Спосіб забезпечення безперебійної дієздатності автономного електромеханічного комплексу

Реферат: В способі забезпечення безперебійної дієздатності автономного електромеханічного комплексу, що складається з електричного генератора і електродвигуна, що живиться від нього, обидві машини є трифазними асинхронними з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності і зовнішньою електричною ємністю, включеною паралельно двигуну на виході генератора, під час роботи за нормального навантаження або перевантаження дві електричні ємності додаткового ємнісного збудження машин з'єднують послідовно одна з іншою між кінцями вторинних обмоток автотрансформаторних схем обмоток статора асинхронних машин комплексу. Під час пуску і розгону асинхронного двигуна одним контактором у фазі ємності переключають на шунтування вторинних обмоток автотрансформаторних схем обмоток статора компенсованих машин. UA 100196 C2 (12) UA 100196 C2 UA 100196 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі електротехніки, зокрема до електричних машин і електромеханічних комплексів для сумісної роботи у єдиній автономній електричній системі генератора і електричного двигуна. Відомий автономний асинхронний генератор на базі трифазної асинхронної електричної машини з короткозамкненим ротором [патент України № 68049, МПК (Н02К 17/00), опубл. 15.07.2004, бюл. № 7], який виконаний на базі серійного асинхронного двигуна, шляхом розчеплення статорної обмотки на дві півобмотки (основну та додаткову) з їх просторовим зсувом і застосуванням конденсаторних батарей, одна з яких, включена паралельно основній обмотці та навантаженню і забезпечує намагнічування генератора при холостому ході та компенсацію реактивної потужності навантаження, друга ємність при зростанні струму навантаження, збільшує виробіток реактивної потужності, яка перешкоджає розмагнічуванню генератора і цим самим забезпечує більш точну стабілізацію напруги і частоти на виході автономного генератора, а додаткова ємність збільшує вихідну напругу генератора, підвищує ступінь жорсткості зовнішніх характеристик і діапазон стійкої роботи, забезпечуючи форсування ємнісного струму збудження при накиді навантаження. Класичні асинхронні машини, що працюють у потужних електроенергетичних системах практично недієздатні в екстремальних умовах автономних систем, так як генератор має м'які зовнішні характеристики і не витримує різкого накиду навантаження у вигляді пускового режиму двигуна. Відомо, що в автономному комплексі з асинхронними машинами створення магнітного потоку в них забезпечується реактивним струмом і потужністю, що отримані зазвичай від батареї конденсаторів. Тобто, асинхронні машини мають так зване ємнісне збудження. Створення умов забезпечення необхідного ємнісного збудження в екстремальних і нормальних режимах асинхронних машин автономного електромеханічного комплексу є основною задачею запропонованого винаходу. Поставлена задача вирішується використанням в автономному електромеханічному комплексі компенсованих асинхронних генератора і двигуна з форсуванням ємнісного збудження їх шляхом шунтуванням вторинних обмоток автотрансформаторних схем обмоток статорів машин додатковою електричною ємністю під час пуску і розгону асинхронного двигуна. На фіг. 1 представлена принципова схема фази автономного електромеханічного комплексу з компенсованими асинхронними генератором і двигуном (а) і сумісна векторна діаграма їх роботи (б). На фіг. 2 представлена принципова електрична схема фази автономного електромеханічного комплексу з компенсованими асинхронними машинами при форсуванні ємнісного збудження їх шунтуючою ємністю Ck у генератора, Ck у двигуна (а); б - фрагмент  векторної діаграми режиму сумісної роботи машин по схемі фіг.2а. На фіг. 3 представлена принципова електрична схема трифазного автономного електромеханічного комплексу з компенсованими асинхронними машинами при форсуванні їх ємнісного збудження. На фіг. 4 представлені зовнішні характеристики автономних асинхронних генераторів при роботі на статичне навантаження (а) і механічні характеристики асинхронних двигунів (б) при різних модифікаціях ємнісної компенсації реактивної потужності. На фіг. 5 представлені зовнішні характеристики асинхронних генераторів (а, б) і відповідні їм механічні характеристики асинхронних двигунів (в, г) при сумісній роботі їх в автономному електромеханічному комплексі при різних модифікаціях ємнісної компенсації реактивної потужності. Автономний електромеханічний комплекс складається з двох протилежних за напрямком дії електричних перетворювачів енергії генератора і двигуна, працюючих разом в єдиній електроенергетичній системі. Класичні асинхронні машини, що працюють у потужних електроенергетичних системах практично недієздатні в екстремальних умовах автономних систем, так як генератор має м'які зовнішні характеристики і не витримує різкого накиду навантаження у вигляді пускового режиму двигуна. Пропонується автономний електромеханічний комплекс, що складається з сукупності двох разом працюючих компенсованих асинхронних машин сумірної потужності. Одна з машин  потужністю P працює у режимі автономного генератора від привідного двигуна, інша - робочий  двигун, повинна мати потужність P  P .  Компенсовані асинхронні машини виконані на базі серійних асинхронних машин і конструктивно відрізняються від них тільки незначними змінами схеми обмотки статора. Фазна 1 UA 100196 C2 зона 60° трифазної обмотки статора ділиться на дві рівні частини по 30° у кожній, просторово 5 зміщені між собою в пазах сердечника статора на кут   30  Напівобмотки фази статора з'єднані між собою по схемі поворотного автотрансформатора (AT) на електричну ємність C у генератора, C у двигуна (фіг. 1а). Одна з півобмоток є  основною обмоткою статора і первинною обмоткою AT зі струмом  , ( ) , інша зі струмом  , I I I  1 1  ( ) - вторинною. У генератора вторинна обмотка (додаткова) зміщена відносно до основної I  (первинної) на 30° у напрямку обертання магнітного поля його, а у двигуна - проти. Обмотки AT відповідної машини перетинаються своїм обертовим магнітним полем, тому у двигуна ЕРС Ем  вторинної обмотки AT випереджає у часі на кут   30  ЕРС E основної обмотки, а у   10 15  1   генератора E  відстає від E1 на 30°,   30 . Просторове зміщення між собою обмоток поворотного AT визначає величину і фазу його     вихідної напруги Uc (Uc ) на ємності U (U ) . У генераторі дві обмотки AT є вихідними,          генеруючими, тому Uc  U  U1  E  E1, де E1  E2   jx m0 - ЕРС основної обмотки статора і I приведеного до нього ротора; при рівних числах витків обмоток ЕРС додаткової (вторинної)   обмотки AT E  E e j ,      e  j   - намагнічуючий струм, рівний сумі всіх струмів I I I I  1 0 1  2 машини, приведених до осі основної обмотки зі струмами 1; e  j - струм вторинної обмотки, і I I  - струм фази ротора, приведений до осі основної обмотки статора, x - головний реактивний I 2 20 25 30 m опір фази обмотки машини при приведенні ротора до статора і рівні йому опори намагнічуючого   контуру і взаємоіндуктивного зв'язку між обмотками; U1 , U - напруга відповідно первинної і вторинної обмоток AT. Рівняння електричної рівноваги фази генератора у симетричному режимі усталеного процесу по схемі фіг. 1а мають вигляд:   I 1. U1  E1  1Z1  Z I     2. U1  U  Uc  E   Z   ix c I I  3. 0  E2  2 Z2 , I де Z1  Z  r1  jx1 - власні опори однакових обмоток статора, r1 - активний опір, x1 індуктивний опір розсіювання (опором взаємоіндуктивного зв'язку по полю розсіювання між зміщеними одна відносно одної обмотками нехтують); Z2  r2  jx 2 опір роторного кола при S 1 - ємнісний опір ємності ковзанні S; xc  C ; 0  2f0 - кутова частота змінного струму 0C генератора. При постійній швидкості 0  314 c 1 приводного двигуна і приведені обертаючогося ротора, що обертається, до статора при числі пар полюсів Р=1 обмотки jx c Z  прийнято 0  1 і f0  50Гц ; Z  навантажувальний опір генератора у Z  jx c  квазіусталеному процесі при паралельному з'єднанні опору Z  працюючого двигуна і опору 1 зовнішньої ємнісної компенсації. 0C Обмотки статора компенсованої асинхронної машини за призначенням є суміщеними. Вони одночасно є робочими обмотками машини і компенсуючими при включенні їх по AT схемі на електричну ємність C (C )   Uc При цьому струм   , ємнісний по суті, як струм навантаження AT, одночасно є I  jx c робочим струмом додаткової обмотки статора (вторинної обмотки AT), а відносно до напруги  U1 , він має активну і реактивну (ємнісну) складову. Разом зі струмом 1 індуктивно-активного I xc  35 40 характеру основної обмотки вони створюють загальний струм машини   1   , що близький за I I I 2 UA 100196 C2 фазою до активного. Прямий електричний обмін реактивною енергією між AT обмотками фази збільшує власний коефіцієнт потужності, cos машини, наближає його до 1. Електричний зв'язок між обмотками фази поворотного AT проявляється у створенні загального намагнічуючого струму      e  j   . При цьому активні складові струмів статора I I I I 0 5 10 15  2 і ротора взаємно урівноважені, а реактивні створюють загальний намагнічуючий струм 0 . I Ємнісний по суті струм  , що просторово приведений до осі основної обмотки як  e  j (фіг. I I 1б), своєю реактивною складовою співпадає з індуктивною складовою струму 1 , основної I обмотки, тобто підмагнічує систему. Генерація реактивної енергії ємнісного характеру струмом  , за рахунок просторового I зміщення одночасно підмагнічує систему як індуктивний. В цьому проявляється головний ефект внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності в асинхронній машині. Тому, на власне збудження компенсований асинхронний генератор потребує реактивної потужності на 15-20 % менше, ніж при зовнішній компенсації звичайного асинхронного генератора, а в двигуні витрати реактивної потужності на підвищення cos до 1 зменшуються на 20-25 %. Струми обмоток статора, маючи протилежний характер по реактивних складових, наближуються до активних і зменшуються по величині, знижуючи втрати електроенергії в обмотках. Машини стають енергозберігаючими.   Струм  e  j у складі намагнічуючого струму  створює основні ЕРС E  E обмоток I I  20 25 30 0 1 2 статора і ротора компенсованих асинхронних машин, а також приймає участь у вигляді    додаткової ЕРС E m   jx m e  j , що збільшує основні ЕРС E1  E 2 . Одночасно  є одним із I I робочих струмів і тому зростає зі збільшенням навантаження, що в генераторі приводить до  збільшення вихідної напруги U1 , зменшує спад напруги, попереджає розмагнічування системи при збільшенні виробітку реактивної потужності Qc  I2  x c ємністю C . Зовнішня  характеристика компенсованого генератора стає вище і жорсткіше, ніж у звичайному генераторі з однією зовнішньою ємністю С. (див фіг. 4а).  Вихідна напруга генератора U1 є живлячою напругою для двигуна в автономному   електромеханічному комплексі, причому U  U1 .  Струми компенсованого асинхронного двигуна (КАД) 1 ,  , 2 . У порівнянні з струмами I  I  I  генератора мають протилежні їм активні складові, але узгоджені реактивні, а намагнічуючий струм двигуна дорівнює      e  j   . При різних напрямках відповідних струмів у I I I I  0      2   генератора і двигуна відмінні вектори спадів напруг і тому при одній напрузі U  U1 , у них різні    за величиною і дещо зміщені по фазі відповідні ЕРС E1 , E  , що зображено на векторній   35 40 45 50 діаграмі фіг. 16. Так у генератора E1  U1 , а у двигуна E1  U при U  U1 , тобто E1  E1 .     У КАД ефект внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності проявляється у зменшенні величин робочих струмів і втрат енергії в обмотках, підвищення власного cos  до  1 при менших витратах на 20-25 %, у порівнянні з прототипом, збільшенням пускового моменту на 15-20 % практично без зміни пускового струму статора (фіг. 4б). Одночасне покращення робочих характеристик асинхронного генератора (підвищення рівня напруги і ступеня жорсткості зовнішніх характеристик) і пускових характеристик двигуна, зниження споживання реактивної потужності машин за рахунок ефекту внутрішньої ємнісної компенсації відкриває можливості їх сумісної роботи у автономних електромеханічних комплексах. Але, незадовільна властивість асинхронного двигуна значно збільшує пусковий струм, потребує п'ятикратного кратного збільшення пускових компенсуючих ємностей і подальшого відключення значної їх частини у номінальному режимі усталеного процесу. З іншого боку є ще резерви у способі внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності. Шунтування вторинних обмоток автотрансформаторних схем обмоток статорів компенсованих асинхронних машин додатковою ємністю Ck (Ck ) (фіг.2,3) безпосередньо  збільшує ємнісні струми  ,  вторинних обмоток AT і зміщує їх фази у бік збільшення I I  активних складових, що підвищує ефект внутрішньої ємнісної компенсації. Представимо дію 3 UA 100196 C2   цього ефекту на фіг.2б, нехтуючи зміщенням величини і фази основних ЕРС E1 , E    додаткової ємності C випереджає напругу генератора і двигуна одна відносно одної. Струм I ck 5 k   U генераторної обмотки, а відповідно і ЕРС E  на 90° і разом зі струмом c ємності C I збільшує струм вторинної обмотки   c  ck . Приведений до осі основної обмотки струм I I I  e  j при (   30 0 у генератора) веде до подальшого збільшення додаткової ЕРС I   / E m   jx m e  j і основної ЕРС E1 , що ще збільшує напругу U1 генератора і знижує ступінь I спаду її зі зростанням навантаження (фіг. 4а).   У двигуна струм ck ємності Ck випереджає напругу U  E   Z або відстає від I    I       . Відбувається збільшення додаткової ЕРС  ЕРС E  на 90°, підсилюючи струм I Ic  Ik     10 15 20 25 30 35 40 45 50 /   E m   jx m e  j  , основної ЕРС ротора E 2  , його пускового струму і моменту (фіг.4б). В  I   / той же час зростання протиЕРС E1 основної обмотки статора двигуна може знизити його  пусковий струм. Таким чином, шунтування вторинних обмоток AT схем обмоток статорів компенсованих генератора і двигуна призводить до своєрідного форсування їх ємнісного збудження, забезпечує збільшення напруги на виході генератора і пускового моменту двигуна, що потрібно для задовільної сумісної роботи їх у складі автономного електромеханічного комплексу. В перший момент пуску асинхронного двигуна різко падає його опір Z (при ковзанні  ). що призводить до зростання пускового струму і зниженню напруги генератора. У S  1  процесі розгону двигуна його опір незначно збільшується, але при S  0,1  0,12 Z різко росте.  При шунтуванні двигуна на виході генератора ємністю С в автономній системі може призвести до спаду реактивної складової, потім до росту ємнісної складової загального опору  jx c  Z , провалу напруги на зовнішній характеристиці двигуна (фіг. 5а, б). Вибір ємнісних  Z Z  jx c  параметрів генератора і двигуна в автономному електромеханічному комплексі проводять так,  щоб при сумірних потужностях машин P  P обертовий момент двигуна у процесі розгону  перевищував момент навантаження не менше, ніж на 10-15 %. При цьому досягаючи в усталеному процесі рівність моментів навантаження і двигуна при відсутності провалу напруги і моменту генератора в механічній характеристиці двигуна в області номінального ковзання S i . (фіг. 5в, г). Доцільно вибирати компенсуючі ємності C , C , C генератора і двигуна для режиму  нормального збудження машин, найбільш сприятливі при номінальному навантаженні в усталеному процесі. При таких умовах у режимі пуску двигуна система буде недозбуджена. Недолік збудження компенсують форсуванням його шунтуванням вторинних обмоток AT  генератора і двигуна додатковою ємністю відповідно Ck , Ck . Враховуючи, що напруги U ,      U вторинних обмоток AT схем практично рівні загальній напрузі U  U  U1  U і вдвоє   перевищують напругу на ємностях C , C величини ємностей Ck , Ck приймаються у 3-4   рази менше відповідних ємностей C , C .  Після успішного запуску двигуна і входу системи комплексу в режим усталеного процесу ємності Ck , Ck відключаються.  ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Спосіб забезпечення безперебійної дієздатності автономного електромеханічного комплексу, що складається з сумісно працюючих у складі єдиної електромеханічної системи сумірних за величиною потужності електричного генератора і електродвигуна, що живиться від нього, причому обидві машини є трифазними асинхронними з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності і зовнішньою електричною ємністю, включеною паралельно двигуну на виході генератора, який відрізняється тим, що під час роботи комплексу в усталеному режимі за нормального навантаження або перевантаження дві електричні ємності додаткового ємнісного збудження машин з'єднують послідовно одна з іншою між кінцями вторинних обмоток автотрансформаторних схем обмоток статора асинхронних машин комплексу, а під час пуску і 4 UA 100196 C2 розгону асинхронного двигуна одним контактором у фазі ці ємності переключають на шунтування вторинних обмоток автотрансформаторних схем обмоток статора компенсованих машин. 5 UA 100196 C2 6 UA 100196 C2 7 UA 100196 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8