СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ ПРИ РАБОТЕ ПАРАЛЛЕЛЬНО С СЕТЬЮ Российский патент 2012 года по МПК G05F1/70 H02J3/18 H02J3/38 H02P9/46 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к серийно выпускаемым асинхронным двигателям с короткозамкнутым ротором, используемым в качестве генераторов энергетических установок для преобразования механической энергии в электрическую.

Асинхронные генераторы промышленностью не выпускаются, выпускаются серийно только асинхронные двигатели. Однако генераторный режим представляет определенный научный и практический интерес при использовании его в энергетических установках для преобразования механической энергии в электрическую.

При переводе асинхронного двигателя в режим генератора необходимо рассмотреть изменение его характеристик.

Эффективность использования асинхронной машины оценивается по коэффициенту мощности, определяемому отношением активной мощности к полной (результирующей) мощности или равнозначно отношением активной составляющей тока к полному току фазы.

Асинхронная машина, подключенная к электрической сети, при работе как в режиме двигателя, так и в режиме генератора потребляет реактивную намагничивающую мощность, необходимую для создания магнитного поля машины, а также активную мощность для совершения работы (преобразования электрической энергии в механическую или механической в электрическую в зависимости от режима работы машины) [1]. При этом реактивная мощность и соответствующая ей реактивная составляющая тока дополнительно (нежелательно) нагружают как электрическую питающую сеть, так и фазную обмотку асинхронной машины. Поэтому для повышения эффективности работы асинхронной машины стремятся скомпенсировать реактивную мощность, а следовательно, и реактивную составляющую тока.

Известен способ повышения коэффициента мощности асинхронной машины, подключенной к электрической сети, путем компенсации реактивной мощности с помощью конденсаторов, присоединенных параллельно фазам машины. Каждая фаза асинхронной машины содержит индуктивные сопротивления. Реактивная мощность, потребляемая конденсатором, находится в противофазе с реактивной мощностью, потребляемой индуктивными сопротивлениями фазы, поэтому происходит компенсация общей реактивной мощности, потребляемой из сети. Такой способ компенсации реактивной мощности рассмотрен в учебнике [2].

Но этот известный способ позволяет скомпенсировать только ту составляющую реактивной мощности, которая передается по электрической сети от источника до потребителя, он не позволяет уменьшить реактивную мощность и реактивную составляющую тока внутри каждой фазы асинхронной машины и тем самым не позволяет увеличить коэффициент мощности асинхронного генератора.

Цель настоящего изобретения состоит в увеличении коэффициента мощности асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором при работе параллельно с сетью.

Поставленная цель достигается посредством перераспределения реактивной и активной составляющих тока внутри каждой фазы асинхронного генератора и основывается на следующем.

Для серийно выпускаемых асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, которые используются в качестве генераторов энергетических установок, нами установлены теоретические зависимости реактивной и активной составляющих тока фазы.

Реактивная составляющая тока фазы зависит в основном прямо пропорционально от напряжения сети. Активная составляющая тока фазы зависит прямо пропорционально как от напряжения сети, так и от скольжения ротора, следовательно, путем воздействия на отношение напряжения сети к номинальному напряжению генератора и скольжение ротора в режиме генератора имеется возможность влиять на перераспределение активной и реактивной составляющих тока фазы.

Предлагаемый способ повышения коэффициента мощности асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором при работе параллельно с сетью реализуется следующим образом.

Первое, что необходимо сделать в предлагаемом способе - это уменьшить реактивную составляющую тока фазы путем уменьшения напряжения сети относительно номинального напряжения генератора. С учетом имеющихся стандартных величин напряжений рекомендуется уменьшить линейное напряжение сети относительно номинального линейного напряжения генератора на одну ступень из расчета: . Тем самым при работе генератора уменьшается реактивная составляющая тока фазы вследствие уменьшения напряжение сети по отношению к номинальному напряжению асинхронного генератора.

Далее при работе асинхронного генератора параллельно с сетью увеличивается активная составляющая тока фазы до номинального значения путем увеличения активной мощности, подводимой к валу асинхронного генератора со стороны приводного двигателя генератора. В результате перераспределения реактивной и активной составляющих тока в пределах номинального тока фазы значительно повышает коэффициент мощности асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором при работе параллельно с сетью. Процесс контролируется по увеличению частоты вращения и скольжения ротора, а также по загрузке асинхронного генератора до номинальной величины тока фазы.

Этот способ был экспериментально подтвержден на лабораторной установке, содержащей:

1) асинхронный двигатель типа АИМЛ71В4УЗ, работающий в качестве генератора и имеющий следующие номинальные значения:

- мощность 0,75 кВт,

- напряжение 380/220 B,

- ток 1,9/3,3 A,

- частота вращения ротора 1395 мин^-1,

- коэффициент полезного действия 74%,

- коэффициент мощности 0,75,

2) приводной двигатель постоянного тока типа П21У4, имеющий следующие номинальные данные:

- мощность 1,0 кВт,

- напряжение 220 B,

- ток 6,14 A,

- частота вращения якоря 2200 мин^-1,

- коэффициент полезного действия 74%.

При проведении экспериментов были проведены сравнительные испытания генератора при разных фазных напряжениях сети: при напряжении 220 В, равном номинальному напряжению генератора, и при пониженных напряжениях сети 200, 180, 160, 140, 110 B.

Проводились измерения тока фазы I_ф, мощности на выходе генератора P_вых, частоты вращения n, угла отклонения балансирного механизма α, по которому рассчитывался момент на валу асинхронного генератора.

По опытным данным были рассчитаны скольжение ротора S, момент на валу асинхронного генератора M_вх, мощность на валу P_вх, активная и реактивная составляющая токов I_ак, I_реак, а также коэффициент мощности асинхронного генератора cosφ.

Ниже в таблицах 1 и 2 для сравнения приведены опытные и расчетные данные, снятые при напряжении сети 220 и 110 B.

Таблица 1 Опытные и расчетные данные по испытанию асинхронного генератора при напряжении сети 220 B Опытные данные Расчетные данные I_ф, A P_вых, Вт n, мин^-1 α, град. S, отн.ед. М_вх, Нм P_вх, Вт I_ак, A I_реак, A cosφ, отн.ед. 1,80 0 1500 1,0 0 0,09 14,3 0 1,80 0 1,90 144 1514 14 -0,009 1,26 200,4 0,22 1,88 0,11 2,02 348 1526 28 -0,017 2,48 392,3 0,53 1,93 0,26 2,08 452 1534 36 -0,023 3,07 493,8 0,69 1,96 0,33 2,14 513 1541 42 -0,027 3,50 564,7 0,78 2,00 0,36 2,19 596 1548 51 -0,032 4,06 658,8 0,91 2,01 0,41 2,28 680 1558 60 -0,038 4,50 751,0 1,03 2,03 0,45

Таблица 2 Опытные и расчетные данные по испытанию асинхронного генератора при пониженном напряжении сети 110 B по отношению к номинальному напряжению генератора Опытные данные Расчетные данные I_ф, A P_вых, Вт n, мин^-1 α, град. S, отн.ед. М_вх, Нм P_вх, Вт I_ак, А I_реак, A cosφ, отн.ед. 0,62 0 1500 1,0 0 0,09 14,1 0 0,62 0 0,78 130 1538 13 -0,025 1,17 188,4 0,40 0,67 0,51 0,97 225 1553 20 -0,035 1,79 291,0 0,68 0,70 0,70 1,19 300 1580 26 -0,053 2,29 378,8 0,91 0,77 0,76 1,33 345 1600 30 -0,067 2,61 437,3 1,05 0,82 0,79 1,67 450 1640 38 -0,093 3,22 552,9 1,35 0,97 0,81 2,20 590 1692 52 -0,128 4,12 730,0 1,78 1,27 0,81

При рассмотрении данных таблиц 1 и 2 видно следующее:

1. При напряжении сети, равном номинальному напряжению генератора 220 B, при скольжении S=0 реактивная составляющая тока имеет значения 1,8 A, что составляет 94,7% от номинального значения тока фазы, это ограничивает нагрузку генератора.

2. При снижении напряжения сети в 2 раза реактивная составляющая тока фазы при скольжении S=0 приобрела значение 0,62 A, что составляет всего 32,6%, это дает возможность значительно увеличить нагрузку генератора.

3. При снижении напряжения сети относительно номинального напряжения генератора произошло перераспределение реактивной и активной составляющих тока фазы в пределах номинального значения, значительно повысился коэффициент мощности, тем самым подтвердилось достижение поставленной цели при предлагаемом способе повышения коэффициента мощности асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором при работе параллельно с сетью.

Источник информации

1. Вольдек, А.И. Электрические машины. - М.: Энергия, 1974.

2. Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1961.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в серийно выпускаемых асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором, используемых в качестве генераторов энергетических установок для преобразования механической энергии в электрическую. Технический результат - повышение эффективности работы асинхронного генератора, которая оценивается по его коэффициенту мощности. В способе повышение коэффициента мощности осуществляют перераспределение реактивной и активной составляющих тока внутри каждой фазы асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором при его работе параллельно с сетью. Реактивная составляющая тока фазы уменьшается путем уменьшения линейного напряжения сети относительно номинального линейного напряжения генератора на одну ступень из расчета: , тем самым создается возможность увеличения нагрузки генератора и повышения его коэффициента мощности. Активная составляющая тока фазы увеличивается в пределах номинального значения тока фазы при работе асинхронного генератора путем увеличения мощности, подводимой к валу асинхронного генератора со стороны его приводного двигателя энергетической установки для преобразования механической энергии в электрическую. В результате перераспределения реактивной и активной составляющих тока в пределах номинального тока фазы повышается коэффициент мощности асинхронного генератора. 2 табл.

Способ повышения коэффициента мощности асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором при работе параллельно с сетью, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности его работы, проводится перераспределение реактивной и активной составляющих тока внутри каждой фазы асинхронного генератора; реактивная составляющая тока фазы уменьшается путем уменьшения линейного напряжения сети относительно номинального линейного напряжения генератора на одну ступень из расчета: , тем самым создается возможность увеличения нагрузки генератора; активная составляющая тока фазы увеличивается в пределах номинального значения тока фазы при работе асинхронного генератора путем увеличения мощности, подводимой к валу асинхронного генератора со стороны его приводного двигателя энергетической установки для преобразования механической энергии в электрическую.