Электроводонагреватель трансформаторного
типа и возможность использования источника стабильной частоты для автономных энергосистем.
Кузьмин
Вячеслав Матвеевич,
доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Электромеханика»,
Костюченко
Владимир Иванович,
аспирант,
Дубровский
Игорь Николаевич,
аспирант,
Комсомольский-на-Амуре Государственный
Технический Университет.
В настоящее время горячее
водоснабжение и обогрев жилых и промышленных помещений осуществляется с помощью
ТЭЦ - в крупных городах и промышленных центрах, и с помощью котельных и печного
отопления - в небольших городах и поселках. При теплоснабжении с помощью
котельных помещения оборудуются системами центрального водяного отопления и
горячего водоснабжения. Даже при условии увеличения объема жилищного фонда и вводе в эксплуатацию новых
производственных площадей, охваченных централизованным отоплением и горячим
водоснабжением, сохраняется множество жилых и производственных зданий, не
имеющих центрального отопления и горячего водоснабжения. Особенно остро стоит
проблема получения тепла в небольших населенных пунктах и фермерских хозяйствах
удаленных от тепломагистрали. В ряде случаев, строительство маломощных котельных,
обеспечение их привозным топливом и обслуживающим персоналом встречают значительные
затруднения.
Поэтому представляет
значительный интерес получение горячей воды и непосредственный обогрев таких
объектов с помощью электронагрева, реализация которого не требует значительных
капиталовложений, строительных работ и постоянного обслуживающего персонала.
Наиболее распространенными типами электронагревательных устройств являются
установки, выполненные на основе трубчатых нагревательных элементов (ТЭН),
электродные электроводонагреватели и электронагреватели с открытыми тепловыделяющими
элементами. Основными недостатками этих видов электроприборов являются их
низкая надежность и недостаточный уровень безопасности в эксплуатации.
Установки индукционного
нагрева, широко применяющиеся в промышленности, обладают высокой степенью безопасности
в эксплуатации, но имеют низкие энергетические показатели.
Одним из наиболее
перспективных видов электронагревательных устройств является нагревательный
элемент трансформаторного типа [1] , содержащий магнитопровод с двумя
обмотками. Первичная обмотка подключена к однофазной или трехфазной сети
переменного тока. Вторичная обмотка замкнута накоротко.
На (рис. 1) показан электроводонагреватель
трансформаторного типа с пространственной магнитной системой призматической
формы. Данная модель относится к электроводонагревателям и предназначена
для горячего водоснабжения жилых домов,
промышленных и сельскохозяйственных предприятий [2].
Рис.
1.
Электроводонагреватель
трансформаторного типа.
Описываемая модель [3]
направлена на усовершенствование электроводонагревателя повышенной
электробезопасности. Основная часть мощности выделяется в короткозамкнутой
вторичной обмотке, внутренняя часть
которой представляет собой цилиндр 3, обхватывающий первичную обмотку 2, а наружная
часть – в виде цилиндра 4 обхватывающего все три фазы. Эти цилиндры, а также
верхняя и нижняя крышки 6 образуют полую герметичную камеру 5, в которой
циркулирует нагреваемая жидкость. В камере имеются патрубки для входа и выхода
нагреваемой жидкости. Камера может быть выполнена из
нержавеющей стали, алюминия или меди в зависимости от конструкционных
эксплуатационных, экологических или иных требований.
В предлагаемом
электроводонагревателе конструкция вторичной обмотки имеет следующие особенности.
В каждой фазе один короткозамкнутый виток, что позволяет обеспечить минимальную
индуктивность рассеяния, следовательно, максимально возможную величину
коэффициента мощности устройства. С другой стороны, короткозамкнутый виток обладает
достаточно большой поверхностью соприкосновения с нагреваемой средой, что обеспечивает
требуемую удельную поверхностную мощность, а, следовательно, значительно замедляет
процесс образования накипи на внутренней поверхности бака. Для снижения нежелательного
теплового потока с наружной поверхности бака его можно покрыть теплоизоляционным
материалом.
Для
определения основных геометрических соотношений проведена серия электромагнитных
расчетов для нагревательных элементов трансформаторного типа различной
мощности: 1,25 кВт; 5,5 кВт; 6 кВт; 25 кВт. Построены зависимости и получены
для них аппроксимирующие функции, подтвержденные на макетном действующем образце представленном на (рис. 2).
Рис. 2.
Опытный образец в сборе.
На
(рис. 3) показана зависимость, которая
отражает характер изменения толщины вторичной обмотки при увеличении мощности,
где Y=0.1235X0.2695 Зависимость практически линейна.
Рис. 3.
Зависимость толщины вторичной обмотки от
мощности.
На (рис. 4) зависимости массы обмоток от мощности, где Y=0.0234X0.6963 (для первичной обмотки), Y=0.2927X0.3575 (для вторичной обмотки) видно,
что при мощностях от 1 кВт до 2 кВт масса первичной обмотки и масса вторичной
обмотки близки по величине, а с увеличением мощности до 25 кВт масса первичной
обмотки нагревателя больше в 2,5 раза из-за непропорционального изменения ЭДС витка,
которое искусственно ограничивается с целью обеспечения заданного класса по
электробезопасности.
Рис. 4.
Зависимости массы обмоток от мощности.
Независимо
от мощности электроводонагревателя коэффициент мощности находится в пределах от
0,9982 до 0,9996, а коэффициент полезного действия от 95% до 98%
Также
проведены расчеты зависимости стоимости активных материалов от частоты
питающего напряжения (рис.5) из которых видно, что, повышая частоту питающего
напряжения, уменьшаются габаритные размеры магнитопровода и вторичной обмотки,
при этом площадь поверхности вторичной обмотки уменьшается, а толщина
увеличивается. В рассматриваемой конструкции после определенной частоты
стоимость активных материалов начинает возрастать. Следовательно, в ряде
случаев (где это возможно) является целесообразным применение повышенной
частоты питающего напряжения.
Рис. 5.
Зависимость стоимости активных материалов
от частоты питающего напряжения.
При
анализе расчетных данных было установлено, что мощность 1,25 кВт «выпадает» из
общего ряда зависимостей, для нагревателей такой малой мощности нужно
производить отдельные расчёты.
Подключение
автономных потребителей к централизованной системе энергообеспечения во многих
случаях нецелесообразно. Это объясняется их значительной удаленностью,
рассредоточенностью и труднодоступностью населенных пунктов, нуждающихся в
обеспечении энергией.
Автономные источники
электропитания имеют особенности, обусловленные видом энергоустановки
(ветроэлектростанция, мироГЭС, дизельэлектростанция и др.), типом генератора,
наличием полупроводникового преобразователя и т.д.
Как правило,
частота вращения вала приводного двигателя автономной энергоустановки
изменяется, что приводит к изменению частоты выходного напряжения генератора.
Стабилизация частоты может быть обеспечена либо постоянством скорости вращения вала (привод постоянной
скорости, автобалластная нагрузка), либо с помощью полупроводниковых
преобразователей.
В децентрализованных
системах, выполненных по принципу «переменная скорость – постоянная частота»,
вал генератора непосредственно связан с валом первичного двигателя, имеющего
переменную частоту вращения. Стабилизация частоты выходного напряжения
осуществляется посредством полупроводникового преобразователя частоты,
включенного либо в цепь возбуждения, либо в цепь нагрузки генератора. Как
правило, частота выходного напряжения в таких системах равна промышленной (50
Гц), а частота напряжения генератора либо равна промышленной, либо намного выше
(400…600 Гц).
В децентрализованных системах энергообеспечения, использующих для
получения тепловой энергии
электронагревательные устройства трансформаторного типа, целесообразно
использовать для питания этих устройств напряжение повышенной частоты. При изменении частоты вращения вала
генератора, частота и величина его напряжения может изменяться в широких
пределах (в 4…5 раз). В этом случае электродвижущая сила витка нагревательного
элемента может превышать предельно
допустимое значение.
Исходя из вышеизложенного, в качестве источника электропитания для
децентрализованных энергосистем с электронагревателями трансформаторного типа
целесообразно использовать источник, отвечающий следующим требованиям:
1. Частота напряжения
генератора должна быть выше, чем частота (промышленная) выходного напряжения
источника.
2. Схема источника должна
предусматривать возможность использования электронагревателей трансформаторного
типа в качестве балластной нагрузки.
3. В источнике должна быть
предусмотрена возможность подключения
электронагревателей к цепям, частоты напряжений которых отличаются друг
от друга.
Указанным требованиям в полной мере отвечают
автономные источники электропитания с формированием напряжения электромашинного
генератора путем сложения ЭДС близких частот. Предлагаемый источник выполнен на основе двух асинхронных
машин и асинхронного возбудителя [4,5], установленных на одном валу и
расположенных в одном корпусе (рис. 6).
Рис.
6.
Схема
автономного источника с электромашинным формированием кривой выходного
напряжения.
Роторные
обмотки машин подключены к асинхронному возбудителю (АВ) таким образом, что
одна из них работает в режиме электромагнитного тормоза (ЭМТ), а другая – в
режиме асинхронного генератора (АГ). Якорная обмотка ЭМТ выполнена в виде
обычной трехфазной обмотки. На статоре АГ расположено три идентичных трехфазных
обмотки, уложенных в одни и те же пазы. Выводы выходной обмотки ЭМТ подключены
к нулевым точкам якорных обмоток АГ. Силовой полупроводниковый коммутатор (СК)
служит для выделения огибающей биений выходного напряжения электромашинного
генератора.
Следует отметить, что
регулирования соотношения между выходными напряжениями ЭМТ и АГ может быть
предусмотрено два раздельных для каждой машины канала регулирования. Это техническое
решение позволяет, кроме магнитного и электрического совмещения машин,
обеспечить самовозбуждение источника.
В статорной обмотке ЭМТ и АГ индуцируется
трехфазная (m = 3) система ЭДС. При произвольном числе фаз ЭДС генератора
определяются следующим образом. Для машины,
работающей в режиме ЭМТ
,
где m – число фаз статорной обмотки ЭМТ; i = 1; 2; 3 – номер фазы
статорной обмотки ЭМТ; E1m
– амплитуда ЭДС статорной обмотки ЭМТ; ω1
– угловая частота ЭДС вращения; ω0- угловая частота тока
возбуждения.
В статорных обмотках АГ индуцируются ЭДС
,
где m – число фаз статорной обмотки АГ; j =
1; 2; 3 – номер фазы статорной обмотки АГ;
E2m
– амплитуда ЭДС статорной обмотки АГ.
Тогда, при равенстве амплитуд ЭДС машин E1m= E2m= Em,
ЭДС электромашинного генератора определяются следующим образом
eij = e1i + e2j,
или
. (1.1)
Анализ выражения
(1.1) показывает, что огибающие результирующих ЭДС обмоток, подключенных к
первому СК, сдвинуты по фазе относительно ЭДС обмоток, подключенных ко второму
СК на 1/2m периода тока возбуждения, или на π/m собственного
периода. Аналогичным образом можно установить, что огибающие результирующих ЭДС обмоток, подключенных
к третьему коммутатору, сдвинуты по фазе относительно огибающих ЭДС обмоток, подключенных к первому СК на
1/m их собственного периода.
При питании обмотки возбуждения асинхронного
возбудителя переменным током стабильной частоты ω0 и вращении вала с угловой частотой ω1,
в роторной обмотке возбудителя наводится ЭДС, изменяющаяся с угловой частотой
,
где p1- число пар плюсов обмотки возбудителя.
Нагрузкой для роторной обмотки возбудителя является роторные обмотки
ЭМТ и АГ. В статорных обмотках этих машин наводится ЭДС с угловыми частотами
,
,
где р2 и р3 – числа пар плюсов АГ и ЭМТ
соответственно.
Частота биений выходного напряжения электромашинного генератора
определяется следующим образом
.
Частота выходного напряжения
источника не будет зависеть от частоты вращения вала приводного двигателя при
условии ωБ
= 2ω0 . Тогда числа пар полюсов асинхронных машин,
составляющих генератор, должны выбираться из условия
.
Графическая иллюстрация
формирования огибающей СК представлена на (рис.7).
Физическая модель трёхфазного электромашинного генератора выполненного
в виде двух асинхронных машин, расположенных в одном корпусе на базе
асинхронной машины с фазным ротором изображена на (рис. 8).
Предложенная схема автономного источника
электропитания позволяет генерировать четыре системы переменных напряжений:
1. Трехфазная система синусоидальных
напряжений с частотой ω0, не зависящей от скорости вращения
вала.
2. Трехфазная система
синусоидальных напряжений с переменной частотой ω1 - ω0,
зависящей от скорости вращения вала.
3. Трехфазная система
синусоидальных напряжений с переменной частотой ω1 + ω0,
зависящей от скорости вращения вала.
4. Система модулированных напряжений с
переменной несущей частотой ω1, зависящей от скорости
вращения вала и стабильной частотой
огибающей ω0, не зависящей от скорости
вращения вала генератора.
Рис.
7.
Кривые
ЭДС якорных обмоток генератора и огибающая выходного
напряжения на силовом коммутаторе.
Рис. 8.
Трехфазный электромашинный генератор на основе двух асинхронных машин
выполненных в одном корпусе.
Таким
образом, исследования
нагревательных элементов трансформаторного типа подтвердили высокие
эксплуатационные и энергетические показатели, при 2-м
классе электробезопасности, что позволяет использовать их в быту и на
небольших промышленных и сельскохозяйственных объектах.
Рассмотренный источник электропитания стабильной
частоты может быть использован в автономной энергосистеме потребителей (в том
числе и электронагревательных устройствах трансформаторного типа), рассчитанных
на различные частоты питающих напряжений.
Литература.
1. Кузьмин В. М. Электронагревательные
устройства трансформаторного типа. Владивосток: Дальнаука, 2001. 144 с.
2. Костюченко В.И., Кузьмин
В.М. Особенности расчета нагревателя трансформаторного типа с призматической
магнитной системой // Научно-техническое творчество аспирантов и студентов.
Материалы докл. 37 научно-технической конференции аспирантов и студентов 3-17
апреля 2007 г. Ч.1. / Редкол. А.И. Евстигнеев и др.- Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО
«КнАГТУ», 2007. 54-55 с.
3. Свидетельство РФ № 66875
на полезную модель МПК Н 05В 6/11. Электроводонагреватель трансформаторного
типа / В.М. Кузьмин, А.В. Сериков, В.И. Костюченко (Россия).- № 2007109829/22; заявлено
16.03.2007; опубл. 27.09.2007, Бюл. № 27.-2 с.
4. А.с. 1051660 СССР, МКИ 3
Н 02 К 29/00. Машинно-вентильный источник трёхфазного напряжения
стабильной частоты / Ш.С. Ройз, А.Б. Цукублин, В.М. Кузьмин, А.И. Озга (СССР).
- № 3383511/24-07; заявл. 20.01.82; опубл. 30.10.83, Бюл. № 40. 5 с.
5. Дубровский И.Н., Кузьмин
В.М. Автономный источник переменного напряжения стабильной частоты на основе
двухмашинного совмещенного генератора // Вестник Саратовского государственного
технического университета. 2007. № 3 (26). Вып. 1. 121-127 с.
Поступила в редакцию 21.03.2008 г.