автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электромеханические системы в миниэнергетике на оснве асинхронного генератора

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ __АКАДЕМИЯ_____________

УДК 621.313.333.004Л 83+620.97

РГБ ОД

1 7 ДПР 2000

КОНСТАНТИНОВА Светлана Валерьевна

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ В МИНИЭНЕРГЕТИКЕ НА ОСНОВЕ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 2000

Работа выполнена на кафедре "Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов" Белорусской государственной политехнической академии.

Научный руководитель -

кандидат технических наук, профессор Павлович С.Н.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Михалев Л.С.,

кандидат технических наук Филиппович U.1I.

Оппонирующая организация:

Белорусский государственный технологический университет, кафедра «Автоматизация технологических процессов и электротехники».

Защита состоится ¡íf апреля 2000 Г. в 10 часов на заседании Совета но защите диссертаций Д 02.05.02 в Белорусской государственной ноли технической академик ко адресу:

220027, г. Минск, пр. Ф. Скорины, 65, корп. 2, ауд. 201. С диссертацией можно Ознакомиться о библиотеке Белорусской юсударс1 венной политехнической академии.

Автореферат разослан

J»

марта 2000 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций доктор технических наук, профессор

Короткевич М.А. © Константинова С.В., 2000

&M-0-\.D

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации . Настоящее время - время перехода к дорогой энергии как по затратам на ее получение, так и по экологическим соображениям, которые накладывают ограничения на производство энергии искусственного происхождения. В связи с этим пристальное внимание уделяется развитию миниэнертетики, которая способствует энергосбережению и вовлечению возобновляемых, источников энергии в энергетический баланс стран. Б Беларуси, с учетом ее природных особенностей, развитие миниэнер-гетики также является насущной проблемой. Любая научно-исследовательская, проектно-конструкторская млн экспериментальная рабо1а в этом направлении представляет интерес как п теоретическом, так и в практическом плане. Это явилось основанием выбора миннэнергетнкн в качестве объекта исследования. В работе решается комплекс задач но использованию асинхронного генератора (АГ) в мшшэнергокомплексах.

Связь работы с крупными научными программами, темами. Предлагаемая работа по тематике, по направлению исследований соответствует одному из приоритетных направлений государственной научно-технической программы « Энергосбережение»: п.5.3 «Разработка пилотных проектов в области малой и нетрадиционной энергетики, использование возобновляемых источников энергии, оптимизация схемных и проектных решений, и параметров паро- и теплоснабжения народного хозяйства». Работа выполнялась в соответствии с планами по теме: ГБ 97-23 «Разработать теоретические основы, методы исследования и средства совершенствования автоматизированного электропривода переменного тока нового поколения».

Цель и задачи исследования. Развитие теории и практического использования электромеханических систем на базе асинхронного генератора и паро-, газотурбинных, ветро-, гидроустановок энергосберегающих устройств в условиях Беларуси. Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ состояния и перспективы развития миннэнергетнкн. Построение простой и наглядной классификации комплексного энергосбережения. Исследование и выбор структурной компоновки миниэпергокомплекса.

2. Создание и практическое апробирование методики по точному определению необходимой емкости для миниэпергокомплекса с асинхронным генератором, работающего в автономном режиме с целью обеспечения его работы со стандартными параметрами вырабатываемой электроэнергии и предотвращения потери возбуждения АГ. Создание математической модели АГ с конденсаторным возбуждением. Проведение структурного моделирования.

3. Разработка и экспериментальная проверка опытно-аналитического метода определения параметров асинхронных машин (АМ) с минимальным объемом измерительных процедур, удобного для определения параметров находящихся в производственных условиях АМ, не требующего больших затрат и обеспечивающего высокую точность определения параметров.

4. Использование тиристориого возбуждения АГ: проведение теоретических исследований резонансных статических преобразователей с промежуточным параллельным резонансным контуром, резонансного циклоконверто-ра как альтернативы статическим преобразопателям для получения стандартных параметров электроэнергии АГ при переменной частоте вращения вала его первичного двигателя. Проверка результатов теоретических исследований с помощью математического моделирования рассматриваемых структур.

'5. Анализ,- выбор типа измерительной системы для миниэнергоком-плексов, создание макетного образца измерительной сишемы на базе микропроцессорной техники, обеспечивающей наибольшую энерго-информацион-ную эффективность; обоснование, разработка и аппаратная реализация упрощенного блока синхронизации для миншиерго комплексов с АГ, отличающегося простотой изготовления, надежностью и достаточностью информации для проведения уверенной синхронизации; разработка и создание экспериментальной установки из двух мирнэнергокомплексов, обеспечивающей все режимы их работы, проведение аа ней экспериментальных исследований и испытаний.

Объект и предмет исследования. Мнниэнергетика, комплексное энергосбережение путем вовлечения в энергобаланс альтернативых источников энергии, а именно: построение конкурентоспособной унифицированной силовой части электромеханической системы энергосбережения.

Гипотеза. Предполагается, что мшшзнергоустановка, состоящая из унифицированных элементов силовой части: первичного двигателя, асинхронного генератора и резонансного циклоконвертора, - будет работоспособной, универсальной и конкурентоспособной при использовании как в промышленности, сельском хозяйстве, так и в частном секторе, чго позволит расширить программу энергосбережения путем использования для получения электроэнергии вторичных энергоресурсов и возобновляемых источников энергии.

Методология и методы проведенного исследования. В работе использованы методы анализа и синтеза достижений миниэнергетики, методы определения параметров асинхронных машин, методы определения емкости для работы асинхронного генератора в автономном режиме, методы математического моделирования, методы структурного моделирования.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Предложена классификация комплексного энергосбережения в мини-энергетнке. Составлена обобщенная схема миниэнергоустановки (МЭУ).

2. Разработана и апробирована методика определения необходимой емкости конденсаторов для работы миниэнергокомплекса с асинхронным генератором в автономном режиме со стандартными параметрами электрической энергии. Методика базируется на методе определения параметров схемы замещения асинхронных машин и методе построения годографа позволяет определять необходимую емкость для работы мшшэнергокомплек-

са с АГ в автономном режиме, отличается простотой алгоритма, наглядностью и точностью расчетов.

3. Предложен опытно-аналитический метод определения параметров схемы замещения асинхронных машин, отличающийся от ранее известных минимумом измерительных процедур, высокой точностью расчетов, простотой алгоритма.

4, Предложен усовершенствованный электрогенерирующий модуль для миниэнергокомплекса на основе асинхронного генератора и резонансного циклоконвертора с целью получения стандартных параметров электроэнергии, вырабатываемой мккиэнергокомплексом, при изменяющейся частоте вращения первичного, двигателя асинхронного генератора. Обоснованы составные части для реализации такого модуля.

Практическая значимость полученных результатов характеризуется нижеследующим:

разработанные в диссертации метод и методика применимы при проектировании мшшэиергокомплексов, расчёте их. параметров и выборе элементов;

разработанное алгоритмическое и программное обеспечение пригодно для проектирования систем управления мин нэпе ргокоми.чексоп на основе АГ;

исследовательский стенд, состоящий из двух мшшэиергокомплексов с контрольно-измерительной системой на основе микропроцессорной техники и упрощенного блока синхронизации, внедрен в учебный процесс на кафедре «Электроснабжение» в лаборатории «Наладка и испытание электрооборудования» Белорусской государственной политехнической академии;

миниэнергокомплекс (МЭК) на основе асинхронного генератора с емкостным возбуждением," а также метод определения параметров асинхронных машин и методика выбора ёмкости для работы АГ могут найти применение При модернизации коммунальных и производственных котельных Беларуси с переводом приводных АД питательных насосов в генераторный режим и получения дополнительной электроэнергии за счёт дросселируемого пара.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Классификация комплексного энергосбережения, обобщенная структура миниэнергоустановки. Создание минизнергокомплексов на базе асин-хрон-ного генератора. Физическая модель дйух МЭК с АГ, позволяющая реализовать автономный режим работы комплексов, параллельную работу двух комплексов, а также параллельную работу МЭК с сетью.

2. Обобщенная методика определения необходимой емкости для мини-энергокомплекса с асинхронным генератором, работающим в автономном режиме, отличающиеся простотой, наглядностью и точностью вычислений.

3. Опытно-аналитический метод определения параметров асинхронной машины в производственных условиях, имеющий простой математический алгоритм и обеспечивающий высокую точность расчетов.

4. Функциональная электрическая схема миниэнергокомплекса на базе АГ и резонансного циклоконвертора, обеспечивающего работу МЭК со стандартными параметрами электроэнергии при изменяющейся частоте вращения

вала первичного двигателя, а также обеспечивающего универсальность шши-энергокомплека при работе его как в автономном режиме, так и параллельно с сетью или с другими мшшэнергокомплексами.

Личный вклад соискателя. Соискателем самостоятельно проведена работа по сбору, обработке, анализу исходного материала для выбора объекта исследования. Им проведены исследования в результате которых:

составлены классификация комплексного энергосбережения, обобщенная структура мшшэнергоустаиовок;

разработаны методика, алгоритмы и программная реализация определения потребной емкости для работы миниэнергокомплекса на основе АГ;

разработаны опытно-аналитический метод определения параметров схемы замещения асинхронных машин в производственных условиях, его алгоритм, npoqMMMiiaa реализация;

предложена функциональная электрическая схема электрогенерирую-щего модуля на базе АГ и резонансного цшотоконвергора с дополнительным инвертором тока для стабилизации частоты колебательного контура;

создан макетный образец упрощенного блока синхронизации для мини-энергокомплексов ;

предложены схемное решение и компоновка физической модели. Апробация результатов диссертации. Материалы диссертационной работы докладывались: на 44,45 студенческих конференциях БПИ (г.Минск, 1988, 1989 гг.); на 35 СНТК вузов ЬССР, Литвы, Латвии, Молдавии, Эстонии (г.Таллин, г.Минск, 1991 г.); на Республиканской научно-технической конференции 1994г.; на Республиканской научной конференции студентов вузов Республики Беларусь 1995г.; на международных научно-технических конференциях (г.Минск, 1995, 1997, 1999гг., г.Мопшев, 1999г.); на совете DEA электротехнической лаборатории Тулузско го университета (Франция, г.Тулуза, 1996 г.).

Опубликовзнность результатов. Основные положения диссертации отражены в 3 опубликованных научных статьях, в 2 депонированных научных работах, 7 тезисах докладов на научно-технических конференциях, 1 авторском свидетельстве. Общее количество опубликованных материалов составляет 32 страницы.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, перечня условных обозначений, общей характеристики работы, шести глав, заключения, списка использованных источников и пяти приложений. Полный объем диссертации составляет 179 страниц, при этом 60 рисунков, 12 таблиц, приложения и список использованных источников из 125 наименований занимают 86 страниц.

0СН013Н0Е СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика проблемы и обоснована ее актуальность. Приведен перечень вопросов, исследованию которых не уделялось должного внимания, сформулирована цель и задачи исследования.

Педвая.глал_а посвящена анализу состояния, перспективе развития, проблемам миниэнергетики и возможности ее использования в Беларуси. Показано, что эффективное энергосбережение путем вовлечения в топливно-энергетический баланс альтернативных источников энергии обеспечивается созданием конкурентоспособных миннэнергоустановок. Анализ информации позволил разработать простую и наглядную классификацию комплексного энергосбережения в виде структурных звеньев, которая позволяет более полно представлять задачи, стоящие перед исследователем в этой области .

Проведен обзор и анализ используемых п настоящее время альтернативных источников энергии. Наиболее перспективным использованием возобновляемых источников энергии (ВПЭ) и вторичных энергоресурсов (ВЭР) является их преобразование в электрическую энергию, что может быть реализовано путем создания высокоэффективных миннэнергоустановок (МЭУ). Такие МЭУ могут иметь существенное значение для энергообеспечения отдельных районов, изолированно расположенных потребителей и наиболее рационально использоваться в непосредственной близости от потребителей, без передачи энергии на значительные расстояния, что актуально для Беларуси. Совместное рациональное применение различных источников энергии позволяет создать структуру стабильного энергоснабжения, пользуясь всеми преимуществами этих ВИЭ и сведя к минимуму их недостатки.

В основе создания конкурентоспособных миннэнергоустановок лежит стоимость вырабатываемой электроэнергии. Именно с этих позиций анализируется и синтезируется структура миниэнергоустановки. Важнейшими проблемами для обеспечения конкурентоспособности миниэпергокомплексов (МЭК) с традиционными электростанциями являются выбор структуры, типа генерирующего устройства, совершенствования и упрощения измерительных систем, систем защиты, автоматизации, синхронизации.

Во второй главе рассматриваются вопросы структурной компоновки миннэнергоустановок. Анализ существующих структур МЭУ позволил создать обобщенную функциональную схему миниэнергоустановки (рис.1).

и =соп:;1 /,=50 П,

Рис.1.. Обобщенная функциональная схема миниэнергоустановки: 1 - первичный двигатель, 2 - редуктор, 3 - аккумулятор энергии,4 - электрический генератор, 5 - статический преобразователь, б -- устройство регулирования скорости первичного двигателя, 7 - блок контрольно-измерительной аппаратуры, 8 - блок управления миниэнергоустановки

Структура миниэиергоусгановки зависит от: назначения установки; базового режима работы установки; типа первичного' двигателя и его конструкции; выбора постоянной или переменной частоты вращения вала первичного двигателя; типа генерирующего устройства. Звенья 2, 3, 5 не являются обязательными и включаются в структуру, например, при неравномерной частоте вращения вала первичного двигателя МЭУ. Существуют три основных категории миниэнергоустановок: установки, работающие параллельно с энергосистемой; автономные устанорки; установки смешанного типа.

' В зависимости от назначения и режима работы миниэнергоустановка должна быть оборудована соответствующей измерительной, защитной аппаратурой, автоматической системой управления. Реально можно выделить следующие режимы работы миниэнергокомплексов (МЭК); автономный режим работы;

автономный режим с возможностью включения на параллельную работу нескольких МЭК;

автономный режим МЭК с периодическим подключением его параллельно электросистеме;

постоянная работа МЭК параллельно с электросистемой; работа МЭК параллельно с сетью, когда напряжение сети подвержено колебаниям;

использование электросистемы а качестве демпфера для работы минн-энергоком плекса.

Выбор конструкции первичного двигателя МЭУ зависит от исходных параметров источника энергии, плотности и упорядоченности. Значительным достижением Беларуси в миниэнергетике следует признать разработанную учёными Белорусской государственной политехнической академии паровую минитурбину. Принципиальным решением, кардинально влияющим на направление синтеза МЭК, является выбор частоты вращения вала первичного двшшел» (постоянной или переменной) и выбор генерирующего устройства. В настоящей работе основное внимание уделяется МЭК с постоянной частотой вращения вала первичного двигателя.

Проведенный сравнительный анализ традиционных синхронных генераторов, генераторов постоянного тока и асинхронных генераторов по массо-габаритным, стоимостным показателям, величине КПД, статической устойчивости работы, выявление общности физики процесса самовозбуждения электрических машин показывает большую перспективность использования в миниэнергетике асинхронных машин в качестве генерирующих устройств как с постоянной, так и с переменной частотой вращения первичного двигателя (табл.1, рис.2, 3). Преимущества АГ увеличивают степень конкурентоспособности МЭК с традиционными энергокомплексами, поэтому представляется целесообразным выполнение миниэнергокомплексов на основе АГ.

Таблица 1

Сравнительные показатели по массе, КПД и стоимости генераторов:

Мощность Показатель Асинхронная машина (АМ) Синхронная машина (СМ) Машина постояв-1 ного тока (МГ1Т)

4...200 кВт Масса, кг/кВт I 4,3...2,3 2,6...1,43

Стоимость, руб/кВт 1 5,5... 1,85 7,6...2, 26 I

КПД 1 |_6,92...0,97 0,9...0,96 1

Рис.2. Зависимость удельного веса (ш ) Ри?.3. Зависимость удельного веса асинхронных (1) и синхронных (2) ге- (ш*) асинхронных генераторов - 2 нераторов от их номинальной мощно- (50 Гц), 4 (400 Гц) и синхронных тести нераторов серии ГАБ с возбуждающими устройствами от их номинальной м'ощностн -I (50 Гц), 3 (400 Гц) ...

Существует два способа возбуждения асинхронных генераторов: конденсаторное (рис.4) и тиристорное (рис.5). При реализации МЭК без преобразователей частота ЭДС и напряжение генератора определяются только возможностями АГ: иг=и1, (рис.4). При наличии преобразователя АГ выполняет первый этап преобразования электрической энергии с параметрами 11), Г], а преобразователь выдаёт стандартные параметры 0* Гг (рис.5). В качестве преобразователя для МЭК перспективным является полупроводниковый резонансный циклоконвертор.

Основными препятствиями широкого использования АГ в миниэнергети-ке являются сложность определения величины емкости возбуждения и трудность реализации регулируемого источника реактивной мощности. Поэтому в работе большое внимание уделено вопросам определения необходимой емкости для работы АГ с автономном режиме-и параметров АМ в производственных условиях, так как для расчета емкости возбуждения АГ необходимо знание как параметров схемы замещения АГ, так и параметров локальной сети.

Рис.4. Миниэнергокомплекс на основе асинхронного генератора с конденсаторным возбуждением

погргоители.

преобразователь асинхронным турбопривод генератор

ш = var

: const

Uj,f2

и,, f,

Рис.5. Минюнергокомнлекс с тиристорным возбуждением асинхронного генератора

Ü третьей главе исследуется работа МЭУ с АГ в автономном режиме. Одним из основных аспектов работы автономного АГ является его самовозбуждение. Для поддержания режима самовозбуждения АГ необходим баланс активных и реактивных мощностей генератора и нагрузки. Правильный выбор величины емкостей позволяет создать систему регулирования без автоколебаний, обеспечивающую высокое качество напряжения на всем диапазоне нагрузок. Особенно актуальным этот вопрос является для миниэнергетики, где при любом изменении нагрузки сразу существенно изменяются параметры локадыюй электрической сети, что ведет за собой необходимость изменения емкости возбуждения асинхронного генератора.

В главе приводятся существующие методы определения емкости для работы автономного асинхронного генератора. Наиболее простым и наглядным является метод построения годографа, который предполагает знание параметров схемы замещения локальной сети, основными элементами которой являются АГ и нагрузка (чаще всего асинхронная), для чего необходим простой и точный способ определения параметров асинхронных машин. Эта задача остается актуальной для электромеханики на протяжении столетия, несмотря на многочисленные работы по этому вопросу.

На основе анализа и синтеза различных методов'определения параметров схемы замещения асинхронных машин автором разработан и апробирован опытно-аналитический метод определения параметров асинхронных машин в производственных условиях. Метод позволяет получить варианты параметров асинхронных двигателей, провести их аналитическое и графическое исследование, выбрать уточненные параметры. Исходными данными для определения параметров асинхронных двигателей являются: каталожные данные Un, 1м. "и, cos^/j; опытные данные идеального холостого хода U, loo, Р, (Q); величина активного сопротивления фазы обмотки статора tv Замеры полной и активной мощности, идеального тока холостого хода 100 производятся при нагретом двигателе. Алгоритм метода базируется на анализе Г- образной схемы замещения (рис.6) при синхронной скорости ротора (s - 0).

Рис.6. Г-образнач схема замещения асинхронной машины На основании Г-образной схемы замещения при э = 0 имеем V т и1 Р

г\ =у~, СО5^00 =— , Гт =(2х+2п)С0$<Рм-Г1 ,

'ОО "

Для разделения Х1+Хт на Х|ИХт воспользуемся нижеследующим :

+ с,,

(1) (2)

1 + -

1 + —, так как гт и 1ч « хт.

По литературным источникам, модуль С1 изменяется в зависимости от мощности АД в диапазоне 1,02...1,08, т.е. = 0,02...0,08 . Таким образом, задаваясь отношением (х] /хт) = К, определяем Х1 и хП1 из системы уравнений

■К.

Хт

Г-образная схема замещения позволяет составить систему уравнений /оо ,

откуда г2' = Яе( 2гХн )■*„, х'г = 1т( ),

П

(3)

(4)

(5)

п. -«„

где

- номинальное скольжение асинхронного двигателя.

Таким образом, задаваясь рядом значений х1 /хт, рассчитывают варианты значений параметров схемы замещения асинхронного двигателя. Основным условием , определяющим правильный выбор параметров, является совпадение расчётных 1щи саз<рн с каталожными данными. Другим критерием, подтверждающим правильность выбранных параметров схемы замещения, является соблюдение соотношения

^ ' Xm

- ^ > 77 - 0.97 ( r;(e ]^ - намагничивающий ток. u н

На основании предложенного алгоритма опытио-аналитического расчёта параметров схемы замещения составлена программа на языке Турбо-Паскаль, работоспособность которой проверялась на натурных моделях асинхронных генераторов. Кроме того, предложенный метод и программа апробировались на АД, параметры которых были известны по литературным источникам. Погрешность расчвтои находится в пределах 2-5 Уо по отношению к методу электромагнитного расчета, что вполне приемлемо для дальнейшего анализа асинхронного генератора в системе миншнергокомплекса.

Для упрощения экспериментально» части метода была проанализирована возможность замены нрн определении параметров АД опыта идеального холостого хода на опыг холостого хода. Были построены зависимости I, cos = _/(.v) для двигателей мощностью (1 - 18,5) кВт. Анализ результатов показывает, что модули токов идеального и реальною холостого хода отличаются на (1-2)%. Величина же коэффициента мощности уменьшается с уменьшением скольжения. Поэтому, используя соотношение cosp„/costpm, определенное по построенной зависимости, и данные холостого хода, определяют параметры асинхронных двигателей по упрощенному методу.

На основании разработанного метода определения параметров асинхронных миишн и .метода годографа автором предложена методика определения необходимой емкости для работы асинхронного генератора в автономном режиме с номинальными параметрами электроэнергии и произвольной нагрузкой. Методика предполагает знание электрических параметров всех элементов локальной сети, на которую работает асинхронный генератор.

Всё разнообразие нагрузок практически сводится к трём видам: активной, активно-индуктивной и двигательной. Подключение нагрузки к асинхронному генератору идёт ступенчато посредством коммутационных аппаратов. Получить простые точные аналитические зависимости выбора ёмкости для описанной динамической системы невозможно, т. к.'параметры локального резонансного контура 'АГ - на]рузка' изменяются нелинейно. Поэтому для решения задачи предложены численные методы с использованием ЭВМ.

Автором разработаны алгоритм определения емкости возбуждения для работы ЛГ в автономном режиме и его реализация в виде программы на языке Турбо-Паскаль. С использованием программы построены годографы для локальной схемы АГ-АД экспериментальной установки. Эксперименты подтвердили высокую точность предложенной методики.

Разработанная методика расчета необходимой емкости возбуждения АГ дает возможность оценить работу в качестве асинхронного генератора асинхронных машин с различной частотой вращения ротора.

Для МЭК, работающего с конкретной нагрузкой, разработанные метод определения параметров асинхронных машин н методика для определения ёмкостей позволяют определить величину ёмкости АГ для работы миниэнер-гокомнпекса со стандартными параметрами электроэнергии, а также емкость,

потребную для запуска и работы отдельного АД, что способствует упрощению автоматизированной системы управления МЗК.

Одним из базовых вопросов системы управления и регулирования ми-ничнергокомплекса с ЛГ является вопрос стабилизации напряжения АГ при изменении нагрузки из-за сложности технической реализации регулируемого источника мощности. Основной принцип построения системы стабилизации напряжения при изменении нагрузки состоит в последовательном подключении (отключении) секций конденсаторных батарей, пока напряжение АГ не достигнет требуемой величины. Проведенные расчеты и эксперименты позволили проанализировать существующий принцип стабилизации панряже-■ ния АГ и показали, что он не является рациональным. Предлагается новый принцип стабилизации напряжения МЭК,'основанный на знании параметров локальной сети МЭК, который позволяет заранее определить необходимую емкость, потребную для включения или отключения любого потребителя. С помощью, например, про1раммируемого контроллера для заданного потребителя подключается сразу необходимая емкость, затем нагрузка. При необходимости (пуск АД) через некоторое время заранее рассчитанная часть емкости отключается.

В четвертой главе выполнено структурное моделирование -работы асинхронного генератора в автономном режиме на холостом ходу с целью проверки правильности методики определения емкости и выявления необходимости точного расчета емкости возбуждения для работы автономного АГ.

Дифференциальные уравнения асинхронного генератора в векторной форме имеют следующий вид:

Для моделирования выбрана система координат а, р - неподвижных относительно статора. Эта система координат является наиболее удобной, так как ЛГ обычно имеет симметричный ротор, который легко приводится к статору и в цепи статора находятся элементы системы возбуждения. Переход от обобщенной машины к реальной трехфазной осуществляется с помощью уравнений обратных координатных преобразований. На основании уравнений АГ в выбранной системе координат составлена структурная схема. Моделирование проводилось в программной среде Б1АМ.

Результаты моделирования подтверждают развозбуждение асинхронного генератора при недостаче емкости и его работу с нестандартными параметрами электроэнергии при избыточной величине емкости.

(6)

где i), ¡2 - токи статора и ротора соответственно; Ui, U2 - напряжение статора и ротора; а> = рсог - частота вращения ротора (эл. град./с);

fi > 4*2 - полные нотокосцепления статора и ротора АГ.

В пятой главе рассматриваются возможности и перспективы тиристор-ного возбуждения асинхронного генератора.

Сложность технической реализации регулируемого источника реактивной мощности для асинхронного генераторного комплекса вызывает ин герес к тиристорному возбуждению, достоинством которого является широкий диапазон частоты вращения генератора, при котором возможно его возбуждение. В форме кривой выходнрго напряжения содержится большой процент высших гармоник, и генераторный комплекс нуждается в фильтрах выходного напряжения, что является препятствием для широкого внедрения асинхронных генераторных комплсксса с тирнсторнымн преобразователями.

Одним из путей решения данных проблем может быть использование преобразователей электрической энергии с промежуточным звеном повышенной частоты - резонансных преобразователей, так как это обеспечивает существенное уменьшение весогабаритных показателей оборудования за счет уменьшения требуемых величин реактивных элементов преобразователей (индуктивностен и конденсаторов). В работе дано описание структуры резонансною преобразователя с параллельным колебательным контуром на тиристорах.

Дли передачи электрической энергии между двумя сетями с различными параметрами используют промежуточное звено постоянного тока. Это ведет за собой использование выпрямителей и фильтров. Возможно объединение двух сетей с различными параметрами (и2,1*2 и Ui.fi) посредством цнкло-конверторов с промежуточным источником высокой частоты. В этом случае высокочастотный источник генерирует, лишь реактивные токи, поэтому его можно создать с; помошыо параллельного колебательного контура ЬС. Такой преобразователь носит название «резонансный циклоконаертор». Резонансный циклоконвертор открывает широкие возможности его применения. Предполагается, что использование резонансных циклоконверторов даст новое решение для реализации регулируемого источника реактивной мощности для АГ, позволит решить проблему «чистоты» сети - уменьшения высших гармоник при работе зиристорных преобразователей на сеть и получить на выходе преобразователя стандартные параметры электрической энергии независимо от изменяющихся входных параметров.

Наличие двух изменяющихся величин колебательного контура (напряжения и частоты) при резких изменениях на1рузки весьма усложняет управление резонансным циклоконвертором. Предложен способ упрощения системы управления резонансного циклоконвертора путем стабилизации частоты колебательног о контура с помощью дополнительного инвертора тока, работающего, с углом управления р-я/2, при котором с изменением нагрузки изменяется только напряжение колебательного контура (без потребления активной мощности, что в дальнейшем предполагает замену источника постоянного тока на большую индуктивность - Ь). Предложены направления для дальнейших исследовании резонансного циклоконвертора и создания системы его управления.

Разработана функциональная электрическая схема миншнергокомплек-са (рис.7) на основе асинхронного генераюра и резонансного циклоконверто-ра. Для возбуждения резонансного контура предусмотрен вспомогательный преобразователь.

потребители

Рис. 7. Функциональная схема миниэнергокомплекса

Такая структура миниэнергокомплекса с автоматизированной системой управления,в отличие от существуют«:; миниэнергокомплексов с асинхронным генератором, позволяет решать следующие вопросы:

работа хомплекса со стандартными параметрами электрической энергии при изменении частоты вращения первичного двигателя (турбины);

работа резонансного циклоконвертора в режиме компенсатора реактивной энергии (статокомпенсаторп), с реактивным током, как опережающим, так и отстающим от напряжения в пределах ± 90";

при работе резонансного циклоконвертора возмущения, связанные с коммутацией вентилей, аккумулируются в основном на стороне высокой частоты и не поступают в сеть низкой частоты (т.е. на вход н выход резонансного циклоконвертора), это дает возможность рассматривать резонансный цик-локонвертор как «чистый» источник тиристорного возбуждения АР, т.е. без содержания большого процента высших гармоник в кривой тока, что может явиться шагом для широкого внедрения асинхронных генераторных установок с тиристорным возбуждением;

работа миниэнергокомплекса параллельно с сегыо, с полной или частичной отдачей вырабатываемой энергии в сеть, с возможностью ре[улиропа-

ния и получения необходимого реактивного гока для сети (режим работы компенсатора реактивной мощности);

осуществление надежного электроснабжения потребителей миннэнер-юкомплекса (при аварийной ситуации) путем подключения потребителей к сети пли другим МЭК, осуществление питания крупных потребителей при недостаточной мощности МЭК путем параллельной работы миниэнергоком-плекса с сетью или другим миниэнергокомплексом;

осуществление запуска установки (при недостаточной скорости ветра для вегроэнерюустановок, в аварийном режиме при останове турбины в котельных) для разворота первичного двигателя асинхронной машины 01 сети или других миниэнергокомплексов или же для работы асинхронного генератора в режиме асинхронного двигателя (в котельных) для привода питательных насосов.

В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследований.

Целью данной главы является экспериментальное подтверждение правильности теоретических разработок: опытно-аналитического метода определения параметров асинхронных машин, методики определения емкости для работы автономного асинхронного генератора, работоспособности контрольно-измерительной системы на базе микропроцессорной техники, работоспособности упрощенного шкета блока синхронизации.

Экспериментальная установка реализована в виде двух миниэнергокомплексов с АГ". В качестве приводных первичных двигателей использованы двигатели постоянного тока с регулируемой частотой вращения. Первый МЭК имеет в качестве генератора АД марки АОЛ-41-6, Рц=1кВт, второй - серии 4А, Рц=0,25кВт. Силовое оборудование второго МЭК можно использовать н как двигательную нагрузку для первого МЭК при отработке вопросов запуска АД от источника соизмеримой мощности. Установка позволяет реализовать все возможные режимы работы МЭК, проверять результаты математического моделирования, испытывать выполненные в металле образцы электроизмерительных и контрольных устройств для миниэнергокомплекса. Так как измерительно-контрольные системы для традиционных энергокомплексов не могут удовлетворить запросов мнниэнергетики по своим массо-габаритным и стоимостным показателям, то для экспериментальной установки была создана измерительная система контроля режима работы АГ на основе микропроцессорной техники. Результаты испытаний показывают, что измерительная система на основе микропроцессорной техники для миниэнергокомплекса полностью себя оправдывает как при ручном управлении, так и для создания автоматической системы управления. У нее несомненные преимущества по сравнению с другими типами измерительных систем: простота и компактность, обширность информации, универсальность, создание автоматической системы управления МЭК с АГ на основе разработанных метода и методики. Необходимость реализовывать параллельную работу асинхронных генераторов миниэнергокомплексов между собой, а также их работу параллельно с сетью потребовала создания упрощенного синхронизирующего

блока. К достоинствам созданного макета блока синхронизации следует отнести: небольшой вес и габариты; достаточность информации для уверенного проведения операции синхронизации; минимальное количество приборов - вибрационный частотомер я магнитоэлектрический вольтметр; малое потребление энергии.

Результаты экспериментальной проверки подтвердили правильность разработанной методики расчета необходимой емкости возбуждения для работы МЭК с АГ в автономном режиме со стандартными параметрам» электрической энергии, а также работоспособность и перспективность выполненных образцов измерительной системы для контроля режима работ АГ и упрощенного блока синхронизации.

ЗАКЛЮЧЕНИИ

В соответствии с поставленной целью и задачами исследований ь диссертационной работе получены следующие основные резулылш.

¡.Интенсивные исследования в области энергосбережения но вовлечению возобновляемых источников энергии н вторичны* энергоресурсов и энергетический баланс являются жшнсшюй необходимостью для Беларуси. Анализ многообразия структур существующих минизнергоустановок позг.- :i,¡.i систематизировать знания в этой области, разработать простою и наглядную классификацию комплексного энергосбережения, со«.иь обобщенную функциональную схему миниэнергоустановки, которая может быть использована ;пя дальнейших научно-исследовательских работ по созданию конкурентоспособных мнниэнергоустпнопок [1 ].

Сравнительный анализ синхронных генераторов, генераторов постоянного тока и асинхронных генераторов но массо-габаришмм, стоимостным показателям, по надежности и простоте исполнения выявляет существенные преимущества асинхронных генераторов. Поэтому в paóoie исследуются минизнергокомплекеы на основе асинхронного генератрл [6, 7, 13]. Основным препятствием для их широкого распространения «втяекя необходимость рас-чега емкости возбуждения, которая зависит как от параметров схемы замещения асинхронного генератора, kik и от натру жи локальной сети минкзнергокомплскса.

2. Разработан и апробирован опытно-аналитический метод определения параметров асинхронной машины, отличающийся от известных методов (электромагнитного расчета, опыта холостого хода и короткого замыкания, несимметричного питания, опыта холостого хода к нагрузки) минимальным объемом измерительных процедур, простым математическим алгорншом и позволяющий с минимальными затратами определять параметры схемы замещения асинхронных машин, находящихся в производственных условиях. Реализовано программное обеспечение алгоритма. Сравнительный анализ параметров, рассчитанных методами электромагнитного расчета, опыта холостого хода и нагрузки, с предложенным показал высокую стеиеш сходимости результатов (!-5%) [3].

Предлагаемый метод определения параметров схемы замещения асинхронных машин был использован для проектирования систем векторного управления асинхронных двигателей, что требует высокой точности вычислений [11].

3. Предложена обобщенная методика определения необходимой емкости для миниэнергокомплекса с асинхронным генератором, работающего в автономном режиме, состоящая из разработанного опытно-аналитического метода определения электрических параметров схемы замещения асинхронных машин и метода построения годографа 1(}0)), отличающаяся своей наглядностью, простотой алгоритма и программного обеспечения. Проверка методики проводилась на имитационной модели и созданной экспериментальной установке из двух физических моделей миниэнергокомплексов с асинхронными генераторами. Она подтвердила высокую степень точности выбора величины емкостей, что позволяет создать систему регулирования, обеспечивающую высокое качество электроэнергии на всем диапазоне нагрузок, основанную на предварительном расчете емкости для работы асинхронного генератора.

4. Теоретические исследования резонансных преобразователей с промежуточным резонансным звеном повышенной частоты показывают перспективность использования таких преобразователей в мипиэнергетике [2, 4, 5, 10]. Разработана функциональная электрическая схема миниэнергокомплекса на базе асинхронного генератора и резонансного циклоконвертора, которая предполагает, в отличие от существующих миниэнергокомплексов с АГ, выработку постоянных параметров электроэнергии независимо от изменения частоты вращения вала первичного двигателя, создание регулируемого «чистого» источника реактивной мощности для асинхронного генератора с тири-сторным возбуждением. Схема обеспечивает максимальную универсальность миниэнергокомплекса при работе его в автономном режиме, параллельно с сетью или с другими миниэиергокомплексами, при отдаче энергии в сеть.

Проверка теоретических исследований осуществлялась методом математического моделирования, а также на экспериментальной установке.

5. Разработана экспериментальная установка из двух миниэнергокомплексов с асинхронными генераторами, обеспечивающая все режимы работы генераторов. Экспериментальная проверка подтвердила правильность разработанной методики расчета емкости возбуждения для работы миниэнергокомплекса с асинхронным Генератором е автономном режиме, работоспособность выполненных макетов измерительной системы и упрощенного блока синхронизации для миниэнергокомплекса [12].

Результаты испытаний макета измерительной системы использованы при разработке варианта системы управления режимом работы асинхронного генератора [8,9].

Проведенные исследования подтверждают правильность выдвинутой гипотезы.

Список опубликованных автором работ по теме диссертации

1. Артишевская C.B. К вопросу унификации энергоустановок Miiinoiiepie-in-ки //Энергетика (Изв. высш. учеб. заведении и энерг. обьед. СНГ').- 1998.-№2,- С. 41- 44.

2. Артишевская C.B., Павлович С.Н. К вопросу анализа потерь в полупроводниковых преобразователях//Энергетика (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объед. СНГ).- 1998,-№4,-С. 34-36.

3. Константинова C.B. Упрощённый метод определения параметров асинхронных машин//Энергетнка (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. обьед. СНГ).- 1998-№6.- С. 24-29.

4. Артишевская C.B., Павлович С.Н. Выходное напряжение преобразователя с промежуточным параллельным резонансным контуром / Белорус, государ. политехи, академ. - Минск,1997.-5с. -Деп. а ВИНИТИ 15 07.97. -№2395 - В97.

5. Артишевская C.B. Напряжение и ток резонахского контура в статических преобразователях с параллельным резон шсиым контуром I Белорус, государ, политехи, академ. - Минск, 1997 8с Деп. в ВИНИТИ 15.07.97. -№2396 - В97.

6. Артишевская C.B. Намагничивание двигателей постоянною тока с постоянными магнитами р производственных условиях //35-я научная конференция студентов втузов Эстонки, Латвии, Литвы, Белоруссии и Молдовы; Докл. конф. - Таллин,1991.-C.U-13.

7. Артишевская C.B., Павлович С.Н., Семченко A.A. Структуры систем управления преобразовательными устройствами обьекгов малой suepie-тнки // Автоматизированный электропривод промышленных установок: Тез.докл.конф. - Минск, 1994.-С.26.

8. Артишевская C.B., Семченко A.A. Управление миниэнергокомплексом на базе асинхронного генератора с турбоприводом // Материалы международной 51-й НТК профессоров, преподавателей , научных работников, аспирантов и студентов БГПА, посвященной 75-легию БГПА «Состояние и перспективы развития науки и подготовки инженеров высокой квалификации в БГПА»: Тез.докл.конф. - Мши и,1995. - Ч.1.- С.62.

9. Артишевская C.B., Семченко A.A. Система управления режимом работы асинхронного генератора // Зборжк навуковых артыкулау студэнтау ВНУ Рэспублш Беларусь: Тез.докл.конф- Мн.,1995. - Ч.2.- С.141.

10.Артншевская C.B. Характеристики преобразователя с параллельным резонансным контуром //Материалы международной 52-й НТК профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов БГГ1А «Технические вузы - Республике»: Тез. докл. конф. - Минск, 1997 - 4.1.-С.155.

1 КАнхнмюк В.Л., Артишевская C.B., Опейко О.Ф. Синтез системы управления асинхронным электроприводом // Материалы международной научно-технической конференции "Современные направления развития производственных технологий и робототехника ": Тез. докл. конф- Могилев, 1999.-С. 19.

12. Артишевская C.B. Синхронизирующее устройство для миниэнергоком-плекса с асинхронным генератором // Материалы международной 53-п НТК профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов БГ11А : Тез. докл. конф. - Минск, 1999 - Ч.2.- С.55.

13. A.C. 1693643 СССР, H Ol F 13/00. Способ импульсного намагничивания пост оянных магнитов в составе коллекторных машин постоянного тока/ С.В.Артишевская, В.А.Артишевский, Н.Л.Кудин, Б.Д.Хрипач (СССР).-№4691607;заявлено 18°.05.1989;опубл. в Б.И., 1990- Бюл№23.

19

РЭЗЮМЭ

Кансташннава Святлана Валер'е}тт

Электрамехашчны» Ыстэмы у мшЬнергетыци на базе асниронняга гснерагара

Эиергазберажэнне, мпйэнергетыка, мннэнергакомплеке, асшхронны генератар (АГ), параметры схемы замяшчэння, ёмютасць узбуджэння, рэзанансны цыклаканвертар.

Аб'ект даследаианнп: мнпэнергетыка, эиергазберажэнне з далучэннем у эиергабаланс альтэрнатыуных крышц энергп.

Мэта даследаваннн; разипще тэорьн иыкарыстання мппэнергаустановак на аснове АГ' шляхам анал1зу стану мшпнергетым, распрацоук1 метаду вызначэння параметра)1 схемы замяшчэння 1 методыкт вызначэння ёмютасщ для работы АГ, пабудовы электрычнай схемы мнпэнергакомплексу на базе АГ ! рэзананснага цыклаканвергара.

Метады даслсдаваитг. аналп 1 сштэз, матэматычнае мадзляванне з выкарыстаннем ЭВМ, натурны эксперыменг

Створана клаафжацыя комплексная энергазберажэння 1 складзсна абагульнягачая функцыянальная схема мииэнергаустано^кь

Распрацаваны вопытна-аналпычны метад вызначэння параметра}' схемы замяшчэння асинхронных машын з мппмумам вымяральных пранэчур 1 методыка вызначэння ё^пстасщ для работы АГ над ¡шрузкай у аутаномным рэжыме са С1андаргным| параметрам! электраэнергн, як'ш ьшначаюшш прастатой алтарытмау 1 дакладпасцю разлжау.

Прапанаваны удасканалены электрагенерыруючы модуль мнпэнергакомплекса на аснове АГ ! рэшнансмага цыклаканвертара з мэган атрымання стандартных парамеграу выпрацоуваемай эяектраэнергн пры пераменнан частаце вярчэння вала псршаснага рухавша АГ.

Метад 1 методыка, ¡х алгарыппчнае I праграмнае забяспячнше рэкамендуюцца для выкарыстання пры праектавашп мпизнертакомплексау I ¡х сютэм мравания, рзканструкцьп капельняу Беларуси $ мппТЭЦ.

Тэарэтычныя рэзультаты даследаванняу падцверджаны эксперыментальна. Вышю тэарэтычных даследаванняу выкарыстоуваюина у навучалышм праиэсе пры чытанш курсау "Электрычныя машины", "Наладка 1 вынрабаванне электраабстачятшня" у Беларускаи дзяржаунай по.'пгэхжчнай акадэмн.

Вобласць прымянення рэчультатау дысертапьн мппнпргетыка э м:иушасцю АГ да 1 МВт.

20

РЕЗЮМЕ Константинова Светлана Валерьевна

Электромеханические системы в мшшэнергетике на основе асинхронного генератора

Энергосбережение, миниэнергетнка, миниэнергокомплекс, асинхронный генератор (АГ), параметры схемы замещения, емкость возбуждения, резонансный циклоконвертор.

Объект исследования: миниэнергетнка, энергосбережение с вовлечением в энергобаланс альтернативных источников энергии.

Цель исследования: развитие теории использования миниэнергоуста-новок на основе АГ путем анализа состояния мнниэнергетики, разработки метода определения параметров схемы замещения и методики определения емкости для работы АГ, построения электрической схемы миниэнергокомплекса на базе АГ и резонансного цнклоконвертора.

Методы исследования: анализ и синтез, математическое моделирование с использованием ЭВМ, натурный эксперимент.

Создана классификация комплексного энергосбережения и составлена обобщенная функциональная схема миниэнергоустановки.

Разработаны опытно-аналитический метод определения параметров схемы замещения асинхронных машин с минимумом измерительных процедур и методика определения емкости для работы АГ под нагрузкой в автономном режиме со стандартными параметрами электроэнергии, отличающиеся простотой алгоритмов и точностью расчетов.

Предложен усовершенствованный электрогенерирующий модуль мини-энергокомплекса на основе АГ и резонансного цнклоконвертора с целью получения стандартных параметров вырабатываемой электроэнергии при изменяющейся частоте вращения вала первичного двигателя АГ.

Метод и методика, их алгоритмическое и программное обеспечение рекомендуются для использования при проектировании миниэнергокомплек-сов и их систем управления, реконструкции котельных Беларуси в миниТЭЦ. Теоретические результаты исследования подтверждены экспериментально. Результаты теоретических исследований используются в учебном процессе при чтении курсов «Электрические машины», «Наладка и испытание электрооборудования» в Белорусской государственной политехнической академии.

Область применения результатов диссертации - миниэнергетика с мощностью АГ до 1МВт.

21

SUMMARY Konstantinova Svctlana Valeryevna

Electromechanical systems In mlnipower engineering on the basis of an asynchronous generator

Energy saving, minipower engineering, minipower unit, asynchronous generator (AG), parameters of an equivalent circuit, capacitance of excitation, resonant cycloconvertor.

Object of the research: minipower engineering, energy saving with using alternative power sources in a power balance.

Purpose of the research: development of theory for minipower units application by means of analysis of minipower engineering state, creating a method for the AG parameters determination, the development of a calculation technique for AG operating capacitance, designing the electrical circuit minipower unit on the basis of AG and resonant cycloconvertor.

Methods of the research: analysis and synthesis, simulation modelling with use PC, experiment on location.

The classification of the complex energy saving and the generalized functional diagram of a minipower unit are suggested.

An experimental - analytical method for (he induction machine parameters determination with a measure procedure minimum and a technigue for calculation of capacitance needed for AG autonomous running are developed. They feature the simple processes procedures and acceptable accuracy, r

The improved electrogenerating module minipower unit on the basis of an AG and a resonant cycloconvertor is offered with the purpose of obtaining standard parameters of the generated electric power at a variable shaft speed of the AG driver.

Method and technique, their algorithmic and software are applicable at designing minipower units and their control system, reconstruction of boiler-houses of Belarus into thermal minipower stations.

The confirmation of theoretical investigations was fulfilled through mathematical modelling and experiments.

The results of research are used at delivering lectures on "Electtical machines", "Adjustment and testing the electrical equipment The experimental rig is used for labs work of students.

The application area of the results of the thesis is minipower engineering with the power AG to 1MW.