм », IEEE Transactions

    On Industry Applications, Vol. 41, № 4, июль / август 2005 г.

    [42] Бхим Сингх, Мадхусудан Сингх и А.К. Тандон, «Переходный процесс

    , характеристики трехфазного самовозбужденного индукционного генератора

    , обеспечивающего динамическую нагрузку», IEEE Transactions

    On Industry Applications, Vol.46, № 4, июль / август 2010 г.

    [43] Авинаш Кишор, Г. Сатиш Кумар, «Динамическое моделирование и анализ

    трехфазного самовозбужденного генератора с использованием обобщенного подхода пространства состояний

    », SPEEDAM 2006 Международный симпозиум

    по силовой электронике, электроприводам, автоматизации

    и движению.

    [44] Э. Суарес и Г. Бортолотто, «Регулирование напряжения-частоты самовозбужденного индукционного генератора

    », IEEE Transaction on Energy

    Conversion, Vol.12, No. 4, декабрь 1997 г., стр. 62-69.

    [45] Л. Шридхар, Б. Сингх, С. С. Джа, Б. П. Сингх и С. С. Мурти,

    «Выбор конденсаторов для саморегулирующегося короткошунтирующего генератора с самовозбуждением

    », IEEE Trans. Energy Convers., Т. 10, вып. 1, pp.

    10–17, Mar. 1995.

    [46] Swati Devabhaktuni, S.V. Джейрам Кумар, «Расчет емкости возбуждения

    для самовозбуждающегося индукционного генератора», Международный журнал

    по информатике и коммуникационным сетям, Vol.1,

    №-3, стр. 191-198.

    [47] Н. Х. Малик и А. А. Мази, «Требования к емкости для изолированных самовозбуждающихся индукционных генераторов

    », IEEE Trans. Energy Convers.,

    т. ЭК-2, вып. 1, стр. 62–69, март 1987 г.

    [48] Эдуардо Сукез и Густаво Бортолотто, «Контроль частоты напряжения

    самовозбужденного индукционного генератора», IEEE Transactions on Energy

    Conversion, Vol. 14, No. 3, September 1999.

    [49] Bhim Singh, S.С. Мурти и Сушма Гупта, «Анализ и разработка

    стабилизатора напряжения на основе STATCOM для самовозбужденных индукционных генераторов

    », IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 19,

    № 4, декабрь 2004 г.

    [50] Бхим Сингх, С.С. Мурти и Сушма Гупта, «Регулятор напряжения на основе STATCOM-

    на основе

    для самовозбужденного индукционного генератора

    Feeding Nonlinear Loads», IEEE Transactions On Промышленная

    Электроника, Vol.53, № 5, октябрь 2006 г.

    [51] А. Х. AI-Бахрани, Н. Х. Малик, «Стационарный анализ самовозбуждающихся индукционных генераторов, работающих в параллельном режиме

    », IEE Proceedings-C,

    Vol. 110, No. I, январь 1993 г.

    [52] Бхаскара Палле, М. Годой и Феликс А. Фаррет, «Динамическое моделирование

    и анализ параллельной самовозбужденной индукции

    Генераторы

    для систем изолированных ветряных электростанций», IEEE Сделки

    Об отраслевых приложениях, т.41, № 4, июль / август 2005 г.

    [53] А.Х. А.И.-Бахрани, Н.Х. Малик, «Контроль напряжения самовозбуждающегося индукционного генератора

    с параллельным управлением», Летнее собрание IEEE / PES,

    Сиэтл, Публикация № 92, SM 546-6 EC, 1992.

    [54] Д. Б. Уотсон, И.П. Мильнер, «Автономная и параллельная работа

    самовозбуждающихся индукционных генераторов», Международный журнал по образованию в области электротехники

    , Vol. 22, 1985, стр. 365-374.

    [55] Л.Ван и К. Х. Ли, «Динамический анализ индукционных генераторов с автономным возбуждением

    , работающих в параллельном режиме, питающих нагрузку асинхронного двигателя»,

    IEEETrans. Energy Convers., Т. 14, вып. 3, pp. 479–485, Sep.

    1999.

    [56] А.Х. Аль-Бахрани Н.Х. Малик Управление напряжением параллельно работающих самовозбуждающихся индукционных генераторов

    , IEEE Transactions on Energy

    Conversion, Vol. 8, No. 2, June 1993.

    [57] F.A. Farret, B.Палле и М. Simoes, «Полностью расширяемая модель

    параллельных самовозбужденных генераторов», IEE Proc.-Electr. Мощность

    Прил., Т. 152, No. 1, январь 2005 г.

    [58] Чакраборти С., Бхадра С. Н. и Чаттопадхья А. Анализ

    самовозбуждающихся индукционных генераторов с параллельным режимом работы », IEEE Trans.

    EnergyConvers., Т. 14, вып. 2, pp. 209–216, Jun. 1999.

    (PDF) Упрощенные методы анализа самовозбуждающихся индукционных генераторов

    SEIG, использованные в предыдущем разделе.Значения, установленные для C и Cs, равны

    100 и 40 мкФ соответственно. На рис. 6 показаны эти характеристики, а

    видно, что конфигурация с коротким шунтом дает лучшие характеристики

    для нагрузок с отстающим коэффициентом мощности, тогда как нормальный шунт

    обеспечивает лучшую производительность с резистивной нагрузкой. Кроме того, характеристики

    конфигурации с коротким шунтом такие же, как и у нормальной конфигурации с шунтом

    в условиях холостого хода, поскольку емкость шунта

    , используемая как для обычного, так и для короткого шунта, составляет 100 мкФ.

    5 Заключение

    Важнейшей частью анализа SEIG является оценка неизвестных

    параметров эквивалентной схемы для различных скоростей ротора и настроек нагрузки

    . В связи с этим были сформулированы две новые упрощенные процедуры

    , а именно алгоритмы линейного поиска и двоичного поиска

    для оценки частоты pu, a от узловой проводимости

    (1 / ZSR) установившейся эквивалентной схемы.Во-первых, при построении графика

    изменения (1 / ZSR) с частотой pu для различных настроек скорости

    показано, что решение для a является уникальным значением.

    Затем шаги, включенные в предложенные алгоритмы, были

    ясно проиллюстрированы в виде блок-схем. Кроме того, из общих рабочих характеристик

    SEIG была сформулирована логическая процедура

    для фиксации граничных значений частоты pu для запуска

    итераций.С точки зрения времени вычислений, количества требуемых итераций

    и точности результатов, два алгоритма сравнили

    с обычно используемым недавним методом GA, и

    это исследование показывает, что метод двоичного поиска занимает меньшее число

    . итераций и вычислительного времени для достижения значения

    a. После оценки значения a, Xm вычисляется из

    мнимой части (1 / ZSR).Впоследствии индуцированная ЭДС E составляет

    , рассчитанную на основе характеристики E от Xm для SEIG. Затем были получены

    различных рабочих характеристик генераторов

    , взяв наведенную ЭДС E в качестве опорного вектора.

    Универсальность разработанных методов была также продемонстрирована

    , применив их к альтернативной конфигурации SEIG, использующей

    для отстающих нагрузок с коэффициентом мощности. Эксперименты были проведены

    на 3.Испытательная машина мощностью 7 кВт в лаборатории для проверки точности

    с заданными результатами, полученными с использованием предложенных методов.

    Близость между заранее определенными и экспериментальными результатами

    подтверждает правомерность предложенных методов анализа

    SEIG.

    С целью облегчить новичкам проведение исследований

    в области проектирования и разработки систем преобразования энергии ветра в электрическую

    , использующих индукционные генераторы, компьютерная программа

    , разработанная для анализа SEIG с использованием метода двоичного поиска, составляет

    включен в Приложение к данной статье.Преимущества внедрения

    методов, предложенных в этой статье, заключаются в (i) отсутствии длинных производных

    и (ii) простой компьютерной программе, которая не требует каких-либо передовых методов оптимизации

    .

    6 Благодарность

    Авторы благодарят руководство Национального института технологий

    , Тиручираппалли, Индия, за все средства, предоставленные для

    при подготовке этой статьи. Авторы также выражают искреннюю благодарность

    доктору М.Суббиа и доктор Хемалата Тиягараджан за

    их безоговорочную поддержку при подготовке этой статьи.

    7 Ссылки

    [1] Simoes, MG, Farret, FA: «Моделирование и анализ с помощью индукционных генераторов

    » (CRC Press, Флорида, 2014, 3-е изд.)

    [2] Bansal, RC: «Три -фазные самовозбуждающиеся индукционные генераторы: обзор »,

    IEEE Trans. Energy Convers., 2005, 20, (2), стр. 292–299

    [3] Сингх, Г. К .: «Исследование самовозбуждающихся индукционных генераторов — обзор», Electr.

    Power Syst. Res., 2004, 69, (4), pp. 107–114

    [4] Ли, Х., Чен, З .: «Обзор различных систем ветрогенераторов и их сравнения

    », IET Renew. Power Gener., 2008, 2, (2), стр. 123–138

    [5] Кумаресан, Н .: «Анализ и контроль трехфазных самовозбуждающихся индукционных генераторов

    , питающих однофазные нагрузки переменного и постоянного тока. ‘, IEE Proc., Electr.

    Power Appl., 2005, 152, (3), стр. 739–747

    [6] Arrillaga, J., Уотсон, Д. Б .: «Статическое преобразование энергии от самовозбуждающихся индукционных генераторов

    », Proc. Inst. Электр. Eng., 1978, 125, (8), pp. 743–746

    [7] Махаджан, С.М., Сентил Кумар, С., Кумаресан, Н., и др .: «Стратегия разобщенного управления

    для работы индукционный генератор с конденсаторным возбуждением для силовых приложений постоянного тока

    », IET Power Electron., 2016, 9, (13), стр. 2551–2561

    [8] Ван, Л., Ли, DJ:« Координационное управление Преобразователь переменного тока в постоянный и батарея импульсных конденсаторов возбуждения

    для автономного индукционного генератора с самовозбуждением

    в системах возобновляемой энергетики », IEEE Trans.Ind. Appl., 2014, 50,

    (4), стр. 2828–2836

    [9] Chilipi, RR, Singh, B., Murthy, SS: «Характеристики самовозбуждающегося индукционного генератора

    с DSTATCOM-DTC на основе преобразователя напряжения и частоты

    », IEEE Trans. Energy Convers., 2014, 29, (3), pp. 545–

    557

    [10] Чаухан, П.Дж., Чаттерджи, Дж. К., Бхере, Х. и др .: «Синхронизированная работа

    на базе

    DSP. контроллер обобщенного импеданса с изолированной регулируемой скоростью

    SEIG для нестандартного управления напряжением и частотой », IEEE Trans.Ind. Appl., 2015,

    51, (2), pp. 1845–1854

    [11] Chen, Z., Guerrero, JM, Blaabjerg, F .: «Обзор современного состояния

    .

    силовая электроника для ветряных турбин », IEEE Trans. Power Electron., 2009, 24,

    (8), стр. 1859–1875

    [12] Sowmmiya, U., Uma, G .: «Управление и отслеживание максимальной мощности

    индукционного генератора с гибридным возбуждением и переменной скоростью. ‘, Электр. Power Syst. Res.,

    2017, 143, стр. 771–781

    [13] Наянар, В., Кумаресан, Н., Аммасай Гоунден, Н .: «Контроллер

    MPPT на основе одного датчика для ветроиндукционных генераторов, питающих микросеть постоянного тока

    », IEEE Trans. Power Electron., 2016, 31, (2), pp. 1161–1172

    [14] Сентил Кумар, С., Кумаресан, Н., Суббиа, М.: «Анализ и контроль

    индукционных генераторов с конденсаторным возбуждением

    . подключен к микросети через силовые электронные преобразователи

    , ИЭПП Генер. Трансм. Распространение, 2015, 9, (10), с.

    911–920

    [15] Кумаресан, Н., Селван, М.П., ​​Суббиа, М.: «Оптимизация конструкции и расширение скорости

    ветряных самовозбуждающихся индукционных генераторов — новый подход»,

    Electr . Power Compon. Syst., 2004, 32, (2), pp. 215–228

    [16] Аль Джабри, А. К., Алолах, А. И.: «Требования к емкости для изолированного генератора собственной индукции

    », IEE Proc. B, Electric Power Appl., 1990, 137,

    (3), стр. 154–159

    [17] Ammasaigounden, N., Суббиа, М., Кришнамурти, М. Р .: «Ветряные

    самовозбуждающиеся индукционные генераторы с переключением полюсов», IEE Proc. Б, Электр. Power

    Appl., 1986, 133, (5), стр. 315–321

    [18] Чан, Т. Ф .: «Анализ стационарного состояния самовозбуждающихся индукционных генераторов», IEEE

    Trans. Energy Convers., 1994, 9, (2), стр. 288–296

    [19] Малик, Н.Х., Хак, С.Е .: «Анализ установившегося состояния и характеристики изолированного самовозбуждающегося индукционного генератора

    », IEEE Trans. .Energy Convers.,

    1986, EC-1, (3), pp. 134–140

    [20] Ouazene, L., McPherson, G .: «Анализ изолированного индукционного генератора»,

    IEEE Trans. Power Appar. Syst., 1983, PAS-102, (8), pp. 2793–2798

    [21] Мурти, С.С., Малик, О.П., Тандон, А.К .: «Анализ самовозбуждающихся индукционных генераторов

    », IEE Proc. C, Gener. Трансм. Distrib., 1982, 129, (6), pp. 260–

    265

    [22] Rajakaruna, S., Bonert, R .: «Методика стационарного анализа самовозбужденной индукции

    . генератор с переменной скоростью », IEEE Trans.Energy

    Convers., 1993, 8, (4), стр. 757–761

    [23] Хак, М. Х .: «Новый метод оценки рабочих характеристик самовозбуждающегося индукционного генератора

    », IEEE Trans. Energy Convers., 2009, 24, (2),

    pp. 358–365

    [24] Сингх, Б., Шридхар, Л., Джа, К.С.: «Улучшение характеристик самовозбужденной индукции

    . генератор через последовательную компенсацию », IEE Proc., Gener.

    Трансм. Распространение, 1999, 146, (6), с.602–608

    [25] Чан, Т.Ф .: «Анализ самовозбуждающихся индукционных генераторов с использованием итерационного метода

    », IEEE Trans. Energy Convers., 1995, 10, (3), pp. 502–507

    [26] Кумаресан, Н., Суббиа, М .: «Анализ и контроль ветряных индукционных генераторов с самовозбуждением

    с согласованием нагрузки. ‘, Proc. одиннадцатой

    Национальной конференции по энергетическим системам. NPSC 2000, т. 1, IISc, Бангалор, Индия,

    , декабрь 2000 г., стр.21–26

    [27] Алолах, А. Л., Алканхал, М. А.: «Оптимизационный анализ установившегося состояния трехфазного самовозбуждающегося индукционного генератора

    », IEEE Trans. Energy Convers.,

    2000, 15, (1), pp. 61–65

    [28] Картигайвел, Р., Кумаресан, Н., Суббиа, М.: «Анализ и контроль самовозбужденной индукции. системы генератор-преобразователь для зарядки аккумуляторов

    приложений », ИЭПП Электр. Power Appl., 2011, 5, (2), pp. 247–257

    [29] Karthigaivel, R., Кумаресан, Н., Раджа, П. и др .: «Новый унифицированный подход

    для анализа и проектирования ветроэнергетических установок SEIG с использованием вложенных ГА», Wind

    Eng., 2009, 33, (6) , стр. 631–647

    [30] Джоши, Д., Сандху, К.С., Бансал, Р.С.: «Анализ стационарного состояния самовозбуждающихся индукционных генераторов

    с использованием подхода генетического алгоритма при различных режимах работы

    », Int . J. Sustain. Energy, 2013, 32, (4), pp. 244–258

    [31] Anagreh, Y.Н., Аль-Кофахи, И.С.: «Анализ производительности

    самовозбуждающегося индукционного генератора на основе генетического алгоритма», Int. J. Model. Simul., 2006, 26,

    (2), стр. 175–179

    [32] Джоши, Д., Сандху, К.С., Сони, МК: «Анализ производительности трехфазного самовозбуждающегося индукционного генератора

    . с использованием генетического алгоритма », Электр. Мощность

    Компон. Syst., 2006, 34, (4), pp. 461–470

    8 Приложение

    8.1 Приложение 1: Процедура получения (E / a) по сравнению с Xm

    характеристики индукционной машины

    Для получения (E / a) в зависимости от характеристики Xm асинхронной машины

    (i) ротор асинхронной машины приводился в движение двигателем постоянного тока

    с отдельным возбуждением при постоянной скорости 1500 об / мин, это

    является синхронной скоростью для четырех -полюсный станок (b = 1 о.у.) и

    ИЭПП Электр.Power Appl.

    © Институт инженерии и технологий, 2017

    7

    Индукционный генератор как ветрогенератор

    Индукционный генератор как ветрогенератор
    Статья
    Учебники по альтернативной энергии
    19.06.2010
    08.03.2021
    Учебные пособия по альтернативным источникам энергии

    Индукционный генератор в качестве ветряного генератора

    Вращающиеся электрические машины обычно используются в системах ветроэнергетики, и большинство этих электрических машин могут работать как двигатель или как генератор, в зависимости от конкретного применения.Но помимо синхронного генератора , который мы рассматривали в предыдущем руководстве, существует еще один более популярный тип трехфазной ротационной машины, который мы можем использовать в качестве генератора ветровой турбины, называемый индукционным генератором .

    Как синхронный генератор, так и индукционный генератор имеют аналогичное фиксированное расположение обмоток статора, которое при возбуждении от вращающегося магнитного поля выдает трехфазное (или однофазное) выходное напряжение.

    Однако роторы двух машин сильно различаются: ротор индукционного генератора обычно состоит из одного из двух типов компоновки: «беличья клетка» или «ротор с обмоткой».

    Однофазный индукционный генератор

    Индукционный генератор Конструкция основана на очень распространенном асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором, поскольку они дешевы, надежны и легко доступны в широком диапазоне электрических размеров от машин с дробной мощностью до многоцелевых. -мегаваттные мощности, что делает их идеальными для использования как в бытовых, так и в коммерческих ветроэнергетических установках с использованием возобновляемых источников энергии.

    Кроме того, в отличие от предыдущего синхронного генератора, который должен быть «синхронизирован» с электрической сетью, прежде чем он сможет вырабатывать электроэнергию, индукционный генератор может быть подключен непосредственно к электросети и приводиться в движение лопастями ротора турбин с переменной скоростью ветра, как только он вводится в эксплуатацию из неподвижного состояния.

    Для экономии и надежности во многих ветроэнергетических турбинах в качестве генератора используются асинхронные двигатели, приводимые в действие механической коробкой передач для увеличения скорости вращения, производительности и эффективности. Однако индукционным генераторам требуется реактивная мощность, обычно обеспечиваемая шунтирующими конденсаторами в отдельных ветряных турбинах.

    Асинхронные машины также известны как Асинхронные машины , то есть они вращаются ниже синхронной скорости при использовании в качестве двигателя и выше синхронной скорости при использовании в качестве генератора.Поэтому, когда он вращается быстрее, чем его нормальная рабочая скорость или скорость холостого хода, индукционный генератор вырабатывает электричество переменного тока. Поскольку индукционный генератор синхронизируется непосредственно с основной энергосистемой, то есть вырабатывает электроэнергию с той же частотой и напряжением, выпрямители или инверторы не требуются.

    Тем не менее, индукционный генератор может обеспечивать необходимую мощность непосредственно в энергосистему общего пользования, но ему также необходима реактивная мощность, обеспечиваемая электросетью.Автономная (автономная) работа индукционного генератора также возможна, но недостатком здесь является то, что генератор требует дополнительных конденсаторов, подключенных к его обмоткам для самовозбуждения.

    Трехфазные индукционные машины очень хорошо подходят для выработки энергии ветра и даже гидроэлектроэнергии. Индукционные машины, работая как генераторы, имеют неподвижный статор и вращающийся ротор, как и у синхронного генератора. Однако возбуждение (создание магнитного поля) ротора выполняется по-другому, и типичная конструкция ротора представляет собой структуру с короткозамкнутым ротором, в которой проводящие стержни встроены в корпус ротора и соединены друг с другом на своих концах посредством закорачивающих колец, как показано .

    Конструкция индукционного генератора

    Как уже упоминалось в начале, одним из многих преимуществ асинхронной машины является то, что ее можно использовать в качестве генератора без каких-либо дополнительных схем, таких как возбудитель или регулятор напряжения, когда он подключен к трех -фазное питание от сети. Когда неработающий асинхронный генератор подключен к сети переменного тока, в обмотке ротора индуцируется напряжение, аналогичное трансформатору с частотой этого индуцированного напряжения, равной частоте приложенного напряжения.

    Поскольку проводящие стержни ротора с короткозамкнутым ротором закорочены, вокруг них протекает большой ток, и внутри ротора создается магнитное поле, заставляющее машину вращаться.

    Поскольку магнитное поле обоймы ротора следует за магнитным полем статора, ротор ускоряется до синхронной скорости, установленной частотой питания сети. Чем быстрее вращается ротор, тем меньше результирующая относительная разница скоростей между обоймой ротора и вращающимся полем статора и, следовательно, напряжение, индуцированное в его обмотке.

    Когда ротор приближается к синхронной скорости, он замедляется, поскольку ослабляющее магнитное поле ротора недостаточно для преодоления потерь на трение ротора в режиме холостого хода. В результате ротор теперь вращается медленнее, чем синхронная скорость. Это означает, что асинхронная машина никогда не сможет достичь своей синхронной скорости, так как для ее достижения не будет индуцированного тока в короткозамкнутой клетке ротора, магнитного поля и, следовательно, крутящего момента.

    Разница в скорости вращения между вращающимся магнитным полем статора и фактической скоростью ротора в асинхронных машинах обычно называется «скольжением».

    Для обеспечения крутящего момента на валу ротора необходимо наличие проскальзывания . Другими словами, «проскальзывание», которое является описательным способом объяснения того, как ротор постоянно «откатывается» от синхронизации, представляет собой разницу в скорости между синхронными скоростями статоров, выражаемую как: n s = ƒ / P в об / мин, а фактическая частота вращения роторов n R также в об / мин и выражается в процентах (скольжение в%).

    Тогда дробное скольжение s асинхронной машины определяется как:

    Это скольжение означает, что работа индукционных генераторов, таким образом, является «асинхронной» (несинхронизированной), и чем тяжелее нагрузка, подключенная к асинхронному генератору, тем выше это приводит к скольжению, поскольку более высокие нагрузки требуют более сильных магнитных полей.Большее скольжение связано с большим наведенным напряжением, большим током и более сильным магнитным полем.

    Таким образом, для того, чтобы асинхронная машина работала как двигатель, ее рабочая скорость всегда будет меньше скорости вращения поля статора, а именно синхронной скорости. Чтобы асинхронная машина работала как генератор, ее рабочая скорость должна быть выше номинальной синхронной скорости, как показано на рисунке.

    Характеристики крутящего момента / скорости индукционной машины

    В состоянии покоя вращающееся магнитное поле статора имеет одинаковую скорость вращения относительно статора и ротора, поскольку частота токов ротора и статора одинакова, поэтому в состоянии покоя скольжение положительно и равно единице (s = +1).

    При точно синхронной скорости разница между скоростью вращения и частотой ротора и статора будет равна нулю, поэтому при синхронной скорости никакая электрическая энергия не потребляется и не производится, и поэтому скольжение двигателя равно нулю (s = 0 ).

    Если частота вращения генератора превышает эту синхронную скорость внешними средствами, результирующий эффект будет заключаться в том, что ротор будет вращаться быстрее, чем вращающееся магнитное поле статора, и полярность индуцированного напряжения и тока ротора будет обратной.

    В результате скольжение теперь становится отрицательным (s = -1), и индукционная машина генерирует ток с опережающим коэффициентом мощности обратно в электрическую сеть. Мощность, передаваемая в виде электромагнитной силы от ротора к статору, может быть увеличена простым вращением ротора быстрее, что затем приведет к увеличению количества вырабатываемой электроэнергии. Характеристики крутящего момента асинхронного генератора (s = от 0 до -1) являются отражением характеристик асинхронного двигателя (s = от +1 до 0), как показано.

    Скорость индукционного генератора будет изменяться в зависимости от силы вращения (момента или крутящего момента), приложенной к нему энергией ветра, но он будет продолжать вырабатывать электричество до тех пор, пока его скорость вращения не упадет ниже холостого хода. На практике разница между скоростью вращения при пиковой генерирующей мощности и на холостом ходу (синхронная скорость) очень мала, всего несколько процентов от максимальной синхронной скорости.

    Например, 4-полюсный генератор с синхронной частотой вращения холостого хода 1500 об / мин, подключенный к электросети с током 50 Гц, может производить свою максимальную генерируемую мощность, вращаясь только на 1–5% выше (от 1515 до 1575). об / мин), что легко достигается с помощью коробки передач.

    Это очень полезное механическое свойство: генератор будет немного увеличивать или уменьшать свою скорость при изменении крутящего момента. Это означает, что редуктор будет подвергаться меньшему износу, что снижает потребность в техническом обслуживании и увеличивает срок службы, и это одна из наиболее важных причин для использования индукционного генератора , а не синхронного генератора на ветряной турбине, которая подключается напрямую. к электросети.

    Автономная индукционная машина

    Выше мы видели, что индукционный генератор требует намагничивания статора от электросети, прежде чем он сможет вырабатывать электричество.Но вы также можете запустить индукционный генератор в автономной автономной системе, подав необходимый противофазный ток возбуждения или намагничивания от конденсаторов возбуждения, подключенных к клеммам статора машины.

    Это также требует наличия некоторого остаточного магнетизма в пластинах железа ротора при запуске турбины. Типичная схема трехфазной индукционной машины с короткозамкнутым ротором для автономного использования показана ниже. Конденсаторы возбуждения показаны звездой (звездой), но также могут быть подключены треугольником (треугольником).

    Конденсаторный индукционный генератор

    Конденсаторы возбуждения представляют собой стандартные конденсаторы для запуска двигателя, которые используются для обеспечения необходимой реактивной мощности для возбуждения, которая в противном случае обеспечивалась бы электросетью. Индукционный генератор будет самовозбуждаться при использовании этих внешних конденсаторов только в том случае, если ротор имеет достаточный остаточный магнетизм.

    В режиме самовозбуждения на выходную частоту и напряжение генератора влияют частота вращения, нагрузка турбины и значение емкости конденсаторов в фарадах.Затем, чтобы произошло самовозбуждение генератора, должна быть минимальная скорость вращения для значения емкости, используемой на обмотках статора.

    «Самовозбуждающийся индукционный генератор» (SEIG) является хорошим кандидатом для использования в ветроэнергетических установках, особенно при переменной скорости ветра и удаленных районах, поскольку им не требуется внешний источник питания для создания магнитного поля. Трехфазный индукционный генератор можно преобразовать в однофазный индукционный генератор с регулируемой скоростью, подключив два конденсатора возбуждения к трехфазным обмоткам.Одно из значений емкости C на одной фазе и другое значение 2C емкости на другой фазе, как показано.

    Однофазный выход от трехфазного индукционного генератора

    Благодаря этому генератор будет работать более плавно, работая с коэффициентом мощности (PF), близким к единице (100%). В однофазном режиме можно получить КПД, близкий к трехфазному, что составляет примерно 80% от максимального номинала машины. Однако следует соблюдать осторожность при преобразовании трехфазного источника питания в однофазный, поскольку выходное линейное напряжение однофазной сети будет вдвое больше номинального напряжения обмотки.

    Индукционные генераторы хорошо работают с однофазными или трехфазными системами, подключенными к электросети, или в качестве автономных генераторов с самовозбуждением для небольших ветроэнергетических установок, допускающих работу с регулируемой скоростью. Однако индукционным генераторам требуется реактивное возбуждение для работы на полной мощности, поэтому они идеально подходят для подключения к коммунальной сети как часть связанной с сетью ветроэнергетической системы.

    Чтобы узнать больше об «Индукционных генераторах» или получить дополнительную информацию об энергии ветра о различных доступных ветроэнергетических системах, или изучить преимущества и недостатки использования индукционных генераторов как части системы ветряных турбин, подключенных к сети, щелкните здесь, чтобы Получите копию одной из лучших книг о трехфазных индукционных генераторах с самовозбуждением прямо у Amazon.

    Самые продаваемые продукты, связанные с индукционным генератором

    Анализ производительности самовозбужденного индукционного генератора на основе генетических алгоритмов

    Engineering
    Vol. 3 No. 8 (2011), ID статьи: 6831, 6 стр. DOI: 10.4236 / eng.2011.38105

    Анализ производительности самовозбужденного индукционного генератора на основе генетических алгоритмов

    Хасан Ибрагим, Мостафа Метвали

    Департамент электротехники и компьютерного управления, Арабская академия наук,

    Технологии

    и морской транспорт, Каир, Египет

    Электронная почта: {hibrahim_eg, mostafiii} @yahoo.com

    Поступила 08.06.2011; отредактировано 6 июля 2011 г .; принято 20 июля 2011 г.

    Ключевые слова: Самовозбуждающийся индукционный генератор, набор инструментов генетического алгоритма, частота, напряжение на клеммах

    РЕЗЮМЕ

    В этой статье исследуется влияние различных параметров на напряжение на клеммах и частоту самовозбуждающегося индукционного генератора с использованием генетический алгоритм.Рассматриваются следующие параметры: скорость, емкость, реактивное сопротивление утечки, сопротивление статора и ротора. Результаты моделирования, полученные с помощью генетического алгоритма, облегчают исследование производительности самовозбуждающегося индукционного генератора. Отныне статья устанавливает применение удобного генетического алгоритма для изучения поведения самовозбуждающейся индукции.

    1. Введение

    Индукционные генераторы с самовозбуждением (SEIG) были признаны подходящими для преобразования энергии в удаленных местах.Такие генераторы могут широко использоваться в отдаленных районах. Эти машины могут использоваться для удовлетворения местных потребностей в удаленных районах при отсутствии сети. SEIG имеет множество преимуществ, таких как простая конструкция, отсутствие источника питания постоянного тока для возбуждения, снижение затрат на обслуживание, хорошая способность к превышению скорости, способность самозащиты от короткого замыкания и отсутствие проблем с синхронизацией [1]. В последние два десятилетия самовозбуждающемуся индукционному генератору уделяется значительное внимание в связи с его применением в качестве автономного генератора с использованием традиционных и нетрадиционных источников энергии.

    Самовозбуждение в асинхронной машине происходит, когда ротор приводится в движение первичным двигателем и подходящая емкость подключена к клеммам статора. Машина, работающая в этом режиме, называется самовозбуждающимся индукционным генератором (SEIG), который все чаще используется в автономные системы генерации, использующие энергию ветра или воды. Частота и величина напряжения, генерируемого этими генераторами, сильно зависят от скорости, емкости возбуждения и нагрузки [2,3].Рабочие характеристики самовозбуждающегося индукционного генератора могут быть получены после определения двух неизвестных параметров, таких как намагничивающее реактивное сопротивление и частота. Обычно это метод Ньютона-Рафсона и узловой адмиттанс.

    Метод используется для определения неизвестных параметров генератора, которые являются традиционными методами, используемыми на протяжении трех десятилетий. Если используется какой-либо из этих двух методов, необходимо провести подробные математические выводы, чтобы сформулировать необходимые уравнения в подходящей упрощенной форме.Разделение действительных и мнимых членов выполняется вручную [4]. Генетический алгоритм (ГА) — это метод стохастической оптимизации. Это простой, мощный, надежный метод стохастической глобальной оптимизации без производных (алгоритм поиска), основанный на законах естественного отбора и генетических. Этот алгоритм не содержит производных в том смысле, что ему не нужна информация о функциональных производных для поиска решения множества, которое минимизирует (или максимизирует) заданную целевую функцию [5]. В данной статье рассматривается реализация интеллектуального подхода, основанного на генетическом алгоритме, для анализа производительности самовозбуждающегося индукционного генератора.В отличие от традиционных методов анализа не требуются пространные алгебраические выводы или точные начальные оценки. Кроме того, одна и та же целевая функция должна быть минимизирована независимо от неизвестных параметров. Другой важной особенностью настоящего подхода является возможность определения более двух неизвестных параметров одновременно. Следовательно, его можно использовать для получения рабочих характеристик трехфазного самовозбуждающегося индукционного генератора

    2. Анализ SEIG

    Установившуюся работу самовозбуждающегося генератора можно проанализировать с помощью генетического алгоритма, эквивалентной схемы представление [6] показано на рисунке 1.

    R S , R R , R L — сопротивления статора, ротора и нагрузки соответственно. X S , X R , X M , X C — это статор, ротор и реактивное сопротивление намагничивания и возбуждения соответственно. Y S , Y R , Y M , Y L , Y C — это проводники статора, ротора, намагничивания, нагрузки и возбуждения соответственно. F — частота P.U. v — это скорость P.U, которая представляет собой отношение скорости ротора к синхронной скорости.I S , I R , I L — токи статора, ротора и нагрузки соответственно. V g , V T , E 1 — воздушный зазор P.U, напряжение на клеммах и напряжение воздушного зазора при номинальной частоте соответственно.

    Полный ток в узле «a» на рисунке 1 может быть записан как в следующем уравнении (1):

    (1)

    где

    (2)

    При самовозбуждении E 1 ≠ 0 , поэтому сумма полной проводимости, подключенной к воздушному зазору, должна быть равна нулю [7,8], т.е.е.

    (3)

    (4)

    (5)

    Для данного значения скорости вала, параметров генератора, емкости возбуждения и сопротивления нагрузки решение уравнения (4) дает частоту F в P.U.

    Затем соответствующее значение намагничивающего реактивного сопротивления X M может быть вычислено из уравнения (5) с использованием значения F, полученного из уравнения (4).

    После определения значений F и X M , напряжение воздушного зазора E 1 может быть определено из экспериментально полученной кривой намагничивания, которая связывает V g / F и X M .Применяя метод сеточного тока к модели, представленной на рисунке 1, ток статора (I S ) и ток нагрузки (I L ) можно определить из следующего уравнения (6),

    (6 )

    Рисунок 1. Пофазная эквивалентная схема SEIG.

    3. Генетический алгоритм

    В отличие от традиционных методов оптимизации, ГА был разработан на основе дарвиновской эволюционной теории «выживания наиболее приспособленных».Он дал хорошие результаты во многих практических задачах и стал мощным инструментом для решения нелинейных уравнений. GA управляет строками двоичных цифр и измеряет силу каждой строки с помощью значения пригодности. Основная идея состоит в том, что более сильные струны продвигаются вперед и спариваются с другими сильными струнами, давая потомство. Наконец, одна струна оказывается лучшей. Еще одним важным преимуществом является то, что он предлагает параллельный поиск, который может преодолеть локальные оптимумы и, наконец, найти глобально оптимальное решение.

    Механика ГА элементарна и включает не что иное, как копирование строк, генерацию случайных чисел и замену частичных строк. Обычный ГА в основном состоит из трех операторов: воспроизводства, кроссовера и мутации. GA для этой конкретной проблемы имеет следующие компоненты [9]:

    1) Генетическое представление потенциальных решений проблемы.

    2) Способ создания начальной совокупности потенциальных решений.

    3) Функция оценки, которая играет роль решений экологического рейтинга с точки зрения их «пригодности». Это потому, что популяция претерпевает смоделированную эволюцию в каждом поколении. Эта роль среды помогает воспроизводить относительно «хорошие» решения, в то время как относительно «плохие» решения умирают.

    4) Затем генетические операторы изменяют состав детей. Разнонаправленный поиск выполняется путем поддержания совокупности потенциальных решений и способствует обмену информацией между этими направлениями.

    5) Значения различных параметров управления, которые использует GA (например, размер популяции, вероятности применения GA).

    Моделирование SEIG на основе генетического алгоритма

    Генетический алгоритм [10] был реализован для нахождения оптимального значения частоты (F) и магнитного реактивного сопротивления (X M ). Уравнение (3) можно рассматривать как целевая (Фитнес) функция для ГА.

    (7)

    Целевая функция минимизируется с учетом ограничений, показанных в уравнении (7).Первое ограничение предполагает, что индукционный генератор должен работать в области насыщения, что означает, что намагничивающее реактивное сопротивление всегда меньше ненасыщенного значения, а второе ограничение предполагает, что полученная частота должна быть меньше скорости первичного двигателя.

    Первый шаг — это оптимизация GA, начатая с популяции случайно сгенерированных лиц, представляющих набор решений проблемы. Каждый человек состоит из переменных задачи, размер популяции выбран равным 160.На втором этапе вычисляется функция пригодности для всех доступных элементов для такого параметра. На третьем этапе выбираются два родителя из популяции в соответствии с их приспособленностью (чем лучше приспособленность, тем выше шанс быть выбранным), после чего применяется выбор колеса рулетки с последующим равномерным пересечением с вероятностью 0,8. Четвертый этап — это процесс смерти, устраняющий всю популяцию, которая имеет плохую приспособленность в соответствии с вероятностью кроссовера 0,8. Пятый этап — это процесс кроссовера для создания потомства, чтобы поддерживать такое же количество популяции и иметь улучшенные значения параметров.В процессе кроссовера используются наиболее приспособленные родители, для выражения значений веса используется двоичное кодирование, а в нашем случае используется метод одноточечного кроссовера. Шестой шаг — процесс мутации с вероятностью мутации 0,05, наконец, формируется новая популяция и процедуры повторяются до достижения точности

    евро

    После определения значений F и X M , напряжение воздушного зазора V g можно определить из экспериментально полученной кривой намагничивания, которая связывает V g / F и X M .Применяя метод тока сетки, к модели, представленной на рисунке 1, ток статора (I S ) и ток нагрузки (I L ) могут быть определены из уравнения (6).

    Блок-схема, описывающая метод оптимизации GA, реализованный в этой статье, показана на рисунке 2.

    4. Результаты системы и моделирование

    Результаты моделирования получены с использованием набора инструментов GA на машине со спецификациями, приведенными в Приложении. Таблица 1 дает Подробная информация о каждом наборе данных, взятых на испытательной машине, диапазон скорости и значение клеммной емкости были выбраны, чтобы машина могла подавать питание на подключенную нагрузку при номинальном напряжении.Резистивная нагрузка не чувствительна к изменениям частоты. Поэтому два значения сопротивления нагрузки были выбраны произвольно.

    На рисунках 3 и 4 показано изменение напряжения на клеммах и генерируемой частоты при различных значениях скорости с емкостью (36 мкФ) и разном значении резистивной нагрузки (160 Ом, 220 Ом), показано, что значение напряжения на клеммах и генерируемое частота увеличивается с увеличением скорости.

    Рисунок 2.блок-схема GA для анализа устойчивого состояния SEIG.

    На рис. 5 показано наилучшее значение пригодности и среднее приспособление по сравнению с итерациями при C = 36 мкФ, R = 160 Ом и N = 1435 об / мин, наилучшая пригодность достигает нуля на итерации номер 51.

    Рис. 3. Напряжение и частота в зависимости от скорости при C = 36 мкФ и R = 160 Ом.

    Рисунок 4. Напряжение и частота в зависимости от скорости при C = 36 мкФ и R = 220 Ом.

    Рис. 5. Лучшее значение пригодности и среднее значение пригодности в зависимости от итераций при C = 36 мкФ и R = 160 Ом.

    На рис. 6 показаны значения лучших особей при F = 0,9451 P.U, X M = 102,8225 Ом (имеющие наилучшие значения пригодности) в каждом поколении при C = 36 мкФ, R = 160 Ом и N = 1435 об / мин.

    На рисунке 7 показаны минимальное, максимальное и среднее значения фитнес-функции в зависимости от итераций.Вертикальная линия показывает диапазон от наименьшего до наибольшего значения пригодности при C = 36 мкФ, R = 160 Ом и N = 1435 об / мин.

    На рисунке 8 показано среднее расстояние между особями по сравнению с итерациями, которое является хорошим показателем разнообразия популяции при C = 51 мкФ, R = 160 Ом и N = 1435 об / мин.

    На рисунке 9 показано изменение напряжения на клеммах и генерируемой частоты при разных значениях скорости с емкостью (51 мкФ) и разным значением резистивной нагрузки (160 Ом), как показано, что значение напряжения на клеммах и генерируемая частота увеличиваются с увеличением скорости. .

    Рис. 6. Лучшие значения индивидов на последней итерации (номер 51) при C = 36 мкФ и R = 160 Ом.

    Рис. 7. Минимальный максимум и среднее значение функции пригодности в зависимости от итераций при C = 36 мкФ и R = 160 Ом.

    Рис. 8. Среднее расстояние между людьми в зависимости от итераций при C = 36 мкФ и R = 160 Ом.

    Рисунок 9. Напряжение и частота в зависимости от скорости при C = 51 мкФ и R = 160 Ом.

    Генетические алгоритмы использовались для решения сложных задач машинного обучения, а также для разработки простых программ. Результат, полученный от GA, является более точным при использовании другого традиционного метода, потому что GA работает, чтобы найти оптимальное значение реактивного сопротивления и частоты намагничивания.

    Генетический алгоритм (GA) становится популярным методом оптимизации, поскольку он имеет ряд преимуществ перед другими методами оптимизации. Он надежен, способен находить глобальный и локальный минимум и не требует точных начальных оценок.Кроме того, не требуется подробный вывод аналитических уравнений для переформулирования задачи оптимизации в подходящие формы. GA может быть непосредственно реализован для получения оптимального решения с использованием определенной функции приспособленности.

    5. Выводы

    В этом приложении интеллектуальный подход, основанный на процедуре оптимизации генетического алгоритма, был успешно реализован для анализа устойчивого состояния самовозбуждающихся индукционных генераторов при различных рабочих скоростях, емкости и условиях резистивной нагрузки.Предложенная методика показала, что она надежна, точна и проста по сравнению с традиционными методами.

    6. ССЫЛКИ

    1. Д. Джоши, К. Сандху и М. Сони, «Управление напряжением самовозбужденного индукционного генератора с использованием генетического алгоритма», Турецкий журнал электротехники и компьютерных наук, Vol. 17, No. 1, 2009, pp. 87-97.
    2. С. Вадера и К. Сандху, «Исследование конечного напряжения и частоты самовозбужденного индукционного генератора на основе набора инструментов генетического алгоритма», Международный журнал передовых технологий и приложений, Vol.1, No. 1, 2010, pp. 243-250.
    3. К. Сандху и Д. Джоши, «Простой подход к оценке установившихся характеристик самовозбужденного индукционного генератора», Всемирные транзакции по системам и управлению, Vol. 3, № 3, 2008, стр. 208-218.
    4. С. Мэли и Я. Чаухан, «Анализ установившегося состояния трехфазного индукционного генератора с самовозбуждением», магистерская работа, кафедра энергосистем и электроприводов, Университет Тапар, Патиала, 2008 г.
    5. Ю. Цао и К. .Ву, «Обучение генетическому алгоритму с использованием Matlab», Международный журнал электротехнического образования, Vol. 36, No. 2, 1999, pp. 139-153.
    6. С. Вадера и К. Сандху, «Работа при постоянном напряжении самовозбужденного индукционного генератора с использованием инструментов оптимизации», Международный журнал энергетики и окружающей среды, Vol. 2, No. 4, 2008, pp. 191-198.
    7. A. L. Alolah и M. A. Alkanhal, «Оптимизационный анализ установившегося состояния трехфазного индукционного генератора с самовозбуждением», IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol.15, No. 1, 2000, pp. 61-65. doi: 10.1109 / 60.849117
    8. Х. Э. А. Ибрагим, М. Метвали и М. Сераг, «Анализ самовозбужденного индукционного генератора с использованием символьного набора инструментов и искусственной нейронной сети», Журнал электротехники Айн Шамс, том. 3, No. 8, 2010, pp. 17-28.
    9. Д. Джоши и К. Сандху, «Управление возбуждением самовозбужденного индукционного генератора с использованием генетического алгоритма и искусственной нейронной сети», Международный журнал математических моделей и методов в прикладных науках, Vol.3, № 1, 2009, с. 68-75.
    10. К. Сандху и Д. Джоши, «Анализ устойчивого состояния самовозбужденного индукционного генератора с использованием итеративной модели на основе фазорной диаграммы», Международные транзакции по энергетическим системам, Vol. 3, № 12, 2008 г., стр. 715-724.
    11. А.-Ф. Аттиа, Х. Солиман и М. Сабри, «Разработка системы управления на основе генетических алгоритмов самовозбужденного индукционного генератора», Чешский технический университет в Праге Acta Polytechnica, Vol. 46, No. 2, 2006, pp. 11-22.
    12. Д.Джоши, К. Сандху и М. Сони, «Работа при постоянном напряжении и постоянной частоте для самовозбужденного индукционного генератора», IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 21, No. 1, 2006, pp. 228-234. doi: 10.1109 / TEC.2005.858074
    13. Х. Э. Ибрагим, «Расчетные параметры туннельного акселерометра с микромеханической обработкой с использованием генетической оптимизации», журнал Ain Shams по электротехнике, Vol. 40, No. 4, 2005, pp. 787-806.

    Приложение

    Технические характеристики машины:

    3 фазы, 50 Гц, 2.2 кВт / 3,0 л.с., 4-полюсный, 230 В, 8,6 А. Индукционная машина с короткозамкнутым ротором, соединенная треугольником.

    Параметры машины:

    R S = 3,35 Ом R R = 1,76 Ом

    X S = 4,85 Ом X R = 4,85 Ом

    Характеристики намагничивания машины для определения напряжения воздушного зазора:

    E1 = 344,411 — 1,610 X M X M

    E1 = 465,120 — 3,077 X M 5.569> X M > = 82,292

    E1 = 579,897 — 4,278 X M 08,00> X M > = 95,569

    E1 = 0 X M > 108,00

    исследование, основанное на нелинейных динамических методах

    Используйте этот идентификатор для цитирования или ссылки на этот элемент:
    http: // тезисы.ncl.ac.uk/jspui/handle/10443/1478

    Издательство: Newcastle Университет

    Название: Самовозбуждающийся индукционный генератор: исследование, основанное на нелинейных динамических методах
    Авторы: Ма, Дандан
    Дата выпуска: 2012
    Аннотация: Индукционный генератор предлагает преимущества с точки зрения его низкой стоимости, простоты,
    прочная конструкция, защита от коротких замыканий и простота
    обслуживание в современной отрасли возобновляемых источников энергии.Однако необходимость в
    внешний источник реактивной мощности (для создания вращающейся волны магнитного потока)
    ограничивает применение индукционной машины в качестве автономного генератора. это
    возможно, чтобы индукционная машина работала как самовозбуждающаяся индукционная
    Генератор (SEIG), если конденсаторы подключены к клеммам статора, чтобы
    поставлять необходимую реактивную мощность для выработки электроэнергии в
    отдаленные места.
    Плохое регулирование напряжения и частоты является основным недостатком SEIG, поскольку
    Система очень динамична в условиях переменной нагрузки.Регулирование
    скорость и напряжение не дают удовлетворительного уровня, хотя многие исследования
    были сосредоточены на этой теме в прошлом. Таким образом, целью диссертации является
    для лучшего понимания поведения плавного воздушного зазора, самовозбуждения,
    индукционный генератор с короткозамкнутым ротором как нелинейная динамическая система при
    работа в различных условиях нагрузки, которые, как мы надеемся, будут способствовать
    разработка более регулируемой / контролируемой жизнеспособной системы SEIG.Учитывая нелинейный эффект перекрестного насыщения, математический Simulink, d -q
    осевая модель системы SEIG, использующая токи в качестве переменных пространства состояний:
    разработаны и проверены как экспериментальными результатами, так и численным анализом.
    Компьютерная модель SEIG построена и протестирована с использованием Matlab / Simulink.
    R2010b на протяжении всей диссертации.
    Показано, что самоавтономная система демонстрирует переход от стабильной
    периодическая орбита к квазипериодической орбите (ведущая к вероятному хаотическому движению) через
    Бифуркация Неймарка в результате небольших изменений значений системы
    параметры (такие как сопротивление нагрузки, индуктивность нагрузки, скорость вращения и
    емкость самовозбуждения).Это характерное динамическое поведение SEIG
    система впервые идентифицирована в данной работе и проверена экспериментально с использованием
    лабораторный испытательный стенд.
    Устойчивость периодических и квазипериодических орбит, продемонстрированная SEIG
    система при питании индуктивной нагрузки (RL) численно анализируется и
    движение собственных значений характеристической матрицы системы при
    изменение системного параметра представлено для проверки качественного изменения в
    поведение системы от устойчивой орбиты с периодом один к неустойчивой квазипериодичности.Техника собственных значений успешно применяется для оценки стабильности
    период один и квазипериодические орбиты SEIG при питании переменной нагрузки
    условия.
    Описание: кандидатская диссертация
    URI: http://hdl.handle.net/10443/1478
    Собирается в коллекциях: Школа электротехники, электронной и компьютерной инженерии

    Элементы в DSpace защищены авторским правом, все права сохранены, если не указано иное.

    Энергии | Бесплатный полнотекстовый | Анализ нагрузочной способности самовозбужденных индукционных генераторов на основе критерия Рауса

    1. Введение

    Самовозбуждающиеся индукционные генераторы широко используются в системах возобновляемой энергетики, таких как производство энергии ветра [1,2,3,4,5], а также в изолированных энергосистемах, таких как корабли, самолеты и т. Д. и буровые платформы [6,7,8,9], благодаря их преимуществам простоты, прочности, низкой стоимости, высокой надежности, отсутствия внешнего возбуждения и удобного обслуживания.В связи с быстрым развитием возобновляемых и автономных систем генерации энергии было проведено множество исследований, касающихся самовозбуждающихся индукционных генераторов. Например, расчет необходимой емкости для самовозбуждения самовозбужденных индукционных генераторов [10,11], анализ различных переходных процессов [12,13,14], а также анализ питания самовозбужденных индукционных генераторов. -фазная нагрузка [15,16,17]. Основным недостатком самовозбуждающихся индукционных генераторов является присущая им плохая способность регулирования напряжения, что является ограничивающим фактором для их широкого использования [18].Соответствующие исследования были выполнены по управлению напряжением и частотой самовозбуждающихся индукционных генераторов, и были получены некоторые достижения [19, 20, 21, 22]. В [23] описан усовершенствованный статический синхронный компенсатор, используемый для управления самовозбуждением. Возбужденный индукционный генератор, питающий случайные нагрузки, был построен на основе отношения относительной скорости вращения. Было показано, что контроллер устраняет колебания напряжения статора из-за случайных колебаний нагрузки и гарантирует эффективное регулирование скорости генератора и механической мощности.Изолированная самовозбуждающаяся индукционная система генератор-статический синхронный компенсатор, питающая динамические и статические нагрузки, была проанализирована в [24]. Исследования показали, что предложенная система может эффективно обеспечивать электроэнергией как сбалансированную, так и несбалансированную нагрузку. В [25] была предложена улучшенная стратегия управления прямым напряжением для управления напряжением на клеммах и частотой автономного самовозбуждающегося индукционного генератора с ветровым приводом и переменной нагрузкой. Было проверено, что эта стратегия имеет быстрый динамический отклик и может эффективно управлять генерируемым напряжением с низкими гармоническими искажениями при различных линейных или нелинейных нагрузках.

    Из предыдущего исследования видно, что все регуляторы напряжения и частоты учитывают нагрузку. Характеристики нагрузки влияют на осуществимость и эффективность стратегии управления.

    Для энергосистем на базе самовозбуждающихся индукционных генераторов, независимо от того, какая стратегия управления напряжением принята, существует соответствующая максимальная нагрузка, называемая критической нагрузкой, за пределами которой система управления не сможет контролировать напряжение, которое будет падать, когда результат.С развитием и более широким применением изолированных энергосистем на основе самовозбуждающихся индукционных генераторов предъявляются более высокие требования к надежности их источников питания. Поэтому при анализе критической нагрузки самовозбуждающихся индукционных генераторов следует уделять больше внимания ее влиянию на управление напряжением. Однако до сих пор практически не было литературы по нагрузочной способности самовозбуждающихся индукционных генераторов.

    В данной статье исследуется допустимая нагрузка самовозбуждающихся индукционных генераторов.По определению автономной системы [26], самовозбуждающийся индукционный генератор, линеаризованный в рабочей точке, является линейной не зависящей от времени автономной системой. Таким образом, метод анализа автономной системы в теории управления системами может быть использован при анализе самовозбуждающихся индукционных генераторов. Критерий Рауса — это метод определения устойчивости системы на основе коэффициентов характеристического полинома. Его явным преимуществом является отсутствие необходимости решать дифференциальные уравнения.Кроме того, критерий Рауса можно использовать не только для определения стабильности системы, но и для проверки запаса устойчивости. В качестве эффективного метода анализа устойчивости критерий Рауса использовался в различных инженерных системах [27,28,29,30]. В этой статье, основанный на переходных схемах замещения, критерий Рауса используется для анализа нагрузочной способности самовозбуждающихся индукционных генераторов.

    В изолированной энергосистеме на основе самовозбуждающегося индукционного генератора в части возбуждения может использоваться конденсатор возбуждения или электронное оборудование, такое как статические компенсаторы переменного тока или статический синхронный компенсатор.Электронное оборудование работает более мощно и эффективно. Однако во многих приложениях, где надежность или стоимость являются серьезной проблемой, широко используются конденсаторные батареи. Конденсаторная батарея имеет простую конструкцию, проста в использовании, недорогая и надежная, что позволяет избежать сложных элементов управления и потенциальных проблем с надежностью электронных устройств, поэтому они предпочтительны в ряде приложений, таких как корабли, буровые платформы и возобновляемые источники энергии. . Основное внимание в этой статье уделяется возможности использования критерия Рауса для анализа изолированной энергосистемы на основе самовозбуждающегося индукционного генератора.Таким образом, конденсатор возбуждения выбирается для обеспечения реактивного тока для системы.

    Основным вкладом данной статьи является создание модели самовозбуждающихся индукционных генераторов для анализа устойчивости с использованием критерия Рауса. Возможность применения критерия Рауса для анализа устойчивости самовозбуждающихся индукционных генераторов подтверждается анализом нагрузочной способности. Вся работа закладывает основу для дальнейшего применения критерия устойчивости Рауса при анализе самовозбуждающихся индукционных генераторов.

    Эта статья организована следующим образом. Во-первых, строится простая изолированная энергосистема на основе самовозбуждающегося индукционного генератора. Матрица состояний самовозбуждающихся индукционных генераторов получается из переходных схем замещения (раздел 2). Во-вторых, вводится краткое описание того, как построить рекурсивную таблицу Рауса. Затем по характеристикам системы с критической нагрузкой получается критерий Рауса для расчета критической нагрузки (раздел 3). В-третьих, критерий Рауса используется для прогнозирования критической нагрузки самовозбуждающегося индукционного генератора (раздел 4).Наконец, на данной системе проводятся эксперименты для подтверждения расчетов и проверки правильности анализа (раздел 5). Результаты экспериментов демонстрируют возможность использования критерия Рауса для анализа поведения самовозбужденных индукционных генераторов, и выводы представлены в разделе 6.

    2. Моделирование переходных процессов в изолированных энергосистемах на основе самовозбужденных индукционных генераторов

    Рисунок 1 показана простая изолированная энергосистема на основе самовозбуждающегося индукционного генератора.Система была построена с 2,2 кВт, Y-соединением, 380 В, 5 А, 50 Гц и 4-полюсным самовозбуждающимся индукционным генератором, который приводится в действие двигателем постоянного тока модели zft132. На основе этой системы проводятся как теоретический анализ, так и эксперименты. На рисунке 2 представлена ​​схема системы, показанной на рисунке 1. Трехфазные конденсаторные батареи с Y-соединением обеспечивают реактивный ток, помогая инициировать нарастание напряжения и поддерживать его. напряжение на клеммах самовозбуждающегося индукционного генератора с нагрузкой.Конденсаторы обычно называют конденсаторами возбуждения. Трехфазные индукторы и резисторы (L и R) на рисунке 2 являются нагрузками. Анализ самовозбуждающегося индукционного генератора с нагрузкой основан на переходной эквивалентной схеме. Взаимная индуктивность между статором и ротором изменяется во времени в декартовых координатах из-за того, что это функция скорости ротора. Поэтому преобразование Кларка применяется для устранения изменения взаимной индуктивности во времени при анализе переходных процессов. После преобразования взаимная индуктивность не зависит от времени.Ориентированная на управление линеаризованная модель, учитывающая эффект динамического перекрестного насыщения, приведена в [23], которая является более точной, чем простая модель, предполагающая постоянство взаимной индуктивности. Однако на границе самовозбуждения взаимная индуктивность M находится в критической точке линейной области и области насыщения, упрощенная модель и модель, учитывающая динамическое перекрестное насыщение, здесь, как правило, согласованы. Целью данной статьи является прогнозирование допустимой нагрузки самовозбуждающихся индукционных генераторов, т.е.е., анализ в данной статье проводится на границе самовозбуждения самовозбужденного индукционного генератора. Поэтому в данной статье принята упрощенная модель. На рисунке 3 показаны переходные схемы замещения неподвижной системы отсчета статора по оси α-β самовозбуждающегося индукционного генератора с нагрузкой. На рисунке 3 R s и L s — сопротивление статора и индуктивность рассеяния, соответственно, Rr ′ И Lr ′ — упомянутые значения сопротивления ротора и индуктивности рассеяния ротора, Ψrα ′ и Ψrβ ′ — упомянутые потокосцепления на стороне ротора, M — взаимная индуктивность, C — емкость возбуждения, а ω — скорость ротора.i и i — токи статора, irα ′ и irβ ′ — упомянутые значения токов ротора, u и u — напряжения емкости возбуждения, а i и i — токи нагрузки соответственно. R — сопротивление нагрузки, L — индуктивность нагрузки. Положительное направление переменных также показано на рисунке 3. Уравнения электромагнитного состояния самовозбуждающегося индукционного генератора могут быть получены на основе рисунка 3 с использованием законов Кирхгофа [31]: (1) показаны уравнения напряжения статора, (2) показывает уравнения напряжения ротора, а (3) — уравнение потока ротора.

    [usαusβ] = Rs [isαisβ] + Lsddt [isαisβ] + Mddt [isα + i′rαisβ + i′rβ]

    (1)

    [00] = R′r [i′rαi′rβ] −ω [−ψ′rβψ′rα] + ddt [ψ′rαψ′rβ]

    (2)

    [ψ′rαψ′rβ] = L′r [i′rαi′rβ] + M [isα + i′rαisβ + i′rβ]

    (3)

    Подставляя (3) в (2), чтобы исключить магнитный поток ротора, уравнения напряжения статора и ротора имеют вид (4).

    {usα = Rsisα + Lmsdisαdt + Mdi′rαdtusβ = Rsisβ + Lmsdisβdt + Mdi′rβdt0 = Mdisαdt + ωMisβ + R′ri′rα + L′mrdi′rαdt + ωL′mri′rβ0 = −ω′Misαdα − Mdisβ0 = −ω′Misαdα − Mdisβ0 = −ωMisαdα − Mdisβ0 rα + R′ri′rβ + L′mrdi′rβdt

    (4)

    В (4) L мс = L с + M — индуктивность статора, а Lmr ′ = Lr ′ + M — указанная индуктивность ротора.

    Уравнения тока и напряжения для емкости возбуждения можно представить в виде:

    {Cdusαdt + isα + iLα = 0Cdusβdt + isβ + iLβ = 0

    (5)

    В то время как таковые из нагрузки:

    {usα − RiLα − diLαdtL = 0usβ − RiLβ − diLβdtL = 0

    (6)

    Задайте вектор состояния:

    xT = (isα, irα ′, usα, iLα, isβ, irβ ′, usβ, iLβ), матрицу состояний самовозбуждающего индукционного генератора можно получить из (4) — (6) , подробная форма которого приведена в Приложении A, и может быть кратко записана как: Следовательно, характеристический многочлен матрицы состояний A равен:

    | sI − A | = a0s8 + a1s7 + a2s6 + a3s5 + a4s4 + a5s3 + a6s2 + a7s + a8

    (8)

    I — это единичная матрица того же порядка, что и матрица состояний.

    3. Критерий Рауса для прогнозирования допустимой нагрузки самовозбужденного индукционного генератора

    Первым шагом в применении критерия Рауса является составление таблицы Рауса в соответствии с коэффициентами характеристического полинома. Характеристический полином изолированной энергосистемы на основе самовозбуждающегося индукционного генератора представляет собой уравнение восьмого порядка. Поскольку это система высокого порядка, рекурсивная таблица Рауса используется для уменьшения сложности и рабочей нагрузки, как показано в Таблице 1. Каждая строка, начиная с третьей, вычисляется из двух предыдущих строк следующим образом:

    a2 (j − 1) i − 1 = a2ji − 3 − bi − 2a2ji − 2

    (9)

    bi − 2 = a0i − 2a0i − 1

    (10)

    Здесь i — номер строки от 1 до 9, а j — номер столбца от 1 до 5.

    При вычислении последнего элемента определенной строки рекурсивной таблицы Рауса можно обнаружить, что в предыдущей строке на один элемент меньше необходимого. Например, когда вычисляется a0n, требуется a2n-1, но a2n-1 не является элементом рекурсивной таблицы Рауса. В этом случае предыдущая строка может быть просто дополнена нулем в конце, чтобы продолжить вычисления.

    Согласно критерию устойчивости Рауса, необходимое и достаточное условие устойчивости линейных систем состоит в том, что все элементы первого столбца в рекурсивной таблице Рауса положительны, в противном случае система является неустойчивой [32].В теории систем под устойчивостью понимается возможность восстановления системы до исходного состояния равновесия с определенной точностью после исчезновения возмущения [33]. Если возмущение исчезает и система может постепенно вернуться в исходное состояние равновесия, то система устойчива, в противном случае система нестабильна.

    Нормальный режим работы самовозбуждающихся индукционных генераторов при выработке электроэнергии — это критически стабильное состояние, в котором его выходное напряжение является синусоидальным с постоянной амплитудой.

    Из анализа можно сделать вывод, что когда самовозбуждающиеся индукционные генераторы подают питание нормально, в соответствии с критерием Рауса, первый столбец рекурсивной таблицы Рауса, то есть a0n (n = 0, 1…, 8) в таблице I должно быть хотя бы одно значение меньше нуля. По мере увеличения нагрузки, когда ее полное сопротивление достигает определенного значения, система находится в критическом состоянии между нестабильностью и стабильностью. За пределами этой рабочей точки нагрузка превышает нагрузочную способность самовозбуждающегося индукционного генератора, то есть полное сопротивление нагрузки меньше критического, все элементы столбца a0n положительны, а выходное напряжение самовозбуждающегося генератора Возбужденная индукция генератора быстро спадает до нуля.Система разрушается и возвращается в исходное стабильное состояние. Импеданс нагрузки, при котором система находится в критическом состоянии между нестабильностью и стабильностью, другими словами, a0n (n = 0, 1…, 8) в Таблице I изменяется с не полностью положительного на полностью положительный, является максимальной нагрузкой, самовозбуждающийся индукционный генератор может нести.

    Согласно характеристикам параметров самовозбуждающегося индукционного генератора, очевидно, что 0 , 1 и 8 , которые являются первой, второй и девятой строками первого столбца рекурсивной таблицы Рауса. , всегда положительные.Процесс доказательства следующий.

    а1 = 2RsLLmr ′ + 2RrLLms + 2R (LmsLmr′ − M2) LmsLmr′ − M2> 0

    а8 = (R′r2 + Lmr′2ω2) (R + Rs) 2C2L2 (LmsLmr′ − M2) 2> 0

    Следовательно, условие для оценки критической нагрузки упрощается, чтобы определить точку, в которой элементы от a02 до a07 в первом столбце рекурсивной таблицы Рауса изменяются и становятся полностью положительными.

    Если заданы параметры самовозбуждающегося индукционного генератора, на элементы рекурсивной таблицы Рауса влияют только емкость возбуждения, скорость ротора и нагрузка.Поддерживая постоянную емкость возбуждения и скорость ротора, критическую нагрузку можно определить по изменению состояния системы. Импеданс нагрузки увеличивается от небольшого значения до тех пор, пока любой из a02, a03, a04, a05, a06 или a07 не изменится с положительного на отрицательный. Импеданс нагрузки в этом состоянии является критической нагрузкой самовозбуждающегося индукционного генератора.

    4. Теоретический расчет

    Параметры самовозбуждающегося индукционного генератора, использованного в этой статье, перечислены в таблице 2. Взаимная индуктивность M, которая соответствует току намагничивания индукционного генератора i м на холостом ходу кривая намагничивания, получена из синхронного эксперимента без нагрузки.Ток намагничивания индукционного генератора i m является суммой тока статора и тока ротора. Амплитуда i м следующая:

    imα = isα + i′rα, imβ = isβ + i′rβ

    (12)

    Когда i m мало, самовозбуждающийся индукционный генератор работает в ненасыщенной области магнитного потока и M является постоянным. Когда i m больше определенного значения, самовозбуждающийся индукционный генератор работает в области насыщения. В насыщенной области M быстро уменьшается с увеличением i m .

    Во время динамического моделирования и анализа самовозбуждающегося индукционного генератора кусочная функция, показанная формулой (13), используется для выражения взаимосвязи между M и i m . В этой статье, как упоминалось в разделе 2, анализ проводится на границе самовозбуждения самовозбуждающегося индукционного генератора. Следовательно, ненасыщенное значение M = 0,3754, которое может использоваться только для вычисления граничных условий самовозбуждения, принимается в последующем вычислении.

    M = {0,3754, im <1,1781,9498 / (im + 4,0158), 1,178≤im <2,1683,2154 / (im + 8,0301), 2,168≤im <3,1581,7919 / (im + 3,0769), 3,158≤im <4,2431 0,5628 / (im + 2,1413), im≥4,243

    (13)

    На сопротивление ротора Rr ′ влияют температура, скорость и другие факторы. В частности, повышение температуры в процессе работы вызовет увеличение Rr ‘. Можно рассчитать, что влияние изменения сопротивления ротора на критическую нагрузку неочевидно. Таким образом, изменение сопротивления ротора не учитывается.

    Подставляя параметры прототипа в уравнение (7) со скоростью ротора n = 1500 об / мин, емкостью возбуждения C = 35 мкФ и коэффициентом мощности (PF) = 0,8, можно получить характеристический полином самовозбуждающегося индукционного генератора. Подставляя коэффициенты характеристического полинома в таблицу 1, рекурсивная таблица Рауса рассчитывается с полным сопротивлением нагрузки, начиная с нуля. Все девять элементов в первом столбце являются положительными, пока полное сопротивление нагрузки не увеличится до 259 Ом. Результаты расчетов представлены в таблице 3.

    Когда Z равно 259 Ом, восьмой элемент a07 меняется с положительного на отрицательный. Согласно критерию Рауса для допустимой нагрузки самовозбуждающихся индукционных генераторов, критическая нагрузка этого прототипа при указанных выше условиях эксплуатации составляет 259 Ом.

    Таким же образом при условиях n = 1500 об / мин, C = 37 мкФ и PF = 0,7 импеданс критической нагрузки оказался равным 241 Ом, как показано в Таблице 4. С помощью упомянутого выше метода когда n поддерживает постоянное значение 1500 об / мин, можно рассчитать изменения критического сопротивления нагрузки в зависимости от емкости возбуждения при определенном коэффициенте мощности.Как известно, для конкретной частоты вращения ротора существуют критические значения емкости возбуждения C min и C max , и между ними самовозбуждение стабильно. Могут быть получены две границы самовозбуждения, относящиеся к C min и C max соответственно. В качестве примера показана зависимость между импедансом критической нагрузки и емкостью возбуждения при PF = 0,8. Поскольку C max и C min различаются примерно на два порядка, эти две границы показаны на рисунках 4 и 5 соответственно для более четкого отображения.Из рисунков 4 и 5 можно сделать вывод, что существует минимальный импеданс критической нагрузки, соответствующий емкости возбуждения, когда емкость возбуждения находится в диапазоне между C min и C max . С увеличением емкости возбуждения уменьшается критическое сопротивление нагрузки. Другими словами, увеличивается грузоподъемность. Однако нагрузочная способность будет уменьшаться, когда емкость возбуждения слишком велика, приближаясь к C max .Кривые зависимости между импедансом критической нагрузки и емкостью возбуждения при различных значениях коэффициента мощности при n = 1500 об / мин показаны на рисунках 6 и 7. Из рисунков 6 и 7 можно сделать вывод, что для поддержания мощности генерации самовозбуждающегося индукционного генератора, емкость возбуждения должна находиться в диапазоне от C min до C max . Для конкретного коэффициента мощности, когда емкость возбуждения больше, чем C min и намного меньше, чем C max (как показано на рисунке 6), увеличение емкости возбуждения имеет тенденцию к уменьшению критического сопротивления нагрузки и повышению нагрузочной способности.При поддержании постоянной емкости возбуждения с увеличением коэффициента мощности критическое сопротивление нагрузки уменьшается. Однако, когда емкость возбуждения увеличивается слишком сильно, приближаясь к C max , все тенденции меняются на противоположные (как показано на рисунке 7). Увеличение емкости возбуждения приведет к увеличению критического сопротивления нагрузки. Для определенной емкости возбуждения с увеличением коэффициента мощности увеличивается и сопротивление критической нагрузки. На рисунке 6, когда емкость возбуждения уменьшается, все кривые, соответствующие разным коэффициентам мощности, стремятся к одному и тому же значению, ниже которого индукция самовозбуждения генератор не может работать с любой нагрузкой.Доказано, что эта минимальная емкость возбуждения является емкостью возбуждения генератора при нарастании напряжения холостого хода. Аналогичные тенденции можно наблюдать на рисунке 7, все кривые смещаются в сторону максимальной емкости возбуждения напряжения нарастания холостого хода, когда емкость возбуждения увеличивается.

    5. Экспериментальные результаты

    Чтобы проверить правильность метода, предложенного в этой статье, результаты, рассчитанные выше, были протестированы на платформе, показанной на рисунке 1.

    Сбор данных осуществлялся 16-канальным самописцем серии Synergy (SynergyP16H ).Частота дискретизации записывающего устройства составляла 200 kS / s на канал. В записывающем устройстве используется автоматический отслеживающий сглаживающий фильтр (Gauss FS / 8) с частотой среза фильтрации 25 кГц. В части синхронизации был принят SINAMICS DCM (6RA80).

    На рис. 8 показано сравнение теоретических результатов с экспериментальными результатами, когда на самовозбуждающийся индукционный генератор подавалась резистивная нагрузка. Эксперименты проводились при установленном сопротивлении нагрузки 100 Ом, 200 Ом, 400 Ом и 500 Ом соответственно.

    Когда на самовозбуждающийся индукционный генератор была запитана резистивно-индуктивная нагрузка, поскольку в испытании были доступны только реакторы 500 мГн, 100 мГн и 200 мГн, несколько групп экспериментов были организованы следующим образом.

    5.1. Случай 1, n = 1500 об / мин, коэффициент мощности нагрузки = 0,8

    В соответствии с существующим индуктором нагрузки полное сопротивление нагрузки было установлено на 261,7 Ом (L = 500 мГн, R = 209 Ом). Согласно методу расчета, предложенному в Части 4, емкость возбуждения, соответствующая критической нагрузке 261,7 Ом, составила 34,9 мкФ. Из-за потерь во время эксперимента, потребляющего энергию, фактическая емкость возбуждения должна быть немного больше 34,9 мкФ. В этом эксперименте начальное значение емкости возбуждения было установлено равным 35.5 мкФ. На рисунке 9 показаны кривые напряжения и тока фазы A соответственно.

    После того, как частота вращения ротора самовозбуждающегося индукционного генератора установилась на 1500 об / мин, примерно через 5 с, была задействована батарея трехфазных конденсаторов возбуждения, и самовозбуждающийся индукционный генератор начал процесс нарастания напряжения. Этот процесс завершился примерно через 15 с, после чего напряжение на клеммах статора без нагрузки оставалось на уровне примерно 290 В. Примерно через 35 с, группа трехфазных сбалансированных резистивно-индуктивных нагрузок с импедансом 261.Были подключены 7 Ом и PF = 0,8. Напряжение на выводах статора быстро уменьшалось и примерно через 52 с, а напряжение на выводах статора упало до 100 В. Затем, через 120 с, емкости возбуждения были уменьшены с 35,5 мкФ до 35,4 мкФ, одновременно напряжение рухнуло и в конечном итоге упало до нуля.

    Все эксперименты длились более 150 с. Чтобы более четко наблюдать тенденцию изменения формы сигнала, увеличены два сегмента формы сигнала, отмеченные в прямоугольниках на Рисунке 9a, которые показаны на Рисунках 10a, b.

    С помощью этого эксперимента можно оценить погрешность между расчетным и фактическим значениями. Когда критическая нагрузка составляет 261,7 Ом и коэффициент мощности = 0,8, соответствующее теоретическое граничное значение емкости возбуждения составляет 34,9 мкФ, а фактическое экспериментальное значение составляет 35,5 мкФ. Абсолютная погрешность здесь составляет 0,6 мкФ, а относительная — всего 1,7%. Правильность метода проверена.

    5.2. Случай 2, n = 1500 об / мин, C = 37 мкФ, PF = 0,7

    Расчетное сопротивление критической нагрузки в этих условиях составило 241 Ом.Две разные нагрузки, одна из которых немного больше, а другая меньше критической, подавались на самовозбуждающийся индукционный генератор соответственно. Экспериментальные формы сигналов показаны на рисунках 11 и 12. Из рисунка 11a, через 8 с были подключены конденсаторы возбуждения, и процесс нарастания напряжения холостого хода завершился через 15 с при C = 37 мкФ. Напряжение на клеммах статора самовозбуждающегося индукционного генератора оставалось на уровне около 300 В. Приблизительно через 51 с группа трехфазных сбалансированных резистивно-индуктивных нагрузок с 263.Было подключено полное сопротивление 9 Ом (L = 600 мГн, R = 184,7 Ом). Поскольку это сопротивление нагрузки было больше критической нагрузки (в пределах допустимого диапазона нагрузок), напряжение на клеммах статора снизилось до 146 В, а затем осталось на этом уровне. На рис. 11b показана форма волны тока статора в фазе А. На рис. 11с крупным планом показаны формы сигналов в прямоугольниках на рис. 11а. На рис. 12а процесс нарастания напряжения такой же, как на рис. 11а. Процесс нарастания напряжения холостого хода завершился через 15 с, а напряжение на клеммах статора составило около 300 В.Примерно через 32 с были добавлены резистивно-индуктивные нагрузки с сопротивлением 219,9 Ом (L = 500 мГн, R = 153,9 Ом). Поскольку это сопротивление нагрузки было ниже критического, самовозбуждающийся индукционный генератор не мог его выдержать, и напряжение упало и в конечном итоге упало до нуля. На рис. 12b показана форма сигнала тока статора в фазе A. На рис. 12c показаны крупный план осциллограммы в прямоугольниках на рис. 12а.

    Из экспериментальных результатов видно, что, когда нагрузка превышает критическую нагрузку, а полное сопротивление нагрузки меньше критической нагрузки, напряжение на клеммах статора падает до нуля.Когда полное сопротивление нагрузки превышает критическую нагрузку, после короткого переходного процесса напряжение на клеммах падает до более низкого значения, и самовозбуждающийся индукционный генератор продолжает стабильно работать. Эти экспериментальные результаты подтверждают точность предложенного метода анализа устойчивости.

    6. Выводы

    Основные результаты исследования следующие:

    • Изолированная энергосистема на основе самовозбуждающегося индукционного генератора рассматривается как линейная, не изменяющаяся во времени автономная система в рабочей точке на самовозбуждающаяся граница.Критерий Рауса применяется для анализа устойчивости этой системы.

    • Допустимая нагрузка самовозбуждающегося индукционного генератора, которая выражается критической нагрузкой, рассматривается как объект анализа. По рекурсивной таблице Рауса прогнозируется значение критической нагрузки самовозбуждающегося индукционного генератора. Самовозбуждающийся индукционный генератор может поддерживать выходное напряжение, когда его значение импеданса нагрузки больше критического, в противном случае выходное напряжение самовозбуждающегося индукционного генератора упадет до нуля.

    • Значение сопротивления критической нагрузки уменьшается с увеличением емкости возбуждения. Для определенной емкости возбуждения, чем больше коэффициент мощности нагрузки, тем меньше критическое сопротивление нагрузки.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *