РАЗРАБОТКА БЕСЩЁТОЧНОГО МИНИ ГИДРО-СОЛНЕЧНОГО СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

АННОТАЦИЯ

Статья основана на разработкебесщёточной системе возбуждения синхронного генератора мини гидроэлектростанций возбуждаемой от солнечной энергии. Как известно, возбуждение синхронных машин может производиться за счёт электромагнитного или магнитоэлектрического  воздействия на обмотку ротора. Задача применения  электроэнергии солнечных батарей для возбуждения автономных синхронных генераторов мини ГЭС. Ротор мини синхронного генератора вращается из-за энергии приливов малых рек, обмотка возбуждения генератора питается постоянным током от аккумулятора, которая заряжается от солнечных батарей. Заряженность аккумулятора контролирует микроконтроллер.

ABSTRACT

The article is based on the development of a brushless excitation system for a synchronous generator of mini hydroelectric power plants excited from solar energy.

As you know, the excitation of synchronous machines can be produced by electromagnetic or magnetic electrical effects on the rotor winding. The problem is the use of electricity from solar panels to excite autonomous synchronous generators of mini hydroelectric power plants. The rotor of the hydro-solar generator rotates due to the energy of by-catch of small rivers, the excitation winding of the generator is powered by direct current from a battery that is charged from solar panels, the battery charge is controlled by a microcontroller

Ключевые слова: солнечная батарея, аккумулятор, постоянный ток, частота вращения, синхронный генератор, ток возбуждения, бесщеточная, обмотка, ротор, статор, мощность.

Keywords: solar battery, battery, direct current, rate speed, synchronous motor, synchronous machine, power source.

В последние годы заметно усилилось внимание к поиску и освоению нетрадиционных источников энергии, которые отличаются от ископаемых органических ресурсов своими громадными запасами, т.е. они практически неисчерпаемы или периодически возобновляются[1].

Одним из наиболее эффективных направлений развития нетрадиционной энергетики является использование энергии небольших водотоков с помощью микро и малых ГЭС. Это объясняется, с одной стороны, значительным потенциалом таких водотоков при сравнительной простоте их использования, а с другой – практическим исчерпанием гидроэнергетического потенциала крупных рек. Объекты малой гидроэнергетики условно делят на два типа: “мини”-обеспечивающие единичную мощность до 5000 кВт, и “микро” - работающие вдиапазоне от 3 до 100 кВт [4].

Загрязнение окружающей среды, рост цен на энергоносители и уменьшение их запасов обосновывают использование экологически чистых и, возможно, более дешевых источников энергии. Таковыми являются, так называемые, возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Одним из наиболее перспективных видов ВИЭ является энергия солнца. Солнце, по человеческим меркам, – неисчерпаемый источник энергии. Существуют устройства, преобразующие солнечную энергию в электрическую. Это солнечные элементы[1].

В отличие от большой энергетики, которая требует для наращивания своих мощностей привлечения значительных инвестиций, малая энергетика способна за короткое время обеспечить электроэнергией непосредственных потребителей, решая проблему относительно небольшими капитальными затратами[6]..

В статических системах возбуждения синхронных машин применяется щеточные и бесщёточные системы.Мощность возбудителя обычно равна 0.3-5 % от мощности машины.Он приводится во вращение от вала синхронной машины. Ток возбуждения крупной синхронной машины I_B относительно велик и составляет несколько сотен и даже тысяч ампер. Поэтому его регулируют с помощью реостатов, установленных в цепи возбуждения возбудителя [2].

В настоящий момент наиболее часто применяют прямой метод возбуждения, но при работе системы возбуждения с мощными синхронными электромашинами в основном работают генераторы независимого возбуждения, на обмотку которых ток подается с другого источника постоянного тока, называемого под возбудителем.

Возбуждение возбудителя осуществляется посхеме самовозбуждения. Вентильные системы возбуждения могут быть построены на большие мощности и являются более надежными, чем электромашинные. Различают три разновидности вентильных систем возбуждения: с самовозбуждением, независимую и бесще-точную [3].

В системе с самовозбуждением энергия для возбуждения синхронной машины отбирается от обмотки якоря основного генератора, а затем преобразуется статическим преобразователем ПУ (тиристоры преобразователь) в энергию постоянного тока, которая поступает в обмотку возбуждения. Начальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного намагничивания его полюсов[3].

В независимой системе вентильного возбуждения энергия для возбуждения получает от специального возбудителя GN, выполненного в виде трехфазного синхронного генератора. Ротор его расположен на валу главного генератора. Переменное напряжение возбудителя выпрямляется и подается в обмотку возбуждения.

Разновидностью независимой системы вентильного возбуждения является бесщеточная система возбуждения. В этом случае на валу основной синхронной машины размещается якорь возбудителя переменного тока с трехфазной обмоткой.

Синхронные машины с возбуждением от постоянных магнии-тов. Особенностью этих машин является то, что для создания магнитного поля возбуждения у них используются постоянные магниты. Постоянные магниты чаще всего размещаются на роторе, благодаря чему машина становится бесконтактной. Синхронные машины с постоянными магнитами широко используются в качестве генераторов небольшой мощности и микродвигателей[6].

Преимущества бесщёточного возбуждения синхронных машин.Щеточно-контактной аппарат наиболее быстро изнашивается в обычных генераторах. Большая масса пыли от угольных щеток попадает на обмотки и загрязняет их, ухудшая изоляцию генератора и уменьшая срок его службы. [8]. Положительной особенностью бесщеточного генератора является отсутствие щеток и контактных колец[3].

Расчет и выбор солнечной панели для системы возбуждения  синхронного генератора машины использована следующая упрощенная формула. Для расчета необходимой мощности массива солнечных модулей:

P=(1000·W)/(k·E),              

где P- суммарная мощность солнечных модулей; W-необходимое суточное количество энергии; k-сезонный коэффициент (летом 0.55, зимой 0.7, весной и осенью -0,63); E- значение солнечной радиации[5].

Коэффициент k делает поправку на потерю мощности солнечных элементов при нагреве на солнце, а также учитывает наклонное падение лучей на поверхность модулей в течении дня.

Выбор аккумуляторной батареи для систем возбуждения для синхронных генераторов малой и средней мощности.Аккумуляторные батареи (АБ) - считаются наиболее простыми экономически эффективными накопителями электроэнергии. АБ при работе бесшумны, не являются источниками загрязнения окружающей среды. Объём энергии накопленный в них может быть увеличен за счет увеличения их количества. Имеют сравнительно небольшие габариты, что позволяет устанавливать их без затруднений, практически в любых местах [7].

На рис.1 приведена схема бесщеточного мини синхронного гидрогенератора. Вал синхронного генератора приводиться во вращения энергией притоков малых рек. Если вал 2синхронной машины привести во вращение с некоторой скоростью при помощи гидротурбины  (используя энергию притока малых рек), а обмотку ротора возбудить, используя энергию солнца 4, подав постоянное напряжение от фотоэлектрического преобразователя 5 или предварительно заряженной при его помощи аккумуляторной батареи 4, то поток возбуждения Ф будет пересекать проводники обмотки статора и индуктировать в ней симметричную m-фазную систему ЭДС. При подключении к обмотке статора симметричной нагрузки 1электрическая цепь будет замкнута, и по ней будет протекать симметричная система токов. При этом будет происходить суммирование и преобразование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в электрическую энергию переменного тока. Ток возбуждения регулируется реостатом 3,микроконтроллер контролирует заряженность  аккумулятора 4.

Рисунок. Схема бесщеточного возбуждениямини синхронного гидрогенератора:

1-статор синхронной машины; 2-обмотка возбуждения; 3-регулировочный реостат; 4-АКБ; 5-сольнечная панель; 6- микроконтроллер

Выводы:В существующих системах самовозбуждение энергия  для возбуждения синхронной машины отбирается от обмотки якоря основного генератора, а затем преобразуется статическим полупроводниковыми тиристорными или транзисторными преобразователями в энергию постоянного тока, которая поступает в обмотку возбуждения. В данной предлагаемой системе энергия  постоянного тока поступает от предварительно заряженного аккумулятора и солнечной панели. Такая система  возбуждения рекомендуется, применит для возбуждения автономных синхронных генераторов мини ГЭС.

Список литературы:

1. Андреев В.М., Грилихее В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразования концентрированного солнечного излучения. –Л.:  Наука, 1990.
2. Berdiev U.T., Pirmatov N.B.  Elektromexanika. – T.: Shams-Asa. 2014. –386 b.
3. Копылова И.П. Электрические машины. - М.: Юрайт, 2012.
4. Четошникова Л.М. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. -Челябинск.: издательство центр ЮУрГУ 2010.
5. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии/ В.Д. Плыкин. – Ижевск.:Изд-во«Удмуртскийуниверситет»,2013.
6. Пирматов Н.Б., Муминов М.У. Возбуждения синхронных генераторов автономных энергетических установок от солнечных батарей. Материалы научно рецензируемой онлайн конференции “Тенденции развития физики современных полупроводников: достижения, проблемы и перспективы”. –Ташкент. 28 май 2020 г. стр.347-351 .
7. Практические расчеты по использованию установок альтернативной энергетики. «Физика-солнца» НВЦ  «Эко энергия» международный институт солнечной энергии. –Ташкент.:  2015 .
8. Пирматов Н.Б., Муминов М.У. Разработка нетрадиционной системы возбуждения автономных синхронных машин // Universum: Технические науки : электрон.научн. журн. 2020. № 4(73).