автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Моделирование и разработка систем с машинами двойного питания и активными многоуровневыми преобразователями частоты

На правах рукописи

Нахди Тарек

МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМ С МАШИНАМИ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ И АКТИВНЫМИ МНОГОУРОВНЕВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ЧАСТОТЫ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы.

005010256

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2012

005010256

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете “ЛЭТИ” им. В. И. Ульянова (Ленина), на кафедре робототехники и автоматизации производственных систем

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Пронин Михаил Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кафедры систем автоматического управления Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) Поляхов Николай Дмитриевич

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Центрального Научноисследовательского института судовой электротехники и технологии (ФГУП ЦНИИ СЭТ,

г. Санкт-Петербург) Скворцов Борис Алексеевич

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (СПбПТУ)

Защита диссертации состоится 22 февраля 2012 года в 15 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.238.05 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета “ЛЭТИ” им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета “ЛЭТИ” им. В.И. Ульянова (Ленина).

Автореферат разослан 20 января 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.238.05 кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Высокая стоимость энергоносителей и ожидаемое ее увеличение приводят к необходимости повышения КПД оборудования, эффективного использования источников энергии. В этом отношении большое значение имеет применение частотно-регулируемых систем, к которым можно отнести электромеханотронные системы (ЭМТС) с машинами двойного питания (МДП) и преобразователями частоты (ПЧ) в цепи ротора. В ряде случаев эти машины называют также асинхронными машинами с фазиым ротором и асинхронизированными машинами или генераторами-двигателями (АГД).

МДП применяются в электроприводах вентиляторов, насосов, в ветроэлектрических установка, в гидроаккумулирующих (ГАЭС) и приливных (ПЭС) электростанциях, в электроприводах вентиляторов шахт. В ГАЭС мощность МДП достигает сотен мегаватт, в ветроэлектрических установках типичны мощности 2-8 МВт. Активная мощность ПЧ в цепи роторов МДП достигает десятков мегаватт. В ГАЭС Голдисталь мощность агрегатов около 330 МВт, а мощность ПЧ в цепи ротора составляет 100 МВА.

Значительный вклад в теорию МДП внесли ученые России - Ботвинник М. М., Шака-рян Ю. Г., Лабунец И. А.и др. Многие идеи создания систем с МДП реализованы на практике. В настоящее время на ряде электростанций России внедрены асинхропизировашше турбогенераторы и компенсаторы реактивной мощности с устройствами, обеспечивающими их работу (системы возбуждения, тиристорные пусковые устройства). Большое участие в создании этих систем приняли специалисты ОАО “Силовые машины” Пинчук Н. Д., Кади-Оглы И. А. и др., специалисты НТЦ электроэнергетики и других предприятий.

Работы по МДП базируются на общей теории электрических машин (ЭМ), пад которой трудились многие специалисты - Важнов А. И., Вольдек А. И., Горев А. А., Даниле-вич Я. Б., Домбровский В. В., Ермолин Н. П., Иванов-Смоленский А. В., Казовский Е. Я., Костенко М. П., Лютер Р. А., Хуторецкий Г. М., Копылов И. П., Беспалов В. Я. и др.

При создании ЭМТС с контактными МДП большое влияние на характеристики систем оказывают ПЧ в цепи ротора. В ряде ЭМТС используются ПЧ со звеном постоянного тока с диодным выпрямителем и тиристорным инвертором. В таких системах через ПЧ возможна передача электроэнергии от ротора в электросеть.

Во многих ЭМТС с МДП используются ПЧ с непосредственной связью (НПЧ). Через НПЧ энергия может передаваться в двух направлениях, что позволяет изменять знак скольжения ротора и расширить диапазон регулирования скорости. Но коэффициент мощности НПЧ в таких системах низкий. Поэтому стоимость НПЧ велика.

В разработке теории ЮТ и систем с ПП участвовали многие специалисты - Нейман Л. Р., Глинтерник С. Р., Емельянов А. В., Глебов И. А., Бернштейн И. Я., Жемеров Г. Г., Глазенко Т. А., Булгаков А. А., Ефимов И. Г., Ковчин С. А., Сабинин Ю. А., Сарбатов Р. С., Сидельников Б. В., Козярук А. Е., Рудаков В. В., Слежановский О. В., Башарин А.

В., Соколовский Г. Г., Шрейнер Р. Т., Зиновьев Г. С., Ефимов А. А., Дмитриев Б. Ф. и др.

В настоящее время в связи с широким применением полностью управляемых полупроводниковых приборов (ЮВТ, ЮСТ) возможно выполнение ПЧ с лучшими характеристиками. Мощность ПЧ и трансформаторов в ЭМТС может быть уменьшена в несколько раз. В цепи ротора МДП могут быть использованы двухуровневые, многоуровневые, каскадные, многотактно-многоуровневые, матричные ПЧ, в также ПЧ других типов.

Режимы работы ЭМТС с МДП и современными ПЧ, а также задачи их создании в литературе описаны, но недостаточно. Отсутствуют исследования многих перспективных схем, например, ЭМТС с многотактно-многоуровневыми ПЧ (ММПЧ) в цепи ротора МДП. Отсутствует сравнительный анализ различных ПЧ для рассматриваемых ЭМТС.

Еще одна проблема создания рассматриваемых ЭМТС заключается в том, что в этих системах мощные электрические матицы работают совместно с мощными ПЧ. В обмотках роторов МДП, кроме основных составляющих токов, создаются “паразитные” составляющие - канонические гармоники, субгармоники, постоянные составляющие. Эти со-

ставляющие создают в МДП дополнительные потери энергии, вибрации, перенапряжения, воздействуют на изоляцию, усложняют процессы регулирования. Высокочастотные электромагнитные процессы (ВЧЭМП) в ЭМТС рассматриваются в технической литературе. Однако в исследуемых в данной работе ЭМТС с МДП предполагается работа ПЧ в цепи ротора в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ), обмотка ротора и ПЧ во многих случаях имеют большую мощность и сравнительно высокое напряжение.

Экспериментальные исследования перенапряжений в обмотках электрических машин при волновых процессах выполнены Петровым Г. Н. и Абрамовым А. И.. Позднее опубликованы труды Люлько В. А., а затем книга Базуткина В. В. и книги и статьи Каганова 3. Г. с учениками. В работах Беспалова В. Я. и Зверева К. Н., а затем в трудах Коськипа Ю. П. были опубликованы материалы, подтвержающие актуальность исследования ВЧЭМП и параметров электрических машин, совмещенных с ПП. Однако исследования ВЧЭМП, возникающих в ЭМТС при использовании ПЧ с ШИМ в цепи ротора, отсутствуют.

Исследования ЭМТС выполняются обычно на компьютерных моделях и экспериментально. На начальных этапах работ по созданию ЭМТС преимущество имеет компьютерное моделирование. В этом направлении в России имеются значительные наработки. Большой вклад в разработку методов моделирования и комплексов моделей внесли Нейман Л. Р., Демирчян К. С., Бутырин П. А., Коровкин Н. В., Плахтына Е. Г., Козярук А. Е., Шрейнер Р. Т., Ефимов А. А., Пронин М. В., Коротков Б. А., Попков Е. Н. и др.

С учетом изложенного и в связи с существующими планами создания современных ЭМТС с МДП предприятиями России, следует считать актуальными разработку и исследования ЭМТС с МДП и активными многоуровневыми ПЧ, анализ электромагнитных и электромеханических процессов в этих системах на основе компьютерного моделирования, анализ взаимодействия ПЧ и МДП на повышенных частотах.

Объект исследований - ЭМТС с МДП и активными многоуровневыми ПЧ.

Предмет исследований - схемы ЭМТС, алгоритмы управления, электромагнитные и электромеханические процессы, высокочастотные электромагнитные процессы.

Цель работы - разработка структур, алгоритмов управления и моделей ЭМТС с МДП и активными многоуровневыми ПЧ, выработка рекомендаций для их создания.

Для достижения указанной цели решаются следующие задачи:

1) Разрабатываются структуры ЭМТС с МДП и активными ПЧ.

2) Разрабатываются алгоритмы управления ЭМТС с МДП и многоуровневыми ПЧ.

3) Создаются комплексы моделей ЭМТС с МДП и активными многоуровневыми ПЧ.

4) Выполняется анализ режимов работы ЭМТС с МДП и ПЧ. ,

5) Исследуются высокочастотные параметры ВЧП и ВЧЭМП в ЭМТС с МДП и ПЧ.

6) Сравниваются варианты ЭМТС с МДП и активными ПЧ.

7) Разрабатываются рекомендации по структуре и параметрам систем.

Методы исследований: методы расчета электрических цепей, теория электрических машин, полупроводниковых преобразователей, электропривода, автоматического регулирования, методы моделирования ЭМТС по взаимосвязанным подсистемам, методы численного решения систем уравнений, методы гармонического анализа, эксперименты.

Научная новизна:

1) Разработан оригинальный комплекс математических моделей электромеханотрон-ных систем с машинами двойного питания, многотактно-многоуровневыми активными преобразователями частоты в цепи ротора с выпрямителями и инверторами, многообмоточными трансформаторами, защитными и пусковыми устройствами, системами управления.

2) Выявлены особенности систем с машинами двойного питания, активными многотактно-многоуровневыми преобразователями частоты и многообмоточными трансформаторами - вторичные обмотки трансформатора и преобразовательные мосты выпрямителя нагружаются неравномерно. Неравномерность увеличивается при уменьшении скольжения машины и снижении напряжения обмотки ротора. Для оптимизации распределения

нагрузки предложено выполнять вторичные обмотки трансформатора на различную номинальную мощность, стабилизировать коэффициент модуляции инверторов, вводить в напряжения инверторов составляющие нулевой последовательности.

3) Разработана методика определения высокочастотных параметров схем замещения обмоток статора и ротора машин двойного питания - предложены схемы измерений, определены функции вычисления параметров схем замещения и установлено, что продольная емкость катушек значительно больше поперечной. Разработана методика оценки дополнительных потерь энергии, возникающих из-за искажений напряжений.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Комплекс математических моделей, включающий в себя модели регулируемых многотактно-многоуровневых активных преобразователей частоты различных уровней, а также модели систем с машинами двойного питания, указанными преобразователями, трансформаторами, пусковыми и защитными устройствами, устройствами управления.

2) Результаты исследований систем с машиной двойного питания, активными много-тактно-многоуровневым преобразователями частоты и многообмоточными трансформаторами, заключающиеся в выявлении неравномерности нагрузки элементов систем, во введении понятия неравномерности нагрузки.

3) Обоснование нового способа выравнивания нагрузки элементов системы с машиной двойного питания и многотактно-многоуровневым ПЧ, заключающегося во введении в напряжения инверторов составляющих нулевой последовательности.

4) Методика определения высокочастотных параметров обмоток машин двойного питания, отличающаяся дополнительными экспериментами и математической обработкой результатов измерений, а также методика оценки дополнительных потерь энергии в машинах из-за искажений напряжений преобразователями.

Научная значимость результатов: Создан комплекс моделей многотактно-многоуровневых активных преобразователей частоты, а также систем с машинами двойного питания, активными преобразователями частоты, трансформаторами, пусковыми и защитными устройствами, устройствами управления. Выявлена особенность этих систем, заключающаяся в неравномерности нагрузки элементов, введено понятие неравномерности нагрузки. Предложен новый способ выравнивания нагрузки элементов системы и дано его обоснование. '

Практическая значимость результатов: Разработанная структура ЭМТС с ШИТ и ММПЧ, модели, результаты исследований и рекомендации могут быть использованы при проектировании новых ЭМТС с МДП и ММПЧ. Разработанные компьютерные модели достаточно точно описывают объекты исследований и являются быстродействующими, что обеспечивает их эффективность при расчетах и исследованиях переходных и установившихся режимов работы систем. Предложенные методики определения высокочастотных параметров машин и оценки дополнительных потерь энергии могут использоваться для уточнения технических решений при проектировании систем с МДП.

Реализация результатов работы: Предложенная структура ЭМТС с МДП и ММПЧ, компьютерные модели, результаты исследований и рекомендации используются в ОАО “Силовые машины”, а также в учебном процессе в СПБГЭТУ “ЛЭТИ”.

Достоверность моделей и результатов исследований подтверждена их соответствием законам физики, теории электрических машин, полупроводниковых преобразователей и систем управления, многолетней практикой использования методологии моделирования систем по взаимосвязанным подсистемам, алгоритмов расчета и моделей ряда элементов в комплексе аналогичных моделей в ОАО “Силовые машины”, а также экспериментами.

Апробация результаты работы. Результаты работы докладывались на международной конференции “Научные и технические средства обеспечения энергосбережения в экономике РФ” (СПб, 2011), на 64-ой конференция профессорско-преподавательского состава СПБГЭТУ (СПб, 2011), на всероссийской конференции “Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах” (СПб, 2011), на 9-й международном сим-

позиуме по электромагнитной совместимости (СПб, 2011), на международной конференции “Энергетика и автоматизация” (Китай, г. Ухань, 2011).

Личный вклад автора - разработка алгоритмов управления, моделирование и исследование ММПЧ при пассивной нагрузке, участие в разработке, моделировании и исследовании ЭМТС с МДП и ММПЧ, сравнительный анализ ЭМТС с МДП и различными ПЧ, разработка методик определения ВЧП, исследования ВЧЭМП, разработка рекомендаций для проектирования ЭМТС с МДП и ПЧ.

Публикации. По теме диссертации имеются 12 публикаций, из которых 6 статей опубликованы в сборниках, рекомендованных ВАК РФ, 3 статьи - в изданиях ШЕЕ.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение, список литературы (141 наименование), и 3 приложения. Основная часть работы изложена на 147 страницах машинописного текста. Работа содержит 94 рисунка и 13 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ведении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, дана общая характеристика работы.

В первой главе представлен обзор технической литературы по ЭМТС с МДП и ПЧ разных типов, по областям их применения, преимуществам и недостаткам, задачам создания. В качестве объекта исследований выбрана ЭМТС с контактной МДП и активным ММПЧ в цепи ротора (рис.1).

Исследуемая ЭМТС содержит МДП, ММПЧ и защитное устройство (ЗУ), тиристорное пусковое устройство (ПУ). К МДП подключена нагрузка. Обмотка статора МДП подключена к энергосистеме через ПУ или выключатель. Обмотка ротора подключена к ПЧ, который через трансформатор подключен к энергосистеме. МДП снабжена датчиком положения ротора (ДПР). Нагрузка (турбина, ветроколесо, вентилятор и др.) может являться источником и потребителем энергии. ПУ позволяет реализовать один из вариантов пуска МДП и может быть исключено при реализации других вариантов пуска.

Поставлены задачи исследований - разработка структуры и алгоритмов управления ЭМТС с МДП и активными ПЧ, разработка моделей, выявление особенностей ЭМТС с МДП, исследования ВЧЭМП, выработка рекомендаций для проектирования.

Определены методы исследований ЭМТС с МДП и ММПЧ — на основе моделирования и экспериментов. Выбрана методология моделирования ЭМТС по взаимосвязанным подсистемам, позволяющая создавать модели, быстродействие которых в десятки и сотни раз выше, чем у моделей, созданных в МаЛаЬ. Исследования ВЧЭМП в ЭМТС с МДП и ММПЧ предложено осуществлять в среде МаГЬаЪ.

Во второй главе указанно, что одной из областей применения ЭМТС с МДП и ММПЧ являются ГАЭС. Модели ЭМТС в ГАЭС с некоторой адаптацией могут быть использованы и для исследования ЭМТС другого назначения.

При использовании методологии моделирования систем по взаимосвязанным подсистемам выполнено математическое описание ММПЧ по схеме рис.2. ММПЧ содержит трансформатор с несколькими вторичными обмотками, многотактный активный выпрямитель (АВ) с несколькими мостами, соединенными последовательно, емкостные фильт-

ры с конденсаторами С,-Сга, миогоуровневый инвертор напряжения (АИН), в каждом плече которого имеются транзисторы, соединенные последовательно, обратные и разделительные диоды. Питание ПЧ осуществляется от электросети с ЭДС фаз е„, индуктивностями напряжениями фаз ит и токами г5„ (п~ 1,2,3). Нагрузка ПЧ представлена активными сопротивлениями й, индуктивностями Ь и ЭДС еет. Фазы нагрузки имеют напряжения и„ и токи 1„. Для стабилизации напряжений сети используется система управления (СУ Щ. Для регулирования токов нагрузки используется система управления (СУ АИН). Для управления выпрямителем используется СУ АВ.

Разделение схемы рис.2 на подсхемы осуществляется при замене емкостей Ст зависимыми источниками напряжения:

(1)

Рис.2 Схема ММПЧ с 5-уровневым АИН

Рис.З Разделение на части силовой схемы ММПЧ

где icm - токи емкостей, t - время, т -номер емкости и моста.

Источники ист переносятся в ветви выпрямленных токов мостов АВ и АИН. При этом выпрямленные токи выпрямительных мостов idm и входные токи инвертора idm (m=l,..5) определяют токи конденсаторов icm, которые можно рассматривать как источники тока:

Cl Ijii * ~ ij, 7j,t I

В результате преобразований схема рис.2 разделяется на подсхемы рис.З, взаимосвязанные зависимыми источниками напряжения ист и тока іст. Подсхема с трансформатором и выпрямительными мостами разделяется на части по электромагнитным связям обмоток. Связи учитываются зависимыми источниками Напряжения г\„ и еъ и тока і3„ в первичной обмотке и ітт во вторичных обмотках (п - 1,2,3; т = 1,2,...М).

Напряжения фаз сети и ЭДС фаз первичной обмотки трансформатора:

3)

где £,і - индуктивность рассеяния первичной обмотки трансформатора.

ЭДС фаз вторичных обмоток: е*=еі п/К,г, (4)

где К,г - коэффициент трансформации.

Токи фаз и их производные в первичной обмотке трансформатора:

£%(5)

dt К dt

где і,„т - токи фаз вторичных обмоток.

В результате преобразований подсхема с трансформатором и АВ разделяется на под-

(6)

схемы рис.4. В подсхемах рис.4 источники напряжения из цепей выпрямленных токов переносится в плечи мостов. При этом образуются подсхемы рис.5 а).

Состояния ключей в полюсах мостов описываются функциями к,„т:

если ключ открыт, то ктт =1,' иначе ктт = 0.

Условия (6) позволяют заменить ветви в подсхемах рис.5 а) зависимыми источниками напряжения ие„т:

иепт=кт„и„. (7)

В подсхемах рис.5 а) источники иепт образуют трехфазные системы напряжений, в которых содержатся составляющие нулевой последовательности. Указанные составляющие можно удалить:

= (“«1

,)/з,

(8)

«о,

^епт ' ^епт ~ ^От •

При этом схема рис.5 а) преобразу-

Рис.5 Преобразование подсхем АВ

ется в схему Ь), для которой:

^=к-0/А2-

(9)

Преобразования исходной схемы заключаются также в упрощении подсхемы многоуровневого инвертора. В инверторе источники напряжения ист переносятся в ветви с транзисторами и обратными диодами. В результате образуется подсхема рис.6 а).

Рис.6 Подсхема многоуровневого инвертора

Состояния ключей положительного полюса инвертора описываются функциями к, если ключ открыт, то ктт = 1,

иначе

тт

= о.

(10)

Функции состояния транзисторов находятся в следующем соотношении:

^¡п5=1 — ^»1> К,ь =1 — к,пЪ, км=\—кь^. (11)

Напряжения фаз на выходе инвертора с учетом (11):

еп =(Ыс1 +Ый)^(я1^(12^й3^й4 + ~(ЫсЗ + 0^)

С учетом (12) схема рис.6 а) преобразуется в подсхему рис.6 Ь).

В напряжениях фаз АИН (12) содержатся составляющие нулевой последовательности. Так как фазы нагрузки соединены в звезду, эти составляющие можно удалить:

е0 =е, +е2 + е3/3, и„-е„-е0. (13)

При выполнении операций (13) два узла схемы рис.6 Ь) становятся однопотендиаль-ньми и их можно объединить. При этом схема рис.6 Ь) преобразуется в схему рис.6 с).

В схеме рис.6 с) токи фаз нагрузки и их производные находятся из выражений:

— = и -И-і /Ь.

Л

Токи в плечах транзисторного моста:

~ Ь#т, ijr если in > 0, то иначе = ¡„к,

inІ> *шЗ *иЛ/пІ? /m4

Токи в разделительных диодах:

1/п4 ~ ¡пКп

ЛІ’ *И5 ;

І = -І.**.

‘,„б=-‘Л -‘.кт6, і,

іпі

ИпЯ ^l'n

" ~K^mT

> ^ irlnft

Входные токи инвертора:

ldi\ ~ hu ^li2\ "^¡3 ~ h/11? h,n~>

id!4 г +/і

/с/24 /с/34 »

й/16 -г ‘/</26 ;/t/36-

(15)

(16)

(17)

" 7/</п ^</23 1шъг + ^16 + ^«/26 + *«/

ЭДС в фазах нагрузки могут быть приняты равньми 0, и тогда модель силовой части ММПЧ описывает работу преобразователя на активно-индуктивную нагрузку.

ЭДС фаз нагрузки могут быть определены, как симметричная трехфазная система: ер, = Ет 5т[оу-(«-1)2т1/з], (18)

где <»£ - угловая частота ЭДС нагрузки, Ет - амплитуда ЭДС нагрузки.

Третий вариант использования математического описания ММПЧ - объединение уравнений с описаниями МДП и других элементов ЭМТС. В этом случае ЭДС е,/1п рассматриваются как зависимые источники напряжения (они определены в описании МДП).

Предложен алгоритм

И-

Ж.

|Irmx |Irrnn ^Цугт |/gntc ^Ia»m |Kmz ^Udmx^Vdmn уГіраВЛЄНИЯ ММПЧ, ОТ-

Расчет фазы т Задание />• Регулятор Uуж Регулятор Ud

напряжений токов фаз (реактивного тока) (активного тока)

ФіІЛЬТр Uyn

Регулятор коэффициента модуляции АЙН

управлення ’ А ИЗ І

Рис. 7. Структурная схема управления АВ ММПЧ Синхронизация АВ с напряжениями сети выполняется по их фазе т;

личающиися тем, что мосты АВ имеют индивидуальные СУ, которые поддерживают выпрямленные напряжения, обеспечивают синусоидальность токов фаз и работу с заданным коэффициентом мощности, а в СУ АИН введен регулятор коэффициента модуляции, который формирует заданные выпрямленные напряжения (рис. 7).

их (w3 )/ л/3, Uт — д/і

ut+ut, если их>0, то -с = arcsin(щ/ит), иначе т = л -arcsin(«, /Uт).

(19)

В соответствии с рис.7, на входы регулятора выпрямленного напряжения поступают сигналы по заданному и* и фактическому выпрямленному напряжению. На выходе формируется амплитуда активных составляющих токов фаз

Ia=KAHb-uä)+Ian если 1„>1аш, то 1а=1ш если1а<1аш, то 1а = 1ат„, иначе 1т - Kaj j(uJ; -Uj)dt, где t - время, jKai Kao,~ коэффициенты, Ia„K, lam„ - ограничения тока.

Для исключения перемодуляции АВ предусмотрен регулятор амплитуды напряжений управления. На его входы поступают сигналы по заданной Uym и фактической Uym амплитудам. На выходе формируется амплитуда заданных реактивных составляющих токов /,:

А = еспи 1, > 1пх, то Ir = Im

если 1Г < 1тп, то 1Г = 1ГЖ

иначе 1Н =Kri\\Uyzm-U>m)dt,\ (21)

где t - время, Кп Кго,- коэффициенты, 1гтх, 1гтп - ограничения тока.

Заданные результирующие токи фаз мостов:

U, - К sin(t)+ lr cos (т), :

i2z = Ia sin(T-27i/3)+1, cos (т-2я/3),| (22)

i3l =/„ sm(x-4n/3)+Ir cos (т-4л/3).]

В фазах токи регулируются П-регуляторами. На их входы поступают сигналы по заданному in- и фактическому i„ токам. На вьрсодах формируются сигналы по “токовым” составляющим напряжений управления:

О- (23)

Напряжения управления мостов иупт формируются в виде сумм “токовых” uyin, “сетевых” Uyun составляющих:

«я» =и1и+иуш,- (24)

Для определения Uyu„ фильтруются напряжения управления иу„. На выходе фильтра выделяются амплитуда Uy„, (кратность модуляции) и фаза т„ основных составляющих: e1=cos(TI+4l), e2=cos(Tlt4l-27c/3), е3 =cos (г,+4) -4л/3),

А = (е,иу1 + е2иу2 + е,иу3) -2/3, В = и2у) + и]2 + игуЪ,

С1Ш=С,+{В-С,)-М1Т, Uym=JcZT-2П, если Uym*0, mo D = AIUfm,

,=(oyU+DKal&l, co„+i,=ffl.

yl,f+Ai

+ DK„,

(25)

где А, В, С, й - промежуточные переменные, еь ег, «з - трехфазная система ЭДС, КшЬ Кшо,- коэффициенты, (Оу - угловая частота единичных ЭДС.

В ГАЭС управление

50 Гв_______________.____ режимом, работы АГД

осуществляется при воздействии на АНН по схеме рис.8. Заданные активная Р: и реактивная <2г МОЩНОСТИ формируются задатчиком в соответствии с сигналами системы управления верхнего уровня - коэффициентом мощности СОвфг и активной мощностью Р,. Задатчик работает как апериодический фильтр, сглаживая колебания мощностей. Расчет фазы т„ и амплитуды ит вектора напряжений сети осуществляются с учетом направлений осей фаз 1,2, 3 и осей а, Р:

Рис.8 Схема управления ГАЭС с АГД и АМПЧ

ие=(иг~из)/Л> um=yju¡+uí> если ыр>0, mo t„ =arcsm(u,/t/nl),l ^

иначе xa = n-arcsm(u, /Um), j где u\, иг, из - напряжеиия фаз энергосистемы.

С углом т„ связываются ортогональные координаты ху, неподвижные относительно вектора напряжений (рис.8). Вектор активной мощности направлен по оси х, вектор реактивной мощности - по оси у. Реіуляторьі составляющих мощностей формируют задания по активной и реактивной составляющим тока энергосистемы. При проектировании этих ортогональных составляющих тока на неподвижные ортогональные оси аир, затем на вращающиеся ортогональные оси d и q, затем на оси 1,2,3 фаз ротора АГД формируются задания по токам фаз АИН. Активная Р и реактивная Q мощности энергосистемы и costp рассчитываются по сигналам датчиков напряжения и„ и тока іл« и ¡гг-щ (рис.8).

Мгновенная активная мощность энергосистемы:

Р = и j (ід + іпчх) + м2 (ілг + іпч2) + и3 (ілз + ¡n,n). (27)

Фильтрация мощности:

P^=P,AP-P,)btlT„ (28)

где Ai - время цикла работы системы управления, Ts - постоянная времени, Ph P,+Aí - активная мощность на данном и следующем шаге расчета.

Действующие напряжение U и ток I фаз энергосистемы определяются по мгновенным напряжениям и токам при апериодической фильтрации с постоянной времени T¡:

А~(и] +и\ +Мз)/3, E/í+*=fc j

^^ЛЧ\[ ^ІпЧіТ +(^з ^Ілчзї Ц+& =Ц + (с —-D; )Д// 7^,, 11Ш ~ ,J

где А, В, С, D- промежуточные переменные.

Полная S и реактивная Q мощности энергосистемы:

S = 3 Qm=4*'-PL- (ЗО)

Значения мощностей передаются на входы ПИ-регуляторов. На другие их входы поступают сигналы по заданным активной Р. и реактивной Qz мощностям:

ДР = Р-Р, i„=KraAP+K¡APdt,}

" , \ (31)

A e = a-fi, i^Kr£Q + Kr\M2dt]

где Кро, Kpi, Кдо, Kqi - коэффициенты регуляторов.

На выходе регулятора активной мощности формируется сигнал ipz задания по току по оси х при ,v=0. Если j/0, то часть активной мощности АГД поступает через ПЧ (со знаками + или -). Для поддержания активной мощности энергосистемы составляющая тока ротора по оси х изменяется ПИ-регулятором скольжения АГД (Pi). На его входы поступают сигналы по заданному sz и фактическому s скольжениям. На выходе формируется составляющая заданного тока ¿Е по оси х.

Заданный ток ротора по оси х:

*„=*„+*„■ (32)

В блоке ЗТ при использовании сигналов по фазе напряжений сети т„ заданные проекции токов в осях ху проектируются на оси а и [V.

't ='*sm-c, +^созт„. (33)

В блоке ЗТ проекции токов по осям аир преобразуются в проекции по осям d и q при использовании сигнала по положению ротора т:

ij - cosí + /рsinx, іч = iasinx-if cost. (34)

Заданные токи фаз ротора:

Í,n=-ij2 + j3ij2. (35)

В режимах регулирования мощностей энергосистемы скольжение АГД изменяется в

небольших пределах, а в роторе протекают токи низких частот. Это позволяет использовать ПИ-регуляторы токов, аналогично выражениям (21). На входы этих регуляторов поступают сигналы по заданным токам фаз ¡Л2, Ш и фактическим токам ги, г22, Н2- На выходах формируются напряжения управления инверторов ПЧ иу12, иугг, иуЪ2.

Далее осуществляется фильтрация трехфазной системы напряжений управления АИН иу 12, иу22, Иу32 по формулам (25). В результате определяется кратность модуляции АИН Км. Заданное выпрямленное напряжение АВ формируется ПИ-регулятором:

udz = (km: -km)+ил, если ис

где t - время, КЛ Kdo- коэффициенты, ифю, UOm

иначе

и*

то и.

(36)

ограничения напряжения.

Напряжения управления АВ (24) сравниваются с пилообразными опорньми напряжениями выпрямительных мостов. При этом формируются импульсы управления транзисторами. Напряжения управления АИН сравниваются с пилообразными опорными напряжениями инверторного моста. При этом формируются импульсы управления АИН (рис. 9).

Модель ММПЧ включена в модель ГА__________ЭС, в которой учтено описание АГД,

Рис.9 Формирование импульсов управления ММПЧ, ПУ, ЗУ и СУ.

АИН Выполнено сравнение быстродействия

моделей ММПЧ по затратам машинного времени на расчеты. Для решения этой задачи использована компьютерная модель ММПЧ, описанная выше (количество уровней задается в исходных данных). Другие модели, использованные для оценки затрат времени, разработаны в МаЛаЬ специалистами ОАО “Силовые машины”. В этом комплексе моделей каждому ММПЧ заданного уровня соответствует индивидуальная модель. На графике рис. 10 а) представлена кривая затрат машинного времени в среде МаИлЬ на расчеты заданных электромагнитных процессов в зависимости от числа уровней ММПЧ. На графике рис. 10 б) представлена аналогичная зависимость при расчетах на модели, построенной в С-н методами взаимосвязанных подсистем. Расчеты выполнены на одном компьютере при одинаковых исходных данных.

Рис.10 Зависимости затраты машинного времени от пур ММПЧ

Из рис.10 видно, что при расчетах в 8іти1іпк затраты времени имеют степенную зависимость от числа уровней ММПЧ. При расчетах на модели, построенной в С++ методами взаимосвязанных подсистем, затраты времени приблизительно пропорциональную числу уровней АИН. При расчетах системы с 2-уровневым ММПЧ Зіпшііпк проигрывает по затратам времени в 25 раз, при 14-уровневом ММГІЧ - в 290 раз.

93%

^ Магнитный поток АГД

Активная и реактивная мощности электросети

/2 и

Рис.11 Пуск АГД при использовании ПУ

Токи фаз ротора АП

| Магнитный поток в воздушном зазоре АГД

. Тогсф.а.ы С|:|1Чч>а АГД і_В третьей главе описаны

результаты исследований на моделях ММПЧ и ГАЭС с АГД. Представлены расчеты режимов работы АГД в двигательном и генераторном режимах. На рис.11 приведена диаграмма пуска АГД (Го-/з), синхронизации с энергосистемой при включении ЗУ (?з), набора номинальной нагрузки в двигательном режи-74 ме АГД (?з-?4)- Изображены токи статора и ротора АГД, магнитный поток, электромагнитный момент, мощности и частота вращения АГД.

Диаграмма работы системы при регулировании скольжения АГД в двигательном режиме представлена на рис. 12. На диаграмме изображены токи фаз ротора АГД, магнитный поток, частота вращения и электромагнитный момент АГД, активная и реактивная мощности энергосистемы, активная мощность цепи ротора, токи фаз 1 и 2 вторичных обмоток трансформатора. В соответствии с рис. 12, с момента времени г0 до ¿і частота вращения 100%, активная мощность энергосистемы 274 МВт, реактивная мощность 90 МВА. С момента до 1г (5 с) частота вращения увеличивается до 107 %. Активная мощность ММПЧ увеличивается до 19 МВт и передается из сети ротору. На интервале ¡2-Ь частота вращения ротора постоянная 107 %. С момента Ь до и (10 с) частота вращения снижается до 93 %. Активная мощность ММПЧ изменяется до -19 МВт и передается из ротора в сеть. На интервале ?4-г5 частота вращения постоянна и равна 93 %. С момента /5 до /б (5 с) частота вращения возрастает до 100% и далее остается неизменной.

В рассмотренных режимах работы ГАЭС ММПЧ обеспечивает передачу энергии из сети в ротор АГД и в обратном направлении. Мощность ММПЧ изменяется в пределах ±19 МВт, что соответствует мощности АГД и пределам изменения частоты вращения ротора. Модель пригодна для расчета и анализа переходных и установившихся режимов работы, позволяет рассчитывать мощности, токи обмоток АГД и другие переменные.

Выявлена особенность ММПЧ - мосты АВ и соединенные с ними обмотки трансформатора нагружаются неравномерно. Как видно из рис.13, 1 и 4 вторичные обмотки трансформатора ММПЧ имеют меньшую нагрузку, чем 2 и 3 обмотки (для 4-тактного АВ и 5уровневого АИН).

'«=100% ” ]07% М„=107% 1

Мзм=99% к Электромагнитный ]Мт=92% момент АГД

' і Р=274 МВт Активная мощность энергосистемы

0=9О МВА Реактивная мощность энергосистемы

'Рг =19 МВт

уРг

/„

и и ----%----

Рис.12 Регулирование частоты вращения АГД

Напряжение 1 фазы первичной обмотки трансформатора

'О ¿1 <2 '3 *4

Рис. 13 Переходный режим работы ММПЧ

Неравномерность нагрузки вторичных обмоток трансформатора возникает при числе мостов АВ больше 2 (рис. 14). Неравномерность нагрузки увеличивается (К/ уменьшается) при уменьшении кратности модуляции Кт АИН. Неравномерность нагрузки тем больше (К] меньше), чем больше выпрямительных мостов М.

Неравномерность нагрузки мостов АВ и обмоток трансформатора приводит к необходимости усовершенствования конструкции ММПЧ и алгоритмов управления. Одно решение заключается в выполнении вторичных обмоток трансформатора на различную мощность. Если принять режим работы ММПЧ с кратностью модуляции 0,97 в качестве номинального, то при А#=4 обмотки должны выполняться на номинальные мощности 80 % и 100 %, при М=6 - на мощности 68 % и 100 % и т.

д. Предложение о выполнение элементов ММПЧ на различные мощности можно отнести к элементам новизны работы.

Другое решение поставленной задачи заключается в изменении алгоритма управления ММПЧ. В определенных режимах работы системы предложено поддерживать коэффициент модуляции АИН на заданном уровне, при котором неравномерность нагрузки обмоток трансформатора минимальна. Это изменение алгоритма отражено в схеме рис.7. В алгоритме использован ПИ-регулятор параметра К,„. На его входы поступают сигналы по заданной величине Кт:, по фактической величине Кт и по ограничениям выпрямленного напряжения и,!т, На выходе регулятора формируется сигнал по заданному выпрямленному напряжению выпрямителей и*. Рекомендации по использованию дополнительного регулятора коэффициента модуляции АИН также следует рассматривать как признак научной новизны работы.

Предложен также алгоритм выравни-Рис.15 Диаграмма работы ММПЧ при вырав- вания нагрузки элементов ММПЧ, заклю-нивании нагрузки мостов АВ составляющими чающийся в изменении формы напряже-нулевой последовательности АИН ний управления АИН (рис. 15). Это изменение осуществляется так, чтобы основные гармоники напряжений и токов нагрузки сохраняли свои параметры. Эта идея реализуется путем введепия в напряжения управления АИН составляющих нулевой последовательности определенных частоты, амплитуды и направления. Как видно из рис.15, резуль-

1

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

К1 ! ¥=% ! і і

1 1 ! 1 1 1 і 1 а і

1 1 1 1 / И

! \ м\= з/ / І і

і і і і

і і / і /і і X і/ і // Т і 1 1 1 1 1 1

1 1

1 1 1 1

\ А !/Уам~ 10 1 1 1 1

Г \ ' Г | 1 1 1 1

0.2 0.4 0.6 0.8 1 к,

Рис. 14 Зависимости коэффициента К/ от коэффициента модуляции Кт

Лок 1 фазы сети ^Напряжение 1 фазы сети

л <ж і I

„ „

Ток 1 фазы І (крайней) вторичной ___т_г______г_

и трансформатора

тирующая кривая напряжения управления 1 фазы АИН пересекает все опорные напряжения и в формировании напряжений и токов на выходе ММПЧ участвуют все элементы АИН и АВ. Напряжения и токи на входе и выходе ММПЧ сохраняют синусоидальную форму.

Выполнен сравнительный анализ схем ГАЭС с МДП и ПЧ различного типа в цепи ротора. Рассмотрены варианты с двухуровневыми и трехуровневыми ПЧ, с каскадными ПЧ, с ММПЧ и др. По комплексу показателей (мощность полупроводниковых элементов, запас энергии в конденсаторах, искажения токов и напряжений в сети и в роторе машины и др.) рекомендована к применению схема ГАЭС с ММПЧ в цепи ротора. Таким образом, подтверждена заявленная актуальность исследований.

В четвертой главе указано, что ПЧ создают на зажимах обмотки ротора МДП, кроме основных составляющих токов и напряжений, высшие временные гармоники (ВВГ). ВВГ создают в машинах дополнительные потери энергии, вибрации, перенапряжения, воздействуют неблагоприятно на изоляцию. Наличие в рассматриваемых системах ВВГ в цепи ротора МДП требует дополнительных исследований.

Для исследований ВЧП создан новый стенд на основе асинхронного двигателя с фазным ротором мощностью 2.8 кВт. Стенд позволяет исследовать зависимости ВЧП статорных и роторных обмоток МДП от частоты в диапазоне от 10 Гц до 1 МГц (рис. 16).

Рис. 16 Продольные эквивалентные индуктивности и активные сопротивления МДП

Для определения ВЧП схем замещения обмоток ротора и статора МДП предложено, кроме использования известных схем измерений, использовать измерения параметров обмоток при замыкании отдельных фаз на корпус. Использование большего числа измеренных (эквивалентных) ВЧП для определения ВЧП схем замещения (первичных параметров) потребовало разработки новой методики обработки результатов экспериментов.

В соответствии с разработанной методикой обработки результатов экспериментов определяются параметры г о, ¿о, Ко, Со и гш схем замещения обмоток (рис. 17). Найдены функции для их вычисления:

где а = 0.4 ч-1.3;

¿о

О тс°

Ко

Со:

а

Рис. 17 Эквивалентная схема замещения одной катушки

'»(/) = го(/„)''

А)(/)=А>(/„)

/у(/)= гу(л) /0=1 кГц.

•(/Г

■С/П

где р = 0.1 *0.8; где 5 = 0.6 *1.5;

/ = ///„■

Индуктивность катушки ¿о плавно уменьшается с частотой, активное сопротивление Го - возрастает, гш - уменьшается. Ко и С0 практически неизменны. При этом Ко » Со. Установлены особенности изменения первичных ВЧП в зависимости от частоты сохраняются для разных ЭМ и могут использоваться для определения ВЧП ЭМ переменного тока различных мощностей и исполнений. Зависимости входных ВЧП от частоты характеризуются графиками, имеющими резонансные максимумы и нулевые точки в области 250-

350 кГц, смещающиеся в сторону увеличения частоты при уменьшения числа катушек в фазе обмотки.

Выполнено исследование перенапряжений в обмотке ротора МДП на моделях. Получено, что максимумы перенапряжений в обмотках ротора возникают на первых катушках,

как и для статорных обмоток. Отмечено, что перенапряжения и перекосы напряжения в роторных цепях с МДП и ПЧ требует усиления изоляции.

Разработана методика расчета высокочастотных потерь в ЭМ, в частности, в МДП. Расчетные оценки (рис.18) выполнены для системы ПЧ-ШИМ и двигателя ТАД-5 мощностью 610 кВт, Иф=380 В, Jя=29Гц. Выявлено что высокочастотные электрические потери увеличивают основные потери на 10-30%. Потери .уменьшаются с увеличением частоты ШИМ /шим-

Рис. 18. Зависимость потерь от частоты

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В мощных ЭМТС с машинами двойного питания (МДП), например в ГАЭС, рекомендовано использовать в цепи роторов МДП многотактно-многоуровневые ПЧ (ММПЧ) с трансформаторами (Тр), многотактными активными выпрямителями (АВ) и многоуровневыми инверторами напряжения (АИН).

2. Разработан оригинальный комплекс математических и компьютерных моделей электромеханотронных систем с МДП, многообмоточными трансформаторами, активными ММПЧ в цепи ротора с АВ и АИН, устройствами управления. Компьютерные модели рекомендованы для расчетов и исследований переходных и установившихся режимов работы и отличаются высоким быстродействием, благодаря использованию методологии моделирования систем по взаимосвязанным подсистемам.

3. При исследованиях на моделях выявлены особенности систем с МДП, многообмоточными трансформаторами и активными ММПЧ — вторичные обмотки трансформатора и преобразовательные мосты АВ нагружаются неравномерно. Неравномерность увеличивается при уменьшении скольжения МДП и снижении напряжения обмотки ротора. Для более равномерного распределения нагрузки между элементами системы рекомендовано выполнять вторичные обмотки трансформатора на различную номинальную мощность, стабилизировать коэффициент модуляции АИН путем изменения выпрямленных напряжений, вводить в напряжения инверторов составляющие нулевой последовательности.

4. Исследованиями на ЭВМ доказано, что разработанные структурная схема и алгоритм управления ГАЭС с АГД и ММПЧ обеспечивают требуемые режимы работы ГАЭС.

5. Выполнен анализ схем ГАЭС с МДП и ПЧ разных типов. По комплексу показателей для мощных агрегатов рекомендована к применению схема с ММПЧ в цепи ротора.

6. Предложены схемы измерений высокочастотных параметров схем замещения обмоток статора и ротора МДП, установлены закономерности их изменения в зависимости от частоты. Разработана методика определения параметров обмоток и установлено, что продольная емкость катушек значительно больше поперечной. Разработана методика оценки дополнительных потерь энергии, возникающих из-за искажений напряжений.

7. Проектирование ЭМТС с МДП необходимо осуществлять с учетом ВЧЭМП, обусловленных высшими гармониками напряжения ПЧ. Для уменьшения потерь энергии и неравномерности распределения напряжений в МДП рекомендуется для ЭМТС небольшой мощности использовать двухуровневые ПЧ с ЬС-фильтрами, а для мощных ЭМТС -ММПЧ.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в изданиях, включенных в перечень ВАК:

1. Нахди Т. Гидроаккумулирующая электростанция с асинхронизированными машинами и каскадными преобразователями частоты [Текст] / М. В. Пронин, А. Г. Воронцов, Т. Нахди // Известия СПБГЭТУ “ЛЭТИ” - СПб., 2011. Вып. 1. - С. 70-80.

2. Нахди Т. Сравнение преобразователей частоты в цепи ротора асинхронной машины в гидроаккумулирующих электростанциях [Текст] / М. В. Пронин, А. Г. Воронцов, Г. А. Гоголев, Т. Нахди // Известия СПБГЭТУ “ЛЭТИ” - СПб., 2011. Вып. 3. - С. 56-62.

3. Нахди Т. Определение высокочастотных параметров электрических машин переменного тока [Текст] / Н. Беналлал, А. С. Ватаев, Доап Ань Туан, Т. Нахди // Известия СПБГЭТУ “ЛЭТИ” - СПб., 2011. Вып. 5. - С. 78-86.

4. Нахди Т. Многотактно-многоуровневый преобразователь частоты для гидроаккумулирующей электростанции [Текст] / М. В. Пронин, А. Г. Воронцов, Т. Нахди, М. Е. Кузин// Известия СПБГЭТУ “ЛЭТИ” - СПб., 2011. Вып. 6. - С. 67-78.

5. Нахди Т. Особенности моделирования электрических систем в Simulink. и методики их расчета по взаимосвязанным подсистемам [Текст] / М. Е. Кузин, Т. Нахди, Е. В. Киста-нова, М. В. Пронин, А. Г. Воронцов // Известия СПБГЭТУ “ЛЭТИ” - СПб., 2011. Вып. 7 -

С. 88-95.

6. Нахди. Т. Исследование высокочастотных параметров частота о-регулируемых асинхронных двигателей [Текст] / Т. Нахди, А. С. Ватаев // Научно-технические ведомости СПбГПУ- СПб., 2011. Вып. 3. - С. 38-41.

Другие статьи и материалы конференций:

7. Нахди Т. Преимущества и недостатки многотактпо-многоуровневых преобразователей частоты в ГАЭС [Текст] / М. В. Пронин, А. Г. Воронцов, Т. Нахди // 1-я международная научно-практическая конференция “Научные и технические средства обеспечения энергосбережения и энергоэффективности в экономике РФ” / СПБГПУ, 2011, С. 43-48.

8. Нахди Т. Высшие временные гармоники напряжения в системе полупроводниковый преобразователь с ШИМ - асинхронизированный генератор-двигатель в гидроаккумулирующих электростанциях [Текст] // Международная научно-методическая конференция “Высокие интеллектуальные технологии и инновации в национальных исследовательских” СПБГПУ, 2011, С. 46-49.

9. Нахди Т. Совместимость преобразователей частоты с машинами двойного питания [Текст] / М. В. Пронин, А. Г. Воронцов, Т. Нахди // 9-й международный симпозиум и выставка по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, ЭМС-2011 СПБГЭТУ, 2011, С. 56-59.

10. Nahdi Т. Analysis of Operating Modes of Asynchronised Machines for Pumped-storage Power Plants (Анализ режимов работы асинхронных машин в гидроаккумулирующих электростанциях) [Текст] / М. Pronin, A. Vorontsov, Т. Nahdi // Proceedings of the TEF.F. Russia. North West Section, Vol. 1,2011, P. 51-53.

11. Nahdi T. Modelling of the Multistage-multilevel Active frequency Converter by a

Method of the interconnected Subcircuits (Моделирование многотактно-многоуровневого активного преобразователя частоты методом взаимосвязанных подсхем) [Текст] / М. Pronin, A. Vorontsov, Т. Nahdi, М. Kouzin // Proceedings of the IEEE Russia. North West Section, Vol. 2,2011, P. 35-38. .

12. Nahdi T. A Double-Fed Induction Machine with a Multistage-Multilevel Frequency Converter for Pumped Storage Power Plant Applications (Машина двойного питания с много-тактно-многоуровневым преобразователем частоты для применения в гидроаккумулирующих электростанциях) [Текст] / М. Pronin, О. Shonin, A. Vorontsov, G. Gogolev // PEAM 2011, Proceedings of IEEE Power Engineering and Automation Conference. Vol. 1, 2011, P 221, Wuhan, China.

Подписано в печать 10.01.12. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 2.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ “ЛЭТИ”

Издательство СПбГЭТУ “ЛЭТИ” 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

61 12-5/1432

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Моделирование и разработка систем с машинами двойного питания и активными многоуровневыми преобразователями частоты

Специальность 05.09.03 - "Электротехнические

комплексы и системы"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Нахди Тарек

Научный руководитель: доктор технических наук, Пронин М. В.

Санкт-Петербург - 2012 год

Список сокращений

АВ - активный выпрямитель;

АГ - асинхронный генератор;

АГД - асинхронизированный генератор-двигатель;

АД - асинхронный двигатель;

АИН - автономный инвертор напряжения;

АМПЧ - активный многоуровневый преобразователь частоты;

ВВГ - высшие временные гармоники;

ВЧП - высокочастотные параметры;

ВЧЭМП - высокочастотные электромагнитные процессы;

ГАЭС - гидроаккумулирующая электростанция;

ДН - датчик напряжения;

ДПР - датчик положения ротора;

ДТ - датчик тока;

ДЧ - датчик частоты вращения;

ЗУ - защитное устройство;

КПД - коэффициент полезного действия;

МДП - машина двойного питания;

ММПЧ - многотактно-многоуровневый преобразователь частоты;

НПЧ - преобразователь частоты с непосредственной связью;

ПП - полупроводниковый преобразователь;

ПУ - пусковое электронное устройство;

ПЧ - преобразователь частоты;

РН - регулятор напряжения;

РТ - регулятор тока;

РЧ - регулятор частоты вращения;

СГ - синхронный генератор;

СГД - синхронный генератор-двигатель;

СД - синхронный двигатель;

СМ - синхронная машина;

СУ - система управления;

ТТТИМ широтно-импульсная модуляция

ЭВМ - электронная вычислительная машина;

ЭДС - электродвижущая сила;

ЭМС - электромагнитная совместимость;

ЭМТС - электромеханотронная система;

ЭЭС - электроэнергетическая система.

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ7

ГЛАВА 1 ЭЛЕКТРОМЕХАНОТРОННЫЕ СИСТЕМЫ С МАШИНАМИ

ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ....................................................................................16

§1.1 Особенности систем с машинами двойного питания.................................16

§ 1.2 Электротехнические комплексы и системы с машинами

двойного питания.............................................................................................17

$ 1.2.1 Электроприводы насосов с МДП..............................................................18

§ 1.2.2 Электроприводы вентиляторов шахт с МДП.........................................18

§ 1.2.3 Электроприводы конвейеров....................................................................19

§ 1.2.4 Ветроэлектрические установки..............................................................20

§ 1.2.5 Гидроаккумулирующие электростанции..................................................21

§1.2.6 Приливные электростанции....................................................................23

§ 1.3 Типы преобразователей частоты в цепи ротора МДП...................................24

§ 1.4 Анализ работ по моделированию и исследованию

электромеханотронных систем......................................................................28

§ 1.5 Выводы по главе 1.............................................................................................35

ГЛАВА 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭМТС С МДП И АКТИВНЫМИ

МНОГОУРОВНЕВЫМИ ПЧ.............................................................................36

§ 2.1 Постановка задачи моделирования ЭМТС с МДП.......................................36

§ 2.2 Моделирование ЭМТС по взаимосвязанным подсистемам.......................36

§ 2.3 Модель асинхронной машины с фазным ротором........................................39

§ 2.4 Модель активного многотактно-многоуровневого ПЧ..............................42

§ 2.5 Модель полупроводникового пускового устройства.................................49

§ 2.6 Модель защитного устройства (ЗУ)...............................................................50

§ 2.7 Модель СУ комплекса МДП и АМПЧ в ГАЭС.................................................51

§ 2.8 Особенности СУ ММПЧ как элемента СУ ГАЭС.......'....................................56

§2.9 МОДЕЛИ ММПЧ И Г АЭС в ЦЕЛ ом.......................................................................60

§2.10 Быстродействие моделей ММПЧ, разработанных в МатЬав и по

методологии моделирования систем по подсистемам...............................64

§2.11 Выводы по главе 2.............................................................................................66

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ГАЭС С АГД И

АКТИВНЫМИ МНОГОУРОВНЕВЫМИ ПЧ..................................................67

§ 3.1 Постановка задач.............................................................................................67

§3.2 Исследование режимов работы ГАЭС с ММПЧ и АГД..................................67

§3.2.1 Исходные данные......................................................................................67

§3.2.2 Режим пуска АГД.....................................................................................68

§ 3.2.3 Регулирование частоты вращения АГД...................................................69

§3.2.4 Установившийся режим работы АГД.....................................................72

§3.2.5 Неравномерность нагрузки элементов ММПЧ........................................73

§3.2.6 Выравнивание нагрузки оборудования ММПЧ..........................................76

§ 3.3 Сравнение схем ГАЭС с ММПЧ с различными типами активных

ПЧ в цепи ротора АГД.......................................................................................80

§3.3.1 Сравнение вариантов ГАЭС с АГД и ПЧ по основным

характеристикам.....................................................................................80

§3.3.2 Сравнение вариантов ГАЭС с АГД и ПЧ по высшим временным

гармоникам токов и напряжений.............................................................88

§3.4 Выводы по главе 3.............................................................................................95

ГЛАВА 4 ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В МДП С ПЧ В ЦЕПИ

РОТОРА..............................................................................................................97

§4.1 Исходные положения.......................................................................................97

§ 4.2 Эквивалентные схемы замещения трехфазной роторной обмотки

МДП.....................................................................................................................98

§ 4.3 Высокочастотные параметры МДП..............................................................100

§4.3.1 Экспериментальное исследование входных ВЧП...................................103

§ 4.3.2 Методика определения первичных ВЧП.................................................113

§ 4.4 Исследование высокочастотных электромагнитных процессов

в системе ПЧ-обмотка ротора мдп..............................................................118

§ 4.4.1 Исследование перенапряжений..............................................................120

§4.4.2 Резонансные явления..............................................................................125

§4.5 методика расчета высокочастотных потерь в МДП..................................129

§4.6 ВЫВОДЫ ПО главе 4...........................................................................................131

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 132

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................................134

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.......................................................................................148

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.......................................................................................156

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.......................................................................................161

Введение

Высокая стоимость энергоносителей и ожидаемое ее увеличение приводят к необходимости повышения КПД оборудования, эффективного использования источников энергии [110]. В этом отношении большое значение имеет применение частотно-регулируемых электроприводов и систем, к которым можно отнести электромеханотронные системы (ЭМТС) с машинами двойного питания (МДП) [18], [21], [103], [124],

[139] и полупроводниковыми преобразователями частоты (ПЧ) в цепи ротора [12], [50], [99]. В ряде случаев эти машины называют также асинхронными машинами с фазным ротором или асинхронизированными машинами или генераторами-двигателями (АГД) [17], [18], [103], [104].

МДП применяются в электроприводах вентиляторов, насосов [115], [124], в ветроэлектрических установках [115], [117], [126], в гидроакку-мулирующих (ГАЭС) и приливных (ПЭС) электростанциях [11], [95], [111], в электроприводах вентиляторов главного проветривания шахт

[140] и в других ЭМТС. В ГАЭС мощность МДП достигает сотен МВт [95], [111], [112], в ветроэлектрических установках типичны мощности 2-8 МВт [115], [124]. Активная мощность ПЧ в цепи роторов МДП достигает десятков МВт. В ГАЭС Голдисталь мощность агрегатов около 330 МВт, а мощность ПЧ в цепи ротора составляет 100 МВА [86], [84].

Значительный вклад в теорию МДП внесли ученые России, в частности, специалисты ВНИИЭ - Ботвинник М. М. [18], Мамиконянц JL Г. [73], Шакарян Ю. Г. [103], [104], Лабунец И. А. [36], [70], [71] и др. Многие идеи создания систем с МДП реализованы на практике. В настоящее время на ряде электростанций России внедрены асинхронизированные турбогенераторы и компенсаторы реактивной мощности [72] с устройствами, обеспечивающими их работу (системы возбуждения, тиристорные пусковые устройства) [44]. Большое участие в создании этих систем приняли специалисты ОАО "Силовые машины" Пинчук Н. Д., Кади-Оглы И.

А. и др., специалисты НТЦ электроэнергетики и других предприятий [37], [44], [45], [104].

Работы по МДП базируются на общей теории электрических машин, над которой трудились многие специалисты - Важнов А. И. [20], Вольдек А. И. [21], Горев А. А. [29], Данилевич Я. Б. [31], [32], Домбровский В. В. [42], [43], Ермолин Н. П. [48], Иванов-Смоленский А. В. [51], Казовский Е. Я. [65], Костенко М. П. [62], Лютер Р. А. [67], Хуторецкий Г. М. [102], Копылов И. П. [66], Беспалов В. Я. [14] и др.

При создании ЭМТС с контактными МДП большое влияние на характеристики систем оказывают ПЧ в цепи ротора. В ряде ЭМТС используются ПЧ со звеном постоянного тока с диодным выпрямителем и зависимым тиристорным инвертором [3], [74], [78]. В таких системах через ПЧ возможна передача электроэнергии от ротора в электросеть.

Во многих ЭМТС с МДП используются ПЧ с непосредственной связью (НПЧ) [111], [112]. Через НПЧ энергия может передаваться в двух направлениях, что позволяет изменять знак скольжения ротора и расширить диапазон регулирования скорости. Коэффициент мощности НПЧ в таких системах порядка 0,3-0,5. Поэтому габариты, масса и стоимость НПЧ и согласующего трансформатора велики. Кроме того, НПЧ существенно искажают токи на входе и выходе.

В разработке теории ПП и систем с ПП участвовали многие специалисты России - Нейман Л. Р., Глинтерник С. Р., Емельянов А. В. [77], Глебов И. А. [28], Бернштейн И. Я. [12], Жемеров Г. Г. [49], Глазенко Т. А. [30], Булгаков А. А. [19], Ефимов И. Г. [47], Ковчин С. А. [55], Сабинин Ю. А. [97], Сарбатов Р. С. [99], Сидельников Б. В. [98], Козярук А. Е. [54], Рудаков В. В. [94], Слежановский О. В. [100], Башарин А. В. [5], Соколовский Г. Г. [96], Шрейнер Р. Т. [108], [109], Зиновьев Г. С. [50], Ефимов А. А. [47], Дмитриев Б. Ф. [35], [44] и др.

В настоящее время в связи с широким применением полностью управляемых полупроводниковых приборов (IGBT, GTO, GCT) возможно выполнение ПЧ с лучшими характеристиками [83]-[87], [120], [123]. Мощность ПЧ и трансформаторов в ЭМТС может быть уменьшена в несколько раз [84], [86]. В цепи ротора МДП могут быть использованы двухуровневые, трехуровневые, многоуровневые, каскадные, многотакт-ные, многотактно-многоуровневые, матричные ПЧ [101], [107], [109], [135], ПЧ с "плавающими" конденсаторами [84], [86], [87].

Режимы работы ЭМТС с МДП и современными ПЧ, а также задачи их создании в технической литературе описаны [81], [115], [116], [117], но недостаточно. Во многих публикациях предлагается использовать в цепи ротора МДП двухуровневые и трехуровневые схемы ПЧ [111], [112]. Отсутствуют детальные исследования многих перспективных схем -ЭМТС с каскадными, с многотактно-многоуровневыми ПЧ. Отсутствует сравнительный анализ ПЧ разных типов.

Еще одна проблема создания рассматриваемых ЭМТС заключается в том, что в этих системах мощные электрические машины работают совместно с мощными ПЧ. В обмотках роторов МДП, кроме основных составляющих токов, создаются "паразитные" составляющие. В их состав входят канонические гармоники, субгармоники, постоянные составляющие. Эти составляющие создают в МДП дополнительные потери энергии, вибрации, перенапряжения, воздействуют на изоляцию, усложняют процессы регулирования. Высокочастотные электромагнитные процессы (ВЧЭМП) в системах с ПЧ и электрическими машинами рассматриваются в технической литературе [47], [52], [53], [59], [68], [69]. Однако в исследуемых в данной работе ЭМТС с МДП предполагается работа ПЧ в цепи ротора в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ), обмотка ротора и ПЧ во многих случаях имеют большую мощность и сравнительно высокое напряжение.

Экспериментальные исследования перенапряжений в обмотках электрических машин при волновых процессах выполнены Петровым Г. Н. и Абрамовым А. И. [80]. Позднее опубликованы труды Люлько В. А. [68], [69], а затем книга Базуткина В. В. [2] и книги и статьи Каганова 3. Г. с учениками [52], [53]. В работах Беспалова В. Я. и Зверева К. Н. [13], а затем в трудах Коськина Ю. П. [59], [60] были опубликованы материалы, подтвержающие актуальность исследования ВЧЭМП и параметров электрических машин, совмещенных с ПП. Однако исследования ВЧЭМП, возникающих в ЭМТС при использовании ПЧ с ШИМ в цепи ротора отсутствуют.

Исследования ЭМТС выполняются обычно на компьютерных моделях и экспериментально. На начальном этапе работ по созданию новых мощных ЭМТС преимущество имеет компьютерное моделирование. В этом направлении ВУЗЫ и предприятия России имеют значительные наработки. Большой вклад в разработку методов моделирования и комплексов моделей ЭМТС внесли Нейман Л. Р., Демирчян К. С., Буты-рин П. А., Коровкин Н. В. [33], [34], Плахтына Е. Г. [79], Козярук А. Е. [54], Шрейнер Р. Т. [106], Ефимов А. А. [47], Пронин М. В. [83], [85], Ко-ротков Б. А., Попков Е. Н. [56] и др.

С учетом изложенного и в связи с существующими планами создания современных ЭМТС с МДП предприятиями России, следует считать актуальными разработку и исследования ЭМТС с МДП и активными многоуровневыми ПЧ, анализ электромагнитных и электромеханических процессов в этих системах на основе компьютерного моделирования, анализ взаимодействия ПЧ и МДП на повышенных частотах.

Обьект исследований - ЭМТС с МДП и активными многоуровневыми ПЧ.

Предмет исследований - схемы ЭМТС, алгоритмы управления, электромагнитные и электромеханические процессы, высокочастотные электромагнитные процессы.

Цель работы - разработка структур, алгоритмов управления и моделей ЭМТС с МДП и активными многоуровневыми ПЧ, выработка рекомендаций для их создания.

Для достижения указанной цели решаются следующие задачи:

1. Разрабатываются структуры ЭМТС с МДП и активными ПЧ.

2. Разрабатываются алгоритмы управления ЭМТС с МДП и многоуровневыми ПЧ.

3. Создаются комплексы моделей ЭМТС с МДП и активными многоуровневыми ПЧ.

4. Выполняется анализ режимов работы ЭМТС с МДП и ПЧ.

5. Исследуются высокочастотные параметры ВЧП и ВЧЭМП в ЭМТС с МДП и ПЧ.

6. Сравниваются варианты ЭМТС с МДП и активными ПЧ.

7. Разрабатываются рекомендации по структуре и параметрам систем.

Методы исследований: методы расчета электрических цепей, теория

электрических машин, полупроводниковых преобразователей, электропривода, автоматического регулирования, методы моделирования ЭМТС по взаимосвязанным подсистемам, методы численного решения систем уравнений, методы гармонического анализа, эксперименты.

Научная новизна:

1. Разработан оригинальный комплекс математических моделей элек-тромеханотронных систем с машинами двойного питания, многотактно-многоуровневыми активными преобразователями частоты в цепи ротора с выпрямителями и инверторами, многообмоточными трансформаторами, защитными и пусковыми устройствами, системами управления.

2. .Выявлены особенности систем с машинами двойного питания, активными многотактно-многоуровневыми преобразователями частоты и многообмоточными трансформаторами - вторичные обмотки трансформатора и преобразовательные мосты выпрямителя нагружаются неравномерно. Неравномерность увеличивается при уменьшении скольжения машины и снижении напряжения обмотки ротора. Для оптимизации распределения нагрузки предложено выполнять вторичные обмотки трансформатора на различную номинальную мощность, стабилизировать коэффициент модуляции инверторов, вводить в напряжения инверторов составляющие нулевой последовательности.

3. Разработана методика определения высокочастотных параметров схем замещения обмоток статора и ротора машин двойного питания -предложены схемы измерений, определены функции вычисления параметров схем замещения и установлено, что продольная емкость катушек значительно больше поперечной. Разработана методика оценки дополнительных потерь энергии, возникающих из-за искажений напряжений.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Комплекс математических моделей, включающий в себя модели многотактно-многоуровневых активных преобразователей частоты различных уровней, а также модели систем с машинами двойного питания, указанными преобразователями, трансформаторами, пусковыми и защитными устройствами, устройствами управления.

2. Результаты исследований систем с машиной двойного питания, активными многотактно-многоуровневым преобразователями частоты и многообмоточными трансформаторами, заключающиеся в выявлении неравномерности нагрузки элементов систем, во введении понятия неравномерности нагрузки.

3. Обоснование нового способа выравнивания нагрузки элементов системы с машиной двойного питания и многотактно-многоуровневым

ПЧ, заключающегося во введении в напряжения инверторов составляющих нулевой последовательности.

4. Методика определения высокочастотных параметров обмоток машин двойного питания, отличающаяся дополнительными экспериментами и математической обработкой результатов измерений, а также методика оценки дополнительных потерь энергии в машинах из-за искажений напряжений преобразователями.

Научная це