автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование возможностей совершенствования электромашинных преобразователей для машинно-электронных генерирующих систем автономных объектов

На правах рукописи

Ян Наинг Мьинт

Исследование возможностей совершенствования электромашинных преобразователей для машинно-электронных генерирующих систем автономных объектов

специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

Москва-2014

005554287

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор кафедр

ЭКАО НИУ «МЭИ» Маслов Сергей Ильич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гайтова Тамара Борисовна, профессор кафедры «Электротехника» ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)»

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

Ведущая организация: ОАО «Корпорация ВНИЭМ».

Защита диссертации состоится «19» декабря 2014г., в 16 часов 00 мин. В аудитории М-606 на заседании диссертационного совета Д.212.157.02 Национального исследовательского университета «МЭИ» по адресу: Москва, Красноказарменная ул., дом 13.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направить по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., дом 14, Ученый Совет НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «МЭИ».

Автореферат разослан СЮ^О^р^ 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02 кандидат технических наук, доцент

С.А. Цырук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Проблемы расширения масштабов электрификации и повышения надежности электроснабжения потребителей сегодня во многом решаются на основе развития малой энергетики, в том числе, с использованием возобновляемых источников энергии. С учетом того, что данное направление электрификации является относительно молодым, можно утверждать, что в настоящее время отсутствует информационно-методическое обеспечение, необходимое для системного проектирования автономных генерирующих систем (ГС). Под системным проектированием в данном случае понимается такая комплексная проектная процедура, при которой максимально учитываются не только свойства и характеристики всех силовых звеньев ГС, но и потенциальные возможности совершенствования как отдельных звеньев, так и ГС в целом на основе учета взаимного влияния этих звеньев. Поскольку ожидаемыми результатами являются улучшенные по сравнению с традиционными решениями массогабаритные показатели и КПД, то решение задачи синтеза автономных ГС (в такой постановке), представляется актуальным.

При совершенствовании электротехнических комплексов автономных объектов приходится решать следующие задачи:

- синтез структурной или структурно-алгоритмической организации ГС, наиболее полно удовлетворяющей тенденциям развития и требованиям технического задания;

- совершенствование узлов, составляющих этот комплекс, требующее создания информационно-методического обеспечения при их параметрической оптимизации;

- разработка подходов к системному проектированию ГС, основанных на глубоком изучении и модельном описании свойств и характеристик звеньев и обеспечивающих учет их взаимного влияния.

В представленной работе указанный перечень задач решается применительно к машинно-элекгронной генерирующей системе (МЭГС-1) первого типа - вентильный генератор (ВГ). Функциональная характеристика МЭГС-1 заключается в преобразовании многофазного переменного напряжения в общем случае изменяющейся частоты в напряжение постоянного тока с заданным допустимым уровнем его искажений (пульсаций). МЭГС-1 может применяться как самостоятельно, так и в составе ГС второго типа - МЭГС-2, обеспечивающей преобразование многофазного переменного напряжения изменяющейся частоты обычно в трехфазное напряжение стабильной частоты. При этом МЭГС-1 дополняется трехфазным инвертором с выходным фильтром. Оба типа МЭГС относятся к автономным системам электроснабжения централизованного типа, характерным функциональным признаком которых является заданный уровень стабильности параметров выходной электроэнергии. Область применения МЭГС-1 и МЭГС-2: малая энергетика (ветро-и гидроэнергетика), транспортные системы (летательные аппараты, авто- и железнодорожный транспорт, речные и морские суда).

В работе сформулированы следующие направления модернизации АСЭС

этого типа:

1) поскольку частота напряжения ЭМ в системе ВГ является внутренним параметром, то она может быть подвергнута оптимизации. Это означает, что для каждого (минимального по условиям применения) значения заданной частоты вращения вала ЭМ должно быть определено оптимальное для нее значение числа пар полюсов. Несмотря на принципиальную известность этого положения на качественном уровне, актуальным представляется получение здесь количественных оценок. Постановка и решение этого вопроса (по крайней мере, на конкретных примерах) является первой задачей работы. Решению её посвящена глава 2 настоящей работы;

2) в ряде случаев применения к качеству выпрямленного напряжения в установившихся и переходных режимах предъявляются повышенные требования. Для решения этой задачи, помимо традиционного пути использования сглаживающих фильтров, имеется и второй путь — повышения пульсности выпрямленного напряжения за счет увеличения числа фаз ЭМ. Работы, посвященные определению эффективности такого пути решения данной задачи, обнаружить не удалось. Таким образом, создание здесь информационно-методического обеспечения, необходимого для системного проектирования ВГ, является второй задачей работы. Результаты ее решения представлены в главе 4 диссертации и частично в главе 1.

3) на сегодня уже достаточно хорошо известен применяемый в ряде классов устройств силовой преобразовательной техники принцип многоканального преобразования (МКП) энергетического потока (ЭП), который позволяет эффективно решать задачи по электроэнергетической и электромагнитной совместимости (ЭЭС и ЭМС) преобразующего устройства не только с потребителем, но и с генерирующей сетью. Исследование возможностей более широкого его распространения на этот класс и создание необходимого информационно-методического обеспечения для проектирования является третьей задачей работы. Некоторые результаты решения этой задачи представлены в главе 4 диссертации.

4) современные средства силовой электроники такие, например, как активные выпрямители (БВА, иначе — четырехквадрантные преобразователи) позволяют значительно расширить их функциональные возможности, в частности, реализовать комбинированный режим, а именно режим управляемого малой с-кажающего выпрямления трехфазного переменного напряжения (МИТВ) и ре- у жим управляемого компенсатора реактивной мощности (КРМ). Сегодня известно, что эти два режима могут быть реализованы в ЭМ как синхронного, так

и асинхронного типов, причем не только двумя устройствами (КРМ и МИТВ), но и совмещены в одном устройстве - БВА.

Для определения перспективности применения такого решения в комбинированном режиме работы БВА необходимо провести исследование ЭМ, работающей при акгивно-емкостной нагрузке, для возможности улучшения ее массогабаритных и энергетических показателей за счет емкостной реакции якоря, которая позволяет уменьшить мощность возбуждения. Это составляет четвертую задачу. Ее решению посвящена третья глава диссертации.

Актуальность темы исследований. Вопросы структурного синтеза и параметрической оптимизации МЭГС в настоящее время в технической литературе не нашли еще освещения в той мере, которая необходима для разработки и практического их освоения в соответствии с современными требованиями, удовлетворяющими уровню конкурентоспособности. В частности, одним из недостаточно проработанных является вопрос обоснованного выбора числа полюсов и фаз генератора, рациональной топологии якорной обмотки. Непрора-ботанным также является вопрос выбора рациональной структурной организации МЭГС-1. Для восполнения этого пробела была поставлена задача провести сопоставительный анализ альтернативных вариантов МЭГС-1. Исследования, направленные на решение этой проблемы, поддерживаются действующими долговременными программами энерго-и ресурсосбережения и представляются актуальными.

Целью диссертационной работы является исследование возможностей совершенствования автономных машинно-электронных генерирующих систем 1-го типа - МЭГС-1 на базе синхронных генераторов с переменной частотой вращения вала.

Методы исследования: Для решения поставленных в работе задач использованы: общие положения теории электрических цепей, электрических машин, имитационное компьютерное моделирование (ИКМ) в среде OrCAD (Pspice Schematics), и методы технического творчества. Необходимые расчеты и представленные в графическом виде результаты выполнены с помощью программы MathCAD.

Достоверность научных результатов обусловлена использованием традиционных методик расчета синхронных генераторов. В качестве средств самоконтроля также использовались векторные диаграммы Блонделя. Самоконтроль результатов исследования осуществлялся поэтапно - путем проверки на соответствие проектному замыслу каждого узла исследуемой системы с последующим контролем функциональной характеристики всей системы. Показано, что полученные аналитическим путем и на основе ИКМ результаты являются физически непротиворечивыми и согласуются с известными результатами, полученными ранее.

Научную новизну работы составляют:

1. Результаты минимизации массы активных материалов синхронного генератора (СГ) при различных частотах вращения вала, показавшие возмож- ,. ность её снижения при системном подходе к проектированию на 10-20%.

2. Обоснование возможности существенного (до 20%) снижения массы активных материалов синхронной электрической машины и разработки вентильного генератора нового типа на основе применения активных выпрямительных устройств.

3. Использование при структурном синтезе вентильного генератора принципа многоканального преобразования, который обеспечивает значительное (например, при числе фаз т=9 в 1,46 раза) уменьшение габаритной (расчетной) мощности синхронной электрической машины и улучшение показателей элек-

троэнергетической совместимости (ЭЭС) и электромагнитной совместимости (ЭМС).

Практическая значимость работы

Создано информационно-методическое обеспечение, необходимое для системного проектирования вентильных генераторов и систем электроснабжения автономных объектов на их основе.

Полученные результаты исследования используется в учебном процессе кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов электрического транспорта» НИУ «МЭИ» при выполнении дипломных и магистерских работ. На основе этого опыта сформулированы задачи, требующие дальнейшего исследования данной системы.

На защиту выносятся:

1. Установленные количественные взаимосвязи между массой активных материалов синхронного генератора Оам. и его числом пар полюсов р, полученные для заданной мощности при 4-х значениях частоты вращения вала и=75(Н-3000об/мин, которые при принятых условиях и допущениях позволяют определить рациональное значение параметра р и минимизировать функцию <?а.м =/ф,п) и создают информационо-методическую основу для системного проектирования машинно-электронных генерирующих систем типа вентильный генератор (МЭГС-1).

2. Доказательство возможности улучшения массогабаритных показателей синхронного генератора при его работе на активный выпрямитель (АВ), который обеспечивает емкостную реакцию якоря СГ и позволяет существенно (до 20%) снизить мощность возбуждения и соответственно улучшить массогаба-ритные показатели СГ в целом.

3. Доказательство возможности улучшения показателей качества машинно-электронных генерирующих систем типа МЭГС-1 и значительного расширения диапазона мощности за счет использования при их построении многоканального принципа преобразования.

4. Необходимые для проектирования взаимосвязи между входными и выходными параметрами трехканального выпрямителя с пульсностью выпрямительного напряжения тя1Э =18, полученные путем имитационного компьютерного моделирования.

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось на Х1Х-Й (2012 г.) и ХХ-й (2013 г.) международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов и трех научно-технических семинарах кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов» НИУ МЭИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, включая 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Личный вклад автора

1) На конкретном примере СГ получены количественные зависимости массы его активных материалов в функции числа пар полюсов р для четырех значений частоты вращения вала (и = 750; 1000; 1500; 3000 об/мин), позволяющие для каждого значения параметра п определить оптимальное значение параметра р-

2) Показано, что при работе СГ на активный выпрямитель можно снизить мощность возбуждения (до 20%) и соответственно улучшить его массогабарит-ные показатели в целом за счет изменения соБср нагрузки с индуктивного на емкостной;

3) На основе ИКМ показана эффективность использования при структурном синтезе МЭГС-1 многоканального принципа преобразования энергетического потока.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из 4 глав, заключения, библиографии из 43 наименований и изложена на 122 страницах, включая 39 рисунок и 6 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель и решаемые в диссертации задачи.

В первой главе диссертации дается краткий обзор принципов построения, областей применения и возможных направлений совершенствования автономных машинно-элекгронных генерирующих систем. С целью систематизации и обобщения информации выделяются два основных их типа - МЭГС-1 и МЭГС-2, а также их комбинация - МЭГС-1-2 (рис.1). Основное внимание в работе уделяется вопросам совершенствования МЭГС-1. Отмечается, что в современных решениях в качестве блока выпрямления (БВ) могут использоваться не только пассивные (ВВП), но и активные выпрямители (БВА), способные обес-

Рис.1. Обобщенная функциональная блок-схема комбинированной МЭГС-1-2 с выходами напряжения постоянного (Ц»= const) и переменного (С/2=const) тока и с напряжением Ucr = const изменяющейся частоты: ИМЭ — источник механической энергии, АБ - аккумуляторная батарея, РВ - регулятор возбуждения, СПЧ -статический преобразователь частоты со звеном постоянного тока, БВ - блок выпрямления, ТИН - трехфазный инвертор напряжения, Ф1, Фг - фильтры.

печить емкостной характер потребляемого тока с малыми его искажениями. Мало исследованной является также возможность улучшения показателей качества МЭГС-1 за счет использования при структурном ее синтезе принципа многоканального преобразования энергетического потока. Приводится краткая информация по модельному описанию процессов коммутации диодов в тради-

ционных выпрямительных устройствах, использование которой потребуется при сопоставительной оценке альтернативных вариантов решений МЭГС-1 (в гл.4).

На основе анализа процесса коммутации в выпрямителях по мостовой схеме показано, что при постоянстве выходной мощности МЭГС-1 увеличение индуктивности коммутации хк и, соответственно, угла коммутации диодов у приводит не только к фазовому сдвигу фазного тока (что общеизвестно), но и к

БВА (МИТВ)

Сопрягающие дробин- г дуктивноеги г

^ о-,

К потребителю <=1

(Например, к ТИН)

Направление преобразуемого потока энергии

Рис. 2. Функциональная блок-схема активного выпрямителя - БВА (на базе трехфазного инвертора напряжения..;- ТИН в режиме малоискажающего выпрямителя МИТВ). Информация об управлении задается датчиками напряжения - ДН и датчиками тока - ДГ. Блок управления - БУ

увеличению действующего значения токов в обмотках электрической машины и в узлах ВГ в целом и, как следствие, к увеличению его габаритной мощности. Таким образом, при синтезе новых решений МЭГС-1 предпочтение следует отдавать тем из них, которые обеспечивают меньшее значение угла коммутации диодов у. Его зависимость от параметра Ху и от тока нагрузки /¿о имеет известный вид:

^ = агссо5 1 -

(1)

где С/,ф - действующее значение фазного напряжения ЭМ.

Вторая глава посвящена исследованию возможностей улучшения массо-габаритных показателей синхронной машины (СМ), работающей в генераторном режиме на выпрямительную нагрузку за счет выбора рационального значения числа пар полюсов р. Задача решается на примере конкретно взятой СМ при 4-х значениях частоты вращения вала. Расчеты проводятся при неизменном значении электромашинной постоянной Арнольда, включающей в себя основные параметры, которые, кроме параметров Dw.li, остаются неизменными:

6,1

С =-

5'

аЛХ„АВ.

(2)

6,1 S'm„

(2-a)

В частности, показано, что увеличение частоты вращения в 2 раза приводит к уменьшению массы активных материалов СМ примерно, в 1,5 +1,6 раза, а оптимальное значение числа пар полюсов для всех 4-х значений пноы находится в области значений параметра р= 5; б, причем в диапазоне изменения частоты вращения вала л=75(Н-3000 об/мин меньшим значениям параметра р соответствует большие значения п. Определен выигрыш в массе активных материалов

GI , D кг/кВт

-для 1: у = 0.222х2 -2.7961х+17.262 -для 2: у = 0.1431Х2 - 1.8482х +12.618

11-120

4 5 6 число пар полюсов Рис. 3. Зависимости массы активных материалов от изменения числа пар полюсов р для различных частот вращения вала п. СГ, обеспечиваемый оптимальным значением параметра р, который в диапазоне 3000-^-750 об/мин может достигать соответственно 10+20%. Например, с увеличением параметра р, в k=pi/p2 раз, прежде всего, потребуется изменение параметров машины D и /: при этом параметр D часто приходиться увеличивать, а параметр I - уменьшать , причем эта процедура должна быть выполнена при соблюдении условия D2! = const (с выполнением известных рекомендаций относительно параметра X = lsID~). После этого необходимо учесть, что поток полюса Ф потребуется уменьшить в к раз. Следовательно, при этом необходимо в к раз уменьшить сечение полюса. Это означает, что в этом случае индукция В в полюсе (в первом приближении) остается неизменной, а, значит, практически неизменной будет и МДС полюса. В выше изложенной логике анализа не учитываются два следующих обстоятельства:

1) С ростом параметра р межполюсное расстояние сокращается и увеличивается поток рассеяния между полюсами. Вследствие этого основной поток уменьшается. Эта величина в зависимости от значений р/ и р2 может находиться

в переделах 10 40 % . Для компенсации уменьшения основного потока необходимо соответствующим образом увеличивать МДС возбуждения.

2) Поскольку с ростом параметра р реакция якоря Ра на полюс уменьшается (в соответствии с известным выражением, то с учетом этого МДС обмотки возбуждения потребуется меньше). Определение численного значения этого уменьшения достигается на основе построения векторной диаграммы, а также использования кривой намагничивания и соответствующей методики, изложенной в третьей главе диссертации.

В третьей главе исследуется возможность уменьшения массы активных материалов СГ за счет изменения совф нагрузки с индуктивного на емкостной. Такой (емкостной) режим работы может быть реализован активным выпрямителем, о чем сказано в гл. 1. В этом случае реакция якоря СГ становится под-магничивающей. Следовательно, появляется возможность уменьшить мощность возбуждения СГ. Снижение мощности возбуждения приводит к снижению не только массы обмотки возбуждения, но и массы магнитопровода индуктора. Получение количественной оценки снижения суммарной массы активных материалов СГ является задачей настоящего исследования.

ЕаГ

Еад^СОЯГр =7

и

I

а)

б)

Рис. 4. Определение МДС возбуждения явнополюсной синхронной машины с учетом изменения потока рассеяния обмотки возбуждения при различных режимах нагрузки: а) - собф = 0,8 (активно-индуктивная нагрузка); б) -собф = 0,8 (активно-емкостная нагрузка).

В качестве объекта исследования здесь взят ранее рассчитанный вариант СГ на одной конкретной частоте вращения вала п= 1500 об/мин с оптимальным значением числа пар полюсов р = 5, что соответствует частоте напряжения СГ/ =125 Гц. Остальные выходные параметры СГ такие же, как и в гл. 2, в частности, cos ip„0M = 0,8. Количественный учет реакции якоря при определении МДС

и; 1'81-- I__

14 ------ - ens ф < I ф > о__

Uxx 1,2 - ----

0,8----—1 1 ^--

0,6-----—3 1

0,4------

0,2---—----

О ---;---

О 0.5 11 „»' 1.5 2 1а'

Рис. 5. Внешняя характеристика синхронного генератора для двух нагрузок: 1 -активно-индуктивная; 2 - активно-емкостная нагрузка.

1

2 ^ COS ф < 1 Ф < 0

Рис. 6. Регулировочные характеристики синхронного генератора для двух нагрузок: 1 -активно-индуктивная; 2 — активно-емкостная нагрузка, обмотки возбуждения производится с помощью векторных диаграмм.

Влияние нагрузки на генератор отражается внешней характеристикой — ВХ (рис. 5), которая определяет зависимость напряжения на выводах генератора от тока якоря U=J{I) при постоянных токе возбуждения, частоте вращения вала и угле нагрузки (1'f = const, О. = const, <р = const). ВХ СГ строится на основе серии векторных диаграмм Блонделя, представленных на рис. 4.

На конкретном примере показано, что при прочих равных условиях по сравнению с индуктивным соэср = 0,8 масса активных материалов СГ при емкостном сояср = 0,8 может быть уменьшена примерно на 20%.

При значениях числа пар полюсов больше р > 5 для уменьшения массы индуктора целесообразно использовать известный прием синтеза: между ободом и валом устанавливать втулку из металла с меньшей удельной массой (например, из дюралюминия или титана) и с вентиляционными отверстиями, обеспечивающими лучшие условия охлаждения.

В четвертой главе представлены результаты систематизации способов структурно-параметрического синтеза МЭГС-1. Возможное их многообразие определяется следующими факторами (признаками):

- числом фаз электрической машины (ЭМ) - т\

- топологией т-фазной якорной обмотки: 1) - «лучевая» схема (иначе соединение обмоток по схеме «звезда»), причем эта топология может быть реализована в двух вариантах: как по симметричной, так и по несимметричной т лучевой схеме; и 2) - по схеме «многоугольник» (иначе по «кольцевой» схеме);

- структурной организацией выпрямительного блока (БВ) по принципу одноканального или многоканального преобразования с суммированием энергетических потоков каналов: а) - по схеме суммирования напряжений; или б) - по схеме суммирования токов с помощью трансфильтров (или дросселей индуктивности, что менее эффективно).

Па ная N асса]

0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.8 0.6 0.4 0.2 СОвф

чгп

>

0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.8 0.6 0.4 0.2 С05 ф

Рис. 7. Зависимости массы акгавных материалов СГ от характера и значения соБср: слева от 1 - емкостной, а справа от 1 -индуктивный.

Поскольку основной целью данного раздела работы является формирование и апробация подхода к сопоставительной оценке альтернативных вариантов МЭГС-1, то исследование здесь ограничено лишь двумя, по сути, граничными вариантами — наиболее простыми (с т =3 и т =6) и относительно сложным (с т =9) вариантами.

На первом этапе принимается допущение о том, что мощность СГ значительно больше, чем мощность нагрузки, пренебрегается также индуктивностью рассеяния якорных обмоток, то есть принимается, что свойства этого источника энергии предельно близки к свойствам источника напряжения. Для сопоставительной оценки альтернативных вариантов МЭГС-1 с различной структурой предложен упрощенный метод анализа, основанный на использовании понятия габаритной (или расчетной) мощности его якорных обмоток 5тт), которое используется в теории и практике проектирования трансформаторов:

^ЯГ(т) = т' УЯФ " ^ЯФ , (3)

где ияФ , 1яф - действующие значения напряжений и токов якорных (фазных) обмоток.

Использование обмоток по схеме «многоугольник»

Применительно к ЭМ в качестве отправного (базового) варианта взята простейшая одноканальная структура МЭГС-1(ЗК) - рис.8а. Габаритная мощность ЭМ (СГ) в этой системе при принятых допущениях достаточно просто определяется аналитическим путем. Показано, что для топологии «треугольник — Д» и «звезда - Ху> она одинакова:

^ГО) =3-0,7405-1/„0(6) -0,4714=1,0472-Р^, (4)

где итб), /„0(5|, РЛ(6)- постоянные составляющие (средние значения) напряжения,

тока и мощности на выходе БВП.

В литературе при числе фаз т>Ъ замкнутая топология обмотки ЭМ обозна-

2; л 21

а)

л

п

7.4

Рис. 8. Структурно-функциональная схема одноканальных МЭГС-1(ЗК) и МЭГС-1 (6К-1к): прит = 3-а)и/я = 6- б) соответственно.

чается как «многоугольник» или как «кольцевая» схема. Анализ её по сравнению с «лучевой» схемой заметно сложнее и более трудоемок. Поэтому для решения поставленной задачи наряду с аналитическим способом использовано

UMm = -^- = 0,3702.Udom. (5)

имитационное компьютерное моделирование (ИКМ). Для известной из литературы (симметричной) «кольцевой» топологии «6К» (с т=6) установлена взаимосвязь действующего значения фазного напряжения с постоянной составляющей выпрямленного напряжения:

U£

2,701

Фазные токи здесь имеют форму меандра с максимальным и действующим значением, равным:

I = I = ( б-)

•'ЯФВДт ЯФ(6) 2 ' W

Модели (4), (5) позволяют определить искомую габаритную мощность ЭМ:

Sjw)Г = 6 ■ иЯФ(6) ■ /да(6) = 6 ■ 0,3702 • Ud0 ■ 0,5Id0 = 1,1106РЛ. (7) Из сравнения (3), (6) следует, что проигрыш по этому показателю топологии якорной обмотки «6КС» - рис.86 относительно топологии «ЗК» - рис.8а составляет 6%. Заметим, что пульсность выпрямленного напряжения в обоих решениях одинакова тэ= 6. Из этого факта, в частности, следует вывод о том, что использование четного числа фаз при «кольцевой» симметричной топологии обмоток ЭМ нерационально ни по критерию пульсности, ни по критерию габаритной мощности.

В работе показано также, что одноканальная структура МЭГС-1(6К-1к) может быть преобразована в двухканальную МЭГС-1(6К-2к) за счет введения в нее двух двухобмоточных трансфилыров (ТФ2). Габаритная мощность ЭМ при этом снижается до значения (3), которое она имеет в базовой структуре МЭГС-1(ЗК). Однако с учетом габаритной мощности двух трансфильтров значение суммарного показателя этих силовых звеньев, как показывают расчеты, все равно оказывается несколько больше, чем в (3) на 2,7%.

О трансфильтрах

Напряжение на обмотках ТФ2 имеет треугольную форму с утроенной частотой по отношению к частоте ЭМ. Для корректного суммирования габаритных мощностей двух ТФ2 и ЭМ использована специальная методика, обеспечивающая приведение (по частоте с учетом коэффициентов формы напряжений) габаритной мощности ТФ2 к габаритной мощности ЭМ. Для одного ТФ2 получена следующая взаимосвязь:

с/ Цтф-1ТФ-Кф^ 0,0873^-0,5/^-1,1107 _00.,„ , ш

где: С/фд , /фа , -Kssin , - действующие значения напряжения и тока фазной обмотки ТФ2 и коэффициенты формы напряжений синусоидальной и треугольной формы соответственно.

Топологию якорной обмотки ЭМ по схеме «многоугольник» при структурном синтезе МЭГС-1 целесообразно использовать только при нечетном числе фаз m и симметричной системе напряжений. Для формирования параметрических соотношений при такой топологии с целью оперативного решения задачи

Аз .не-

целесообразно использовать ИКМ. Использование при синтезе принципа многоканального преобразования позволяет снизить габаритную мощность ЭМ. Целесообразно продолжить поисковые исследования возможностей такой топологии при нечетном числе фаз т>3.

Использование топологии обмоток по «лучевой» схеме Увеличение числа фаз ЭМ в системе МЭГС-1 позволяет последовательно снижать пульсации выпрямленного напряжения, но в традиционных одноканальных структурах это приводит к увеличению габаритной мощности ЭМ. В работе это показано на примере традиционной одноканальной структуры МЭГС-1 с 9-фазной симметричной системой напряжений ЭМ - рис. 10а. Данный вариант относительно легко поддается аналитическому исследованию. ИКМ здесь было применено лишь для подтверждения теоретически полученных результатов. Выпрямленное напряжение формируется из фрагментов линейных напряжений, образованных двумя фазными напряжениями с фазовым сдвигом между собой на угол 8я/9 (см. рис.9). Показано, что действующие значения фазных напряжений и токов здесь определяются следующим образом:

1

Рис. 9. Векторная диаграмма, поясняющая формирование выпрямленного напряжения при использовании одноканального 9-фазного ВВП по мостовой схеме.

9) — '

2,77

Г/,. = 0,361-Г/,,

'ЯФ№

^О(Ч) _ -^0(18) _ Л Л1 . Г

Ж

¿0(18),

(9)

(10)

а габаритная мощность ЭМ имеет следующее значение:

V« = 3' '1 = 9 • °'361" ^о(18," °.471' 4о(>8, = 1,530 ■ Р„щг). (11) Этот показатель в 1,46 раз больше, чем в базовом решении МЭГС-1(ЗК).

На основе использования ранее приобретенного опыта применения многоканального принципа построения статических преобразователей, в работе было синтезировано новое решение, по числу якорных обмоток и по числу диодов БВП, аналогичное МЭГС-1(92С-1к) - рис.Юа, но с трехканальной структурой - МЭГС-1 (9гС-Зк) и с суммированием токов каналов с помощью трехфазного трансфильтра (ТТФ) - рис. 106. Показано, что трехканальная струшпура обеспечивает такое же значение габаритной мощности ЭМ, как и в базовом варианте МЭГС-ЦЗК). Результаты исследования этого решения на основе ИКМ представлены на рис.11. Они подтвердили теоретически полученное модельное описание искомых параметрических взаимосвязей. ТТФ работает здесь на частоте 6/и при другой форме напряжения (рис.11), а его габаритная мощ-

ностъ, приведенная к частоте f напряжения ЭМ, имеет следующее значение:

ч! ——Ъ.тт .т

°ПТГФ) ~ и7ТФд(0.5) ТГФд(0,5)

= и,0222- ¡7^0 =0,0037-^0

(12)

Относительно габаритной мощности ЭМ это составляет меньше 0,4%. Сопоставив данное решение МЭГС-1 (92С-Зк) с базовым МЭГС-1(ЗК), при одинаковых требованиях к уровню пульсаций выпрямленного напряжения, убеждаемся в однозначном его превосходстве перед ним, поскольку в последнем случае потребуется установка сглаживающего фильтра со всеми вытекающими от-

9 фазная симметричная Вентильный блок (ВШП яковная обмотка ЭМ

а) - МЭГС-1(97С-1К);

Рис. 10. Структурно-функциональная схема 9 фазного МЭГС-1 с топологией якорных обмоток по симметричной «лучевой» схеме: а) -с одноканальным и б) - с трехка-нальным преобразующим трактом (с тремя трехфазными якорными обмотками, смещенными в пространстве относительно друг друга на угол 2л/9); ТТФ - трехфазный трансфильтр, суммирующий токи каналов.

б) - МЭГС-1 (9гС-ЗК)

сюда негативными последствиями.

Использование при структурном синтезе МЭГС-1 принципа многоканального преобразования энергетического потока по сравнению с традиционным одноканальным принципом синтеза позволяет существенно (при малых значениях числа фаз т) или даже значительно (при повышенных значениях т) уменьшать габаритную мощность ЭМ. При суммировании напряжений каналов трансфильтры не требуются. Необходимость в них возникает лишь при суммировании токов каналов. Габаритная мощность их незначительна (при различных значениях т - от единиц до долей %);

Многоканальное исполнение МЭГС-1 позволяет также при числе каналов Ь в Ь раз снизить действующее значение токов в якорных обмотках ЭМ, что сопровождается соответствующим снижением угла коммутации диодов у (см. мо-

дель (1)) и, как следствие, дополнительным уменьшением габаритной мощности ЭМ.

На основе ИКМ исследованы процессы в трансфильтрах, и приведена мето-Ч Щ

а) оа

400В 200В 0В -200В -400В

6) 0У

иф(1) 1 1 [/#=231,93В

'ф(0 ч 1ф=5 043А

■щ-и -10,5 !кВт Р^П

)! 3.331Ш 6.671115 Ю.ООпв 13.331га 16.67ПВ 20.00пв 23.33пи Г

З.ЗЗпи 6.67ШЗ Ю.ООпв 13.33тэ 16.67тя 20.00гш 23.33гш

ч»¿(11 / / Щб)( )

Рм= ЮкВ ' /V, / И / ^ / ° / ¡3 \

Рис.11. Осциллограммы процессов в МЭГС-1(9гС-ЗК) с ТТФ на выходе БВП:

а) - фазные напряжение и ток ЭМ; б) - напряжение на обмотке ТТФ и напряжение ЭМ; в) - выпрямленные напряжения: на выходе моста и БВП.

дика расчета габаритной мощности трехфазного (трехобмоточного) трансфильтра, выполняемого на трехфазном магнитопроводе, которая по сравнению с однофазным (двухобмоточным) трансфильтром, выполняемом на однофазном магнитопроводе (типа ШЛ), как показано в работе, имеет свои особенности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе аналитического обзора машинно-электронных генерирующих систем (МЭГС) автономного электроснабжения централизованного типа, обеспечивающих преобразование механической энергии с переменной частотой вращения приводного вала в электрическую энергию с заданными ее параметрами, для исследования возможностей их совершенствования выделены два их типа:

- МЭГС-1 (типа вентильный генератор - ВГ) на базе электрической машины - ЭМ (в работе синхронной - СМ) и выпрямительного блока (ВБ) в двух его вариантах: а) - ВБ пассивного типа (ВБП) в диодном исполнении, которые реально характеризуются индуктивной (размагничивающей) реакцией якоря ЭМ; и б) - ВБ активного типа (ВБА) в транзисторно-диодном исполнении, которые могут обеспечивать емкостную (подмагничивающую) реакцию якоря;

- МЭГС-2 типа ПСПЧ (переменная скорость - постоянная частота) на базе СМ и преобразователя частоты со звеном постоянного тока (в виде СМ с одним из типов ВБ и трехфазного инвертора напряжения - ТИН с широтно-импульсной модуляцией — ШИМ).

2. На основе обзора информации по рассматриваемой проблеме совершенствования этих видов МЭГС установлено следующее:

- большое возможное многообразие вариантов структурной организации МЭГС-1, характеризуемое различным числом фаз СМ, различной топологией ее якорных обмоток и различным исполнением ВБ — с одной стороны, и отсутствие методики сопоставительной оценки этих вариантов - с другой стороны, по сути, делают невозможным обоснованный выбор наилучшего решения МЭГС;

- в выше указанных применениях МЭГС-1 выступает самостоятельно или совместно с ТИН (МЭГС-2). В каждом из этих применений при системном подходе к проектированию требуется информационно-методическое обеспечение для расчета каждого силового звена с учетом их взаимного влияния.

3. С учетом изложенного для исследования выделены и изучены следующие направления возможного совершенствования ВГ:

- частота, на которую должна рассчитываться СМ, является внутренним ее параметром, поэтому в каждом конкретном случае она может быть подвергнута оптимизации по критерию минимума массы СМ. В работе на основе серии проведенных расчетов на конкретном типоразмере СМ показано, что (при использовании ВБП) в зависимости от значения частоты вращения вала п и при оптимальном числе пар полюсов (определяющих частоту напряжения СМ), например, в диапазоне частот вращения и=300(Ь-750 об/мин масса активных материалов СМ может быть снижена на 10%-К20% соответственно;

- свойства активных выпрямителей, чаще всего выполняемых на основе схемы ТИН с ШИМ, пока еще мало исследованы и мало используются на практике. При соответствующем управлении они могут работать в комбинированном режиме - режиме малоискажающего выпрямителя и компенсатора реактивной мощности (КРМ). Использование КРМ в МЭГС-1 позволяет реализовать отбор активной мощности от СМ при емкостном coscp, что при системном проектировании обеспечивает уменьшение мощности возбуждения и, как следствие, массы индуктора и массы активных материалов СМ в целом. Показано, что при прочих равных условиях при емкостном coscp по сравнению с индуктивным coscp масса активных материалов СМ может быть уменьшена примерно на 20%. Таким образом, созданы необходимые предпосылки для разработки МЭГС-1 нового типа на основе активных выпрямителей с улучшенными показателями качества. Продолжение работ в направлении практической реализа-

ции этой концепции синтеза ВГ представляется перспективным, причем в двух вариантах:

а) с использованием в качестве генератора синхронной машины;

б) с использованием в качестве генератора асинхронной машины.

4. Показана целесообразность использования при структурном синтезе МЭГС-1 принципа многоканального преобразования энергетического потока. Например, при симметричной топологии якорной обмотки СМ «лучевая» схема обеспечивает значительное (при числе фаз СМ т=9 в 1,46 раза) уменьшение габаритной (расчетной) мощности СМ.

5. Предложен подход к сопоставительной оценке вариантов структурной организации МЭГС-1 при различных значениях числа фаз т СМ в одноканаль-ном и многоканальном исполнении его преобразующего тракта. Подход основан на использовании показателя габаритной (расчетной) мощности якорной обмотки СМ и трансфильтров, устанавливаемых в выходной цепи ВБ.

6. На основе проведенных исследований показаны преимущества варианта МЭГС-1 с нечетным числом фаз перед известными выше рассмотренными вариантами с четным числом фаз СМ.

7. Полученные результаты исследования создают информационно-методическую основу для дальнейшего совершенствования и системного проектирования электрических машин, предназначенных для работы в системах МЭГС-1 и МЭГС-2.

8. В качестве средств решения поставленных задач использованы известные апробированные методики проектирования электрических машин. При исследовании процессов в мало изученных машинно-электронных генерирующих системах с параметром т >3 целесообразно использовать современное средство - имитационное компьютерное моделирование.

Основное содержание диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Маслов С.И., Мыцык Г.С., Хланнг Мин У, Ян Наинг Мьинт. О влиянии топологии и числа фаз якорной обмотки на показатели качества вентильного генератора. Электричество, 2014, №2. — С. 32-40.

2. Маслов С.И., Мыцык Г.С., Хлаинг Мин У, Ян Наинг Мьинт. Методика сопоставительной оценки вариантов вентильного генератора с различной пульсностью выпрямленного напряжения. Вестник МЭИ 2014, №1. - С. 50-57.

3. Ян Наинг Мьинт, Маслов С.И. О возможности улучшения массогабарит-ных показателей вентильных генераторов / Радиоэлектроника, электротехника и энергетика / Восемнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов 1—2 марта 2012г., Москва./ Тезисы докладов. Том 2. — М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - С.272-273.

4. Хлаинг Мин У, Ян Наинг Мьинт, Маслов С.И. О некоторых возможностях совершенствования электрических машин для автономных систем электроснабжения/ Радиоэлектроника, электротехника и энергетика / Девятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов 28

февраля -1 марта 2013г., Москва./ Тезисы докладов. Том 2. - М.: Издательский дом МЭИ, 2013.-С.203.

5. Ян Наинг Мьинт, Маслов С.И. О некоторых возможностях улучшения массогабаритных показателей автономных систем электроснабжения на базе генераторов с переменной частотой вращения вала. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика / Девятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов 28 февраля -1 марта 2013г., Москва./ Тезисы докладов. Том 2. - М.: Издательский дом МЭИ, 2013. - С.205.

Подписано в печать ак. №

Полиграфический центр НИУ МЭИ Красноказарменная ул., д. 13

Тир.¡00 п.л.Л,и