НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЧУЄНКО Роман Миколайович

УДК 621.315.(088.8)

ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ У ПІДГОТОВЦІ КОРМІВ ДО ЗГОДОВУВАННЯ ПРИ ВИКОРИСТАННІ АСИНХРОННИХ ЕЛЕКТРОДВИГУНІВ З ВНУТРІШНЬОЮ ЄМНІСНОЮ КОМПЕНСАЦІЄЮ РЕАКТИВНОЇ ПОТУЖНОСТІ

05.09.16 – застосування електротехнологій

в сільськогосподарському виробництві

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аграрному університеті Кабінету Міністрів України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Мішин Володимир Іванович,

Національний аграрний університет,

професор кафедри електричних машин та

експлуатації електрообладнання

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Лісник Володимир Якимович

Інститут електродинаміки Національної

академії наук України,

завідувач відділу електромеханічних систем

кандидат технічних наук, доцент

Омельчук Анатолій Олександрович

Національний аграрний університет,

доцент кафедри електропостачання сільського

господарства

Провідна установа: Національний науковий центр ”Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” Української академії аграрних наук, відділ застосування електротехнологій в сільському господарстві, смт Глеваха Васильківського району Київської області

Захист дисертації відбудеться ”8” жовтня 2002р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.07 у Національному аграрному університеті за адресою: 03041, Київ-41, вул. Героїв оборони, 15, навчальний корпус №3, ауд. 65.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аграрного університету: 03041, Київ-41, вул. Героїв оборони, 11, навчальний корпус №10.

Автореферат розісланий ”8” вересня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради _____________ Лут М.Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сьогоднішній день проблема енергозбереження у сільськогосподарському виробництві України набуває особливої актуальності, оскільки енергоємність одиниці продукції рослинництва і тваринництва вітчизняних виробників в декілька разів перевищує відповідний показник зарубіжних індустріально розвинених країн.

Асинхронний електродвигун з короткозамкненим ротором є найпоширенішим засобом перетворення електричної енергії у механічну в електроприводі сільськогосподарських робочих машин. Електроприводи з асинхронними двигунами споживають більше половини електроенергії, що витрачається на виробничі потреби у сільському господарстві, проте їх енергетичні характеристики є досить низькими. Тому розробка простих і недорогих технічних рішень, які дозволяють підвищити енергетичні показники асинхронних електроприводів, є нагальною необхідністю.

Специфіка технологічних процесів підготовки кормів до згодовування обумовлює тривалу роботу нерегульованих асинхронних електроприводів виробничих механізмів з навантаженнями, значно меншими номінального. Такі режими роботи призводять до зниження коефіцієнта корисної дії та коефіцієнта потужності асинхронного двигуна порівняно з номінальними даними і відповідно, до значних втрат електроенергії. Тому вирішення питання оптимізації енергетичних характеристик асинхронних двигунів має велике народногосподарське значення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є розділом комплексних досліджень, що проводяться у проблемній науково-дослідній лабораторії кафедри електричних машин та експлуатації електрообладнання Національного аграрного університету, які виконуються на основі бюджетного фінансування за темами ”Підвищення ефективності електродвигунів змінного струму”, ”Дослідження нових методів покращання енергетичних і пуско-регулювальних характеристик асинхронних двигунів в АПК” у межах державної науково-технічної програми ”Енерго- та ресурсозберігаючі технології у сільськогосподарському виробництві” з пріоритетного напряму ”Виробництво, переробка і збереження сільськогосподарської продукції” (№ держреєстрації 0196 U001974, 0198 U004076).

Мета і завдання досліджень. Метою роботи є обґрунтування способу активного впливу на споживання реактивної потужності асинхронними двигунами з короткозамкненим ротором, підвищення їх енергетичних показників та досягнення економії електроенергії в процесах підготовки кормів до згодовування шляхом використання внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності в асинхронних двигунах.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі завдання:

1. Проаналізувати існуючі та визначити нові шляхи обмеження реактивного струму намагнічування і підвищення енергетичних показників асинхронних двигунів.

2. Для обґрунтування принципу внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності в асинхронних двигунах та визначення його властивостей розробити математичну модель, на базі якої провести теоретичні дослідження режимів і характеристик компенсованого двигуна.

3. Розробити технічне забезпечення нового способу підвищення енергетичних показників асинхронних двигунів.

4. Провести лабораторні дослідження та виробничі випробування для перевірки достовірності отриманих теоретичних результатів.

5. Обґрунтувати можливість зниження втрат електричної енергії в асинхронних двигунах і мережі живлення при використанні внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності асинхронних двигунів у технологічних процесах з підготовки кормів до згодовування.

6. Розробити технологію модернізації асинхронних двигунів з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності при капітальному ремонті базових серійних двигунів.

Об‘єктом дослідженя є трифазний асинхронний двигун з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності.

Предметом дослідження є електромеханічні процеси перетворення енергії в асинхронному двигуні з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності.

Методика досліджень включає теоретичні та експериментальні положення. Теоретичні дослідження проводились на базі розробленої математичної моделі асинхронного двигуна з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності. Експериментальні дослідження проводились на розробленому лабораторному стенді. Отримані дослідні дані оброблялись з використанням методів математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів. Обґрунтований спосіб активного впливу на споживання реактивної потужності та підвищення енергетичних показників асинхронного електродвигуна шляхом застосування вперше запропонованої так званої внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності.

Виявлені та досліджені фізичні процеси і ефекти в асинхронному двигуні з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності, у тому числі вплив числа фаз обмотки статора на ефективність двигуна, спільна дія двох МРС напівобмоток фази статора з різною просторовою і часовою орієнтацією струмів, підмагнічуюча дія ємнісного струму у компенсованому двигуні та ін.

Розроблена математична модель асинхронного двигуна з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності з урахуванням його особливостей.

Досліджені електромеханічні процеси перетворення електричної енергії у механічну в асинхронному двигуні з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено спосіб покращання енергетичних характеристик асинхронних двигунів.

Показано, що внутрішня ємнісна компенсація реактивної потужності найбільш ефективна для асинхронних електродвигунів відносно малої потужності з невисоким коефіцієнтом потужності, які широко розповсюджені у сільськогосподарському виробництві.

Визначені параметри внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності для її реалізації при модернізації серійних асинхронних електродвигунів.

Обґрунтована можливість економії електричної енергії за рахунок зниження втрат електроенергії у мережі живлення при використанні внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності асинхронних двигунів.

Розроблені ”Рекомендації щодо енергозбереження при використанні асинхронних електродвигунів з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності”, які дозволяють модернізувати серійні двигуни під час їх капітального ремонту.

Особистий внесок здобувача. Дисертантом особисто обґрунтовано спосіб зниження споживання асинхронним двигуном реактивної потужності, здійснені математичне моделювання і теоретичні дослідження характеристик асинхронного двигуна з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності, створена лабораторна дослідна установка і проведені експериментальні випробування, проаналізовані та узагальнені результати досліджень. Розроблена методика техніко-економічних розрахунків при використанні асинхронних двигунів з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності.

Апробація результатів досліджень. Матеріали роботи доповідались і обговорювались на:

- наукових конференціях професорсько-викладацького складу та аспірантів Національного аграрного університету (м. Київ 1997 – 2002 р.р.);

- міжнародній науковій конференції ”Системы электромеханики SIELMEC-97” м. Кишинів, 16-18 жовтня 1997 р.;

- міжнародній науковій конференції ”Системы электромеханики SIELMEC-99” м. Кишинів, 6-8 жовтня 1999 р.;

- міжнародній науковій конференції ”Ефективність та якість електропостачання промислових підприємств” м. Маріуполь, 24-26 травня 2000 р.;

- міжнародній науковій конференції ”Национальная конференция по энергетике CNE-M-2000” м. Кишинів, 19-21 жовтня 2000 р.;

- першій всеукраїнській конференції молодих вчених-аграріїв ”Роль молоді в реформуванні аграрного сектора економіки України” м. Київ, 15-16 березня 2001 р.;

- міжнародній науковій конференції ”Земледельческая механика на рубеже столетий” м. Мелітополь, 29-31 травня 2001 р.;

- міжнародній науковій конференції ”Системы электромеханики и энергетики SIELMEN-2001” м. Кишинів, 4-6 жовтня 2001 р.

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований у 14 друкованих працях, серед яких 1 патент України.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку літератури та додатків. Робота викладена на 151 сторінці машинописного тексту, включає 11 таблиць, 43 рисунка, 114 бібліографічних посилань, 1 додаток.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відображена актуальність теми дисертаційної роботи, визначена мета та основні завдання досліджень, сформульована наукова новизна, практична цінність та практична реалізація одержаних результатів.

У першому розділі ”Стан питання, мета і завдання досліджень” встановлено, що енергетичні ресурси у тваринництві України використовуються нераціонально. Як наслідок енергоємність продукції тваринництва вітчизняного виробництва перевищує рівень аналогічних показників у розвинених країнах в 2,5-3 рази. Одним із можливих шляхів зменшення енергоємності та собівартості продукції тваринництва є зниження витрат електричної енергії технологічних у процесах підготовки кормів до згодовування.

Основною складовою частиною технологічного обладнання кормоцехів, комбікормових заводів та інших підприємств, де корми готуються до згодовування, є електропривод з асинхронним електродвигуном і від економічності його роботи значною мірою залежить енергоємність процесів кормоприготування.

Для підвищення енергетичних показників асинхронного електроприводу зазвичай пропонується декілька шляхів таких, як правильний вибір потужності двигуна, заміна недовантажених двигунів, оптимізація режимів роботи електроприводу тощо. Підвищити енергетичні характеристики електроприводу можна також за рахунок покращання енергетичних показників самого асинхронного двигуна.

За принципом дії асинхронний двигун – споживач двох видів енергії: активної, яка перетворюється в механічну на валу двигуна та в теплові втрати, і реактивної, необхідної йому для створення обертового магнітного поля. Причому характерним є те, що величина споживаної реактивної потужності асинхронного практично не залежить від навантаження. У процесі роботи двигуна реактивна енергія не перетворюється в інші види, проте обмін нею з джерелом живлення завантажує обмотку статора, мережу живлення та джерело електричної енергії реактивним струмом, що призводить до додаткових втрат активної електроенергії в усіх елементах електричної системи і зниження енергетичних показників двигуна.

Тому обмеження споживання асинхронним двигуном реактивної потужності може слугувати основою підвищення його енергетичних показників і зменшення втрат електроенергії як у самому двигуні так і в мережі живлення та зниження енергоємності процесів підготовки кормів до згодовування.

У другому розділі ”Визначення шляхів підвищення енергетичних характеристик асинхронних електродвигунів” проведений аналіз способів покращання енергетичних показників асинхронних двигунів за рахунок збільшення масо-габаритних показників, застосування напівпровідникових електронних пристроїв таких, як регулятори частоти та напруги тощо.

Проведено порівняльну характеристику властивостей асинхронних двигунів з числом фаз 2, 3, 6. З’ясовано, що зі збільшенням числа фаз обмотки статора підвищується ступінь індуктивного зв’язку між обмотками фаз, збільшується коефіцієнт розподілу обмотки, а, отже, і обмотковий коефіцієнт, покращується спектральний склад магнітного поля машини, і, відповідно, зменшуються втрати від вищих просторових гармонік. Струм холостого ходу асинхронного двигуна за 6-фазного варіанта обмотки статора менший, ніж за трифазного на 20 - 30%, що значною мірою впливає на споживання асинхронним двигуном реактивної потужності як при холостому ході так і під навантаженням та зменшує номінальний струм двигуна за незмінної номінальної потужності.

Для практичного використання даних властивостей використовуються дві симетричні трифазні обмотки (або напівобмотки), струми у відповідних фазах яких зсунуті один відносно одного у часі на кут ?, а в просторі – на кут ?. В межах же кожної трифазної системи обмоток зберігається часовий і просторовий зсув між струмами фаз в 1200.

З урахуванням просторового зміщення фаз на 1200 у кожній із систем та кута ? між системами трифазних обмоток сумарна МРС кожної трифазної обмотки буде:

, , – ,

, , – . (1)

де Fm – амплітуда МРС на осі фази, яка змінюється в часі з частотою струму.

Поворотні множники ejщt та ej(щt+б+д) вказують на обертовий характер постійних за величиною векторів МРС 3/2Fm, просторово зміщених між собою на кут ?=б+д. Загальна МРС двох обертових хвиль дорівнює F=F1+F2. При ? =0, тобто при б=-д обидві обертові хвилі просторово співпадають і утворюють максимальну загальну МРС 3Fm, яка дорівнює подвійному значенню МРС окремої трифазної системи.

Найбільш просте технічне рішення, що задовольняє такі вимоги, представляється сукупністю двох трифазних обмоток статора машини змінного струму, з’єднаних зіркою та трикутником послідовно або паралельно між собою, що отримують живлення від однієї трифазної мережі. Струми відповідних фаз зірки і трикутника зсунуті між собою просторово і в часі на кут +300 або +900.

Інший спосіб покращання енергетичних характеристик асинхронних двигунів заснований на використанні підмагнічуючої дії реактивного ємнісного струму при ємнісному навантаженні таких феромагнітних пристроїв як трансформатори та автотрансформатори з електромагнітним зв'язком між їх первинним і вторинним ланцюгами.

Пропонується у трифазному асинхронному двигуні фазу обмотки статора виконати такою, яка складається з двох частин – основної, що включається в мережу, і додаткової, закладеної в ті ж пази (наприклад іншим шаром або розподілом фазної зони на дві частини) за тією ж самою схемою, що і основна обмотка з просторовим співпаданням або зсувом осей обох частин обмотки, причому додаткова обмотка стосовно основної включена за схемою підвищуючого автотрансформатора, вторинна обмотка якого замкнута на електричну ємність конденсатора. Таку додаткову обмотку називаємо компенсаційною (рис. 1).

Рис. 1. Принципова електрична схема фази двигуна з компенсаційною обмоткою (а), трифазна схема кола статора з компенсаційною обмоткою, зміщеною на кут ? по відношенню до основної обмотки (б)

Залежно від числа витків компенсаційної обмотки, величини ємності, величини і знака кута просторового зсуву одна відносно одної осей основної і компенсаційної обмоток, можна здійснювати значний і регульований вплив на величини струму холостого ходу, пускового і робочого струму двигуна, обертального моменту з метою зниження втрат електроенергії та покращання енергетичних характеристик машини.

При цьому компенсаційна обмотка є носієм лише реактивної потужності, проте, вимагає для свого розташування додаткового місця в пазу осердя статора, що збільшує габарити машини. Тому більш доцільним є варіант внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності, за якого у вихідному положенні вся обмотка статора базового двигуна є робочою, енергонесучою як по активній так і по реактивній потужності. При цьому кожна фазна обмотка статора поділяється на дві рівні послідовно з'єднані частини, одна з яких шунтується конденсатором (рис. 2). У такому разі обидві напівобмотки, як і в некомпенсованому двигуні,

Рис. 2. Принципові електричні схеми асинхронного двигуна з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності для фази статора і ротора (а), у трифазному варіанті обмотки статора (б, в). Конденсатори включені за схемою зірка (б) або трикутник (в)

споживають реактивну потужність, але одна з них одержує її як і раніше з мережі, а інша – від шунтуючого конденсатора, внаслідок чого знижується струм, який двигун споживає з мережі. Мінімум споживаного двигуном струму забезпечується при повній компенсації реактивної потужності напівобмотки, зашунтованої конденсатором (рис. 3а), що при номінальному навантаженні двигуна знижує споживання ним реактивної потужності і зменшує кут зсуву фаз між напругою мережі і струмом практично у 2 рази. За умови сталості номінальної активної потужності на валу струм, споживаний двигуном з мережі при внутрішній ємнісній компенсації, дорівнює:

, (2)

де , – відповідно номінальний струм і коефіцієнт потужності базового некомпенсованого двигуна; – кут зсуву фаз між напругою мережі і споживаним струмом двигуна із внутрішньою ємнісною компенсацією.

Рис. 3. Спрощені векторні діаграми фази обмотки статора при номінальному навантаженні двигуна і повній компенсації реактивної потужності напівобмотки (а) та при частковій компенсації реактивної потужності напівобмотки (б)

Струм напівобмотки, що шунтується ємністю, зростає до величини , а в цілому втрати потужності у фазі обмотки статора двигуна зменшуються на величину:

, (3)

де – втрати потужності у фазі обмотки статора базового асинхронного двигуна без компенсації при опорі всієї обмотки 2r1 (напівобмотки – r1); – втрати потужності у фазі обмотки статора двигуна з компенсацією.

В мережі, від якої двигун отримує живлення за рахунок зменшення споживаного ним струму, втрати потужності зменшуються на:

, (4)

де – втрати потужності у фазі мережі живлення з опором від струму базового двигуна без компенсації; – втрати потужності у фазі мережі живлення з опором , але від струму двигуна з внутрішньою ємнісною компенсацією.

При цьому величина ємності на фазу при з'єднанні конденсаторів за схемою зірка (рис. 2б) дорівнює:

(мкФ), (5)

а при з'єднанні трикутником: . (6)

Реально мінімум втрат потужності в обмотці статора має місце при недокомпенсації реактивних потужності і струму (порядку до ) (рис. 3б) зашунтованої ємністю напівобмотки. При вмиканні конденсаторів за схемою трикутник (рис. 2в) робоча напруга становить 0,5 від лінійної напруги мережі живлення двигуна, що збільшує ступінь їх використання порівняно зі схемою з’єднання зіркою.

Проте, шунтування однієї з напівобмоток статора ємністю призводить до зсуву фаз ? між струмами напівобмоток (рис. 3б), в результаті чого на такий самий кут ? просторово зміщуються між собою і обертові хвилі МРС напівобмоток, хоча осі самих напівобмоток співпадають. Для створення необхідного магнітного потоку це потребує деякого збільшення струму намагнічування, а отже, і струму шунтованої напівобмотки, що призводить до перерозподілу напруг напівобмоток. Для підвищення ступеня ефективності внутрішньої ємнісної компенсації необхідно на такий же кут зсунути між собою у просторі і напівобмотки, що дає суміщення осей хвиль МРС, забезпечує мінімум струму намагнічування і струму зашунтованої ємністю напівобмотки, який не повинен перевищувати номінальний струм машини. Номінальний коефіцієнт потужності асинхронних електродвигунів потужністю 3-5,5 кВт, найбільш розповсюджених у сільському господарстві становить 0,8-0,9, відповідно кут зсуву між векторами струмів напівобмоток при використанні внутрішньої ємнісної компенсації у номінальному режимі дорівнює . Тому доцільно прийняти кут зсуву осей напівобмоток у просторі ?=300. Тоді система стає практично шестифазною, 12-зонною з додатковими перевагами її у порівнянні з трифазною системою. Оптимальне значення створюється поділом фазної зони 60° трифазної розподіленої обмотки на дві рівні зони по 30° з кутом просторового зсуву їх осей на 30° (рис. 2б,в) або відносного зміщення двох напівобмоток.

Струм зашунтованої ємністю напівобмотки завжди відстає від струму незашунтованої напівобмотки по фазі на кут ?, тоді як знак кута ? просторового зсуву осей напівобмоток залежить від напряму обертання магнітного поля. Тому для реверсивного двигуна при одному напрямі його обертання і хвилі МРС напівобмоток зближуються, при іншому напрямі обертання сума (?+ д) ?більшується, хвилі МРС зміщуються одна відносно одної і внутрішня ємнісна компенсація стає менш ефективною. Відповідно для реверсивного двигуна рекомендується приймати напівобмотки з просторовим співпаданням їх осей , що забезпечує однаковий ефект від внутрішньої ємнісної компенсації при зміні напряму обертання двигуна, а для нереверсивного – з просторовим зсувом напівобмоток на 300.

У третьому розділі ”Розрахунок характеристик асинхронного двигуна з внутрішньою ємнісною компенсацією” для підтвердження принципу внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності, визначення розрахункових співвідношень, побудови характеристик розроблена математична модель асинхронного двигуна з внутрішньою ємнісною компенсацією в реальних фазових координатах при постійних параметрах схеми заміщення базового двигуна серії 4А. Був прийнятий класичний принцип побудови математичної моделі двигуна із загальноприйнятими припущеннями, але з урахуванням особливостей компенсованого двигуна. За основний розрахунковий елемент схеми приймаємо котушкову групу напівфази статора та відповідної їй фази ротора. Фаза обмотки статора складається з двох послідовно з’єднаних напівфаз, осі яких зміщені на 300, і одна з них шунтується ємністю. Ротор представлений шестифазним, що складається з двох короткозамкнених трифазних кіл, просторово зміщених одне відносно одного на 300 (рис. 4). Напівфази статора і фаза ротора приведені одна до одної за числом витків та схемою обмотки і являють собою котушкову групу з параметрами:

Rk, Lk – активний опір та індуктивність розсіювання котушкової групи (напівфази) обмотки статора;

Rkp, Lkp – активний опір та індуктивність розсіювання котушкової групи (фази) обмотки ротора;

Mk– головна індуктивність котушкової групи обмотки статора (ротора) та рівна їй взаємна індуктивність між котушковими групами статора (ротора), статора і ротора при співпаданні їхніх осей.

Система рівнянь електричної рівноваги обмотки ротора складена для двигуна, який обертається зі змінним для ротора кутом г, і приведена до системи рівнянь електричної рівноваги загальмованого електродвигуна, інваріантного за магніторушійними силами реальному двигуну, який обертається. В основу математичної моделі покладено систему рівнянь електричної рівноваги кіл статора та ротора, який обертається. Для складання рівнянь електричної рівноваги необхідно було визначити ЕРС всіх n елементів кола, як швидкість зміни пов’язаного з цим елементом потокозчеплення.

Рис 4. Розрахункові електричні схеми обмоток статора і ротора асинхронного двигуна з внутрішньою ємнісною компенсацією

При вираженні потокозчеплень окремих напівфаз статора та фаз ротора загальноприйнятим методом, приведенні струмів та потокозчеплень фаз ротора до осей відповідних напівфаз статора рівняння електричної рівноваги кіл статора (у тому числі з урахуванням контура з електричною ємністю) і нерухомого ротора еквівалентного такому, що обертається, наприклад, для фази A статора та фаз 1p і 2p ротора матимуть вигляд:

1)

,

4) ,

7)

,

8)

. (7)

У цілому система буде складатися з 12 рівнянь електричної рівноваги, містити 12 шуканих з них 6 струмів статора, 6 струмів ротора, приведених до відповідних напівфаз статора, і три ємнісних струми, які визначаються різницею струмів напівфаз. Система може бути використана для розрахунку як перехідних так і усталених електромагнітних режимів при постійній швидкості обертання ротора ?.

Для симетричної системи в усталеному режимі досить провести розрахунок струмів однієї фази статора і відповідних двох струмів ротора з виключенням з рівнянь цих фаз струмів інших фаз.

Аби розрахувати струми статора і ротора в усталеному режимі достатньо прийняти:

1)

,

4) ,

7)

,

8)

, (8)

після деяких перетворень система розрахункових рівнянь електричної рівноваги фази має вигляд:

,

,

,

, (9)

де – повний індуктивний опір фази обмотки статора;

– індуктивний опір напівфази статора; – опір взаємної індукції між напівфазою статора і фазою ротора; – повний індуктивний опір фази обмотки ротора; – ємнісний опір конденсатора; – ковзання асинхронного двигуна.

Рівняння (8) розв’язуються відносно реальних струмів напівфаз статора та приведених струмів ротора. Задають напругу фази, параметри двигуна, ковзання, ємнісний опір конденсаторів. В результаті розрахунку струмів визначаються потужності (електромагнітна і механічна, споживана), втрати в обмотках та електромагнітний момент:

(10)

Зокрема, на рис. 5, 6 наведені залежності струмів напівобмоток фази та втрат у фазній обмотці статора двигуна з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності від величини компенсуючої ємності за номінального моменту на валу.

При зміні напряму обертання двигуна його характеристики змінюються (рис. 6): дещо збільшується струм зашунтованої напівобмотки і ефективність внутрішньої ємнісної компенсації знижується, тому для нереверсивних двигунів доцільним є варіант ?+д=0 ? просторовим зсувом напівобмоток ?=300(б=200ч400), а для реверсивних – доцільно застосовувати схеми обмоток з просторовим збігом осей напівобмоток (?=0). У такому разі характеристики двигуна не залежать від напряму його обертання.

Рис. 5. Залежність струмів напівобмоток фази статора та втрат потужності у фазній обмотці від величини компенсуючої ємності, коли ?+д=0 ?а M2=Mн=const:

-------- – експеримент;

- - - - - – розрахунок

Рис. 6. Залежність струмів напівобмоток фази статора та втрат потужності у фазній обмотці від величини компенсуючої ємності, коли і ?+д?0 ?а M2=Mн=const:

-------- – експеримент;

- - - - - – розрахунок

У четвертому розділі ”Експериментальні дослідження” описані експериментальні випробування асинхронних двигунів з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності, метою яких було отримання комплексу енергетичних показників і порівняння їх з показниками базового серійного двигуна.

Повні випробування двигунів з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності проводились в проблемній лабораторії ”Проблеми підвищення ефективності електрообладнання в АПК” кафедри електричних машин та експлуатації електрообладнання Національного аграрного університету, для виконання яких був розроблений і випробуваний універсальний стенд.

У процесі проведення випробувань були отримані характеристики холостого ходу, короткого замикання і робочі характеристики (рис. 7, 8), на основі аналізу яких можна зробити висновок про те, що застосування внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності асинхронних двигунів дозволяє покращити їх енергетичні показники. Зокрема, струм намагнічування (струм холостого ходу), наприклад для двигуна АИР71В2, зменшується на 32,6%, струм короткого замикання за номінальної напруги живлення знижується на 7,1%. В режимі номінального навантаження струм, споживаний двигуном з мережі живлення, зменшується на 12%, а струм зашунтованої напівобмотки не перевищує номінального значення. Коефіцієнт потужності зростає від 0,8 до 0,92. За рахунок зменшення струму, споживаного двигуном з мережі живлення знижуються втрати в міді обмотки статора та споживана активна потужність, чим зумовлюється деяке (2-3%) збільшення коефіцієнта корисної дії двигуна. Як наслідок збільшується так званий енергетичний коефіцієнт корисної дії. Повна потужність, споживана асинхронним двигуном, також зменшується. Використання внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності асинхронного двигуна практично не впливає на гармонічний склад струмів напівобмоток і спадів напруг на них.

Рис. 7. Робочі характеристики асинхронного двигуна:

-------- – базового;

- - - - - – з використанням ВЄКРП

Рис. 8. Робочі характеристики асинхронного двигуна:

-------- – базового;

- - - - - – з використанням ВЄКРП

Виробничі випробування асинхронних двигунів з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності проводились у СТОВ ”Хлібороб” Шаргородського району Вінницької області та ВАТ ”РТП” м. Сарни Рівненської області. Експериментально встановлено, що після проведення модернізації асинхронних двигунів із застосуванням внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності струм, споживаний ними без навантаження, знизився на 30-40%, під навантаженням – на 15-20%. Коефіцієнт потужності зріс на 16-22% на всьому діапазоні зміни навантаження від холостого ходу до номінального.

У п’ятому розділі ”Технологія ремонту асинхронних електродвигунів із використанням внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності” Описана технологія отримання модернізованих асинхронних двигунів з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності при капітальному ремонті базових асинхронних двигунів.

Приведені принципи виконання схем однієї фази трифазної обмотки статора двигуна з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності за будь-якої кількості пазів осердя статора та кількості пар полюсів, як для реверсивних так і нереверсивних двигунів. У додатку наведені схеми обмоток модернізованих двигунів на частоту обертання 3000 об/хв, 1500 об/хв, 1000 об/хв.

Технологія модернізації обмоток практично не відрізняється від існуючої технології їх капітального ремонту, відмінність полягає лише у розподілі обмотки на дві частини та виведенні на клемний щиток середніх точок фазних обмоток.

Визначено економічну ефективність застосування асинхронних електродвигунів з внутрішньою ємнісною компенсацією на прикладі кормоцеху КОРК-15. Встановлено, що при використанні модернізованих двигунів річне споживання кормоцехом активної електроенергії зменшується на 4,2%, а річне споживання реактивної потужності – на 57,8%. Загальна плата за спожиту активну електроенергію та перетоки реактивної електроенергії зменшується на 12,2% (2410 грн.).

Модернізацію двигунів доцільно проводити при капітальному ремонті базових двигунів, оскільки технологія ремонту із використанням внутрішньої ємнісної компенсації максимально наближена до існуючої. Додаткові витрати, необхідні для придбання і встановлення конденсаторів, збільшують собівартість ремонту двигуна на 16-20%, проте, будуть виправдані зменшенням плати за спожиту електроенергію за рахунок підвищення енергетичних показників двигунів. Оскільки загальна вартість конденсаторів, необхідних для реалізації внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності асинхронних електродвигунів, задіяних в електроприводі робочих машин кормоцеху, складає 770 грн., що становить 31,9% від зменшення плати за спожиту електроенергію.

ВИСНОВКИ

Теоретичні та експериментальні дослідження дозволили зробити такі висновки:

1. З аналізу літературних джерел встановлено, що енергоємність продукції тваринництва вітчизняного виробництва перевищує рівень аналогічних показників у розвинених країнах в 2,5-3 рази. У загальних енергетичних витратах на виробництво продукції тваринництва найбільшу частку (54-60%) складає енергія, що витрачається на виробництво та приготування кормів, тому зусилля, спрямовані на зменшення витрат енергії на виробництво і приготування кормів, будуть сприяти вирішенню проблеми зниження енергоємності продукції тваринництва.

2. Комплексний аналіз недоліків асинхронного електродвигуна показав, що одним із суттєвих його недоліків є споживання реактивної енергії, необхідної для створення обертового магнітного поля. При цьому реактивна енергія не перетворюється в інші види, проте, обмін нею з джерелом живлення завантажує обмотку статора двигуна і мережу живлення реактивним струмом, що призводить до збільшення загального струму двигуна і втрат активної енергії в усіх елементах електричної системи.

3. Проведеною порівняльною характеристикою властивостей асинхронного двигуна з різним числом фаз обмотки статора m = 2, 3, 6 за незмінного ротора встановлено, що зі збільшенням числа фаз підвищується ступінь взаємоіндуктивного зв’язку між обмотками різних фаз, відповідно при збільшенні числа фаз обмотки статора зменшується величина струму намагнічування асинхронного двигуна (мінімальний при m = 6 і максимальний при m = 2 за незмінної номінальної потужності), що значною мірою впливає на споживання ним реактивної потужності в усіх режимах роботи. Крім того, зі збільшенням числа фаз обмотки статора проявляється тенденція до зменшення критичного і збільшення пускового моменту двигуна.

4. Запропоновано новий спосіб покращання енергетичних характеристик асинхронного електродвигуна та зменшення втрат активної електроенергії, як в самому електродвигуні так і у мережі живлення за рахунок використання внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності, коли одна з напівобмоток фази статора отримує реактивну потужність з мережі живлення, а інша – від шунтуючого конденсатора.

5. Встановлено, що знак кута просторового зміщення осей напівобмоток ? залежить від взаємного розташування напівобмоток та напряму обертання магнітного поля двигуна, а знак кута ? – від шунтування ємністю зовнішньої або внутрішньої напівобмотки фази статора. Тому при зміні напряму обертання магнітного поля або шунтуванні зовнішньої чи внутрішньої напівобмотки фази статора властивості двигуна змінюються. Лише за однієї умови, коли ?+д=0, ?ідбувається максимальне для даного способу підвищення енергетичних характеристик двигуна. Необхідна величина компенсуючої ємності при цьому складає 8-10 мкФ у кожній фазі на 1 кВт номінальної потужності двигуна.

6. Розроблена адекватна математична модель асинхронного двигуна з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності з урахуванням його особливостей, яка дозволяє з вірогідністю 0,93-0,95 проводити дослідження електромагнітних та енергетичних характеристик двигуна при зміні в широких межах ковзання та величини компенсуючої ємності (в усталених та перехідних режимах).

7. Розроблено та реалізовано універсальний стенд для лабораторних випробувань асинхронних електродвигунів з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності.

8. Експериментально встановлено, що найбільш прийнятною для практичного використання, з точки зору мінімізації величини компенсуючої ємності, є схема з’єднання фазних обмоток статора у зірку, а компенсуючих ємностей у трикутник, що під’єднується своїми вершинами до середніх точок фаз статора.

9. Теоретично і експериментально встановлено, що за рахунок використання внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності струм холостого ходу асинхронного електродвигуна зменшується на 30-40%, а у режимі номінального навантаження на валу струм, споживаний з мережі живлення, зменшується на 12-15%, коефіцієнт потужності зростає на 12-15% та на 2-3% збільшується коефіцієнт корисної дії двигуна, а при недовантаженні на 5-6%. Внаслідок зниження загальної споживаної потужності та струму асинхронного електродвигуна при застосуванні внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності на 25-40% зменшуються транспортні втрати активної електроенергії в усіх елементах електричної системи.

10. Встановлено, що при застосуванні асинхронних електродвигунів з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності в електроприводі робочих машин кормоцеху КОРК-15 загальна річна плата за спожиту активну і реактивну електроенергію зменшиться на 2410 грн. (12,2%), а додаткова плата за недостатнє оснащення електричної мережі споживача засобами компенсації реактивної потужності зникне. Загальна вартість конденсаторів, необхідних для реалізації внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності асинхронних електродвигунів, задіяних в електроприводі робочих машин кормоцеху, складає 770 грн., що становить 31,9% від зменшення плати за спожиту електроенергію.

11. Розроблені та передані для практичного використання Міністерству агропромислової політики України ”Рекомендації щодо енергозбереження при використанні асинхронних електродвигунів з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності”.

12. Матеріали дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі на факультеті електрифікації та автоматизації Національного аграрного університету та передані у формі рекомендацій для практичного використання ВАТ ”Агромаш” Шаргородського району Вінницької області, ВАТ ”РТП” м. Сарни Рівненської області та ВАТ ”Севастопольський завод комунального обладнання ”Молот”, що підтверджується відповідними актами. На замовлення Міністерства аграрної політики України дослідний зразок асинхронного двигуна з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності експонувався на XIV Міжнародній виставці-ярмарку ”Агро-2002”.

СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Misin V., Tarasenko R., Ciuenco N., Ciuenco R Motorul asincron cгi de perfecюionare // Prima conferinюг internaюionalг de sisteme electromecanice (”SIELMEC – 97”). – Vol. I. – Chisinau, 1997. – P. 163-164.

2. Мишин В.И., Чуенко Р.Н. Сравнительная характеристика асинхронних двигателей с числом фаз 2, 3, 6 // A doua conferinюг internaюionalг de sisteme electromecanice (”SIELMEC – 99”). – Vol. I. – Chisinau, 1999. – P. 143-146.

3. Чуєнко Р.М. Універсальний стенд для лабораторних випробувань асинхронних електродвигунів // Наук. вісник НАУ. – К.: НАУ, 2000. – Вип. 24. – С. 191 – 196.

4. Мішин В.І., Чуєнко М.О., Тарасенко Р.О., Чуєнко Р.М. Енергозберігаючий асинхронний двигун для сільського господарства // Аграрна наука і освіта. – К.: НАУ, 2000. – №1. – С. 138-145.

5. Патент 30906 А України, МПК5 Н 02 К 17/34 ”Асинхронний двигун” / Мішин В.І., Чуєнко М.О., Тарасенко Р.О., Чуєнко Р.М. – № 98063167; Заявл. 18.06.1998; Опубл. 15.12.2000, Бюл. № 7-11.

6. Мішин В.І., Чуєнко Р.М. Асинхронний двигун із зниженим споживанням реактивної потужності // Зб. праць IV Міжн. наук. конф. ”Ефективність та якість електропостачання промислових підприємств”. – Маріуполь, 2000. – С. 231-234.

7. Мішин В.І., Чуєнко М.О., Тарасенко Р.О., Чуєнко Р.М. Підвищення ефективності трифазних асинхронних електродвигунів при капітальному ремонті шляхом модернізації обмотки: Рекомендації для підприємств України з ремонту асинхронних електродвигунів. – К.: НАУ, 2000. – 24 с.

8. Мишин В.И., Чуенко Р.Н. Асинхронный двигатель с внутренней емкостной компенсацией // Conferinюг naюionalг de energetica (”CNE-M-2000”). – Vol. II. – Chisinau.: Universitatea tehnicг a Moldovei, 2000. – P. 29-38.

9. Чуєнко Р.М. Використання внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності в асинхронних двигунах як один із заходів енергозбереження // Аграрна наука і освіта. – К.: НАУ, 2001. – Т. 2, №1-2. – С. 120-124.

10. Чуєнко Р.М. Електрозбереження в АПК за рахунок компенсації реактивної потужності асинхронних двигунів // Наук. вісник НАУ. – К.: НАУ, 2001. – Вип. 37. – С. 128-131.

11. Мішин В.І., Чуєнко М.О., Чуєнко Р.М. Порівняння способів компенсації реактивної потужності асинхронних двигунів кормоцеху // Наук. вісник НАУ. – К.: НАУ, 2001. – Вип. 41. – С. 181-189.

12. Мішин В.І., Чуєнко Р.М., Кафтан Б.М., Способи внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності у асинхронних двигунів // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. – Мелітополь: ТДАТА, 2001. – Вип. 1. – Т. 21. – С. 23-29.

13. Мишин В.И., Чуенко Р.Н., Кафтан Б.М. Компенсированный асинхронный двигатель (методика расчета установившегося симметричного режима) // A treia conferinюг internaюionalг de sisteme electromecanice єi energetice (”SIELMEN – 2001”). – Vol. I. – Chisinau, 2001. – P. 99-106.

14. Мішин В.І., Чуєнко М.О., Лісовий С.С., Чуєнко Р.М. Рекомендації щодо енергозбереження при використанні асинхронних електродвигунів з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності. – К.: НАУ, 2002. – 40 с.

Чуєнко Р.М. Енергозбереження у підготовці кормів до згодовування при використанні асинхронних двигунів з внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.16 – застосування електротехнологій в сільськогосподарському виробництві. – Національний аграрний університет, Київ, 2002.

Дисертація присвячена питанням зниження витрат електричної енергії в процесах підготовки кормів до згодовування шляхом підвищення енергетичних показників асинхронних двигунів за рахунок використання внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності. Розроблено математичну модель асинхронного двигуна з внутрішньою ємнісною компенсацією, обґрунтовані режими компенсації та досліджені його характеристики. У дисертації наведені результати теоретичних та експериментальних досліджень роботи асинхронних двигунів з внутрішньою ємнісною компенсацією. Основні положення дисертації викладені у 14 наукових працях.

Ключові слова: асинхронний двигун, внутрішня ємнісна компенсація реактивної потужності, математичне моделювання, енергозбереження.

Чуенко Р.Н. Энергосбережение при подготовке кормов к скармливанию при использовании асинхронных двигателей с внутренней емкостной компенсацией реактивной мощности. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.16 – применение электротехнологий в сельскохозяйственном производстве. – Национальный аграрный университет, Киев, 2002.

Диссертация посвящена вопросам снижения потребления электрической энергии в процессах подготовки кормов к скармливанию путем повышения энергетических показателей асинхронных двигателей за счет использования внутренней емкостной компенсации реактивной мощности.

Исследовано влияние числа фаз обмотки статора на эффективность асинхронного двигателя, а также подмагничивающего действия емкостного тока в компенсированном двигателе.

Для решения поставленной задачи снижения потребления электрической энергии в энергоемких процессах подготовки кормов к скармливанию, предложен способ уменьшения потребления асинхронным двигателем реактивной мощности, основанный на использовании внутренней емкостой компенсации реактивной мощности. При этом каждая фазная обмотка статора двигателя выполняется из двух одинаковых последовательно соединенных полуобмоток, пространственно смещенных на угол , одна из которых шунтируется конденсатором.

С целью теоретического обоснования принципа внутренней емкостной компенсации реактивной мощности асинхроного двигателя и определения его свойств, разработана математическая модель, на основе которой проведены теоретические исследования режимов и характеристик компенсированного двигателя.

За счет использования внутренней емкостной компенсации реактивной мощности ток холостого хода асинхронного