Особенности расчета бесконтактных генераторов электроэнергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кубанский государственный аграрный университет

Особенности РАСЧЁТА БЕСКОНТАКТНЫХ генераторов электроэнергии

Квитко Андрей Викторович, старший преподаватель

Петренко Юрий Мухаметович, магистр

Тарасов Максим Михайлович, студент

г. Краснодар, Россия

Аннотация

В статье показано, что для улучшения характеристик автономных систем необходимы новые методы и принципы их конструирования, связанные как с применением возобновляемых источников, так и с применением новых технических решений электромеханических генераторов и статических стабилизаторов и преобразователей параметров электроэнергии. Раскрываются современные требования к генераторам электроэнергии, а также особенности расчёта параметров бесконтактных генераторов электроэнергии: асинхронных генераторов емкостного возбуждения и асинхронных генераторов с постоянными магнитами. Приведены аналитические выражения для расчёта электрических потерь и КПД генераторов, удельной массы и мощности. Показано, что целесообразно проектирование бесконтактных генераторов электроэнергии осуществлять в составе автономных систем электроснабжения, поскольку иногда выгоднее занизить основные критерии эффективности генераторов, для того чтобы улучшить, к примеру, массогабаритные показатели статических преобразователей. Сделан вывод о том, что для повышения эффективности проектирования бесконтактных генераторов электроэнергии на начальных этапах проектирования необходимо проводить предварительную оценку основных критериев эффективности бесконтактных электрических машин. Рассмотренные в статье аналитические выражения могут использоваться для предварительной оценки возможностей применения различных типов бесконтактных генераторов в составе автономных систем электроснабжения с учётом условий эксплуатации

Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, автономные системы электроснабжения, бесконтактные генераторы электроэнергии, асинхронные генераторы, синхронные генераторы

The article shows that to improve the performance of autonomous systems we need new methods and principles of their design, associated with both the use of renewable sources and the application of new technical solutions of electromechanical generators and static stabilizers and inverters electric power settings. We have disclosed modern requirements for generators of electric power, as well as features of calculating the parameters of contactless electrical power generators: asynchronous generators capacitive excitation and asynchronous generators with permanent magnets. The article presents some analytical expressions for calculating the electrical losses and the efficiency of the generators, specific weight and power. It is shown, that expedient to designing contactless electrical power generators to carry out as part of the autonomous electricity supply systems, as it is sometimes advantageous to understate the main criteria of efficiency of generators, in order to improve, for example, weight and overall dimensions of static converters. The conclusion is made that in order to improve the efficiency of designing contactless electrical power generators in the early stages of designing it is necessary to carry out a preliminary assessment of the main criteria of efficiency of contactless electrical machines. We have also discussed analytical expressions, which might be used for preliminary evaluation of application features for various types of contactless generators in the stand-alone electricity supply systems taking into account the conditions of use

Keywords: renewable energy, independent power supply system, noncontact electric power generators, induction generators, synchronous generators

Перспективы возобновляемых источников энергии (ВИЭ), применяемых в составе автономных систем электроснабжения (АСЭ) очевидны, и известно также, что эксплуатационно-технические характеристики (ЭТХ) автономных систем в основном зависят от характеристик генераторов электроэнергии [1, 2]. В настоящее время автономная электроэнергетика предъявляет следующие основные требования к генераторам электроэнергии АСЭ [3, 14]:

- высокая надежность работы, в том числе ресурс, и КПД;

- высокая стабильность и точность поддержания параметров электроэнергии в условиях действия таких дестабилизирующих факторов, как переменная частота вращения приводного двигателя (ветроколеса ветроэлектрической установки, турбины гидроэлектростанции и т. п.), изменяющаяся величина и характер нагрузки;

- минимальная стоимость и эксплуатационные расходы;

- минимальная масса и габариты при растущей потребности увеличения установленной (расчетной) мощности;

Для улучшения характеристик АСЭ необходимы новые методы и принципы их конструирования, связанные как с применением ВИЭ, так и с применением новых технических решений электромеханических генераторов и статических стабилизаторов и преобразователей параметров электроэнергии [4, 5, 11, 13].

Перспективным является направление применения в составе АСЭ бесконтактных генераторов электроэнергии (БГЭ), которыми являются асинхронные генераторы с емкостным возбуждением (АГ) и синхронных генераторов с постоянными магнитами (СГПМ) [2, 14].

Основными преимуществами БГЭ в сравнении с известными техническими решениями генераторов электроэнергии являются:

- повышенные показатели надежности и соответственно повышенный ресурс непрерывной работы (в несколько раз превышающий ресурс работы контактных генераторов электроэнергии);

- повышенные значения КПД на 5 - 10%;

- относительно небольшая масса и габариты, за счет повышенных механических, электромагнитных и тепловых нагрузок.

Важная особенность работы и основным недостатком АГ и СГПМ в сравнении с генераторами с электромагнитным возбуждением является сложность регулирования и стабилизации выходного напряжения. Однако принципы и технические решения стабилизаторов напряжения АГ аналогичны с СГПМ, т.е. стабилизация напряжения осуществляется за счет регулирования реактивной мощности, поступающей в генераторы от конденсаторов. Изменение реактивной мощности конденсаторов осуществляется за счет изменения реактивного тока, протекающего через конденсаторы, пропорционально изменению напряжения путем изменения времени открытого состояния силовых полупроводниковых ключей, которые к конденсаторам подключаются последовательно или параллельно. Здесь перспективным направлением является применение в качестве стабилизатора параметров электроэнергии БГЭ (напряжения и частоты тока) непосредственных преобразователей частоты [6]. Другим перспективным направлением является применение в составе АСЭ статических преобразователей и стабилизаторов, выполненных с использованием трансформаторов с вращающимся магнитным полем [7, 8, 10, 12, 14].

При разработке БГЭ необходимо учитывать некоторые особенности их расчёта, которые рассматриваются в статье.

Важной характеристикой БГЭ являются их потери энергии и соответственно КПД. Известно, потери электрической энергии в электрических машинах разделяются на основные и добавочные. Добавочные потери это потери, вызванные действием высших гармоник МДС, колебаниями индукции вследствие зубчатого строения статора и другими причинами. Как правило, для генераторов мощности, которая находится в пределах от 50 до 500 кВт, добавочные потери Р_доб принимают равными 0,5% мощности машины. Основные потери БГЭ состоят из электрических потерь в обмотке статора, магнитных потерь статора (потерь в электротехнической стали), механических потерь и поверхностных потерь [2].

Исходными данными для расчета электрических потерь и КПД БГЭ на этапе проектирования должны быть: мощность генератора - S; номинальное напряжение - U_н; частота вращения ротора - n; число пар полюсов - p; число зубцов статора - Z; геометрический фактор - ; внутренний диаметр статора генератора - D; плотность тока в обмотке статора - j₁; значения параметров электромагнитной нагрузки А и В; коэффициент мощности нагрузки - cos_н.

Электрические потери в обмотке статора

(1)

где r₁ - активное сопротивление обмотки статора.

Рабочий ток фазы в обмотке статора

(2)

Для определения активного сопротивления r₁ необходимо определить число витков в обмотке статора W₁, сечение провода обмотки q₁ и среднее значение длины витка l_ср.

Число витков обмотки

(3)

где u 0,7…0,9 - коэффициент, учитывающий относительное снижение напряжения на нагрузке; В 0,8 Тл - магнитная индукция в воздушном зазоре.

Подставив в (3) значения коэффициентов и с учетом, что

f = рn/ 60, =D/(2р)

получится формула для определения числа витков

(4)

Сечение провода обмотки статора

(5)

где а₁ - число параллельных ветвей обмотки фазы.

Среднее значение длины витка обмотки

(6)

Тогда с учетом (4) и (5) активное сопротивление обмотки можно определить по формуле

(7)

где - удельное сопротивление меди.

Магнитные потери в статоре

(8)

где _с - удельные потери в электротехнической стали (2 - 5 Вт/кг); В_с(1,2 -1,6) Тл - магнитная индукция стали; М_с - масса стали статора.

Приближенно масса стали может быть определена по формуле

(9)

где m_с = 7800 кг/м³ - удельная масса стали; k_п0,8-0,9 - коэффициент, учитывающий объем паза статора; D_н - наружный диаметр статора генератора;

D_н = k_D D

k_D = 1,3-1,9 - коэффициент, зависящий в основном от числа полюсов генератора.

Механические потери Р_мех определяются потерями на трение в подшипниках и потерями на вентиляцию, при использовании вентилятора определяются по формуле

(10)

Поверхностные потери Р_п в наружном цилиндре ротора возникают из-за колебания индукции вследствие зубчатого строения статора

(11)

где В_о (0,2 - 0,3) Тл.

Подставив в (11) известные значения коэффициентов получим

 (12)

Как видно из формул (8) - (12) потери в БГЭ в основном определяют размеры активной части генератора D и l, которые в основном зависят от значений S и n.

Тогда коэффициент полезного действия генератора

(13)

где Р - сумма всех потерь генератора.

Р = Р_доб+Р_эл+Р_ст+Р_мех+Р_п

Следующими немаловажными показателями БГЭ являются удельная масса и предельная мощность.

Полную массу генератора М можно выразить через массу активных материалов М_А, как

М = k_к М_А,

где k_к = 1,4-1,7 - конструктивный коэффициент, учитывающий массу конструктивных элементов (подшипниковых щитов, корпуса и т.п.). В свою очередь масса активных материалов

(14)

где 8000 кг/м³ - средняя плотность активных материалов на статоре и роторе; k 0,8 - коэффициент плотности, характеризующий заполнение машины активными материалами на длине; D_Н и l - наружный диаметр и длина воздушного зазора активной части машины.

При получении уравнения (14) сделаны допущения, что объем активных материалов, расположенных за пределами длины l, к примеру, лобовых частей обмоток, частично компенсирует различные полости в статоре и роторе на длине l.

С учетом, что размер активной части машины характеризуется коэффициентом

= l / D,

то массу БГЭ можно определить по формуле

(15)

где - коэффициент, зависящий от числа пар полюсов генератора, для р =2-4, 1,3-1,6; D - внутренний диаметр активной части машины.

Есть ограничения для БГ на геометрический фактор , входящий в уравнение (15), которые связаны в первую очередь с характером замыкания магнитного потока. СГПМ и АГ имеют радиальный поток. Для машин с радиальным потоком ограничения на величину определяются главным образом прочностными требованиями, и может меняться в относительно широких пределах. Однако существует рациональное значение , зависящее от числа пар полюсов генератора и для синхронных машин 0,8 р^-0,5, а для асинхронных машин 1,6 р^-2/3.

Тогда с учетом (14) и (15) удельная масса генератора

(16)

где В 0,5-1 Тл - магнитная индукция в зазоре имеет характерные значения и не может быть существенно увеличена из-за чрезмерного насыщения стали в зубцовой зоне статора; А - величина линейной нагрузки генератора, т.е. величина тока, приходящегося на единицу длины окружности зазора машины

А = N I₁ /(D), (17)

где N - полное число проводников обмотки статора.

N = 2W₁m

Из уравнения (16) следует вывод, что для снижения удельной массы БГЭ необходимо, во-первых, минимизировать произведение k_D²k, что связано с реализацией оптимальных конструктивных исполнений машины, а во-вторых, иметь максимально допустимые электромагнитные нагрузки А и В и частоты вращения n.

Если БГЭ предназначены для работы с предельными механическими нагрузками, то внутренний диаметр активной части машины будет определяться по формуле

(18)

где 0,64 - расчетный коэффициент полюсного перекрытия; _max - предельная окружная скорость

(19)

где n_max - предельно допустимые значения частоты вращения

(20)

где С_П - постоянная, определяемая прочностными свойствами материала ротора; - показатель, зависящий от его конструктивного исполнения и для БГЭ, которые имеют повышенную прочность бандажа 1.

В соответствии с рассмотренными формулами получаем значения минимальной удельной массы БГЭ при максимальных оборотах

(21)

(22)

Как видно из рассмотренных формул с ростом расчетной мощности S максимальная частота вращения n_max уменьшается, а значение удельной массы m_Pmin может увеличиваться. Эти закономерности проявляются при достаточно слабой зависимости АВ от S, что обычно имеет место для генераторов средней мощности.

Рассмотренные выше аналитические выражения могут использоваться для предварительной оценки возможностей применения различных типов БГЭ в определенных условиях эксплуатации.

По заданной скорости _max, непосредственно связанной с допустимыми механическими нагрузками в роторе, можно оценить предельные мощности БГЭ.

Формула для определения предельной мощности БГЭ имеет вид

(23)

На этапе проектирования, с учетом расмотренных формул, можно построить графики зависимости предельной мощности S_пр от n_max и определить массогабаритные показатели БГЭ.

Удельная масса БГЭ, работающих с предельными окружными скоростями, может возрастать с увеличением их размеров и может возникнуть ситуация, когда вместо одного генератора с повышенной мощностью целесообразно иметь две машины с той же суммарной мощностью. Это связано с тем, что при фиксированной скорости _max по мере увеличения диаметра активной части машины D приходится снижать n и возрастание мощности S согласно (24) происходит медленнее, чем увеличение массы.

, (24)

где

Кроме того, как видно из (23) чем больше частота вращения n, тем меньше предельная мощность генератора. Это очевидно с физической точки зрения, так как увеличение частоты вращения при заданной линейной скорости должно сопровождаться уменьшением размеров электрической машины. генератор асинхронный электроснабжение

Целесообразно проектирование БГЭ осуществлять в составе АСЭ, поскольку иногда выгоднее занизить основные критерии эффективности БГЭ, для того чтобы улучшить, к примеру, массогабаритные показатели статических преобразователей в целом, за счет повышенной частоты генерируемого напряжения БГЭ, которая получается путем увеличения числа пар полюсов генератора [9].

Таким образом, для повышения эффективности проектирования БГЭ на начальных этапах проектирования необходимо проводить предварительную оценку основных критериев эффективности бесконтактных электрических машин. Рассмотренные аналитические выражения раскрывают характерные особенности расчёта БГЭ.

Список литературы

1. Григораш О.В., Коваленко В.П., Воробьев Е.В., Власов В.Г. Перспективы возобновляемых источников энергии в Краснодарском крае. Труды КубГАУ. - Краснодар, 2012, № 6, с.159-163.

2. Григораш О.В., Божко С.В., Попов А.Ю. и др. Автономные источники электроэнергии: состояние и перспективы. Краснодар. 2012. С.174.

3. Григораш О.В. Асинхронные генераторы в системах автономного электроснабжения. Электротехника. 2002. № 1. С 30-34.

4. Григораш О.В., Божко С.В., Нормов Д.А. и др. Модульные системы гарантированного электроснабжения. Краснодар. 2005. С. 306.

5. Григораш О.В., Дацко А.В., Мелехов С.В. К вопросу электромагнитной совместимости узлов САЭ. Промышленная энергетика. 2001. № 2. С.44-47.

6. Григораш О.В., Квитко А.В., Алмазов В.В. и др. Непосредственный трехфазный преобразователь частоты с естественной коммутацией. Патент на изобретение RUS 2421867, 12.05.2010.

7. Григораш О.В. Преобразователи электрической энергии на базе трансформаторов с вращающимся магнитным полем для систем автономного электроснабжения. Промышленная энергетика. 1997. № 7. С.21-26.

8. Григораш О.В., Кабанков Ю.А. К вопросу применения трансформаторов с вращающимся магнитным полем в составе преобразователей электроэнергии. Электротехника. 2002. № 3. С.22-26.

9. Богатырев Н.И., Григораш О.В. Курзин Н.Н. и др. Преобразователи электрической энергии: основы теории, расчёта и проектирования. - Краснодар, 2002, с. 358.

10. Григораш О.В., Степура Ю.П., Квитко А.В. Структурно-параметрический синтез автономных систем электроснабжения. Ползуновский вестник. 2011. № 2-1. С.71-75.

11 Григораш О.В., Гарькавый К.А., Квитко А.В., и др. Устройство стабилизации напряжения и частоты ветроэнергетической установки. Патент на изобретение RUS 2443903. 12.05.2010.

12. Григораш О.В., Попов А.Ю., Квитко А.В. и др. Удельная масса и предельная мощность бесконтактных генераторов электроэнергии. Труды КубГАУ. - Краснодар, 2011, № 29, С.198 -202.

13. Григораш О.В., Квитко А.В., Хамула А.А. Ресурсы возобновляемых источников энергии Краснодарского края. Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2013. № 08. С. 207.

14. Григораш О.В. Статические преобразователи электроэнергии систем автономного электроснабжения сельскохозяйственных потребителей: дис. … д-ра техн. наук. / О.В. Григораш; КубГАУ. - Краснодар, 2003. - 338 с.

Размещено на Allbest.ru