Разработка ветроэнергетической установки

При конструктивном расчете реактора необходимо определить следующие его данные:

1) тип и размеры сердечника;

2) количество витков обмотки ω;

3) диаметр провода d в мм;

4) длину воздушного зазора lz в мм.

Заданными величинами (известными из электрического расчета фильтра) при этом являются:

1) индуктивность реактора L в Гн;

2) ток, протекающий через реактор (выпрямленный ток) Id, в А.

Расчет реактора, подобно расчету трансформатора, целесообразно начать с выбора сердечника.

Выбор размеров сердечника реактор следует производить, исходя из заданной величины , которая характеризует магнитную энергию, запасаемую в сердечнике. Чем больше величина , тем больший объем должен иметь сердечник дросселя.

Для определения минимальной величины объема сердечника реактора V можно пользоваться следующей приближенной формулой:

                                       (3.32)

Если объем сердечника взять много меньше величины, найденной из формулы (3.32), то будет иметь место сильное магнитное насыщение сердечника. Это ведет к значительному уменьшению магнитной проницаемости материала сердечника и увеличению расхода провода на изготовление данного реактора. [17]

По справочнику основных габаритов сердечников [18] выбираем тип сердечника, удовлетворяющий выражению (3.32): стержневой ленточный магнитопровод типа ПЛ6,5х12,5х8, для которого Vсм = 2,69 см3; Sсм = 0,73 см2; lср.м = 3,69 см. Далее переходим к расчету обмотки реактора.

Если реактор работает при слабом подмагничивании постоянным током, то зазор в его сердечнике не делается. Если же реактор работает при значительном постоянном токе, когда необходимо делать в его сердечнике зазор, то число витков вычисляем по формуле:

                    (3.33)

где Sсм – активная площадь сечения магнитопровода;

Vсм – активный объем магнитопровода.

Наивыгоднейшая длина зазора сердечника может быть найдена из следующего приближенного соотношения:

                                                 (3.34)

Диаметр провода обмотки реактора находят по заданному выпрямленному току, исходя из допустимой плотности тока. При плотности тока ј = 2,5 А/мм необходимый диаметр проводов находим по формуле:

                                  (3.35)

Определяем полную массу реактора по формуле:

                                                                            (3.36)

Масса провода  определяется по формуле:

                                                       (3.37)

где ρ = 8600 кг/м3 – плотность меди;

 – площадь сечения провода;

 – полная длина провода.

Площадь сечения провода определяем по формуле:

                               (3.38)

Полная длина провода определяется из соотношения:

                                                     (3.39)

где lср.м – средняя длина витка.

Тогда полная масса реактора будет равна:

3.3 Электробезопасность экспериментальной установки

Основные требования к безопасности электрооборудования изложены в ГОСТ 12.2.007.0-75 системы стандартов безопасности труда.

Стандарт устанавливает общие требования безопасности конструкции изделий, т. е. требования безопасности, предотвращающие или уменьшающие до допустимого уровня воздействия на человека: электрического тока, электрической искры и дуги, движущихся частей изделия, частей, нагревающихся до высоких температур, опасных и вредных материалов, используемых в конструкции изделия, а также опасных и вредных веществ, выделяющихся при его эксплуатации, шума, ультразвука и вибрации, электромагнитных полей и теплового, оптического и рентгеновского излучения. [19]

3.3.1 Расчет заземления

При повреждении изоляции электроустановки, ее корпус и другие конструктивные элементы могут оказаться под напряжением. Если человек прикоснется к такому поврежденному оборудованию, через него пройдет ток замыкания на землю, который может быть опасным для жизни.

Для защиты человека при прикосновении к металлическим частям электроустановки, случайно оказавшимся под напряжением, применяют защитное заземление – преднамеренное соединение корпуса или других металлических конструкций установки с землей. Назначение защитного заземления – создание между корпусом электрического устройства и землей электрического соединения с малым сопротивлением.

При прикосновении человека к заземленному оборудованию, оказавшемуся под напряжением, через его тело пройдет ток малой величины, безопасный для организма. Основной ток замыкания на землю пойдет по заземляющему устройству. Заземляющее устройство – совокупность заземлителя и заземляющих проводников. Заземлитель – металлический проводник, находящийся в непосредственном соприкосновении с землей. Заземляющие проводники соединяют заземляемые части электроустановки с заземлителем. Сопротивление заземляющего устройства в основном определяется сопротивлением растеканию тока с заземлителя в грунт.

Для заземления используют естественные и искусственные заземлители. Естественные заземлители – арматура железобетонных сооружений, фундаменты зданий, трубопроводы и другие металлические конструкции, имеющие надежный контакт с землей. В качестве искусственных заземлителей чаще всего используют вертикально заглубленные стальные трубы, стержни, уголки, соединенные поверху стальной горизонтальной полосой.

Сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединены нейтрали трансформаторов либо выводы источников однофазного тока, в любое время годе должно быть не более 4 Ом соответственно при линейном напряжении 380 В источника трехфазного тока.

Сопротивление растеканию тока не должно превышать нормативной величины. Для электроустановок напряжением до 1000 В нормативное значение составляет 4 Ом, а если подсоединенная к сети мощность не превышает 100 кВА – 10 Ом.

Монтажный участок по сборке силового блока привода постоянного тока находится на первом этаже двухэтажного отдельно стоящего кирпичного здания размером 20×10м. Мощность тока, потребляемая участком, превышает 100 кВА и поэтому нормативная величина сопротивления заземлителя Rн не должна превышать 4 Ом. Заземлитель предполагается выполнить из стальных вертикальных стержневых электродов длиной lв = 1,5 м, диаметром d = 0,02 м, верхние концы которых расположены на глубине t0 = 0,8 м. Вертикальные электроды соединены между собой с помощью горизонтального электрода – стальной полосы сечением 4x40 мм, уложенной в земле на глубине t0 = 0,8 м. Вертикальные электроды расположены на расстоянии а = 3м друг от друга. Тип заземлителя выбираем контурный по периметру участка.

Выбираем 3-ю климатическую зону.

Определяем коэффициент сезонности φ для однородной земли: φв =1,2, φг = 2.

Удельное сопротивление однородного грунта (суглинок) ρ0 = 100 Ом·м.

Рассчитываем удельное сопротивление грунта для вертикального электрода:

                                                           (3.40)

Удельное сопротивление грунта для горизонтального электрода:

                                                         (3.41)

Сопротивление одиночного вертикального заземлителя:

                      (3.42)

Число вертикальных заземлителей:

                                                                               (3.43)

Длина горизонтальной полосы:

                                                                        (3.44)

Сопротивление горизонтального заземлителя:

                             (3.45)

где b – ширина стальной горизонтальной полосы.

Определяем сопротивление группового заземлителя:

                    (3.46)

где ηв – коэффициент использования вертикальных заземлителей;

ηг – коэффициент использования горизонтальных заземлителей.

По условиям безопасности заземление должно обладать малым сопротивлением (Rн < 4 Ом), обеспечить которое можно путем увеличения геометрических размеров электродов или увеличив их число, соединенных в контур. Второй путь намного экономичнее по затратам металла и другим условиям. Кроме того, при применении нескольких электродов можно выровнять потенциальную кривую на территории, где они размещены. Поскольку расчетное Rз =4,72 Ом > Rн = 4 Ом, то увеличиваем количество вертикальных электродов до n = 24.

Тогда длина горизонтальной полосы:

                                                                       (3.47)

Сопротивление горизонтального заземлителя:

                        (3.48)

Сопротивление группового заземлителя:

                      (3.49)

где ηв = 0,624; ηг = 0,312.

Так как Rз = 3,6 Ом < Rн = 4 Ом, то этот результат принимаем как окончательный.

Таким образом, проектируемый заземлитель контурный, состоит из 24 вертикальных стержневых электродов длиной 1,5 м, диаметром d = 20мм, заглубленных в землю на 0,8 м и соединенных стальной горизонтальной полосой длиной 75 м, сечением 4х40 мм (рис. 3.4).

Рисунок 3.4 – Схема заземления: 1 – монтажный участок, 2 – вертикальный заземлитель, 3 – горизонтальный заземлитель

3.3.2 Расчет автоматического защитного отключения

Защитным отключением называется система защиты, обеспечивающая автоматическое отключение всех фаз или полюсов аварийного участка сети с напряжением до 1000 В с полным временем отключения с момента возникновения однофазного замыкания не более 0,2 с.

Экспериментальный стенд питается напряжением 220 В, находясь в конце линии 380/220 В и будучи зануленным потребителем энергии. Вследствие удаленности ее от трансформатора возможны случаи отказа зануления. Вместе с тем по условию безопасности требуется безусловное отключение установки при замыкании фазы на корпус, причем напряжение прикосновения Uпр.доп не должно превышать длительно 60В. Для выполнения этих условий снабжаем установку защитно-отключающим устройством, реагирующим на потенциал корпуса. При этом используется реле напряжения, у которого напряжение срабатывания Uср = 30 В, сопротивление обмотки активное Rр = 400 Ом и индуктивное X = 200 Ом.

Принимаем, что при касании к корпусу человек стоит на сырой земле вне зоны растекания тока с заземлителей, т. е. считаем, что α1 = α2 = 1. В этом случае условие безопасности будет:

φз.доп = Uпр.доп , В                                                                             (3.50)

Следовательно

                                                                   (3.51)

Откуда находим значение сопротивления вспомогательного заземления:

Rв £ 470 Ом, при котором защитное отключение будет срабатывать, если напряжение прикосновения достигнет 60 В.

Таким образом, если при прикосновении человека к корпусу оборудования или фазе сети напряжение прикосновения (или ток через человека) превысит длительно допустимое значение, то возникает реальная угроза поражения человека током, и мерой защиты в этом случае может быть лишь быстрый разрыв цепи тока через человека, т. е. отключение соответствующего участка сети.

Для выполнения этой задачи в качестве реле в схеме защитного отключения выбираем однофазное реле переменного тока с тиристорным выходом 5П19.01-ТС-1-4 с параметрами:

– Коммутируемое напряжение (ср. кв. значение), В           –140;

– Коммутируемое напряжение (пик. значение), В               – 400;

– Коммутируемый ток, А                                                     – 1,0;

– Ударный ток, А                                                                 – 15.

4 МОДЕЛИРОВАНИЕ СПП ИМИТАТОРА ВТ

4.1 Построение семейства внешних характеристик СПП

В процессе проектирования СПП автоматизированного электропривода имитатора необходимо провести его моделирование. Для моделирования рассчитанной схемы будем использовать программу схемотехнического проектирования MICROCAP 7.1 (рис. 4.2). Результаты моделирования представлены на рисунках 4.4, 4.5, 4.6, 4.7.

При моделировании силовых полупроводниковых вентилей (тиристоров) будем использовать их макромодели. Нагрузкой трехфазного мостового выпрямителя является якорная цепь двигателя постоянного тока, поэтому такая работа выпрямителя называется работой на противо-ЭДС. В данном случае, якорная цепь двигателя постоянного тока содержит в схеме замещения не только RL-элементы якорной обмотки, но и нелинейный зависимый источник напряжения NFV, который описывается функциональной зависимостью:

                                                                                 (4.1)

Задачей моделирования является рассмотрение влияния значения индуктивности в цепи нагрузки Ld на внешнюю характеристику выпрямителя. Внешней характеристикой называется зависимость выпрямленного напряжения от среднего значения тока нагрузки, т. е. Ud = f(Id) при α = const. Внешняя характеристика определяется внутренним сопротивлением выпрямителя, которое приводит к снижению выпрямленного напряжения с ростом нагрузки. Снижение напряжения обусловлено активным сопротивлением схемы ∆UR, падением напряжения в тиристорах ∆UVS и индуктивным сопротивлением ∆Uх, которое проявляется при процессах коммутации:

                                                   (4.2)

где

                                                                                   (4.3)

Согласно (4.2) выходное напряжение выпрямителя снижается по мере увеличения тока нагрузки Id за счет внутреннего падения напряжения.

Графики результирующих внешних характеристик выпрямителя, нагруженного на противо-ЭДС, приведены на рис. 4.1. Показателен крутой спад характеристик в области прерывистого выпрямленного тока. Это обусловлено резкой зависимостью длительности протекания тока λ от изменения противо-ЭДС и ограничением величины импульса тока реактансами Ха и Хd. В режиме непрерывного тока это ограничение определяется процессом коммутации, в котором участвует только реактанс Ха.

Рисунок 4.1 – Семейство внешних характеристик

При конечном значении индуктивности в цепи нагрузки может возникнуть режим прерывистого выпрямленного тока. В этом режиме ток проводящего вентиля спадает до нуля раньше, чем импульс управления поступает на следующий вентиль и в выпрямленном токе образуется нулевая пауза. Прерывистый выпрямленный ток приводит к искажению всех основных характеристик выпрямителя и, как правило, является нежелательным. Для сокращения области его существования необходимо увеличить постоянную времени нагрузки за счет роста индуктивности фильтра Ld.

Следует отметить, что интервалы прерывистых токов в управляемых выпрямителях большой мощности при двигательной нагрузке характеризуются малыми величинами среднего значения выпрямленного тока (проценты или доли процента номинального значения).

Рисунок 4.2 – Модель СПП имитатора ВТ

После того, как построена принципиальная схема СПП в программе МС7, переходим к расчету характеристик, выбирая в меню Analysis вид анализа Transient (Alt+1) – расчет переходных процессов (рис. 4.3). Для построения внешних характеристик необходимо снять графики переходных процессов выпрямленного напряжения Ud и тока Id, изменяя значение протово-ЭДС (рис. 4.4).

Рисунок 4.3 – Окно задания параметров для анализа переходных процессов

Рисунок 4.4 – Графики переходных процессов Ud и Id

Для построения семейства внешних характеристик при определенных углах управления α необходимо в окне параметров источников V1, V2, V3 (рис. 4.2) изменять значение начальной фазы РН.

Рисунок 4.5 – Диаграммы сетевого напряжения V1, V2, V3 при α = 0

Рисунок 4.6 – Диаграммы сдвоенных управляющих импульсов

Результаты моделирования СПП представляем в виде таблице.

Таблица 4.1 – Зависимость Ud = f(Id)

С помощью программы для работы с таблицами Microsoft Excel строим семейство внешних характеристик модели СПП (рис. 4.7).

Рисунок 4.7 – Семейство внешних характеристик СПП при Ld = 1,65 мГн

4.2 Построение оптимизированной модели СПП с выбором оптимальной индуктивности реактора

При решении реальных задач объект обычно характеризуется не одним, а несколькими показателями (критериями) функционирования. При оптимизации требования к ним могут быть противоречивыми, т. е. улучшая один показатель, неминуемо ухудшается часть остальных. Поэтому возникает задача определения некоторой компромиссной точки, в равной степени удовлетворяющей всем требованиям. Как правило, результаты по каждому отдельному показателю качества будут хуже, чем в случае однокритериальной оптимизации по этому параметру. [21]

Критерии – это показатели, по которым сравнивают оптимальное значение индуктивности. В качестве критериев сравнения выбираем:

1)                быстродействие системы τ, которое определяется по формуле:

                                                                             (4.4)

где Lя – индуктивность обмотки якоря двигателя;

Rя – сопротивление обмоток якоря двигателя;

2)                граничный прерывистый ток Idгр., значение которого определяется с помощью длительности протекания выпрямленного тока λ:

                                                                                          (4.5)

3) масса сглаживающего реактора, которая определяется по методике, описанной в п. 3.2.5.

Далее необходимо определить значимость критериев с помощью весовых коэффициентов. Поскольку задача определения весовых коэффициентов значимости является очень сложной, используем субъективный выбор: для 1-го критерия весовой коэффициент а = 0,6; для 2 го критерия – а = 0,3; для 2-го критерия – а =0,1.

Тогда многокритериальный оптимум вычисляется по формуле:

                                                                                    (4.6)

где аi – весовой коэффициент;

Qi – значение локального критерия;

Qmax – максимальное значение критерия.

Многокритериальный оптимум Q выбираем по минимальному значению. Алгоритм по нахождению многокритериального оптимума представлен на рис. 4.8. По данному алгоритму создана программа, которая была написана на языке Pascal. Программа представлена в Приложении А.

Рисунок 4.8 – Алгоритм оптимизации

Таблица 4.2 – Результаты многокритериальной оптимизации

Рисунок 4.9 – Зависимость быстродействия от индуктивности τ = f(Ld)

Рисунок 4.10 – Зависимость массы от индуктивности m = f(Ld)

Рисунок 4.11 – Зависимость тока от индуктивности Id = f(Ld)

Рисунок 4.12 – График для определения оптимального значения индуктивности

Таким образом, оптимальное значение индуктивности будет определяться при минимальном значении оптимума, равное Qmin = 0,36: Ld опт. = 2 мГн. Данной индуктивности соответствует реактор со стержневым ленточным магнитопроводом типа ПЛ6,5х12,5х16 с такими расчетными параметрами:

- Vсм = 3,52 см3 – активный объем магнитопровода;

- Sсм = 0,73 см2 – активная площадь сечения магнитопровода;

- Sок = 1,28 см2 – площадь окна;

- lср.м = 3,69 см – средняя длина витка;

- m = 37 г – масса магнитопровода

и полной массой М, равной 441 г.

Значение оптимизированной индуктивности не соответствует значению рассчитанной, так как критерии и весовые коэффициенты выбирались субъективно.

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

5.1 Общие требования

1. Испытания должны проводиться в нормальных климатических условиях по ГОСТ 15150 при номинальном напряжении сети, если в методах контроля не оговорены другие условия.

2. Контрольно-измерительные приборы и инструменты, применяемые при измерениях и испытаниях, должны быть поверены в сроки и в порядке, установленном ДСТУ 2708 и обеспечивать контроль параметров с заданной точностью.

Не допускается проведение испытаний на неаттестованном оборудовании и средствах измерений, срок обязательных поверок которых истек. Испытательное оборудование должно быть аттестовано по ГОСТ 24555.

3. При внешнем осмотре и проверке соответствия экспериментальной установки комплекту документации следует проверить:

- внешний вид стенда, в том числе чистоту поверхностей, качество защитных покрытий, пайки; упаковку на соответствие требованиям конструкторской документации;

- качество электрических контактных соединений должно проверяться щупом класса точности II, толщиной 0,03 мм. Проверке подлежат электрические контактные соединения проводов постоянного и переменного тока;

- правильность сборки и монтажа;

- соответствие деталей и сборочных единиц преобразователя сборочным чертежам и электрическим схемам.

Соответствие электрическим схемам должно проверяться любым методом, позволяющим установить наличие всех необходимых и отсутствие лишних электрических связей;

- наличие и качество надписей и маркировки по ГОСТ 18620.

Внешний вид, комплектность и монтаж должны быть проверены визуально.

4. Проверка степени защиты оболочки корпуса экспериментальной установки проводится по методике ГОСТ 14254.

5. Измерение сопротивления изоляции силовых токоведущих цепей звена постоянного и переменного тока относительно корпуса должно производиться между закороченными между собой фазами выходных выводов и корпусом преобразователя мегаомметром на 2500 В класса точности 1,0.

5.2 Описание экспериментального стенда

Экспериментальный стенд состоит из: силового блока привода постоянного тока, системы управления, ДПТ и синхронного генератора (СГ) (рис. 5.1).

Управление режимом работы имитатора осуществляется с помощью поста ручного управления.

ДПТ и СГ установлены на массивной металлической платформе и соединены специальной муфтой непосредственно вал к валу. Таким образом, вращение ДПТ передается непосредственно (без редуктора) на вал генератора.

Все узлы стенда, кроме платформы с электрическими машинами, размещены на металлическом каркасе.

Скорость вращения ДПТ регулируется изменением напряжения на якоре с помощью управляемого выпрямителя (УВ). Контроль скорости вращения ДПТ производится с помощью датчика скорости (ДС). Контроль тока цепи якоря осуществляется с помощью датчика тока (ДТ).

Для защиты от токов короткого замыкания все цепи имитатора включены в трехфазную сеть 220/380 В через автоматический выключатель QF1.

Синхронный генератор в экспериментальном стенде выполняет функцию нагрузки двигателя. Питание статора синхронного генератора с фазным ротором осуществляется с помощью блока питания (БП).

Ротор СГ подключен к входу неуправляемого выпрямителя (НВ) через измерительный комплект К505, для измерений электрических параметров на зажимах ротора. Выпрямленный ток на выходе неуправляемого выпрямителя сглаживается реактором L1. Также к выходу неуправляемого выпрямителя последовательно реактору подключена нагрузка, представленная резистором Rн.

Рисунок 5.1 – Схема экспериментального стенда

Для построения внешних характеристик схемы экспериментального стенда необходимо, изменяя нагрузку, снимать показания амперметра и вольтметра, подключенных к якорной цепи ДПТ. А с помощью осциллографа можно наблюдать графики переходных процессов выпрямленного напряжения Ud и тока Id (рис. 5.2).

Рисунок 5.2 – Графики переходных процессов Ud и Id в прерывистом режиме

Результаты эксперимента представляем в виде таблицы.

Таблица 4.1 – Зависимость Ud = f(Id)

Для проверки адекватности модели и выбранного оптимизированного значения индуктивности необходимо провести сравнения семейства внешних характеристик моделирования и эксперимента (рис. 5.3).

Рисунок 5.3 – Семейство внешних характеристик СПП расчета и эксперимента при оптимизированной индуктивности Ld = 2мГн

После сравнения внешних характеристик вычисляем относительную погрешность δ

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5