авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Судовая валогенераторная установка на основе машины двойного питания

Харитонычев Михаил Юрьевич АВТОНОМНАЯ СУДОВАЯ ВАЛОГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА НА ОСНОВЕ МАШИНЫ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Нижний Новгород – 2007 Работа выполнена на кафедре "Электротехника и электрооборудова ние объектов водного транспорта" Волжской государственной академии водного транспорта (г. Нижний Новгород).

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Хватов Олег Станиславович Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор Онищенко Георгий Борисович – кандидат технических наук Третьяков Андрей Олегович Ведущая организация – ОАО КБ «Вымпел» (г. Нижний Новгород) Защита состоится “ 2 ” марта 2007 г. в 14 часов в аудитории № на заседании диссертационного совета Д 212.165.02 в Нижегородском го сударственном техническом университете (603950, ГСП – 41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета.

Автореферат разослан “ ” января 2007 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Одним из перспективных направлений раз вития малой энергетики является энергообеспечение автономных объек тов, например, таких как морские и речные суда. В качестве основных ис точников электроэнергии на судах используются дизель-генераторные аг регаты, число и мощность которых определяется назначением судна и ре жимами его работы. Однако, малые моторесурсы быстроходных двигате лей внутреннего сгорания, применяемых в качестве первичных двигателей генераторов на судовых электростанциях и относительно высокая их стои мость обусловливают большие амортизационные отчисления.

Основным по продолжительности режимом работы большинства су дов является ходовой режим. Различие во внешних характеристиках дви жителя (гребного винта) и главного двигателя приводит к тому, что прак тически во всем диапазоне скоростей хода судна на валу главного двигате ля существует избыточная мощность, составляющая около 10 - 12 % мощ ности главного двигателя. Использование этой избыточной мощности для выработки электроэнергии перспективно, так как позволяет сберегать мо торесурс дизель-генераторов, использовать для получения электроэнергии более дешевые сорта топлива, а также повысить надежность и экономич ность судовой энергетической установки.

Концепция использования генераторов отбора мощности или валоге нераторных установок (ВГУ) известна с середины прошлого века. При раз работке и создании ВГУ перед разработчиками возникает проблема полу чения стабильных параметров вырабатываемой электроэнергии ВГУ (ам плитуды (U1) и частоты (f1) напряжения) при переменных, в зависимости от ходового режима, скорости вращения вала главного двигателя ( = var) и нагрузки в судовой электросети.

Стабилизация U1 и f1 может быть осуществлена двумя способами:

механическим (дифференциальные редукторы, гидромеханические уст ройства) и электрическим (преобразователи частоты (ПЧ). Оба способа обеспечивают необходимое качество вырабатываемой электроэнергии, од нако, второй, отличающийся простотой механической части, наиболее приемлем для малой и средней мощности (до 1500 кВт). В этом случае ВГУ может быть реализована на основе синхронного генератора (СГ) или асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором (АГ c КЗ). В обоих вариантах вся активная мощность от движителя в нагрузку поступает через статор СГ или АГ c КЗ. При использовании преобразователей частоты в цепи статора генераторов, ПЧ должны выбираться на полную мощность нагрузки.

Новый этап в разработке ВГУ связан с использованием машины двойного питания (МДП). В этом случае в качестве генератора использует ся асинхронная машина с фазным ротором (АГ c ФР). Благодаря хорошим регулировочным возможностям МДП занимает равноправное место в ряду альтернативных ВГУ, а по некоторым показателям имеет существенные преимущества. Вариант ВГУ на основе МДП (МДП-генератор) особенно перспективен при широком диапазоне изменения скорости вращения вала движителя (2:1 и более), когда к мощности, генерируемой через статор, добавляется значительная составляющая мощности скольжения, генери руемая через ПЧ. Глубокие научные и практические исследования в облас ти МДП-генераторов выполнены М.М. Ботвинником, Ю.Г. Шакаряном, Г.Б. Онищенко, А.С. Сандлером, С.В. Хватовым, В.Г. Титовым, О.С. Хва товым и др. учеными. Отметим также работы зарубежных ученых: А. Pe tersson, W. Hofmann, А. Hughes, M. Heller, J. Corda, P. Edvardsen, M. Yama moto, O. Motoyoshi и др.

Анализ существующих на данный момент исследований показывает, что автономная работа МДП-генератора изучена недостаточно. Недоста точно исследованы вопросы влияния секционированности источника реак тивной мощности (ИРМ), диапазона изменения частоты вращения вала, величины и характера нагрузки на установленную мощность элементов оборудования и эксплуатационные показатели автономного МДП генератора. Недостаточно исследованы вопросы моделирования и анализа динамических режимов автономного МДП-генератора для различных ва риантов реализации САР (с использованием неадаптивных регуляторов и FUZZY-регуляторов).

Учитывая вышеизложенное, целью настоящей диссертационной работы является исследование стационарных и динамических режимов судовой валогенераторной установки на основе машины двойного пита ния, работающей в автономном режиме при широком диапазоне изменения скорости вращения вала главного двигателя.





Цель работы определяет следующие задачи исследования:

1. Исследование стационарных процессов автономного МДП генератора при условии максимального использования АГ по активной мощности. Расчет и выбор элементов оборудования, оценка основных экс плутационных показателей в зависимости от параметров нагрузки и режи ма работы МДП-генератора.

2. Обоснование влияния секционированности ИРМ и диапазона из менения частоты вращения вала МДП-генератора на установленную мощ ность преобразователя частоты.

3. Разработка математической модели динамических режимов авто номного МДП-генератора. Синтез неадаптивной САР стабилизации ам плитуды и частоты выходного напряжения МДП-генератора.

4. Разработка и синтез двухканальной САР стабилизации амплиту ды и частоты выходного напряжения автономного МДП-генератора, реа лизованной на базе аппарата нечеткой логики (FUZZY-логика).

5. Сравнительный анализ динамических режимов автономного МДП-генератора для двух вариантов реализации САР (с неадаптивными регуляторами и FUZZY-регуляторами).

6. Разработка и создание экспериментальной установки автономно го МДП-генератора мощностью 5,5 кВт.

Методы исследования. В работе использованы методы аналитиче ской теории электрических машин переменного тока, полупроводниковых преобразователей и систем автоматического управления. Использовалось математическое моделирование на ПЭВМ и экспериментальные исследо вания на физической модели (лабораторный макет мощностью 5,5 кВт).

Расчет экономических показателей проводился по методике Project Expert 7.0.

Связь темы диссертации с научно-техническими программами Работа выполнялась в рамках:

• единого заказ – наряда Минобразования РФ по теме «Разработка основ теории и проектирования генераторных агрегатов переменной ско рости вращения» (валогенераторы, ветро- и гидрогенераторы, нагрузочные генераторы);

• научно-технического договора "Разработка судовой валогенера торной установки стабильной амплитуды и частоты выходного напряже ния" между ОАО «Нижегородский порт» (г. Нижний Новгород) и Волж ской государственной академией водного транспорта (г. Нижний Новго род) на период 2004 – 2006 г.;

• региональной программы «Использование местных, нетрадици онных и возобновляемых энергоресурсов на период 2001 – 2010 г. в Ниже городской области».

Научная новизна. Основные научные результаты работы заключа ются в следующем:

1. Проведены исследования стационарных процессов автономного МДП-генератора при условии максимального использования АГ по актив ной мощности, позволяющие осуществлять расчет и выбор элементов обо рудования, а также производить оценку основных эксплутационных пока зателей в зависимости от параметров нагрузки и режима работы МДП генератора.

2. Обосновано влияние секционированности ИРМ и диапазона из менения частоты вращения вала МДП-генератора на установленную мощ ность преобразователя частоты.

3. Разработана математическая модель динамических режимов ав тономного МДП-генератора. Для рассматриваемой модели синтезирована и реализована неадаптивная САР стабилизации амплитуды и частоты вы ходного напряжения.

4. Синтезирована двухканальная САР стабилизации амплитуды и частоты выходного напряжения автономного МДП-генератора, реализо ванная на базе аппарата нечеткой логики (FUZZY-логика).

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработана методика расчета стационарных процессов автоном ного МДП-генератора при условии максимального использования АГ по активной мощности.

2. Проведен сравнительный анализ динамических режимов авто номного МДП-генератора для двух вариантов реализации САР (с неадап тивными регуляторами и FUZZY-регуляторами).

3. В научно-исследовательской лаборатории «Электроприводы пе ременного тока» кафедры «Электропривод и автоматика промышленных установок» Нижегородского государственного технического университета (НГТУ) создан макетный образец энергетического комплекса на базе МДП-генератора мощностью 5,5 кВт, работающий в автономном режиме.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы:

1. При создании концепции развития судовых ВГУ в ОАО «Ниже городский порт» (г. Нижний Новгород).

2. В учебном процессе при подготовке в Волжской государственной академии водного транспорта (ВГАВТ) (г. Нижний Новгород) инженеров специальности 24.06.00 «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики» по дисциплине «Основы судового электропривода» в разделах «Статические и динамические режимы судового электропривода переменного тока с полупроводниковыми преобразователями», по дисцип лине «Моделирование судового электрооборудования и средств автомати зации» в разделе «Судовой автоматизированный электропривод перемен ного тока» (асинхронные вентильные каскады и машины двойного пита ния);

в курсовом проектировании по дисциплине «Основы судового элек тропривода» и дипломного проектировании.

3. В учебном процессе Нижегородского государственного техниче ского университета (НГТУ) (г. Нижний Новгород) при подготовке инжене ров и магистров специальностей 14.06.04 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» по курсам «Теория электропривода», «Моделирование электромеханических систем» и 14.06.08 «Электрооборудование и автоматика судов» по курсу «Судовые электроэнергетические установки».

В работе автор защищает:

1. Методику расчета стационарных процессов автономного МДП генератора при условии максимального использования АГ по активной мощности, позволяющую осуществлять расчет и выбор элементов обору дования, а также производить оценку основных эксплутационных показа телей в зависимости от параметров нагрузки и режима работы МДП.

2. Результаты влияния секционированности ИРМ и диапазона изме нения частоты вращения вала МДП-генератора на установленную мощ ность преобразователя частоты.

3. Математическую модель динамических режимов автономного МДП-генератора. Структуру САР автономного МДП-генератора (с неадап тивными регуляторами и FUZZY-регуляторами).

4. Результаты сравнительного анализа динамических режимов ав тономного МДП-генератора для двух вариантов реализации САР (с не адаптивными регуляторами и FUZZY-регуляторами).

Публикация и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе получен патент на полезную модель.

Основные положения, результаты и выводы диссертационной рабо ты были доложены и обсуждены на следующих научно - технических кон ференциях:

• научно - техническая конференция профессорско преподавательского состава аспирантов и специалистов «ТРАНСПОРТ ХХI ВЕК». Н.Новгород, ВГАВТ, 2003;

• III Всероссийская молодежная научно-техническая конференция «Будущее технической науки». Н.Новгород, НГТУ, 2004;

• ежегодные региональные научно-технические конференции «Ак туальные проблемы электроэнергетики». Н.Новгород, НГТУ, 2004-2006;

• ежегодные IХ, Х, ХI Нижегородские сессии молодых ученых.

Технические науки. Н.Новгород, 2004-2006.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, че тырех глав, заключения, списка литературы из 144 наименований и двух приложений. Основная часть диссертации изложена на 172 страницах, со держит 77 рисунков и 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований.

В первой главе анализируются стационарные режимы работы и производится расчет мощности элементов оборудования автономной судо вой валогенераторной установки на основе МДП-генератора. Обосновано влияние секционированности ИРМ и диапазона изменения частоты враще ния вала МДП-генератора на установленную мощность ПЧ.

В автономном МДП-генераторе установившийся режим работы характеризуется балансом активных и реактивных мощностей между АГ, ИРМ, ПЧ и нагрузкой. Нарушение баланса приводит к переходному процессу и, как следствие, к новому установившемуся режиму с други ми значениями амплитуды (U1) и частоты (f1) напряжения генератора, отличными от требуемых. Данное нарушение может быть вызвано из менением следующих факторов:

- скорости вращения гребного вала;

- величины SН или (и) характера cosН нагрузки.

Для стабилизации частоты генерируемого напряжения МДП генератора при изменяющейся частоте вращения вала генератора () необ ходимо формировать частоту тока в роторе (2) согласно выражению 2 = 1 –, где 1 – частота вращения поля статора.

Величину активной мощности АГ в составе автономного МДП генератора определяет активная составляющая тока ротора I2а = I2 сos2 (I – действующее значение тока ротора МДП-генератора;

2 – фаза тока ро тора относительно ЭДС ротора), а величину реактивной составляющей мощности – реактивная составляющая тока ротора I2р = I2 sin2. Таким об разом, за счет регулирования величины, фазы и частоты тока ротора с по мощью ПЧ, можно обеспечить баланс активных и реактивных мощностей в системе автономный МДП-генератор – нагрузка, а, следовательно, ста билизировать параметры генерируемой электроэнергии.

Представленные на рис. 1 механические характеристики МДП генератора, с учетом скоростного диапазона работы главного судового двигателя, позволяют определить целесообразный с точки зрения установ ленной мощности АГ скоростной диапазон МДП-генератора = 1,20 (s = - 0,2) 20 (s = - 1), соответствующий сверхсинхронному режиму ( 0).

В автономном n, об/мин МДП-генераторе АГ является единственным источником активной мощности, а источни ков реактивной мощно т.Б т.Г Рабочая область = - сти несколько (конден S валогенератора саторы возбуждения, ИРМ, ПЧ). Указанное обстоятельство опреде 2 M/MнАМ т.А т.В 1. ляет целесообразность = - 0. S -0.5 0 -2 -1.5 -1 0. максимального исполь зования АГ по актив ной мощности, возлагая задачу генерирования и баланса по реактивной мощности на ПЧ и Рис. 1. Механические характеристики ИРМ.

МДП-генератора и область его работы Анализ стационарных процессов и выбор элементов оборудования автономного МДП-генератора проведен исходя из условия максимального использования АГ по активной мощности, когда фаза тока ротора 2 = 0, учитывая при этом возможности фазового регулирования сетевого тока ПЧ (ПЧ).

Использование ПЧ с ШИМ в составе автономного МДП-генератора позволяет не только минимизировать мощность ИРМ, но и полностью ис ключить его из состава элементов оборудования, обеспечивая при этом не обходимый баланс мощностей в системе "автономный МДП-генератор – нагрузка", а, следовательно, и стабилизацию параметров генерируемой электроэнергии.

С учетом сказанного, рассмотрены два возможных по комплектации варианта автономного МДП-генератора:

- с ИРМ;

- без ИРМ.

Для каждого варианта определен состав и установленная мощность элементов оборудования.

На рис. 2 представлена схема распределения активных и реактивных мощностей в автономном МДП-генераторе.

МДП - генератор PМДП PН QН P1 - P1 Q1 QИРМ1 QИРМn QМДП QB СИРМ QПЧ PМЕХ PМЕХ СИРМn СB PИРМn PИРМ = var ХН RН PВ АГ LФ 1 LФn PПЧ...

P1s - P ИРМ PПЧ Нагрузка пч var 2= 0 = ПЧ Рис. 2. Распределение мощностей в автономном МДП-генераторе Здесь приняты следующие обозначения: РН, РМЕХ, Р1, Р1s, РПЧ, РМДП – активные мощности соответственно нагрузки, на валу МДП-генератора, статора, ротора, ПЧ и МДП-генератора;

QН, Q1, QПЧ, QВ, QИРМ n, QМДП – ре активные мощности соответственно нагрузки, статора, ПЧ, конденсатор ной батареи самовозбуждения АГ, n-ой секции ИРМ и МДП-генератора;

Р1, Р2, РПЧ, РВ, PИРМ n, РМЕХ – потери активной мощности соответ ственно в статоре, роторе, ПЧ, конденсаторной батареи самовозбуждения АГ, n-ой секции ИРМ и механические потери в МДП-генераторе;

2, ПЧ – соответственно фазы токов ротора и ПЧ;

CИРМ n, LФ n – емкость батареи конденсаторов и индуктивность реактора n-ой секции ИРМ;

RН, ХН – соот ветственно, активное и реактивное сопротивление нагрузки;

s – скольже ние АГ.

Активная и реактивная составляющие мощности МДП-генератора определяются в соответствии с рис. 2 по выражениям:

PМДП = P1 + P2, (1) n QМДП = QИРМ i ± QПЧ ± Q1 + QВ, (2) i = где Р1 = РН/(| s | + 1) - Р1 = 3U1I1a – активная мощность, генерируемая статором АГ в нагрузку при сверхсинхронной скорости ( 0);

I1a – активная составляющая тока статора АГ;

Р2 = Р1·| s| - Р2 - РПЧ – ак тивная мощность, генерируемая через ротор АГ.

Исследовано влияние секционированности ИРМ и диапазона изме нения частоты вращения вала МДП-генератора на установленную мощ ность преобразователя частоты. В работе рассмотрен конденсаторный ИРМ. ИРМ состоит из n секций конденсаторных батарей, разделенных в соотношении 1:1, где n = 1;

2;

3;

4.

Расчет мощности ПЧ основан на балансе активных (1) и реактивных (2) мощностей. Баланс реактивных мощностей в системе "автономный МДП-генератор – нагрузка" осуществляется с помощью ПЧ и ИРМ. Ак тивная и реактивная мощность ПЧ определяются по выражениям cos Н S Н PПЧ = P1 s P2 PПЧ. (3) s + sin Н n QПЧ = QИРМ i S Н. (4) cos Н i = На рис. 3 представлены зависимости изменения мощности ПЧ (SПЧ) от количества секций ИРМ (n) в составе автономного МДП-генератора.

Здесь и далее результаты исследований приведены для автономного МДП генератора мощностью 160 кВт.

С увеличением количества секций ИРМ (n) мощность ПЧ (SПЧ) уменьшается, что объясняется уменьшением реактивной мощности, гене рируемой ПЧ (QПЧ), для поддержания баланса реактивных мощностей в системе "автономный МДП-генератор – нагрузка".

Увеличение ко личества секций ИРМ более четы рех представляется 100 нецелесообразным, Sпч, кВА 80 т.к. при этом мас согабаритные по казатели ИРМ уве личиваются суще ственнее, чем сни 1 2 3 жается мощность Количество секций ИРМ, n ПЧ. Выбор количе ства секций ИРМ Рис. 3. Зависимости изменения мощности ПЧ от автономного МДП количества секций ИРМ генератора осуществлен на основе технико-экономических расчётов, пред ставленных в главе 2.

Во второй главе дана оценка энергетическим показателям и прове дено технико-экономическое сравнение вариантов автономного МДП генератора.

Показано, что коэффициент полезного действия автономного МДП генератора (МДП) зависит от количества секций ИРМ (n), величины (SН), характера (сosН) нагрузки и скольжения АГ (s). Установлено, что:

- с увеличением количества секций ИРМ (n) от одной до четырех МДП возрастает в среднем на 0,5 - 0,8 %. Характер изменения МДП обу словлен тем, что с увеличением n уменьшается мощность ПЧ (SПЧ) и, сле довательно, потери в ПЧ (РПЧ);

- МДП при использовании ИРМ выше в среднем на 0,5 - 1 %, чем без ИРМ;

- с уменьшением сosН (SН = const) МДП увеличивается. Это связа но с уменьшением потерь в АГ (РАГ), вследствие уменьшения величины активной мощности, генерируемой через статор АГ в нагрузку. Напри мер, при уменьшении сosН от 0,9 до 0,7 (SН/SНОМ = 1, s = - 1) МДП увели чивается в среднем на 1 - 1,5 %.

Подключение нелинейной нагрузки (установки дуговой электросвар ки, регулируемые вентильные электропривода и др.) к автономной судовой электросети приводит к возникновению нелинейных искажений напряже ния. Согласно требованиям Российского Речного Регистра коэффициент нелинейных искажений напряжения (KНU) должен быть не более 8 %. Про изведен расчет KНU в зависимости от количества секций ИРМ (n) и пара метров нагрузки.

НU, % 12 cosН= 0. cosН= 0. IH ВЕНТ IH ВЕНТ = 10 =1 IН IН cosН= 0. 8 IH ВЕНТ 3 4 = 2 IН cosН= 0. 4 IH ВЕНТ = IН SН / SНОМ 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1. Рис. 4. Зависимости КНU = f (SН/ SНОМ) 1–4 секции ИРМ;

2–3 секции ИРМ;

3–2 секции ИРМ;

4–1 секция ИРМ;

5–без ИРМ (IН вент – вентильная составляющая тока нагрузки МДП-генератора) На рис. 4 представлены расчетные зависимости КНU = f (SН/SНОМ) на основании которых установлено:

- во всем диапазоне нагрузок коэффициент нелинейных искажений напряжения при использовании ИРМ ниже на 3,5 - 4 % по сравнению с его отсутствием;

- с увеличением cosН от 0,7 до 0,9 (SН = const) происходит возрас тание КНU в среднем на 1,5 - 2 %, т.к. уменьшаются требуемая мощность и фильтрующие способности ИРМ;

- с увеличением количества секций ИРМ от одной до четырех, ухудшается форма генерируемого напряжения (увеличение КНU в среднем на 1 - 1,5 %). Это связано с уменьшением установленной мощности n-ой секции ИРМ, необходимой для обеспечения баланса реактивных мощно стей в системе "автономной МДП-генератор – нагрузка", а, следовательно, ухудшением фильтрующих возможностей ИРМ;

Проведено технико-экономическое сравнение двух вариантов авто номной ВГУ на основе МДП-генератора:

- с ИРМ;

- без ИРМ.

Получены соотношения суммарных капитальных затрат для рас сматриваемых вариантов ВГУ (рис. 5).

Суммарные капитальные затраты, руб 1 2 3 4 Рис. 5. Диаграмма соотношения суммарных капитальных затрат для рассматриваемых вариантов ВГУ 1– без ИРМ;

2–1 секция ИРМ;

3–2 секции ИРМ;

4–3 секции ИРМ;

5–4 секции ИРМ Данные расчетов показывают, что вариант ВГУ без ИРМ является наиболее выгодным, т.к. за счет меньшей стоимости выработки 1 квар·ч снижаются суммарные капитальные затраты. Благодаря этому данный ва риант обладает меньшим сроком окупаемости (ТОК = 21 мес.) и более высо ким чистым дисконтированным доходом (ЧДД = 3 380 000 руб.) по срав нению с вариантами ВГУ при использовании ИРМ.

В третьей главе рассмотрены наиболее распространенные динами ческие режимы, связанные с подключением и отключением нагрузки к ав тономному МДП-генератору. Особое место при этом занимает режим пус ка асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (АД с КЗ) – наи более распространенного вида нагрузки. Система регулирования автоном ного МДП-генератора построена на основе неадаптивных регуляторов.

Функциональная схема автономного МДП-генератора представлена на рис. 6.

f1= const U1= const ДТ ДН ДЧ UДН UДТа UДТр UДЧ ZH (2) АГ ПЧ (ПЧ ) САР = var Рис. 6. Функциональная схема автономного МДП-генератора На рис. 6 приняты следующие обозначения: ДН, ДЧ – датчики ам плитуды и частоты напряжения, ДТ – датчик тока статора;

UДТа, UДТр – сигналы, пропорциональные активной и реактивной составляющим тока статора;

, 2 – угол управления роторным блоком полупроводниковых элементов ПЧ и фаза тока ротора;

, ПЧ – угол управления сетевым бло ком полупроводниковых элементов ПЧ и фаза сетевого тока ПЧ.

Основой математической модели динамических режимов автономно го МДП-генератора является его линеаризованная структура (5) и система уравнений связи МДП-генератора и нагрузки (6). Система (5) получена на базе уравнений Парка-Горева в системе синхронно вращающихся коорди нат «X-Y», опорный вектор которой вращается с частотой вращения поля статора 1.

В (5) приняты следующие U1X = 1 X 1 I1Y + 1 X m I 2Y ;

обозначения: I1Х, I1У, I2Х, I2У – X 1I1X + X m I 2X = 0;

проекции векторов токов стато U 2X = R2 I 2X + pX 2 I 2X E2Y ;

(5) ра и ротора на оси «X» и «Y»;

U 2Y = R2 I 2Y + pX 2 I 2Y + E2X ;

U2Х, U2У – проекции вектора на пряжения ротора на оси «X» и U1 X / 1 = J p / I1X. «Y»;

E2Y и E2X - проекции ЭДС вращения АГ;

J – суммарный момент инерции МДП-генератора, приве денный к валу двигателя;

- коэффициент рассеяния.

В (6) приняты следующие P = PГЕН PНАГ ;

обозначения: PГЕН, PНАГ – соот ветственно активные мощности d 1 ЭТ = ;

МДП-генератора и нагрузки;

dt (6) ЭТ – эталонное значение час P ;

тоты напряжения статора МДП ( I рген I рнаг ) K СВ U 1. генератора;

– изменение фа зы вектора напряжения статора МДП-генератора;

Iрген, Iрнаг – соответственно реактивные составляющие токов МДП-генератора и нагрузки;

U1 – изменение величины напряжения статора МДП-генератора;

KСВ – коэффициент связи между током возбуж дения и амплитудой генерируемого напряжения МДП-генератора.

Для рассматриваемой модели синтезирована и реализована неадап тивная САР стабилизации амплитуды и частоты выходного напряжения.

САР является двухконтурной и двухканальной. В качестве сигнала обрат ной связи во внутреннем контуре тока канала стабилизации U1 использует ся реактивная составляющая тока статора I1, а канала стабилизации f1 – ак тивная составляющая I1. За счет компенсации перекрестных связей по ЭДС вращения каналы ре гулирования амплиту 1/KДТ + WРН (р) KСВ ды (рис. 7) и частоты 2Т р + (рис. 8) напряжения МДП рассмотрены как КДН независимые, что зна Рис. 7. Структурная схема контура регулирования чительно упрощает амплитуды напряжения синтез структуры и параметров регулято 1/K р + ДТ ров САР.

W (р) Сm РЧ 2Т р + Анализ зависимо стей U1(t) и f1(t) (рис.

КДЧ 9, а, б) в автономном МДП показал, что с Рис. 8. Структурная схема контура регулирования уменьшением cosH частоты напряжения при SH = const, когда увеличивается реактивная и уменьшается активная составляющая тока нагрузки, происходит увеличение провалов амплитуды и уменьшение провалов частоты напряжения в статоре МДП-генератора.

а б Рис. 9. Зависимости U1(t) и f1(t) при набросе SН = SНОМ и сбросе SН = 0,5SНОМ нагрузки (cosН = 0,7;

0,9). а - U1(t);

б - f1(t) (s = - 1;

sНАСТР = - 1) (sНАСТР - настроечное значение скольжения для регулятора тока ротора) С увеличением cosH при SH = const, что соответствует увеличению активной и уменьшению реактивной составляющих тока нагрузки, проис ходит возрастание провалов частоты и снижение провалов амплитуды ге нерируемого напряжения. Здесь и далее результаты исследований приве дены для автономного МДП-генератора мощностью 160 кВт.

Например, при снижении U cosH от 0,9 до 0,7 (SH = SНОМ) провалы амплитуды напря U 1 = 10 % жения (U1) возрастают в среднем на 10 - 12 %, а про валы частоты напряжения t (f1) снижаются в среднем на 8 - 10 %.

Анализ прямого пуска АД с КЗ от автономного МДП генератора показал, что мак симальное значение мощности запускаемого двигателя при Рис. 10. Осциллограмма пуска АД с КЗ мощностью 0,55 кВт от автономного допустимых по Российскому МДП-генератора мощностью 5,5 кВт Речному Регистру провалах напряжения U1 = 20 %, составляет 15 - 20 % от мощности МДП генератора. Это подтверждается результатами, полученными на экспери ментальной установке (рис. 10).

В четвертой главе представлен синтез двухканальной САР стабили зации амплитуды и частоты выходного напряжения автономного МДП генератора, построенной на базе аппарата нечеткой логики. Проведен рас чет и сравнительный анализ динамических режимов автономного МДП генератора для двух вариантов реализации САР (с неадаптивными регуля торами и FUZZY-регуляторами).

Синтез FUZZY-регуляторов амплитуды и частоты напряжения МДП генератора основан на использовании экспертных знаний, полученных при исследовании и разработки неадаптивной САР (глава 3). Для разработки FUZZY-регуляторов используется система нечеткого вывода. Модель САР, построенная на базе аппарата нечеткой логики, строится с учетом реализа ции всех этапов нечеткого вывода, а сам процесс вывода реализуется на основе алгоритма нечеткого вывода Mamdani.

Для построения базы правил системы нечеткого вывода определяют ся входные и выходные лингвистические переменные. Для контура регу лирования амплитуды напряжения в качестве входных лингвистических переменных используются: 1 - “Амплитуда выходного напряжения авто номного МДП-генератора” и 2 - “Реактивная составляющая тока нагрузки автономного МДП-генератора”. В качестве выходной лингвистической пе ременной используется 3 - "Сигнал задания для регулятора тока”. Система нечеткого вывода будет содержать 11 правил нечетких продукций.

Для контура регулирования частоты напряжения в качестве входных лингвистических переменных используются: 1 - “Частота выходного на пряжения автономного МДП-генератора” и 2 - “Активная мощность на грузки автономного МДП-генератора”. В качестве выходной лингвистиче ской переменной используется 3 - "Сигнал задания для регулятора тока”.

Система нечеткого вывода будет содержать 8 правил нечетких продукций.

а б Рис. 11. Зависимости U1(t) и f1(t) при набросе SН=SНОМ и сбросе SН=0,5SНОМ нагрузки (cosН = 0,7). а - U1(t);

б - f1(t) (s = - 1;

sНАСТР = - 1) 1 - с FUZZY-регулятором;

2 - с неадаптивным регулятором Сравнительный анализ динамических режимов автономного МДП c FUZZY-регуляторами и с неадаптивными регуляторами (рис. 11) показал:

- использование рассмотренных типов регуляторов обеспечивает требуемую стабилизацию параметров генерируемой электроэнергии;

- применение FUZZY-регуляторов уменьшает время переходного процесса и время регулирования в среднем в 1,5 - 2 раза, по сравнению с использованием неадаптивных регуляторов.

В приложении даны принципиальная схема, внешний вид и техни ческие параметры экспериментальной установки автономного МДП генератора мощностью 5,5 кВт, созданной в научно-исследовательской ла боратории «Электроприводы переменного тока» кафедры «Электропривод и автоматика промышленных установок» в Нижегородском государствен ном техническом университете (НГТУ). Приведены также акты внедрения результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ В итоге проведенных исследований получены следующие основные результаты:

1. Определен состав и установленная мощность элементов оборудо вания автономного МДП-генератора, работающего при переменной скоро сти вращения вала. Выбор элементов оборудования проведен исходя из условия максимального использования АГ по активной мощности, когда фаза тока ротора 2 = 0, учитывая при этом возможности фазового регули рования сетевого тока ПЧ (ПЧ). Использование ПЧ с ШИМ позволяет не только минимизировать мощность секционированного ИРМ, но и полно стью исключить его из состава элементов оборудования, обеспечивая при этом баланс мощностей в системе "автономный МДП-генератор – нагруз ка".

2. Обосновано влияние количества секций ИРМ (n) в составе авто номного МДП-генератора на мощность ПЧ (SПЧ). С увеличением n умень шается SПЧ. Например, для МДП-генератора мощностью 160 кВт при уве личении количества секций ИРМ от двух до четырех SПЧ уменьшается в среднем на 10 - 12 %.

3. Проведен анализ основных энергетических показателей автоном ного МДП-генератора. Показано влияние количества секций ИРМ на КПД и коэффициент нелинейных искажений напряжения (КНU). С увеличением количества секций ИРМ от одной до четырех КПД увеличивается на 0,5 0,8 %, а КНU на 1 - 1,5 %. КПД при использовании ИРМ выше в среднем на 0,5 - 1 %, а КНU ниже на 3,5 - 4 %, чем без ИРМ.

4. Определены экономические показатели (чистый дисконтирован ный доход и срок окупаемости) вариантов автономной ВГУ на основе МДП-генератора с различным составом элементов оборудования. Показа но, что рассмотренные варианты являются рентабельными. Наименьшим сроком окупаемости и наибольшей рентабельностью обладает вариант ВГУ без ИРМ. Данный вариант ВГУ имеет меньшую стоимость выработки 1 квар·ч по сравнению с вариантами ВГУ при использовании ИРМ.

5. Разработана математическая модель динамических режимов ав тономного МДП-генератора при переменных значениях скорости враще ния вала, величины и характера нагрузки. Для рассматриваемой модели синтезированы САР стабилизации амплитуды и частоты генерируемого напряжения с неадаптивными регуляторами и FUZZY-регуляторами.

6. Сравнительный анализ динамических режимов автономного МДП c FUZZY-регуляторами и с неадаптивными регуляторами показал:

- использование рассмотренных типов регуляторов обеспечивает требуемую стабилизацию параметров генерируемой электроэнергии;

- применение FUZZY-регуляторов уменьшает время переходного процесса и время регулирования в среднем в 1,5 - 2 раза, по сравнению с использованием неадаптивных регуляторов.

7. Результаты выполненных исследований использованы при разра ботке концепции развития судовых ВГУ в ОАО «Нижегородский порт» (г.

Нижний Новгород), создании экспериментальной установки мощностью 5,5 кВт в научно-исследовательской лаборатории «Электроприводы пере менного тока» кафедры «Электропривод и автоматика промышленных ус тановок» в НГТУ, а также в учебном процессе в виде инженерных методик расчета МДП-генераторов и МДП-приводов в Волжской государственной академии водного транспорта (г. Нижний Новгород) и НГТУ.

СТАТЬИ, ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ И ПАТЕНТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 1. Хватов О.С., Бурда Е.М., Харитонычев М.Ю. Автоматизирован ная система управления судовым валогенератором на основе машины двойного питания / Транспорт – XXI век: сб. матер. научно-тех. конф.

профес.- препод. состава, аспирантов и специалистов ВГАВТ, Н.Новгород, 2003 г. – Н.Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2003. – С. 212.

2. Харитонычев М.Ю. Динамические режимы валогенератора на основе машины двойного питания при работе параллельно с судовой элек тростанцией / IХ Нижегородская сессия молодых ученых (технические науки): сб. тезис. докладов, 10-14 февраля 2004 г. – Н.Новгород: 2004. – С.

134-135.

3. Харитонычев, М.Ю., Хватов О.С. Перспективные варианты ма шино-вентильных валогенераторов / Ш Молодежная научно-техническая конференция «Будущее технической науки»: тезис. докладов, Н.Новгород 26-27 мая 2004 г. – Н.Новгород: НГТУ, 2004. – С. 100.

4. Хватов О.С., Харитонычев, М.Ю. Судовая электроэнергетическая установка с валогенератором на основе машины двойного питания / Меж дународный научно-промышленный форум «Великие реки – 2004»: генер.

доклады, тез. докладов, Н.Новгород, 18-21 мая 2004 г. – Н.Новгород:

ННГАСУ, 2004. – С. 455-456.

5. Титов В.Г., Хватов О.С., Залетнов С.Е., Харитонычев М.Ю.

Управляемые машино - вентильные комплексы генерирования электро энергии и их технико-экономическое сравнение / Труды НГТУ. Том 49.

Электрооборудование промышленных установок. – Н.Новгород: НГТУ, 2005. – С. 25-27.

6. Патент на полезную модель № 47595, 7 Н 02 Р 9/42. Судовая ва логенераторная установка / О.С. Хватов, М.Ю. Харитонычев, О.А. Бурма кин, заявители и правообладатели. – Заявл. 05.03.2005;

зарег. в Государст венном реестре полезных моделей РФ 27.08.2005;

опубликовано:

27.08.2005 Бюл. № 24.

7. Хватов О.С., Харитонычев М.Ю. Динамические режимы авто номной судовой валогенераторной установки на основе машины двойного питания / Вестник ВГАВТ. Выпуск 13. Судовая и промышленная энерге тика. - Н.Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2005. – С. 147-152.

8. Хватов О.С., Харитонычев М.Ю. Автоматизированная автоном ная электроэнергетическая система на основе МДП-генератора с FUZZY регулятором / Известия Академии инженерных наук им. Прохорова. Юби лейный 15 том, посвященный 100-летию со дня рождения А.М. Бамдаса и Ю.Л. Мукосеева. Том 15. Под ред. Ю.В. Гуляева. – Москва – Н.Новгород:

НГТУ, 2005. – С. 65-69.

9. Хватов О.С., Харитонычев М.Ю., Бурда Е.М., Бурмакин О.А.

Влияние секционированности источника реактивной мощности автоном ного МДП-генератора на мощность преобразователя частоты / Прогрес сивные технологии в машино- и приборостроении. Межвузовский сборник статей по материалам Всероссийской НТК. – Н.Новгород – Арзамас:

НГТУ-АПИНГТУ, 2005. – С. 172-177.

10. Харитонычев М.Ю. Математическая модель динамических ре жимов работы МДП-генератора с FUZZY-регуляторами / Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении. Межвузовский сборник статей по материалам Всероссийской НТК. – Н.Новгород – Арзамас: НГТУ АПИНГТУ, 2005. – С. 177-181.

11. Харитонычев М.Ю. Электроэнергетическая установка на основе машины двойного питания с FUZZY-регулятором / ХI Нижегородская сес сия молодых ученых (технические науки): сб. тезис. докладов, 12-16 фев раля 2006 г. – Н.Новгород: 2006. – С. 114-115.

12. Харитонычев М.Ю., Хватов О.С. Технико-экономическое срав нение вариантов автономного МДП-генератора / Труды НГТУ. Актуаль ные проблемы электроэнергетики. Юбилейный том, посвященный 100 летию со дня рождения С.Н. Шевчука. Том 59. – Н.Новгород: НГТУ, 2006.

– С. 115-118.

13. Хватов О.С., Харитонычев М.Ю. Динамические режимы авто номного электротехнического генераторного комплекса на основе машины двойного питания / Приводная техника. Выпуск № 6. – Москва: 2006. – С.

49-54.

Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, авто ру принадлежат: математические модели /4, 7, 8, 13/, постановка задачи /3, 4, 5, 9, 13/, обобщение результатов /1, 4, 8, 9, 12, 13/.



 


Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.