автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование новых возможностей совершенствования машинно-электронных генерирующих систем для малой энергетики и автономных объектов

На правах рукописи

Горякин Дмитрий Васильевич

ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МАШИННО-ЭЛЕКТРОННЫХ ГЕНЕРИРУЮЩИХ СИСТЕМ ДЛЯ МАЛОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И АВТОНОМНЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.09.03 Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

б ;:сн 2013

005061П1

Москва-2013

005061111

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» на кафедре «Электротехнические комплексы автономных объектов - ЭКАО»

Научный руководитель: МЫЦЫК Геннадий Сергеевич

Доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

ПРЕЧИССКИЙ Владимир Антонович

Доктор технических наук, профессор кафедры «Электрический транспорт» ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»

ПАНАРИН Александр Николаевич

Кандидат технических наук, заведующий проектно-конструкторским отделом Федерального государственного унитарного предприятия «Научно-исследовательский и экспериментальный институт автомобильной электроники и электрооборудования» (ФГУП НИИАЭ)

Ведущая организация: ОАО «Аэроэлектромаш», г. Москва.

Защита состоится «28» июня 2013 г. в 16 часов 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 Национального исследовательского университета «МЭИ» по адресу: г. Москва. Красноказарменная ул.. дом 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « 2?» /¡А/ЗЛ 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02 к.т.н. доцент .

С.А. Цырук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В мировой практике электроэнергетики в настоящее время существует тенденция к децентрализации производства электроэнергии и развитию малой энергетики. В основе концепции развития автономных генерирующих систем относительно малых мощностей (от единиц и десятков до сотен киловольт-ампер) лежит прямое использование энергии природных ресурсов и повышение (при реализации ее в полном объеме проектного замысла) живучести (надежности) электроснабжения по стране в целом. . Использование автономных генерирующих устройств дает особенно большие преимущества в отдаленных районах. Значительную роль в развитии малой энергетики играет совершенствование полупроводниковых устройств силовой электроники (УСЭ). Системы генерирования с применением УСЭ получили название «машинно-электронные генерирующие системы» (МЭГС). Ближайшие примеры использования МЭГС лежат в области ветро- и гидроэнергетики. Особенностью генерирующих систем в таких применениях является переменная частота вращения вала электрической машины (ЭМ). Проблема построения генерирующих систем с переменной частотой вращения вала выходит за рамки указанных примеров, распространяясь и на другие области техники - на различные виды подвижного транспорта и на дизель-генераторные установки. Приведенные примеры использования автономных генерирующих систем можно обобщить под названием «автономные объекты» (АО), которые включают в себя как объекты транспорта, так и автономные генерирующие системы в других областях.

В настоящее время проблема проектирования генерирующих систем АО решена в недостаточной мере, необходимой для оптимизации их по таким критериям, например, как заданное качество электроэнергии при минимуме массы и ограничениях по КПД и по стоимости.

Асинхронная машина (АМ) с короткозамкнутым ротором является самым распространенным и наиболее простым и дешевым типом электрической машины. АМ широко применяются в качестве двигателя в различных электроприводах. Намного меньшее распространение получило применение АМ в генераторном режиме с самовозбуждением. Регулирование и стабилизация выходного напряжения АМ в данном режиме сопряжены с рядом трудностей, а традиционное использование для возбуждения АМ батарей переключаемых конденсаторов увеличивает массу генерирующей системы и позволяет осуществлять регулирование напряжения только дискретным путем. Долгое время это обстоятельство ограничивало применение асинхронных генераторов с самовозбуждением. Современный уровень развития УСЭ позволяет по-новому решать задачи возбуждения АМ и регулирования ее выходных параметров. При этом данная область является недостаточно изученной для принятия однозначных проектных решений.

Применение в МЭГС АМ совместно с трехфазным активным выпрямителем - ТАВ (на базе трехфазной мостовой инверторной схемы) позволяет осуществлять возбуждение АМ и регулирование выходного напряжения системы.

ТАВ является обратимым и может работать в режимах инвертора (как автономно, так и параллельно с сетью), малоискажающего трехфазного выпрямителя (МИТВ), управляемого реактивного сопротивления, а также в комбинированных режимах. Благодаря таким функциональным свойствам, этот преобразователь получил название четырехквадрантного (ЧКП). Таким образом, МЭГС с применением ЧКП может работать не только в генераторном, но также и в стартерном режиме.

В системе «Асинхронный вентильный генератор - АВГ» ЧКП работает в комбинированном активно-емкостном режиме, одновременно выполняя две функции - функцию компенсатора реактивной мощности (КРМ) и функцию (активного) выпрямителя с емкостным соб <р, то есть обеспечивая возбуждение генератора и выпрямление переменного тока. Имеющееся на сегодня информационно-методическое обеспечение по комбинированному режиму работы ЧКП является неполным, данный режим подлежит более глубокому изучению.

Актуальность работы. В настоящее время прилагаются большие усилия для повышения эффективности автономных систем электроснабжения. Одним из очевидных путей решения этой задачи является более широкое применение УСЭ. Представляет интерес применение УСЭ для возбуждения автономных асинхронных генераторов. Такая система сочетает в себе простоту, низкую стоимость и надежность АМ и эффективность современного электронного преобразователя - ЧКП. Актуальность проблемы также подтверждается большим количеством публикаций в иностранной литературе по данной теме за последнее время. В русскоязычной литературе проблема пока не получила широкое освещение. Исследование возможностей ЧКП важно не только для применения в МЭГС на базе бесконтактной АМ, но и в других типах МЭГС, например, на базе синхронной машины с электромагнитным возбуждением. Ожидаемое уменьшение массы синхронной машины при применении ЧКП, обеспечивающего емкостный характер нагрузки ЭМ, составляет не менее 20%. Для развертывания работ по системному проектированию МЭГС различного рода требуется проведение соответствующих исследований с целью создания необходимого информационно-методического обеспечения, которое в настоящее время практически отсутствует или присутствует в публикациях фрагментарно (далеко не в полном объеме).

Цель исследования. Целью работы является решение комплекса взаимосвязанных задач, характеризующих объект исследования (в виде автономной генерирующей системы на основе АМ с возбуждением от ЧКП)

методами имитационного компьютерного моделирования (ИКМ). «

I

Для достижения цели работы поставлены и решаются следующие задачи:

1. Установление на основе аналитического обзора текущего уровня исследований в области МЭГС.

2. Поиск компьютерной модели АМ, пригодной для исследования в генераторном режиме;

3. Исследование ЧКП на базе трехфазной мостовой инверторной схемы в режимах, необходимых для применения в данной системе;

4. Исследование работы МЭГС в вариантах системы генерирования постоянного тока (1-го типа) «АВГ» (МЭГС-1) и системы генерирования переменного тока (2-го типа) «переменная скорость - постоянная частота -ПСПЧ» (МЭГС-2).

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе используется ИКМ в объектно-ориентированной программе «ОгСАЛ РБрке». Также, для решения поставленных задач привлекались аналитические методы (в частности, метод гармонического анализа).

Достоверность научных результатов подтверждается соответствием полученных результатов ожидаемым. При проведении ИКМ получена точность компьютерных моделей в пределах 5-8%. Результаты исследования хорошо согласуются с частичными результатами, ранее полученными другими исследователями. Для самоконтроля также использован принцип энергетического баланса.

Научная новизна.

1. Известная модель трехфазной АМ (в непреобразованной системе координат без учета насыщения) модифицирована до вида, обеспечивающего режим самовозбуждения. Достигается это учетом насыщения магнитной цепи АМ.

2. Получено модельное описание работы ЧКП в комбинированном режиме выпрямления (МИТВ+ КРМ) и отдачи в АМ (или в сеть) реактивной мощности, и на основе проверки его методом ИКМ подтверждена хорошая его адекватность (не хуже 8%).

3. Показана возможность построения систем повышенной мощности на базе ЧКП с многоканальным преобразующим трактом. Проведено ИКМ многоканального ЧКП в режиме МИТВ (ТАВ), в результате которого получены данные по улучшению показателей ЭМС. Полученные для частного случая данные могут быть распространены на другие режимы работы ЧКП.

4. Разработаны имитационные компьютерные модели систем МЭГС-1 типа «АВГ» и МЭГС-2 типа «ПСПЧ» на базе АМ с ЧКП. Проведенные на их основе исследования подтвердили возможность обеспечения устойчивой работы системы в вариантах МЭГС-1 и МЭГС-2 и создали основу для разработки информационно-методического обеспечения для решения комплекса задач по параметрической оптимизации системы.

Практическая значимость работы. Полученные в данной работе результаты исследования двух видов МЭГС могут быть использованы для решения проблем электроснабжения постоянного и переменного тока на автономных объектах, в ветроэнергетике и гидроэнергетике. Актуальность и практическая значимость работы подтверждается интересом отечественных и зарубежных исследователей, который в последнее время (примерно 5 лет) нашел отражение в большом числе публикаций (более 10). Результаты исследования могут быть использованы для разработки завершенных методик проектирования систем электроснабжения вида МЭГС-1 и МЭГС-2. В исследовании представлены также новые данные по режимам работы ЧКП, необходимые при их проектировании практически во всех режимах.

На защиту выносятся:

1. Полученные аналитическим путем функциональные модели ЧКП в комбинированном активно-емкостном режиме.

2. Результаты исследования на основе ИКМ зависимости показателей ЭМС ЧКП от различных факторов.

3. Предложенный вариант построения многоканальной структуры преобразователя на базе трехфазной мостовой инверторной схемы.

4. Предложенный вариант МЭГС на базе бесконтактной АМ с возбуждением от ЧКП с управлением по синусоидальному ШИМ алгоритму программного типа.

5. Результаты исследования методом ИКМ на основе разработанных моделей возможностей регулирования МЭГС в вариантах АВГ и ПСПЧ (МЭГС-1 и МЭГС-2).

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось: На ХЫ (2011г.) и ХЫ1(2012г.) Всероссийских научно-практических конференциях «Федоровские чтения», XVIII (2012г.) Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика».

Публикации. По теме работы опубликовано 7 печатных работ (среди них три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК).

Личный вклад:

1. Проведен анализ и систематизация существующих генерирующих систем на базе АМ.

2. Разработаны имитационные компьютерные модели МЭГС-1 и МЭГС-2 на основе доработанных для этой цели автором моделей АМ и ЧКП с программньм управлением.

3. На основе разработанных моделей исследованы области работы (возможности регулирования выходного напряжения и частоты вращения вала генератора) исследуемых МЭГС.

>

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 132 страницах, содержит 95 рисунков, 4 таблицы, состоит из введения, 5 глав, заключения и библиографии из 62 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена цель работы, обоснована актуальность темы, отражены практическая ценность и научная новизна решаемых в диссертации задач.

В первой главе рассматриваются варианты структур МЭГС: системы постоянного тока типа «вентильный генератор - ВГ» (МЭГС-1), системы переменного тока типа «ПСПЧ» (МЭГС-2) и системы на базе синхронизированного асинхронного генератора - САГ также типа «ПСПЧ» (МЭГС-3). Рассмотрены физические основы процесса самовозбуждения автономного асинхронного генератора. По мере развития теории АГ подход к анализу самовозбуждения и раскрытию его физической природы претерпел существенные изменения. В прошлом наиболее распространенная трактовка асинхронного самовозбуждения (АСВ) основывалась на явлении остаточного намагничивания ротора. В этом случае первым импульсом для начала самовозбуждения является остаточный поток. При вращении ротора внешним двигателем этот поток наводит в статоре ЭДС. Если'к зажимам статора подключены конденсаторы, то ток, создаваемый этой ЭДС, будет иметь емкостный характер, и, соответственно, поток реакции якоря будет направлен согласно с остаточным потоком, что приводит к увеличению результирующего потока. В свою очередь этот поток создает большую ЭДС, т.е. идет лавинообразный процесс возрастания напряжения и тока до точки пересечения характеристики холостого хода АГ с вольтам-перной характеристикой конденсатора, то есть имеет место положительная обратная связь. В последующих работах такая теория была подвергнута сомнению. Исследования показали, что самовозбуждение АГ может происходить и при выполнении ротора и из немагнитного материала. Было выявлено, что для начала процесса АСВ достаточно бесконечно малого импульса энергии, например, остаточной намагниченности статора или заряда конденсаторов. Проведенное в данной работе в главе 2 имитационное компьютерное моделирование (ИКМ), при котором остаточное намагничивание ротора и статора не учитывалось, показало, что для самовозбуждения системы достаточно предварительного заряда одного конденсатора возбуждения (из трех) до напряжения 1 мкВ.

При работе генератора с переменной нагрузкой выходное напряжение, а также частота, изменяются. Для поддержания уровня выходного напряжения используются конденсаторы переменной емкости или переключаемые батареи конденсаторов. Также может применяться компаундирован-

ное возбуждение (обозначающее параллельно-последовательное подключение конденсаторов к выходу АМ). Однако, такой вариант может быть использован только при сравнительно небольшой мощности генератора, так как через последовательно включенные конденсаторы протекает полный ток нагрузки. Рассмотрены и другие варианты регулирования мощности возбуждения, такие как применение параллельно основным конденсаторам возбуждения тиристорно-реакторных (дроссельных) групп или статического КРМ на базе ЧКП. Наиболее перспективным способом возбуждения АМ является применение ЧКП в комбинированном активно-емкостном режиме (МИТВ и КРМ) без использования конденсаторов в цепи переменного тока (рис. 1). Такая схема образует структуру МЭГС-1 типа «Асинхронный вентильный генератор - АВГ». Для получения структуры МЭГС-2 типа «ПСПЧ» к «АВГ» подключается трехфазный инвертор напряжения - ТИН2, который может быть построен на основе такой же схемы, как и ЧКП (рис.2). Рассмотрены методы исследования МЭГС. Для использования в данной работе выбран метод ИКМ в программе ОгСАО РЗрке, использующий кусочно-линейный последовательный расчет параметров процессов в системе.

Во второй главе приведена математическая модель АМ и ее исследование методом ИКМ.

Для возможности реализации режима самовозбуждения в модели АМ должно учитываться насыщение магнитопровода, для учета которого введена зависимость параметра взаимной индуктивности М от тока намагничивания ;'„:

м-1

1

[а+Ы^

(1)

где а и Ъ - коэффициенты аппроксимации кривой намагничивания, определяемые по двум точкам кривой намагничивания ЭМ. Ток намагничивания определяется через токи в обмотках машины:

1,.

+9 +/асо5

4я

+0

Цр-Ь) , 2

7з зи

увшб+г.

БШ

13

+е

(2)

Рис. 1. АВГ (МЭГС-1) с возбуждением от ЧКП.

Рис. 2. Система ПСПЧ (МЭГС-2) на базе АВГ.

где 8 - угол поворота ротора АМ.

Исследование модели проведено на примере АМ 4АК16054УЗ мощностью 11 кВт. Показано, что результаты тестовых исследований модели АМ в двигательном режиме ее работы (на основе ИКМ-экспериментов) являются физически непротиворечивыми, а отличие полученных значений КПД и со б ф при номинальной мощности от паспортных значений составляет менее 5%, что позволяет сделать вывод об адекватности и достаточной для инженерной практики ее точности.

ИКМ в генераторном режиме с самовозбуждением проведено при работе на активную (/?) и на выпрямительную нагрузку. Запуск процесса асинхронного самовозбуждения в данном случае осуществляется путем предварительного заряда конденсаторов. Полученная внешняя характеристика генератора при 7? нагрузке с постоянной емкостью конденсаторов возбуждения показана на рис. 3. При работе на выпрямительную нагрузку мощностью 11 кВт (рис. 4) емкость конденсаторов возбуждения при их соединении в «звезду» составляет С=102мкФ. При использовании конденсаторов К78-17 масса системы возбуждения составляет 750 г на одну фазу.

Третья глава содержит упрощенное модельное описание некоторых режимов работы ЧКП (МИТВ, КРМ, ТИН) основанное на методе основной гармоники. Данный

200 1<0

50 0

ДА

Рис. 3. Внешняя характеристика АМ в генераторном режиме с конденсаторным возбуждением С = 111 мкФ.

"1 ОГЧЛА

— Л \ 1. ^—1' ¡Л4- \ \ \

/ " г^гт V _гА1

1 Л /V Ч/ \ N /Ч ,/Л, /Л Л/

ч /Л /Л /Л Л / N

Рис. 4. Временные диаграммы процессов в АМ с конденсаторным возбуждением при работе на выпрямительную нагрузку

метод обеспечивает достаточно точное и более простое, по сравнению с методом мгновенных значений, решение задачи описания режимов работы ЧКП.

Можно выделить два типа (подкласса) инверторов: инверторы напряжения с одноканальным преобразующим трактом (ОКП) - наиболее широко известные и распространенные, и инверторы напряжения с многоканальным преобразующим трактом (МКП). Последние построены по принципу разбиения преобразующего тракта на Ь структурно и по мощности одинаковых каналов, работающих одновременно по определенным алгоритмам одного типа (с фазовым сдвигом или на выходной частоте, или на высокой тактовой частоте). В данной главе рассматриваются режимы работы инверторной схемы с ОКП.

Рассмотрен комбинированный режим работы (рис. 5) ЧКП (МИТВ + КРМ), используемый в системе «АВГ». Из векторной диаграммы комбинированного режима (рис. 6) получены функциональные модели, характеризующие данный режим:

иш

9= агаад ггф,

'к» +Т"

(3)

где / =т

-мо)®» ■чу)«

v. )

активная составляющая тока, потребляемого из

^тин(1)т :

СОЗфщ) «(фки+е)

(4)

Следует отметить, что приведенные соотношения справедливы в случае работы с идеальной сетью. При работе преобразователя в составе асинхронного вентильного генератора вместо СД необходимо учитывать основную гармонику напряжения асинхронной машины Сц!).

Взаимосвязь между параметрами IIм и Етто)т однозначно определя-

цв ¿А

600 60

400 40

200 20

0 0

-200 -23

-400 -40

а

- и

\\ /

л'\ V X/

Рис. 5. Временные диаграммы процессов в ЧКП:

фазное напряжение сети, потребляемый ток и вы- Рис- 6. Векторная диа-прямленное напряжение грамма комбинированно-

го режима ЧКП.

ется через глубину модуляции р - параметр регулирования выпрямленного напряжения:

^тин(1)л1 = у ^¿о- (5)

Четвертая глава включает в себя результаты ИКМ работы ЧКП в режимах: I) - МИТВ; 2) - ТИН параллельно с сетью; 3) - КРМ; и 4) - в комбинированном режиме (МТВ+КРМ). Проведено сравнение параметров управления ЧКП, полученных при ИКМ с параметрами, рассчитанными по материалам главы 3. Наибольшее различие расчетного значения с результатом ИКМ составляет 8,3 %. Это дает основание сделать заключение о достаточной для инженерной практики точности полученной модели. При этом необходимо заметить, что в данном случае ЧКП работает в режиме перемодуляции (ц>1) с ц = 1,6. В этой области расчетная модель обеспечивает более низкую точность, чем в области нормированной модуляции 0*<1), где реализуется двухполярный ШИМ-эт алгоритм управления.

Различают синхронные и асинхронные алгоритмы управления. Под синхронным понимают алгоритм ШИМ с постоянной (тактовой) частотой. При этом ШИМ может задаваться как полностью программным способом (с жесткой логикой), так и с использованием систем со слежением по току. Во втором случае один из фронтов задается программно с постоянной частотой следования, а второй - на основе сравнения текущего уровня тока с эталонным сигналом. В этом случае речь идет об однопозиционном слежении, система управления называется полуследящей. Асинхронное управление определяется системами со слежением по току, когда управление осуществляется по обоим фронтам. При следящем управлении задается «токовый коридор», внутри которого формируется требуемый ток. Точность формирования тока определяется шириной коридора ±Д.

Для режима МИТВ с программным алгоритмом управления при выходной мощности Р(1 = 11000 Вт и выходном напряжении [/¿о = 600 В найдены оптимальные значения индуктивности сопрягающих дросселей и емкости буферного конденсатора (рис. 7 - рис. 9): Ь = 5 мГн, С= 60 мкФ при частоте развертки_/т = 3600 Гц. При данных параметрах коэффициент гармоник входного тока составляет Кг(() = 6,2%, уровень пульсаций вы-

0 20 *0 60 80 100 С, мкф 0 2 4

Рис. 7. Зависимости параметров ЭМС от емкости буферного конденсатора.

Рис. 8. Зависимость Кг(/) от индуктивности сопрягающих дросселей и частоты развертки.

прямленного напряжения 5 = 2,4%.

Выявлено важное функциональное свойство МИТВ: 1) значение основной гармоники потребляемого из сети тока зависит только от значения тока нагрузки (при Vм = сож1)\ 2) высшие гармонические составляющие этого тока обусловливаются значениями индуктивности сопрягающих дросселей, частотой развертки и глубины модуляции, особенно в режиме перемодуляции (ц>1). При уменьшении тока нагрузки относительное содержание высших гармоник в первичном токе (по отношению к 1-й гармонике) возрастает, так как от нагрузки они практически не зависят, и поэтому коэффициент гармоник тока увеличива-етсяПри проведении ИКМ ЧКП в комбинированном режиме получены зависимости параметров управления преобразователя от угла нагрузки ср1(1! (рис. 10). Проведено ИКМ ЧКП в режиме КРМ в двух подрежимах, отличающихся способом компенсации потерь на элементах ЧКП. Потери на элементах ЧКП в режиме КРМ могут быть компенсированы двумя путями: в цепи постоянного тока может устанавливаться дополнительный источник постоянного напряжения, (например, в виде трансфоматорно-выпрямительного устройства) на мощность, равную мощности этих потерь (подрежим «1»), при этом 0 = 0. Другим путем является установка по системе управления соответствующего значения угла 0 > 0, при этом потери компенсируются от сети переменного тока (подрежим «2»), При проведении ИКМ в подрежиме «1» в компьютерной модели использован идеальный источник постоянного напряжения. На рис. 11 показаны характеристики КРМ при переходе от подрежима «1» к подрежиму «2». Напряжение источника 650 В. При значении угла управления о<9<0,3° КРМ работает в подрежиме «1». С увеличением угла 0 растет выходное напряжение ЧКП иА которое при 6 = 0,3° достигает значения 650 В. При дальнейшем увеличении угла управления напряжение ц^ > е - 650 в • Потери в элементах ТИН компенсируются от сети переменного тока (<р <я/2>

подрежим «2») и дополнительный источник напряжения не используется, а сетевой ток при этом возрастает.

С = й0икФ (,',-600 а - и кВт

55 6.6 1.6

30 б,' 1.4

25 и

20 6.5 1

15 «>4 0.«

----- |Ч~

---- -.У... ---- \

Рис. 9. Зависимость 8 от индуктивности сопрягающих дросселей и частоты развертр.

Рис. 10. Зависимости параметров управления ЧКП в комбинированном режиме от угла нагрузки ф1{1).

Для улучшения ЭМС и повышения мощности ЧКП в случае нехватки мощности отдельного преобразователя, например, из-за ограничения предельно допустимого тока ключевых' элементов, возможно параллельное соединение преобразователей на базе ТИН.

: В режиме МИТВ дроссели сопряжения одними своими концами подключаются к входным выводам ТИН, а другие концы объединяются для каждой фазы и образуют вывод для подключения к сети переменного тока. Выводы постоянного тока ТИН подключаются параллельно к общему конденсатору и нагрузке. Управление ключами осуществляется программным способом. Отличие от ЧКП с ОКП заключается в необходимости сдвига сигналов развертки на угол 5=2л /Ы для каждого канала, где ./V- число каналов ЧКП. Такой же принцип применяется и для организации работы многоканальной структуры в других режимах работы ЧКП. Показатели ЭМС для различного числа каналов при выходном напряжении им = 620 В и выходной мощности Ра= 9500 Вт (/т = 2400 Гц, Ь = 10 мГн, С = 10 мкФ) приведены в таблице.

С увеличением числа каналов преобразования Ы: а) искажения потребляемого из сети результирующего тока уменьшаются, и они значительно меньше искажений тока, потребляемого одним каналом; б) амплитуда тока через каждый канал по сравнению с потребляемым из сети результирующим током, уменьшается в N раз; в) пульсации выпрямленного напряжения (и тока) уменьшаются с ростом числа каналов N.

В отличие от программного алгоритма управления ЧКП с ШИМ на постоянной частоте, при следящем алгоритме управления отсутствует заданная частота развертки. Частота переключения ключей при следящем управлении определяется шириной токового коридора А (чем больше Д, тем ниже частота коммутаций) и индуктивностью сопрягающих дросселей Ь (чем больше индуктивность, тем ниже частота коммутаций). При этом данная частота при следящем управлении не является постоянной величиной. При проведении ИКМ с Ра = 11000 Вт, иао = 600 В,

Рис. И. Зависимости потребляемого от дополнительного источника тока 12, сетевого тока и угла (р1(]) от параметра управления 6

Таблица

Число Пульсации Коэффициент

каналов выпрямленного гармоник вход-

N напряжения, 6 ного тока Кип, %

1 0,12 4,7

2 0,042 3,4

3 0,016 3,2

L = 5 мГн, С = 60 мкФ, Д = 1 А средняя частота переключения ключей ЧКП составила 6 кГц , Кгу) = 5,8%, пульсации выходного напряжения 8=1,3%. Таким образом, при сравнении с программным алгоритмом управления при одинаковой выходной мощности, индуктивности сопрягающих дросселей и емкости буферного конденсатора КГ(,) оказывается выше, несмотря на большую частоту переключения транзисторов, а уровень пульсаций выходного напряжения снижается.

Проведено ИКМ преобразователя частоты со звеном постоянного тока (ПЧЗПТ), который выполнен в виде двух последовательно включенных ЧКП. При этом один - ЧКП-1, работающий в режиме мало-искажающего выпрямителя (МИТВ), своим входом подключен к генерирующей сети 1 с напряжением частоты _/}, а второй - ЧКП-2, работающий в режиме ТИН (то есть в режиме параллельной работы с сетью) своим выходом подключен к другой сети 2, включающий в себя в общем случае генератор (или генераторы) с напряжением другой частоты f2 и некоторую совокупность потребителей. Управление ЧКП-1 (ТИН-1), работающем в режиме МИТВ, осуществлялось по следящему алгоритму, для управления ЧКП-2 в режиме ТИН использовался программный алгоритм. При использовании программного алгоритма для управления обоими преобразователями на данном этапе работы не удалось получить полностью активный характер входного и выходного токов (с cos Ф - 1). Результаты ИКМ приведены на рис.12.

В пятой главе представлены результаты исследования МЭГС на базе бесконтактной AM с возбуждением от ЧКП с программным алгоритмом уп-равления. Проведены ИКМ двух структур: МЭГС-1 («АВГ») и МЭГС-2 («ПСПЧ»), Управление ЧКП осуществляется с помощью двух ПИ-регуляторов по каналам 0 и ц. В качестве начального импульса энергии

Рис. 12. Временные диаграммы процессов в ПЧЗПТ. /,=400 Гц, /2=50 Гц: а) - напряжение и ток сети 1; б) - противоЭДС ТИН1; в) - напряжение и ток в звене постоянного тока; г) - противоЭДС ТИН2 и напряжение сети 2; д) - напряжение и ток сети 2.

Рис. 13. Временные диаграммы напряжения АМ и выходного напряжения АВГ в процессе возбуждения.

для начала процесса самовозбуждения АМ используется предварительный заряд буферного конденсатора в цепи постоянного тока ЧКП.

Регулирование выходного напряжения в МЭГС-1 можно осуществлять только при изменении угла управления ЧКП 6, глубина модуляции ц может оставаться постоянной. При этом изменяется напряжение на выводах АМ. Для поддержания оптимального режима работы АМ управление должно осуществляться как по углу 6, так и по р..

Проведено ИКМ МЭГС-1 при номинальной частоте вращения и изменении выходной мощности от нуля до номинальной мощности. На рис. 13 показаны временные диаграммы напряжения АМ и выходного напряжения АВГ в процессе возбуждения при номинальной нагрузке. На рис. 14 показаны требуемые параметры управления ЧКП при изменении мощности (1 = 8 мГн, С= 100 мкФ). При других значениях Ь параметры будут изменяться. Приведенные на данном рисунке зависимости параметров управления ЧКП от выходной мощности можно аппроксимировать следующими полиномами:

р = -0,0001Р3 + 0,003Р2 - 0,0065Р + 1,0749, (6)

9 = 0,008Р3 - 0,1142Р2 + 1,2898? + 1,1058. (7)

1 ............. »!_...

Г ,

1 у^е —.— ----- ил = 600 в чл = 220 в "

-------- ---- —.— --------

о 1 6 9 яа квт

Рис. 14. Зависимости параметров управления ЧКП и фазного тока АМ от мощности нагрузки АВГ.

Рис. 15. Зависимости параметров управления ЧКП и мощности возбуждения АМ от выходного напряжения.

Рис. 16. Зависимости параметров управления ЧКП и мощности возбуждения АМ от частоты вращения вала.

Параметры, полученные при ИКМ ЧКП в составе МЭГС-1 при 1 = 5 мГн, отличаются от параметров, полученных в главе 4 при ИКМ ЧКП при работе с сетью. Это вызвано наличием в системе индуктивности ЭМ (при этом учет данной индуктивности осложняется ее нелинейностью), а также влиянием работы ЧКП на напряжение АМ. В данном случае численные методы ИКМ обеспечивают относительно простое решение задачи исследования таких МЭГС.

Из наличия в системе индуктивности обмоток ЭМ следует отсутствие принципиальной необходимости использования сопрягающих дросселей ЧКП. Таким образом, возможно непосредственное подключение транзисторной мостовой схемы ЧКП к обмоткам АМ без сопрягающих дросселей.

Установлено, что МЭГС-1 позволяет регулировать в широких пределах выходное напряжение. На рис. 15 показаны зависимости параметров

управления и мощности возбуждения АМ <2\ от выходного напряжения системы генерирования и а при его изменении в пределах 550+800 В. На

Рис. 17. Временные диаграммы процессов в МЭГС-2 «ПСПЧ». я=1 ООО об/мин, /2=50 Гц; а) - напряжение и ток АМ; б) -противоЭДС ТИН1 (МИТВ); в) - напряжение и ток в звене постоянного тока; г) -противоЭДС ТИН2 и напряжение сети; д) - напряжение и ток сети.

рис. 16 показаны зависимости параметров управления и мощности возбуждения генератора 0,\ от частоты вращения вала генератора при ее изменении в пределах 800-Н 500 об/мин. При уменьшении частоты вращения значительно возрастает ток генератора. Таким образом, мощность нагрузки в таких режимах должна быть снижена относительно номинальной мощности АМ.

Значения коэффициента гармоник напряжения АМ могут доходить до 30-35 % в зависимости от режима работы. В тех случаях применения, когда часть мощности АМ может отбираться от нее непосредственно для питания потребителей переменного тока, нечувствительных к изменению частоты, с целью снижения искажений напряжения на выходе АМ могут устанавливаться конденсаторы небольшой емкости (порядка 2-5 мкФ), которые совместно с индуктивностями рассеяния АМ осуществляют функцию фильтрации, и одновременно участвует в начальном самовозбуждении АМ.

При подключении на выход системы МЭГС-1 («АВГ») трехфазного инвертора напряжения (ТИН2) получают систему генерирования переменного тока МЭГС-2 (типа «ПСПЧ»). Такая система, являясь альтернативным вариантом известной аналогичной МЭГС-2, но на базе синхронной машины, характеризуется конструктивно и технологически более простым исполнением электромеханической части - с одной стороны, а с. другой стороны представляет собой более сложную нелинейную систему, практически неподдающуюся точному аналитическому описанию, что во многом является фактором, сдерживающим ее разработку и, в конечном счете, оценку перспективности ее широкого практического применения.

При проведении ИКМ системы ПСПЧ использован программный алгоритм управления обоими преобразователями. Глубина модуляции преобразователя ТИН2 поддерживалась постоянной на уровне ц= 1. В соответствии с этим при изменении выходного тока системы изменялось напряжение в звене постоянного тока. Напряжение на выходе АМ при этом

поддерживалось неизменным. Временные диаграммы процессов в системе ПСПЧ при работе на сеть переменного тока приведены на рис. 17.

На рис. 18 показаны зависимости активной мощности АМ и ее мощности возбуждения от активной выходной мощности МЭГС-2 (типа «ПСПЧ») при ее работе на автономную активно-индуктивную нагрузку с соэф = 0,8.

Рис. 18. Зависимости активной и реактивной мощности АМ от выходной мощности системы ПСПЧ при работе на автономную нагрузку.

Установлено, что параметры управления ТИН2 в системе ПСПЧ не отличаются от параметров управления ТИН при работе его от идеального источника постоянного напряжения. Таким образом, результаты исследования ПЧЗПТ могут использоваться при синтезе МЭГС-2 (типа «ПСПЧ»).

Заключение

1. На основе обзора существующих машинно-электроннных генерирующих систем (МЭГС) проведена их систематизация. В основном, в таких системах в качестве первичного источника используются синхронные машины. За последние годы выпущено большое число публикаций по МЭГС на базе асинхронных машин (АМ). В данной работе упомянуто более 15 публикаций, большинство из них - иностранные. Это свидетельствует о неослабевающем интересе исследователей в направлении создания такого типа систем и исследования возможностей их совершенствования.

2. Установлено, что с учетом современных достижений в области силовой преобразовательной техники, сегодня имеются резервы совершенствования автономных МЭГС, выполненных на базе бесконтактных АМ и четырехквадрантных преобразователей (ЧКП), также называемых трехфазными активными выпрямителями (ТАВ). Несмотря на значительное количество публикаций по теме настоящей работы, известные источники информации содержат недостаточный уровень информационно-методического обеспечения для проектирования генерирующих систем на базе АМ с ЧКП, что сдерживает их практическое освоение.

3. Целью работы является исследование возможностей совершенствования МЭГС на базе АМ с использованием ТАВ с ШИМ алгоритмом управления программного типа (с жесткой логикой) по синусоидальному закону. При этом сформулирован и решен ряд взаимосвязанных задач по получению модельного описания МЭГС и по созданию на этой основе ее имитационной компьютерной модели (ИК-модели), соответствующей поставленной цели.

4. Для исследования работы АМ в генераторном режиме (в составе МЭГС) на основе известного ее модельного описания в непреобразован-ной системе координат разработана модифицированная проблемно-ориентированная модель трехфазной АМ, основанная на учете насыщения ее магнитной цепи.

5. С целью проверки модифицированного модельного описания АМ на функциональную его адекватность реальным процессам проведено имитационное компьютерное моделирование (ИКМ) АМ в автономном режиме с конденсаторами, обеспечивающими ее самовозбуждение, при работе на активную [В.) и на выпрямительную нагрузку. Результаты исследования совпали с ожидаемыми, являются физически непротиворечивыми и подтвердили адекватность модельного описания и возможность его применения в составе МЭГС.

4

I

6. С общепринятыми допущениями получено модельное описание комбинированного режима работы (МИТВ и КРМ) преобразователя (ЧКП) в составе МЭГС 1-го типа (асинхронный вентильный генератор - АВГ) и определены параметры управления ЧКП в данной системе. На основе ИКМ показана адекватность (с точностью не хуже 5-8%) полученного описания.

7. На основе ИКМ исследованы свойства и особенности построения ТАВ в многоканальном исполнении. Показано, что увеличение числа каналов преобразователя позволяет увеличить мощность ЧКП при ограниченной мощности одного канала и одновременно улучшить показатели электромагнитной совместимости (ЭМС).

8. С общепринятыми на уровне макромоделирования допущениями, разработаны и исследованы ИК-модели следующих систем:

8.1. ИК-модель МЭГС-1 - системы «асинхронный вентильный генератор»: АМ + ЧКП. Подтверждена возможность работы ЧКП с ШИМ алгоритмом управления по синусоидальному закону в комбинированном режиме, обеспечивающем потребление от АМ активной мощности с одновременным генерированием в нее емкостной составляющей тока.

8.2. ИК-модель МЭГС-2 - системы «ПСПЧ» в виде последовательно соединенных МЭГС-1 и ТИН с ШИМ по синусоидальному закону и с выходным фильтром. Проведенные на ее основе исследования:

- подтвердили возможность обеспечения устойчивой работы системы;

- создали основу для параметрической оптимизации при конкретно заданном техническом задании (ТЗ).

9. Рассмотрен также вариант, когда первичной сетью является или промышленная сеть, или синхронная машина с управляемым (независимым) возбуждением, а ЧКП реализует только режим МИТВ (ТАВ). В этом случае удалось реализовать заданный режим работы ЧКП с использованием только следящего алгоритма управления (а не программного). Для окончательного решения вопроса о возможности работы ЧКП в составе преобразователя частоты со звеном постоянного тока с использованием программного алгоритма исследования должны быть продолжены.

10. В модели АМ использована усредненная характеристика намагничивания, введенная для принципиальной возможности реализации режима асинхронного самовозбуждения (АСВ). Следующим этапом работ по созданию предпосылок для разработки МЭГС-2 типа ПСПЧ на базе бесконтактной АМ является создание информационно-методического обеспечения для решения комплекса задач по параметрической оптимизации системы с учетом реальной характеристики намагничивания АМ и реальных параметров ключей ЧКП. Здесь должны решаться вопросы определения массогабаритных показателей и КПД системы с учетом поставленных тре-

бований и ограничений, что целесообразно и возможно только при конкретно поставленном ТЗ.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Горякин Д.В., Мыцык Г.С. Исследование режимов работы трехфазной мостовой инверторной схемы // Электричество. - 2012.- №5. -С.23-31.

2. Горякин Д.В., Мыцык Г.С. Трехфазная мостовая инверторная схема в режиме компенсатора реактивной мощности // Практическая силовая электроника №1(45)/2012. - М.: ММП-Ирбис. С.13-17.

3. Горякин. Д.В., Мыцык Г.С. Вентильный генератор на основе асинхронной машины с управляемым самовозбуждением // Научно-технический сборник «Известия ВА РВСН имени Петра Великого» № 251. - М.: ВА РВСН имени Петра Великого, 2012. - 758с. С.216-224.

4. Горякин Д.В. Исследование и использование функциональных свойств мостовой инверторной схемы в режиме активного (или малоиска-жающего) выпрямления // XII Всэмирный электротехнический конгресс. Сборник тезисов. 4-5 октября, ВЭЛК. Москва, 2011. С.88-89.

5. Горякин Д.В. Исследование и использование функциональных свойств трехфазной мостовой инверторной схемы в режиме управляемого реактивного сопротивления для применения в составе автономной системы электроснабжения II Федоровские чтения - 2011. ХЫ Всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) с элементами научной школы для молодежи. Москва, 9-11 ноября 2011 г. - М.: Издательский дом МЭИ, 2011. С.205-207.

6. Горякин Д.В. Исследование трехфазной мостовой инверторной схемы в режиме регулируемой емкости // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Восемнадцатая Междунар. Науч.-техн. Конф. Студентов и аспирантов: Тез. Докл. В 4 т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2012. С.23 9-240.

7. Горякин Д.В. Система генерирования для малой энергетики на базе асинхронного вентильного генератора // Федоровские чтения - 2012. ХЫ1 Всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) с элементами научной школы для молодежи. Москва, 7-9 ноября 2012 г. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - 164 с. (с.151-152).

Подписано в печать ¡Ш- Я."3ак. т Тир. $00 Пл. !,Хд

Полиграфический центр НИУ «МЭИ» Красноказарменная ул., д. 13

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

На правах рукописи

04201358118

ГОРЯКИН ДМИТРИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МАШИННО-ЭЛЕКТРОННЫХ ГЕНЕРИРУЮЩИХ СИСТЕМ ДЛЯ МАЛОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И АВТОНОМНЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук профессор МЫЦЫК Г.С.

Москва

2013

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ТЕРМИНОВ, ПОНЯТИЙ И 5

АББРЕВИАТУР

ВВЕДЕНИЕ 7

ГЛАВА 1. МАШИННО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРИРУЮЩИЕ 13

СИСТЕМЫ АВТОНОМНЫХ ОБЪЕКТОВ (Аналитический обзор)

1.1. Виды машинно-электронных генерирующих систем (МЭГС) 13 автономных объектов

1.2. Физические основы процесса самовозбуждения автономного 17 асинхронного генератора

1.3. Виды возбуждения асинхронных генераторов 22

1.3.1. Независимое возбуждение 22

1.3.2. Конденсаторное самовозбуждение 23

1.3.3. Машинно-электронные системы с применением 24 четырехквадрантного преобразователя, подключенного параллельно нагрузке

1.4. Асинхронный вентильный генератор (АВГ) 25

1.4.1. АВГ с конденсаторным самовозбуждением 25

1.4.2. АВГ с вентильным возбуждением 27

1.5. Система «Переменная скорость - постоянная частота» на базе 28 АВГ

1.6. Применение асинхронных генераторов с вентильным 29 возбуждением и альтернативные решения

1.7. Методы моделирования устройств силовой электроники 30

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ АСИНХРОННОЙ 34

МАШИНЫ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В МАШИННО-ЭЛЕКТРОННЫХ ГЕНЕРИРУЮЩИХ СИСТЕМАХ

2.1. Модель АМ для работы в составе МЭГС 34

2.2. Исследование двигательного режима АМ 38

2.3. Исследование генераторного режима АМ 41

2.3.1. Исследование работы асинхронного генератора на 41 активную нагрузку

2.3.2. Исследование работы асинхронного генератора на 45 выпрямительную нагрузку

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ 47

ТРЕХФАЗНОЙ МОСТОВОЙ ИНВЕРТОРНОЙ СХЕМЫ (ЧЕТЫРЕХКВАДРАНТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ)

3.1. Общая характеристика предмета исследования 47

3.2. Некоторые общие систематизирующие положения 48

3.3. Отправная информация для модельного описания 50

параметрических соотношений в трехфазном инверторе (ТИН) с ШИМ программного типа.

3.3.1. Автономный режим 50

3.3.2. Режим работы ТИН параллельно с сетью 54

3.3.3. Работа ТИН в режиме малоискажающего трехфазного 58 выпрямителя - МИТВ

3.3.3.1. Взаимосвязи между входными и выходными токами 58 и напряжениями МИТВ

3.3.3.2. Основные функциональные модели МИТВ 59

3.3.3.3. Анализ функциональных моделей МИТВ 60

3.3.4. Работа ЧКП в режиме управляемой емкости - 61 компенсатора реактивной мощности (КРМ)

3.3.5. Работа ЧКП в комбинированном активно-емкостном 65 режиме (МИТВ и КРМ)

ГЛАВА 4. ИМИТАЦИОННОЕ КОМПЬЮТЕРНОЕ 69

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЧЕТЫРЕХКВАДРАНТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

4.1. Способы управления ЧКП 69

4.2. Программный алгоритм управления ЧКП 69

4.2.1. Моделирование режима МИТВ 69

4.2.2. Моделирование комбинированного режима (МИТВ и 82 КРМ)

4.2.3. Моделирование режима ТИН параллельно с сетью 85

4.2.4. Моделирование режима КРМ 86

4.3. Вариант многоканальной структуры ЧКП 90

4.4. Моделирование режима МИТВ при использовании следящего 95

управления по току

4.5. Моделирование преобразователя частоты со звеном 97

постоянного тока

ГЛАВА 5. ИМИТАЦИОННОЕ КОМПЬЮТЕРНОЕ 105

МОДЕЛИРОВАНИЕ МАШИННО-ЭЛЕКТРОННОЙ ГЕНЕРИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ НА БАЗЕ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ

5Л. Исследование системы «Асинхронный вентильный 105 генератор»

5.2. Исследование системы «Переменная скорость - постоянная 119 частота»

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 126

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 129

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ТЕРМИНОВ, ПОНЯТИЙ И

АББРЕВИАТУР

АВГ - асинхронный вентильный генератор

АГ - асинхронный генератор

АМ - асинхронная машина

АО - автономный объект

АСВ - асинхронное самовозбуждение

АСГ - асинхронизированный синхронный генератор

ВУ - выпрямительное устройство

ДШИМ - двухполярная широтно-импульсная модуляция

ИКМ - имитационное компьютерное моделирование

ИН - инвертор напряжения

КОМ - квазиодпополосная модуляция

КРМ - компенсатор реактивной мощности

МВГС - машинно-вентильная генерирующая система

МИОВ - малоискажающий однофазный выпрямитель

МИТВ - малоискажающий трехфазный выпрямитель

МКП - многоканальный преобразующий тракт

МЭВ - механическая энергия вращения

НП - нулевой провод

НПЧ - непосредственный преобразователь частоты

ОКП - одноканальный преобразующий тракт

ОМС - однофазная мостовая схема

ПМИ - полумостовой инвертор

ПСПЧ - переменная скорость - постоянная частота

ПЧ - преобразователь частоты

ПЧЗПТ - преобразователь частоты со звеном постоянного тока САГ - синхронизированный асинхронный генератор СИМ - синхронная индукторная машина СГ - синхронный генератор

СИМ - синхронная индукторная машина

СМ - синхронная машина

СУ - система управления

TAB - трехфазный активный выпрямитель

ТИН - трехфазный инвертор напряжения

УСЭ - устройства силовой электроники

Функциональная модель - аналитическая зависимость выходной величины от

параметров управления, например, Ud0 = 9, ...)

ЧКП - четырехквадрантный преобразователь

ЭМ - электрическая машина

ЭП - энергетический поток

ЭЭ - электрическая энергия

ВВЕДЕНИЕ

В мировой практике электроэнергетики в настоящее время существует тенденция к децентрализации производства электроэнергии и развитию малой энергетики. В основе концепции развития автономных генерирующих систем относительно малых мощностей (от единиц и десятков до сотен киловольт-ампер) лежит прямое использование энергии природных ресурсов и повышение (при реализации ее в полном объеме проектного замысла) живучести (надежности) электроснабжения по стране в целом. Использование автономных генерирующих устройств дает особенно большие преимущества в отдаленных районах. Значительную роль в развитии малой энергетики играет совершенствование полупроводниковых устройств силовой электроники (УСЭ). Системы генерирования с применением УСЭ получили название «машинно-электронные генерирующие системы» (МЭГС). Ближайшие примеры использования МЭГС лежат в области ветро- и гидроэнергетики. Особенностью генерирующих систем в таких применениях является переменная частота вращения вала электрической машины (ЭМ). Проблема построения генерирующих систем с переменной частотой вращения вала выходит за рамки указанных примеров, распространяясь и на другие области техники - на различные виды подвижного транспорта и на дизель-генераторные установки. Приведенные примеры использования автономных генерирующих систем можно обобщить под названием «автономные объекты» (АО), которые включают в себя как объекты транспорта, так и автономные генерирующие системы в других областях.

В настоящее время проблема проектирования генерирующих систем АО решена в недостаточной мере, необходимой для оптимизации их по таким критериям, например, как заданное качество электроэнергии при минимуме массы и ограничениях по КПД и по стоимости.

Асинхронная машина (АМ) с короткозамкнутым ротором является самым распространенным и наиболее простым и дешевым типом электрической машины. АМ широко применяются в качестве двигателя в различных электроприводах.

Намного меньшее распространение получило применение АМ в генераторном режиме с самовозбуждением. Регулирование и стабилизация выходного напряжения АМ в данном режиме сопряжены с рядом трудностей, а традиционное использование для возбуждения АМ батарей переключаемых конденсаторов увеличивает массу генерирующей системы и позволяет осуществлять регулирование напряжения только дискретным путем. Долгое время это обстоятельство ограничивало применение асинхронных генераторов с самовозбуждением. Современный уровень развития УСЭ позволяет по-новому решать задачи возбуждения АМ и регулирования ее выходных параметров. При этом данная область является недостаточно изученной для принятия однозначных проектных решений.

Целью настоящей работы является исследование малоизученных вопросов в генераторном режиме работы АМ с самовозбуждением и расширение на этой основе информационно-методического базиса, необходимого для проектирования такого рода систем. В работе проводится исследование МЭГС в двух вариантах: 1) - в варианте «асинхронный вентильный генератор» (система генерирования постоянного тока) - МЭГС 1-го типа (МЭГС-1); и 2) - в варианте подключения к выходу МЭГС-1 трехфазного инвертора напряжения с выходным фильтром (система генерирования переменного тока, точнее - система «переменная скорость -постоянная частота (ПСГТЧ)», более коротко - МЭГС-2.

Применение АМ совместно с трехфазным активным выпрямителем - ТАВ (на базе трехфазной мостовой инверторной схемы) в системе МЭГС-1 позволяет осуществлять возбуждение АМ и регулирование выходного напряжения системы [0-1,0-2].

ТАВ является обратимым и может работать в режимах инвертора (как автономно, так и параллельно с сетыо), малоискажающего трехфазного выпрямителя (МИТВ), управляемого реактивного сопротивления, а также в комбинированных режимах [0-3]. Благодаря таким функциональным свойствам, этот преобразователь получил название четырехквадраптпого (ЧКП). Таким образом, МЭГС-1 с применением ЧКП может работать не только в генераторном, но также и в стар-терном режиме.

В системе «Асинхронный вентильный генератор - АВГ» ЧКП работает в комбинированном активно-емкостном режиме, одновременно выполняя две функции - функцию компенсатора реактивной мощности (КРМ) и функцию (активного) выпрямителя с емкостным соэ ф, то есть обеспечивая возбуждение генератора и выпрямление переменного тока. Имеющееся на сегодня информационно-методическое обеспечение по комбинированному режиму работы ЧКП является неполным, данный режим подлежит более глубокому изучению.

В системе МЭГС-2 на базе бесконтактной АМ применяются два ЧКП, один из которых, как и в системе МЭГС-1, осуществляет возбуждение АМ и выпрямление напряжения, а второй ЧКП работает в режиме инвертирования. При этом оба ЧКП могут работать в любом из режимов, обеспечивая двунаправленную передачу электрической энергии (ЭЭ).

В первой главе проведен анализ современного уровня развития различных типов МЭГС. Рассмотрены существующие варианты МЭГС на базе АМ, перспективы развития, их преимущества и недостатки перед МЭГС с использованием других типов ЭМ. В первой главе приведены источники информации по исследованиям МЭГС на базе АМ с применением ЧКП.

Вторая глава содержит модельное описание АМ с учетом насыщения магии-топровода. В данной главе проведено имитационное компьютерное моделирование (ИКМ) АМ с использованием приведенного описания в двигательном режиме и в режиме асинхронного самовозбуждения (АСВ).

В третьей главе приведено упрощенное модельное описание некоторых режимов работы ЧКП (МИТВ, ТИН, КРМ). На основе векторной диаграммы комбинированного активно-емкостного режима составлено модельное описание

Четвертая глава содержит результаты ИКМ ЧКП в режимах, описанных в третьей главе. Проведено сравнение параметров управления, полученных в ИКМ-экспериментах, с параметрами, рассчитанными по аналитической модели.

Пятая глава включает в себя результаты ИКМ МЭГС-1 и МЭГС-2 на базе АМ, показывающие возможность применения в таких системах ЧКП с программным алгоритмом управления.

Актуальность работы. В настоящее время прилагаются большие усилия для повышения эффективности автономных систем электроснабжения. Одним из очевидных путей решения этой задачи является более широкое применение УСЭ. Представляет интерес применение УСЭ для возбуждения автономных асинхронных генераторов. Такая система сочетает в себе простоту, низкую стоимость и надежность АМ и эффективность современного электронного преобразователя -ЧКП. Актуальность проблемы также подтверждается большим количеством публикаций в иностранной литературе по данной теме за последнее время. В русскоязычной литературе проблема пока не получила широкое освещение. Исследование возможностей ЧКП важно не только для применения в МЭГС на базе бесконтактной АМ, но и в других типах МЭГС, например, на базе синхронной машины с электромагнитным возбуждением. Ожидаемое уменьшение массы синхронной машины при применении ЧКП, обеспечивающего емкостный характер нагрузки ЭМ, составляет не менее 20%. Для развертывания работ по системному проектированию МЭГС различного рода требуется проведение соответствующих исследований с целью создания необходимого информационно-методического обеспечения, которое в настоящее время практически отсутствует или присутствует в публикациях фрагментарно (далеко не в полном объеме).

Цель исследования. Целью работы является решение комплекса взаимосвязанных задач, характеризующих объект исследования (в виде автономной генерирующей системы на основе АМ с возбуждением от ЧКП) методами имитационного компьютерного моделирования (ИКМ).

Для достижения цели работы поставлены и решаются следующие задачи:

1. Установление на основе аналитического обзора текущего уровня исследований в области МЭГС.

2. Поиск компыоюрной модели АМ, пригодной для исследования в генераторном режиме;

3. Исследование ЧКП па базе трехфазной мостовой ипверторной схемы в режимах, необходимых для применения в дайной системе;

4. Исследование работы МЭГС в вариантах системы генерирования постоянного тока (1-го типа) «АВГ» (МЭГС-1) и системы генерирования переменного тока (2-го типа) «переменная скорость - постоянная частота - ПСПЧ» (МЭГС-2).

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе используется ИКМ в объектно-ориентированной программе «ОгСАО РЗргсе». Также, для решения поставленных задач привлекались аналитические методы (в частности, метод гармонического анализа).

Научная новизна.

1. Известная модель трехфазной АМ (в непреобразованной системе координат без учета насыщения) модифицирована до вида, обеспечивающего режим самовозбуждения. Достигается это учетом насыщения магнитной цепи АМ.

2. Получено модельное описание работы ЧКП в комбинированном режиме выпрямления (МИТВ+ КРМ) и отдачи в АМ (или в сеть) реактивной мощности, и на основе проверки его методом ИКМ подтверждена хорошая его адекватность (не хуже 8%).

3. Показана возможность построения систем повышенной мощности на базе ЧКП с многоканальным преобразующим трактом. Проведено ИКМ многоканального ЧКП в режиме МИТВ (ТАВ), в результате которого получены данные по улучшению показателей ЭМС. Полученные для частного случая данные могут быть распространены на другие режимы работы ЧКП.

4. Разработаны имитационные компьютерные модели систем МЭГС-1 типа «АВГ» и МЭГС-2 типа «ПСПЧ» на базе АМ с ЧКП. Проведенные на их основе исследования подтвердили возможность обеспечения устойчивой работы системы в вариантах МЭГС-1 и МЭГС-2 и создали основу для разработки информационно-методического обеспечения для решения комплекса задач по параметрической оптимизации системы.

Практическая ценность. Полученные в данной работе результаты исследования двух видов МЭГС могут быть использованы для решения проблем электроснабжения постоянного и переменного тока на автономных объектах, в ветроэнергетике и гидроэнергетике. Актуальность и практическая значимость работы

подтверждается интересом отечественных и зарубежных исследователей, который в последнее время (примерно 5 лет) нашел отражение в большом числе публикаций (более 10). Результаты исследования могут быть использованы для разработки завершенных методик проектирования систем электроснабжения вида МЭГС-1 и МЭГС-2. В исследовании представлены также новые данные по режимам работы ЧКП, необходимые при их проектировании практически во всех режимах.

13

Глава 1

МАШИННО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ

АВТОНОМНЫХ ОБЪЕКТОВ (Аналитический обзор)

1.1. Виды машинно-электронных генерирующих систем (МЭГС) автономных

объектов

На автономных объектах (АО) основным источником энергии является механическая энергия его тяговых установок, которые преобразуют энергию того или иного вида топлива в механическую энергию вращения - МЭВ (с изменяемой частотой в зависимости от режима движения АО) с последующим преобразованием ее в основную тяговую силу объекта и дополнительно - в электрическую энергию (ЭЭ) для нужд управления и жизнеобеспечения АО. В зависимости от типа АО и предъявляемых требований в качестве преобразователей МЭВ в ЭЭ используются и в принципе могут использоваться электрические машины (ЭМ) различных типов - синхронные машины (СМ) в различном конструктивном исполнении (с независимым или зависимым возбуждением, то есть с самовозбуждением, в контактных или бесконтактных вар�