МОДЕЛЮВАННЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ УСТАЛЕНИХ РЕЖИМІВ АВТОНОМНОГО АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА З ЄМНІСНИМ САМОЗБУДЖЕННЯМ

Анотація

У цій статті досліджуються усталені режими роботи автономного асинхронного генератора з самозбудженням (SEIG), оснащеного системою ємнісного збудження та працюючого за активного й активно-індуктивного навантаження. Зростаючий попит на автономні та децентралізовані системи електрогенерації на основі відновлюваних і альтернативних джерел енергії суттєво підвищив інтерес до асинхронних генераторів завдяки їхній простоті, надійності, низьким вимогам до обслуговування та відсутності окремого джерела збудження. Однак робота асинхронних генераторів із самозбудженням характеризується значними змінами вихідної напруги та частоти залежно від величини навантаження і коефіцієнта потужності, що ускладнює аналіз та проєктування таких систем.

Метою даного дослідження є розроблення та перевірка вдосконаленого методу розрахунку статичних характеристик автономного асинхронного генератора малої потужності з урахуванням зміни частоти генерованої напруги за зміни умов навантаження. На відміну від багатьох традиційних методів розрахунку, які припускають сталу вихідну частоту або нехтують її залежністю від навантаження, запропонований підхід враховує реальний вплив змін частоти, спричинених навантаженням. Це особливо важливо для асинхронних генераторів малої потужності, які зазвичай мають більші значення номінального ковзання і тому є більш чутливими до змін режимів роботи.

Запропонована математична модель базується на схемах заміщення як асинхронного генератора, так і асинхронного двигуна навантаження. Аналіз виконується за допомогою системи рівнянь електричної рівноваги, що описують електромагнітні процеси в системі «генератор–навантаження». Для спрощення розрахунків асинхронний двигун навантаження подано еквівалентним RL-колом з параметрами, які залежать від ковзання двигуна. Отримана математична постановка дозволяє одночасно визначати намагнічувальний реактивний опір генератора та відносну частоту генерованої напруги. Такий підхід забезпечує точне прогнозування напруги генератора, частоти та навантажувальної здатності за різних режимів роботи.

З використанням розробленої методики було розраховано статичні характеристики асинхронного генератора, створеного на базі стандартної асинхронної машини з короткозамкненим ротором типу AIR80A4SU2 номінальною потужністю 1,2 кВт. Генератор досліджувався за активного та активно-індуктивного навантаження. Результати показали, що нехтування зміною частоти призводить до суттєвих похибок під час оцінювання регулювання напруги, перевантажувальної здатності та меж стійких режимів роботи. Ці розбіжності стають особливо помітними, коли генератор живить асинхронні двигуни, що характеризуються великими пусковими струмами та змінним коефіцієнтом потужності.

Для перевірки адекватності запропонованої моделі було проведено широкомасштабні експериментальні дослідження на лабораторному стенді, до складу якого входили асинхронний генератор, приводний двигун постійного струму, регульована батарея конденсаторів та різні типи електричних навантажень. Експериментальні вимірювання включали визначення напруги генератора, струму навантаження, швидкості обертання ротора, ємності збудження та вихідної потужності. Отримані результати продемонстрували добру узгодженість із теоретичними прогнозами. Порівняльний аналіз розрахункових і експериментальних характеристик показав, що відхилення між експериментальними та теоретичними даними не перевищує 4–6 %, що підтверджує достовірність і практичну придатність розробленого методу розрахунку.

Ключові слова: асинхронний генератор із самозбудженням (SEIG); автономний асинхронний генератор; ємнісне самозбудження; батарея конденсаторів; статичні характеристики; аналіз усталених режимів; зміна частоти; регулювання напруги; характеристики навантаження; активно-індуктивне навантаження; перевантажувальна здатність.