Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Основы ветроэнергетики

Асинхронные генераторы

Асинхронной машиной называют бесколлекторными машину переменного тока, в которой отношение частоты вращения ротора к частоте тока в сети, к которой машина подключена, зависит от нагрузки. Различают два типа асинхронных машин: 1) бесколлекторные; 2) коллекторные.

Асинхронные машины сравнительно просты по конструкции, очень надежны в эксплуатации, имеют достаточно высокие энергетические показатели и невысокую стоимость. Значительный интерес в последние годы вызывает применение асинхронных машин в генераторном режиме для обеспечения питанием, как потребителей трехфазного тока, так и потребителей постоянного тока через выпрямительные устройства. В определенных условиях эксплуатации автономных источников электроэнергии применения асинхронных генераторов (АГ) оказывается преобладающим. АГ отличаются простотой эксплуатации и обслуживания, легко включаются на параллельную работу, а форма кривой выходного напряжения в них ближе к синусоидальной, чем в СГ при работе на одно и то же нагрузки. Кроме того, масса АГ мощностью до 100 кВт примерно в 1,3 ... 1,5 раза меньше массы СГ такой же мощности и они несут меньший объем обмоточных материалов. При этом в конструктивном отношении они ничем не отличаются от обычных АД и возможно их серийное производство на заводах электромашиностроения, выпускающих асинхронные машины.

Один из недостатков асинхронных машин - это то, что они являются потребителями значительной реактивной мощности (50% и более от полной мощности), необходимой для создания магнитного поля в машине, которая должна поступать из сети при параллельной работе АГ с сетью или от другого источника реактивной мощности (батарея конденсаторов или синхронный компенсатор при автономной работе АГ).

Для улучшения эксплуатационных свойств АГ в круг статора дополнительно могут включаться конденсаторы последовательно или параллельно с нагрузкой. Во всех случаях автономной работы АГ источники реактивной мощности должны обеспечивать реактивной мощностью как АГ, так и нагрузки, что, как правило, реактивную (индуктивную) составляющую ( ). Масса и размеры конденсаторной батареи или синхронного компенсатора (СК) могут превосходить массу АГ и только при (чисто активная нагрузка) размеры СК и масса БК сравнению с размером и массой АГ.

Другой, наиболее сложной проблемой является проблема стабилизации напряжения и частоты автономно работающего АГ, имеющего "мягкую" внешнюю характеристику. При использовании АГ в составе автономной ВЭУ эта проблема усугубляется еще и нестабильностью частоты вращения ротора. При проектировании АГ для ВЭУ оптимизационные расчеты ведут по максимуму КПД в широком диапазоне изменения частоты вращения и нагрузки, а также по минимуму затрат с учетом всей схемы управления и регулирования. Конструкция генераторов должна учитывать климатические условия работы ВЭУ, действующие механические усилия на элементы конструкции и особенно - мощные электродинамические и термические воздействия при переходных процессах, возникающих при пусках, перерывах питания, коротких замыканиях, а также при значительных порывах ветра.

Строение асинхронной машины рассмотрим на примере асинхронных двигателей. Конструктивно асинхронный двигатель состоит из двух основных частей, разделенных воздушным промежутком: неподвижного статора и вращающегося ротора. Каждая из этих частей имеет сердечник и обмотку. При этом обмотка статора включается в сеть и является как бы первичной, а обмотка ротора - вторичной, поскольку энергия в ней поступает с обмотки статора за счет магнитной связи между этими обмотками. По своей конструкции асинхронные двигатели разделяют на два типа: двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором.

Неподвижная часть двигателя (рис. 5.17) - статор - состоит из корпуса 11 и сердечника 10 с трехфазной обмоткой. корпус двигателя

Строение трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором: 1 - вал;  2, 6 - подшипники;  3,7 - подшипниковые щиты;  4 - коробка выводов;  5 - вентилятор;  8 - кожух вентилятора;  9 - сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой;  10 - сердечник статора с обмоткой;  11 - корпус;  12 - лапы

Рисунок 5.17 - Строение трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором: 1 - вал; 2, 6 - подшипники; 3,7 - подшипниковые щиты; 4 - коробка выводов; 5 - вентилятор; 8 - кожух вентилятора; 9 - сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой; 10 - сердечник статора с обмоткой; 11 - корпус; 12 - лапы

отливают из алюминиевого сплава или из чугуна или делают сварным. Данный двигатель имеет закрытое исполнение, обдуваемый. Поэтому поверхность его корпуса имеет ряд продольных ребер, назначение которых заключается в том, чтобы увеличить поверхность охлаждения двигателя. В корпусе расположен сердечник 10 статора, что шихтованной конструкцию, которая способствует значительному уменьшению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. На внутренней поверхности сердечника статора находятся продольные пазы, в которых расположены пазовые части обмотки статора, соединенные в определенном порядке лобовыми частями, находящимися за пределами сердечника по его торцевых сторонах.

Вращающаяся часть двигателя - ротор, состоящий из вала 1 и сердечника 9 с короткозамкнутой обмоткой. Такая обмотка, которая называется "беличье колесо", она представляет собой ряд металлических (алюминиевых или медных) стержней, расположенных в пазах сердечника ротора, замкнутых с двух сторон короткозамикаючимы кольцами (рис. 3.18). Сердечника ротора также шихтованной конструкцию.

Асинхронные машины с фазным ротором конструктивно отличаются от рассматриваемого двигателя главным образом строением ротора (рис. 3.19), который имеет сложную конструкцию. На валу 8 закреплено шихтованной сердечника 5 с трехфазной обмоткой, выполненной аналогично обмотке статора. Эту обмотку соединяют звездой, а ее конце присоединяют к трем контактных колец 11 расположенных на валу и изолированных друг от друга и от вала. Для осуществления электрического контакта с обмоткой вращающегося ротора в двигателе предусмотрен струмознимний аппарат 12 состоящий из щеток и щеткодержателей. Щеткодержатели укреплены на изолированной части пальца, металлический конец которого ввинчен в прилив подшипникового щита.

короткозамкнутым ротором

Рисунок 5.18 - короткозамкнутым ротором: обмотка "беличья клетка"

Строение трехфазной асинхронной машины с фазным ротором: 1, 7 - подшипники;  2, 6 - подшипниковые щиты;  3 - корпус;  4 - сердечник статора с обмоткой;  5 - сердечник ротора;  8 - вал;  9 - коробка выводов;  10 - лапы;  11 - контактные кольца;  12 - струмозминиий аппарат

Рисунок 5.19 - Строение трехфазной асинхронной машины с фазным ротором: 1, 7 - подшипники; 2, 6 - подшипниковые щиты; 3 - корпус; 4 - сердечник статора с обмоткой; 5 - сердечник ротора; 8 - вал; 9 - коробка выводов; 10 - лапы; 11 - контактные кольца; 12 - струмозминиий аппарат

Асинхронные машины с фазным ротором имеют более сложную конструкцию и менее надежны, но имеют лучшие регулировочные свойства, чем машины с короткозамкнутым ротором.

Физическая суть электромагнитных взаимодействий в АГ, соотношение основных параметров, схема замещения и векторная диаграмма имеют много общего с АД, поэтому целесообразно начать изучение АГ с описания работы асинхронной машины в двигательном режиме.

Вращающееся магнитное поле статора (рис. 5.20) пересекает проводники обмоток и индуцирует в них ЭДС: в обмотке фазы статора - ЭДС самоиндукции (которая направлена встречно приложенного к обмотке напряжении и ограничивающему значении тока в обмотке) и в обмотке ротора - ЭДС взаимоиндукции (как в первичной и во вторичной обмотках трансформатора). Направление ЭДС определяется по правилу правой руки (с учетом направления движения проводника по линиям поля) и указанные в проводниках А-Х и а-х на рис. 5.20. Если цепь обмотки ротора замкнуто через пусковой реостат (а в короткозамкнутым ротором она всегда замкнута с помощью замыкающих колец), в обмотках ротора возникает переменный ток , активная составляющая которого совпадает с направлением ЭДС . На проводники ротора с током действуют электромагнитные силы , направление которых определяется правилом левой руки. Совокупность сил всех проводников ротора создает общий электромагнитный момент , его направление совпадает с направлением вращения магнитного поля. Если вращающий электромагнитный момент больше момента сопротивления рабочей машины (РМ) на валу , ротор начнет вращаться. Таким образом, электрическая энергия, поступающая в обмотку статора из сети, преобразуется в механическую на валу двигателя.

Чем больше частота вращения ротора , тем медленнее магнитное поле вращается относительно ротора ( ) в случае совпадения этих частот вращающееся поле не пересекает обмотку ротора и в них не индуцируется ЭДС ( ), а, следовательно, и не создается вращающий момент ( , , ) •

В АД крутящий момент , уравновешивается моментом сопротивления исполнительного механизма. Чем больше , тем больше должно быть , который растет только за счет увеличения тока ротора, а

Взаимодействие вращающего поля с обмотками статора (1) и ротора (2) асинхронного двигателя

Рисунок 5.20 - Взаимодействие вращающего поля с обмотками статора (1) и ротора (2) асинхронного двигателя

ток при постоянстве сопротивлений обмотки пропорционален ЭДС ротора, которая зависит от скорости пересечения проводников ротора вращающимся магнитным полем. Итак, чем больше момент сопротивления , тем меньше должно быть скорость вращения ротора, и наоборот.

отношение

или (5.22)

называют скольжением асинхронной машины. Эта величина позволяет оценить разницу частот вращения магнитного поля (синхронная скорость) и ротора (р - число пар полюсов поля; - частота сети).

Скольжения асинхронного двигателя в процессе эксплуатации может сменяться от 0 до 1 , что соответствует частоте вращения ротора от я, 0 При этом ( ) соответствует режиму холостого хода, когда ротор двигателя не испытывает противодействующих моментов, а соответствует режиму короткого замыкания, когда противодействующий момент приводного механизма превышает крутящий момент и поэтому ротор двигателя неподвижен ( ).

Вращающееся магнитное поле статора, пересекает обмотку ротора со скоростью

(5.3)

Частота ЭДС и токов, приводимые этим полем в обмотке ротора,

(5.23)

то есть пропорционально скольжению.

Магнитное поле, создаваемое МРС обмотки ротора, вращается относительно ротора со скоростью

(5.24)

Суммарная скорость вращения поля ротора относительно неподвижного статора определяется суммой

(5.25)

то есть магнитное поле ротора вращается в статоре с той же скоростью и в том же направлении, шо и магнитное поле статора. Итак, они неподвижны относительно друг друга. Это выполняется в любом режиме работы AM - в моторном, генераторном, тормозном.

Вследствие вращения магнитного поля его силовые линии пересекают проводники обмоток статора и ротора и приводят в каждой фазе в обмотке статора с числом витков ЭДС самоиндукции, действующее значение которого:

(5.26)

а в каждой фазе обмотки вращательного ротора, с числом витков w2 ЭДС взаимоиндукции, действующее значение которого:

(5.27) или

где и - число последовательно соединенных витков обмотки фазы статора и ротора; и - обмоточные коэффициенты статора и ротора, соответственно, обусловленные типом и параметрами обмоток; - ЭДС, приводится в фазе обмотки недвижимого ротора; - Частота тока, приводится в неподвижном роторе.

Для круга обмотки фазы статора асинхронного двигателя, включенного в сеть с напряжением уравнение электрического состояния по второму закону Кирхгофа:

или

(5.28)

где и - падение напряжения соответственно на активном и индуктивном сопротивлениях фазы обмотки статора.

Для круга обмотки фазы вращающегося ротора, уравнение электрического состояния по второму закону Кирхгофа;

(5.29)

где и - падение напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях фазы вращающегося ротора.

В общем случае параметры обмотки статора асинхронной машины отличаются от параметров обмотки ротора, вследствие чего ЭДС, ток и другие электрические величины обмоток значительно отличаются друг от друга. Для облегчения изучения рабочих процессов и расчета характеристик асинхронных двигателей (как и для трансформаторов) параметры обмотки ротора приводят к параметрам обмотки статора, то есть обмотку ротора с числом фаз , числом витков одной фазы w 2 и обмоточных коэффициентом заменяют обмоткой с , и Таким образом, вместо реального асинхронного двигателя рассматривают эквивалентный, который называют приведен. Однако приведение параметров обмотки ротора не должно отразиться на его энергетических показателях: все мощности (электромагнитная, активная, реактивная, мощность потерь) и фазовые сдвиги векторов ЭДС и токов ротора, после приведения, должны оставаться такими же, что и до приведения. Перечисление реальных параметров обмотки ротора на приведенные выполняется по формулам:

(5.30)

Удобной для практического применения является Г-образная схема замещения АД (рис. 5.21), в которой намагничивая контур ( ) вынесен на входные зажимы схемы замещения. Расчет параметров рабочего контура Г-образной схемы замещения требует уточнения, что достигается введением в расчетные формулы коэффициента , который представляет собой отношение напряжения к ЭДС статора при идеальном холостом ходу ( ). Так как в этом режиме ток холостого хода асинхронного двигателя очень мал, то оказывается лишь немного больше, чем ЭДС , а их отношение мало отличается от единицы.

Г-образная схема замещения асинхронного двигателя

Рисунок 5.21 - Г-образная схема замещения асинхронного двигателя

Электромагнитная мощность АД, передается из статора в ротор электромагнитным путем, на основании схемы замещения (рис. 5.21) может быть записана в виде

(5.31)

Величина электромагнитного момента определяется из соотношения

(5.32)

где - угловая скорость вращения магнитного поля.

ток ротора

(5.33)

поэтому

(5.34)

Таким образом, крутящий момент АД пропорционален квадрату напряжения фазы, подводимой и сложным образом зависит от скольжения и параметров статора и ротора. Зависимость , что называется механической характеристикой, показана на рис. 5.22, а. Чаще механическую характеристику асинхронной машины изображают в координатах (рис. 5.22, б).

Механическая характеристика асинхронной машины

Рисунок 5.22 - Механическая характеристика асинхронной машины

Если ротор AM, подключенной к сети, с помощью дополнительного приводного двигателя привести во вращение в направлении вращения поля статора со скоростью , то ЭДС в роторе изменит свое направление на противоположное по сравнению с двигательным режимом. В результате изменит свое направление и ток ротора (его активная составляющая ), следовательно, изменит направление и ток статора , а это значит, что изменится направление преобразования энергии и AM станет отдавать активную мощность в сеть, то есть работать в режиме генератора - превращать механическую энергию, подводимой к валу, в электрическую. Направление электромагнитного момента также меняется на обратную - он становится тормозным и уравновешивает крутящий момент приводного двигателя (флаги).

Скольжения в генераторном режиме

(5.35)

и теоретически может изменяться в пределах . На практике, однако, высокая скорость недопустима, как по условиям механической прочности, так и по соображениям ограничения потерь.

С точки зрения сохранения номинального КПД и ограничения нагрева номинальное скольжение АГ должно соответствовать номинальному скольжению АД и составляет в зависимости от типа и мощности AM. Для асинхронного генератора справедливы такие же схемы замещения, и для асинхронного двигателя. Параметры схемы замещения, коэффициенты приведения и определяются так же, как и в режиме двигателя.

На рис. 5.23 показана схема замещения АГ используемая при расчетах, в которой ветка намагничивания вынесена на зажимы. Поправочный коэффициент учитывает изменения параметров схемы замещения АГ при вынесении ветки намагничивания, определяется из соотношения , мало отличается от единицы и составляет

Чтобы уменьшить погрешность при определении тока , в контур намагничивания Г-образной схемы замещения вводят сопротивление или только .

Схема замещения асинхронного генератора

Рисунок 5.23 - Схема замещения асинхронного генератора

Характер изменения тока статора для широкого диапазона изменения скольжения AM приведен на рис. 5.24. Ток холостого хода, почти чисто реактивным, составляет . В тихоходных машинах (со скоростью вращения 375 об / мин и менее) он может достигать .

Ток при скольжении равен пусковому и составляет .

Изменение тока статора асинхронной машины

Рисунок 5.24 - Изменение тока статора асинхронной машины

Максимальный электромагнитный момент для режима генератора и скольжения, отвечает ему, и рассчитываются по соотношениям

(5.36)

(5.37)

Векторная диаграмма асинхронного генератора

Рисунок 5.25 - Векторная диаграмма асинхронного генератора

Векторная диаграмма для асинхронного генератора приведена на рис. 5.25. На диаграмме ток ротора сдвинут по отношению к ЭДС на угол , вектор тока статора , как и в двигательном режиме, определяется векторной суммой

(5.38)

и в результате поворота тока (вместе с ЭДС ) почти на 180 ° также вращается по часовой стрелке, при этом угол , а активная составляющая тока статора

(5.39)

и мощность

(5.40)

символизирующий смену знака активной составляющей тока статора (по сравнению с АД) и направления потока мощности - механическая мощность преобразуется в электрическую и отдастся в сеть.

Величина реактивной мощности АГ определяется из соотношения

(5.41)

и состоит из реактивной мощности, необходимой для создания основного магнитного поля,

(5.42)

и мощности, приходящейся на потоки рассеяния обмоток статора и ротора

(5.43)

Реактивная составляющая тока статора

(5.44)

и реактивная мощность Q при переходе асинхронной машины с моторного в генераторный режим сохраняют свои знаки. Это означает, что асинхронный генератор потребляет из сети реактивную мощность и индуктивный ток. Поэтому асинхронный генератор может работать только на сеть, которая имеет источники реактивной мощности.

 
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 
Предметы
Агропромышленность
Банковское дело
БЖД
Бухучет и аудит
География
Документоведение
Естествознание
Журналистика
Инвестирование
Информатика
История
Культурология
Литература
Логика
Логистика
Маркетинг
Математика, химия, физика
Медицина
Менеджмент
Недвижимость
Педагогика
Политология
Политэкономия
Право
Психология
Региональная экономика
Религиоведение
Риторика
Социология
Статистика
Страховое дело
Техника
Товароведение
Туризм
Философия
Финансы
Экология
Экономика
Этика и эстетика
Прочее