WWW.NAUKA.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Книги, издания, публикации
 


Pages:   || 2 |

«Аннотация В дан.ной дипломной работе ис.следуются характеристики электрического преобра.зователя для В.ЭС с ком.мутирующим выпр.ямителем. Пр.оводить данное ис.следование позволяет ...»

-- [ Страница 1 ] --

Аннотация

В дан.ной дипломной работе ис.следуются характеристики электрического

преобра.зователя для В.ЭС с ком.мутирующим выпр.ямителем. Пр.оводить

данное ис.следование позволяет физическая модель ветроэлектродвигателя,

которая была изготовлена за счет анализа необходимого электродвигателя.

Ф.изическая модель представляет собой учебно.-исследовательский стенд, для

которого также были выбраны со.ответствующий ветрогенератор, корпус,

измерительные приборы и необходимые элементы. Для у.довлетворения решения но.вой схемы, был использован электри.ческий преобра.зователь.



Андатпа Дипломды жмыста электрикалы трлендіргіш.ті сипат.тамалары зерт.теледі. Осы сипаттамаларды зерттеу.шін жел электр.ондырыларыны физи.калы моделi жасалды. Моде.лдеуге ажет электр озалты.шына анализ жасалды.Осы жмысты физика.лы моделiн жаса.у жолында оу – зерт.теу стендін жина.дым. Оны жина.у шiн элемент.терiн, лшеу.iш аспаптар.ын, ажет корпусын та.дадым. Жаа слбан.ы шешiмiн анаат.тандыру шiн электрлiк турлендiрг.iш олданг.ан.

Annotation In this the.sis we study the characteri.stics of the electrical transd.ucer for VES with sw.itching rectifier. C.onduct this study al.lows vetroelektrodvigatelya physical model, which was made by anal.yzing the re.quired motor. The phy.sical model is a te.aching and research stand for which were also chosen an ap.propriate wind turbine enclo.sure, measuring instruments and neces.sary items. Soluti.ons to meet the new sc.heme was used e.lectrical converter.

Содержание Сокращения и перечень определений Введение 1 Ветроэнергетические установки

1.1 Анализ видов и параметров ветроэнергетических установок

1.2 Характеристики ветродвигателя с вертикальной осью вращения 2 Генераторы, используемые в ветровых электроустановках

2.1 Анализ генераторов, используемых в ветровых электроустановках 3 Производства электроэнергии из ветровых электроутановок

3.1 Типовые схема производства электроэнергии из ВЭУ

3.2 Новое схематическое решение электропреобразователя 2 4 Моделирование ветрового двигателя 2

4.1 Анализ электродвигателей с возможностью использования для моделирования ветродвигателя 2

4.2 Выбор ветрового двигателя, моделируемого электродвигателем постоянного тока

–  –  –

Перечень сокращений и определений ОВ – обмотка возбуждения;

СГ – синхронный генератор;

ДПТ – двигатель постоянного тока;

ФЗП – фонд заработной платы;

ЗП – заработная плата;

ВБ – вентильный блок;

ТГ – тахогенератор;

ВЭУ – ветроэлектроустановка.

–  –  –

В мире одним из значительно развитых модернизированных источников энергии является ветровая энергетика. Для масштабного использования ветровой энергетики Казахстан с географической и метеорологической точки зрения является благоприятной страной. По оценкам экспертов, потенциал ветровой энергетики Казахстана оценивается в 920 млрд. кВт/час электрической энергии в год. Однако, несмотря на огромные ресурсы ветровой энергетики, в нашей республике на деле данный потенциал не используется.

На сегодняшний день в рамках проекта Программы развития «Казахстан-инициатива развития ранка ветровой энергетики» Правительства Республики Казахстан и ООН в Республике Казахстан были проделаны определенные работы, направленные на развитие ветровой энергетики, в том числе проведены исследования на 10 площадках разных областей республики.

Во всех этих исследованиях было подтверждено наличие среднегодовой скорости ветра (в среднем 5-6 м/с), пригодного для успешной реализации проектов. В рамках проекта разработан атлас ветров Казахстана.

«Оставаясь крупным игроком на рынке углеводородного сырья, мы должны развивать производство альтернативных видов энергии, активно внедрять технологии, использующие энергию солнца и ветра. Все возможности для этого у нас есть. К 2050 году в стране на альтернативные и возобновляемые виды энергии должно приходиться не менее половины всего совокупного энергопотребления».

Существует три направления развития ветроэнергетики такие как крупные ветроэлектростанции, включенные в национальные энергетические сети; территориальные ветроэлектростанции, включенные в региональные сети; уединенные ветроэнергетические установки малой мощности для питания единичных объектов.

В последние годы ученые активно занимаются конструированием отдельных узлов ветровой электрической установки.





Но отсутствие практических исследовательских работ на изобретение создает препятствия для внедрения в производство. Сотрудники Алматинского университета энергетики и связи нашли схематическое решение электрического преобразователя, обеспечивающего работу ветровой электроустановки в широких масштабах скорости ветра. Для исследования и проектирования найденного решения необходимо провести испытания. Изготовление физических моделей предоставляет возможность максимально приблизиться к конкретному объекту.

Сложность изготовления модели ветрового двигателя объясняется изменением в широком диапазоне его частоты оборотов и мощности.

В данных целях надо изготовить учебно-исследовательский стенд.

Перед конструированием стенда проводится анализ электрогенераторов, используемых в ветровых двигателях. Электропреобразователи, используемые в ветровых электроустановках и схематическое решение преобразователя, изобретенного сотрудниками университета, показаны в следующем разделе.

При конструировании стенда, в первую очередь для моделирования ветрового двигателя проводится анализ разных электродвигателей и среди них отбирается наиболее приемлемый двигатель. После этого указываются мероприятия по приведению его механических характеристик в характеристики ветрового двигателя. Во вторую очередь, рассматривается вопрос о выборе генератора, преобразовывающего механическую энергию ветродвигателя в электрическую энергию. В третью очередь рассматривается монтаж электропреобразователя. В конце из данных элементов конструируется и характеризуется учебно-исследовательский стенд.

В безопасности жизнедеятельности части рассматривается соответствие утвержденным стандартам, комфортность и безопасность помещения, в котором размещается учебно-исследовательский стенд. В первую очередь, рассматриваются оптимальные микроклиматические параметры помещения, в то время как во вторую очередь проводится учет вентиляции и кондиционирования воздуха в помещении. В третьей части производится расчет величины сопротивления защитного зануления.

В экономической части ведется расчет общей стоимости установок, необходимых для учебно-исследовательского стенда и амортизационные отчисления этой стоимости. Вместе с тем, учтена и двух месячная заработная плата администратора.

1. Ветроэнергетическая установка

1.1 Анализ видов и параметров ветроэнергетических установок Ветроустановка – это установка, преобразовывающая ветровую энергию в механическую энергию. Его можно назвать и ветродвигателем. Основная сила, влияющая на ветроустановку – поток воздуха (ветер). Поток воздуха, как и все подвижные предметы, является фондом двигательной энергии и кинетической энергии. Кинетическую энергию воздушного потока ветровое колесо или другой рабочий орган преобразует в механическую энергию. В зависимости от задачи установки механическая энергия с помощью вспомогательных механизмов может обратить в электроэнергию, тепловую, механическую и сжатую воздушную энергию.

Характеристика ветра: скорость, направление.

В мировой практике применяются два типа установок – наклонная (крылатая – рисунок 1.1), и вертикальная (лопастная – рисунок. 1.2, ортогональная – рисунок 1.3, парусная – рисунок 1.4, карусельная – рисунок

1.5 и виндроторная – рисунок 1.6) установка с вращающейся осью.

Рисунок-1.1 Ветроустановки с наклонной осью (лопастные)

На мировом рынке применяется 95% схем ветроустановок с горизонтальной вращающейся осью. В обоих схемах есть ряд преимуществ – они не загрязняют воздух, не требуют воды для охлаждения, не образуют тепловой грязи и не требуют топлива. Все названные ветродвигатели работают в результате разницы давления передней и задней части, образующейся при оборотах рабочего органа. Их мощность зависит от того, насколько будет преобразовываться ветровая энергия.

Соответственно, возможность преобразования прямо пропорциональна площади рабочей зоны паруса или лопасти в зависимости от видов ветродвигателей. Устройства этих ветродвигателей различны, но принцип работы одинаков – преобразуют ветровую энергию в механическую. При размещении некоторых ветродвигателей нужно учитывать географические особенности района.

Несмотря на то, что устройство многих ветровых установок очень элементарно, они не получили распространения по причине того, что у них небольшое значение коэффициента применения ветровой энергии.

Ветродвигатель с наклонной вращающейся осью при неизменном направлении ветра эффективен для компактной и маломощной установки.

С увеличением размаха их крыльев снижается и эффективность, то есть при разных высотах ветер дует в разных направлениях. При таких обстоятельствах становится трудным управление установки против направления ветра, и возникает опасность поломки крыльев. Если мы будем давать общую характеристику ветроустановке, при скорости ветра 8 м/с из-за низкой эффективности, это экономически невыгодно, а при скорости 20-25 м/с их нужно автоматически или вручную останавливать во избежание аварии или нарушения. Мощность применяемых в настоящее время ветродвигателей в основном зависит от количества крыльев, длины крыла и качества ветра. По этой причине, чем длиннее крылья и выше, стабильнее скорость ветра, тем выше количество и качество используемой энергии. Из этого следует, что необходимо установить высокую мачту или специальную башню высотой 100 м и выше, изготовить колесо диаметром 90 м, с массой каждого крыла 10 т. На этой же высоте установить генератор, коробку передач (для некоторых больших и средних ветродвигателей), электропровода, контактное кольцо, систему безопасности и систему остановки двигателя (или направитель, поворачивающий при сильном ветре крылья установки против ветра), автоматику. Это крайне сложное, трудное, дорогое и опасное строительство.

Поэтому ветроустановки такого типа нельзя отнести к производству или жилым домам. Их, в основном, строят на высоких, открытых площадках, вдали от строений. Проведение к ним электропроводов очень неудобно и экономически невыгодно. Их установка обходится дорого. Комплект периферийных приборов (электроника, коммутационное оборудование, безопасность и т.д.), транспортные расходы, монтажные расходы, расходы на пусконаладочные и другие установочные работы достигает до 4000$ за каждый кВт энергии, произведенной этим типом установки. Кроме всего изложенного, по причине того, что крылья ветродвигателей в северных и южных областях в зимнее время подвержены покрытию инеем, не будут работать удовлетворительно.

–  –  –

Если говорить о ветродвигателях с вертикальной вращающейся осью, то они по сравнению с крылатыми ветродвигателями имеют ряд положительных сторон. Например, моменты вращения некоторых их них высоки, работают при всех направлениях ветра, влияние на окружающую среду небольшое, эксплуатационные расходы невелики. Но со своими недостатками охватывают всего 5% на энергетическом рынке. Например, при номинальном режиме работы эффективность сравнительно ниже, наличие биения момента вращения порождает ненужное биение выходных параметров генератора.

Ортогональный. По словам специалистов, ортогональный ветродвигатель подходит для большой энергетики. Среди недостатков – трудности при запуске. Лопасти этих установок изготавливаются по устройству крыльев самолета. Самолету, чтобы взлететь, необходимо набрать скорость. В ортогональных установках нужно сделать то же самое. Для перехода из режима двигателя в режим генератора сначала нужно обратить его в определенное аэродинамическое значение. При скорости ветра 5 м/с берется количество мощности, подходящее для запуска, а при скорости 14-16 м/с берется номинальное количество мощности.

По предварительным расчетам, эти установки применяются в интервале от 50-ти до 20 000 кВт. Если мощность установки составляет 2000 кВт и больше, круг его вращения будет равен 80 метрам.

Объем мощных ветродвигателей большой. Произведение мощностей можно заменить точно такими же несколькими установками с меньшим объемом. В этом случае возрастает надежность и жизнеспособность установки.

В данных работающих агрегатах был замечен ряд недостатков.

Например, распространенность таких установок затрудняет прием телесигналов и вызывает сильные звуковые колебания. Лопасти ветровой турбины изготовлены из неотражающего свет стеклопластика, не поглощающего радиоволны. Помехи вызывают железный каркас лопастей и находящиеся в нем молниезащитные металлические детали. Они отражают и рассеивают ультракоротковолновые сигналы. Отраженный сигнал, смешиваясь с сигналом передатчика, вызывает помехи.

Рисунок-1.3 Ортогональный ветродвигатель

Хотя человеческий слух человека не улавливает данный сигнал, он вызывает низкочастотные колебания предметов и опасен для здоровья человека. После работ по устранению недостатков лопастей инфразвуковые колебания удалены.

Парусный. Устройство такой ветроэнергетической установки расположено на очень сложных вращающихся рельсах, на платформе головка и нижняя часть которой объединены, установлен парус, меняющийся в соответствии с направлением ветра и вращающийся вокруг своей оси.

Недостатки:

- объемность площади размещения;

- высокие требования, предъявляемые к устройству железной дороги;

- сложность управления парусами в связи с разным направлением ветра в больших районах;

- дороговизна строительства;

- необходимость строительства ЛЭП;

- ограниченность мощности;

- возникновение шума во время работы;

Расположенность генераторов на платформе вызывает препятствия для транспортировки полученной электрической энергии.

Рисунок-1.4 Эскиз парусной ветроустановки

Вращающийся ветродвигатель по сравнению с традиционными ветродвигателями имеет больший коэффициент полезного действия. По мере увеличения скорости ветра эти двигатели быстро повышают силу притяжения, стабилизируют скорость вращения. Вращающийся ветродвигатель имеет простой ход, это позволяет применять обычную схему, например, с асинхронным двигателем, во время усиления порыва ветра не опасности аварии. Медленный ход этого двигателя требует многополюсный генератор, который применяется во время малого вращения. Такие генераторы не распространены, а применение мультипликатора (редуктора) неэффективно из-за малого КПД. Еще одно преимущество этого ветродвигателя – он не зависит от направления ветра.

На одну сторону парусов вращающегося ветродвигателя ударяется поток воздуха, на второй стороне рама противоветрового трала или паруса является вращающейся. Если рама паруса является вращающейся, на парусе по направлению ветра давление по сравнению с парусом, двигающемся против ветра будет выше. Разница давлений создает крутящий момент.

В зависимости от количества парусов разделяют с быстрым ходом (менее 4), со средним ходом (от 4 до 8) и медленным ходом (более 8).

Вращающийся ветродвигатель с точки зрения применения очень прост.

Рисунок-1.5 Вращающийся (карусельный) ветродвигатель

Его устройство обеспечивает автоматическую регулировку максимальность момента во время запуск ветродвигателя и максимальную скорость вращения во время работы. По мере увеличения нагрузки скорость вращения уменьшается, в соответствии с ним крутящий момент возрастает до полной остановки.

Виндроторная установка. Удобен при любых направлениях ветра.

Состоит из турбины с оригинальным центростремительным направляющим аппаратом. Имеет один или несколько модулей типа «направляющий аппарат-ротор» и соединены с помощью совмещенного вала с расположенным внизу генератором.

–  –  –

Подытоживая сказанное, нужно отметить, что на территории Республики Казахстан роза ветров во многих случаях является разнообразной.

По этой причине по сравнению с двигателем с наклонной осью использование двигателей с вертикальной осью рациональнее. Преимущества ветродвигателей с вертикальной осью по сравнению с ветродвигателями с наклонной осью:

- не выбирают направление ветра, то есть работают при ветрах любого направления;

- работают при больших масштабах ветра, то есть в промежутке, начиная со скорости 3 м/с до буранных ветров;

- ввиду того, что электрогенератор ветродвигателя расположен на земле, она является удобным для эксплуатации.

По данной причине в качестве ветродвигателя выбран ветродвигатель с вертикальной осью.

1.2 Характеристики ветродвигателя с вертикальной осью

Производительность работы ветродвигателя с вертикальной осью зависит от уровня его нагрузки. На рисунке 1.7 показана зависимость мощности ветрового генератора от частоты его вращения и скорости ветра. Из рисунка 1 мы видим, что при известной нам скорости ветра мощность зависит от частоты вращения (уровня нагрузки) и выглядит дугообразно. Если провести линию по верху описания, тогда она покажет оптимальный режим или производство максимальной мощности электроустановки.

–  –  –

Для поддержания оптимального режима электромеханическому преобразователю нужно сохранить в широких масштабах работоспособность мощности и частоты вращений.

2. Генераторы, используемые в ветровых электроустановках

–  –  –

Среди всех электромеханических преобразователей практическому применению подлежат индуктивные преобразователи, в которых преобразование энергии происходит посредством индуктивности между оборотами статора и ротора. В это время вращающийся ротор размещается во многих случаях внутри статора. Иногда кругообразный ротор располагается снаружи статора. Их называют машинами с внешним ротором.

По видам тока различают машины с постоянным током и переменным током. Машины с переменным током в свою очередь разделяются на машины с синхронным и асинхронным, а также с коллекторным переменным током.

В синхронных машинах скорость углового вращения ротора 2 одинакова со скоростью углового вращения магнитного поля статора 1. ЭДС, производимая в статоре и частота тока определяется частотой вращения ротора n и числом p парных полюсов в обмотках возбуждения.

(2.1) В асинхронных машинах 1 и 2 угловые скорости не равны друг другу.

В режиме генератора 2 1.

В асинхронных генераторах произведенная ЭДС и частота тока и его скольжение следующие:

(2.2) Отличие коллекторных машин от синхронных и асинхронных машин в том, что в ней есть механический преобразователь частоты, связанной с оборотом статора и ротора и числом фаз.

В роторе электрических машин переменного тока может не быть обмоток возбуждения.

В таких машинах магнитное поле возбуждается через постоянный магнит и их называют генераторы постоянного магнита.

В ветродвигателях используются асинхронные и синхронные генераторы. Асинхронные машины в качестве генераторов в большинстве случаев используются в ветроустановках с большой мощностью.

Трудность использования асинхронных машин состоит в их переходе в режим генератора.

Для этого асинхронную машину надо запустить в режиме первой скорости, в этом случае она будет потреблять электроэнергию из сети.

3. Производство электроэнергии из ветровых электроустановок

3.1 Типовые схемы производства электроэнергии из ВЭУ В настоящее время созданы и используются многие виды преобразования ветровой энергии в электроэнергию постоянного или переменного тока.

На рисунке 3.1 показаны возможные технологические схемы эффективного преобразования ветровой энергии в электрическую энергию для автономной работы ветровой электрической установки.

Рисунок-3.1 Схема производства электрической энергии во время автономной работы ВЭУ В настоящее время производство постоянного тока используется на ВЭУ мощностью не выше 1-10 кВт. В таком случае не требуется постоянная частота вращения и обычно используется аккумуляторная батарея.

На сегодняшний день на ВЭУ преобразование энергии ведется в основном по схемам производства переменного тока.

Использование выпрямляющих установок позволяет получать постоянное напряжение и в последующем через инвертор переменный ток постоянной частоты.

На рисунке 3.2 показаны возможные технологические схемы эффективного преобразования ветровой энергии в электрическую энергию для работы ветровой электрической установки на сеть.

Рисунок-3.2 Схема производства электроэнергии во время работы ВЭУ на сеть Одной из проблем использования ветровой энергии является неустойчивость и неравномерность ветровой энергии в качестве энергоносителя. Ветровая энергия с помощью ветродвигателя преобразуется в механическую энергию, затем через электромеханический преобразователь преобразуется в электрическую энергию. В согласованной работе характеристик ветродвигателя и электромеханического двигателя определяется производительность ветровой установки.

Для обеспечения оптимального режима электромеханический преобразователь должен сохранять свою работоспособность в условиях больших масштабов мощности и частоты оборотов.

Наряду с этим, для обеспечения нужного качества электроэнергии напряжение должно оставаться постоянным.

В настоящее время создано множество схем преобразования ветровой энергии. На ветроустановках с большой мощностью чаще применяются асинхронные генераторы. Это объясняется простой схемой подсоединения для работы с сетью.

Его недостатком является потребление на всем протяжении времени реактивной мощности из сети и сравнительно короткий диапазон рабочих частот вращения. Это приводит к снижению производительности работы.

При запуске ветродвигателя она начинает ускоряться, и возрастает частота вращения, а асинхронная машина начинает содействовать. Когда частота вращения асинхронной машины превысит синхронную частоту магнитного поля, она без всякого переключения переходит в генераторный режим.

Мощность, производимая генератором, по мере возрастания частоты вращения ветродвигателя растет до расчетного значения, затем подключается регулировочная система, поддерживающая постоянную частоту ветродвигателя.

Целью использования системы регулирования вращения (ограничение производимой мощности) является защита пропеллерной ветроустановки от разрушения и приведение в соответствие характеристик генератора с характеристиками ветродвигателя.

Основная причина поломки вследствие возрастания количества оборотов – большая центробежная сила при возрастании числа оборотов.

3.2 Новое схематическое решение электропреобразователя

Ветровые электроустановки с малой мощностью работают по схеме – ветродвигатель – синхронный генератор – выпрямитель – накопитель – потребитель. В качестве синхронного генератора используется синхронный генератор, возбуждающийся постоянным магнитопотоком. Он обладает высокой надежностью, легкостью конструкции, высоким КПД.

При изменении частоты синхронного генератора при больших диапазонах видно, что для производительности работы генератора недостаточно сопротивления, а при высокой частоте вращения показывает ограничение из-за нагревания обмотки.

На рисунке 3.3 можно заметить, что во внешнем описании при малой скорости вращения ток нагрузки меняется пропорционально скорости вращения, а по мере возрастания частоты вращения уменьшается возрастание тока нагрузки. В соответствии с этим уменьшается производимая мощность.

Исходя из этого, в соответствии с рисунка 3.3 не представляется возможным обеспечение оптимального режима.

В качестве решения данного вопроса для ВЭУ с синхронным генератором предлагают электрический преобразователь, повышающий производительность его работы.

В соответствии с рисунком 3.4 схема электрического преобразователя состоит из генератора, возбуждающегося от постоянного тока 2, оси, приводящейся в движение посредством ветрового двигателя 1, трансформатора 3 и специальных выпрямителей 6 и 7.

–  –  –

Первая обмотка трансформатора присоединяется к якорной обмотке, а вторая обмотка трансформатора состоит из двух обмоток с одинаковыми параметрами. Каждая из них, соединяясь с выпрямляющим мостом, составляет вентильный блок.

Выпрямляющий блок непосредственно присоединен с помощью 7 направленных прямо полупроводниковых элементов, а выпрямляющий блок подсоединен напрямую к 6 аккумуляторам.

Коммутационный элемент Ку и полупроводниковые элементы обеспечивают параллельное и последовательное соединение вентильного блока с аккумуляторами.

Для обеспечения потребителей переменным током к аккумулятору подсоединяется автономный инвертор. На выходе инвертора поддерживается постоянное значение сопротивления и частоты.

Рисунок-3.4 Принципиальная схема электрического преобразователя автономного ветрового агрегата 1-ветровые щитки, 2-ветровой генератор, 3-трансформатор, 4,5вторичная обмотка трансформатора, 6,7-выпрямитель, 8-диод, 9аккумуляторная батарея, 10-инвертор, 11-нагрузка Электрический преобразователь работает по следующему принципу.

При большой скорости ветра коммутационный элемент закрыт, а вентильные блоки параллельно подключены к нагрузке. При снижении скорости ветра напряжения генератора недостаточно для зарядки аккумуляторной батареи, поэтому КУ закрывается. Вентильные блоки присоединяются к аккумулятору последовательно. В этом режиме подключается напряжение вентильных блоков. При увеличении скорости вращения генератора схема работает в обратном порядке.

4. Моделирование ветрового двигателя

4.1. Анализ электродвигателей с возможностью использования для моделирования ветродвигателя Необходимо выбрать электродвигатель для моделирования ветрового двигателя. При выборе электродвигателя его механическая характеристика должна соответствовать механической характеристике ветродвигателя и должны быть возможности для изменения скорости вращения при больших диапазонах. По этой причине проводится анализ используемых в настоящее время электродвигателей.

4.1.1 Асинхронный двигатель

Существуют принципиально возможных два способа регулировки частоты вращения асинхронного двигателя: путем изменения частоты вращения магнитного поля n2 или изменением значения скольжения s.

Соответственно, два способа изменения частоты вращения магнитного поля n2: осуществляется изменением частоты тока f1, передающегося на обмотку статора или изменением частоты числа полюсов машины 2р.

В переданном нагрузочном моменте M=Mн изменение значения скольжения s [4.1], изменение значения соответствующего питающего сопротивления U1 осуществляется присоединением к цепи ротора дополнительного активного сопротивления (для фазовых роторных двигателей) или посредством подсоединения к дополнительному источнику электроэнергии меняющейся частоты обмотки ротора f2 (в двигателях, питающихся с двух сторон и асинхронных каскадах). При изменении питающего сопротивления и при подсоединении дополнительного активного сопротивления мощность скольжения sPэм в цепи ротора полностью выделилась в виде тепла.

При подсоединении обмотки ротора к источнику электроэнергии мощность скольжения sPэм получается из данного источника питания, и в цепи ротора расходуется мощность.

Регулирование частоты Этот вид регулировки частоты вращения очень надежно и позволяет использовать недорогие роторные асинхронные двигатели короткого замыкания.

Однако, для изменения частоты вращения питающего сопротивления нужен источник питания, подающий частотный переменный электроток. В качестве такого источника питания применяются синхронные генераторы или статические частотные преобразователи, выполненные в электромашинных, управляемых полупроводниковых вентилях (тиристорах и транзисторах).

Законы регулирования. Зависимость максимального момента от сопротивления и частоты показывается следующей формулой:

–  –  –

Здесь индексы (1) и (2) соответствуют разным угловым скоростям.

В соответствии с формулой (4.4) при регулировании частоты f1 можно взять закон изменения сопротивления U1:

–  –  –

Если при регулировании частоты вращения, в любом значении частоты в механической характеристике требуется оставить без изменений Мтax (регулирование постоянным моментом), тогда из формулы (4.5) получим следующее:

–  –  –

Исходя из этого, сохраняя постоянно момент, для осуществления регулирования частоты, отметим, что нужно изменить сопротивление, подаваемое на обмотку статора пропорционально его частоте.

При Mmax= const, механическая характеристика двигателя при регулировании частоты показана на рисунке 4.1 а.

Если регулирование частоты производится в постоянной механической мощности Р2, то момент Мmaх должен измениться обратно пропорционально частоте вращений. Из этого f1:

–  –  –

Для данного случая механическая характеристика показана на рисунке

4.1 б.

Рисунок-4.1 Механическая характеристика асинхронного двигателя при разных значениях частоты тока статора f1, при М=const (а), Р2 = const (б).

Полученное равенство является приблизительным, по причине того, что не учтена привязанность активного сопротивления обмотки статора к максимальному моменту. Поэтому при малых частотах и при постоянстве отношения сопротивления к частоте сети, максимальный момент Мmах2.1 при малочастотном диапазоне снижается, как показано на рисунке.

При регулировании частоты асинхронного двигателя его энергетические характеристики в практическом виде не меняются. Поэтому данный способ регулирования является экономным. К недостаткам частотного преобразования относятся неудобные размеры и высокая стоимость источника питания.

Самым распространенный способ регулирования частоты асинхронных двигателей с ротором короткого замыкания – регулирование посредством изменения числа парных полюсов в обмотке статора.

Для этого обмотку статора изготавливают так, чтобы при переключении групп катушки изменялось число парных полюсов или путем изготовления на статоре двух разных обмоток на разные полюсы. В этом случае ротор делают обычным, с коротким замыканием. Число его полюсов всегда равно числу полюсов на обмотке статора.

Рассмотрим одну фазу двигателя, состоящего из двух катушек с параллельным и последовательным соединением.

В соответствии с рисунком 4.2 а при параллельном соединении статоре образуется два парных полюса. А при параллельном соединении появляется один парный полюс (рисунок 4.2 б). Если заменить место одной из катушек, катушки подсоединятся последовательно, и можно получить два полюса обмотки статора. На схеме переключение катушек показано только для одной фазы двигателя. Используя правило буравчика, и контролируя образование магнитных полей вокруг проводов обмотки, отмечаем, что при последовательном соединении двух катушек появляется два парных полюса, а при параллельном соединении появляется один парный полюс.

а- два парных полюса, б – один парный полюс.

Рисунок-4.2 Изменение числа парных полюсов посредством переключения катушек обмотки При переключении катушки, во избежание значительного изменения магнитной индукции на стали статора также меняет схему соединения фазовых обмоток. Схема двойной звезды-треугольника получила широкое распространение. Это показано на рисунок 4.3.

При последовательном соединении катушек, фазовые обмотки соединяются в виде треугольника в соответствии с рисунок 4.3б. При параллельном соединении катушек фазовую обмотку соединяют в виде двойной звезды, как показано на рисунок 4.3б. Для этого точки 4С1, 4С2 и 4С3 замыкают переключением, а точкам 2С1, 2С2 и 2С3 подают сопротивление из сети.

Для лучшего понимания соединения в виде двойной звезды на рисунок

4.3в показана схема как на рисунок 4.3б, но с отдельно расположенными катушками.

Несмотря на трудность устройства переключателя и увеличением габаритов двигателя, заводы выпускают двигатели с двумя, тремя, четырьмя скоростями. Например, синхронные скорости двигателя с четырьмя скоростями: 1500/1000/750/500 оборотов/в минуту.

Рисунок-4.3 Схема обмоток при соединении двигателя с двумя скоростями в виде треугольника (а) и двойной звезды (б и в) Обозначение выходов обмоток схоже с обозначением C1, C2, C3 обычного асинхронного двигателя, но впереди прибавляется число, указывающее число полюсов. В переключателе серии А с двумя скоростями есть 6 выходов, с тремя скоростями – 9, и с четырьмя скоростями – 12 выходов.

Еще один способ регулирования скорости выполняется изменением скольжения, используемого в фазовых роторных двигателях. Для этого вместо пускового реостата подключают регулирующийся реостат и через регулирование сопротивления данного реостата регулируют скорость его вращения.

По мере увеличения сопротивления реостата в цепи ротора, в соответствии с рисунком 4.4 уменьшается число вращений [4]. Эта зависимость отмечается в следующей формуле:

(4.8) Данный способ регулирования скорости в связи с большими расходами электроэнергии является экономически невыгодным. Вследствие того, что электрические расходы пропорциональны скольжению выделяется тепло в большом объеме. Наряду с этим, расходы будут израсхдованы на незначительное прогревание реостата и ротора.

Еще один недостаток регулирования скорости путем изменения скольжения – при уменьшении нагрузки уменьшается и диапазон регулирования скорости.

Например, при уменьшении крутящего момента в два раза, в соответствии с рисунок 4.4 скольжение при подключении первой ступени реостат по сравнению с s1 s2 будет меньше. Вместе с тем, при изменении нагрузки на этих кривых можно отметить изменение скорости вращения ротора двигателя. Это тоже относится к недостаткам данного способа.

Рисунок-4.4 Кривые относительно момента вращения асинхронного двигателя к скольжению при регулировании скорости посредством изменения скольжения Данный способ регулирования скорости несмотря на многие недостатки, получила широкое применение в связи с обеспечением равномерного регулирования скорости в больших диапазонах.

Анализируя указанные выше способы и режимы регулирования частоты и момента асинхронного двигателя, можно реализовать физическую модель ветрового двигателя, но только при совместном использовании частотного и реостатного регулирования. Это в свою очередь приводит к выделению в реостате в больших объемах энергии и нагрузке преобразователя.

4.1.2 Двигатель постоянного тока Частота вращения двигателя постоянного тока определяется по следующей формуле:

(4.9)

–  –  –

По этой причине существует три способа его регулирования:

1) посредством соединения к цепи обмотки якоря дополнительного реостата Rдоп;

2) посредством изменения магнитного потока Ф;

3) посредством изменения питающего напряжения U;

Присоединение реостата к цепи якоря При подсоединении в цепи якоря дополнительного сопротивления, судя по тому, что двигатель работает без реостата, при возрастании нагрузки частота быстро падает. Эта закономерность выполняется и для параллельно возбуждающихся, и для последовательно возбуждающихся двигателей. Это видно из формулы (4.9). Конечно, данным способом можно быстро уменьшить частоту вращения (судя по природным характеристикам). При подсоединении к цепи якоря значительного сопротивления, характеристика двигателя становится мягкой. Данный способ регулирования скорости требует сравнительно простую установку. Поэтому часто используется при запуске двигателя. Вместе с тем, эта его способность создает условия для моделирования механической характеристики ветрового двигателя.

Изменение магнитного потока Для изменения магнитного потока нужно урегулировать возбуждающий ток двигателя. Для изменения магнитного потока параллельно и последовательно возбуждающегося двигателя к цепи параллельно возбуждающейся обмотки присоединяется в соответствии с рисунок 4.5 регулирующийся реостат.

Рисунок-4.5 Схема параллельно возбуждающегося двигателя и моментная и скоростная характеристика К каждому сопротивлению реостата в соответствии с нижеследующей формулой соответствует определенный возбуждающий ток, магнитный поток и механическая характеристика.

–  –  –

Из-за сравнительно большой индуктивности обмотки при изменении сопротивления возбуждающий ток и магнитный поток меняются в течение небольшого времени. Поэтому при регулировании скорости переход от одной механической характеристики в другую происходит при меняющейся скорости, называемой динамической характеристикой. Таким же образом можно рассуждать о мягкой характеристике последовательно возбуждающихся двигателей.

Динамическую характеристику можно составить в результате расчета переходного процесса.

Если установленное значение магнитного потока, соответствующего двум разным характеристикам, сильно отличаются друг от друга, тогда при переходе из одной характеристики в другую в двигателе может появиться неразрешенный большой ток и момент.

Магнитный поток последовательно возбуждающегося двигателя можно изменить тремя способами:

1) шунтирование обмотки возбуждения реостатом Rдоп ;

2) секционирование возбуждающей обмотки;

3) шунтирование обмотки якоря.

Рисунок-4.6 Механическая характеристика двигателя при различных магнитных потоках Присоединение реостата Rос шунтирующего обмотку возбуждения, а также снижение сопротивления данного реостата приводит к снижению возбуждающего тока, и соответственно, к возрастанию частоты вращений.

Для оценки данного способа регулирования существует понятие коэффициента регулирования.

–  –  –

Обычно сопротивление реостата выбирается так, чтобы было Rря, kpя 50%. При секционировании обмотки возбуждения часть обмотки отключается. Это уменьшает полную индукцию катушки и в результате этого приводит к снижению магнитного потока, идущего вместе возрастанием частоты.

При шунтировании обмотки якоря реостатом увеличивается ток возбуждающей обмотки. Он, в свою очередь, приводит к снижению частоты вращений. Данный способ регулирования, несмотря на то, что содействует регулированию в больших диапазонах, стоит очень дорого и редко используется.

Изменение питающего напряжения в тисках якоря. Данный способ регулирования может использоваться во время питания двигателя со специальным источником питания. Для регулирования частоты посредством изменения последовательно возбуждающегося питающего напряжения, к цепи его якоря подсоединяется регулирующийся реостат. По мере увеличения сопротивления этого реостата снижается напряжение на входе двигателя и скорость его вращения. Данный способ регулирования в основном используется на маломощных двигателях. На больших мощностях этот способ по причине больших расходов энергии на реостате является экономически невыгодным.

Наряду с этим, реостат, рассчитанный на рабочий ток двигателя, велик по размерам и дорого стоит. При совместной работе нескольких однотипных двигателей данный способ изменения частоты вращения происходит посредством изменения схемы соединения двигателей друг с другом. Таким образом, при параллельном соединении двигатели питаются полным сопротивлением сети, а при последовательном соединении на каждый из них приходится только по одной части сопротивления сети. Данный способ регулирования применяется на электроповозках, на которых расположены несколько однотипных тяговых двигателей.

При изменении питающего напряжения от U1 до U2 меняется лишь частота вращений только при холостом ходе, пропорционально изменению напряжения, а снижение частоты Мн = const из-за нагрузки остается неизменным.

или n1 n2 const. (4.12) n n U 2 U1 В связи с этим скоростные n=f(Ja) и механические характеристики n=f(M) параллельно возбуждающегося двигателя, составляют ряд параллельных прямых.

Путем изменения напряжения в тисках якоря регулирование частоты вращения, обычно идет вниз, то есть по сравнению в номинальным снижает напряжение и частоту вращений.

Из изложения характеристик двигателя постоянного тока следует возможность взять прямые и зависимости в большом диапазоне, способные имитировать работу ветрового двигателя. Подсоединив реостат к цепи якоря, и регулировав питающее напряжение, можем получить нужные для имитации ветрового двигателя.

4.2 Выбор ветрового двигателя, моделируемого электродвигателемпостоянного тока.

Для моделирования ветродвигателя будем использовать вышеназванный двигатель постоянного тока. По этой причине взят имеющийся в лаборатории независимо возбуждающийся двигатель постоянного тока типа П32М.

Его данные:

Pн = 2,2 кВт;

n = 1500 об/мин;

Iн = 12,2 А;

Uн = 220 В rз = 1,205 Ом;

Iвозб = 0,8 А – ток обмотки возбуждения;

Для моделирования ветродвигателя данным двигателем постоянного тока сначала, как было сказано выше, надо смягчить его механическую характеристику. Для этого к цепи якоря подсоединяем дополнительное сопротивление. Наш двигатель постоянного тока возбуждается независимо.

Во время номинального момента относительное падение частоты независимого двигателя в полном поле равно падению сопротивления в цепи якоря.

(4.13) Используя это равенство, можно механическую характеристику независимо возбуждающегося двигателя постоянного тока привести в соответствие характеристикам ветродвигателя. Для этого частоту вращения двигателя постоянного тока в номинальный момент нужно снизить в два раза.

То есть, если, то к цепи якоря прибавляем дополнительное сопротивление, равное сопротивлению в цепи якоря.

Ом. Тем самым, частоту вращения двигателя постоянного тока мы снизили до 750 об/мин.

При этом, в соответствии с формулой, при номинальном моменте, мощность двигателя снижается в два раза. То есть, она падает с 2,2 кВт до 1,1 кВт.

Выбираем ветродвигатель, моделируемый этим двигателем постоянного тока. Мощность ветрового двигателя рассчитывается по следующей формуле:

(4.14)

–  –  –

= 0,3 – КПД ветрового генератора.

- площадь ветрового генератора: вставив значение S в вышеуказанную формулу, получаем такое равенство:

(4.15)

–  –  –

4.3 Питание независимо возбуждающегося двигателя постоянного тока и обеспечение регулирования его частоты вращения Для питания постоянным током необходимо провести расчеты элементов и выбрать их в нижеследующей схеме.

Рисунок-4.8 Схема питание независимо возбуждающегося двигателя постоянного тока и обеспечение регулирования частоты вращения Независимо возбуждающийся двигатель постоянного тока питаем через лабораторный трансформатор постоянного тока, потому что частоту вращения двигателя регулируем посредством изменения значения сопротивления как изложено выше.

Условие выбора автотрансформатора, питающего двигатель, следующее:

–  –  –

Был выбран имеющийся в лаборатории однофазовый автотрансформатор типа РНО-250-5.

Его технические характеристики таковы:

- входное напряжение – 127/220 В;

- диапазон регулирования напряжения на выходе равномерное – в интервале 0-250 В;

- максимальное значение тока на выходе регулятора – 12/20 А;

- мощность – до 5 кВт;

Рисунок автотрансформатора показан на рисунке 4.9.

Рисунок-4.9 Лабораторный автотрансформатор

Независимо возбуждающийся двигатель постоянного тока мы должны питать постоянным током. Чтобы выполнить это надо для цепи якоря и обмотки возбуждения надо выбрать выпрямители, преобразующие переменный ток в цепи в постоянный ток. Существует много способов преобразования переменного тока в постоянный. В данном случае является эффективным использование в качестве выпрямителей полупроводниковые выпрямляющие диоды. Существуют преобразующие схемы, одна полуопериодная и две полупериодные, выпрямляющие однофазный переменный ток в постоянный ток с использованием выпрямляющих диодов.

Исходя из того, что пульсация мала, выбираем два полупериодных выпрямления. Сама схема двух полупериодов разделяется на схему с нулевым выходом и мостовую схему. Ввиду того, что значение обратного сопротивления Uобр мостовой схемы по сравнению с нулевой схемой, выбираем мостовую схему.

Характеристики мостовой схемы следующие:

– коэффициент формы;

коэффициент преобразования мощности источника питания в мощность постоянного тока;

- ;

–  –  –

При выборе мостовых диодов надо определить значение обратного сопротивления Uобр и максимального тока Imax. То есть, условие выбора выпрямляющего диода таково:

–  –  –

Выбор выпрямляющих диодов для цепи якоря. В качестве напряжения, подаваемого к цепи якоря, берется максимальное регулирующее напряжение лабораторного автотрансформатора, питающего двигатель. Можно заметить, что из характеристик лабораторного автотрансформатора, приведенного выше, максимальное регулируемое напряжение равно 250 В.

По этой причине входное напряжение выпрямляющих диодов в цепи якоря берется как равное Uвх.я=250В. Используя характеристики мостовой схемы, находится значение напряжения, преобразующегося из выпрямляющих диодов в постоянные.

–  –  –

В (4.23) Параметр, нужный для выбора выпрямляющего диода явяляется максимальным током, проходящим через него. Сначала находится ток, потребляемый обмоткой якоря. Он определяется следующим образом:

(4.24) Максимальный ток, проходящий через диод, находим через показатель мостовой схемы, указанной выше.

(4.24) Выбраны 4 выпрямляющих диода типа Д229Б, удовлетворяющие данные параметры. Его параметры: Uобр = 400 В. Imax = 15 A Эти выпрямляющие диоды собираются по мостовой схеме, и прикрепляются к доске. Его вид можно увидеть на рисунок 4.11.

–  –  –

Выбираются выпрямляющие диоды, предназначенные для возбуждающей обмотки независимо возбуждающегося двигателя постоянного тока. Возбуждающая обмотка соединена напрямую, т.е. питается от 220В.

По этой причине входное напряжение, подаваемое на выпрямляющие диоды, будет равно Uвх.н = 220В.

Значение напряжения, преобразующегося из выпрямляющих диодов в постоянное:

–  –  –

Ток, потребляемый обмоткой двигателя, показан в параметрах двигателя. Равен Id.в = 0,8 А. Максимальный ток, проходящий в нем через выпрямитель:

Выбран выпрямляющий диод типа Д246А, удовлетворяющий эти параметры. Его параметры: Uобр = 400 В. Imax = 5A.

Эти выпрямляющие диоды собраны по мостовой схеме и прикреплены к доске. Его вид можно увидеть на рисунке 4.12.

Рисунок-4.12 Схема мостового соединения выпрямителей, предназначенных для обмотки возбуждения В следующую очередь, для повышения качества постоянного тока, питающего двигатель, нужно выровнять его пульсацию. Для этого используются выравнивающие фильтры.

Его роль выполняют обычный конденсатор. Конденсатор мы выбрали лишь для обмотки возбуждения. Условие выбора выравнивающего конденсатора:

Uк (4.26)

Был выбран алюминиевый электролитный конденсатор типа К50.

Его параметры следующие: Сф = 5000 мкФ; Uк = 25 В.

Для приведения в нужное напряжение они соединяются последовательно.

Для правильного выравнивания тока эффективно использовать П-схему.

По П-схеме схема соединения показана на рисунок 4.13.

–  –  –

Для этой схемы берется 24 штуки таких конденсаторов, по цепи соединяются по двенадцать штук, затем полученные два блока соединяют параллельно и ставят по центру препятствие.

–  –  –

При цепном соединении подключается его напряжение, а при параллельном соединении остается без изменений. По этой причине общее напряжение его конденсаторов:

В

–  –  –

По схеме в центре данных конденсаторов расположены два сопротивления, параллельно соединенные друг с другом, сопротивление каждого из них равно 250 Ом. Из этого следует, что общее величина сопротивления равна 125 Ом.

–  –  –

5. Электрический генератор, для учебно-исследовательского стенда



Pages:   || 2 |


Похожие работы:

«УНИВЕРСИТЕТ В РАССКАЗАХ Заочная школа при НГУ: 50 лет спустя Ноябрь • 2015 • № 4 (64) http://scfh.ru/papers/zaochnaya-shkola-pri-ngu-50-let-spustya/ НАУКА из первых рук 50 23 октября 2015 года Заочная школа СУНЦ НГУ – первая заочная физико-математическая школа в мире – отметила 50-летний юбилей. На праздновании юбилея в Академгородке собралось более сотни человек, среди которых были и создатели школы, и выпускники, и преподаватели, а также все те, кто в разное время участвовал в деятельности...»

«НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛЫ В КОСМОНАВТИКЕ Л.С. Новиков, Е.Н. Воронина Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ E-mail: novikov@sinp.msu.ru Введение На рубеже XX–XXI столетий сформировалась новая стремительно развивающаяся научно-техническая область, которую можно охарактеризовать сочетанием трех понятий: нанонаука, нанотехнология, наноиндустрия. Нанонаука изучает фундаментальные свойства объектов нанометровых размеров (нанообъектов) и связанные с ними явления. К нанообъектам...»

«Министерство образования и науки РФ ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» Институт физики В.М. Безменов Картографо-геодезическое обеспечение кадастра Конспект лекций Казань 2014 Безменов В.М Картографо-геодезическое обеспечение кадастра.Конспект лекций / Безменов В.М.; Казанский (Приволжский) федеральный университет.– Казань. – 39 с Аннотация Предлагаемые лекции предназначены для студентов, обучающихся по направлению «Геодезия и дистанционное зондирование»,...»

«Внимание! Эта книга о диабете предназначена для взрослых больных. Во избежание психических травм не рекомендуем давать ее для прочтения детям и подросткам младше 16—18 лет. Астамирова X., Ахманов М. А 91 Настольная книга диабетика. — М.: Изд-во ЭКСМОПресс, 2001. —400 с. ISBN 5-04-006179-Х Диабет не болезнь, а образ жизни Если вы заболели, не надо отчаиваться, старайтесь активно поддерживать свой организм в нормальном состоянии с помощью диеты, лекарств и физических нагрузок А этому диабетик...»

«Выборы заведующих кафедрами: МАТЕМАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА – 0,25 ставки по совместительству сроком на 3 года. Подано заявлений -1. БУДАЕВ ВИКТОР ДМИТРИЕВИЧ, 1956, доктор физико-математических наук (1993), профессор (1996), декан факультета математики, заведующий кафедрой математического анализа по совместительству. Всего публикаций – 70, из них за отчетный период – 5, в том числе 1 учебно-методическая работа. Основные опубликованные работы по профилю кафедры за отчетный период: «Математический...»







 
2016 www.nauka.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Книги, издания, публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.