автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Система управления асинхронным генератором автономной энергоустановки в рабочих и аварийных режимах

,ГБ ОА

г':и •■""Г".

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

.КУЗЬМИН Михаил Анатольевич

СИСТЕМА УПРАВЛЕЮ'Л АСИНХРОННЫМ ГЕНЕРАТОРОМ АВТОНОМНОЙ " ЭНЕРГОУСТАНОВКИ В РАБОЧИХ И АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ

Специальность 05.09. 03 -

Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород, 1994

Работа выполнена в Институте электродинамики АН Украины, г. Киев.

Научный руководитель - доктор теляических наук, профессор

Лищенко А. И.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Титов ЕГ.

- кандидат технических наук Сыирнова ЕЕ

Ведуцэе предприятие - ЦКБ ИТ "Рубин", г. Санкт-Петербург.

Защита состоится "У" ОКТяБр& 1994 г. , в часов в ауд. N 4258 на заседании диссерг .данного совета К 063. 85.06 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Нижегородском государств-;шом техническом университете (603600, ГСП-41, г. Нижний Нэвгород, ул. Минина, 24).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета.

Автореферат разослан " " СвНТлЬр& 1994 г.

Ученый секретарь Е Е Соколов

диссертационного совета ¡ — '

К. Т.Н., С. Н.С. ^

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие различных отраслей техники приводит к повышению требований, предъявляемых к параметрам автономных источников электроэнергии. Важное место среди них занимают энергоустановки переменного тока средней и большой мощности. В некоторых областях их применения особое значение придается качеству выходного напряжения источника, его надежности при работе в нормальных и аварийных режимах, а также другим эксплуатационным характеристи' -л. Учитывая, что резервы дальнейшего совершенствования энергоустановок на базе синхронных генераторов, доминирующих в настоящее время, во многом исчерпаны, складываются условия для расширения сферы использования альтернативных им генераторов - асинхронных. Предпосылками для этого являются такие их положительные качества, как простая и надежная конструкция, малые массогабариты, хорошая форма кривой напряжения, устойчивость, параллельной работы с другим источником, пониженная пожароопасность и т. д. - „

Сложившиеся научные школы и отдельные исследователи значительно продвинулись в разработке теории асинхронного генератора, его экспериментальном изучении и конструировании систем управления. Тем не менее, в настоящее время практическое применение этих генераторов в основном ограничивается авиацией, где повышенная частота бортовой сети даёт значительный выигрыш в массогабаритах источника, работой с нетребовательными к качеству электроэнергии потребителями (сельхозинструмент, выпрямители, нагреватели и т. п.)» а также использованием в крупных сетях для параллельной работы с синхронными генераторами.

Реализация на базе асинхронного генератора автономной энергоустановки с высокими показателями качества электроэнергии я надежности связана с решением целого комплекса задач. Одной из наиболее важных является создание эффективной системы управления, при построении .которой учитывались бы свойства данной электрической малины, характеристики''возможных потребителей и применяв' мого первичного двигателя, а также требования, предъявляемые к энергоустановке в целом. Разработке этой проблемы и посвящена настоящая работа, в которой использованы результаты исследований, проводимых в 1988-1993 годах в Опытном конструкторском бюро мают-ностроения (СККМ). г. Нижний Новгород, и Институте электродинамики С ИЭД) АН Украины, г. Киев.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка системы автоматического управления асинхронным генератором для автономных энергоустановок средней мощности с улучшенными по качеству электроэнергии и надежности характеристиками, что включает в себя ее концептуальную и структурную компоновку, формирование рабочих алгоритмов, программную реализацию для расчета на ЭВМ, а также проведение комплекса экспериментальных исследований.

Для достижения поставленной цели автором решены следующие задачи:

- проведен анализ возможных способов регулирования напряжения и частоты тока автономного асинхронного генератора и, исходя из заданных условий, выбраны оптимальные базовые варианты;

- рассмотрены^ конкретные схемы построения силовой части

- системы управления и обоснованы рекомендации по их использованию;

- обобщены и проанализированы экспериментальные данные, полученные при исследовании асинхронного генератора (номинальной -мощностью 250кВг) с разработанными ранее в ГОД и ОКБМ локальными системами управления;

- предложены технические решения по структурной компоновке к формированию алгоритмов работы аналого-цифровой системы автоматического управления асинхронным генератором;

- проведены экспериментальные исследования-асинхронного ге~

- нератора (-номинальной мощностью 750кВг) с аналого-цифровой системой управления; .

- разработана и программно реализована математическая модель аналого-цифровой системы управления, входящая в общую математическую модель автономной энергосистемы с асинхронным генератором.

Методы исследования. В работе применялись:, теоретические методы исследования с использованием элементов линейной алгебры и операционного исчисления, физическое моделирование на экспериментальных стендах, а также математическое моделирование на ЭВМ.

Научная новизна. Новизна полученных результатов состоит в следующем:

- предложены концепция построения аналого-цифровой системы автоматического управления асинхронным генератором, ее структурная схема и алгоритмы работы, позволяющие синтезировать автономный источник электроэнергии с высоким! показателями качества выходного напряжения и надежности;

- предложен новый алгоритм подключения к сети секций конденсаторной батареи, позволявший при сохранении быстродействия системы управления, улучшить показатели ее работы в квазиустано-вившемся режиме;

- разработана и программно реализована математическая модель аналого-цифровой системы управления, учитывающая несимметрию процесса регулирования и импульсный режим работы ее физического аналога;

- исследования асинхронных генераторов с различными системами управления проведены на опытных энергоустановках, основные технические характеристики которых соответствуют реально применяющимся автономным источникам электроэнергии средней мощности, что придает дополнительную ценность полученным экспериментальным материалам.

Практическая ценность. Физическая и математическая модели созданной системы управления асинхронным генератором входят в качестве важных составных частей в единый исследовательский комплекс. Эксплуатация их с учетом уме полученных положительных результатов, конкретизирующих направление исследований, позволяет завершить синтез и оптимизацию автономного источника электроэнергии с улучшенными по ряду важных показателей качествами.

Реализация результатов работа Результаты работы использованы в ОКБМ (.г. Нижний Новгород) при исследовании экспериментальной энергоустановки с асинхронным генератором, номинальной мощностью 750кВт.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались . и 'обе у вдались на научно-технических семинарах "Совершенствование судовых и автономных электромеханических систем" (Севастополь, 1990 г.) и "Нетрадиционные электромеханические преобразователи с компьютерным управлением" (Севастополь, 1S91 г.), а также на научных семинарах отдела бесконтактных электрических машин ИЭД АН Украины в 1990-1993 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 150 стр. основного текста, 56 стр. иллюстраций, б таблиц, 131 наименование используемой литературы, 73 стр. приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, определены цель и задачи исследования, перечислены основные научные и практические результаты работы, а также положения, выносимые автором на зашиту, приведены ссылки на авторов и источники используемого материала.

В первой главе рассмотрены требования к качеству электроэнергии, надежности, массогаОаритам и другим характеристикам ответственных автономных энергоустановок средней и большой мощности. С учетом необходимости их выполнения проведен анализ особенностей асинхронного генератора (АГ), его достоинств и недостатков в сравнении с традиционно применяющимся генератором -синхронным. Отмечено, что простота и надежность конструкции, малые масса и габариты (без учета системы возбуждения), пониженная по^ароопасностг;, способность обеспечивать высокое качество напряжения и устойчивость параллельной работы нескольких источников, присущие асинхронному генератору, могут иметь решающее значение при использовании его в автономных энергоустановках с улучшенными по ряду этих важных показателей характеристиками.

Проведены анализ и классификация основных существующих способов возбуждения и регулирования напряжения АГ. Определено, что схема с секционированной конденсаторной батареей (КБ) является .наиболее перспективной, если источник электроэнергии имеет среднюю или большую мощность, а на качество электроэнергии обращается особое внимание. Это обусловлено тем, что в данном случае диапазон регулирования реактивной моидаости принципиально не ограничен, а сама система возбуждения не только не вносит искажений в форму крисой напряжения генератора, но и выступает в качестве фильтра высших гармоник тока потребителей. Использование ти-ристорных ключей для подключения к сети секций конденсаторной батареи и цифрового устройства в качестве блока управления позволяет достичь высокого быстродействия и реализовать алгоритм управления практически любой сложности. При этом для повышения точности стабилизации величины напряжения и уменьшения числа секций КБ целесообразно осуществлять дополнительное плавное регулирование емкостного тока в небольшом диапазоне.

Проведены анализ и классификация возможных методов регулирования частоты тока автономного источника электроэнергии на базе асинхронного генератора. Сделан вывод, что схема с использованием

секционированной балластной нагрузки (БН) позволяет не только обеспечить необходимое качество стабилизации электрической частоты, но и исключить необходимость маневрирования первичным двигателем во время переходных процессов, вызванных коммутацией потребителей. Данная схема принципиально применима для источников электроэнергии любой мощности, имеет высокое быстродействие и не вносит дополнительных искажений в форму кривой напряжения. Кроме того, использование ее для регулирования частоты, а секционированной конденсаторной батареи - для регулирования величины напряжения асинхронного генератора, делает возможным создание функционально полной системы управления с единой концепцией построения силовых регуляторов.

Во второй главе рассматривается построение аналого-цифровой системы управления асинхронным генератором (АЦСУ). Синтез АЦСУ .проведен на основании особенностей АГ как объекта управления, выбранной конструкции силовых регуляторов,- возможных режимов работы энергоустановки ■ и необходимости обеспечения требуемого качества электроэнергии. В его основу также заложен опыт, полученный при экспериментальных исследованиях двух локальных систем управления, разработанных ранее в ИЭД и ОКБМ.

На рис. 1 изображена блок-схема автономного источника электроэнергии на базе асинхронного генератора Ее основные структурные единицы: асинхронный генератор (АГ), паровая турбина (ИТ) в качестве первичного двигателя, аналого-цифровая система управления (АЦСУ), система регулирования частоты вращения ротора (СРЧ), устройство генераторного намагничивания (УГН).

Силовая часть АЦСУ состоит из нерегулируемой батареи начального возбуждения (БНВ), двух блоков дискретного регулирования (БДР« и БДР^), а также блока плавного регулирования (БПР$).

БДРв представляет собой конденсаторную батарею, разделенную на пять секций с весовыми коэффициентами емкости 1:2: 4:8:8, которые подключаются к сети генератора через неполнофазный диодно-ти-. рисгорный ключ, см. рис. 2а Данная схема ключа представляется наиболее целесообразной при построении системы управления для гене- • раторез средней мощности, когда необходимо коммутировать секции КБ без экстратоков. Имея наиболее простую конструкцию и алгоритм управления, она позволяет предварительно подзаряжать конденсаторы перед включением. В качестве БПР^ используется трехфазный ти-ристорно-управляемый реактор, см. рис. 26, максимальная реактивная (индуктивная) проводимость которого в 2 раза превышает реактивную

Рис. 1. Блок-схема автономного источника электроэнергии на базе асинхронного генератора.

Рис.2. Силовые регуляторы АЦСУ (а - се.сция КБ; б - БПР<; в - секция БН).

(емкостную) проводимость младшей секции БДЕ$.

БДР^ представляет собой активную балластную нагрузку, секционированную по величине проводимости также в соотношении 1:2:4:8:8. Трехфазные секции подключаются к сети АГ через непол-нофазный тиристорно-тиристорный ключ, см. рис. 2в. Применение БПР$ не является необходимым и предусмотрено только в качестве возможного с целью синтеза симметричной и функционально полной системы управления.

■ Работа АГ характеризуется балансом проводимостей:

Sr + L+l* = 0 , дг + $н + дв = 0 , а)

где &г , 8н> 8&> ,- соответственно реактивная и активная проводимости генератора, нагрузки и балласта (чтобы обеспечить единый подход к построению АЦСУ, БДР.$ и БПР$ рассматриваются как реактивный балласт, а ВДРу - как активный).

Учтено, что малая постоянная времени асинхронного генератора в сумме с его малой перегрузочной способностью по реактивной нагрузке накладывают очень жесткие требования на быстродействие системы управления, особенно по каналу регулирования напряжения. Управляющее (£е) и возмущающее (8н) воздействия практически не влияют на частоту jг, что позволяет строить управление напряжением и частотой АГ независимо друг от друга. При этом влияние на АГ управляющих (-¿Б.фв) и возмущающих ( , воздействий осуществляется по цепи статора, т. е. по одному каналу. Последнее . обстоятельство делает возможным.не только создание системы управления с требуемым быстродействием, но и осуществление регулирования в функции возмущающего воздействия, что вносит в работу системы элемент прогнозирования изменения управляемых параметров. .

При неизменной мощности первичного, двигателя, задача стабилизации управляемых параметров - напряжения (¡Л-) и частоты (/г) генератора решается стабилизацией 8г и Qr , а значит.пропорциональной компенсацией изменений проводимостей нагрузки-.

где ¿г -const и -const .

Управление балластом по этому закону, т. е. в функции возмущающего воздействия, обеспечивает отсутствие переходного процесса изменения Ur и jV при изменении ён и Jh. Однако, учитывая, что реальные передаточные функции измерительных преобразователей, силовых регуляторов и других звеньев АЦСУ вносят задержки и погрешности в передаваемые сигналы, управление балластом должно осу:

ществляться таю© и в' функции управляемых параметров. При использовании пропорционально-интегрально-дифференциального (ПВД) закона регулирования по управляемым параметрам и пропорционального -по возыущаюпуш воздействиям, законы изменений проводимостей балласта выглядят следующим образом:

= \^ГУ*срЛ-&Г \л/ит№-ёиМипшНИз.-игЛ'^и}1Уу> и^ккиТе , (3)

где Мм,Ми- передаточные функции датчиков напряжения (ДН) и частоты (передаточные функции измерительного преобразователя реактивной и активной проводимости«

-т^Гр+^р- передаточные функции ПИД-регуляторов по напряжению и частоте; 0 , //(Т»р+{) - передаточные функции каналов измерения ёг и §г; \а/иср! , Мисрг передаточные функции устройств сопряжения с регуляторами 5б и $в (УСР1 и УСР2); и^« , У/рз - передаточные функции силовых регуляторов ¿б и дв; Уз , /з - заданные величины напряжения и частоты АГ; Уг , Уд - сигналы управления реактивным и активным балластом..

Наличие апериодических звеньев V/? и У/з в каналах измерения проводимостей генератора позволяет с одной стороны производить компенсацию быстрых изменений и фи при стабилизированных значениях измеренных величин 8г и дг , ас другой - не препятствует медленным изменениям -&г и §г при регулировании мощности АГ со стороны первичного двигателя.

Функцией УСР1 является выработка сигнала количества подключенных ступеней КБ - Ме , а также сигнала управления ЕПР* -Л/г« , что осуществляется по следующему алгоритму:

Г если . У*/£гМ«Н и М«<23 , то = ;

] если У«/€гЛЫ-/ и Ме>0 , то ЛЛ*=М«-1 ; (5)

1м« = 0,5-(4-У*/&+М) ;

где 04 - реактивная проводимость младшей секции КБ.

Таким образом, согласование дискретного и плавного силовых регуляторов осуществлено путем алгоритмического использования последнего для остаточной компенсации. Частота пересчета намного выше частоты /г , что обеспечивает параллельный принцйп изменения числа подключенных ступеней КБ.

По такому же принципу в УСР2 осуществляется формирование сигнала количества подключенных ступеней БН - :

("если и Мг<23 , то Мд = М} + У ; (6)

"[если к Мд>0 , то Мщ-М?-! ;

где §( - активная проводимость младшей секции ВН.

БДР{ из сигнала М< формирует пятизначный код подключения секций КБ, а также обеспечивает подачу на тиристоры синхроимпульсов в соответствии с условиями бестоковой коммутации емкостей. БДР} также пересчитывает сигнал в код подключения секций БН и подает на тиристоры импульсы включения, синхронизированные с соответствующими фазными напряжениями.

БПР$ при изменении сигнала Мв в диапазоне С 0; 13 меняет угол открытия тиристоров от 0* до 90*. Проводимость дросселя при этом уменьшается с максимального значения до нуля.

Управление балластом в функции выходных параметров и

стабилизация величины активной проводимости генератора (дг) исключают необходимость маневрирования первичным двигателем во время переходных процессов', вызванных изменением проводимости нагрузки. Поэтому управление величиной открытия парового клапана (X ) осуществляется локальной системой регулирования частоты вращения ротора (СРЧ) только в переходных режимах изменения мощности первичного двигателя,- т.е. при введении энергоустановки в рабочий режим или выведении из него. При включении регуляторов СРЧ в состав АЦСУ, ее можно рассматривать как функционально полную комбинированную САУ автономным асинхронным генератором.

В третьей главе проведен анализ результатов экспериментальных исследований двух герметичных асинхронных генераторов.

Для управления одним из них, мощностью 250кВг, использовалась система возбуждения и автоматического регулирования напряжения (СВАРН), а также система стабилизации нагрузки (ССН). Разработанные ранее в ИЭД и ОКЕМ, они явлюгся предшественницами АЦСУ и при иных законах .управления используют аналогичные силовые регуляторы.

Обоснованность применения КБ и БН для регулирования выходных параметров генератора подтверждается следующими показателями качества электроэнергии, зафиксированными в квазиустановившемся режиме его работы:

- коэффициент амплитудной низкочастотной модуляции напряжения АГ составляет 0.2%. (максимально допустимый - 27.);

- коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжении не превышает 1. 3% (максимально допустимый - 1.5Х) в режиме холостого хода и 1.62 (максимально допустимый - Г>%) при работе Яй неискажающую нагрузку;

- коэффициент небаланса линейных напряжений генератора «".годится в диапазоне 0.21*0. 32Х при холостом ходе и 0*0.53% при ра-

боте с симметричной нагрузкой различной мощности (по одним нормативам допускается 3%, а по другим, более жестким - соответственно 0. 2% и 0.5%).

Определены резервы уменьшения величины коэффициента небаланса, которого можно добиться путем применения для возбуждения трехфазных конденсаторов с большей степенью симметрии параметров (допустимый разброс междуфазных емкостей использовавшихся конденсаторов - 102), а также использованием плавного регулятора величины напряжения и в целях его симметрирования. ,

Установлено, что СВАРН обеспечивает требуемую точность стабилизации напряжения в квазиустановившихся режимах работы АГ, режимах коммутации статических Я и !?-Ь нагрузок, режиме отключения двигательной нагрузки соизмеримой мощности, а также при пуске асинхронных двигателей (АД), номинальная мощность которых не превышает 9.2Х от номинальной мощности генератора (Рг). Ограничение провала напряжения при пуске более мощного электродвигателя возможно только .-при уменьшении времени реакции СВАРН (составляет 4 периода напряжения) и переходе от последовательного принципа набора ступеней КБ к параллельному.

Еключение АГ на параллельную работу с другим источником характеризуется практически полным отсутствием переходного процесса при точности синхронизации 20', и кратковременным отклонением напряжения на -25% при включении источников в противофазе.

Исследования асинхронного генератора, номинальной мощностью 750кВг, проводились с АЦСУ, имеющей следующие основные параметры силовых регуляторов: реактивная мощность БНВ - 2б8кВАр; общая реактивная мощность секций КБ - 1541кВАр (младшая секция - Б7кВАр);. общая активная мощность секций БН - 414кВт (младшая секция -18кВг); реактивная мощность БПР$ - 135кВАр.

Установлено, что АЦСУ обеспечивает необходимое качество поддержания частоты АГ ъ квазиустановившихся (1 0.27.) и переходных {максимальная- величина отклонения - 27.) режимах его работы.

Кваэнустаиовившаяся работа АГ характеризуется также и высокой точностью поддержшшя заданной величины напряжения, отклонение которого составляет не более О. II, а небаланс не превышает 0.Основной вклад в стабилизацию напряжения вносит БПР<, от-(?уь'п<;<-? которого даже при малой загрузке ЛГ (до 300кВт) приводит к модуляции напряжения со значительной амплитудой, а при дальнейшем клгрул^нии АГ, нарастание амплитуды колебаний делает систему неработоспособной.

Отклонение напряжения при коммутации статической рг-Ь нагрузки, номинальная мощность которой не превышает запас активного балласта (например --33% от Рг), составляет не более 1.5%.

Увеличенное, по сравнению со СВАРН, быстродействие АЦСУ (1И.5 периода напряжения) позволяет производить прямой пуск от АГ электродвигателей гораздо большей относительной мощности (22.7Х от Рг), провал напряжения при котором близок, но не превышает максимально допустимые 20%, см. рис. 3. Сравнение переходных режимов работы АГ с аналогичными режимами работы синхронного генератора близкой мощности (Рг=800кБг) позволяет сделать вывод, что при наличии быстродействующей и эффективной системы управления, асинхронный генератор способен конкурировать с синхронным в том числе и ао качеству переходных процессов при пусках мощных АД, обеспечивая его без использования дополнительной токоограни-чивающей аппаратуры.

При определенных условиях квазиусгановившаяся работа АГ га второй половине своего диапазона мощности может сопровождаться широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) емкости КБ, что приводит к увеличению небаланса напряжений и фазных токов генератора. На основании анализа причин возникновения ШИМ-регулирования при работе АЦСУ, разработан новый алгоритм подключения к сети секций конденсаторной батареи. Он позволяет за счет отхода от унификации их построения (одинаковзя глухоподключенная и приоритетная фазы для всех секций) уменьшить более чем в 2 раза максимальную величину "выбросов" реактивной мощности КБ, см. рис. 4, возмущающих систему и приводящих к ее нештатному функционированию. При этом сохраняются такие важные качества АЦСУ, как бестоковая коммутация секций КБ и небольшое их количество, а также параллельный принцип набора ступеней силового регулятора и быстродействие, необходимые для обеспечения переходных режимов работы энергоустановки.

Основные количественные и качественные показатели режимов короткого замыкания, полученные в результате исследования обоих генераторов близки. Кратность ударных токов генератора.(по отношению к номинальному значению) составляет от Б. 1 тб. 8 при 3-х Фазных коротких замыканиях (КЗ) на шинах АГ в режиме холостого хода до 1.3*1.5 при 2-х фазных КЗ в удаленной от шин генератора точ.ке и работе на нагрузку, причем время спадания токов КЗ до ноуин-чл:-.-ной величины составляет 0. 08-Ю. Зс. дальнейшее, после снятил УГ\ возбуждение генератора (или'его размагничивание) ан-у.пит от хч-рактера, месторасположения и длительности КЗ, а так/я от •..•/•л-

г T.

X-Tlz-MZ

Рис.3. Прямой пуск асинхронного двигателя (Рн=1?0кВг) от асинхронного генератора (Рг-750кВт).

8 <2 /6 го Ш

б

Рис.4. Кратковременные относительные отклонения проводимости КБ от необходимого значения при последовательном уменьшении А/»< (а - старый алгоритм; б - новый алгоритм).

+)$')

()#'&)#'(+#$&+#$'+$$()+$'(%*$'(+$

01100408110904070809040809090307080904070609040708090403

ров питаемой нагрузки.

В четвертой главе предложена математическая модель автономной энергосистемы, включаюпэя в себя математическое описание всех основных ее структурных элементов: асинхронного генератора, статической R-L нагрузки, АЦСУ, паровой турбины и СРЧ.

Отмечено, что метод математического моделирования с последующим расчетом на ЭВМ различных режимов работы позволяет оценить работоспособность как всей энергоустановки, так и отдельных ее элементов, а также провести расчетно-теоретический анализ влияния конфигурации системы управления на качество электроэнергии. Кроме того, при построении источника электроэнергии на базе асинхронного генератора и АЦСУ, математическое моделирование является единственно возможным достоверным способом теоретического исследования устойчивости энергосистемы, так как нелинейность характеристик АГ, использование цифровой техники, имеющей импульсный режим работы, последовательная коммутация по фазам секций конденсаторной батареи, длительность которой сравнима с величиной постоянной времени генератора по напряжению, не позволяют эффективно использовать другие методы исследования устойчивости систем.

При математическом описании АГ, в качестве объекта моделирования рассматривается герметичная асинхронная-машна с трехфазным статором и короткозамкнутым ротором, учет насыщения которой проводится по рабочему потоку взаимоиндукции. Уравнения генератора записаны в преобразованной трехфазной системе координат с заторможенным ротором (система АВСаБс), выбор которой обусловлен несимметричностью переходных процессов при работе АЦСУ.

Математическая модель АЦСУ с необходимой для расчета достоверностью воспроизводит функционирование своего физического аналога, что позволяет изучить влияние алгоритма работы каждого составляющего реальную систему блока на качество регулирования и провести его оптимизацию. Кроме описывающих алгоритм работы АЦСУ уравнений, в нее входят следующие логические блоки: формирования матриц синхроимпульсов, связанных с фазными напряжениями (FU(K)), а также токами генератора (FIG(K)) и нагрузки (FIN(K)); вычисления длительности периода напряжения, углов сдвига тока генератора Yr и нагрузки выборки величины измеренного напряжения генератора Ur; формирования кода подключения секций КБ и ЕН; определения переключающих функций тиристоров и коэффициентов включения (Jas секций КБ и БН.

Уравнения, олисывагсщиё алгоритм функционирования СРЧ и ими-

тирующие -работу- турбины, дополняют математические модели АГ, АЦСУ и нагрузки, делая общую систему алгебро-дифференциально-логических уравнений замкнутой.

Программная реализация математической модели автономной энергосистемы выполнена на алгоритмическом языке FORTRAN и предусматривает возможность оперативного ввода исходных значений и установочных величин, позволяющих осущэствить ее привязку к конкретной энергоустановке и ее исходному состоянию.

Проведенные расчеты подтверждают корректность подходов и допущений, использованных при построении математической модели.

В приложениях приведены описание конструктивного исполнения блока управления АЦСУ, - дополнительные материалы экспериментальных исследований, программа расчета на ЭВМ математической модели автономной энергоустановки, а также документы, подтверждающие внедрение.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Экспериментально установлено, что асинхронный генератор (АГ), управление выходными параметрами которого осуществляется посредством секционированной конденсаторной батареи (дополненной относительно небольшим блоком плавного регулирования реактивной мощности) и секционированной балластной нагрузки, способен обеспечить высокое качество электроэнергии в квазиустановившихся режимах работа Это обусловлено как свойствами самой машины, так и используемыми силовыми регуляторами. Кроме того, существуют резервы уменьшения коэффициента небаланса линейных напряжений путем их симметрирования уже имеющимся блоком плавного регулирования.

2. Выбранные алгоритмы управления силовыми регуляторами позволим синтезировать аналого-цифровую систему автоматического управления (АЦСУ) АГ. Формирование управляющих сигналов осуществляется в функции воамуиэпцих воздействий и регулируемых параметров. Существующая при этом некоторая избыточность используемой информации способствует повышению надежности системы, допуская ее работу в неполной конфигурации, а также делает возможной ее адаптацию к сильным и .слабым возмущающим воздействиям. Структура АЦСУ может быть расширена за счет применения блока плавного регулирования активной мощности балласта и включения в ее состав регуляторов частоты врадения первичного двигателя.

а Разработанная аналого-цифровая система управления позво-

ляет обеспечивать необходимую точность стабилизации электрической частоты АГ без изменения мощности первичного двигателя при коммутации любых нагрузок в пределах имеющегося активного балласта. Ее быстродействие (1Н.5 периода напряжения) делает возможным проведение прямого пуска асинхронных двигателей САД), мощность которых близка к максимально возможной для энергоустановок данного класса, что является наиболее тяжелым для асинхронного генератора режимом. Провал напряжения при этом не превышает предельно допустимые 20X и близок к соответствующему показателю переходного процесса пуска АД такой же относительной мощности от синхронного генератора

4. Предложенный алгоритм подключения к сети секций конденсаторной батареи позволяет уменьшить за счет самокомпенсации более чем в 2 раза максимальные флуктуации возбуждающей реактнрной мощности, возможные при последовательном изменении числа ступеней дискретного регулятора в квазиустановившемся режиме и вызванные необходимостью соблюдения условий бестоковой коммутации. Снижение величины внутренних возмущающих воздействий способствует поеют-нию устойчивости работы АЦСУ во всем диапазоне мощности АГ, исключая опасность входа ее в нештатный режим широтно-импульсной модуляции емкости.

5. Опыты по проведению режимов короткого замыкания (КЗ) генератора подтвердили его относительную пожаробезопасность, чему способствует ограничение кратности максимальных ударных токов (в зависимости от характера КЗ) диапазоном 1.3^0.8 от номинального значения, и котор»: спадает до номинальной величины за 0. 03-:-0. Зе. Данное положительное свойство асинхронного генератора, тем не менее, должно дополняться быстродействующей селективной системой отключения поврежденного участка сети.

0. Отданная математическая модель автономной электроэнергетической системы на базе АГ, паровой турбины в качестве перьичнг*-го двигателя и функционально полной системы автоматического управления, а также ее программная реализация, позволяют рассматривать основной ряд переходных и квазиуегановивЕихся рмямов работы энергоустановки с учетом динамических характеристик входясих в Нее элементов.

' ПУБЖКЛШШ ПО ТЕМЕ ТГ/ССЕРТАЦЙИ 1. Пет танин ичкота асинхронного генератора и его систем: Ст чет

по ОКР/ ОКБ Машиностроения. -N гос. per. Я33076. -1988. -67с.

2. Испытания макета а синхронного генератора и его систем: Отчет по ОКР (2 этап)/ ОКБ Машиностроения. -N гос. per.Я33076.-1989. -125с.

3. Лесик К. Е. , Кузьмин М. А. Принципы построения системы автоматического управления асинхронным турбогенератором автономной энергоустановки для рабочих и аварийных режимов// Тез. докл. сем. "Соверш-энстЕование судовых и автономных электромех. систем", Севастополь, 4-6-окт. 1990. -Севастополь: СВВМИУ, 1930. -с. 58.

4. Лесник В. А. , Лесик Н. Е. , Кузьмин М. А. Экспериментальные исследования макетного образца асинхронного генератора автономной энергоустановки// Tea. докл. сем. "Совершенствование судовых и автономных электромех. систем", Севастополь, 4-6 окт. -1990. -Севастополь: СВВМИУ, 1990. -с. 65.

5. Лесик ti. Е. , Фзренкн A. Í1 , Нузьмин М. А, Применение системы автоматического регулирования на базе управляющей ЭВМ в автономной энергоустановке с асинхронными генераторами// Тез. докл. сем. "Нетрадиционные электромеханические преобразователи с компьютерным управлением", Севастополь, 11-13 июля 1991. -Севастополь: СВВМИУ, 1991. -с. 43.

6. Разработка и проведение режимных исследований автономных асинхронных турбогенераторов и систем их возбуждения: Отчет о Н*1Р (заключит.)/ Институт электродинамики АН УССР (ИЗД АН УССР); Руководитель Ливденко А. И. -Hhb.N 02910032696. -1991. -oS5c.

7. Лищенко А. К., "Хоренюк А. П , Кузьмин М. А. Математическая модель судовой энергетической установки на базе асинхронного генератора с емкостным возбуждением и аналого-цифровой системой упрньл-нкл// Техническая электродинамика. -1993. -N1. -с. 4Э-53.

уклчд артг-рч. В работах, написанных в соавторстве, аыс;ом г.роьедены сС-об'^ние и 'анализ полученных в ходе экспериментальных кссле-овлний материалов ti,2,4,61, предложены технически ]ч-~-нил по структурной компоновке системы управления С 3.53, рлграГ-сганз ее математическая мс-дель [71.