Попов, Андрей Юрьевич. Асинхронный генератор с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками для автономных систем электроснабжения

brief description

Попов, Андрей Юрьевич. Асинхронный генератор с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками для автономных систем электроснабжения : диссертация ... кандидата технических наук : 05.09.03 / Попов Андрей Юрьевич; [Место защиты: Кубан. гос. техн. ун-т].- Краснодар, 2012.- 157 с.: ил. РГБ ОД, 61 12-5/3400

61 12-5/3400
Министерство обороны Российской Федерации Филиал Военного учебно-научного центра Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»
(г. Краснодар)
На правах рукописи
АСИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР С УЛУЧШЕННЫМИ
ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
ДЛЯ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Божко С.В.
г. Краснодар - 2012
ОГЛАВЛЕНИЕ
ОСНОВНЫЕ ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ГЕНЕРАТОРЫ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ: НЕДОСТАТКИ И ПЕРСПЕКТИВЫ.. 10
1.1 Структурная схема, технические характеристики и режимы
работы автономных систем электроснабжения 10
1.2 Технические характеристики эксплуатируемых генераторов
переменного тока 19
1.3 Автономные источники электроэнергии 27
1.3 Л Основные требования к автономным источникам 27
1.3.2 Перспективные автономные источники 29
1.4 Задачи исследования и выводы по первой главе 35
2 АНАЛИЗ И СИНТЕЗ УСТРОЙСТВ СТАБИЛИЗАЦИИ
НАПРЯЖЕНИЯ АСИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ 38
2.1 Способы регулирования основного магнитного потока
асинхронного генератора 38
2.2 Устройства стабилизации напряжения асинхронного
генератора 45
2.3 Разработка стабилизатора напряжения для бесконтактного
асинхронного генератора 53
2.4. Выводы по второй главе 63
з
3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА СТАТОРНЫХ
ОБМОТОК АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА 65
3.1 Матричная теория формирования статорных обмоток 65
3.2 Применение диаграммы Гёргеса для анализа МДС статорных
обмоток генератора 70
3.3 Методика расчета оптимальных статорных обмоток
асинхронного генератора 74
3.4 Выводы по третьей главе 91
4 РАСЧЕТ КРИТЕРИЕВ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ПАРАМЕТРОВ
АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 93
4.1 Основные ограничения при проектировании бесконтактных
генераторов с приводом от высокоскоростных двигателей 93
4.2 Потери и КПД высокоскоростных асинхронных генераторов.... 98
4.3 Удельная масса и предельная мощность бесконтактных
высокоскоростных генераторов 101
4.4 Расчет параметров асинхронного генератора 105
4.5 Экспериментальные исследования 113
4.6 Выводы по четвертой главе 125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 130
ПРИЛОЖЕНИЯ 142
ОСНОВНЫЕ ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
АБ - аккумуляторная батарея;
АД - авиационный двигатель;
АГ - асинхронный генератор;
БКВ - блок конденсаторов возбуждения;
ВУ - выпрямительное устройство;
Г- генератор электроэнергии;
КПД - коэффициент полезного действия;
МГП - массогабаритные показатели;
НПЧ - непосредственный преобразователь частоты;
САЭ - система автономного электроснабжения;
СГ - синхрогенератор;
СГВВ - синхронный генератор с вращающимися выпрямителями; СУ - система управления;
СЭС - система электроснабжения самолета;
ЭМГ - электромеханический генератор;
ЭМП - электромагнитные помехи;
ЭМС - электромагнитная совместимость;
ЭТХ - эксплуатационно-технические характеристики.
ВВЕДЕНИЕ
На современном этапе развития страны, в том числе, высокие темпы роста производства, ведут к непрерывному повышению потребления электроэнергии. Кроме того, в настоящее время интенсивно развиваются компьютерные системы связи и обработки информации, автоматические системы управления технологическими процессами и производственными комплексами. Поэтому актуальным является вопрос разработки резервных (аварийных) источников электроэнергии для обеспечения бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей.
Эксплуатируемые в настоящее время автономные источники электроэнергии (АИЭ) имеют относительно низкие эксплуатационно-технические характеристики (ЭТХ). Так, при мощностях генераторов, находящихся в пределах 20 - 30 кВ-А, их КПД не превышает 60%, а наличие жестких требований по обеспечению постоянства частоты вращения ротора генератора приводит к усложнению аппаратуры, и, следовательно, снижению надежности в работе и понижению КПД.
В диссертационной работе предлагается один из путей улучшения ЭТХ автономных систем электроснабжения (АСЭ) за счет применения в качестве источника электроэнергии переменного тока бесконтактного асинхронного генератора (АГ) с емкостным возбуждением.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой КВАИ «Научно-методическое сопровождение учебной дисциплины «Авиационное и радиоэлектронное оборудование»» на 2006 - 2010 гг. , 2011-2015 гг. НИР № 31205 «САЭ-АКС-ДЭМ» филиала ВУНЦ ВВС «ВВА» (г. Краснодар).
Целью диссертационной работы является улучшение эксплуатацион¬но-технических характеристик бесконтактного асинхронного генератора для автономных систем электроснабжения за счет улучшения формы магнитно¬го поля генератора и применения высокоэффективных стабилизаторов на¬пряжения.
Для достижения цели исследований, проводимых в диссертации, в ней решаются следующие научные задачи:
1. Провести анализ технических решений устройств стабилизации на¬пряжения бесконтактных АГ.
2. Разработать устройство стабилизации напряжения АГ с улучшен-ными техническими характеристиками.
3. Проанализировать методы формирования статорных обмоток АГ, позволяющих снизить эффект размагничивания генератора при работе с ак¬тивно-индуктивной нагрузкой.
4. Обосновать оптимальные схемы статорных обмоток АГ на частоту тока 400 Гц и разработать методику ее расчета.
5. Провести расчет показателей эффективности и параметров АГ.
6. Экспериментально подтвердить эффективность АГ с емкостным возбуждением на частоту тока 400 Гц с предложенным техническим реше-нием статорных обмоток.
Объектом исследования является бесконтактный асинхронный генератор с емкостным возбуждением и его стабилизатор напряжения.
Предметом исследования являются внешние и регулировочные характеристики, а также критерии эффективности (массогабаритные показатели, потери и КПД) асинхронного генератора с учетом специфики работы и электропитания в автономных системах электроснабжения.
Методы исследования. Использованы теория электрических цепей, теория электрических машин и статических преобразователей электро-энергии, а также матричная теория формирования статорных обмоток электрических машин.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается совпадением результатов теоретических расчетов и экспериментальных исследований.
Научную новизну работы составляют:
1. Устройство стабилизации напряжения бесконтактного асинхрон-ного генератора с емкостным возбуждением.
2. Методика расчета оптимальных статорных обмоток асинхронного генератора для автономных систем электроснабжения с учетом специфики нагрузочных характеристик потребителей.
3. Методика упрощенного расчета критериев эффективности асин-хронного генератора для автономных систем электроснабжения на этапе проектирования с учетом нагрузочных характеристик.
Практическую значимость работы составляют:
1. Результаты анализа способов и устройств регулирования магнит-ного потока асинхронных генераторов для автономных систем электроснабжения.
2. Экспериментально полученные внешние характеристики асинхрон¬ного генератора с емкостным возбуждением с учетом режимов работы.
3. Макетный образец и система управления высокоскоростного асин¬хронного генератора с емкостным возбуждением.
4. Методика исследования высокоскоростного генератора при посто¬янной и переменной частоте вращения приводного двигателя на всех режи¬мах функционирования.
На защиту выносится:
1. Устройство стабилизации напряжения бесконтактного асинхронно¬го генератора с емкостным возбуждением, при широком диапазоне измене¬ния величины и характера потребителей.
2. Методика расчета оптимальных статорных обмоток асинхронного генератора.
3. Методика упрощенного расчета критериев эффективности асин-хронного генератора на этапе проектирования.
Реализация результатов работы.
Результаты исследований асинхронного генератора внедрены в учебном процессе филиала ВУНЦ ВВС «ВВА» (г. Краснодар) и в Кубанском государственном университете (г. Краснодар) при изучении дисциплины «Электрические машины».
Материалы по разработке высокоэффективного АГ для бортовых систем электроснабжения использованы в отчете НИР № 31205 «САЭ-АКС- ДЭМ» филиала ВУНЦ ВВС «ВВА» (г. Краснодар).
Личный вклад автора заключается в предложении новой конструкции стабилизатора напряжения, в разработке методик расчета оптимальных статорных обмоток и показателей эффективности асинхронного генератора.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8 международных и российских научно-практических конференциях, в том числе: в Краснодарском ВВАУЛ (2009¬2011 гг.), в г. Екатеринбурге на Международной АПК в 2010 г., на российских НПК в г. Ставрополе и Саратове в 2011 г., на Международной НПК в Кубанском ГТУ (г. Краснодар) в 2011 г., на Международной НПК в Волгоградской ГСХА в 2011 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано: 21 научная работа, включая одну монографию, 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК. Общий объём публикаций составляет 6,3 п.л., из которых 4,4 п.л. принадлежит лично автору.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников, включающего 110 наименований и приложения. Общий объем диссертации составляет 157 страниц, включая 56 рисунков и 4 таблицы.

bibliography

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты исследований, содержащихся в диссертационной работе, представляют собой разработку теоретических положений, совокупность ко-торых, позволит создавать трехфазные стабилизаторы напряжения с улуч-шенными эксплуатационно-техническими характеристиками для бесконтакт-ных генераторов автономных систем электроснабжения.
Научно-исследовательская работа позволила получить необходимые ре-зультаты и сделать следующие выводы:
1. Проведен анализ технических решений, характеристик и режимов ра-боты АСЭ, а также эксплуатируемых генераторов электроэнергии перемен-ного тока. Раскрыты их основные недостатки, а также современные требова-ния, предъявляемые к АИЭ. Предложено в качестве АИЭ АСЭ применить бесконтактный АГ с емкостным возбуждением.
Однако, на характеристики АГ, применяемых в автономных системах, существенное влияние оказывает эффект размагничивания при работе на ак-тивно-индуктивную нагрузку, и, кроме того, системы стабилизации напря-жения имеют относительно низкие технические характеристики. В связи с этим сформулированы цель и задачи исследований.
2. Рассмотрены недостатки и достоинства известных способов, в том числе функциональных схем, их реализующих, по регулированию основного магнитного потока автономного АГ.
Разработано устройство автоматического регулирования и стабилизации напряжения автономного бесконтактного АГ. Трёхфазные электронные клю¬чи стабилизатора подключают конденсаторы к статорным обмоткам генера¬тора при переходе коммутирующего напряжения через ноль, поэтому отсут¬ствуют высшие гармоники токов и напряжений, что позволяет улучшить па¬раметры генерируемой электроэнергии, а также уменьшить коммутационные перенапряжения и помехи. Кроме того, новые технические решения стабили¬затора напряжения АГ имеют улучшенные показатели надежности и КПД.
3. Предложено для анализа МДС статорных обмоток AF применить диа-граммы Гёргеса, которые позволили провести корректировку расчетов ин-дуктивных сопротивлений статорных обмоток генератора и рассчитать зна-чения коэффициента дифференциального рассеяния, характеризующего ка-чество МДС.
4. Расчеты показали, что оптимальными статорными обмотками генера-торов повышенной частоты тока, с точки зрения формы магнитного поля, яв-ляются двухслойные обмотки. Проведенные исследования позволили разра-ботать методику расчета оптимальных статорных обмоток АГ АСЭ.
5. Показано, что для повышения эффективности проектирования АГ на начальных этапах, необходимо проводить предварительную оценку основ-ных критериев эффективности АГ. Разработана методика упрощенного рас-чета и получены графические зависимости, показывающие характерные осо-бенности зависимостей между основными параметрами АГ, которые могут использоваться для предварительной оценки возможностей применения раз-личных типов АГ на начальных этапах проектирования для заданных усло-вий эксплуатации, т.е. в составе конкретных структурных решений АСЭ.
6. Экспериментальные исследования подтвердили теоретические расче-ты. При изменениях тока нагрузки от нуля до номинальных значений, при коэффициенте мощности cos<^> = 0,85, фазное напряжение АГ изменялось в пределах ± 3% от номинального значения. При коммутации конденсаторов, обеспечивающих компенсацию реактивной мощности нагрузки, в момент пе-рехода синусоидального напряжения через ноль, практически исключаются перенапряжения на полупроводниковых приборах и нагрузке.
Расчеты показали, что, если уменьшить число пар полюсов АГ с 4 до 2 и увеличить скорость вращения ротора с 6000 об/мин до 12000 об/мин, число витков в обмотке уменьшится практически в два раза, а сечение возрастет
примерно в два раза. При заданных ранее плотностях тока (8 А/мм2) и увели-чении до 16 А/мм2 мощность генератора также возрастет в два раза. При этом несколько снизится КПД генератора за счет дополнительных механических потерь и электрических потерь в роторе.
Таким образом, разработанные оптимальные статорные обмотки АГ и предложенное устройство стабилизации напряжения в значительной степени снижают основной недостаток генераторов с емкостным возбуждением, свя-занный с их крутопадающей характеристикой при активно-индуктивной на-грузке в сравнении с известными конструктивными решениями АГ, выпол-ненных на базе асинхронных двигателей.
Предложенное конструктивное решение АГ на частоту тока 400 Гц с оп¬тимальными статорными обмотками характеризуется минимальными затра¬тами на производство и эксплуатацию в АСЭ.