Работа асинхронного КЗ электродвигателя в генераторном режиме

Источник: http://electro-shema.ru/energetika/asinxronnyj-elektrodvigatel-v-kachestve-generatora.html

Если отключенный от сети асинхронный двигатель с КЗ-ротором привести во вращение от какого-либо первичного двигателя, то в соответствии с принципом обратимости электрических машин при достижении синхронной частоты вращения, на зажимах статорной обмотки под действием остаточного магнитного поля образуется некоторая ЭДС. Если теперь к зажимам статорной обмотки подключить батарею конденсаторов С (рис. 3.7), то в обмотках статора потечёт опережающий ёмкостный ток, являющийся в данном случае намагничивающим.

Рис. 3.7

Ёмкость батареи С должна превышать некоторое критическое значение С₀, зависящее от параметров автономного асинхронного генератора: только в этом случае происходит самовозбуждение генератора и на обмотках статора устанавливается трёхфазная симметричная система напряжений. Значение напряжения зависит, в конечном счёте, от характеристики машины и ёмкости конденсаторов. Таким образом, асинхронный короткозамкнутый электродвигатель может быть превращен в асинхронный генератор.

Статья по теме лекции: ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ В КАЧЕСТВЕ ГЕНЕРАТОРА МИКРОГЭС

Ордатаев Оркен, докторант PhD.
Казахский Национальный аграрный университет

О совершенствовании системы возбуждения асинхронного генератора на базе микропроцессорной техники.
Ключевые слова: Возобновляемые источники энергии, микроГЭС, асинхронный генератор с фазным ротором, система возбуждения.

About improvement of excitation system of the asynchronous generator on the basis of microprocessor technical equipment.
Key words: Renewable energy sources, micro-hydropower station, induction generator with wound rotor, excitation system.

В настоящее время большое количество фермерских и крестьянских хозяйств, удаленных от крупных населенных пунктов, остаются не подключенными к централизованным источникам электроснабжения, поскольку это в большинстве случаев экономически и технически нецелесообразно.
В то же время малые реки с необходимым запасом гидроресурсов позволяют достаточно экономно решать проблему электроснабжения маломощных потребителей. Достоинством применения гидроэнергии, в сравнении с другими, является зачастую сравнительно небольшое изменение скорости течения воды в течение года, отсутствие периодов затишья.
Электроэнергия выработанная на микроГЭС и малых ГЭС имеет самую низкую себестоимость по сравнению с электроэнергией от других возобновляемых и традиционных источников энергии. При их строительстве, в отличие от мощных гидроэлектростанций, практически исключается экологический ущерб (затопление земель, нарушение рыборазведения и судоходства, изменение баланса климатических условий местности и т.д.).
По результатам проведенных патентных исследований и на основании анализа конструкций существующих микроГЭС выявлено, что для условий АПК нашей страны, для удовлетворения потребности хозяйств с кочевым и сезонным характером деятельности наиболее приемлемым являются рукавные переносные микроГЭС. Преимуществами такого рода микроГЭС являются: дешевизна конструкции, легкость установки и транспортировки, возможность скрытной установки водоотбора, практически не обслуживаемые гидротехнические узлы не требующие постоянного обслуживающего персонала и которые могут быть смонтированы и пущены в работу лицами без специальной подготовки.
Одним из важнейших узлов микроГЭС является генератор. Помимо простого генерирования электроэнергии, генератор должен обеспечить стабилизацию параметров электроэнергии. Из этого вытекает одно из важных требований к генератору микроГЭС – это управляемость. Кроме того, конструкция генератора для микроГЭС должна отвечать таким требованиям как дешевизна и высокая надежность работы на открытом воздухе долгое время [1].
Синхронные генераторы являются наиболее распространенными генераторами для питания автономных потребителей на базе ВИЭ. Отличительная особенность синхронного генератора заключается в том, что они не нуждаются в дополнительном источнике реактивной мощности для создания рабочего магнитного потока. В зависимости от конструкции синхронные генераторы возбуждаются с помощью специальной обмотки, подключаемой к источнику постоянного тока, или от постоянных магнитов. Мощность возбуждения синхронного генератора не превышает нескольких процентов от мощности генератора.
В автономном режиме работы синхронный генератор возбуждается от выходного напряжения якорной обмотки через выпрямитель. Начальное самовозбуждение синхронного генератора осуществляется по той же цепи за счет остаточного магнитного потока машины.
В ряде стран для преобразования энергии в установках возобновляемой энергетики (особенно в микроГЭС и ветроэнергетике) нашли широкое применение асинхронные генераторы. Так же асинхронные генераторы ввиду своей надежности могут применяться как источники переменного тока в мобильных объектах, прежде всего в летательных аппаратах. Идея использования асинхронного генератора для автономных систем давно привлекает внимание исследователей. Опыт показывает, что для ГЭС с малыми установленными мощностями асинхронные машины в генераторном режиме имеют существенные преимущества по сравнению с синхронными генераторами. Это связано в первую очередь с низкой стоимостью, простотой конструкции и эксплуатации в нормальных режимах, стойкостью к внешним авариям, значительным ресурсом [2…4].
Возможность использования асинхронной машины с фазным ротором в режиме генератора обоснована в работах Чернопятова Н.Н., Петрова Г.А., Емеца В.Ф., Частовского А.В. [5]. В режиме генератора две фазы обмотки ротора используются в качестве обмотки возбуждения генератора (Рисунок 1).

Рисунок 1. – Принципиальная схема возбуждения синхронного генератора на базе асинхронной машины с фазным ротором.

Системы возбуждения важная составляющая автономного генератора и должна отвечать таким требованиям как: минимальная масса, надежность, дешевизна.
Стабилизацию напряжения асинхронного генератора можно добиться двумя способами - по частоте вращения ротора или по магнитному потоку генератора.
Регулирование напряжения по первому способу технический сложная операция, особенно при резкой перемене нагрузки, поэтому этот способ почти не применяется; Второй способ, регулирования напряжения по величине основного магнитного потока может осуществляться как при постоянной, так и при переменной частоте вращения ротора, поэтому является основным.
Существующие системы компаундирования напряжения автономных асинхронных генераторов рассчитаны на номинальную или к близкую к номинальной скорости индуктора генератора. В случае, когда первичным двигателем служит микротурбина с мощностью равной или близкой к мощности генератора, скорость ротора генератора может существенно изменяться в зависимости от напора воды и нагрузки генератора. Это в свою очередь может привести к отклонению выходного напряжения генератора за пределы допустимого значения.
Таким образом, совершенствование системы возбуждения автономного асинхронного генератора с фазным ротором с целью обеспечения требуемого значения напряжения генератора является актуальной проблемой. При этом, элементную базу целесообразно формировать с использованием современной микропроцессорной техники.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• - обосновать принципиальную схему системы регулирования возбуждения генератора в широком диапазоне изменения скорости ротора;
• - разработать методику и провести лабораторные экспериментальные исследования характеристик генератора на базе асинхронной машины с фазным ротором;
• - провести теоретические исследования переходных процессов в автономном асинхронном генераторе.
• - разработать макетный образец системы возбуждения на базе микропроцессорной техники;
• - провести лабораторные и производственные испытания генератора с разработанной системой возбуждения.

Литература:

1. Свит П.П. Разработка микро-ГЭС с асинхронными генераторами для сельскохозяйственных потребителей: автореф. …канд. техн. наук. Барнаул, 2007. – 24с.

2. Григораш О.В. Современное состояние и перспективы применения
асинхронных генераторов в автономной энергетике.// Промышленная энергетика.- 1995, №3.-С.29-32.

3. Лукутин В.В., Сипайлов Г.А. Использование механической энергии
возобновляемых природных источников для электроснабжения автономных потребителей. - Фрунзе: Изд-во «Илим». - 1987. - 136 с

4. Оборудование для малых ГЭС // Int. Water Power and Dam Const. -
1986, 38, №4.-C.41-50.

5. Чернопятов Н.Н., Петров Г.А., Емец В.Ф., Частовский А.В.Использование асинхронных двигателей в качестве синхронных генераторов /Изв.вузов,серия: Энергетика,1983,№9/.