автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование возможностей улучшения показателей качества автономной системы генерирования напряжения стабильной частоты на базе синхронизированного асинхронного генератора

005009679

КЬО 30 ЛИН

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ УЛУЧШЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ СТАБИЛЬНОЙ ЧАСТОТЫ НА БАЗЕ СИНХРОНИЗИРОВАННОГО АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 ЯНВ2Гй

Москва 2012

005009679

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 Мыцык Геннадий Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технические наук, профессор

Пречесский Владимир Антонович,

кандидат технических наук, профессор Чесноков Александр Владимирович

Ведущая организация: ОАО «ГОКБ «Прожектор», г. Москва.

Защита состоится «17» февраля 2012 г. в 14 часов 00 мин. В аудитории М-611 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 «16» января 2012 г.

Ученый секретарь /у

диссертационного совета Д 212.157.02 (/С

к.т. н., доцент /С С.А. Цырук

Общая характеристика работы

Асинхронная машина с фазным ротором (АМФР) в наибольшей мере отражает потенциальные функциональные возможности электромеханического преобразования. Теоретический и практический интерес к ее возможностям в России возник не менее 60 лет тому назад, Система «Асинхронизированный синхронный генератор - АСГ», в основе которой лежит АМФР, сегодня все более широко применяется для улучшения устойчивости и управляемости систем передачи электроэнергии и энергосистем в целом. Практически освоенные сегодня мощности АСГ в данном применении достигают сотен МВА. Для питания обмотки возбуждения АМФР здесь обычно используют статические преобразователи частоты непосредственного типа (НПЧ), выполняемые на не полностью управляемых ключевых элементах - тиристорах. Энергия на возбуждение обычно берется из сети. Значительный вклад в теорию и практику применения такой системы внесен рядом специалистов и ученых, среди которых Касьянов В.Т., Ботвинник М.М., Шакарян Ю.Г., Лабунец И.А.

Другой, менее освоенной областью применения АСГ является построение на его основе автономной систехмы электроснабжения (АСЭС) переменного тока постоянной частоты при переменной частоте вращения приводного вала. Такого рода системы в авиационной электротехнике известны как системы ГТСПЧ — переменная скорость - постоянная частота. Потребность в системах ПСГТЧ возникает также в малой энергетике (ветро- и гидроустановках), на различного рода подвижном транспорте (в том числе на летательных аппаратах), а также при построении систем резервного электропитания, например, на базе дизель-генераторных установок. В зависимости от области применения мощность АСГ здесь может находиться в диапазоне от единиц до сотен кВА. Отличительной особенностью АСЭС на базе АСГ (который в этом применении далее обозначается как синхронизированный асинхронный генератор - САГ) является значительно больший диапазон изменения частоты скольжения (a>s) и напряжения (us), питающего обмотку возбуждения АМФР. Данное отличие заставляет решать задачу определения рационального, предельно допустимого диапазона изменения частоты вращения приводного вала (юр), в котором такое решение экономически оправданно. Известны работы в этом направлении Еременко В.Г., Читечяна В.И., Галиновского A.M. и других специалистов.

Следует заметить, что система ПСПЧ на базе САГ является альтернативным вариантом по отношеншо к двум известным традиционным решениям. Один из них (1-й вариант) основан на использовании механического привода постоянной частоты (ППЧ), а 2-й - на полном преобразовании электроэнергии - ППЭ синхронного генератора (СГ) переменной частоты с помощью статического преобразователя частоты (СПЧ). Ожидаемый выигрыш рассматриваемого здесь варианта на базе САГ относительно, например, 2-го, сопоставимого с ним варианта, будет зависеть, прежде всего, от диапазона изменения частоты юр и будет определяться, во-первых, лучшими динамическими показателями (из-за отсутствия фильтра на выходе АСЭС) и, во-

вторых, ожидаемым результирующим выигрышем по массе АСЭС в целом: а) за счет выполнения СПЧ не на полную мощность преобразования, а лишь на мощность возбуждения АМФР, т.е. путем осуществления не полного, а частичного преобразования электроэнергии (ЧПЭ)-, б) за счет исключения упомянутого выходного фильтра АСЭС, масса которого (как показали расчеты, для мощности 5\=13кВА), может достигать 15+20% от массы СГ.

Актуальность проблемы. Для проектирования АСЭС необходимо знать особенности взаимодействия всех , силовых звеньев и модельное описание, обеспечивающее количественную оценку этого взаимодействия в реальном диапазоне изменения частоты приводного вала. Известные работы не дают исчерпывающую проектно необходимую информацию для разработки такой системы. Поэтому создание информационно-методического обеспечения, необходимого для проектирования и для возможности сопоставительной оценки исследуемой АСЭС на базе САГ с альтернативными вариантами представляется актуальной задачей.

Цель работы - исследовать возможности совершенствования АСЭС на базе САГ, расширить информационно-методический базис и обеспечить на этой основе возможность обоснованного системного её проектирования.

Методы исследования. Отправной информацией при исследовании является известное модельное описание АМФР. В качестве средств исследования использовалось имитационное компьютерное моделирование (ИКМ). При этом для решения поставленных задач привлекались аналитические методы (в частности, метод гармонического анализа) и формализованное описание СПЧ (непосредственного типа - НПЧ-2 и НПЧ-3, а также СПЧ со звеном постоянного тока - ГХЧЗПТ) в среде OrCAD PSpice Schematics.

Достоверность научных результатов. Самоконтроль результатов исследования по критерию достоверности осуществлялся поэтапно - путем проверки на соответствие (на основе ИКМ) проектному замыслу каждого узла исследуемой системы, а затем контролем функциональной характеристики всей системы. Показано, что полученные аналитическим путем и на основе ИКМ результаты удовлетворяют критерию физической непротиворечивости и полностью согласуются с известными частичными результатами, ранее полученными исследователями большей частью на качественном уровне. В качестве средств самоконтроля использовался также признак сходимости совмещенных (в заторможенном режиме) векторных диаграмм статорной и роторной цепей САГ.

Научная новизна работы.

1. На основе аналитического обзора АСЭС типа ПСПЧ выделены два варианта: ПСПЧ с ППЭ; ПСПЧ с ЧПЭ. Выявлены их свойства, которые необходимо знать при проектировании таких систем. На основе этих свойств выбран сегодня еще не в полном объеме изученный вариант ПСПЧ с ЧПЭ на базе САГ. Систематизированы возможные варианты структурных решений АСЭС на базе САГ, что позволяет на начальном этапе проектирования предварительно выбрать из них один или два, наиболее рациональных для конкретного случая применения (с последующей сопоставительной их оценкой).

2. Двумя способами - аналитическим и на основе ИКМ исследована взаимосвязь искажений выходного напряжения САГ с искажениями тока его возбуждения, что позволило выработать рекомендации по целесообразной области применения различных типов СПЧ в зависимости от кратности изменения частоты приводного вала.

3. Раскрыто содержание известного (в общем виде) понятия несимметрии напряжений САГ при использовании для его возбуждения (простейшего) преобразователя частоты непосредственного типа - НПЧ-2: на основе ИКМ и предложенного модельного описания рабочих процессов дано объяснение факту амплитудной и фазовой несимметрии напряжения САГ. С помощью ИКМ установлен также факт несимметрии фазных напряжений по показателю их искажений.

4. Представлены результаты поискового исследования возможности улучшения характеристик САГ за счет увеличения числа полюсов ВСМ.

5. На основе поискового исследования средств борьбы с импульсными перенапряжениями на ключевых элементах НПЧ, обусловленных индуктив-ностями рассеяния обмоток ВСМ, предложены новые модификации НПЧ-т,э (с То1э=2 и От1э=3), снабженные снабберными устройствами, которые решают эту задачу и которые реализуют принцип «электронного клапана». Предложенные решения защищены двумя патентами.

6. Полученные на основе ИКМ (на примере конкретной АМФР с 51=13кВА) характеристики САГ, необходимые при изучении его физических гпроцессов и свойств, а также для системного проектирования и сопоставительной оценки с альтернативными вариантами АСЭС. В частности, получена взаимосвязь коэффициента электромеханического усиления по мощности САГ в функции скольжения -

7. В качестве СПЧ исследованы (на основе ИКМ) особенности применения в составе АСАГ трех типов преобразователей: два СПЧ непосредственного типа - НПЧ-2 и НПЧ-3 и ПЧЗПТ. Даны рекомендации по особенностям их синтеза и применения в системе САГ.

Практическая значимость работы. С учетом установленной количественной взаимосвязи искажений напряжения САГ с искажениями его тока ротора и с диапазоном изменения скольжения ^ даны рекомендации по применению типов СПЧ. Предложенные модификации НПЧ создают условия для более широкого их практического использования. Полученный опыт исследования может быть использован для разработки завершенной методики проектирования такого рода систем (САГ) и формулировки окончательных рекомендаций по целесообразным областям их применения. На основе этого опыта сформулированы задачи, требующие дальнейшего исследования данной системы.

На защиту выносятся:

1. Результаты систематизации и классификации АСЭС на базе САГ.

2. Полученные аналитическим путем и на основе ИКМ результаты количественной взаимосвязи искажений напряжения САГ с искажениями его тока ротора и со скольжением.

3. Результаты аналитического исследования и на основе ИКМ трёх Видов несимметрии напряжений САГ при его возбуждении от (простейшего) НПЧ-2.

4. Результаты поискового исследования (на основе ИКМ) возможностей улучшения характеристик САГ за счет увеличения числа пар полюсов ВСМ.

5. Полученная на основе ИКМ взаимосвязь коэффициента электромеханического усиления по мощности САГ в функции скольжения - КЛ=/(л').

6. Предложенные устройства ограничения импульсных перенапряжений на ключевых элементах НПЧ-т1Э с улучшенными энергетическими показателями, реализующие принцип «электронного клапана».

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось: На ХУ-й (2009г.), ХУ1-Й (2010г.) и XVI 1-й (2011г.) международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов; на 2-х н/т-х семинарах кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов -ЭКАО» МЭИ.

Публикация. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ (среди них два патента на полезные модели и две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК).

Личный вклад.

1. Разработаны имитационные компьютерные модели (ИК-модели) трех типов СПЧ (НПЧ-2, НПЧ-3 и ТИН) и в совокупности с известной ИК-моделью асинхронной машины с фазным ротором - АМФР (с определенными допущениями, характеризующими исследование как макромоделирование) сформирована ИК-модель системы САГ. На основе модели этой системы исследованы ее свойства, характеристики, предложены решения по их улучшению и даны необходимые для проектирования рекомендации.

2. Дано аналитическое объяснение трем видам несимметрии выходного напряжения САГ при возбуждении его от простейшего преобразователя частоты (НПЧ-2). Результаты анализа подтверждены путем ИКМ.

3. С целью исследования возможностей улучшения характеристик САГ:

- аналитически и на основе ИКМ для трех типов СПЧ (НПЧ-2, НПЧ-3 и ПЧЗПТ) установлена взаимосвязь искажений выходного напряжения с искажениями тока возбуждения САГ в функции скольжения. Полученные результаты позволяют обоснованно подойти к выбору типа СПЧ в каждом конкретном случае применения;

- исследована целесообразность использования предложенного решения по увеличению числа пар полюсов вспомогательной синхронной машины. Даны соответствующие рекомендации;

- при непосредственном участии соискателя разработаны новые решения преобразователей частоты (модифицированные НПЧ-2 и НПЧ-3 - НПЧ-2М и НПЧ-ЗМ) с улучшенными техническими характеристиками;

- при изложении материала особое внимание (в силу недостаточного описания в литературе системы САГ) уделено описанию физической сущности рабочих процессов в САГ (и СПЧ) и их графической иллюстрации с помощью осциллограмм, полученных на основе ИКМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 210 страницах (180 стр. текста, 105 рисунков, 5 таблиц), состоит из 5 глав, заключения, библиографии из 64 наименований и приложений.

Краткое содержание работы Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель и решаемые в диссертации задачи. '

В первой главе анализируется состояние и перспективы развития и применения автономной системы электроснабжения (АСЭС) со свойствами системы ПСПЧ. В качестве перспективных выделены два её альтернативных варианта: с полным (ППЭ) и с частичным преобразованием электроэнергии (ЧПЭ). Для варианта системы ПСПЧ с ППЭ рассмотрены вопросы синтеза и функциональные особенности при построении её на основе двух типов СПЧ:

- на основе преобразователя частоты с непосредственной связью - НПЧ-3;

- и на основе ПЧЗПТ в виде последовательно соединенных выпрямителя (получающего питание от синхронного генератора - СГ) и трехфазного инвертора напряжения (ТИН) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ);

- с помощью ИКМ исследованы возможности улучшения показателей качества системы ПСПЧ в этих двух вариантах: в первом варианте - за счёт повышения частоты напряжения СГ, а во втором - за счёт повышения тактовой частоты /г ШИМ напряжения в ТИН;

- проведен сопоставительный анализ этих вариантов АСЭС и сформулированы направления их совершенствования. В результате получены следующие выводы:

- использование в АСЭС с ППЭ преобразователя частоты типа ПЧЗПТ позволяет минимизировать параметры L,C выходного фильтра ТИН - Ф2 за счет соответствующего увеличения тактовой частоты fi. При этом необходимо заметить, что при использовании вентильного генератора (ВСГ) потребуется ещё фильтр на выходе выпрямителя - Ф1. Достоинством данной структуры АСЭС является более простая силовая часть (в простейшем однока-нальном варианте ПЧЗПТ - 6 транзисторов и 12 диодов), а также возможность использования стандартных типоразмеров электрических машин.

- дальнейшее улучшение массогабаритных показателей АСЭС с ППЭ на основе ПЧЗПТ может быть достигнуто, например, за счет использования при синтезе СЭС принципа многоканального преобразования (МКП). При этом в одном из вариантов ВСГ выполняется с канальностью, равной двум [1], т.е. с двумя комплектами трёхфазных обмоток и двумя выпрямительными мостами. Пульсность выпрямленного напряжения здесь повышается в два раза: с 7Я1э=6 до Mi3=12. Благодаря этому удается существенно улучшить массогаба-ритные показатели сглаживающего фильтра Ф1. Нужно сказать, что с двух-канальным преобразующим трактом может выполняться не только выпрямитель, но и ТИН. При таком подходе к синтезу ТИН при той же тактовой частоте fx транзисторов, частота квантования выходного напряжения увеличивается в два раза, в результате чего его спектральный состав существенно улучшается, что в конечно счете позволяет заметно снизить значения параметров L и С фильтра Ф2 и его массу. Заметим, что с ростом мощности

АСЭС канальность, как выпрямителя, так и ТИН при необходимости может увеличиваться. При этом показатели электромагнитной совместимости ПЧЗПТ (искажения напряжения и тока по его выходу и входу) будут улучшаться. Нужно заметить, что масса трехфазного фильтра на выходе ПЧЗПТ значительна. Например, при использовании синхронного СГ общепромышленного применения (при естественном охлаждении) мощностью 5^=13,75кВА (с массой бЬ^ 165 кг) масса трехфазного фильтра достигает С?зф~27,7кг, что составляет 17% от массы СГ.

Использование в АСЭС с ППЭ другого типа СПЧ - НПЧ-3 позволяет получить менее оптимистичные результаты. Дело в том, что спектральный состав его выходного напряжения определяется соотношением частот/сг и выходной частоты/\:

/'=/сг//,>Ю. (1)

Чем больше значение этого параметра, тем лучше спектральный состав выходного напряжения, и тем меньше требуется установленная мощность выходного фильтра Ф2. Чтобы выполнить условие (1), необходимо использовать нестандартные электрические машины с рабочей частотой (/сг) значительно более высокой, чем выходная частота АСЭС /1. В качестве примера здесь был взят СГ с полюснотью р=6 и частотой вращения вала «1=3000об/мин. Если номинальная частота СГ /сг=400Гц, то частота ближайшей высшей гармоники подлежащей ослаблению, в этом варианте СГ лишь в 8 раз больше частоты основной гармоники/¡=50Гц. Однако, при этом ее амплитуда заметно меньше, чем в вышерассмотреином варианте (с ПЧЗПТ). Но, в конечном счете, здесь спектральный состав выходного напряжения несколько хуже, чем в первом варианте. Это различие привело к необходимости увеличения емкости конденсатора фильтра Ф2 в 3 раза, соответственно, к некоторому увеличению общей его массы (примерно на 5%). В результате, в этом варианте (АСАГ с НПЧ-3) масса выходного фильтра достигает £?зф=29кг, что составляет 18% от массы СГ.

Использование варианта ПЧЗПТ по критерию массогабаритного показателя может быть более предпочтительным, однако его система управления здесь может оказаться более сложной. Для получения более точных ответов на уровне интегральных количественных показателей должны быть продолжены соответствующие исследования в данном направлении.

В качестве исследуемой в работе выбрана система ПСПЧ с частичным преобразованием энергии (ЧПЭ), выполненная на основе АМФР с регулируемым по частоте и по напряжению возбуждением с помощью СПЧ (рис. 1). Система обозначена как САГ (или автономный САГ - АСАГ). Рассмотрено состояние проблемы проектирования такой системы. Рассмотрены варианты АСЭС на основе АСАГ с тремя типами возбуждения: частичное, независимое и самовозбуждение с использованием двух типов ПЧ: НПЧ и ПЧЗПТ.

В качестве достоинств СПЧ типа НПЧ перед ПЧЗПТ при использовании их в АСЭС с ЧПЭ следует отметить такое положительное их свойство как реверсивность по активной и реактивной мощности, которое реализуется простой системой управления. Недостатком ПЧЗПТ в АСЭС с ЧПЭ является

сСУ1

кСУ2

БПВН L'2= var /// /// -

/// ///

I СУ2

отБПВН

^ к нагрузке

/г = var НПЧ нереверсивность по активной мощ-

ности. Для устранения этого недостатка в качестве выпрямителя должны использоваться активные (малоисжающие) выпрямители.

Вторая глава посвящена рассмотрению функциональных свойств и особенностей АСАГ при возбуждении его от двух разных типов НПЧ, обозначении как НПЧ-2 и НПЧ-3. При использовании простейшего НПЧ-2 трехфазные якорные обмотки В СМ должны быть расщеплены на две секции. Получено унифицированное по параметру т\Э и удобное для пользования модельное описание спектрального состава выходного напряжения СПЧ типа НПЧ с алгоритмом квазиодн-ополосной модуляции (КОМ), обозначенные как НПЧ-/Я1Э- По своим функциональным характеристиками этот тип НПЧ наиболее полно удовлетворяет требованиям их применения в системе АСАГ.

Спектр выходного напряжения НПЧ-2 представлен в виде двух составляющих - в виде спектров гармоник нижних (НКБЧ) и верхних (ВКБЧ) комбинационных боковых частот. Первые гармоники напряжений из этих спектров с частотами сор- сос и сор+ <ис создают в обмотках ротора АМ токи и соответствующие им МДС, которые с учетом частоты вращения ротора сор наводят в обмотках статора АМ две 3-х фазные системы напряжений одной частоты а>с, но с противоположным (прямым и обратным) порядком чередования их фаз. Проведенное аналитическое исследование взаимодействия (суммирования) этих двух составляющих показало, что оно приводит к амплитудной и фазовой несимметрии фазных напряжений АМ. Однако, к искажению формы фазных напряжений оно не приводит. Искажения напряжения АМ определяется высшими гармониками тока её возбуждения. Искажения формы выходного напряжения АМ и дополнительную амплитудную и фазовую несимметрию вносят МДС, созданные, как гармониками тока ротора с частотами сир-(2£-1)а;с из спектра НКБЧ, так и гармониками тока с частотами й>р+(2£—1)й>с из спектра ВКБЧ (в обоих случаях к >1). Полученные результаты подтверждены имитационным компьютерным моделированием (ИКМ).

В традиционном исполнении САГ числа пар полюсов АМ и ВСМ равны: Уам^Рвсм- В работе исследована возможность улучшения спектрального состава напряжения НПЧ-2 за счет увеличения его частоты ближайших высших

Рис. 1. Вариант структурно-функциональной блок-схемы АСАГ с независимым возбуждением на основе вспомогательной синхронной машины (ВСМ) с комбинированным возбуждением: АМФР - асинхронная машина с фазным ротором; НПЧ - преобразователь частоты непосредственного типа; СЧРН - силовая часть регулятора напряжения; СУ1, СУ2 - система управления; БПВН - блок питания внутренних нужд.

гармоник путем увеличения в N раз числа пар полюсов ВСМ. Исследование такого решения на основе ИКМ показало, что искажения тока возбуждения АМ, действительно, уменьшаются, а искажения выходного напряжения САГ, вопреки ожиданиям, не уменьшаются, а увеличиваются. Дано аналитическое объяснение этому явлению. Таким образом, при использовании НПЧ-2 такое решение поставленной задачи нецелесообразно. Идея повышения частоты ВСМ в системе АСАГ была проверена на уровне ИКМ также и с использованием в ней НПЧ-3 (см. результаты по главе 4). При этом был сделан следующий вывод: для снятия противоречия между уменьшением искажений тока возбуждения АМ и ухудшением качества ее выходного напряжения должны использоваться такие типы СПЧ, у которых амплитуды высших гармоник в их выходном напряжении убывают пропорционально росту частоты гармоник. Такому условию удовлетворяют, например, СПЧ типа НПЧ, характеризуемые повышенной эквивалентной пульсностью их выходного напряжения - при Ш]э >2: т]Э =3; 4; 6; 9; 12; 24 и т.д . Чем больше Ш|Э) тем искажения напряжения (и тока) НПЧ меньше, частоты высших гармоник больше, а искажения напряжения АМ должны уменьшаться. Вывод подтвержден путем ИКМ в последующих работах кафедры ЭКАО.

Что касается оценки целесообразности использования увеличения по-люсности ВСМ, то результирующая оценка эффективности этого направления синтеза АСАГ требует для каждого конкретного типа СПЧ проверки взаимосвязи искажений напряжения АСАГ с искажениями тока его возбуждения. Для достижения результирующего положительного эффекта необходимо, чтобы интенсивность увеличения частот высших гармоник в спектре выходного напряжения НПЧ была бы меньше или, по крайней мере, равна интенсивности уменьшения их амплитуд.

роторные обмотай АМ'

контактные кольца

МВ2

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема простейшего непосредственного преобразователя частоты (НПЧ-2) в транзисторном исполнении с общим для двух ключей УОП («электронным клапаном»).

И

МВ1 мвз

и* Га

контактные ^ кольца

иР,Л

УР5 УР6

МП2 -И-

УТ2

УЫ

УТЗ

тГ

УР2

Рис.3. Принципиальная электрическая схема НПЧ-2МР с УОП.

Рассмотрено влияние па-

-й-

. га;

\

01 г™

-ЕЙ--64-

¥й2

=Н

а ¡<

ю

ЛВС

и„А

га/.

/О ЮЛ

ш

га/

Л7 И \

с/

£

К9

га;

га;

га.

(Т

кЮ, К4Д7

кК2, К5.К8

к КЗ, К6.К9

БУ1

кГТЗ_

■*-|бУ2|

_ контактные

кольца

роторные обмотки АМ

Рис. 4. Схема, иллюстрирующая принцип постгюепия НПЧ-3 с УОП.

раметра а* = ~ на параметры &нбч и 4вбч , характеризующие кратность частот высших гармоник выходного напряжения НПЧ-2 из спектров НКБЧ и ВКБЧ относительно частоты основной гармоники. Чем параметр а>* ближе к единице, тем лучше спектральные составы выходного напряжения. Полученное унифицированное по параметру теп, модельное описание выходного напряжения НПЧ дает основание для выбора рациональных его значений (тв), а следовательно, структуры НПЧ и параметра £ (при заданном диапазоне изменения частоты приводного вала АМ).

Для модификаций НПЧ-2 и для НПЧ-3 предложены новые решения устройства ограничения импульсных перенапряжений (УОП). Решения запатентованы (рис. 2, 3, 4) [3, 4]. Создаваемый ими положительный эффект заключается в том, что потери на разрядном резисторе значительно меньше чем в традиционных решениях с использованием ЯСО цепочек. Количественная оценка эффективности этих решений УОП получена с [В] помощью ИКМ и представлена в главе 4.

В третьей главе рассмотрены на уровне ИКМ физические процессы в АМФР для двух областей её работы: при ниже (л>0) и выше (¿-<0) синхронной частоте вращения её вала. Представлены соответствующие результаты ИКМ: внешняя - ВХ (рис. 5), регулировочная характеристики САГ и зависимости напряжения, мощности возбуждения (рис. 6), коэффициента электромеханического усиления - К.;- системы в функции скольжения. Они подтверждают адек-

"40 -^60 80 1бТГ~/120 -'юо 1) 4»!

Ток в обмотке якоря /]

Рис. 5. Внешние характеристики (ВХ) АСАГ для активной (со5^1=1), актив-но-ипдуктивной (соад =0,8) нагрузок при разных скольжениях, $ =-0,2, -0,1, +0,1, +0,2.

¿2 [ВА]

"9000 cosq>\ =0,6 ,

cosip¡=0,6- 8000

•ч^созд =0,8 7000 cosq>\ =0,8—

. Ns/cav»!=1 6000 cosipi~l JT

5000

4000

3000

J2000

.....I...........

[о.е]

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 скольжение

Рис. 6. Регулировочная характеристика CAI": зависимость полной мощности возбуждения АМ - Si от скольжения - 5 при U¡=UimM~220B=const для активной (сол^ 1=1) и активно-индуктивной нагрузок (с costpi=0,6; 0,8).

ватность ИК-модели АМФР в режиме АСАГ. На основе ИКМ не только на качественном, но и на количеством уровне подтвержден известный характер ВХ АСАГ в области, как ниже, так и выше синхронной частоты вращения вала. При исследовании использовались параметры конкретной серийно выпускаемой АМФР с мощностью 11 кВт. Дано физическое объяснение ВХ в режиме отрицательного скольжения. Для этого же режима дано также физическое объяснение перехода АМ в генераторный режим. Анализ ВХ показывает, что в области исследованных отрицательных значений скольжения (у =-0,1+-0,2) в диапазоне изменения соБ(р\=1 + 0,8 (с индуктивным характером) их жесткость существенно выше (при равных условиях по сояф), чем в области положительных скольжений (5 =+0,1 -г-+0,2). Общим для обеих областей скольжения является следующий вывод: чем больше значение скольжения, тем э/сестче ВХ.

Проведенные исследования показали также, что напряжение и мощность возбуждения АСАГ зависит не только от значений скольжения, но и от характера его нагрузки АСАГ.

Для расширения области использования полученных результаты исследования предложно удобное для системно проектирования понятие «коэффициент электромеханического усиления по мощности» - , определяемый как отношение полной мощности АМФР к его полной мощности возбуждения: Кх = /¿>2 • Введенное понятие Кидает разработчику представление о требуемой мощности возбуждения (в функци частоты вращения вала) для конкретно заданой мощности АМФР (рис. 7). Чем больше параметр , тем меньше мощность возбуждения потребляет АСАГ.

-0.1 О 0.1 скольжение

Рис. 7. Зависимость коэффициента электромеханического усиления по мощности (К.О АМФР от скольжения л для различных сой<р\ в режиме стабилизации выходного напряжения АМ (при С/1=С/1„ом=220В=сол50-

Серия проведенных на основе ИКМ численных экспериментов позволила определить все необходимые осциллограммы процессов в САГ и на их основе построить векторные диаграммы (ВД). Полученная высокая сходимость ВД (менее 1%) дополнительно свидетельствует об адекватности используемого модельного описания АМФР. Полученные ВД наглядно иллюстрируют процессы в стагорной и роторной цепях АМ и создают основу для определения необходимых при проектировании характеристик в скалярном виде.

На основе серии полученных с помощью ИКМ ВД построены годографы напряжении и тока возбуждения, отражающие эволюцию процессов в роторной цепи АМ в функции скольжения

Четвертая глава посвящена изложению результатов ИКМ, необходимых при системном проектировании АСАГ (при использовании для его возбуждения преобразователей частоты НПЧ-2 и НПЧ-3).

Современные компьютерные возможности позволили получить необходимую при проектировании АСАГ базовую (в количественном виде) информацию, а именно:

- обосновано определить целесообразный диапазон изменения частоты скольжения для двух типов НПЧ, используемых в цепи возбуждения АСАГ: для НПЧ-2 и НПЧ-3 (с алгоритмом КОМ) при искажениях напряжения АМ не более 7^8% (в крайних точках диапазона изменения скольжения) допустимый диапазон изменения скольжения для обоих типов НПЧ примерно оди-

НПЧ-2 /|=0

Кг(и1) [%] "301

НПЧ-3

Л=/|Н

-20 •15" -10-

= 1 |ном ./1=0 _

СО£(2>1 =1

СО!<р\ =0,8 -1

Кгм, [%] -20т

-0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3

НПЧ-2

скольжение

а)

Кгаи [%] -30-

НПЧ-3

-25

ч —20

С05Ф\=\

с<щ>1=0,8

/| -ном

5

' \COSV1 =Х соя? 1=0,8

скольжение в)

Кпя [%]

сГ"=1![о.е]

1.3 -0.2 -0.1 0 0,1 0.2 0.3 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 скольжение скольжение

б) г)

Рис. 8. Зависимости искажений выходного напряжения АСАГ - а), в); и тока ротора АМ - б), г) (измеряемых коэффициентами гармоник напряжения Кгси!) и тока Код) в функции скольжения, тока нагрузки и соз<рщ) (при £/ц1)=Г/1„о„=220В =сои5Г) для двух типов НПЧ с КОМ: а), б) - т\э=2; в), г) - т\3=Ъ.

/X ^ Рам -рвем \ я—0,1 ^ Л

Кго,1)=4,54%\ // КГ(,1)=2,06%

11я"

Рис. 9. Временные диаграммы, иллюстрирующие процессы в АСАГ с НПЧ-З: а), в) -фазное напряжение и ток якорной обмотки АМ; б), г) - фазное напряжение и ток роторной обмотки. Результаты получены при С/1к»=220В, /1ном=20,9А, со5р1ном=0,8 для положительных и отрицательных скольжений +0,3,-0,3, +0,1, -0,1.

наков; .5 <+0,1+-0,1. Приведенные на рис. 8 графики отражают зависимости искажений тока ротора АМ и выходного напряжения АСАГ в функции скольжения для этих НПЧ: а) - от,э=2; б) - та=3. На рис. 9 представлены характерные результаты исследования АСАГ с НПЧ-З в виде временных диаграмм. Предпочтение в применении для АСАГ НПЧ-З перед НПЧ-2 состоит в том, что НПЧ-З позволяет практически полностью исключить все три вида несимметрии выходного напряжения АМ - амплитудную, фазовую и несимметрию по искажениям, которые присутствуют при использовании НПЧ-2 (рис. 10,11);

- получить зависимости искажений фазных напряжений АСАГ (при использовании двух типов НПЧ): а) от скольжения (в диапазоне ¿-=+0,3 + - 0,3) при номинальном значении тока; б) от значения тока нагрузки (/1(1)=0-/1ном) при различных значениях скольжения; в) от соящ нагрузки 0%«^ = 1+0,8) при различных её значениях и различных скольжениях;

- для исследуемого класса НПЧ подтвердить: а) наличие эффекта инверсии знака реактивной составляющей тока в ниже синхронном диапазоне частот вращения приводного вала; б) свойство НПЧ автоматически изменять по-

рядок чередования фаз при переходе частоты вращения вала через синхронную скорость.

а)

б)

в)

.V МО'

'1Я(0

КПалг«,12%

£/,,„(,ГЗП,ЗВ /ит(1)=29,57А КтлгЪ47% а) Кг(;м)=3,11%

Лв»1(1)=35,4А ,»

Кг(,2щ=8,15%

^1г»(1)=335,6В

Кп, 1г)=12,12% б) -=|Ктт=4,89% -

Лст(1)=35,47А Кц, 20=8,12% I г71ст(!)=297,4В |/1Ст(1)=28,23А " | Кг(»]С)=6.94% в)

_Л

КпаАуЗ,51% ишт=311,1В /и„(1)=29,54А КГ(»ы)=7,54% Кг(,ы,=3,57%

Кг(а))=3,51% г7,г„(1)=311В Авт{1)=29,54А КГ(„1В)=7,55% Кг(л«)=3,57%

^=3,51% С/ю^ЗПЛВ /Ю»(1)=29,54А Кг(„0=7,56% _|Кг(лц=3,57%

Рис. 11. Временные диаграммы, иллюстрирующие фазные выходные напряжения Цщ) и токи Ьцц АСАГ при возбуждении его через НПЧ-3: а) - в фазе «Л»; б) - в фазе «В»; и в) - в фазе «С» при следующих значениях фазы «Л»: &Н1)~£Лном=220В, /щ)=/1НОМ=20,9А, СО^1(1)=СО5Р1„ом=0,8, для ,$=+0,1. Здесь все виды несимметрии практически отсутствуют.

Проверена на уровне ИКМ идея улучшения качества выходного напряжения АСАГ за счет повышения в N раз полюсности ВСМ. Исследования проведены для АСАГ с использованием в нем НПЧ-2 и НПЧ-3. Из проведенных на основе ИКМ результатов исследований получены следующие выводы:

- при Рвем ~ Л'рдм искажения тока возбуждения АМ (его КГ(а)) уменьшаются с увеличением параметров N и т^ ;

- при использовании НПЧ-3 искажения выходного напряжения АМ (его Кг(ц1)) изменяется незначительно и только в случае, когда характер нагрузки активно-индуктивный; при чисто активной нагрузке параметр КГ(„1) уменьшается с ростом параметра рвем- Поэтому при использовании в АСАГ НПЧ-3 ВСМ целесообразно выполнять с большей полюсностыо, чем у АМ лишь с целью снижения массы ВСМ. При этом оптимальное значение параметра М, обеспечивающее решение этой проектной задачи должно быть доказательно определено. Оптимизация числа полюсов ВСМ по критерию минимума результирующей её массы представляет собой отдельную задачу. Нужно ска-

Рис. 10. Временные диаграммы, иллюстрирующие факт несимметрии выходного напряжения 171(1) и тока 1ц1) нагрузки АСАГ при возбуждении его через НПЧ-2: а) - в фазе «А»; б) - в фазе «В»; и в) - в фазе «С»; при следующих значениях для фазы «А»: ¿/ц1)=1/1„ом= 220В, /1(1)=/1НОМ=20,9А, сол?П(1)= соу^1„ом=0,8, для «=+0,1.

зать, что система управления НПЧ при рвсм=Л'рлм оказывается существенно более сложной и может быть реализована, например, по принципу стабилизации частоты АСАГ по отклонению (от заданного значения/!).

На основе результатов ИКМ показан факт трех видов несимметрии, создаваемых НПЧ-2. Серия

проведенных на основе ИКМ исследований АСАГ (с НПЧ-2 и НПЧ-3) численных экспериментов позволила сделать вывод о физической непротиворечивости полученных количественных результатов и, более того, показать полное их качественное совпадение с ранее экспериментально полученными результатами, что свидетельствует об адекватности моделирования. Особый интерес представляют зависимости активной и реактив-ТИН

[о.е]

кСУ1 V

к су:

ЕЁ

к ключам ТИН "ГГ

1

БПВН

|СУ2 с ДШИМ|,

ЖГ

АМФР Л ;

от БПВН

= СОПИ

1]\- сот!

2 к нагрузке

0.5"

0.4" | ^

о.з-

--0.2- ---------

Ч^О.Г

-0.3

-0.2 -0.1

[о.е]

Рис. 13. Вариант структурно-функциональной блок-схемы АСАГ при использовании для его возбуждения трехфазного инвертора напряжения (ТИН): ДЧВ - датчик частоты вращения вала.

-0.1 -0.2

0

0.1

0.2 0.3

скольжение

Рис. 12. Зависимости кратностей активной . (Р2*= Р2Щ, реактивной (бг'-й.«,) и полной (5г ^г/^О мощностей возбуж-. дехшя от скольжения при Г/1„ОМ=220В, /1ном=20,9А, С05(5]яом=0,8 для АСАГ с возбуждением от НПЧ-3.

ной мощностей возбуждения АСАГ в функции скольжения (рис. 12). Полезно использовать эти зависимости в дальнейшем исследовании.

Разработанные ИК-модели НПЧ (в вариантах НПЧ-2, НПЧ-2Р и НПЧ-3) дополнены разработанными ИК-моделями сна-берного устройства - УОП. На уровне ИКМ проверена их функциональная работоспособность в составе НПЧ (в трёх вариантах) при совместной их работе с АМ. Полученные на основе ИКМ количественные результаты подтвердили высокую эффективность УОП. На основе ИКМ проведена серия численных экспериментов по параметрической его оптимизации.

В пятой главе проведено исследование АСАГ при использовании в нем ТИН (рис. 13). В качестве источника питания ТИН с целью упрощения исследования здесь используется виртуальный источник постоянного тока. Проведенный анализ показал, что увеличением тактовой частоты в ТИН с алгоритмом ДШИМ по си-

нусоидальному закону можно щ [В] Л [А] улучшить качество выходного напряжения АСАГ (рис. 14). Результаты исследования показали, что при использовании для возбуждения АМ ТИН искажения выходного напряжения АСАГ также (как и при использовании НПЧ) зависят от значения частоты скольжения. Амплитудная и фазовая несимметрия в выходном напряжении АСАГ даже при достаточно низкой тактовой частоте (/г=900Гц) практически отсутствует.

Поскольку при увеличении тактовой частоты /г возрастают динамические потери в ключах ТИН, то наряду с этим способом целесообразно использовать еще и второй способ решения этой задачи - способ дополнительной фильтрации на выходе АСАГ. При этом установленная мощность простейшего Г-образного ЬС фильтра оказывается незначительной (в исследуемом варианте С3ф=0,б48 кг - рис. 15).

Если в варианте АСАГ с НПЧ задача изменения порядка чередования фаз напряжения возбуждения решалась просто (автоматически), то в варианте АСАГ с ТИН эта задача решается не автоматически, а она должна решаться построенной соответствующим образом системой управления (с ДЧВ - рис.13).

Здесь нужно обратить внимание, что при использовании в АСАГ ПЧЗПТ (выпрямитель + ТИН) выпрямитель должен выполняться реверсивным.

Ниже приведена таблица, результаты которой представляют интерес для системного проектирования АСАГ при использовании для его возбуждения двух типов СПЧ (НПЧ-3 и ТИН).

Рис. 14. Временные диаграммы выходных фазных напряжения и тока АСАГ с возбуждением от ТИН при разных значениях тактовых частот -/г (и при ¿=+0,1, сохрц 15=0,8, Ук1)=[/1Н0М= =220В=соп5/, /щ)=/1ном= 20,9А=сотГ, 02(1) ~соиЛ).

VI

В]/, [А]

Рис. 15. Временные диаграммы выходных фазных напряжения и тока АСАГ с ТИН. ИКМ приведено при таких же исходных параметрах АСАГ, как и на рис. 14 и при параметрах фильтра:

___Таблица

АМФР типа 4АК16084УЗ ср=2 (в режиме АСАГ) с выходной частотой/¡=50Гц и мощностью ¿и =13750ВА, Я1НОМ=60/1/р=60-50/2=1500об/мин, п\- текущее значение скорости вращения вала, & - мощность возбуждения, ^ - скольжение.

1 5._Г "июи-иЛ 1 «1„„м ) -0,1 + 0 + +0,1 -0,2 + 0+ +0,2 -0,3+0+ +0,3 -0,4 + 0 + +0,4

2 щ [об/мин] 1650-1500+1350 1800+1500+1200 1950+1500+1050 2100+1500+900

3 1,22 1,5 1,86 2,33

1! Р5 СОЗф 1=1 12,8-53,8+6,9 5,3+53,8+3,9 3,4+53,8+2,8 2,4+53,8+2,1

4 9,1+42,2+6 4,2+42,2+3,4 2,7+42,2+2,2 2+42,2+1,8

саур1=0,6 8+39,7+6 3,8+39,7+3,3 2,5+39,7+2,3 1,9+39,7+1,7

НПЧ НГГЧ-от1э; 1щ э=2;3 НПЧ-ляэ; Щз> 6 НПЧ-т,э; 7П1Э> 6 НПЧ-т]э; т,э> 12

5 СПЧ пчзпт ТИН ТИН ТИН ТИН

/т1Гд] 1800 5400 7200 9600

360 540 480 480

Заключение

1. На основе проведенного обзора автономных систем электроснабжения (АСЭС) типа ПСПЧ (переменная скорость - постоянная частота) предложена их классификация и выделены два исследуемых в работе варианта: традиционный на базе синхронного генератора (СГ) с полным преобразованием электроэнергии (ППЭ) и альтернативный на базе автономного синхронизированного асинхронного генератора (АСАГ), в котором используется частичное преобразование электроэнергии - ЧПЭ (т.е. только мощности возбуждения асинхронной машины - АМ). В обоих вариантах АСЭС для решения задач ППЭ и ЧПЭ используются статические преобразователи частоты (СПЧ).

2. Проведенная систематизация вариантов структурных решений АСЭС на базе АСАГ расширяет перечень возможных их вариантов и позволяет на начальном этапе проектирования (в конкретном применении) выбрать наиболее рациональные из них для дальнейшей сопоставительной оценки.

3. Для преобразователей частоты непосредственного типа (НПЧ-2 и НПЧ-3), которые используются для возбуждения АСАГ, дано математическое описание их выходного напряжения, позволяющее исследовать влияние искажений тока возбуждения на качество выходного напряжения АСАГ. На его основе дано математическое описание явлений амплитудной и фазовой несимметрии выходного напряжения АСАГ при использовании в нем простейшего НПЧ-2. Показано, что эти виды несимметрии пропадают при использовании для возбуждения АМ более качественных (более сложных) НПЧ, например, НПЧ-3.

4. Представлены результаты аналитического исследования и ИКМ способа улучшения искажений выходного напряжения и тока простейшего

НПЧ-2 за счет увеличения в N раз полюсности р (и соответственно, частоты напряжения) вспомогательной синхронной машины (ВСМ). Показано, что такое решение для НПЧ-2 дает, однако, результат, обратный ожидаемому: при уменьшении искажений тока возбуждения АМ с увеличением параметра р - искажения напряжения АСАГ возрастают. Дано аналитическое объяснение этому факту. При использовании же более качественного НПЧ, например НГТЧ-3, этот парадокс не проявлется, однако, при этом качество выходного напряжения АСАГ по-прежнему практически не улучшается. Результирующий вывод в данном исследовании формулируется следующим образом: увеличение полюсности ВСМ относительно полюсности АМ может быть рациональным лишь при параметре НПЧ т\э>Ъ и только лишь с целью уменьшения массы ВСМ.

5. Показано, что при построении НПЧ на основе транзисторов приходиться решать проблему борьбы с индуктивностями рассеяния обмоток ВСМ. Предложены новые модификации НПЧ (с ;и1Э=2 и «13=3), снабженные снабберными устройствами (УОП), которые решают эту задачу, т.е. обеспечивают уменьшение импульсных перенапряжений на их ключах при улучшенных энергетических характеристиках. Новизна и полезность разработанных решений подтверждена патентами [3, 4]. Функциональная работоспособность НПЧ с разработанными УОП в системе АСАГ проверена и подтверждена на основе ИКМ. Даны рекомендации, необходимые для выбора их параметров.

6. На основе имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) проведена проверка известной ИК-модели асинхронной машины с фазным ротором (АМФР) - базового узла АСАГ на адекватность для двух режимов его работы: в области как положительных (.?>()), так и отрицательных (5<0) скольжений следующими способами:

- построением внешних и регулировочных характеристик АСАГ;

- построением векторных диаграмм;

- построением годографов напряжения и тока возбуждения (в функции скольжения).

Полученные результаты ИКМ характеризируются физической непротиворечивостью, с достаточно высокой точностью подтверждают адекватную работу АМФР в режиме АСАГ, а также совпадают с известными результатами, полученными (на качественном уровне) другими исследователями, и могут быть использованы в дальнейших исследованиях.

7. На основе разработанной ИК-модели системы АСАГ (АМФР с НПЧ-2 и НПЧ-3) с помощью ИКМ получены результаты, необходимые при системном проектировании.

8. На основе ИКМ исследованы особенности использования для возбуждения АСАГ преобразователя частоты другого альтернативного варианта СПЧ - со звеном постоянного тока (ПЧЗПТ) и получены результаты, иллюстрирующие особенности физических процессов в АСАГ. При работе в области отрицательных скольжений выпрямительное звено ПЧЗПТ должно выполняться реверсивным.

9. Показано, что в варианте АСАГ с ПЧЗПТ с ШИМ выходного напряжения целесообразна установка на выходе системы небольшого трехфазного Г-образного LC фильтра. Его параметры определены на основе ИКМ.

10. Особенностью варианта СЭС с ЧПЭ (на базе САГ), относительно варианта СЭС с ППЭ (на базе СГ) является то, что коэффициент электромеханического усиления по мощности - Ks меняется практически обратно пропорционально значению скольжения - с ростом скольжения он уменьшается, т.е. мощность возбуждения АСАГ с увеличением скольжения возрастает относительно режима с i=0. Знание этой зависимости является ключевым при системном проектировании.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Кьо Зо Лин, Мыцык Г.С. Сравнительный анализ структур вентильных генераторов. - М.: Издательский Дом МЭИ, Вестник МЭИ, 2010, №5.- С.85-96.

2. Бериллов A.B., Кьо Зо Лип, Маслов С.И., Мыцык Г.С. Система стабилизации частоты на базе асинхронизировапного синхронпого генератора. Электричество, 2010, №10. - С.34-43.

3. Бериллов A.B., Кьо Зо Лин, Мыцык Г.С. Патент РФ на полезную модель №103254. Преобразователь частоты (варианты) /. Опубл. 27.03.2011 Бюл. №9.

4. Бериллов A.B., Кьо Зо Лин, Мыцык Г.С. Патент РФ на полезную модель №104398. Непосредственный преобразователь частоты /. Опубл. 10.05.2011 Бюл. №13.

5. Кьо Зо Лин, асн., Жигунов A.M., студ., рук. Г.С.Мыцык, д.т.н., проф. О вариантах исследованиях системы стабилизации частоты при перемешюй частоте вращения вала на базе асинхронной машины с фазным ротором // Пятнадцатая Международная н/т конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: тез. докл. в 3-х т. - М.: Изд. дом МЭИ, 2009. Т.2. - С.73+74.

6. Кьо Зо Лин, асп., А.В.Берилов. Имитационное компьютерное моделирование синхронизированного асинхронного генератора в системе ПСПЧ // Шестнадцатая Международная н/т конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: тез. докл. в 3-х т. - М.: Изд. дом МЭИ, 2010. Т.2. - С.68+70.

7. Берилов A.B., Кьо Зо Лин, Мыцык Г.С.„Исследование взаимосвязи искажений выходного напряжения синхронизированного асинхронного генератора с искажениями тока его возбуждения // Семнадцатая Международная н/т конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: тез. докл. в 3-х т. - М.: Изд. дом МЭИ, 2011. Т.2. - С.62+64.

Подписано в печать$<(?!< & Зак. Полиграфический центр НИУ МЭИ Красноказарменная ул., д. 13

Тир. ¡00 П.л. и

Введение.

Глава 1. Общие сведения по автономной системе электроснабжения

АСЭС) типа ПСПЧ (переменная скорость постоянная частота)

1.1. Классификация направлений построения системы ПСПЧ

1.2. Структурные схемы генераторных установок типа ПСПЧ

1.2.1. ПСПЧ на основе привода постоянных оборотов (ППО)

1.2.2. ПСПЧ на основе СГ и СПЧ - (с полным преобразованием электроэнергии - ППЭ).

1.2.3. Исследование параметров фильтра для двух типов СПЧ в СЭС типа ПСПЧ в варианте с ППЭ.

1.3. О рассматриваемой системе ПСПЧ (ЧПЭ) на базе синхронизированного асинхронного генератора - САГ (АСАГ).

1.3.1. Вариант автономного двухмашинного АСАГ с электромагнитным возбуждением (АСАГ с частичным возбуждением)

1.3.2. Вариант двухмашинного АСАГ с возбуждением от постоянных магнитов (АСАГ с независимым возбуждением)

1.3.3. Вариант бесконтактного трехмашинного АСАГ (БСАГ).

1.3.4. Вариант АСЭС типа ПСПЧ на базе одномашинного АСАГ с самовозбуждением.

1.4. Система управления (СУ) для обеспечения стабильности выходного напряжения АСАГ.

Выводы.

Глава 2. Функциональные свойства, особенности АСАГ и требования, предъявляемые к преобразователю частоты для этой системы

2.1. Использование в АСАГ простейшего статического преобразователя частоты (СПЧ) непосредственного типа - НПЧ

2.1.1. Описание принципа построения и работы НПЧ-2.

2.1.2. Гармонический анализ выходного напряжения НПЧ-2 при равенстве чисел пар полюсов асинхронной (АМ) и вспомогательной синхронной (ВСМ) машин.

2.1.3. Функциональные особенности НПЧ-2 и практические рекомендации по настройке системы АСАГ.

2.1.4. Исследование влияния высших гармоник выходного напряжения (и тока) НПЧ на искажения формы выходного напряжения АСАГ.

2.2. Об особенностях спектров выходного напряжения АСАГ, возбуждаемых от НПЧ-2.

2.3. О механизме влияния соБср^ нагрузки АСАГ на искажения его напряжения.

2.4. Новый вариант организации полюсности АМ и ВСМ.

2.5. Гармонический анализ выходного напряжения НПЧ в новом варианте.

2.6. Использование в системе АСАГ НПЧ-3 (с улучшенным спектральным составом выходного напряжения за счет параметра т\э=Ъ).

2.6.1. Принцип работы НПЧ с туз=3.

2.6.2. Гармонический анализ выходного напряжения НПЧс КОМ.

2.6.3. Механизм эффекта инверсии реактивного тока.

2.6.4. О влиянии параметра со* на спектральные составы выходного напряжения НПЧ-3 и тока.

2.6.5. О взаимосвязи диапазона изменения частоты вращения приводного вала с параметром £ , определяющим номер гармоники напряжения НПЧ.

2.7. Устройство ограничения импульсных перенапряжений

УОП).

2.7.1. НПЧ-2 с устройством ограничения импульсных перенапряжений (УОП).

2.7.2. НПЧ-2 с альтернативным вариантом регулирования выходного напряжения - НПЧ-2Р.

2.7.3. НПЧ-3 с УОП.

Выводы.

Глава 3. Исследование свойств и характеристик САГ на основе имитационного компьютерного моделирования.

3.1. Моделирование асинхронной машины с фазным ротором (АМФР).

3.1.1. Описание математической модели АМФР.

3.1.2. Имитационная компьютерная модель АМФР и предварительная ее проверка на адекватность.

3.2. Векторные диаграммы САГ для разных скольжений - как критерии адекватности процессов. Годографы.

3.2.1. Комментарии к построению векторных диаграмм.

3.2.2. Процедуры построения векторной диаграммы САГ на основе ИКМ.

3.2.3. Годографы.

Выводы.

Глава 4. Исследование на основе ИКМ возможностей совершенствования АСАГ при использовании преобразователей частоты типа НПЧ-2 и НПЧ-3.

4.1. ИКМ асинхронной машины с фазным ротором (АМФР) с НПЧ.

4.1.1. Об особенностях физических процессов в АСАГ и некоторые результаты ИКМ.

4.2. АСАГ на основе двух типов НПЧ (рис. 4-1,4-3).

4.2.1. Результаты детального исследования процессов в

АСАГ.

4.3. Исследование с помощью ИКМ варианта АСАГ при по-люсности ВСМ — /?всм больше полюсности АМ — Рам.

4.4. Исследование процессов в НПЧ с УОП при совместной работе с АМ.

4.4.1. НПЧ-2 с УОП со снаббером, реализующим принцип электронного клапана» в АСАГ.

4.4.2. Вопросы параметрической и структурной оптимизации варианта модернизации УОП для НПЧ-2.

4.4.3. Исследование энергетических показателей АСАГ с НПЧ-2 при применении различных вариантов УОП.

4.4.4. Исследование регулируемого по напряжению варианта НПЧ при совместной его работе с АМ.

4.4.5. Исследование АСАГ с НПЧ-3.

Выводы.

Глава 5. Исследование характеристик АСАГ на основе ИКМ при использовании преобразователя частоты со звеном постоянного тока (ПЧЗПТ).

5.1. Исследование процессов в АСАГ с возбуждением от трехфазного инвертора напряжения (ТИН) с ДТІТИМ.

5.2. Анализ АСАГ с ТИН при использовании дополнительной Фильтрации.

5.3. Краткий сопоставительный анализ НПЧ-3 и ПЧЗПТ при использовании их для возбуждения AM.

Выводы.

Асинхронная машина с фазным ротором (АМФР или упрощенно - АМ) в наибольшей мере отражает потенциальные функциональные возможности электромеханического преобразования. Теоретический и практический интерес к ее возможностям в России возник не менее 50 лет тому назад [1-1], [112]. Система «Асинхронизированный синхронный генератор — АСГ», в основе которой лежит АМФР, сегодня все более широко применяется для улучшения устойчивости и управляемости систем передачи электроэнергии и энергосистем в целом [1-12], [1-15]. Практически освоенные сегодня мощности АСГ в данном применении достигают сотен МВА. Для питания обмотки возбуждения АМФР здесь обычно используют статические преобразователи частоты непосредственного типа (НПЧ), выполняемые на не полностью управляемых ключевых элементах - тиристорах. Энергия на возбуждение обычно берется из сети.

Другой, менее освоенной областью применения АСГ является построение на его основе автономной системы электроснабжения (АСЭС) перемен/ ного тока постоянной частоты при переменной частоте вращения приводного вала. Такого рода системы в авиационной электротехнике известны как системы ПСПЧ - переменная скорость - постоянная частота [1-3], [1-11]. Потребность в системах ПСПЧ возникает также в малой энергетике (ветро- и гидроустановках), на различного рода подвижном транспорте (в том числе на летательных аппаратах), а также при построении систем резервного электропитания, например, на базе дизель-генераторных установок. В зависимости от области применения мощность АСГ здесь может находиться в диапазоне от единиц до сотен кВА. Отличительной особенностью АСЭС на базе АСГ является значительно больший диапазон изменения параметров электроэнергии, питающей обмотку возбуждения АМФР, - ее напряжения и частоты скольжения. Данное отличие заставляет решать задачу определения рационального, предельно допустимого диапазона изменения частоты вращения приводного вала, в котором такое решение экономически оправданно.

Следует заметить, что система ГТСПЧ на базе АСГ является альтернативным вариантом по отношению к двум известным традиционным решениям. Один из них (1-й вариант) основан на использовании механического привода постоянной частоты (Ш14), а другой (2-й) - на полном преобразовании электроэнергии (энергетического потока - ЭП) - ППЭ синхронного генератора (СГ) переменной частоты с помощью статического преобразователя частоты (СПЧ). Ожидаемый выигрыш рассматриваемого здесь варианта относительно, например, 2-го, сопоставимого с ним варианта, будет зависеть, прежде всего, от диапазона изменения частоты вращения приводного вала (суР) и будет определяться, во-первых, лучшими динамическими показателями (из-за отсутствия фильтра на выходе АСЭС) и, во-вторых, результирующим выигрышем в массе АСЭС в целом: а) за счет выполнения СПЧ не на полную мощность преобразования, а лишь на мощность возбуждения АМФР. Таким образом, в этом варианте АСЭС используется не полное преобразование электроэнергии АМ (её статорной цепи), а преобразование электроэнергии только роторной цепи, т.е. её частичное преобразование (ЧПЭ); б) за счет исключения упомянутого выходного фильтра АСЭС.

Для проектирования АСЭС необходимо знать особенности взаимодействия всех силовых звеньев и модельное описание, обеспечивающее количественную оценку этого взаимодействия в реальном диапазоне изменения частоты приводного вала. Известные работы не дают исчерпывающую проектно необходимую информацию для разработки такой системы. Цель работы -восполнить некоторые пробелы в этой проблеме за счёт расширения информационно-методического базиса и обеспечения на этой основе возможности обоснованного системного проектирования машинно-вентильной системы стабилизации частоты на базе АСГ (с некоторыми элементами её модернизации). В качестве исходной информации при решении поставленной задачи используется известное модельное описание АМФР и формализованное описание НПЧ (рассматриваемых в работе типов), а в качестве средства ее решения - имитационное компьютерное моделирование (ИКМ) в среде OrCAD PSpice Schematics.

К истории развития направления синтеза системы электроснабжения (СЭС) на основе асинхронизированного синхронного генератора (АСГ)

Первоначальные шаги в направлении создания автономных систем электроснабжения на основе асинхронизированного синхронного генератора (АСГ) в России (по располагаемой нами информации) были сделаны на кафедре «Электрооборудования самолетов и автомобилей (ЭСА)» Московского энергетического института. Сегодня это кафедра «Электротехнические комплексы автономных объектов (ЭКАО)». В 1964 году под руководством кандидата технических наук доцента Н.З.Мастяева по заказу ГОСНИЭТИ (г.Воронеж) была начата хоздоговорная научно-исследовательская работа (НИР) «Разработка и исследование асинхронизированного синхронного генератора» (наряд 12/64); исполнители: ассистент В.Г.Еременко и подключившийся к НИР в 1965 г. инженер Г.С.Мыцык. В то время государственная политика в области образования и науки была более благоприятная. При кафедре ЭСА существовала мастерская с необходимым оборудованием, где v можно было изготавливать опытные образцы новой техники. Был испытательный стенд с двигательно-генераторной установкой. Был также необходимый для исследований и периодически пополняемый и обновляемый комплекс измерительной аппаратуры.

Управляемые полупроводниковые приборы (транзисторы, тиристоры) в тот период находились в самой начальной стадии развития. Типовым мощным полностью управляемым прибором в то время был биполярный транзистор с р-п-р структурой на ток 10 А с рабочим напряжением 100В. Так что в большинстве случаев (а с неизбежностью и при средних и повышенных мощностях преобразования параметров электроэнергии) в СПЧ в качестве ключевых элементов приходилось использовать не полностью управляемые полупроводниковые приборы - тиристоры, которые в то время по единичной мощности значительно опережали транзисторы. Полная их управляемость достигалась использованием специально разрабатываемых для каждого типа СПЧ узлов принудительного их запирания (называемых также узлами искусственной коммутации). Выше указанная НИР с теоретической и экспериментальной проработкой была выполнена тогда менее чем за 3 года. При этом был создан и экспериментально исследовании образец АСГ. Сформулированы основные положения по проектированию, а также были даны рекомендации по применению и дальнейшему совершенствованию системы. По результатам работы В.Г.Еременко в 1967г. защитил кандидатскую диссертацию.

О терминологическом уточнении Корневыми конструктивными признаками в термине АМФР, определяющими её тип, являются признаки асинхронной, а не синхронной машины. Свойства синхронного генератора АМФР приобретает лишь в режиме соответствующего питания её обмотки возбуждения. Поэтому представляется более адекватным обозначать её как синхронизированный асинхронный генератор - САГ. Такое незначительное терминологическое отличие (САГ вместо АСГ) попутно способствует также разграничению двух вышеуказанных принципиально разных областей применения АМФР. С учетом изложенного и с целью акцентирования внимания на применении АСГ в автономном режиме будем использовать здесь термин АСАГ (автономный синхронизированный асинхронный генератор).

Содержание работы характеризуется следующей структурой. В первой главе дается аналитический обзор основных направлений построения СЭС типа ПСПЧ и проводится исследование традиционного варианта ПСПЧ с ППЭ на основе СПЧ двух типов: НПЧ с эквивалентной фазно-стью - 77?1э=3 - НПЧ-3 и преобразователь частоты со звеном постоянного тока (ПЧЗПТ). Рассмотрен также вариант машино-вентильной системы типа ППЭ в виде вентильного генератора (ВСГ) с двухканальным преобразующим трактом и одноканального трехфазного инвертора напряжения (ТИН) с ши-ротно-импульсной модуляцией (ШИМ) выходного напряжения [1-21]. Раси смотрены возможные варианты АСЭС типа ПСПЧ с ЧПЭ на основе САГ (АСАГ) с различным типом возбуждения: с частичным, с независимым и с самовозбуждением при использовании в нём двух типов СПЧ: НПЧ и ПЧЗПТ.

Вторая глава посвящена рассмотрению функциональных свойств и особенностей НПЧ с параметром т\з=2\ 3 - НПЧ-2, НПЧ-3 при совместной работе с АМФР. При этом аналитическим путём исследуется следующие вопросы:

- влияние гармонического состава выходных напряжений НПЧ-2 и НПЧ-3 на искажения выходного напряжения АМ (при совместной работе с АМ в различных режимах её работы): в режиме ниже и выше синхронной частоты вращения приводного вала для двух случаев: а) при равенстве чисел пар полюсов АМФР и вспомогательной синхронной машины (ВСМ): Оам=Рвсм); б) при их неравенстве, когда (рАм<Рвсм);

- явление амплитудной, фазовой несимметрии выходных напряжений АСАГ и несимметрии их по искажениями при применении в АСАГ НПЧ-2;

- взаимосвязи искажений тока ротора АМ с искажениями её выходного напряжения.

Рассмотрены предложенные варианты устройства ограничения импульсных перенапряжений (УОП) в НПЧ-2 и НПЧ-3, которые обусловлены индуктивностями рассеяния якорных обмоток ВСМ. Новизна решений подтверждена патентами [2-11], [2-12].

В третьей главе с помощью ИКМ проводится проверка на физическую непротиворечивость, на адекватность используемого модельного описания АМФР и на соответствие функционирования АСАГ как проектному замыслу, так и известным положениям из области теории электрической машины. В частности, на основе результатов ИКМ построены внешние, регулировочные характеристики АСАГ и его векторные диаграммы.

Четвертая глава посвящена изложению результатов ИКМ, необходимых при системном проектировании АСАГ (при использовании для него возбуждения НПЧ-2 и НПЧ-3). В частности, при этом приводится:

- информация об определении рационального диапазона частоты вращения приводного вала АСАГ (сиР);

- информация о системных свойствах и особенностях НПЧ-2 и НПЧ-3.

На основе ИКМ проводится исследование возможности улучшения качества тока возбуждения АМФР (и соответственно, её выходного напряжения) путём увеличения частоты ВСМ (при рдм^всм)

На уровне ИКМ проводится проверка работоспособности в системе АСАГ разработанных УОП на ключах НПЧ и даны рекомендации по выбору рациональных значений его параметров.

Задачи решаются на основе использования компьютерной программы OrCAD 9.2 (РSpice Schematics).

В пятой главе на уровне ИКМ проводится исследование АСАГ с использованием в нем ТИН и даются рекомендации по его синтезу и применению в системах типа ПСПЧ с ППЭ и ЧПЭ.

В Заключении формулируются полученные в работе результаты решения поставленной задачи.

Диссертационная работа содержит также дополнительные иллюстративные и доказательные материалы, представленные в Приложениях к соответствующим главам.

Перечень используемых источников информации (Литература) содержит 64 наименований, включая 7 публикаций с непосредственным авторским участим соискателя.

13

Выводы по главе 5

1. Проведенный анализ показал, что увеличением тактовой частоты /т в ТИН с алгоритмом ДШИМ по синусоидальному закону можно улучшить качества выходного напряжения АСАГ. Поскольку при этом возрастают динамические потери в ключах ТИН, то наряду с этим способом целесообразно использовать еще и второй способ решения этой задачи - способ дополнительной фильтрации на выходе АСАГ. При этом установленная мощность простейшего Г-образного ЬС фильтра оказывается незначительной.

2. При использовании для возбуждения АМ СПЧ типа ПЧЗПТ искажения выходного напряжения АСАГ также (как и при использовании НПЧ) зависят от значения частоты скольжения - рис. 5-7. Амплитудная и фазовая несимметрия в выходном напряжении АСАГ даже при достаточно низкой тактовой частоте (/т=900Гц) практически отсутствует.

3. Если в варианте АСАГ с НПЧ задача изменения порядка чередования фаз напряжения возбуждения решалась просто (автоматически), то в варианте АСАГ с ПЧЗПТ эта задача должна решаться построенной соответствующим образом системой управления.

195

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе проведенного обзора автономных систем электроснабжения (АСЭС) типа ПСГТЧ (переменная скорость - постоянная частота) дана их классификация и выделены два исследуемых в работе варианта: традиционный на базе синхронного генератора (СГ) с полным преобразованием электроэнергии (ППЭ) и альтернативный на базе автономного синхронизированного асинхронного генератора (АСАГ), в котором используется частичное преобразование электроэнергии - ЧПЭ (т.е. только мощности возбуждения асинхронной машины - АМ). В обоих вариантах АСЭС для решения задач ППЭ и ЧПЭ используются статические преобразователи частоты (СПЧ).

2. Проведенная систематизация вариантов структурных решений АСЭС на базе АСАГ расширяет перечень возможных их вариантов и позволяет на начальном этапе проектирования выбрать наиболее рациональный из них в конкретном случае применения.

3. В тех вариантах АСАГ, в которых для его возбуждения используются преобразователи частоты непосредственного типа (НПЧ-2 и НПЧ-3), дано математическое описание их выходного напряжения, позволяющее исследовать влияние искажений тока возбуждения на качество выходного напряжения АСАГ. На его основе дано математическое описание явлений амплитудной и фазовой несимметрии выходного напряжения АСАГ при использовании в нем простейшего НПЧ-2. Показано, что эти виды несимметрии пропадают при использовании для возбуждения АМ более качественных (более сложных) НПЧ, например, НПЧ-3.

4. Представлены результаты аналитического исследования возможности улучшения искажений выходного напряжения и тока простейшего НПЧ-2 за счет увеличения в N раз полюсности р (и соответственно, частоты напряжения) вспомогательной синхронной машины (ВСМ). Показано, что такое решение для НПЧ-2 дает, однако, результат, обратный ожидаемому: при уменьшении искажений тока возбуждения АМ с увеличением параметра р - искажения напряжения АСАГ возрастают. Дано аналитическое объяснение этому факту. При использовании же более качественного НПЧ, например НПЧ-3, этот парадокс не проявлется, однако, при этом качество выходного напряжения АСАГ по-прежнему не улучшается. Результирующий вывод в данном исследовании формулируется следующим образом: увеличение полюсности В СМ относительно полюсности АМ может быть рациональным лишь только с целью уменьшения массы В СМ.

5. Показано, что при построении НПЧ на основе транзисторов приходиться решать проблему борьбы с индуктивностями рассеяния обмоток ВСМ. Предложены новые модификации НПЧ (с т^! и т\э=3), снабженные снабберными устройствами, которые решают эту задачу, т.е. обеспечивают уменьшение импульсных перенапряжений на их ключах при улучшенных энергетических характеристиках. Новизна и полезность разработанных решений подтверждена патентами [2-12], [2-13].

6. На основе имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) проведена проверка известной ИК-модели асинхронной машины с фазным ротором (АМФР) [3-10] - базового узла АСАГ на адекватность для двух режимов его работы: в области как положительных (^>0), так и отрицательных (5<0) скольжений следующими способами:

- построением внешних и регулировочных характеристик;

- построением векторных диаграмм;

- построением годографов напряжения и тока возбуждения (в функции скольжения).

Полученные результаты ИКМ характеризируются физической непротиворечивостью, с достаточно высокой точностью подтверждают адекватную работу АМФР в режиме АСАГ, а также совпадают (на качественном уровне) с известными результатами, полученными другими исследователями.

7. На основе разработанной ИК-модели системы стабилизации частоты на базе АСАГ с НПЧ получены результаты, необходимые при системном проектировании.

8. Аналитически исследованная возможность и целесообразность увеличения полюсности ВСМ (в системе АСАГ) дополнительно проверена и подтверждена на основе ИКМ.

9. Функциональная работоспособность НПЧ с разработанными снаббер-ными устройствами в системе АСАГ проверена и подтверждена на основе ИКМ. Даны рекомендации, необходимые для выбора параметров снабберных устройств.

10. На основе ИКМ исследована возможность использования для возбуждения АСАГ альтернативного варианта СПЧ типа ПЧЗПТ (преобразователь частоты со звеном постоянного тока) и определены результаты, которые иллюстрируют физические процессы в АСАГ. При работе в области отрицательных скольжений выпрямительное звено ПЧЗПТ должно выполняться реверсивным.

11. В варианте АСАГ с ПЧЗПТ на основе трехфазного инвертора с ШИМ выходного напряжения показана целесообразность установки на выходе системы небольшого трехфазного Г-образного фильтра. Его параметры определены на основе ИКМ.

12. Особенностью варианта СЭС с ЧПЭ (на базе САГ), относительно варианта СЭС с ППЭ (на базе СГ) является то, что электромеханический коэффициент усиления по мощности (ЭКУ) - меняется практически обратно пропорционально значению скольжения - с ростом скольжения он уменьшается (см. рис. 3-7), т.е. мощность возбуждения АСАГ с увеличением скольжения возрастает относительно режима с 5=0 .

1. Джон Кеоун. Oread pspice и анализ цепей. Прентис-Зал. США, 2000. - 609 е.).