Разработка нетрадиционной системы возбуждения автономных синхронных машин

АННОТАЦИЯ

Данная статья посвящена использованию ветрогенератора постоянного тока как возбудителя для синхронных машин. Как известно, по  принципу работы синхронной машины  обмотка возбуждения питается постоянным током. Компрессорные, насосные, дизельно-генераторные установки горной промышленности приводятся во вращении в основном синхронными двигателями, которые находятся в открытом пространстве,  где можно использовать ветрогенератор,  как источник для питания обмотки возбуждения синхронных машин.

ABSTRACT

The article is devoted to the use of a direct current wind generator as a pathogen for synchronous machines. As you know, according to the principle of a synchronous machine operation, the field winding is powered by direct current. Compressor, pump, diesel generator sets of the mining industry are driven mainly by synchronous motors, which are located in open space, where a wind generator can be used as a source to supply the excitation winding of synchronous machines.

Ключевые слова: ветрогенератор, аккумулятор, постоянный ток, мощность, напряжения, энергия ветра, электромагнитное возбуждение, частота вращения, синхронный двигатель, синхронная машина, источник электроэнергии.

Keywords: wind generator; battery; direct current; power; voltage; wind energy; electromagnetic excitation; rate speed; synchronous motor; synchronous machine; power source.

Энергия ветра человечеством использовалась с древнейших времён. Следы использования энергии ветра сохранились в каменных ветреных мельницах Древнего Египта. До изобретения паровых двигателей энергия ветра использовалась  на парусных судах. По расчетам ученых мира запасы ветреной энергии в сотни раз выше, чем энергия потока воды [11].

Согласно классического определения, ветрогенератор или ветроэлектрическая установка (ВЭУ) обеспечивают преобразование энергии ветра в электрическую энергию [3]. Конструктивно данные установки осуществляют преобразование кинетической энергии ветра, за счет установленного ротора, в механическую энергию с последующим преобразованием в электрическую энергию. Обычная мощность ветрогенератора колеблется от 5 КВт до 4500 КВт, но также возможно генерирование минимальной энергии ветра от 4 м/с. Область применения ветроэлектрических установок позволяет решать проблему автономного обеспечения подачи электрической энергии государственным и социальным объектам,по условиям «зеленого тарифа». В основном это актуально для островных и локальных объектов [1].

Процесс преобразования энергии ветра в ветрогенераторе решается на конструктивном уровне, где ветряные потоки соприкасаясь и проходя через лопасти, являющиеся частью турбины, приводят ее во вращение. При этом образованная на валу ветротурбины энергия, пропорциональна полученному ветровому потоку, которая передается с вала ротора на мультипликатор, для её генерации. Однако установки, не имеющие в своем составе мультипликатор, являются более эффективными, т.к. отсутствуетрастрата энергии, затраченная ускорение вращения оси. Полученная скорость ветра является достаточной для оптимальной работы ветрогенераторной установки, т.к. ее мощность, измеряемая «ометаемой» площадью турбины, пропорциональна геометрическим параметрам лопастей [1].

На сегодняшний день существуют два основных типа ветрогенераторов, а именно:

Ветрогенератор с горизонтальной осью вращения – это наиболее распространенная ВЭУ, в составе которой имеются две или три вращающиеся лопасти(«немонолитные» установки) с горизонтальной осью вращения ведущего вала ротора (наветренный ротор) или за опорой – подветренный ротор, который в рабочем состоянии может находиться перед опорной стойкой. Скорость вращения лопастей этих установок очень большая, для обеспечения максимального «охвата» ветровых потоков, проходящих через площадь ротора.

Монолитные ветряные установки (модели с большим числом лопастей) применяются, как правило, в качестве водяных насосов, обычно работают при низких скоростях вращения. Однако, количество лопастей у ротора не определяет эффективность работы установки, из-за помех, оказываемых лопастями друг на друга.

Ветряные установки с вертикальной осью вращения (Н-образные) имеют очень широкий диапазон, т.к. благодаря конструктивным особенностям могут «захватывать» ветер, дующий в любом направлении. Эта особенность заключается в возможности смены положения ротора, который можно поменять при смене направления ветровых потоков. Конструктивная особенность Н-образных ветроустановок определяется расположением ведущего вала ротора, он расположен вертикально, а лопасти турбины – длинные и дугообразные, и прикреплены к верхней и нижней частям башни.

Несмотря на внешнее различие в расположении осей вращения – это схожие по конструкции ветряные системы, т.к.при вырабатывании из воздушных потоком ветра кинетической энергии,получаемой при взаимодействии воздушных потоков с лопастями, происходит передача через трансмиссионную систему на электрический генератор энергии, что позволяет обеспечить эффективность работы установки при разных скоростях ветра. Также ветреные генераторы – это наиболее экологически чистый источник энергии. Так в сравнении с дизельной станцией и солнечными батареями, они не выделяют вокружающую среду отходы, доступны поцене и самое главное круглосуточная доступность ветра.

Благодаря особенностям конструктивного исполнения эффективная работа ветроустановок определяется правильной географической установкой. Как правило, это максимально открытые для ветра места, а также горные и прочие возвышенности, прибрежные зоны, степи, открытые пространства. Главным ограничением в установке этих сооружений является удаление их отзданий и невысоких деревьев. Поэтому монтаж рассматриваемых установок в горной, геологоразведочной, нефтяной, а также газовой промышленности, где работы ведутся основном открытом пространстве, является хорошей областью исследования для дальнейшего их применения. Все перечисленные промышленные объекты имеют компрессорные, насосные, вентиляторные установки, дизельные генераторы с асинхронными или синхронными двигателями, при этом установки средней и большой мощности применяют синхронные двигатели.

Так подразделения АО “Алмалыкский горно-металлургический комбинат” имеет несколько шахт, в том числе шахта “Каульди”, где используются три компрессорные установки с синхронными двигателями, из которых две работают круглосуточно, а одна в резерве. На шахте “Каульди”, которая расположена в горной местности Восточно-Кураминского хребта скорость ветра достигает более 10 м/c. Характеристики установки, следующие: мощность двигателей компрессоров P=200 кВт, напряжения U=380 В, напряжения возбуждения U=33 В, ток возбуждения I=150 А. Проведенная исследовательская работа на данной шахте компрессора показала, что синхронные двигатели в системе возбуждения имеют тиристорные преобразователи. В свою очередь нами предлагается вариант использования, как возбудителя для синхронных двигателей, ветрогенератора постоянного тока.

Применяемые системы возбуждения синхронных машин имеют мощность возбудителя равную 0,3-35% от мощности синхронных машин. При этом возбуждение возможно осуществить как за счет электромагнитного воздействия, так и постоянным магнитом. В случае электромагнитного возбуждения используется устройство-возбудитель – специальный генератор постоянного тока, который питает обмотку. Используемая система возбуждения работает в двух исполнениях – способах воздействия – прямой и косвенный. При прямом методе возбуждения вал синхронной машины напрямую соединен механическим способом с ротором возбудителя, а при косвенном методе вращение ротора используется другой двигатель, например, асинхронная электромашина [2, 12].

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. Однако несмотря на достоинства рассматриваемой системы: высокая стабильность в работе, более тонкая настройка характеристик есть существенный недостаток – громоздкость конструкции [3, 13].

Рабочие характеристики и свойства генератора постоянного тока определяются способом питания обмотки возбуждения, при этом существуют следующие типы генераторов:

1) с независимым возбуждением – обмотка возбуждения получает питание от постороннего источника постоянного тока;

2) с параллельным возбуждением – обмотка возбуждения подключена к обмотке якоря параллельно нагрузке;

3) с последовательным возбуждением – обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткойякоря и нагрузкой;

4) со смешанным возбуждением – имеются две обмотки возбуждения: одна подключена параллельно нагрузке, а другая – последовательно с ней [4, 5].

Рассмотренные выше типы генераторов имеют схожее устройство, однако у них есть отличие – это выполнение обмотки возбуждения. При этом обмотки независимого и параллельного возбуждениясодержатбольшое число витков, выполненныхиз проводов малого сечения; а обмотки последовательного возбуждения, имеют небольшое число витков и изготовлены из проводов большого сечения.

Генераторы малой мощности имеют почти одинаковые свойства с генераторами с независимым возбуждением, которые изготавливают на базе постоянных магнитов [6, 7, 14].

Изучение вопроса и анализ литературы по возбуждению синхронного двигателя компрессора за счет электромагнитного воздействия, позволили сделать рекомендации по электромагнитному воздействию, которое запитывается от ветреного генератора постоянного тока. Это возможно осуществить путем его монтажа вблизи компрессорной установки шахты ‘’Каульди’, где здание компрессорной станции расположено на околоствольном дворе шахты, а сам ветрогенератор необходимо устанавливать на крышах зданий компрессорных станции.

Следует отметить, что автономных синхронных двигателей малой и средней мощности так же возможно применение ветрогенератора постоянного тока с постоянным магнитом как возбудитель [8-10]. При этом система возбуждения синхронного двигателя ветреным генератором постоянного тока представлена на рис.1.

Рисунок 1. Схема системы возбуждения синхронного двигателяветреным генератором постоянного тока: 1- обмотка статорасинхронного двигателя; 2 - обмотка ротора (возбуждения)синхронного двигателя;3- регулировочныйреостат; 4- аккумулятор;5- ветрогенератор постоянного тока

На основании вышеизложенного и опираясь на результаты собственных научных исследований можно сделать вывод о возможности применения ветрогенератора постоянного тока с постоянным магнитом в качестве возбудителя для автономных синхронных двигателей малой и средней мощности [8].

Список литературы:
1. Ветрогенераторы: принцип действия, типы, применение, эффективность работы. / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://alterair.ua/articles /vetrogeneratoryi (дата обращения: 17.10.08).
2. Синхронные машины: возбуждение, устройство, принцип работы. / Remont 220/ [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://remont 220.ru/stati/605-sinhronnye-mashiny-vozbuzhdenie-ustroystvo-printsip-raboty (дата обращения: 17.10.08).
3. Синхронная машина: устройство и принцип работы. Заключение. / StudWood / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://studwood.ru /1804022/ tovarovedenie/zaklyuchenie (дата обращения: 17.10.08).
4. Генераторы постоянного тока. Характеристики генератора постоянного тока / Файловый архив студентов StudFile. / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://studfile.net/preview (дата обращения: 17.10.08).
5. Назначение, устройство и принцип работы генераторов постоянного тока. Способы возбуждения и внешние характеристики генераторов. / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://life-prog.ru/2_79281_vopros-naznachenie-ustroystvo - i - printsip - raboti –generatorov – postoyannogo – toka - sposobi-vozbuzhdeniya -i-vneshnie -harakteristiki-generatorov.html (дата обращения: 17.10.08).
6. Генераторы постоянного тока. / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https: // studopedia.ru /16_89316_ generatori – postoyannogo - toka. html (дата обращения: 17.10.08).
7. Генераторы постоянного тока. / MegaObuchalka / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://megaobuchalka.ru/12/29155.html (дата обращения: 17.10.08)
8. 8.Электротехника. Синхронный двигатель. / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://electrono.ru/elektricheskie-mashiny/sinxronnyj-dvigatel (дата обращения: 17.10.08).
9. Электрические машины малой мощности. / Мир знаний. / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://mirznanii.com/a/322147/elektricheskie-mashiny-maloy-moshchnosti/ (дата обращения: 17.10.08).
10. Синхронные двигатели малой мощности (микродвигатели). / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.szemo.ru/press-tsentr/article/sinkhronnye-dvigateli-maloy-moshchnosti-mikrodvigateli/(дата обращения: 17.10.08).
11. Безруких П.П. Ветроэнергетика. Справочное и методическое пособие. –М.: ИД Энергия, 2010. – С.320.
12. Абрамович Б.Н., Круглый А.А. Возбуждение, регулирование и устойчивость синхронных двигателей. -М .: Энергоатомиздат, 1983,- С.128.
13. Глебов И.А., Логинов С.И. Системы возбуждения синхронных двигателей. - Л .: Энергия. 1972. –С. 113.
14. Вольдек А.И. Электрические машины. -Л.: Энергия, 1974. –С. 840.