СЕКЦІЯ «ДЖЕРЕЛА ТА СПОЖИВАЧІ ЕЛЕКТРИЧНОЇ...

Джерела та споживачі електричної енергії 130

СЕКЦІЯ

«ДЖЕРЕЛА ТА СПОЖИВАЧІ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ»


Бугрій О.В. Харків

Національний технічний університет «ХПІ»

ВИЗНАЧЕННЯ ОПТИМАЛЬНОГО ДІАПАЗОНУ ПОТУЖНОСТЕЙ МОЖЛИВОГО ВИКОРИСТАННЯ ДЛЯ ВЕУ АСИНХРОННИХ ГЕНЕРАТОРІВ

Вступ. В Україні, де чітко виражені години пікового споживання електроенергії, крім великих проблем з базовими потужностями, варто істотне питання про брак маневрених потужностей. Ремонт і модернізація

існуючих блоків електростанцій всіх видів, пуск в експлуатацію другого енергоблоку Хмільницької і

четвертого Рівненської АЕС дозволить, на наш погляд, вирішити на найближчі десятиліття питання отримання

базових потужностей. Створення гідроаккумулючих і парогазових електростанцій дозволить достатньою мірою

вирішити питання покриття пікових навантажень (джерела маневрених потужностей). Однак використовувати

їх потужності для віддалених і малопотужних споживачів нерентабельне. До цієї групи споживачів слід

віднести окремі фермерські господарства, кордони лісників, пасіки, дачі, невеликі гірські села і т.д. Відсутність

розвинених ліній електропередачі, досить великі відстані роблять можливим забезпечення електроенергією цих

споживачів тільки за рахунок автономних джерел енергії - дизельних електроустановок, сонце- і

вітроустановок. Сонцева енергетика для України можлива для дуже невеликої географічного регіону і не весь

календарний рік, а інші нетрадиційні способи отримання енергії: приливні станції, гейзерні, геотермальні і т.д.,

- або не існують, або знаходяться у стадії першого розробок. Таким чином, на сьогоднішній день для України

має сенс розглядати тільки вітроенергетику. Революційні перетворення в енергетиці можуть і повинні початися

вже в першій половині 21 століття. Необхідні радикально нові, мобільні, екологічно чисті, компактні і

високоекономічні джерела енергії в різних діапазонах одиничної потужності. Наприклад, від 1 до 100 кВт - для

особистих потреб в цілях децентралізації постачання електроенергії населенню та підвищення його життєвого

рівня. Основою будь-якого електроенергетичного комплексу є електричні машини і трансформатори і,

відповідно, їх вдосконалення - це також важливий шлях вдосконалення способів отримання електроенергії.

Ціль роботи - Матеріали і результати дослідження. Вітроенергетична техніка, в порівнянні з іншими джерелами енергії,

володіє очевидними перевагами. Серед них:

- відсутність витрат на видобуток і транспортування палива;

- низькі питомі трудовитрати на спорудження вітроенергетичних установок (ВЕУ) - ці витрати на порядок

менше, ніж для теплових і атомних станції;

- широкий технологічний діапазон прямого використання енергії ВЕУ (зокрема, автономність і робота в

централізованих мережах, сумісність з іншими джерелами енергії);

- короткі терміни введення потужностей в експлуатацію;

- відсутність шкідливого впливу на навколишнє середовище (в цьому відношенні вітротехніка поступається

лише геліосистемам), [1].

За типом вироблюваної енергії ВЕУ бувають: електричні, водонасосні, пневматичні та теплові. У першому

випадку ротор за допомогою трансмісії зв'язується з електрогенератором, у другому випадку ротор приводить в

дію водяний насос, в третьому випадку - компресор, в четвертому механічну теплову мішалку. Переважна

більшість сучасних вітроустановок електричні (більше 95%), так як електроенергію можна легко

транспортувати і перетворювати в будь-які інші види енергії [2].

В якості електричного перетворювача можна виділити наступні типи генераторів для ВЕУ:

1) тихохідний синхронний генератор з постійними магнітами. Значна перевага даного генератора -

відсутність редуктора і, як наслідок, підвищення надійності та збільшення ККД перетворення енергії;

2) швидкохідний синхронний генератор з електричним збудженням, який використовується спільно з

мультиплікатором. Перевага даної схеми - менша вартість у порівнянні з тихохідним генератором;

3) асинхронний генератор (серійний асинхронних електродвигун). Обмежено використовується на

мережевих ВЕУ. Для автономних ВЕУ асинхронний генератор широкого застосування не знайшов, тому що

існує проблема її збудження на частотах обертання нижче номінальної.

Електрична схема автономної ВЕУ в найбільш повному вигляді включає наступні елементи:

1) вітроагрегат (ВА), що складається з вітрогенератора (ВГ), вежі і кабелю;

2) контролер навантажень, які підключатися безпосередньо після генератора ВЕУ. Так як енергія вітру

постійно змінюється, то навантаження, яка підключається після генератора, повинна бути секціонована.

Функція контролера - підключати та відключати секції навантаження;

3) регулятор заряду акумуляторної батареї (АКБ), який виконує функцію випрямляча і зарядного пристрою

для АКБ. У найпростішому випадку даний блок перемикає вітрогенератор на ТЕН, коли АКБ заряджена;

4) акумуляторна батарея (АКБ);

5) контролер навантажень постійного струму. Для зменшення потужності інвертора навантаження

постійного струму можуть бути підключені безпосередньо до АКБ. Функція контролера відключати дані

навантаження, якщо АКБ розряджена;


6) термоелектричний елемент (ТЕН), для розсіювання потужності ВЕУ у разі, коли АКБ заряджена. ТЕН

повинен бути присутнім на ВЕУ з регулюванням потужності висновком ротора в косою потік. Навантаження на

конструкцію вітроагрегата на холостому ходу для даний схеми регулювання значно зростають;

7) інвертор - перетворювач напруги АКБ в стандартне (220 В/50Гц або 380 В/50 Гц).

Дослідження режимів роботи електричних мереж довели, що робота ВЕС призводить до зниження втрати

потужності у всій електричної мережі, оскільки ВЕС, в більшості випадків, знаходяться на периферійній

частині мереж енергопостачальної компанії. Проведені розрахунки, [3], режимів навантажень у варіантах

розміщення ВЕС дали такі результати: середнє зниження втрат потужності в електричній мережі на 1 кВт

встановленої потужності ВЕС становить 0,04 кВт. З урахуванням прийнятого коефіцієнта використання

потужності (25%) зниження втрат енергії протягом року оцінюється в 92,5 кВт.год на 1 кВт ВЕУ, що забезпечує

річну економію коштів енергопостачальної компанії 3,1 дол./кВт.

Різновиди асинхронних генераторів (АГ) можна класифікувати: за способом збудження; за характером

вихідної частоти; за способом стабілізації напруги; за конструктивному виконанню (з короткозамкненим,

фазним ротором); по числу фаз. Як видно, останні дві ознаки характеризують конструктивні особливості

генераторів. Характер вихідної частоти і методи стабілізації напруги в значній мірі обумовлені способом

отримання магнітного потоку машини. Класифікація АГ за способом збудження є основною: генератори з

самозбудженням і з незалежним збудженням. Приведемо структурні схеми можливого виконання ВЕУ, які

розглянуті в даній роботі, рис. 1-3:

Рисунок 1 – Структурна схема ВЕУ при змінній швидкості вітру і при роботі на автономне навантаження

Рисунок 2 – Структурна схема ВЕУ при постійній швидкості вітру і при роботі на автономне навантаження

Рисунок 3 – Структурна схема ВЕУ при постійній і змінній швидкості вітру і при роботі паралельно з

електричною мережею

Виводи: 1. АГ використовуються в енергосистемах і в окремих енергетичних установках. Основною областю їх застосування є автономні системи електропостачання.

2. Властивості АГ, що визначають області їх застосування, в значній мірі залежать від способу збудження.

За способом збудження різняться: самозбудні АГ і АГ з незалежним збудженням.

3. За характером частоти генерованих коливань самозбудні АГ поділяються на генератори практично

постійною або постійної (стабілізованою) частоти і генератори змінної частоти.

4. АГ незалежного збудження можуть мати окремі вхідну і вихідну обмотки. Активна потужність вхідний

обмотки є потужністю ковзання. Залежно від частоти обертання ротора вона може бути позитивною або

негативною, тобто надходити з мережі або віддаватися в мережу. Активна потужність вихідної обмотки, або

електромагнітна потужність, при сталості амплітуди напруги на виході від ковзання не залежить і залишається

завжди позитивною.

5. Стабілізація частоти й напруги АГ при змінюються частоті обертання і навантаженні досягається

регулюванням частоти і амплітуди струму порушення прямій або зворотній послідовності. При синхронної

частоті обертання сталість напруги на виході забезпечується тими ж методами, які застосовуються у СГ.

ЛІТЕРАТУРА 1. Шевченко В.В., Шевченко С.Е. Направления и перспективы использования специальных типов

генераторов для энергетических установок с возобновляемыми источниками энергии. //Системи обробки

інформації. Збірник наук. праць. - Вип. 9, 2004. - С. 213-218.

2. Шевченко В.В., Лизан И.Я., Шевченко С.Е. Проблемы, перспективы и основные направления развития

электроэнергетики и электрооборудования Восточной Украины. // Актуальні проблеми економічного і

соціального розвитку регіону: Збірник матеріалів регіональної науково-практичної конференції (13 грудня 2007

р.), - Красноармійськ: КП ДонНТУ. - 2007. - С. 369 – 383.

3. Шевченко В.В., Омельченко Л.Н., Лизан И.Я. Исходные положения для построения модели

ветроэнергетической установки при решении проблем промышленной энергетики. // Наукові праці ДонНТУ,

серія «Обчислювальна техніка та автоматизація». - Вип. 19 (171). - 2010. - С. 65 – 69.


Вовк Н.М., Мартинів В.П. Тернопіль

Тернопільський національний педагогічний університет імені Володимира Гнатюка

КОГЕНЕРАЦІЙНЕ АВТОНОМНЕ ДЖЕРЕЛО ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ НА БАЗІ БІОТЕПЛОГЕНЕРАТОРА

Вступ. Сьогодні залишаються невиконаними та доволі актуальними завдання, пов’язані із зниженням теплових втрат в потужних енергетичних котлах. Адже, зниження тепловтрат приводить до підвищення таких

важливих сьогодні чинників для теплогенераторів, як економне використання енергії; палива, зниження

теплового забруднення атмосфери; підвищення конкурентоспроможності.

Зменшивши цю втрату, можна підвищити ККД котельної установки (її рентабельність), досягнути значної

економії палива та зменшити негативний вплив на екологію, що є актуальним завданням сьогодні [4]. Метою роботи є: Дослідження впливу температурних режимів роботи на електроенергетичні

характеристики термоелектричного перетворювача Пельтьє, визначення режимів генерування електричної

енергії, шляхом створення експериментально-дослідної установки та імітаційного моделювання для оцінки

перспектив використання їх у когенераційних автономних джерелах електричної енергії на базі

теплогенераторів. Матеріали і результати дослідження. Для вирішення поставленої задачі попередньо нами була розроблена

імітаційна математична модель когенераційної установки на базі біотеплогенератора (див. рис. 1). В її

структуру входять: імітаційна модель підсистеми елемента Пельтьє (Peltier); імітаційна модель біокотла

(Biokotel); підсистема охолодження з вентилятором (Vent_2); підсистема шнека та вентилятора для

забезпечення процесу горіння (Shnek, Vent_1); підсистеми перетворювачів (3f-PWM1, 3f-PWM2, 3f-PWM3);

підсистема контролю (Control System); підсистема інвертора (Inverter); батарея живлення (Bat); пристрої

вимірювання вхідних та вихідних параметрів (Scope, Display); навантаження з комутаційним пристроєм (Load). На вході блоку встановлюється необхідна кількість повітря та біопалива, що подається першим

вентилятором (Vent_1) і шнеком (Shnek) відповідно. Підсистеми перетворювачів дозволяють отримати та

відстежити за допомогою спеціальних блоків (Scope) значення напруги та частоти на двигунах вентиляторів та

шнека впродовж всього часу роботи змодельованої установки. Підсистема контролю регулює режими роботи

установки залежно від значення напруги, вихідної температури та кількості кисню. Підсистема інвертора

перетворює постійний струм у змінний. Батарея живлення використовується спершу для старту роботи

установки, а потім заряджається з генерованою електроенергією.

Рис. 1. Імітаційна модель когенераційної установки

В усталеному режимі отримуємо: продуктивність вентилятора, що подає повітря на біокотел вентилятора –

становить 57%, шнеком – 52%. Температура теплоносія на виході установки становить 150 °С, теплова

потужність котла 105 кВт. Температура на "холодній" стороні підсистеми елементів Пельтьє становить 46,7 °С.

Ємність батареї становить 100 Ah, напруга – 26,5 В, а сила струму набуває значення -4,3 А, що свідчить про

процес зарядження в даний момент часу.

Значення сили струму, напруги та потужності на виході ТЕГ становлять 87,1 А, 48 В та 4 кВт відповідно.

Коефіцієнт корисної дії установки – 4%.


Для проведення експериментальних досліджень нами створено лабораторну установку, до складу якої

входять: елементи Пельтьє, розташовані між двома алюмінієвими тепловідводами (радіаторами), нагрівач та

охолоджувач із джерелами живлення, цифрові вимірювальні засоби (мультиметри) для вимірювання

температур гарячої та холодної поверхонь, напруги (ЕРС) та сили струму навантаження, анемометр для

вимірювання швидкості руху повітря, відцентровий вентилятор з регульованою продуктивністю,

теплоізоляційні матеріали та термопастаДосліджуючи ефективність роботи елементів Пельтьє з використанням

дослідної установки нам вдалося досягнути таких результатів: температура на гарячій стороні елемента

становила 110 о

С, на холодній – 40 оС. Різниця температур між холодною та гарячою поверхнями елемента

склала – 70 оС, що забезпечило можливість отримати електричну енергію потужністю 55 Вт. На основі

отриманих результатів імітаційного моделювання та лабораторних досліджень ми здійснили візуалізацію

спроектованої нами установки у програмному середовищі Adobe Flash. (рис. 2).

Рис. 2. Візуалізація роботи установки

Висновки: Когенерація є одним із найпоширеніших методів повторного використання енергії. Вона грунтується на трьох важливих ефектах: Зеебека, Пельтьє та Томсона. Відновлення частини тепла і

перетворення його в електричну енергію та навпаки, є черговим кроком на шляху до зменшення потреб

людства.

У ході досліджень нам вдалося досягнути таких результатів:

На основі проведеного аналітичного огляду було встановлено, що термоелектрична когенерація є одним із

перспективних, а в деяких випадках єдино доступним джерелом перетворення теплової енергії в електричну.

Недоліком цих пристроїв на сьогодні є їх низька ефективність – ККД від 3 до 8 %. Проте, зараз вже існують

розробки таких ТЕГ, коефіцієнт корисної дії яких сягає 15%. Тому, такий прогрес створює перспективи їх

застосування у термоелектричних когенераційних установках. Для проведення експериментальних досліджень нами створено лабораторну установку, на якій проводилися

дослідженя ефективності роботи елементів Пельтьє. Зокрема, нам вдалося досягнути таких результатів: температура на гарячій стороні елемента становила 110

оС, на холодній – 40

оС. Отримана дельта різниці

температур, на поверхнях досліджуваного об’єкта, дала можливість отримати електричну енергію потужністю

55 Вт. Дані отримані від імітаційного моделювання елемента Пельтьє у середовищі Simulink довели адекватність

створеної моделі. Похибка моделювання не перевищувала 5 % у порівнянні із отриманими

експериментальними даними. Ця модель може бути використана для подальших досліджень та розробок

автономних систем енергозабезпечення. У результаті імітаційного моделювання та лабораторних досліджень, нами здійснено візуалізацію

спроектованої установки з використанням елемента Пельтьє у підсистемі «Biokotel». ЛІТЕРАТУРА

1. Федорейко В.С. Використання термоелектричних модулів у теплогенераторних когенераційних системах /

В.С. Федорейко // Науковий вісник Національного гірничого університету. – 2012. – № 6. – С. 110–116

2. Енергетична стратегія України до 2030. [ Електронний ресурс ]. –в Доступний з

http://www.mpe.kmu.gov.ua/fuel /control/uk/doccatal og/list?currDir=50358.

3. Загородній Р. І. Особливості експлуатації твердопаливних теплогенераторів // Р. І. Загородній, 2011. -

[Електронний ресурс]. Режим доступу: http://elibrary.nubip.edu.ua/13174/1/11zri.pdf

4. Кравець Т. Ю. Зменшення втрат тепла з поверхонь котлів ТП-100 та ТП-92 за допомогою

термоелектричних генераторів // Т. Ю. Кравець, І. В. Мисак. Національний університет «Львівська

політехніка», кафедра теплотехніки та теплових електричних станцій. – 2010. - [Електронний ресурс]. Режим

доступу: http://ena.lp.edu.ua:8080/bitstream/ntb/7439/1/02.pdf


Гавриленко І.І. Харків

Українська інженерно-педагогічна академія

ДОСЛІДЖЕННЯ ШЛЯХІВ ПІДВИЩЕННЯ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ РОБОТИ СОНЯЧНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ З ФОТО ЕЛЕКТРИЧНИМИ ПЕРЕТВОРЮВАЧАМИ

Вступ. Україна намагається не відставати від розвинених європейських країн, які динамічно розвивають «зелену» енергетику и максимально використовують власний потенціал. В Україні загальний річний технічно

досяжний енергетичний потенціал альтернативних джерел енергії в перерахунку на умовне паливо становить

близько 63 млн. тонн. На кінець 2013 року частка енергії добутої за рахунок альтернативних джерел становила

близько 0,8%. Згідно з цілями оновленої енергетичної стратегії України до 2030 р. частку альтернативної

енергетики в загальному обсязі виробітки електроенергії країни буде доведено лише до 5,7 % (оптимістичний

сценарії). Основними та найбільш ефективними напрямами відновлюваної енергетики в Україні є:

вітроенергетика, сонячна енергетика, біоенергетика, гідроенергетика, геотермальна енергетика. Ефективність

державної політики у сфері альтернативної енергетики залежить у першу чергу від ефективності нормативно-

законодавчої бази, яка покликана створювати сприятливі умови для роботи на українському ринку

відновлюваної енергетики.

Актуальність. Теми обґрунтована необхідністю проведення аналізу і порівняння як технічних, так і економічних показників роботи автономних сонячних електростанцій.

Метоюроботи. Євизначеннякритеріїввибору типу сонячних єлементів з вискоким КПД. Матеріали та результати досліджень. При виробництві тонкоплівкових СЕ лазерні технології фактично не

має альтернативи. В даний час технологія виробництва являє собою ряд кроків, послідовно чергують процес

нанесення чергового шару і його лазерного структурування: нанесення на скляну підкладку просвітлюючого

покриття (ТЗН), на якому лазером з довжиною хвилі 1,06 мкм створюється контактна структура; нанесення

аморфного кремнію поверх структурованого шару ТЗН та структурування лазером з довжиною хвилі 0,53 мкм;

нанесення детализованного заднього контакту поверх шару аморфного кремнію, який також структурується

лазером.З метою одержання якісних шарів кремнію на підкладці з склоподібного діелектрика для створення

тонкоплівкового сонячного елемента. В якості підкладки було обрано боросилікатне скло (B2O3 - SiO2 - r 2 o -

RO, де r 2 o - K2O, Na2O, Li2O і RO - CaO, MgO). Вибір даного скла в якості підкладки обумовлений

узгодженістю коефіцієнта лінійного розширення, підвищеною хімічною стійкістю (по ISO 719 - 1), високою

стійкістю до температурного впливу (Tg 536 °C, температура плавлення 1070° C). Наявність бору в даному типі

скла може використовуватися для легування (або, принаймні, для часткового легування) затравочного шару або

поглинаючого шару при створенні сонячних елементів. Таким чином, сама конструкція сонячного елементу

позбавляється від дифузійних бар'єрів щодо підкладки.

Висновок. В залежності від параметрів лазерного випромінювання існує можливість поліпшення якості поверхні кремнію за рахунок рекристалізації аморфних шарів Si. Експерименти з різними значеннями

параметрів лазерної установки «LIMO 100-532» (потужність випромінювання, тривалість імпульсу, швидкість

пересування зразка) привели до висновку про можливість модифікації властивостей багатошарових систем при

лазерній обробці, так як є можливість селективного відпалу окремих шарів багатошарових систем, що

недосяжно при традиційній термообробці. Вплив лазерного випромінювання на зразки призвело до істотних

перебудов в плівці кремнію, а також до значного зменшення перепадів висот і середньої шорсткості поверхні

плівки. Вивчення впливу лазерної обробки на напівпровідникові структури дозволяє визначити характеристики

їх структури дефектів. У ході експериментів було встановлено область «критичного впливу» для установки

«LIMO 100-532» при лазерному відпалі структури кремній на склоподібному діелектрику. Ця область

знаходиться при потужності випромінювання від 60 до 65 Вт.


Галінська Є.В. Кременчук

Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського

СТАБІЛІЗАЦІЯ КОНТУРУ НАВАНТАЖЕННЯ ТИРИСТОРНОГО ІНВЕРТОРА ІНДУКЦІЙНОЇ ТИГЕЛЬНОЇ ПЕЧІ

Вступ. У машинобудуванні для виплавка сплавів кольорових металів широко використовують індукційні тигельні печі (ІТП). У зв’язку з тим, що у процесі роботи ІТП рівень розплаву змінюється в широкому діапазоні

(від 100% до 20%), що здійснює вплив на параметри теплових і електричних режимів її роботи (зміни

еквівалентних активного і індуктивного опорів системи «індуктор-завантаження», споживаної і корисної

потужності), актуальною задачею є дослідження контуру навантаження тиристорного інвертора ІТП.[1]

Мета роботи. Стабілізація роботи контуру навантаження тиристорного інвертора індукційної тигельної печі при зміні рівня завантаження в тиглі.

Матеріали і результати роботи. У даній роботі за основу обрано один з найпоширеніших типів ІТП – сталеплавильна піч середньої частоти 1000 Гц з потужністю перетворювача 800 кВт, а саме ІСТ-1/0,8 М5. У

зв’язку з широким діапазоном зміни висоти розплаву, а, отже, і загального опору індуктора печі, було виведено

функціональні залежності між активним, реактивним, повним опорами і зміною висоти розплаву в тиглі, які

використали при створенні математичної моделі індуктора зі змінним навантаженням для випадків з

живленням індуктора від ідеального однофазного джерела, і з трифазною системою електропостачання, що

враховує параметри схем заміщення трансформатора, лінії електропередач і тиристорного перетворювача

частоти (ТПЧ). Результати моделювання представленні на рисунку 1.

а) б)

в) г)

Рисунок 1 – Результати моделювання: а) графік активної та реактивної потужностей на індукторі без

компенсації; б) графік активної та реактивної потужностей на індукторі з компенсацією; в) графіки струму та

напруги на індукторі без компенсації; г) графіки струму та напруги на індукторі з компенсацією

Після проведення моделювання для випадку живлення індуктора від ідеального однофазного джерела

спостерігали зміну енергетичних параметрів індуктора уприблизно номінальному діапазоні зі значним

переважанням реактивної потужності (що є нормально). Для компенсації було встановлено перед індуктором

розраховану ємність, яка зкомпенсувала систему, але порушила номінальний режим при зміні висоти розплаву

в тиглі. Проведено моделювання роботи індуктора з трифазною системою електропостачання. У результаті

роботи моделі отримали характеристики енергетичних параметрів індуктора і система електропостачання, які у

номінальному режимі мають номінальні енергетичні показники, а при зміні висоти розплаву в тиглі значно

змінюються, що приводить до висновку про необхідність розробки системи керування енергетичними

параметрами індуктора шляхом розробки системи автоматичного керування інвертором.

Існують різні способи автоматичного керування роботою ІТП, але для реалізації умови максимального

використання потужності печі використовують компенсаційно-параметричний метод узгодження ІТП з ТПЧ.

Компенсаційно-параметричний метод узгодження, сутність якого полягає в почерговій автоматичній зміні

значень регульованих індуктивностей для стабілізації резонансної частоти навантажувального контуру fр та

підтримки його еквівалентного активного опору на оптимальному рівні Rеопт протягом всього процесу

плавки.[2] ТПЧ, для даного методу пропонується використовувати на базі послідовного резонансного інвертора

з подвоєнням частоти і діодами зустрічного струму, що представлений на Рисунку 2.


Навантажувальний контур інвертора, який складається з навантаження індуктора Zн, паралельно

навантаженню індуктора встановленого компенсаційного конденсатора ZСк, додаткових індуктивностей:

послідовної L1 і паралельно скомпенсованому контуру навантаження індуктора встановлений L2, а також

навантаження розділового контуру Zр, представлений на Рисунку 3.

Для даного навантажувального контуру було знайдено значення вихідної провідності інвертора

іінв/uінв=We(ω) і провідності ін/uінв=W(ω) і побудовані характеристики отриманих формул від кутової частоти для різних рівнів розплаву в тиглі та при різних значеннях добротності контуру, знаючи, що в установках

індукційного нагріву добротність індукторів зазвичай знаходиться в межах 3…12 [3] На рисунку 4 представлені

деякі отримані характеристики, які відображають наявність подвійного резонансу через присутність у

навантаженні декількох конденсаторів, зсув по фазі при зміні висоти розплаву в тиглі, що показує необхідність

підстройки частоти плавки у майбутній системі керування.

а) б) Рисунок 4 – Характеристики при змінному завантаженні індуктора h для добротності

нQ 5≤ і значенні

ємності розділового конденсатора pC 1 мФ= : а) вихідної провідності інвертора We(ω); б) провідності W(ω)

Висновки:. У результаті проведення експериментів отримали характеристики енергетичних параметрів індуктора при заданій зміні висоти розплаву в тиглі. Дослідили компенсаційно-параметричного методу

узгодження ТПЧ з ІТП, який дозволяє стабілізувати контур навантаження тиристорного інвертора індукційної

тигельної печі. У результаті дослідження отримали частотні характеристики навантаження для різних значень

рівня розплаву в тиглі, у яких амплітуда резонансних кривих майже не змінюється, а також відбувається зсув за

фазою.

ЛІТЕРАТУРА

1. Алферова Е.С. Купчинов А.Д. Хахалина Е.В. Идентификация индукционной тигельной печи как объекта

управления с учетом переменного уровня расплава в тигле / презентация для XVIII ежегодной международной

научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". –

URL: http://www.myshared.ru/slide/93130/# (дата обращения: 24.10.2013).

2. Саратовський Р. М. Узгодження тиристорного перетворювача частоти на основі резонансного інвертора з

індукційною плавильною установкою: Автореф. дис. канд. техн. наук / Національна академія наук України. М.,

2007.

3. Мотченко А.И., Ушаков В.И., Саратовский Р.Н., Ушаков Д.В. Анализ работы инвертора напряжения с

последовательным резонансным контуром / Сборник научных трудов Донбасского государственного

технического университета. Вып. 33 – Алчевск: ДонГТУ, 2011 – 344-352 с.

Рисунок 2 – Резонансний інвертор з подвоєнням

частоти і діодами зустрічного струму з додатковими

індуктивностями

Рисунок 3 – Електрична схема еквівалентного наван-

тажувального контуру індуктора


Горюшкін Н.И. Харків

Національний Технічний Університет «Харківський Політехнічний Інститут»

ОПТИМІЗАЦІЯ ПАРАМЕТРІВ АСИНХРОННИХ ДВИГУНІВ З МІДНОЮ «КЛІТКОЮ» РОТОРА, ЯК ФАКТОР ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ

Введення. В даний час основним визначальним фактором вибору будь-якого технічного рішення є оцінка його енергоефективності. Для прийняття рішення про зміну розрахункових параметрів будь-якої конструкції

повинно накопичиться і стати можливим для впровадження достатня кількість інновацій у розглянутій і

супутніх галузях. Слід зазначити цілий ряд нових можливостей, які можна використовувати при проектуванні

сучасних електричних машин: нові матеріали (нові марки електротехнічних сталей, ізоляційні матеріали); нові

технології, які були раніше недоступні (наприклад, можливість виконання литий мідної обмотки

короткозамкненого ротора із забезпеченням її монолітності); нові експлуатаційні можливості (наприклад,

створення компактних, надійних, дешевих частотних перетворювачів на базі нового класу IGBT транзисторів.

Відомо, що останнім значно розширило області можливого використання асинхронних двигунів (АД) з

короткозамкненим (КЗ) ротором, в якості приводів з частотним керуванням ).

Використання асинхронних машин (АМ) з мідною обмоткою ротора, перспективно і в руховому, і в

генераторному режимах. Наростання екологічних проблем, скорочення запасів органічного палива призвело до

активного розвитку енергетики від поновлюваних джерел енергії, зокрема, вітроенергетики, [1]. Однак, якщо

використання асинхронних генераторів з литою мідною обмоткою ротора (ЛМОР), замість литої алюмінієвої

(ЛАОР), не викликає ніяких проблем, то використання двигунів з ЛМОР вимагає додаткових досліджень,

особливо в плані забезпечення допустимих пускових характеристик.

Мета роботи. Визначення необхідної зміни геометрії паза ротора асинхронного двигуна з литою мідної обмоткою з метою поліпшення його пускових характеристик.

Матеріали та результати дослідження. АД в момент пуску мають дві проблеми: менший, ніж номінальний, пусковий момент і великий пусковий струм, який може перевищувати номінальне значення

струму в 5-8 разів. Поліпшенню пускових характеристик сприяє збільшення активного опору обмотки ротора в

момент пуску. Якщо не вносити особливі рішення в конструкцію ротора (глибокий паз для використання скін-

ефекту), то погані пускові характеристики можуть значно ускладнити можливість використання АД в

електроприводах. У сучасних АД ця проблема фактично вирішена, але вирішена для АД з ЛАОР.

Для АД вже з 1999 р діють європейські правила, що регламентують показники енергетичної ефективності.

Згідно з цим АД класифікуються за трьома категоріями: низька, середня і висока. Ці співвідношення, пов'язані з

жорсткістю сучасних вимог до охорони навколишнього середовища (IS0 14001 standard), вимагають створення

нових високоефективних АД. Для досягнення цієї мети слід застосовувати нові сучасні матеріали та інноваційні

технології. Значна частина АД, які випускають в Україні, відносяться до низького класу енергетичної

ефективності EFF3 і поступається показникам аналогів далекого зарубіжжя. Це знижує експортні можливості

України і конкурентоспроможність на зовнішньому ринку, [1].

У всьому світі для підвищення ККД АД зараз використовують заміну матеріалу «білячою клітки»: алюміній

міняють на мідь, що сприяє енергоресурсозбереженню. Так, наприклад, в США реалізований проект вартістю в

2 млн. дол. з метою дослідження можливості використання ЛМОР для АД. Було визначено, що використання

міді призводить до зменшення втрат в АД, дозволяє виконати його більш компактним: зменшити довжину

осердя статора і ротора в АД відкритого виконання на 7,2%, а закритого - на 20%. При цьому збільшується ККД

на 1,0-3,0%, [1,2]. Скорочення довжини машини дозволяє зменшити витрату міді, електротехнічної сталі та

ізоляційних матеріалів, скоротити трудомісткість виготовлення.

Аналіз даних досліджень підтвердив, що у разі використання для двигунів з ЛМОР машин, що мають такі ж

конструктивні геометричні розміри, як АД з Al обмоткою, можливе підвищення потужності в 1,3-1,7 рази, ККД

- на 1,5-3,0 %, перевантажувальної здатності - в 1,4-1,7 разу, показників надійності - в 1,5-2,5 рази. Висока

електропровідність міді дозволяє підвищити енергетичну ефективність двигунів. Це важливо, оскільки

електродвигуни є одними з основних споживачів електроенергії, (43-46% всього світового споживання

електроенергії та 69% всієї електроенергії використовується в промисловості), [2]. Позитивні аспекти

використання міді для КЗ роторів очевидні, але необхідно вести оцінку впливу зміни матеріалу обмотки на

характеристики АД, і, в першу чергу, на пускові. Для АД з Al обмоткою питання поліпшення пускових

характеристик практично вирішені вибором глибини паза ротора, тобто за рахунок використання явища

витиснення струму. Але заміна Al в «білячій клітці» на Cu, що має меншій питомий опір, вимагає пошуку нових

рішень для забезпечення допустимих пускових характеристик, тому що питомий опір Cu менше, ніж питомий

опір Al (ρCu= 0,0175

Ом·мм2/м, ρAl = 0,028 Ом·мм

2/м).

Визначимо кінцеву мету дослідження. Нехай стоїть завдання так спроектувати АД з ЛМОР, щоб його

пускові характеристики були такими ж, як і серійних АД з ЛАОР. Розуміючи, що при проектуванні серійних

машин з ЛАОР потрібні пускових характеристики досягались геометрією (в основному, глибиною) паза ротора,

варіювання пускових характеристик АД з ЛМОР проводимо, змінюючи глибину паза ротора. При цьому

необхідно зберегти вимоги технологічного процесу: проведення надійної штампування листів шихтованого

осердя ротора можливо при значенні меншого радіуса паза rr2 ≥1 мм. Проведемо аналіз на прикладі серійного


АД з КЗ ротором потужністю 1,5 кВт, з глибиною паза ротора hr = 19 мм. На рис. 1 наведено ескіз зубцеву зони

ротора, на рис.2 - пускові характеристики (залежність струму ротора від ковзання Ir/ = f(S)) для АД з ЛАОР і з

ЛМОР. Аналіз характеристик дозволяє відзначити, що перевищення пускового струму зросла від 5,6 до АД з

ЛАОР до 6,3 в АТ з ЛМОР. Тобто застосування міді для короткозамкнених обмоток АД, знижується активний

опір обмотки ротора, що призводить до погіршення пускових характеристик

Рис. 1. Ескіз зубцевої зони ротора АД

потужністю 1,5 кВт з ЛАОР

Рис. 2. Залежність струму ротора від ковзання для АД

потужністю 1,5 кВт з ЛАОР та зЛМОР

Кратність пускового моменту показує неможливість прямого пуску АД, рис. 3. Аналіз цих характеристик

показує, що при використанні мідної «клітки» майже в 2 рази зменшується пусковий момент, що

унеможливлює прямий пуск АД з ЛМОР з номінальною навантаженням. При збільшенні глибини паза

пусковий момент збільшується і вже при глибині на 3 мм більше (15%) значення пускового моменту в 1,1 вище

номінального моменту і можливий прямий пуск. У цьому варіанті зберігається значення ККД (ηN = 0,79), дещо

знижується «кидок» пускового струму. На рис. 4 наведено порівняння зміни струмів ротора АД потужністю 1,5

кВт з ЛАОР і з ЛМОР для двох висот паза ротора: 19 мм і 22 мм (позначено, як «змінений паз»).

Рис. 3 - Залежність моменту ротора від ковзання

для АД потужністю 1,5 кВт з ЛАОР та з ЛМОР Рис. 4. Залежність струму ротора від ковзання для АД

потужністю 1,5 кВт з ЛАОР та з ЛМОР для двох глибин

пазу ротора: 19 мм і 22 мм («змінений паз») Виводи. 1) Застосування в АД ЛМОР, замість ЛАОР, відповідає вимогам загальносвітової політики

енергоресурсозберігання: ККД двигунів збільшується на 3 - 5%. 2) Заміна Al в «білячою клітці» на Cu, з

меншим питомим активним опором, вимагає пошуку рішень забезпечення допустимих пускових характеристик.

3) Для забезпечення пускових характеристик АД з ЛМОР на рівні таких же показників, які були у АД з ЛАОР,

досить поглибити паз ротора на 15%.

Література 1. Горюшкин Н.И., Шевченко В.В. Усовершенствование генерирующих элементов электроэнергетических

систем //5-а щорічна міжвузівська науково-технічна конференція викладачів, молодих вчених та студентів

«ЕЕннееррггоо-- ттаа рреессууррссооззббееррііггааююччіі ттееххннооллооггііїї ппррии ееккссппллууааттааццііїї ммаашшиинн ттаа ууссттааттккуувваанннняя»»,, 11-12 грудня 2013 р.,

Донецький інститут залізничного транспорту. – С. 54–56.

2. Горюшкин Н.И., Шевченко В.В. Выбор генераторов для ветроэнергетических установок разной мощности

// Матеріали VIII Університетської НПСК магістрантів Національного технічного університету «ХПИ», (22-24

квітня 2014 року). - У трьох частинах. - Частина 2. – С. 155-156.

3. Шевченко В.В., Наний В.В., Горюшкин Н.И. Предложения по выбору типа электрического генератора для

малых ветроэнергетических установок // Электрика (Москва), 2015. - №2.


Ковальов А.А. Харків

Українська інженерно-педагогічна академія

ДОСЛІДЖЕННЯ ШЛЯХІВ ПІДВИЩЕННЯ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ РОБОТИ АВТОНОМНИХ ВІТРОЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВОК

Вступ. Сьогодні вартість електроенергії великих мережевих вітроелектростанцій порівнянна з тарифами теплових електростанцій. Економічна ефективність малих ВЕС, що працюють на ізольованого споживача, поки

не вийшла на такий високий рівень. Це відставання пояснюється в основному двома причинами: необхідністю в

пристроях акумулювання енергії і нерівномірністю графіка навантаження електроприймачів споживача.

Одним з актуальних напрямків здешевлення електроенергії ВЕС, поряд зі зниженням вартості обладнання

станції є забезпечення максимально можливого використання генерованої електроенергії, відповідної енергії

первинного енергоносія – вітру[1].

Мета роботи - дослідження шляхів підвищення енергоефективності роботи автономних вітроенергетичних установок.

Матеріали та результати досліджень. Одним із способів утилізації «надлишкової» на поточний момент часу електроенергії ВЕС є зарядка акумуляторних батарей. Акумуляторна батарея автономної ВЕС є

накопичувачем електричної енергії, що генерується станцією, і елементом, узгоджувальних миттєву потужність

навантаження і вітрогенератора.

Акумуляторна батарея характеризується можливістю віддавати споживачу значну потужність, однак

запасати електроенергію вона здатна тільки на рівні потужності, яка визначається величиною зарядного струму.

Отже, надлишок потужності вітрогенератора над рівнем споживання навантаженням і акумуляторною батареєю

в більшості випадків не може використовуватися корисно. «Зайва» потужність витрачається на збільшення

частоти обертання вітродвигуна при зниженні коефіцієнта корисної дії енергоустановки.

Погодити зарядну потужність батареї акумуляторів з надлишком потужності вітрогенераторних системи

дозволяє регулювання кількості акумуляторних батарей а, отже, і ємності батареї за допомогою відповідного

керуючого пристрою.

Рис. 2.2. Вітроелектростанція з регульованими акумуляторними батареями

Відмітна особливість пропонованої системи електроживлення полягає в можливості регулювання з

допомогою керуючого пристрою ємності акумуляторних батарей, що підключаються до машинно-вентильному

генератора ВЕС. Це дозволяє регулювати зарядний струм акумуляторних батарей і, відповідно, дозволяє

утилізувати практично всю потужність, що розвивається вітродвигуна[1].

Для регулювання потужності генератора доцільно застосовувати баластне активне навантаження,

сприймаючи надлишок потужності при поривах вітру.

Утилізація електроенергії ВЕС, яка не може бути спожита навантаженнями в конкретний момент часу, може

проводитися автоматично керованої баластним навантаженням, що включається на вихід генератора станції

паралельно реальним електроприладам. До баластних навантажень доцільно використання електронагрівальних

елементів, що забезпечують гаряче водопостачання та електроопалення споживачів.

Таким чином, баластні регулювання енергоустановок є ефективним способом утилізації енергії первинного

джерела з перетворенням її в теплову енергію.

В залежності від типу електростанції, характеру зміни потужності первинного енергоносія Р1, закону

регулювання баластної потужності Рб, такі системи можуть вирішувати різні завдання, пов'язані з

генеруванням електроенергії. Наприклад, автобаластні регулювання може забезпечити стабілізацію вихідної

напруги генератора по величині і частоті в умовах мінливого корисного навантаження станції Рн або мінливої

потужності Рг, і потужності Р1.

Крім функції стабілізації робочого режиму системи турбіна-генератор, автобаластні системи можуть

успішно вирішувати й інші завдання. Наприклад, в вітроелектростанціях такі системи можуть забезпечити

максимальне використання мінливої енергії вітру при реальних графіках навантаження електроприймачів.

Баланс потужностей вітроелектростанції для цього режиму описується рівнянням: Рг = Рн + Pб.

ВД Г В

УУ

АГ

Н


На рис.2.3. зображена структурна схема ВЕС з автобаластним регулюванням. Умовні позначення: Т -

вітротурбіна, Г - генератор, РН - регулятор напруги, В - випрямляч, РБ - регулятор баласту, БН - блок баластних

опорів, АБ - акумуляторна батарея, І - інвертор, Н - корисне навантаження.= Рн + Рб .

�

Рис. 2.3. Схема ВЕС з автобаластним регулюванням

Відмінність запропонованої ВЕС від існуючих полягає в тому, що в неї додатково введено регулятор

потужності баласту, який подається на вихід якірного ланцюга генератора.

Основним призначенням автобаластної системи в даній схемі є утилізація максимальної потужності

вітротурбіни при будь-яких робочих параметрах вітру і змінної потужності корисного навантаження від

номінальної до холостого ходу.

Додатковим ефектом дії автобаластної системи є обмеження діапазону частот обертання системи

вітротурбіна-генератор, що знижує вимоги до її механічної міцності і покращує використання активних частин

електричної машини.

Рис. 2.4. Комбінована автобалластна система з роздільним регулюванням активної та реактивної потужності

Особливістю пропонованої нової схеми комбінованого регулювання баластним навантаженням є

можливість роздільного регулювання активної та реактивної складових баластної навантаження. Це дозволяє

більш точно регулювати режими роботи електромашиного генератора, що особливо цінно для асинхронних

машин з короткозамкненим ротором.

Слід зазначити техніко-економічну доцільність використання автобалластних систем регулювання

потужності навантаження у ВЕС. Розрахунки, проведені для автономної вітроелектростанції, живильної

побутові навантаження в помірних вітрових умовах, показали можливість збільшення вироблення енергії на

30...40 %. При цьому вартість ВЕС збільшується не більше ніж на 10...15 %. [1].

Висновки. Вентильні автобаластні системи є важливими інструментами регулювання робочих режимів системи турбіна-генератор і можуть використовуватися для підвищення енергоефективності автономних

вітроелектростанцій.

ЛІТЕРАТУРА

1. Б.В. ЛУКУТИН. ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ: учебное пособие/

Б.В.ЛУКУТИН-томск, 2008

РБ

БН

АБ

Н

т РН В Г

Блок фазного

управління акти-

вної потужності

Блок фазного

управління реак-

тивної потужнос-

ті

суматор БУ БН

БН

коммутатор

бн

Логіч

ні

блоки


Кошовий О.П. Харків

Національний Технічний Університет «Харківський Політехнічний Інститут»

ПОРІВНЯЛЬНИЙ АНАЛІЗ АСИНХРОНІЗОВАНИХ ТУРБОГЕНЕРАТОРІВ, ЯКІ ВИКОРИСТОВУЮТЬ ДЛЯ ПІДТРИМКИ СТІЙКОСТІ ЕНЕРГОСИСТЕМИ

Введення. Необхідність у застосуванні нових типів турбогенераторів (ТГ) виникла в 90-х роках минулого

століття, коли в результаті різкого спаду промислового виробництва знизилася потужність, що передається по

лініях електропередач (ЛЕП), що призвело до підвищення напруги в електричних мережах 220-500 кВ за

рахунок надлишкового генерування реактивної потужності зазначеними лініями. Наслідком роботи з високою

напругою є прискорений знос і підвищена аварійність електрообладнання (ЕО). Для вирішення цієї проблеми

приймаються спеціальні заходи, які нерідко призводять до погіршення показників стійкості та економічності

роботи енергосистем. Зокрема, для нормалізації рівнів напруги персонал електростанцій, що працюють на

шини 110-500 кВ, змушений переводити ТГ в режими споживання реактивної потужності (РП), що дозволяє

трохи знизити рівні напруги, але з часом призводить до прискореного зносу цих ТГ, а в ряді випадків і до

аварійних відключень через руйнування торцевих зон статорів, тому синхронні ТГ (особливо старих серій) не

розраховані на ці режими. Також не менш важливими і все більш актуальними є проблеми підвищення

стійкості і надійності роботи електроенергетичних систем при збільшенні перетоків потужності по існуючим

ЛЕП та забезпечення транспорту електроенергії на значні відстані. Для цього передбачено створення та

введення в експлуатацію ТГ принципово нового типу - асинхронізовані ТГ турбогенераторів (АСТГ).

Мета роботи. Оцінка перспективності введення в експлуатацію на електростанціях АСТГ і особливостей їх

роботи, вибір найкращих типів схем включення обмоток збудження.

Матеріали та результати дослідження. Тривале підвищення напруги високовольтних ЛЕП понад допустиме

значення призводить до передчасного зносу ізоляції ЕО, скороченню терміну його служби. Низька

маневреність основних генеруючих потужностей і обмежені можливості прийому потужності із зовнішньої

мережі не дозволяють оперативно керувати напругою енергосистеми. Для цього потрібно застосування

сучасних пристроїв гнучкого управління. Для зниження напруги в електричних мережах застосовується

переклад звичайних синхронних турбогенераторів (СТГ) в режим споживання реактивної потужності. У АСТГ

дана проблема вирішена на новому рівні. Практична їх реалізація у вигляді надійного і зручного в експлуатації

генераторного обладнання виявилася можливою тільки після створення сучасної перетворювальної техніки на

базі силової електроніки.

Проблема підтримки рівнів напруги у високовольтних ЛЕП ускладнюється недостатнім обсягом або

відсутністю коштів компенсації РП, нерівномірним розподілом потоків РП між мережами різного класу напруг,

що призводить до надмірного підвищення рівнів напруги.

АСТГ відрізняються від традиційних СТГ наявністю на роторі двох обмоток і двоканальної системи

збудження, що забезпечує незалежне управління активної та реактивної потужності. За рахунок такого

управління і можливості переміщення щодо ротора магнітного поля, створеного обмотками збудження, АСТГ

мають значно кращі, ніж у СТГ, показники статичної та динамічної стійкості. Це дозволяє використовувати

АСТГ в режимах глибокого споживання з мережі реактивної потужності для нормалізації рівня напруги, [1,2],

тобто дозволяють істотно розширити діапазон регулювання напруги на шинах станції. АСТГ не вимагає

складного управління збудженням, що не ускладнює перехідні процеси при електромеханічних коливаннях між

СМ і споживачем. Навіть один встановлений АСТГ істотно полегшує режим роботи зі споживанням реактивної

потужності решти СГ електростанції, сприяє забезпеченню стійкої роботи і вони більше безпечні з точки зору

екології. Дані машини вирішують проблему компенсації надлишкової РП в енергосистемах великих

мегаполісів, запобігаючи можливість виникнення аварійних ситуацій і сприяючи в цілому стійкості роботи

енергосистем. Наявність на електростанції АСТГ позитивне діє на динамічні процеси паралельно працюючих

СТГ. Перехідні процеси загасають швидше. Завдяки можливості автоматичного перекладу АСТГ в

асинхронний режим, він зберігає працездатність при повній відмові системи збудження. У цьому режимі із

замкнутими накоротко обмотками збудження генератор несе навантаження до 75% від номінальної без

помітних коливань режимних параметрів. У такому режимі він може працювати необмежено довго, що

забезпечує його високу надійність в експлуатації.

Незважаючи на більш високу вартість АСТГ, повністю виключається необхідність будівництва і введення в

експлуатацію шунтуючих реакторів. А це дає економію як по капіталовкладеннях, так і по витратах на

установку та експлуатацію одного шунтуючего реактора на 500 кВ орієнтовно в 1,5-2 рази. Додаткова економія

буде досягнута в результаті регулювання напруги в електричних мережах усіх класів у заданому діапазоні.

Статор АСТГ виконаний традиційно, але в конструкції його прийняті спеціальні заходи по виключенню

перегріву торцевих зон в режимах глибокого споживання РП. Конструкція ротора АСТГ відрізняється від

конструкції ротора СТГ наявністю двох обмоток збудження, зсунутих відносно один одного на певний кут і

підключених до чотирьох контактних кілець. Для порушення застосовується статична тиристорна система

самозбудження, яка містить два ідентичних реверсивних тиристорних збудника і узгоджувальний

трансформатор. У А�

СЕКЦІЯ «ДЖЕРЕЛА ТА СПОЖИВАЧІ ЕЛЕКТРИЧНОЇ...

Documents