Исследование асинхронной электрической машины с короткозамкнутым ротором для возобновляемой энергетики при нестационарном конденсаторном возбуждении

Abstract

Актуальность. Доля электроэнергии, вырабатываемой установками на основе возобновляемой энергии, постоянно растет, в связи с чем потребность в развитии систем питания и автоматического управления электрическими машинами, лежащими в основе ветро- и гидрогенераторов, не теряет актуальности. В составе таких генераторных установок переменного тока применяют синхронные электрические машины, асинхронные машины с фазным и короткозамкнутым ротором. Преобразователи частоты, устанавливаемые в статорные и роторные цепи асинхронных машин переменного тока, позволяют управлять процессами их возбуждения, однако для начала генерации требуется использовать дополнительные внешние источники питания. Благодаря остаточному намагничиванию в магнитопроводе можно обеспечить процесс гарантированного самовозбуждения асинхронной машины c короткозамкнутым ротором с помощью подключения батарей конденсаторов к ее статорным обмоткам без применения дополнительного внешнего источника питания. Предложенный способ нестационарного конденсаторного возбуждения позволяет обеспечить адаптацию генераторной установки к изменению режимов работы в условиях децентрализованного электроснабжения. Цель: исследовать предложенную систему стабилизации напряжения асинхронной машины с короткозамкнутым ротором с варьируемым конденсаторным возбуждением в составе источника возобновляемой энергии. Методы: теоретические - теория дифференциальных уравнений, методы численного решения обыкновенных дифференциальных уравнений, теория электропривода, теория электрических машин, численные методы аппроксимации данных, и экспериментальные - проведение испытаний асинхронной электрической машины с нестационарным конденсаторным возбуждением на разработанном испытательном стенде с целью получения нагрузочных характеристик и осциллограмм напряжений на обмотках статора асинхронных машин с короткозамкнутым ротором в различных режимах работы, методы исследования. Результаты. Разработана и изготовлена оригинальная экспериментальная установка с узлом, имитирующим работу турбины. Электромеханический преобразователь энергии выполнен в виде асинхронной машины с короткозамкнутым ротором с нестационарным конденсаторным возбуждением. Блок управления установкой выполнен в виде интегрированного с силовым блоком гальванически развязанного модуля во влагостойком исполнении с применением беспроводного интерфейса связи Bluetooth. Описан и протестирован способ коммутации батарей конденсаторов с применением тиристоров в качестве управляемого ключа с двухсторонней проводимостью. Анализ полученных нагрузочных характеристик показывает принципиальную возможность обеспечить гарантированную выработку электроэнергии со стабилизацией напряжения в допустимых пределах изменения мощности нагрузки. Примененная в составе экспериментальной установки система автоматической коммутации конденсаторов с варьируемой в зависимости от потребляемой мощности емкостью позволила обеспечить приемлемое время динамической реакции на возмущающее воздействие при нестационарной нагрузке.

The relevance. The share of electricity generated by installations based on renewable energy is constantly growing, and therefore the need for the development of power supply systems and automatic control of electrical machines underlying wind and hydro generators is still relevant. As part of such alternating current generator sets, synchronous electric machines, induction generator with phase and squirrel-cage rotor are used. Frequency converters installed in the stator and rotor circuits of induction generators make it possible to control their excitation, however, to start generation, additional external power sources must be used. Due to the residual magnetization in the magnetic circuit, it is possible to ensure the process of guaranteed self-excitation of the induction generator by connecting the capacitor banks to the electrical circuit of its stator without using an additional external power source. The proposed method of non-stationary capacitor excitation makes it possible to ensure the adaptation of the generator set to the change in operating modes under conditions of decentralized power supply. The main aim of the research is to study the proposed voltage stabilization system of squirrel-cage induction generator with a short-circuit rotor with variable capacitor excitation as part of a renewable energy source. Methods. To achieve the goal of the study, theoretical and experimental research methods were used. Theoretical research methods include the theory of differential equations, methods for the numerical solution of ordinary differential equations, the theory of electric drives, the theory of electrical machines, numerical methods for approximating data. The basis of experimental research is testing an induction generator with non-stationary capacitor excitation on a developed test bench in order to obtain load characteristics and oscillograms of voltages on the stator windings self-excitation of squirrel-cage induction generator rotor in different operating modes. Results. An original experimental setup with a unit imitating the operation of a turbine, an electromechanical energy converter in the form of squirrel-cage induction generator with non-stationary capacitor excitation has been developed and manufactured. The control system is made in the form of a galvanically isolated module integrated with the power unit in a moisture-resistant design using a wireless Bluetooth communication interface. A method for switching capacitor banks using thyristors as a controlled switch with two-way conduction is described and tested. The analysis of the obtained load characteristics shows the fundamental possibility of ensuring a guaranteed generation of electricity with voltage stabilization within the limits of load power variation. The system of automatic switching of capacitors with a capacitance varying depending on the power consumption applied as part of the experimental setup made it possible to provide an acceptable time for dynamic response to a disturbing effect under nonstationary load.