You are currently viewing Исследование работы асинхронного генератора на индивидуальную сеть средствами имитационного моделирования

Исследование работы асинхронного генератора на индивидуальную сеть средствами имитационного моделирования

В последние годы, в связи с поисками путей энергосбережения в различных отраслях хозяйст­ва, возник интерес к энергетическим комплексам, потребляющим нетрадиционные энергоресурсы. При электроснабжении небольших животноводче­ских комплексов, например, в качестве первичного энергоносителя можно рассматривать биогаз, а в качестве генератора — асинхронный двигатель, приводимый двигателем внутреннего сгорания. Возможностями применения простого в эксплуа­тации асинхронного генератора (АГ) в небольших по мощности (до 100 кВт) электростанциях по­священо ряд исследований, в которых отмечаются трудности поддержания частоты генерируемого напряжения при наличии индуктивной нагрузки.

Для возбуждения АГ применяют конденсаторы с емкостью, зависящей от характера и режима нагрузки. Найти законы регулирования емкости конденсаторов можно моделированием работы АГ с разным характером и уровнем нагрузки.

Анализ публикаций, посвященных разработ­кам математических моделей АГ, показывает разнообразие методов преобразований и описаний электрической машины. Различия в математических описаниях АГ заключаются в результате исследования, т.е. какой результат необходимо получить при моделировании. Определив объект исследования, технические условия, точность результатов расчета, что позволит сделать возмож­ные допущения, получим интересующую нас ма­тематическую модель.

На основе математического описания АГ [1] составлена модель с помощью средства визуаль­ного моделирования Simulink из пакета Matlab (рис. 1).

Исследование работы асинхронного генератора на индивидуальную сеть средствами имитационного моделирования 1
Рис. 1 – Модель асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором под нагрузкой

В предложенной модели АГ влияние насы­щения моделируется путем использования динамических индуктивностей, а потери в стали учи­тываются с помощью дополнительной (фиктив­ной) обмотки статора.

Дифференциальные уравнения АГ в непод­вижной системе координат α β имеют вид:

Для обмотки статора:

Исследование работы асинхронного генератора на индивидуальную сеть средствами имитационного моделирования 2

(1)

Для фиктивной обмотки статора:

Исследование работы асинхронного генератора на индивидуальную сеть средствами имитационного моделирования 3

(2)

Для обмотки ротора:

Исследование работы асинхронного генератора на индивидуальную сеть средствами имитационного моделирования 4

(3)

Исследование работы асинхронного генератора на индивидуальную сеть средствами имитационного моделирования 5

(4)

где

  • U, U — напряжение по осям α β
  • I1a, i, I2a, i — токи статора и ротора
  • r1, r2 — активные сопротивления фаз статора и ротора
  • rμα — фиктивное сопротивление, эквивалент­ное потерям в стали
  • iμαα, iμαβ — токи в фиктивной обмотке стато­ра (активные составляющие намагничивающего тока по соответствующим осям)
  • Lδ1, Lδ2, Lδμα — индуктивности рассеяния фаз статора и ротора и фиктивной обмотки статора
  • Ψδα, Ψδβ — проекции вектора главного потокосцепления на оси α β
  • ωр — частота вращения ротора

Уравнения учета внешней цепи, т.е. конденса­торов возбуждения и нагрузки:

Исследование работы асинхронного генератора на индивидуальную сеть средствами имитационного моделирования 6

(5)

Исследование работы асинхронного генератора на индивидуальную сеть средствами имитационного моделирования 7

(6)

где

  • i, i — токи в конденсаторах возбуждения
  • 1, 1 токи нагрузки по соответствую­щим осям
  • С — емкость конденсаторов возбуждения
  • rН, LH — активное сопротивление и индук­тивность нагрузки

С помощью представленной модели были проведены исследования работы АГ на индивиду­альную сеть при различных нагрузках.

В качестве АГ была использована асинхронная машина 4A132S4Y3, параметры которой имеют следую­щие значения:

  • r1 = 0.739 Ом
  • r2 = 0.471 Ом
  • L1 = 0.004 Гн
  • L2 = 0.006 Гн

Индуктивность рассеяния фиктивной обмотки статора принималась равной Lμ = 0.112 Гн, фиктивное сопротивление rμ = 64 Ом.

Коэффициенты аппроксимирующих полино­мов, рассчитанные на основе зависимости:

  • iμ = ƒ(Ψδ)
  • k1= 12,6
  • k3 = 30,2

В свою очередь частота вращения ротора АГ принята постоянной ω = 330 рад/с.

При работе машины в установившемся режи­ме общие активные и реактивные сопротивления машины должны быть равны по величине, соот­ветственно, активному и реактивному сопротив­лениям внешней цепи, что равносильно равенству полных проводимостей машины и её внешней се­ти [2].

Исследование работы асинхронного генератора на индивидуальную сеть средствами имитационного моделирования 8

(7)

где

  • Yг, Yc , Yн — полные проводимости фазы асинхронного генератора, группы конденсаторов и нагрузки

Во внешнюю сеть, на которую работает асин­хронный генератор с конденсаторным возбужде­нием, была включена активная нагрузка, величина которой может изменяться в широ­ких пределах.

Считаем, что асинхронный ге­нератор работает при постоянной частоте генерируемых колебаний. Проводимость конденсаторов воз­буждения при постоянной частоте генерируемых колебаний зависит только от величины их емкости. Проводимость фазы нагрузки с по­стоянным коэффициентом мощно­сти зависит исключительно от ве­личины фазы токоприемника.

Что же касается проводимости фазы асинхронного генератора, то она определяется параметрами ма­шины, т.е. ее активными и индук­тивными сопротивлениями.

По мере изменения нагрузки напряжение изменяется, что приво­дит к различному состоянию насы­щения магнитных цепей машины. Это сказывается на изменении величины взаимной индуктивности фаз статора и ротора. Изменение тока нагрузки, сопровождается установлением того или иного скольжения, вызывая значитель­ные изменения приведенного активного сопро­тивления ротора.

Таким образом, первостепенными факторами, влияющими на проводимость асинхронного гене­ратора, являются напряжение на зажимах машины и величина скольжения, определяющие собой численные значения параметров нагружаемой асинхронной машины.

Для поддержания заданного на­пряжения постоянным реактивная проводимость намагничивающего контура должна оставаться неиз­менной, независимой от нагрузки. Для этого необходимо, чтобы лю­бое приращение реактивной прово­димости главного контура, обу­словленное изменением нагрузки, было компенсировано соответст­вующим приращением реактивной проводимости конденсаторов.

На рис. 2 представлены внеш­ние характеристики асинхронного генератора, работающего на актив­ную нагрузку при разных значениях емкости возбуждения.

Исследование работы асинхронного генератора на индивидуальную сеть средствами имитационного моделирования 9
Рис. 2 – Внешние характеристики асинхронного генератора, работающего на активную нагрузку при постоянном числе оборотов ротора

Из рассмотрения представлен­ных кривых видно, что величина возбуждающей емкости оказывает существенное влияние на характе­ристики Uф = ƒ(Шн) при cosØ= const.

Применение сравнительно больших емкостей, приводит к по­вышению напряжения и высокому состоянию насыщения магнитной системы генератора. Этим обеспечивается сравнительно пологая форма характери­стики и значительная перегрузочная способность машины.

Небольшие емкости не дают возможности снять с генератора номинальную мощность, и приводит к быстро спадающим кривым.

На рис. 2 кружками обозначены данные, полу­ченные из эксперимента. Вращение ротора АГ осуществлялось с помощью асинхронного двига­теля (АД) мощностью 11 кВт со скоростью на 5% больше синхронной в двигательном режиме. В качестве нагрузки использовались нагреватель­ные элементы различной мощности. Совпадение данных, полученных при моделировании и экспе­риментальных данных говорит об адекватности разработанной математической модели реальным процессам в АГ.

Работа асинхронного генератора на симмет­ричную нагрузку в значительной степени услож­няется, если среди потребителей имеются потре­бители с моторной нагрузкой. Возникающие при этом затруднения особенно остро проявляются при пуске короткозамкнутых асинхронных двига­телей потребителей.

Короткозамкнутые асинхронные двигатели, потребляя во время пуска большие пусковые токи при низком коэффициенте мощности, вызывает большое падение напряжения генератора, снижа­ют устойчивость его работы, и могут привести к размагничиванию машины при пуске двигателей относительно большой мощности.

Так как при любом характере нагрузок в рас­сматриваемой энергетической системе должен иметь место баланс реактивных мощностей, то при неизменном возбуждении емкость конденса­торов будет ограничивать мощность пускаемых от генератора короткозамкнутых двигателей, реак­тивная проводимость которых при пуске значи­тельно увеличивается, достигая 6-18 кратного увеличения по сравнению с проводимостью при номинальной нагрузке [2].

Процесс пуска АД типа 4A100S4Y в сети АГ был смоделирован при помощи Simulink. Для соз­дания математической модели АД было использо­вано математическое описание, рассмотренное в [3]. На рис. 3 показаны кривые напряжения, тока АГ и тока статора АД, полученные в результате моделирования.

Исследование работы асинхронного генератора на индивидуальную сеть средствами имитационного моделирования 10
Рис. З – Кривые напряжения, тока статора АГ и тока статора АД при пуске

Устойчивая работа генератора возможна толь­ко тогда, когда емкость конденсаторов возбужде­ния подобрана так, что создает достаточную реактивную мощность для покрытия нужд как генера­тора, так и потребителей, без перехода работы генератора на неустойчивую часть его характери­стики.

Было определено, что при работе асинхронно­го генератора с постоянной частотой вращения ротора и номинальной для него емкостью возбуж­дения, устойчивая работа генератора возможна при пуске АД мощностью не более 10% от номи­нальной мощности генератора. Под номинальной мощностью генератора подразумевается мощ­ность при двигательном режиме работы электри­ческой машины.

Применением дополнительной емкости, мож­но увеличить мощность пускаемых короткозамк­нутых асинхронных двигателей до 40% от номи­нальной мощности генератора.

На рис. 4 показана зависимость изменения скорости вращения ротора АД в процессе пуска в зависимости от емкости конденсаторов возбужде­ния АГ.

Исследование работы асинхронного генератора на индивидуальную сеть средствами имитационного моделирования 11
Рис. 4 – Изменение скорости АД 4A100S4Y при пуске от сети АГ 4A132S4Y3 в условиях различной емкости возбуждения

При емкости возбуждения АГ меньше 237 мкФ на фазу при соединении конденсаторов в звезду запуск АД приводит к размагничиванию генератора, что не позволяет двигателю достиг­нуть номинальной скорости вращения. При уве­личении емкости запуск АД становится возмож­ным, при этом, чем больше емкость возбуждения, тем время, необходимое на запуск, меньше.

Таким образом, исследовав работу асинхрон­ного генератора на индивидуальную сеть с раз­личными видами нагрузки, можно сделать вывод, что асинхронный генератор можно использовать не только для сетей с активной нагрузкой, но и для сетей с двигательной нагрузкой.

Список литературы

  1. Джендубаев А.З.Р. Математическая модель асинхронного генератора с учетом потерь в стали // Электричество. 2003. №7. С. 36-45
  2. Зубков ЮД. Асинхронные генераторы с конденсаторным возбуждением. — Алма-Ата: Изд. АН КазССР, 1949. 112 с
  3. Беспалов В.Я., Мощинский Ю.А., Петров А.П. Математическая модель асинхронного двигателя в обобщенной ортогональной системе координат // Электричество. 2002. №8. С. 33-39

Источник: Исследование работы асинхронного генератора на индивидуальную сеть средствами имитационного моделирования / Г.И. Разгильдеев, Р.А. Храмцов // Вестник КузГТУ. — 2005. — №1. — C. 84-88

Добавить комментарий

Gekoms LLC

Коллектив экспертов большая часть опыта и знаний которых востребованы в области промышленной автоматизации, разработке технически сложного оборудования, программировании АСУТП, управлении электроприводом. Телефон: +7(812) 317-00-87 Email: info@gekoms.com Сайт: https://gekoms.org