Синхронные генераторы для автономных установок

В украинских средствах массовой информации (СМИ) и Интернете нередко можно столкнуться с мнением, что все неудачи советской и украинской программ развития ветроэнергетики обусловлены тем, что ее реализация была поручена по конверсии предприятиям военно-промышленного комплекса(ВПК). С этим трудно не согласиться, но следует учитывать некоторые другие аспекты.

Вступление

Во-первых, использование полупроводниковой элементной базы и схемотехнических решений, доступных по тем временам только оборонным предприятиям, позволило создать более совершенные блоки автоматики для управления ветроэнергетическими установками (ВЭУ). Взять, к примеру, силовую преобразовательную схемотехнику. Она практически до 1989 г. для многих оставалась тайной за семью печатями.

Во-вторых, в ВПК работали лучшие специалисты, способные привносить новые идеи и решения. И не их вина, что произошло то, что произошло. Приведу пример. В г. Зеленограде (советская "силиконовая долина") в конце шестидесятых было освоено производство монофонических кассетных магнитофонов "Электроника 301".

В начале семидесятых была поставлена задача, разработать и подготовить к производству современную стереофоническую модель. Работа закипела, и в кратчайшие сроки техническому совету был представлен образец, выполненный по последнему слову техники.

Первыми взъерепенились снабженцы, заявив, что у них на складах миллионы штук транзисторов для прежней модели, и куда они их будут девать? Элементную базу оставили старую. Оставили и прежнюю, слегка "припудренную" конструкцию лентопротяжного механизма.

Вторыми взвыли экономисты - куда девать недоамортизированную оснастку и оборудование? В результате, добавили в серийную модель еще один канал, слегка подшаманили корпус и ручки, и получился магнитофон "Электроника 305".

Можете себе представить состояние разработчиков, вложивших душу в свое детище, которое было похоронено руками администраторов.

Добавьте к этому еще и приказ министра электронной промышленности, запрещающий выполнять разработки по уровню выше американских. (Подоплека приказа была проста. Мы слишком долго осваиваем разработки и поэтому американцы их у нас воруют, и быстрее осваивают.

Не стоит развивать технологии для американцев.) Второй раз подвигнуть разработчиков на перспективную разработку было уже практически невозможно. Подобные проблемы возникали и в ветроэнергетике.

В-третьих, менталитет большинства инженеров крупных предприятий не позволял им принимать радикальные решения. Они готовы были приспосабливать имеющиеся решения к новым изделиям и не хотели глубоко вдаваться в проблемы. Мотивация проста: мне зарплату не прибавят, так зачем потеть?

Ветряки - это товары народного потребления, а не оборона, поэтому голову за них не снимут. Тем не менее им удалось создать достаточно надежные и простые конструкции ВЭУ.

В-четвертых, в виду того, что себестоимость производства ВЭУ рассчитывалась котловым методом, т.е. на их производство списывались все затраты и амортизация всех имеющихся у предприятия основных средств, пропорционально объемам производства, а не только тех, что использовались в производстве ВЭУ. Цены на установки получались огромными.

В-пятых, непосредственно у потребителей возникали огромные проблемы с монтажом, наладкой и обслуживанием агрегатов. Отсутствие квалифицированных кадров часто приводило к поломке и разрушению агрегатов. Отсутствие запасных частей привело к тому, что многие потребители после двух-трех лет эксплуатации ВЭУ забрасывали их при первой же поломке.

Украинской ветроэнергетике, как и советской, присущи подобные проблемы:

  1. Не желая особенно тратить силы, ответственные чиновники приняли решение базироваться на давно устаревшем лицензионном продукте.
  2. Производством ВЭУ занимается все тот же ВПК.
  3. Поставки оборудования ведутся по государственной программе за счет централизованных средств, и цены на него формируются далеко не рыночными отношениями.
  4. У эксплуатационников по-прежнему не хватает квалифицированных кадров, и они испытывают существенные трудности с запчастями.

Одно отличие между советской и украинской программами развития ветроэнергетики заключается в том, что первая все-таки уделяла внимание созданию небольших ВЭУ различного назначения для автономного использования. А сходство заключается в том, что ни та, ни другая программы не принимали в расчет нужды и потенциал самодеятельных авторов.

В сложившейся ситуации самостоятельным авторам необходимо использовать все лучшее из того, что было наработано в ветроэнергетике, и на этой основе создавать свои, доступные по цене конструкции. А позаимствовать есть что.

В частности, в советские времена научно-производственным объединением "Ветроэн" были разработаны бесконтактные синхронные генераторы серии СГВМ, специально предназначенные для работы в составе ветроэнергетических установок различного назначения в качестве источника трехфазного переменного тока.

Параметры генераторов

Заводом "Тяжэлектромаш" (г. Фрунзе) был налажен выпуск трех типов генераторов СГВМ4-У1, СГВМ16-У1, СГВМ30-У1 номинальной мощностью 4, 16 и 30 кВт соответственно.

В комплект генератора СГВМ4-У1 входит блок автоматики БА-М-4. Генераторы СГВМ16-У1 и СГВМ30-У1 комплектуются блоками автоматики БА-М-16.

Блоки автоматики отличаются друг от друга только мощностью коммутирующего транзистора в выходном каскаде. Исполнение генераторов фланцевое. Основные технические данные генераторов приведены в табл.1.

Таблица 1.

Типоразмер
генератора
Мощность,
кВт
Коэффициент
мощности
Частота
тока,
Гц
Напряжение,
В
Ток, А Частота
вращения,
об/мин
СГВМ4-У1 4,0 0,8 50,0 400 7,22 1500
СГВМ16-У1 16,0 0,8 50,0 400 28,9 1500
СГВМ30-У1 30,0 0,8 50,0 400 54,1 1500

Конструкция генератора рассчитана на работу с горизонтальным расположением оси вращения. Это несколько ограничивает применение генераторов в других автономных источниках энергии. Но несмотря на то, что генератор предназначен для работы в составе ВЭУ, его можно использовать и при создании микроГЭС.

Статический момент трогания на валу ротора генератора при выведении его из неподвижного состояния не более 5 и 10% номинального момента для генератора СГВМ4-У1 и генераторов СГВМ16-У1, СГВМ30-У1 соответственно.

Этот показатель имеет существенное значение при выборе генератора для использования его в составе ВЭУ с ветроприемным устройством вентиляторного (колинарного) типа, так как эти устройства обладают низким моментом трогания.

На рис.1 показан график момента двухлопастного ветроприемного устройства вентиляторного типа в относительных единицах.

Синхронные генераторы для автономных установок

Рис. 1. График момента двухлопастного ветроприемного устройства вентиляторного типа в относительных единицах.

По оси X отложена функция модульности:

Z=2*p*n*R/V,

где n - частота вращения ветроприемного устройства; R -радиус охватываемой им поверхности; V - скорость ветра. По оси Y отложена безразмерная величина:

m=2*M / p*R3*c*V2,

где с - плотность воздуха; М - момент, развиваемый ветроприемным устройством. Из выражения видно, что ветроприемное устройство развивает максимальный момент при оборотах, близких к номинальным.

Генератор самовозбуждается без постороннего источника питания за счет остаточного магнитного потока элементов магнитной цепи. Однако в ряде случаев этого потока оказывается недостаточно.

При отсутствии самовозбуждения допускается подмагничивание генератора от постороннего источника постоянного тока. Для этого к зажиму 2U1 подключают плюс, а к зажиму 1U1 - минус источника питания и по обмотке возбуждения кратковременно пропускают постоянный ток 3...5 А.

Генератор (рис.2) представляет собой бесконтактную электрическую машину с когтеобразными полюсами и внешним магнитопроводом (внешнезамкнутый магнитный поток). Конструктивно внешне напоминает обычный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором серии 4А.

Внутреннее устройство электрогенератора

Рис. 2. Внутреннее устройство электрогенератора.

Собственно генератор состоит из следующих составных частей: статора, ротора, двух подшипниковых щитов (заднего, расположенного со стороны привода, переднего - со стороны, противоположной приводу).

Статор 10 состоит из станины, сердечника статора и обмотки. Станина 12 выполнена в виде литой конструкции с внешними ребрами для охлаждения генератора посредством обдува воздушным потоком.

Сердечник статора, набранный из лакированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, запрессован в станину. Обмотка статора - всыпная.

В полузакрытых пазах сердечника размещены две трехфазные катушечные обмотки: основная двухслойная, предназначенная для питания потребителей, и вспомогательная однослойная, выполненная на пониженное напряжение (39 В для СГВМ4-У1) и предназначенная для питания обмотки возбуждения через блок автоматики.

Основная обмотка в клеммной коробке соединена в звезду и имеет выводные концы 1С1-1С4 с выведенной нейтралью. Вспомогательная обмотка, сдвинутая на 90 электрических градусов относительно фаз основной обмотки, соединена в звезду в лобовой части обмотки и имеет три выводных конца 2С1-2С3.

Ротор 11 состоит из вала, двух когтеобразных полюсных системы и подшипниковых узлов. Когтеобразные полюсные системы установлены на немагнитный вал. На валу смонтированы подшипники качения: со стороны присоединения к приводу - роликовый подшипник 4, с противоположной - шарикоподшипник 15. Подшипники защищены наружными 3, 16 и внутренними 5 крышками.

Щиты подшипниковые 7, 13 выполнены в виде литой конструкции, сопряжены со станиной посредством посадочных замков и прикреплены к ней болтами 8, 17.

Подшипниковые щиты имеют с внутренней стороны кольцевые пазы, в которых расположены концентрические многовитковые катушки возбуждения 9, выполненные обмоточным проводом ПЭТВ-200. Катушки возбуждения соединены последовательно для генератора СГВМ4-У1 и параллельно для генераторов СГВМ16-У1 и СГВМ30-У1.

Коробка выводов 18 установлена на станине и имеет один клеммник для выводов генератора. Внешний силовой кабель подводится через штуцер, расположенный на коробке выводов. В щите подшипниковом заднем установлено манжетное уплотнение 2 (только для генераторов СГВМ16 и СГВМ30) для предотвращения попадания масла из редуктора ветроагрегата во внутреннюю полость генератора.

В местах стыков установлены уплотнительные прокладки, препятствующие проникновению влаги во внутреннюю полость генератора. На практике эти прокладки рекомендуем сразу заменить. Герметизацию стыков лучше выполнить с помощью автомобильного силиконового герметика - прокладки, который можно приобрести в любом автомагазине.

При подготовке генератора к работе смазку подшипников рекомендуем заменить смазкой "ШРУС" (имеется в продаже в автомагазинах).

Блок автоматики

Блок автоматики выполнен в виде металлического ящика с ребрами для охлаждения (рис.3). Для внешних подключений имеются:

  • вилка Х1 для подключения генератора;
  • вилка Х2 для подключения дополнительных цепей управления;
  • разъем для подключения нагрузки.

Панели силовые соединяются с панелью ПУ с помощью розетки Х3 и вилки Х4 соединителя. Блок автоматики представляет собой регулятор напряжения по отклонению и выполняет следующие функции:

  • самовозбуждение генератора в заданном диапазоне частот;
  • регулирование напряжения генератора с заданной зависимостью от частоты с момента возбуждения до номинального значения;
  • регулирование напряжения с заданной точностью при повышении номинальной частоты изменения тока нагрузки, коэффициента мощности и температуры.

Блок автоматики в виде металлического ящика с ребрами для охлаждения

Рис. 3. Блок автоматики в виде металлического ящика с ребрами для охлаждения.

Схема блока автоматики

Структурная схема блока автоматики с подсоединенными к нему генератором и нагрузкой показана на рис.4, электрическая принципиальная схема - на рис.5.

Структурная схема блока автоматики с подсоединенными к нему генератором и нагрузкой

Рис. 4. Структурная схема блока автоматики с подсоединенными к нему генератором и нагрузкой.

Исполнение блока автоматики отличается только номинальными значениями коллекторного тока транзистора V1 и вставки F1, определяемыми мощностью применяемого генератора.

Регулирование напряжения генератора осуществляется посредством изменения сопротивления в цепи обмотки возбуждения (ОВ) за счет изменения соотношения времени замкнутого и разомкнутого состояния транзисторного ключа (КЭ), включенного вместе с дополнительным резистором R1 в цепь обмотки возбуждения.

Электрическая принципиальная схема блока автоматики для генератора

Рис. 5. Электрическая принципиальная схема блока автоматики для генератора.

Конденсаторы:

  • С1, С2 - МБГО-2-300 В-30 мкФ;
  • С4-С6 - К73-11-160 В-1 мкФ±5%;
  • С7, С8, С11, С12, С16, С17, С21, С22, С24, С25 - КМ-56-Н90-0,] мкФ±10%;
  • С9 - К73-11-250 В-0,047 мкФ±5%;
  • С10 - К50-35-100 В-220 мкФ-И;
  • С13, С14, С18, С19 - К50-35-160 В-100 мкФ-И;
  • С15, С20 - К50-35-25 В-22 мкФ-И;
  • С23 - МБМ-160 В-0,25 мкФ±20%.

Микросхемы и другое:

  • DA1-DA5 - УД701.
  • F - вставка ВПБ6-11, 3,15 А;
  • К - реле РПГ-5-210100.

Резисторы:

  • R1 - С5-35 В-25-47 Ом±10%;
  • R2 - МЛТ-0,5-4,7 Ом±10%-В;
  • R3 - МЛТ-0,5-10 Ом±10%-В;
  • R4 - С5-35 В-25-10 Ом±10%;
  • R5 - МЛТ-0,5-360 Ом±10%-В;
  • R6 - МЛТ-0,5-51 Ом±10%-В;
  • R7 - МЛТ-0,5-22 Ом±10%-В;
  • R8 - МЛТ-2-300 Ом±10%-В;
  • R9 - МЛТ-0,5-1 кОм±10%-В;
  • R10 - МЛТ-0,5-300 Ом±10%-В;
  • R11, R16 - С2-29 В-0,25-6,81 кОм±1%;
  • R12 - С2-29 В-0,25-80,6 кОм±1%;
  • R13 - С2-29 В-1-10 кОм±1%;
  • R14, R15 - С2-29 В-0,25-24 кОм±1%;
  • R17 - ППЗ-43-1 Вт-3,3 кОм±10%;
  • R18 - ППЗ-43-1 Вт-1,5 кОм±10%;
  • R19 - С2-29 В-0,25-10 кОм±1%;
  • R20, R21 - МЛТ-0,5-3 кОм±10%-В;
  • R22 - МЛТ-0,5-1,3 кОм±10%-В;
  • R24 - С2-29 В-0,25-510 Ом±1%;
  • R25 - МЛТ-0,5-200 Ом±10%-В;
  • R26 - МЛТ-0,5-82 Ом±10%-В;
  • R27 - МЛТ-0,5-30 кОм±10%-В;
  • R28 - ППЗ-43-1 Вт-10 кОм±10%;
  • R29, R30 - МЛТ-0,5-10 кОм±10%-В;
  • R31, R32 - МЛТ-0,5-3 кОм±10%-В;
  • R33, R34 - С2-29 В-0,25-4,7 кОм±1%;
  • R35 - МЛТ-0,5-470 Ом±10%-В;
  • R36, R46 - С2-29 В-0,25-4,7 кОм±1%;
  • R37, R38 - С2-29 В-0,25-5,11 кОм±1%;
  • R39 - МЛТ-0,5-2,7 кОм±10%-В;
  • R40, R48 - МЛТ-0,5-3 Ом±10%-В;
  • R41, R49 - С5-35 В-10-3,3 кОм±10%;
  • R42, R43 - С2-29 В-0,25-24 кОм±1%;
  • R44 - С2-29 В-0,25-12 кОм±1%;
  • R45 - С2-29 В-0,25-6,04 кОм±1%;
  • R47 - С2-29 В-0,25-619 кОм±1%.

Полупроводниковые приборы:

  • U1-U4 - модуль диодный МДД-40-4-У2;
  • U5 - диодный мост КЦ405Г;
  • U6, U7 - диодный мост КЦ402Г;
  • V1 - СГВМ4, транзистор ТК235-40-3-1;
  • V2, V3, V23, V31 - транзистор КТ812В;
  • V4 - транзистор Т122-25-10;
  • V5 - диод КД105В;
  • V6 - диод Д112-25-10;
  • V7, V18, V29 - транзистор КТ630А;
  • V8-V10, V13, V19, V22, V24, V25, V28 - диод ДК102А;
  • V11 - стабилитрон КС162А;
  • V12 - транзистор КТ117А;
  • V14, V15 - стабилитрон Д818Д;
  • V16, V21, V26, V30 - стабилитрон КС515А;
  • V17, V27 - транзистор КТ826А;
  • V20 - транзистор КТ826А;
  • V32 - стабилитрон Д818Е;
  • V33 - оптотиристор АОУ103В.

Разъемы:

  • Х1 - вилка ШРГ 32П125Ш1Н;
  • Х2 - вилка ШРГ 28П73Ш8Н;
  • Х3 - розетка РП10-22Л;
  • Х4 - вилка РП10-22Л;
  • Х5 - вилка ШРГ 20П25Ш6Н.

Разное:

  • S - тумблер ТП1-2В.
  • T1 - трансформатор ОСМ1-0,063У3-220-82-82;
  • T2 - трансформатор 633ГА.171.023.

На входе суммирующего усилителя происходит сравнение сигнала установки, т.е. сигнала, пропорционального текущему значению напряжения, с сигналом, пропорциональным отношению U/f^2, полученным с выхода измерительного органа. Временные диаграммы, поясняющие работу блока автоматики, показаны на рис.6.

Временные диаграммы, поясняющие работу блока автоматики

Рис. 6. Временные диаграммы, поясняющие работу блока автоматики.

Сигнал рассогласования между указанными сигналами усиливается и с выхода суммирующего усилителя подается на вход компаратора широтно-импульсного модулятора (ШИМ), где сравнивается с пилообразным напряжением, поступающим с выхода задающего генератора.

В результате на выходе ШИМ формируются импульсы прямоугольной формы, коэффициент заполнения которых зависит отвеличины сигнала рассогласования.

Коэффициент заполнения представляет собой отношение длительности прямоугольного импульса tп к периоду следования T. Импульсы прямоугольной формы с выхода ШИМ усиливаются и используются в качестве управляющих сигналов транзисторного ключа, включенного в цепь обмотки возбуждения генератора.

При изменении сигнала рассогласования от нуля до величины амплитудного значения пилообразного напряжения, коэффициент заполнения меняется от 1,0 до 0, а ток возбуждения генератора Iв - от своего максимального значения до минимального. Переключение транзисторного ключа осуществляется с постоянной частотой, определяемой частотой пилообразного напряжения задающего генератора ШИМ.

Для снятия коммутационного перенапряжения на обмотке возбуждения генератора, возникающего при переключении транзисторного ключа, и защиты последнего от пробоя используется шунтирующий диод, который обеспечивает прохождение тока Iв через обмотку возбуждения при размыкании ключа.

Измерительный орган блока автоматики включает измерительный трансформатор Т2, первичная обмотка I которого включена на линейное напряжение рабочей обмотки генератора.

Вторичная обмотка II вместе с выпрямителем U5, фильтром С10 и нелинейным мостом V14V15R29R30 формирует сигнал постоянного напряжения, пропорциональный текущему значению напряжения генератора.

Момент перехода указанного напряжения через ноль регулируется с помощью потенциометра R28. Вторичная обмотка III вместе с трехступенчатой интегрирующей цепочкой R13+R15, C4-C6 и активным выпрямителем на DA4, DA5 формирует сигнал постоянного напряжения, пропорциональный отношению Uген/fn:

Uген/f = const - при положении I тумблера S;

Uген/f2 = const - при положении II тумблера S и максимальной величине резистора R17;

Uген/f3=const - при положении I тумблера S и минимальной величине резистора R17.

Работа активного выпрямителя сводится к следующему. При положительном входном напряжении (положительный полупериод) микросхема DA4 работает как инвертирующий повторитель, а микросхема DA5 - как суммирующий усилитель. Учитывая, что R44=2R45, на выходе DA5 имеет место положительное напряжение (положительный полупериод).

При отрицательном напряжении выходное напряжение микросхемы DA4 равно нулю, так как диод V24 открыт, микросхема DA5 работает как инвертирующий повторитель и на выходе также имеет место положительное напряжение. Таким образом, осуществляется двухполупериодное выпрямление.

Суммирующий инвертирующий усилитель на микросхеме DA1 имеет на входе диодное сравнение сигнала, пропорционального напряжению генератора, и сигнала, пропорционального, например, Uген/f2 .

При этом с момента возбуждения генератора и до номинальной частоты вращения сигнал, пропорциональный Uген/f2, превышает сигнал, пропорциональный текущему значению напряжения генератора. Диод V9 закрыт, и блок автоматики регулирует напряжение генератора при условии Uген = const.

При частоте 50 -ц сигнал, пропорциональный текущему значению напряжения генератора, превышает сигнал, пропорциональный Uген/f2, диод V9 открывается, а диод V13 закрывается, и блок автоматики регулирует напряжение генератора при условии Uген = const. При положении переключателя II тумблера S параллельно конденсатору С4 включается двуханодный стабилитрон V11.

Закон регулирования напряжения генератора до момента пробоя стабилитрона определяется трехступенчатой интегрирующей цепочкой R13C4R14C5R15C6.

При пробое стабилитрона V11 и увеличении частоты напряжение генератора резко увеличивается до начала регулирования Uген = const. Коэффициент усиления суммирующего усилителя определяется отношением значений резисторов R11 и R12.

Установка напряжения формируется на стабилитроне V20, снимается с делителя R37R38 и подается на вход суммирующего усилителя через резистор R16 и диод V10. Диоды V10 и V22 служат для компенсации температурного изменения уровня напряжения стабилизации стабилитрона V20 и напряжения установки.

Широтно-импульсный модулятор включает в себя компаратор на базе неинвертирующего операционного усилителя DA3 с коэффициентом усиления, равным бесконечности, релаксационный генератор пилообразного напряжения на базе однопереходного транзистора V12 и неинвертирующий повторитель на микросхеме DA2.

Частота генерации пилообразного напряжения составляет 600...800 -ц и определяется сопротивлением резистора R27, емкостью конденсатора С9 и напряжением питания 15 В. Резисторы R33, R34 определяют соотношение сравниваемых сигналов на входе компаратора DA3.

Резистор R39 ограничивает максимальный выходной ток. Эмиттерный повторитель является согласующим звеном между релаксационным генератором и компаратором. Делители напряжения R20R21 и R32R32 ограничивают выходные напряжения DA3.

Конденсаторы С7-С9, С11, Сі2, С16, С17, С21, С22, С24, С25 являются развязывающими фильтрами в цепях питания микросхем DA1-DA5.

Транзистор V7 с ограничительным резистором в коллекторной цепи R8 является усилителем мощности сигнала прямоугольной формы, поступающего с выхода компаратора. В качестве ключевого элемента используется составной транзистор, состоящий из транзисторов V1-V3, включенных по схеме Дарлингтона, с резисторами R2, R3, R5 в базовой цепи, обеспечивающих их надежную работу в ключевом режиме.

Для обеспечения номинального функционирования электронных устройств во всем диапазоне работы источники напряжения, включающие в себя трансформатор с тремя обмотками Т1, выпрямительные устройства U6 и U7 с конденсаторами С13, С14, С18, С19 и два сдвоенных транзисторных стабилизатора напряжения, стабилизированы.

Транзисторный стабилизатор напряжения представляет собой регулятор, сравнивающий выходное напряжение с опорным, на базе стабилитрона V13 (V26), который вырабатывает сигнал рассогласования, воздействует этим сигналом на регулирующий элемент на базе составного транзистора V17, V23, (V27, V31) и устанавливает заданный уровень выходного напряжения.

Для ограничения тока нагрузки транзисторного стабилитрона используется транзистор V18 (V29) с резисторами R40 (R48). Для разгрузки по току силового транзистора стабилизатора напряжения используется резистор R41 (R49). Стабилитроны V21, V30 и диоды V19, V28 обеспечивают стабилизацию выходного напряжения источника питания в динамических режимах работы при сбросе и подачи нагрузки.

Возбуждение генератора осуществляется узлом возбуждения (УВ) блока автоматики. При увеличении частоты вращения генератор возбуждается от своего фазного напряжения (1С4, 1С1), определяемого остаточным намагничиванием, по цепи: тиристор V4, переменный резистор R4, обмотка возбуждения, диод V6. Включение тиристора V4 осуществляется сигналом его анодного напряжения через размыкающий контакт реле К, обмотка которого включена на выходе стабилизированного источника питания через оптотиристор V33.

В процессе возбуждения генератора, при достижении фазного напряжения величины 50 В и тока в цепи возбуждения 2...3 А, электромагнитное реле К срабатывает и отключает обмотку возбуждения генератора от его фазного напряжения. Дальнейшее возбуждение генератора до заданного значения напряжения осуществляется по цепи: исполнительная обмотка генератора, трехфазный выпрямитель (U1, U2, U3), обмотка возбуждения, транзисторный ключ.

Узел управления возбуждением обеспечивает только начальный момент возбуждения генератора. Переменный резистор R4 обеспечивает регулирование момента отключения реле К через оптотиристор V33 при достижении в цепи возбуждения заданного тока.

Вставка F обеспечивает защиту обмотки возбуждения генератора при выходе из строя любого радиоэлемента цепи начала возбуждения. При снятии тока возбуждения генератора размагничивание осуществляется по естественной характеристике, без какого-либо влияния блока автоматики.

При детальном знакомстве с генератором становится очевидным, что его конструкция разрабатывалась строго под ветроприемные устройства вентиляторного типа с мультипликатором (передаточное отношение мультипликатораветроагрегата АВЭУ6-4М равно шести). В конструкции генератора инженеры максимально использовали имеющуюся в их распоряжении технологическую оснастку (штампы для изготовления пакета статора, литейная оснастка корпусных деталей и т.д.).

Поэтому, при всех своих достоинствах, генератор получился немного "зажатым", чего не скажешь о блоке автоматики. В его конструкции все логично и оптимально подобрано. Элементная база, по тому времени, достаточно современная. По нашему мнению, генератор заслуживает того, чтобы он был положен в основу самодельных ВЭУ.

И не беда, если у Вас нет его под рукой. Имея схему и зная принцип работы, блок автоматики можно изготовить и наладить самостоятельно. Прецизионные резисторы с классом точности ±1% можно изготовить из обычных резисторов МЛТ меньшего номинала. Для этого аккуратно удалите краску с графитового слоя сопротивления.

Подключите его к измерительному мосту и, контролируя изменение сопротивления, полоской мелкой наждачной ленты равномерно по поверхности удалите часть графитового слоя до получения нужного сопротивления. Что касается генератора, то "приспособленчество" сыграло некоторую положительную роль.

Генератор

Возьмите сгоревший асинхронный двигатель подходящей мощности, 1500 об/мин, уменьшите на 15...20% сечение обмоточного провода и выполните по стандартной схеме рабочую обмотку. Затем по формуле б=360*р, где p - число пар полюсов двигателя, рассчитайте число электрических градусов в расточке статора.

По формуле O=б/z1, где z1 - число пазов статора, рассчитайте число электрических градусов, приходящихся на один паз. Затем по формуле Nz=90/O определите, на сколько пазов необходимо сдвинуть вспомогательную обмотку относительно рабочей обмотки по направлению укладки. Вспомогательная обмотка по схеме аналогична рабочей, число витков в ней меньше в UH/39 раз, чем в рабочей.

Диаметр провода без изоляции рассчитайте исходя из сопротивлений. Число витков обмотки не сложно рассчитать исходя из ее сопротивления постоянному току по удельному сопротивлению меди, равному 0,017 Ом-м/мм2. Данные для генераторов СГВМ приведены в табл.3 и табл.4.

Таблица 3

Тип Мощность, кВт/кВА Ток, А КПД, % Номинальное
значение R
при 15°С, Ом
Предельно допустимое
значение R, Ом
        Основ. Доп. Возб. Основ. Доп. Возб.
СГВМ4 4/5 7,22 82,5 1,63 0,15 4,23 От 1,793 До 1,467 От 0,165 До 0,135 От 4,65 До 3,81
СГВМ16 16/20 28,9 89,0 0,19 0,066 3,50 От 0,209 До 0,171 От 0,073 До 0,059 От 3,85 До 3,15
СГВМ30 30/37,5 54,1 90,0 0,08 0,033 2,05 От 0,088 До 0,072 От 0,036 До 0,030 От 2,25 До 1,85

Таблица 4

Тип
генератора
Значение Ів при
"холостом" ходе, А
Значение Ів при
коротком замыкании, А
Значение напряжения
дополнительной обмотки
  Нимин. Пред. доп. Нимин. Пред. доп. Нимин. Пред. доп.
СГВМ4 2,85 От 3,13 До 2,07 2,85 От 3,13 До 2,0 39 От 37,05 До 40,95
СГВМ16 4,40 От 4,84 До 3,96 5,30 От 5,83 До 4,77 59 От 56,05 До 61,95
СГВМ30 6,40 От 7,04 До 5,76 9,00 От 9,9 До 8,1 51 От 48,45 До 53,55

Ширину когтя ротора в верхней части можно принять равной 0,7...0,8 ширины фазной катушки статора, а в основании - равной ширине катушки. Конструктивное размещение катушек возбуждения и когтей, думаем, не вызовет больших затруднений. Крышки можно доработать, выточив дополнительные элементы магнитной цепи.

Рабочий зазор между якорем и статором должен быть равным рабочему зазору двигателя, а зазор между якорем и магнитопроводом крышки - не более 0,2...0,3 мм.

Одно существенное ограничение: корпус двигателя и крышки должны быть стальными, а вал - немагнитным. Как правило, взрывозащищенные двигатели выполняются со стальным корпусом. Даже без проведения детального расчета магнитной цепи можно самостоятельно изготовить приемлемый генератор.

Если Вы решили построить ВЭУ без мультипликатора, у Вас возникнет проблема по подбору тихоходного генератора с номинальной частотой вращения, равной частоте вращения ветроприемного устройства. Во многих конструкциях эта частота лежит в диапазоне 100.250 об/мин. Такие генераторы выпускают предприятия "Мир ветра" и "Виндэлектрик".

Нашим предприятием то же разработана конструкция тихоходного комбинированного бесконтактного синхронного генератора постоянного тока со смешанным возбуждением БСГ-4. В какой-то степени генератор аналогичен автомобильному генератору.

Генератор является многополюсной электрической машиной и предназначен для питания автономных электрических систем освещения и теплоснабжения малой мощности при работе в составе ветроэнергетических установок и микроГЭС.

Конструкция генератора предусматривает возможность его расположения при эксплуатации непосредственно на стенах и кровлях зданий, мачтах, опорах и вышках, фундаментах и т.п. при внешних источниках механических воздействий, создающих вибрации с частотой 35 Гц при максимальном ускорении 0,5g и отсутствии ударных нагрузок.

В зависимости от схемы включения выпрямительного устройства генератор позволяет включать нагрузку как в цепь постоянного, так и переменного тока. Выходные напряжения генератора 230 В. Максимальное отклонение напряжения генератора от номинального не более 5%, при совместной работе генератора с регулятором напряжения.

Номинальная мощность генератора не менее 4,0 кВт. Максимальная мощность генератора не менее 7,0 кВт. Начальная частота вращения генератора, при которой он начинает вырабатывать номинальное напряжение, не более 63 об/мин. Начальная частота тока генератора не менее 36 Гц.

Номинальная частота вращения ротора генератора, соответствующая номинальной мощности, не более 160 об/мин. Максимальная частота вращения ротора генератора, соответствующая максимальной мощности, не более 530 об/мин. Максимально допустимая по прочностным характеристикам частота вращения ротора генератора не менее 1500 об/мин.

КПД генератора при номинальном режиме работы не менее 0,82. Генератор имеет выводы обмоток возбуждения и статора для подключения к аппаратуре управления и защиты, выпрямительному устройству и нагрузке.

Буквенные и цифровые обозначения обмоток генератора:

  • обмотка статора: начало - U1, конец - U2;
  • обмотки возбуждения: последовательная: начало - F1, конец - F2; параллельная: начало - 1F1, конец - 1F2.

Генератор может работать при любом из направлений вращения вала. Конструкция генератора защищена от брызг, проникновения и попадания посторонних предметов.

Генератор состоит из следующих основных элементов и узлов (рис.7):

  • 1 - корпус;
  • 2 - верхняя и нижняя крышки с размещенными в них элементами магнитной цепи и катушками последовательного и параллельного возбуждения;
  • 3 - шихтованный пакет статора с рабочей обмоткой;
  • 4 - вал с когтеобразным ротором, внутри которого расположены постоянные магниты системы начального возбуждения.

Основные узлы и элементы генератора

Рис. 7. Основные узлы и элементы генератора.

Для соединения элементов генератора предусмотрены шпильки 5, стянутые гайками 6 и зафиксированные шайбами пружинными 7. В крышках установлены радиальноопорные шарикоподшипники 8, имеющие защиту от пыли и влаги.

Для поддержания выходного напряжения генератора в заданных пределах предусмотрена аппаратура управления и защиты. Генератор снабжен выпрямительным устройством. Схема соединений генератора показана на рис.8.

Схема соединений генератора

Рис. 8. Схема соединений генератора.

При вращении вала с ротором магнитное поле постоянных магнитов когтеобразного ротора, замыкаясь через шихтованный пакет статора, возбуждает в его обмотках первичную ЭДС самоиндукции. Значение и частота ЭДС находится в прямой зависимости от частоты вращения вала с ротором.

Под действием первичной ЭДС самоиндукции во внешних цепях и обмотке статора генератора протекает начальный ток. Начальный ток после выпрямителя, протекая по последовательной обмотке возбуждения, замыкается через параллельную обмотку возбуждения.

Магнитный поток последовательной обмотки возбуждения компенсирует размагничивающее действие магнитного потока от тока обмотки статора. Ток параллельной обмотки возбуждения создает дополнительный магнитный поток, усиливающий поток от постоянных магнитов. Суммарный магнитный поток постоянных магнитов и обмоток возбуждения наводит в обмотке статора ЭДС самоиндукции.

При достижении ротором генератора начальной частоты вращения, ЭДС самоиндукции достигает значения, достаточного для получения номинального выходного напряжения на выводах рабочей обмотки генератора.

Коммутируя параллельную обмотку возбуждения, аппаратура управления и защиты генератора поддерживает стабильное выходное напряжение генератора при повышении частоты вращения ротора генератора и отключении нагрузки, обеспечивает его защиту от перегрузок по току.

Введение в конструкцию постоянных магнитов снижает ток параллельной обмотки возбуждения и обеспечивает гарантированное возбуждение после плавного сброса нагрузки, что позволяет отказаться от блока начального возбуждения.

Использование обмотки последовательного возбуждения позволило еще больше снизить ток в параллельной обмотке возбуждения, снизить мощность коммутирующего элемента и существенно упростить схему блока управления и защиты. Для большей доступности и упрощения ремонта блок выполнен на базе автомобильного коммутатора и реле-регулятора.

Генератор имеет два рабочих конца вала. Такое исполнение принято исходя из конструкции ветроприемного устройства роторного типа с горизонтальной и вертикальной осью вращения. Генератор не требует начального возбуждения.

В основном он предназначен для питания систем теплоснабжения по цепям постоянного тока. Как правило, большинство электронагревательных приборов могут работать как в сетях переменного, так и постоянного тока.

Для питания от генератора потребителей с нормированным качеством электроэнергии и частотой предусмотрена его работа совместно с источником бесперебойного питания серийного производства. Генератор предусматривает возможность параллельной работы нескольких генерирующих установок на одну нагрузку без специальной схемы согласования.

Генератор обладает значительным страгивающим моментом, достигающим 35% номинального момента, что может оказаться неприемлемым для ряда конструкций ВЭУ с ветроприемным устройством вентиляторного типа. Ветроприемные устройства роторного типа, обладающие большим пусковым моментом, наиболее подходят для использования генератора БСГ-4.

К существенным недостаткам генератора необходимо отнести вероятность частичного размагничивания постоянных магнитов в режиме короткого замыкания. Поэтому необходимо уделять внимание надежной защите генератора от короткого замыкания.

Д.А. Дуюнов, А.В. Пижанков, С.Н. Левачков, г. Стаханов. Луганская обл. Украина. Электрик-2004-09, 10, 11.

1 231 Альтернативная энергия
синхронный генератор генератор напряжения альтернативная энергетика
pcbway
х (мм)
Получи купон на $5.00!
Написать комментарий:

cashback