Асинхронный генератор с улучшенными эксплуатационными характеристиками для электротехнологических установок при производстве прудовой рыбы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.02, кандидат технических наук Ильченко, Яков Андреевич

• Ильченко, Яков Андреевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ильченко, Яков Андреевич

ВВЕДЕНИЕ.

1 ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА РЫБЫ В ВОДОЕМАХ СТАГНОФИЛЬНОГО ТИПА.

1.1 Состояние и перспективы развития рыбоводства в Краснодарском крае.

1.2 Существующие технологии и оборудование, используемое в процессе производства рыбы.

1.3 Перспективные разработки в области автономных источников энергии.

1.4 Выводы и задачи исследования.

2 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ РЫБОВОДЧЕСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА.

2.1 Анализ нагрузок токоприемников и определение мощности автономного источника.

2.2 Математическое описание асинхронного генератора с новой модулированной обмоткой.

2.3 Выводы.

3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ,,' 1 <, ¡< ^

1 ' * - '* » > г V ; і -і'! < ."

АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА.

3.1 Разработка модели самовозбуждения асинхронного генератора в среде моделирования МАТЬАВ.

3.2 Моделирование процесса включения двигательной нагрузки асинхронного генератора.

3.3 Моделирование процесса включения двигательной нагрузки.

3.4 Выводы.

4 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ АСИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1 Методика расчета параметров асинхронного генератора.

4.2 Разработка и расчет новых схем статорных обмоток асинхронного генератора.

4.3 Методика исследования асинхронного генератора и математическая обработка результатов.

4.4 Методика определения активного сопротивления обмоток статора асинхронного генератора.

4.5 Выводы.

5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ДЛЯ ПИТАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ РЫБОВОДЧЕСКОГО

ХОЗЯЙСТВА.

5.1 Технико-экономическое обоснование схем энергоснабжения рыбного хозяйства.

5.2 Определение эффективности инвестиций при внедрении автономного источника в прудовом хозяйстве.

5.3 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Асинхронный генератор с улучшенными эксплуатационными характеристиками для электротехнологических установок при производстве прудовой рыбы»

Рыбное хозяйство в Российской Федерации является комплексным сектором экономики, который включает широкий спектр видов деятельности и играет важную роль в качестве поставщика пищевой, кормовой, технической продукции. В общем балансе потребления животных белков человеком доля рыбных белков составляет около 10%.

С 1991 года по 2006 год уловы водных биологических ресурсов в внутренних водоемах уменьшилось почти в 2 раза. Значительное сокращение вызвано, прежде всего, экономическими причинами внутри страны и вследствие сокращения производства пищевой рыбной продукции. При этом общий объем допустимых уловов по объективным причинам осваивается только наполовину, а потенциал пресноводной аквакультуры используется не более чем на 40%. Также значительно снизилось производство рыбной муки и кормов. В Красно дарском крае деятельность в области рыбоводства осуществляется более 500 субъектами малого предпринимательства в пользовании которых находятся бог 1

-' />л,|дч , / лее 30 тыс. га водной площади. В 2007 году,ими было произведено 2 тыс. тонн ' прудовой рыбы, что явно недостаточно для обеспечения жителей края'этим продуктом. В период с 2007 по 2012 года ситуация существенно не изменилась.

В свою очередь, сокращение отечественного производства рыбной продукции привело к увеличению импорта рыбной продукции. Наметилась устойчивая тенденция экспортно-импортной направленности в рыбохозяйственной деятельности страны, следствием которой стала угроза продовольственной безопасности страны. Сократилось потребление населением рыбы в 1,6 раза и составляет примерно 10 кг/год на человека при норме потребления 20 кг в год.

Исходя из приоритетов социально-экономического развития Российской Федерации, для устойчивого развития рыбного хозяйства и решения основных ' проблем отрасли приняты: ч

Ш>

- концепция развития рыбного хозяйства Российской Федерации на период до 2020 года (Одобрена распоряжением Правительством Российской Федерации от 21 июля 2008 г. № 1057-р).

- постановление Законодательного Собрания Краснодарского края от 26 марта 2008 г. №375-П «О мерах по увеличению производства прудовой рыбы субъектами малого предпринимательства и гражданами, ведущими личные подсобные хозяйства на территории Краснодарского края».

В данных документах предусматривается устойчивое развитие рыбоводства в водоемах Российской Федерации и Краснодарского края, повышение эффективности добычи и переработки водных биологических ресурсов за счет:

- совершенствования нормативно-правовой базы в области рыбного хозяйства, направленной на эффективное развитие отрасли;

- создания конкурентной среды и стимулирования предпринимательской активности;

- расширения проведения научных исследований и разработок в области рыбного хозяйства; { ' ' 1 Ч 1/Л'1, 1 ^ Г' , 1 ' г' ' " "" 1 и.1 , Л V-

- внедрения новой техники и технологий, глубокой и комплексной переработки сырья;

- совершенствования методов хранения и транспортировки рыбной продукции.

Для сельского хозяйства, в общем, характерна пространственная рассре-доточенность производства, удаленность от линий централизованного электроснабжения и зачастую рентабельность производства определяется в первую очередь затратами на электрификацию производства. Дополнительным фактором, сдерживающим развитие рыбной отрасли, является недостаточный темп внедрения современных электротехнологий и средств механизации для переработки рыбной продукции, ввиду их высокой стоимости.

Строительство стационарных систем электроснабжения связано с высокими затратами. Так, расчет по укрупненным показателям стоимости 1 км линии 0,38 кВ составляет 800 т.р., в этом случае наиболее перспективным реше5 ниєм вопросов электрификации рыбоводческих хозяйств является применение автономных систем электроснабжения.

Автономные источники электрической энергии должны быть конструктивно простыми и надежными с эксплуатационной точки зрения, поэтому создание и развитие автономных источников адаптированных к различным типам потребителей сельского хозяйства является актуальной задачей.

Из существующих генераторных установок для полевых условий наибо-•1 лее подходят асинхронные генераторы с короткозамкнутым ротором и конденсаторным возбуждением. В научных работах Иванова A.A., Зубкова Ю.Д., Ки-циса С.И., Балагурова В.А., Гентковски 3., Кунцевича П.А., Джендубаева З.Р., Ванурина В.Н., Богатырева Н.И., Торопцева Н.Д., Зайцева Е.А., Синицына A.B., Вронского О.В. проблемы асинхронных генераторов разрешаются путем усовершенствований схемных решений обмоток, в которых учитываются особенности электроприемников и технологий в различных отраслях экономики. Так в работах Ванурина В.Н., Богатырева Н.И., Вронского О.В., Креймера A.C., Ось-V"киной A.C. опубликованы,исследования степени влияния параметров статор-4 ■ ных обмоток на внешнюю характеристику генераторов. Причем наиболее важным параметром в рассматриваемых работах, является индуктивное сопротивление в зависимости от потоков дифференциального рассеяния. В свою очередь, работа Екименко П.П. направлена на исследование влияния параметров обмотки статора на гармонический состав выходного напряжения асинхронного генератора. Анализ этих работ показывает, что, несмотря на большое количество научных разработок в области асинхронных генераторов отсутствуют исследования в области работы асинхронных генераторов в режимах, превы-i шающий номинальный, а также методик выбора соответствующей мощности, учитывающей особенности графика нагрузки рыбоводческих хозяйств.

Работа выполнена согласно плану НИР Кубанского ГАУ по госбюджет' <>U' і ным тематикам 2006-2010 г. (ГР 01.2.00606851) и 2011-2015 гг. (ГР ' - , ■

01.2.01153641), техническим заданием Департамента сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края на выполнение науч6 но-исследовательской работы «Разработка научно-обоснованных методов и программного комплекса оптимизации работы электроустановок на сельскохозяйственных предприятиях Краснодарского края» (2011-2012).

Цель работы: создание эффективного (низкие массогабаритные показатели, повышенная перегрузочная способность) асинхронного генератора и методики выбора его мощности для питания электроприемников рыбоводческих хозяйств.

Задачи исследования:

- разработать типовой график нагрузки рыбоводческого хозяйства и проанализировать его характер;

- разработать методику выбора рациональной мощности асинхронного генератора, учитывающую особенности графика нагрузки потребляемой мощности рыбоводческого хозяйства;

- на основе матричной теории формирования схем статорных обмоток и диаграмм Гергеса разработать рациональную схему статорной обмотки асинхронного генератора и определить ее основные характеристики;

1 ' " - разработать* математическое описание асинхронного генератора; учитывающее работу генератора при резкопеременном характере нагрузки электропотребителей рыбоводческого хозяйства;

- разработать математическую модель системы «Приводной двигатель-асинхронный генератор с нагрузкой-асинхронный двигатель» и проверить ее работоспособность в пакете МаШсасІ;

- экспериментальные исследования разработанного асинхронного генератора;

- определить экономическую эффективность внедрения результатов исследований.

Объект исследования: статорные обмотки асинхронных генераторов с конденсаторным возбуждением, электропотребители и графики электрических нагрузок рыбоводческих хозяйств, методики выбора рациональной мощности асинхронных генераторов.

Предмет исследования: - характеристики и эксплуатационные показатели асинхронных генераторов, параметры электрических нагрузок потребителей, компьютерные модели электрических машин.

Методики исследования: Математическое моделирование, диаграммы Гергеса, теоретические основы электротехники, статистические методы оценки данных, компьютерное моделирование в программных комплексах МаЛСАБ, МайаЬ. Экспериментальная часть выполнена на кафедре электрических машин и электропривода КГАУ, на специализированном стенде с использованием соответствующего лабораторного оборудования.

Научная новизна работы:

- разработана методика определения рациональной мощности асинхронных генераторов с максимальным рабочим диапазоном мощности при случайной переменной нагрузке, создаваемой технологическим процессом рыбоводческого хозяйства;

- получено математическое описание асинхронного генератора для автономного источника питания рыбоводческого хозяйства, предоставляющее воз

Л'^," О",, '.л, можность теоретически определить диапазон рабочих мощностей генератора;

- разработана математическая модель системы «Приводной двигатель -асинхронный генератор с нагрузкой - асинхронный двигатель», позволяющая моделировать работу системы в режимах с резкопеременным характером нагрузки и подтверждающая теоретические результаты.

Практическая ценность результатов исследований:

- типовые графики нагрузок рыбоводческих хозяйств, позволяющие проводить дальнейшие исследования по оптимизации работы тех-нологических машин и электроснабжающих установок;

- новая схема статорной обмотки (патент № 1Ш 2316880 С1) для проектирования автономных источников питания малой мощности, позволяющая повысить их эксплуатационные характеристики, а также образец асинхронного

• . I , генератора с предлагаемой обмоткой для питания средств электромеханизации рыбоводческих хозяйств;

- программный продукт (свид. № №2009610367) для расчета основных конструктивных показателей асинхронных генераторов мощностью 0,12-11 кВт, уменьшающий трудоемкость расчетов асинхронных машин;

- компьютерная модель процесса самовозбуждения асинхронного генератора в пакете БипиПпк, позволяющая определить диапазон необходимых емкостей конденсаторов для различных асинхронных генераторов;

- во внедрении полученной методики определения рациональной мощности асинхронного генератора на предприятиях края позволит снизить первоначальные капиталовложения на рыбоводческих предприятиях;

- в методике определения мощности генератора автономного источника питания, включенной в состав научных работ, выполненных в соответствии с техническим заданием министерства сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края 2011-2012 №32-2011.

Реализация результатов исследований. Опытные образцы асинхронных генераторов установлены в научной и учебной лабораториях кафедры электриская новизна защищена патентом РФ. Методика определения мощности генератора автономного источника питания включена в научно-исследовательскую работу по теме: «Разработка научно-обоснованных методов и программного комплекса оптимизации работы электроустановок на сельскохозяйственных предприятиях Краснодарского края», выполненной согласно техническому заданию министерства сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края (2011 - 2012 г) №32-2011.

I Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на 6-й, 7-й, 8-й, 9-й, 10-й региональных научно-практических конференциях молодых ученых «Научное обеспечение АПК» (г. Краснодар, 2004, ; 2005, 2007, 2006, 2008, 2009, 2010, 2011, гг.); на Международной,, научно

Ч'.'vf'1! ¡.'•l1''' ' ' 1 "'"11 ' 1 ' ■ ,, , . >1 * >j 1 1 1 И '

V. К I ' ' практической конференции «Высокие технологии энергосбережения» (г. Воронеж, 2005 г.); на Международной научно-практической конференции «Новые 9 lb ••• 11 технологии в сельском хозяйстве и пищевой промышленности с использованием электрофизических факторов и озона» (г. Ставрополь, 2006 г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы развития аграрного сектора региона» (г. Курск, 2006); на 5-й Всероссийской научной конференции «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки» (г. Краснодар, 2007); на 4-й Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе» (г. Ставрополь, 2007 г.); на Международной научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии. Проблемы их эффективного использования» (г. Волгоград, 2007 г.); на международной научно-практической конференции «Инновационные технологии для АПК России» (г. Зерноград, 2008 г.); на 6-й международной научно-практической конференции «Проблемы энергообеспечения и энергосбережения» (Москва, 2008 г.); на 2-й Всероссийской научно-технической конференции «Технические и технологические системы» (г. Краснодар, 2008 г.); на Международной научно-практической конференции «Техни

В 2008 году на II Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение АПК» автором получен диплом 1-й степени конкурса научных разработок. В 2009 году на III Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение АПК» автором получен диплом 3-й степени конкурса научных разработок.

На международной научно-практической конференции «иСОЫ£-2010» (2010, Прага, Чехия).

Публикации результатов работы.

Основные результаты работы опубликованы в 10 печатных работах, в том числе получены 3 патента РФ на изобретение, одно свидетельство на программный продукт, издано одно учебное пособие для студентов электротехнических специальностей высших учебных заведений.

На защиту выносятся:

- типовые графики нагрузок электроприемников рыбоводческого хозяйства на основе анализа применяемого оборудования;

- методика определения рациональной мощности асинхронных генераторов с конденсаторным возбуждением при случайной переменной нагрузке;

- рациональная схема асинхронного генератора для типового рыбоводческого хозяйства, а также экспериментальные характеристики асинхронного генератора с предлагаемой обмоткой;

- математическое описание асинхронного генератора для автономного источника питания рыбоводческого хозяйства;

- математическая модель системы «Приводной двигатель - асинхронный генератор с нагрузкой - асинхронный двигатель»;

- результаты компьютерного моделирования работы системы и процессов самовозбуждения асинхронного генератора.

Благодарности. Автор благодарит заведующего кафедрой ЭМиЭП КубГАУ, д.т.н. C.B. Оськина за помощь в работе, полезные советы и поддержку на этапах исследования. Неоценимую помощь при проведении исследований оказал Ванурин В.Н., консультировавший по особенностям метода формирования статорных обмоток асинхронных генераторов.