автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Регулирование судовых генераторных агрегатов по мгновенным значениям параметров режимов

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

БОНДАРЕНКО

Александр Евгеньевич

На правах рукописи

РЕГУЛИРОВАНИЕ СУДОВЫХ ГЕНЕРАТОРНЫХ АГРЕГАТОВ ПО МГНОВЕННЫМ ЗНАЧЕНИЯМ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМОВ

05.09.03 — электротехнические комплексы и системы, включая их управления и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1992

Работа выполнена на кафедре электротехники и электрооборудования судов Государственного морского технического университета г. Санкт-Петербурга.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

ВИЛЕСОВ Д. В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ЦЕЛЕМЕЦКИИ В. А.; кандидат технических наук, с. н. с. МАРКОВ А. Е.

Ведущее предприятие Военно-морская академия им. Н. Г. Кузнецова.

Защита диссертации состоится АУ^} Я ¡992 г

в 4часов в ауд. убМй^, ^^^^а заседании специализированного совета Д053.23.02 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Государственном морском техническом университете (190008, г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д. 3).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГМТУ г. Санкт-Петербурга.

Автореферат разослан « 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета Д053.23.02 канд. техн. наук, доцент ДИДЕНКО В. Ф.

Общая характеристика, работы

Актуальность темы. В настоящее время в судовой электроэнергетике используются принципы управления и диагностирования состояния электроэнергетической системы (ЭЗС), исторически сложившиеся с развитием теории линейных и нелинейных цепей, теории синхронной машины и т.д. Эти принципы позволяют получать информацию о энергетических параметрах ЭХ по средним, среднеквадратичным значениям мгновенных величин тока, напряжения, мощности. Это обстоятельство, во-первых, не дает возможности непрерывного контроля за энергетическими параметрами, во-вторых, определяет многокритериальный подход к оценке кондиционности напряжения трехфазной системы, в-третьих, обуславливает сложность программного обеспечения микропроцессорных систем управления и защиты ЭЭС. Для разрешения этих противоречий необходимы информативные, безынерционные, непрерывные во времени энергетические параметры, характеризующие состояние трехфазной ЭЭС, или обобщенные параметры. Исторически такие обобщенные параметры использовались при расчетах динамики элементов ЭХ, это: изображающие вектора тока, напряжения, мгновенная мощность. Частично изображающие вектора тока, потокосцепления, начали использоваться в начале 80-х годов для целей управления асинхронными электроприводами. Однако для автономной трехфазной ЭХ необходимо выяснить насколько обобщенные параметры и их производные информативны на практике и могут быть использованы для целей управления и регулирования.

В силу этих причин вопрос о возможности практического использования мгновенных обобщенных параметров является актуальным.

Цель и основные задачи работы. Целью настоящей работы является определение возможности и целесообразности регулирования судовых генераторных агрегатов по мгновенным значениям параметров режимов. Из поставленной целы вытекают следующие задачи:

- оценка информативности модуля изображающего вектора напряжения (МИВН1 трехфазной системы для описания качества напряжения;

- исследование динамических и статистических характеристик СГ с АРБ, стабилизирующим напряжение по модулю изображающего вектора напряжения трехфазной системы;

- оценка информативности модуля изображающего вектора тока (МИВТ) трехфазной системы для описания режимов ЭХ;

- оценка эффективности энергообмена в трехфазной ЭХ по соотношению мгновенной трехфазной мощности и модулей изображающих векторов напряжения и тока.

Предмет исследования в диссертации составляют мгновенные значения параметров состояния трехфазных электроэнергетических систем и оценка способов и целесообразности их использования в целях управления судовыми генераторными агрегатами.

Методика исследований. При исследовании использовались методы физического моделирования ЭХ и систем управления и диагностирования, методы теории автоматического управления, метод описания ЭХ через обобщенные параметры.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Разработана и предложена непрерывная, однокритери-альная оценка качества мгновенного значения напряжения трехфазной системы.

2. Теоретически обоснована и зкспириментально доказана целесообразность использования МИВН и МИВТ для оценки критического, аварийного состояния трехфазной ЭХ.

3. Разработан принцип стабилизации напряжения трехфазной ЭХ с использованием МИШ.

4. Предложен критерий оценки эффективности энергообмена в трехфазной ЭХ.

5. Выполнены исследования мгновенных и усредненных значений параметров состояния в квазиустановившихся и переходных режимах ЭХ, при одиночной и параллельной работе СГ без уравнительных связей.

Практическая ценность.

Результаты -исследований данной работы позволяют:

- предложить для практического использования однокрите-

риальную сменку кондиционности напряжения по мгновенным значениям напряжений всех трех фаз;

- создавать системы управления и диагностирования автономной ЭХ с использованием мгновенных комплексных параметров;

- осуществлять непрерывную оценку энергетических параметров трехфазной ЭЭС с целью повышения их эффективности.

Реализация работы. Разработаны и изготовлены АРВ СГ с использованием МИВН в качестве стабилизируемой величины, обеспечивающие параллельную работу СГ без уравнительной связи, согласно договору мевду Государственным морским техническим университетом и Военно-морской академией им.Н.Г.Кузнецова по теме: "Совершенствование систем возбуждения морских синхронных генераторов". Результаты работы использованы в учебном процессе каф. № 36 ВМА и каф.Э и ЭОС ГМТУ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-тех-' нической конференции "Электромагнитная совместимость судовых технических средств" (г.Новороссийск, НВШУ, сентябрь 1990 г.), на научно-техническом семинаре "Обеспечение электромагнитной совместимости технических средств, используемых в народном хозяйстве Москвы" в рамках Всесоюзной конференции АН СССР "Современные проблемы информатики, вычислительной техники и автоматизации" (г.Москва, апрель г.), на Всесоюзном научно-техническом совещании "Состояние и проблемы развития систем автономного энергоснабжения-" (г.Суздаль, ЛВВИСУ, сентябрь 1991 г.), на выездном заседании научного семинара "САПР устройств автоматики с цифровыми процессами обработки сигналов для А^ЭС" (г.Москва, ВЗПП, ноябрь 1991 г.), на Всесоюзном симпозиуме "Проблемы электромагнитной совместимости технических средств" (г.Суздаль, декабрь 19У1 г.).

Публикации. Ссновное содержание работы отражено в четырех печатных работах.

Структура л объем ¿иссерта::;:к. Диссертационная работа состоит из введения, ляги глаз, заключения, списка литерагу-

ры из 62 наименований и приложения. Содержит 100 машинописных страниц основного текста и 61 рисунок.

Получение оперативной, достоверной информации о процессах, происходящих в ЭХ, является важным звеном в процессе управления, регулирования и защиты ЭХ. Существующие принципы управления трехфазных ЭХ основываются на информации, получаемой с помощью средних, среднеквадратичных значений мгновенных энергетических величин: напряжения, тока, мощности, т.е. являются многомерными. Одной из важны* задач управления ЭЭУ является обеспечение требуемого качества электроэнергии, что валено как для надежной и безопасной работы всего технического комплекса судна, так и для нормального функционирования управляющих систем судна. В связи с этим встает вопрос о мгновенной оценке кондиционности трехфазного напряжения автономной ЭХ. Существующий принцип оценки качестве напряжения основывается на ряде показателей, определяемых ГОСТом 13109-67, которые не могут быть использованы для мгновенной оценки кондиционности трехфазного напряжения. ¿ля этой цели целесообразно использовать обобщенную величину для трех фазных напряжений - модуль изображающего вектора напряжения (МИВН) трехфазной системы, определяемый по формуле:

Содержание работы

где Ууц - МИВН;

3 С- ~ мгновенные фазные напряжения. Критерий качества напряжения трехфазной системы можно сформулировать следующим образом:

к2-

1Г1

где 1/д/ - квадрат номинального МИВН;

Ду^у - допустимая величина отклонения МИВН от номинальной величины. Необходимо отметить, что при идеальном качестве напряжения приведенная разность равна 0.

При низкочастотной модуляции трехфазного дапряжения МИВН

равен

где К^ - коэффициент модуляции; - частота модуляции; ЬУ - частота сети. При возникновении асимметрии напряжений фаз МИВН равен

-/г "уг ь

где А - коэффициент асимметрии;

- фаза напряжения смешения.

На рис.1 показан ч осциллограммы МИВН для случая низкочастотной модуляции трехфазного напряжения (а) и при включении несимметричнбй активной нагрузки (б).

При возникновении асимметрии, наличие переменной составляющей 2ЬТ в величине ьяадрата МИВН является симптомом асимметрии напряжений -¡аз.

Для оценки алериодшеских искажений можно воспользоваться выражением

НА ^ ■+ 1/Чн,

О 4 2 С 4

а) г--

Рис.1. Осциллограммы МИВН: а - при низкочастотной модуляции трехфазного напряжения; б - при включении несимметричной активной нагрузки

ис =

где (Г - произвольной закономерности функции времени, например двухэкспотенциальная импульсная функция, описывающая в относительных единицах наибольшее из фазных апериодическое искажение напряжение,

тогда

На рис.2 показано апериодическое искажение напряжения.

лштмрлтммт

91г.

Рис.2. Осциллограмма МИВН и фазного напряжения при апериодическом искажении напряжения, вызванного пуском асинхронного двигателя от СГ

В квазиустановившемся режиме искажения напряжений фаз высокочастотными составляющим!; при симметричном по фазам напряжении основной частоты МИВН может быть представлен в следующем виде:

/'/ г г г., от? 1,2- г л

(и,= «нсА + ^ - А"^ );

о

где /(//£ - коэффициент несинусоидальности фазного напряжения.

На рис.3 показана статическая характеристика датчика

0

0,6

Шщ «

&

0,1

Я

¿0.07.90

0 5 М 20 У. 25

Кнс->—

Рис.3,-Статическая характеристика датчика коэффициента несинусоидальности трехфазного напряжения

Закономерности изменения МИВН рассмотрены выше, при характерных искажениях напряжения трехфазной системы, указывают на высокую информативность этой величины и на целесообразность ее использования в практических целях, включая задача нормирования качества напряжения.

Логично использовать МИВН для целей стабилизации трехфазного напряжения, причем проведенные экспериментальные исследования систем стабилизации напряжения с использованием МИВН подтвердили возможность получения высоких показателей процесса регулирования в установившихся режимах. Так например точность стабилизации напряжения составила менее 0,2% от Ином.

Обобщенная величина для фазных токов модуль изображающего вектора тока (МИВТ) также может характеризовать некоторые параметры качества электроэнергии трехфазной системы, в частности при асимметрии фазных токов МИВТ равен

V? vvГ

где Д^ - коэффициент асимметрии фазных токов; - фаза тока смещения.

При несинусоидальности фазных токов

0

где ^ЧС.1 - коэффициент несинусоидальности фазного тока; Ту - действующее значение тока основной гармоники;

Ка рис.4 показаны осциллограммы М113Н при нелинейной и несимметричной нагрузке.

ае

10

I*

•л 0

ДА/" УДАЛ ЛАД/ ЛЛА

/н

V V V ММ.90г.

Г

и

о

■/о

20 мс 40

1 -—

ае.

0

£

Ш4.30Г.

/О

йО

мс

40

Рис.4. Осциллограммы МВТ: а - трехфазной системы при нелинейной нагрузке; <5 - несимметрич.-юй нагрузке

Аналитические и экспериментальные исследования показаг-лк, что МИВТ трехфазной системы не зависит от фазы включения нагрузки, а определяется МИВН и подключаемой нагрузкой. Броски тока также могут быть зафиксированы с помощью МИВТ, поэтому целесообразно использовать ЫИВТ в системах сбора и обработки информации, а также в системах максимально-токовой защиты, что позволяет диагностировать короткие замыкания на первой стадии процесса.

Использование обобщенных параметров позволяет по новому рассмотреть вопрос о эффективности знергообмена в трехфазной ЭЭС при нелинейной нагрузке. Мгновенную эффективность энергообмена будем рассматривать в следующем виде:

3- .

где

ш - коэффициент эффективности энергообмена; р - мгновенная трехфазная мощность.

Таким образом коэффициент эффективности энергообмена определяет мгновенную эффективность энергопотока в различному потребителю.

Коэффициент эффективности энергообыена может быть использован в системах компенсации реактивной мощности, в этом случае

" . . Д» •

где "¿д - фазный ток Я -го генератора, работающего в параллель.

На рис.5 показаны осциллограммы при различных

видах нагрузки.

Как было выяснено ранее стабилизация напряжения по МИВН обеспечивает астатическую внешнюо характеристику синхронного генератора (СГ). Введение небольшой коррекции по МИВТ соз-

Рис,5. Осциллограммы фазного напряжения я коэффициента эффективности знергообмена при нелинейной трехфазной нагрузке*

дает етатическуи внешнюю характеристику СГ, что делает цоз-можным параллельную работу СГ без уравнительных связей. На рис.6 показана функциональная схема автоматического регулятора возбуждения (АРВ) СГ с коррекцией по МШТ. На рис.7 показаны результаты экспериментального распределения нагрузки между параллельно работающими СГ при различной настройке регуляторов (вариант I, вариант 2'1.

Аналогично можно решить задачу распределения моментов на валу генераторных агрегатов, создав искусственную регуля-торную характеристику с помощью коррекция по сигналу мгновенной мощности.

Применение алгоритмов управления ЭЭС с использованием обобщающих параметров определило необходимость математического описания элементов ЭЭС в этих обобщающих параметрах. Полученные системы уравнений имеют меньше число уравнений, чем системы уравнений в осях сС , ^ . Применение обобщающих параметров обеспечивает олеративность в получении информации о состоянии ЗЭС, о качестве электроэнергии, а также позволяет создавать оригинальные, отличающиеся простотой системы стабилизации напряжения, частоты, допускающие параллельную работу без уравнительных связей.

Основные результаты работы заключаются з следующем:

1. Используемые в настоящее время параметры трехфазных ЭХ для оценки состояния системы не дают совокупно!": для всех трех фаз, непрерывной во времени информации о режиме работы системы.

2. Выявлено, что мгновенные значения основных параметров состояния трехфазной системы (СЭЭС) могут быть описаны:

- модулем изображающего вектора напряжения (МИШ);

- модулем изображающего вектора тока (МИБТ);

- мгновенной мощностью системы.

3. Отклонения МИВН от номинальной величины в статических и динамических режимах может использоваться как единый параметр для оценки любых напряжений качества напряжения гр-зхфазной системы.

4. Задача повышения качества напряжения в трехфазной эквивалентна задаче стабилизации МИШ.

Рис.4. йунхциональная схема АРВ с коррекцией по МИВТ

у,

ае.

№

сг± А-СГЯ ан.зь

Здрнвнт У

0,50 о,е 4,0 2-

Рис.5. Результаты ^экспериментально!' распределения нагрузки между параллельно раГ-отавщии СГ при раз-

ной настройке ДРВ (вариант I,

•¿г

5. МВТ трехфазной системы позволяет непрерывно контролировать основные возмудения в динамических и статических режимах ЭХ.. На использовании этого может быть построен безынерционный чувствительный элемент максимально-токовой защиты.

6. Разработаны схемы стабилизации трехфазного напряже-. ния СГ с линейными внешними характеристиками с мальм статиэ-

мом, обеспечивающие параллельную работу СГ без уравнительных связей.

7. Предложен критерий эффективности энергообмена в ЭХ, обеспечивающий безынерционный и непрерывный контроль процесса генерирования и распределение электроэнергии в системе.

8. Разработана математическая модель элементов ЭХ в предложенных обобщающих переменных состояния.

9. Информативные обобщающие параметры о состоянии и режиме автономной ЭХ могут быть использованы в системах сбора и обработки информации.

10. Разработа11ные и изготовленные системы стабилизации напряжения СГ просты по структуре и конструктивному исполнению и внедрены в учебны" процесс кафедр Электротехники и Электрооборудование судов ГМТУ и '*> 36 BMA им.Н.Г.Кузнецова.

Публикации по теме диссертационной работы. I. БОНДАРЕНКО А.Е., ВЖЕСОВ Д.В. Оценка качества напряжения электроэнергетических систем// Всесоюзная научно-техническая конференция "Современные проблемы информатики, вычислительной техники и автоматизации": Тез.докл. М., 1991. С.45.

г. ВИЛЗСОВ Д.В., БОНДАРЕНКО а.е. Оценка качества напряжения судовых электроэнергетических систем по модулю изображающего вектора напряжения// Всесоюзная научно-техническая конференция "Электромагнитная совместимость судовых технических средств": Тез.докл. Л., 1990. C.I76. 3. Совершенствование систем'возбуждения морских синхронных генераторов. Отчет по теме НИР-3642.' Инв. номер 26089. Исполнители: Вилесов Д.В., Бондаренко А.Е. BMA иыЛ.Г.Куэ-нецова. Л., 1991. С.51.

4. ЕИЛВСОВ Д.В., БСНДАРЕНКО А..Е. Параметры возмущений трехфазных систем потребления электроэнергии// Всесоюзный симпозиум "Проблемы электромагнитной совместимости технических средств". Тез.докл. Суздаль, 1991. С.28.

Зак.Р-89. Тир.ВС. Уч.-иэд.л.1. 25.C2.I992. ППО "Пегас". Лоцманская, 10.