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

Исследование новых возможностей совершенствования машинно-электронных генерирующих систем для малой энергетики и автономных объектов

На правах рукописи

Горякин Дмитрий Васильевич ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МАШИННО-ЭЛЕКТРОННЫХ ГЕНЕРИРУЮЩИХ СИСТЕМ ДЛЯ МАЛОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И АВТОНОМНЫХ ОБЪЕКТОВ Специальность 05.09.03 Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2013 2

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном обра зовательном учреждении высшего профессионального образования «На циональный исследовательский университет «МЭИ» на кафедре «Элек тротехнические комплексы автономных объектов – ЭКАО» МЫЦЫК Геннадий Сергеевич

Научный консультант:

Доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

ПРЕЧИССКИЙ Владимир Антонович Доктор технических наук, профессор кафедры «Электрический транс порт» ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» ПАНАРИН Александр Николаевич Кандидат технических наук, заведующий проектно-конструкторским отделом Федерального государственного унитарного предприятия «Науч но-исследовательский и экспериментальный институт автомобильной электроники и электрооборудования» (ФГУП НИИАЭ)

Ведущая организация: ОАО «Аэроэлектромаш», г. Москва.

Защита состоится «28» июня 2013 г. в 16 часов 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 Национального исследовательского университета «МЭИ» по адресу:

г. Москва, Красноказарменная ул., дом 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « » 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157. к.т.н. доцент С.А. Цырук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В мировой практике электроэнергетики в настоящее время существует тенденция к децентрализации производства электроэнергии и развитию малой энергетики. В основе концепции развития автономных генерирую щих систем относительно малых мощностей (от единиц и десятков до со тен киловольт-ампер) лежит прямое использование энергии природных ресурсов и повышение (при реализации ее в полном объеме проектного замысла) живучести (надежности) электроснабжения по стране в целом.

Использование автономных генерирующих устройств дает особенно большие преимущества в отдаленных районах. Значительную роль в раз витии малой энергетики играет совершенствование полупроводниковых устройств силовой электроники (УСЭ). Системы генерирования с приме нением УСЭ получили название «машинно-электронные генерирующие системы» (МЭГС). Ближайшие примеры использования МЭГС лежат в области ветро- и гидроэнергетики. Особенностью генерирующих систем в таких применениях является переменная частота вращения вала электри ческой машины (ЭМ). Проблема построения генерирующих систем с пе ременной частотой вращения вала выходит за рамки указанных примеров, распространяясь и на другие области техники – на различные виды под вижного транспорта и на дизель-генераторные установки. Приведенные примеры использования автономных генерирующих систем можно обоб щить под названием «автономные объекты» (АО), которые включают в себя как объекты транспорта, так и автономные генерирующие системы в других областях.

В настоящее время проблема проектирования генерирующих систем АО решена в недостаточной мере, необходимой для оптимизации их по таким критериям, например, как заданное качество электроэнергии при минимуме массы и ограничениях по КПД и по стоимости.

Асинхронная машина (АМ) с короткозамкнутым ротором является са мым распространенным и наиболее простым и дешевым типом электриче ской машины. АМ широко применяются в качестве двигателя в различных электроприводах. Намного меньшее распространение получило примене ние АМ в генераторном режиме с самовозбуждением. Регулирование и стабилизация выходного напряжения АМ в данном режиме сопряжены с рядом трудностей, а традиционное использование для возбуждения АМ батарей переключаемых конденсаторов увеличивает массу генерирующей системы и позволяет осуществлять регулирование напряжения только дис кретным путем. Долгое время это обстоятельство ограничивало примене ние асинхронных генераторов с самовозбуждением. Современный уровень развития УСЭ позволяет по-новому решать задачи возбуждения АМ и ре гулирования ее выходных параметров. При этом данная область является недостаточно изученной для принятия однозначных проектных решений.

Применение в МЭГС АМ совместно с трехфазным активным выпря мителем – ТАВ (на базе трехфазной мостовой инверторной схемы) позво ляет осуществлять возбуждение АМ и регулирование выходного напряже ния системы.

ТАВ является обратимым и может работать в режимах инвертора (как автономно, так и параллельно с сетью), малоискажающего трехфазного выпрямителя (МИТВ), управляемого реактивного сопротивления, а также в комбинированных режимах. Благодаря таким функциональным свойст вам, этот преобразователь получил название четырехквадрантного (ЧКП).

Таким образом, МЭГС с применением ЧКП может работать не только в генераторном, но также и в стартерном режиме.

В системе «Асинхронный вентильный генератор – АВГ» ЧКП работа ет в комбинированном активно-емкостном режиме. одновременно выпол няя две функции – функцию компенсатора реактивной мощности (КРМ) и функцию (активного) выпрямителя с емкостным cos, то есть обеспечивая возбуждение генератора и выпрямление переменного тока. Имеющееся на сегодня информационно-методическое обеспечение по комбинированному режиму работы ЧКП является неполным, данный режим подлежит более глубокому изучению.





Актуальность работы. В настоящее время прилагаются большие усилия для повышения эффективности автономных систем электроснаб жения. Одним из очевидных путей решения этой задачи является более широкое применение УСЭ. Представляет интерес применение УСЭ для возбуждения автономных асинхронных генераторов. Такая система соче тает в себе простоту, низкую стоимость и надежность АМ и эффектив ность современного электронного преобразователя – ЧКП. Актуальность проблемы также подтверждается большим количеством публикаций в иностранной литературе по данной теме за последнее время. В русскоя зычной литературе проблема пока не получила широкое освещение. Ис следование возможностей ЧКП важно не только для применения в МЭГС на базе бесконтактной АМ, но и в других типах МЭГС, например, на базе синхронной машины с электромагнитным возбуждением. Ожидаемое уменьшение массы синхронной машины при применении ЧКП, обеспечи вающего емкостный характер нагрузки ЭМ, составляет не менее 20%. Для развертывания работ по системному проектированию МЭГС различного рода требуется проведение соответствующих исследований с целью созда ния необходимого информационно-методического обеспечения, которое в настоящее время практически отсутствует или присутствует в публикаци ях фрагментарно (далеко не в полном объеме).

Цель исследования. Целью работы является решение комплекса взаи мосвязанных задач, характеризующих объект исследования (в виде авто номной генерирующей системы на основе АМ с возбуждением от ЧКП) методами имитационного компьютерного моделирования (ИКМ).

Для достижения цели работы поставлены и решаются следующие за дачи:

1. Установление на основе аналитического обзора текущего уровня исследований в области МЭГС.

2. Поиск компьютерной модели АМ, пригодной для исследования в генераторном режиме;

3. Исследование ЧКП на базе трехфазной мостовой инверторной схе мы в режимах, необходимых для применения в данной системе;

4. Исследование работы МЭГС в вариантах системы генерирования постоянного тока (1-го типа) «АВГ» (МЭГС-1) и системы генерирования переменного тока (2-го типа) «переменная скорость – постоянная частота – ПСПЧ» (МЭГС-2).

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе ис пользуется ИКМ в объектно-ориентированной программе «OrCAD PSpice». Также, для решения поставленных задач привлекались аналити ческие методы (в частности, метод гармонического анализа).

Достоверность научных результатов подтверждается соответстви ем полученных результатов ожидаемым. При проведении ИКМ получена точность компьютерных моделей в пределах 5-8%. Результаты исследова ния хорошо согласуются с частичными результатами, ранее полученными другими исследователями. Для самоконтроля также использован принцип энергетического баланса.

Научная новизна.

1. Известная модель трехфазной АМ (в непреобразованной системе координат без учета насыщения) модифицирована до вида, обеспечиваю щего режим самовозбуждения. Достигается это учетом насыщения маг нитной цепи АМ.

2. Получено модельное описание работы ЧКП в комбинированном ре жиме выпрямления (МИТВ+ КРМ) и отдачи в АМ (или в сеть) реактивной мощности, и на основе проверки его методом ИКМ подтверждена хорошая его адекватность (не хуже 8%).

3. Показана возможность построения систем повышенной мощности на базе ЧКП с многоканальным преобразующим трактом. Проведено ИКМ многоканального ЧКП в режиме МИТВ (ТАВ), в результате которого по лучены данные по улучшению показателей ЭМС. Полученные для частно го случая данные могут быть распространены на другие режимы работы ЧКП.

4. Разработаны имитационные компьютерные модели систем МЭГС- типа «АВГ» и МЭГС-2 типа «ПСПЧ» на базе АМ с ЧКП. Проведенные на их основе исследования подтвердили возможность обеспечения устойчи вой работы системы в вариантах МЭГС-1 и МЭГС-2 и создали основу для разработки информационно-методического обеспечения для решения ком плекса задач по параметрической оптимизации системы.

Практическая значимость работы. Полученные в данной работе ре зультаты исследования двух видов МЭГС могут быть использованы для решения проблем электроснабжения постоянного и переменного тока на автономных объектах, в ветроэнергетике и гидроэнергетике. Актуальность и практическая значимость работы подтверждается интересом отечествен ных и зарубежных исследователей, который в последнее время (примерно 5 лет) нашел отражение в большом числе публикаций (более 10). Результа ты исследования могут быть использованы для разработки завершенных методик проектирования систем электроснабжения вида МЭГС-1 и МЭГС-2. В исследовании представлены также новые данные по режимам работы ЧКП, необходимые при их проектировании практически во всех режимах.

На защиту выносятся:

1. Полученные аналитическим путем функциональные модели ЧКП в комбинированном активно-емкостном режиме.

2. Результаты исследования на основе ИКМ зависимости показателей ЭМС ЧКП от различных факторов.

3. Предложенный вариант построения многоканальной структуры преобразователя на базе трехфазной мостовой инверторной схемы.

4. Предложенный вариант МЭГС на базе бесконтактной АМ с возбуж дением от ЧКП с управлением по синусоидальному ШИМ алгоритму про граммного типа.

5. Результаты исследования методом ИКМ на основе разработанных моделей возможностей регулирования МЭГС в вариантах АВГ и ПСПЧ (МЭГС-1 и МЭГС-2).

Апробация работы. Основное содержание работы

докладывалось и обсуждалось: На XLI (2011г.) и XLII(2012г.) Всероссийских научно практических конференциях «Федоровские чтения», XVIII (2012г.) Меж дународной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика».

Публикации. По теме работы опубликовано 7 печатных работ (среди них три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК).

Личный вклад:

1. Проведен анализ и систематизация существующих генерирующих систем на базе АМ.

2. Разработаны имитационные компьютерные модели МЭГС-1 и МЭГС-2 на основе доработанных для этой цели автором моделей АМ и ЧКП с программным управлением.

3. На основе разработанных моделей исследованы области работы (возможности регулирования выходного напряжения и частоты вращения вала генератора) исследуемых МЭГС.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 132 страницах, содержит 95 рисунков, 4 таблицы, состоит из введения, глав, заключения и библиографии из 62 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена цель работы, обоснована актуальность темы, отражены практическая ценность и научная новизна решаемых в диссер тации задач.

В первой главе рассматриваются варианты структур МЭГС: системы постоянного тока типа «вентильный генератор – ВГ» (МЭГС-1), системы переменного тока типа «ПСПЧ» (МЭГС-2) и системы на базе синхронизи рованного асинхронного генератора – САГ также типа «ПСПЧ» (МЭГС 3). Рассмотрены физические основы процесса самовозбуждения автоном ного асинхронного генератора. По мере развития теории АГ подход к ана лизу самовозбуждения и раскрытию его физической природы претерпел существенные изменения. В прошлом наиболее распространенная трак товка асинхронного самовозбуждения (АСВ) основывалась на явлении остаточного намагничивания ротора. В этом случае первым импульсом для начала самовозбуждения является остаточный поток. При вращении рото ра внешним двигателем этот поток наводит в статоре ЭДС. Если к зажи мам статора подключены конденсаторы, то ток, создаваемый этой ЭДС, будет иметь емкостный характер, и, соответственно, поток реакции якоря будет направлен согласно с остаточным потоком, что приводит к увеличе нию результирующего потока. В свою очередь этот поток создает боль шую ЭДС, т.е. идет лавинообразный процесс возрастания напряжения и тока до точки пересечения характеристики холостого хода АГ с вольтам перной характеристикой конденсатора, то есть имеет место положительная обратная связь. В последующих работах такая теория была подвергнута сомнению. Исследования показали, что самовозбуждение АГ может про исходить и при выполнении ротора и из немагнитного материала. Было выявлено, что для начала процесса АСВ достаточно бесконечно малого импульса энергии, например, остаточной намагниченности статора или заряда конденсаторов. Проведенное в данной работе в главе 2 имитацион ное компьютерное моделирование (ИКМ), при котором остаточное намаг ничивание ротора и статора не учитывалось, показало, что для самовозбу ждения системы достаточно предварительного заряда одного конденсатора возбуждения (из трех) до напряжения 1 мкВ.

При работе генератора с переменной нагрузкой выходное напряжение, а также частота, изменяются. Для поддержания уровня выходного напря жения используются конденсаторы переменной емкости или переключае мые батареи конденсаторов. Также может применяться компаундирован ное возбуждение (обозначающее параллельно-последовательное подклю чение конденсаторов к выходу АМ). Однако, такой вариант может быть использован только при сравнительно небольшой мощности генератора, так как через последовательно включенные конденсаторы протекает пол ный ток нагрузки. Рассмотрены и другие варианты регулирования мощно сти возбуждения, такие как применение параллельно основным конденса торам возбуждения тиристорно-реакторных (дроссельных) групп или ста тического КРМ на базе ЧКП. Наиболее перспективным способом возбуж дения АМ является применение ЧКП в комбинированном активно емкостном режиме (МИТВ и КРМ) без использования конденсаторов в цепи переменного тока (рис. 1). Такая схема образует структуру МЭГС- типа «Асинхронный вентильный генератор – АВГ». Для получения струк туры МЭГС-2 типа «ПСПЧ» к «АВГ» подключается трехфазный инвертор напряжения – ТИН2, который может быть построен на основе такой же схемы, как и ЧКП (рис.2). Рассмотрены методы исследования МЭГС. Для использования в данной работе выбран метод ИКМ в программе OrCAD PSpice, использующий кусочно-линейный последовательный расчет пара метров процессов в системе.

Во второй главе приведена математическая модель АМ и ее исследо вание методом ИКМ.

Для возможности реализации режима самовозбуждения в модели АМ должно учитываться насыщение магнитопровода, для учета которого вве дена зависимость параметра взаимной индуктивности M от тока намагни чивания iµ :

2 M=, (1) 3 a + biµ где a и b – коэффициенты аппроксимации кривой намагничивания, опре деляемые по двум точкам кривой намагничивания ЭМ. Ток намагничива ния определяется через токи в обмотках машины:

2 2 i (i + i ) + ir cos + ir cos + + ir cos + + 3 s 2 s s 3 iµ = (2), (i is ) 2 2 + s + ir sin + ir sin + + ir sin + 3 3 3 Рис. 2. Система ПСПЧ (МЭГС-2) на Рис. 1. АВГ (МЭГС-1) с возбуждением базе АВГ.

от ЧКП.

где – угол поворота ротора АМ.

Исследование модели проведено на примере АМ 4AK160S4У3 мощ ностью 11 кВт. Показано, что результаты тестовых исследований модели АМ в двигательном режиме ее работы (на основе ИКМ-экспериментов) являются физически непротиворечивыми, а отличие полученных значений КПД и cos при номинальной мощности от паспортных значений состав ляет менее 5%, что позволяет сделать вывод об адекватности и достаточ ной для инженерной практики ее точности.

ИКМ в генераторном режиме с самовозбуждением проведено при ра боте на активную (R) и на выпрямительную нагрузку. Запуск процесса асинхронного самовозбуждения в данном случае осуществляется путем предварительного заряда конденсаторов. Полученная внешняя характери стика генератора при R нагрузке с постоянной емкостью конденсаторов возбуждения показана на рис. 3. При работе на выпрямительную нагрузку мощностью 11 кВт (рис. 4) емкость конденсаторов воз буждения при их соединении в составляет «звезду» C = 102 мкФ. При использо вании конденсаторов К78- масса системы возбуждения составляет 750 г на одну фазу.

Третья глава содержит упрощенное модельное опи сание некоторых режимов работы ЧКП (МИТВ, КРМ, Рис. 3. Внешняя характеристика АМ в ге ТИН) основанное на методе нераторном режиме с конденсаторным основной гармоники. Данный возбуждением C = 111 мкФ.

Рис. 4. Временные диаграммы процессов в АМ с конденсаторным возбуждени ем при работе на выпрямительную нагрузку метод обеспечивает достаточно точное и более простое, по сравнению с методом мгновенных значений, решение задачи описания режимов работы ЧКП.

Можно выделить два типа (подкласса) инверторов: инверторы напря жения с одноканальным преобразующим трактом (ОКП) – наиболее широ ко известные и распространенные, и инверторы напряжения с многока нальным преобразующим трактом (МКП). Последние построены по прин ципу разбиения преобразующего тракта на L структурно и по мощности одинаковых каналов, работающих одновременно по определенным алго ритмам одного типа (с фазовым сдвигом или на выходной частоте, или на высокой тактовой частоте). В данной главе рассматриваются режимы ра боты инверторной схемы с ОКП.

Рассмотрен комбинированный режим работы (рис. 5) ЧКП (МИТВ + КРМ), используемый в системе «АВГ». Из векторной диаграммы комби нированного режима (рис. 6) получены функциональные модели, характе ризующие данный режим:

U1m = arcctg tg1(1) +, (3) I1(1) am 1L = I1(1) m cos1(1) – активная составляющая тока, потребляемого из где I1(1) am сети.

cos 1(1) ЕТИН(1) m ЕТИН(1) m = =.

cos ( 1(1) + ) (4) U1m Следует отметить, что приведенные соотношения справедливы в слу чае работы с идеальной сетью. При работе преобразователя в составе асинхронного вентильного генератора вместо U1 необходимо учитывать основную гармонику напряжения асинхронной машины U1(1).

Взаимосвязь между параметрами Ud0 и ЕТИН(1)m однозначно определя UL(1)m m ETИН(1)m / 90°– 1(1) – р n E0TИН(1)m 1(1) / I1(1)pm I1(1)am I1(1)m 1(1) U1m Рис. 5. Временные диаграммы процессов в ЧКП:

фазное напряжение сети, потребляемый ток и вы- Рис. 6. Векторная диа грамма комбинированно прямленное напряжение го режима ЧКП.

ется через глубину модуляции µ – параметр регулирования выпрямленного напряжения:

µ E Т ИН (1) m = U d 0. (5) Четвертая глава включает в себя результаты ИКМ работы ЧКП в режимах: 1) – МИТВ;

2) – ТИН параллельно с сетью;

3) – КРМ;

и 4) – в комбинированном режиме (МТВ+КРМ). Проведено сравнение параметров управления ЧКП, полученных при ИКМ с параметрами, рассчитанными по материалам главы 3. Наибольшее различие расчетного значения с резуль татом ИКМ составляет 8,3 %. Это дает основание сделать заключение о достаточной для инженерной практики точности полученной модели. При этом необходимо заметить, что в данном случае ЧКП работает в режиме перемодуляции (µ1) с µ = 1,6. В этой области расчетная модель обеспе чивает более низкую точность, чем в области нормированной модуляции (µ1), где реализуется двухполярный ШИМ-sin алгоритм управления.

Различают синхронные и асинхронные алгоритмы управления. Под синхронным понимают алгоритм ШИМ с постоянной (тактовой) частотой.

При этом ШИМ может задаваться как полностью программным способом (с жесткой логикой), так и с использованием систем со слежением по току.

Во втором случае один из фронтов задается программно с постоянной час тотой следования, а второй - на основе сравнения текущего уровня тока с эталонным сигналом. В этом случае речь идет об однопозиционном сле жении, система управления называется полуследящей. Асинхронное управление определяется системами со слежением по току, когда управле ние осуществляется по обоим фронтам. При следящем управлении задает ся «токовый коридор», внутри которого формируется требуемый ток. Точ ность формирования тока определяется шириной коридора ±.

Для режима МИТВ с программным алгоритмом управления при вы ходной мощности Pd = 11000 Вт и выходном напряжении Ud0 = 600 В най дены оптимальные значения индуктивности сопрягающих дросселей и емкости буферного конденсатора (рис. 7 – рис. 9): L = 5 мГн, C = 60 мкФ при частоте развертки fТ = 3600 Гц. При данных параметрах коэффициент гармоник входного тока составляет КГ(i) = 6,2%, уровень пульсаций вы Рис. 7. Зависимости параметров ЭМС Рис. 8. Зависимость KГ(i) от индуктив от емкости буферного конденсатора. ности сопрягающих дросселей и час тоты развертки.

прямленного напряжения = 2,4%.

Выявлено важное функциональное свойство МИТВ: 1) значение ос новной гармоники потребляемого из сети тока зависит только от значения тока нагрузки (при Ud0 = const);

2) высшие гармонические составляющие этого тока обусловливаются значениями индуктивности сопрягающих дросселей, частотой развертки и глубины модуляции, особенно в режиме перемодуляции (µ1). При уменьшении тока нагрузки относительное со держание высших гармоник в первичном токе (по отношению к 1-й гармо нике) возрастает, так как от нагрузки они практически не зависят, и поэто му коэффициент гармоник тока увеличивается.

При проведении ИКМ ЧКП в комбинированном режиме получены за висимости параметров управления преобразователя от угла нагрузки 1(1) (рис. 10). Проведено ИКМ ЧКП в режиме КРМ в двух подрежимах, отли чающихся способом компенсации потерь на элементах ЧКП. Потери на элементах ЧКП в режиме КРМ могут быть компенсированы двумя путями:

в цепи постоянного тока может устанавливаться дополнительный источ ник постоянного напряжения, (например, в виде трансфоматорно выпрямительного устройства) на мощность, равную мощности этих потерь (подрежим «1»), при этом = 0. Другим путем является установка по сис теме управления соответствующего значения угла 0, при этом потери компенсируются от сети переменного тока (подрежим «2»). При проведе нии ИКМ в подрежиме «1» в компьютерной модели использован идеаль ный источник постоянного напряжения. На рис. 11 показаны характери стики КРМ при переходе от подрежима «1» к подрежиму «2». Напряжение источника Ud = 650 B. При значении угла управления 0 0,3° КРМ ра ботает в подрежиме «1». С увеличением угла растет выходное напряже ние ЧКП Ud, которое при = 0,3° достигает значения 650 В. При дальней шем увеличении угла управления напряжение U d Ed = 650 B. Потери в элементах ТИН компенсируются от сети переменного тока ( 1(1) / 2, подрежим «2») и дополнительный источник напряжения не используется, а сетевой ток при этом возрастает.

Рис. 10. Зависимости параметров Рис. 9. Зависимость от индуктивно управления ЧКП в комбинированном сти сопрягающих дросселей и часто режиме от угла нагрузки 1(1).

ты развертки.

Для улучшения ЭМС и по вышения мощности ЧКП в случае нехватки мощности отдельного преобразователя, например, из-за ограничения предельно допустимого тока ключевых элементов, возмож но параллельное соединение преобразователей на базе ТИН.

В режиме МИТВ дроссели со Рис. 11. Зависимости потребляемого от пряжения одними своими кон дополнительного источника тока I2, сете цами подключаются к вход- вого тока и угла 1(1) от параметра управ ным выводам ТИН, а другие ления концы объединяются для каж дой фазы и образуют вывод для подключения к сети переменного тока.

Выводы постоянного тока ТИН подключаются параллельно к общему кон денсатору и нагрузке. Управление ключами осуществляется программным способом. Отличие от ЧКП с ОКП заключается в необходимости сдвига сигналов развертки на угол =2 /N для каждого канала, где N – число ка налов ЧКП. Такой же принцип применяется и для организации работы многоканальной структуры в других режимах работы ЧКП. Показатели ЭМС для различного числа каналов при выходном напряжении Ud0 = 620 B и выходной мощности Pd = 9500 Вт (fТ = 2400 Гц, L = 10 мГн, C = 10 мкФ) приведены в таблице.

С увеличением числа каналов преобразования N: а) искажения потреб ляемого из сети результирующего тока уменьшаются, и они значительно меньше искажений тока, потребляемого одним каналом;

б) амплитуда тока через каждый канал по сравнению с потребляемым из сети результирую щим током, уменьшается в N раз;

в) пульсации выпрямленного напряже ния (и тока) уменьшаются с ростом числа каналов N.

В отличие от программного алгоритма управления ЧКП с ШИМ на постоянной частоте, при следящем алгоритме управления отсутствует за данная частота развертки. Частота переключения ключей при следящем управлении определяется шириной токового коридора (чем больше, тем ниже частота коммутаций) и индуктивностью сопрягающих дросселей L (чем больше индуктив ность, тем ниже частота Таблица коммутаций). При этом Число Пульсации Коэффициент данная частота при следя- каналов выпрямленного гармоник вход щем управлении не являет- напряжения, ного тока КГ(i), % N ся постоянной величиной. 1 0,12 4, 2 0,042 3, При проведении ИКМ с 3 0,016 3, Pd = 11000 Вт, Ud0 = 600 B, L = 5 мГн, C = 60 мкФ, = 1 А средняя частота переключения ключей ЧКП составила 6 кГц, КГ(i) = 5,8%, пульсации выход ного напряжения = 1,3%.

Таким образом, при сравнении с программным алгоритмом управления при одинаковой выходной мощности, индук тивности сопрягающих дрос селей и емкости буферного конденсатора Кг(i) оказывается выше, несмотря на большую частоту переключения транзи сторов, а уровень пульсаций выходного напряжения снижа ется.

Проведено ИКМ преобра зователя частоты со звеном постоянного тока (ПЧЗПТ), который выполнен в виде двух Рис. 12. Временные диаграммы процессов последовательно включенных в ПЧЗПТ. f1=400 Гц, f2=50 Гц: а) - напря жение и ток сети 1;

б) – противоЭДС ЧКП. При этом один – ЧКП-1, ТИН1;

в) – напряжение и ток в звене по- работающий в режиме мало стоянного тока;

г) – противоЭДС ТИН2 и искажающего выпрямителя напряжение сети 2;

д) – напряжение и ток (МИТВ), своим входом под сети 2.

ключен к генерирующей сети 1 с напряжением частоты f1, а второй – ЧКП-2, работающий в режиме ТИН (то есть в режиме параллель ной работы с сетью) своим выходом подключен к другой сети 2, вклю чающий в себя в общем случае генератор (или генераторы) с напряжением другой частоты f2 и некоторую совокупность потребителей. Управление ЧКП-1 (ТИН-1), работающем в режиме МИТВ, осуществлялось по следя щему алгоритму, для управления ЧКП-2 в режиме ТИН использовался программный алгоритм. При использовании программного алгоритма для управления обоими преобразователями на данном этапе работы не удалось получить полностью активный характер входного и выходного токов (с cos = 1). Результаты ИКМ приведены на рис.12.

В пятой главе представлены результаты исследования МЭГС на базе бесконтактной АМ с возбуждением от ЧКП с программным алгоритмом уп-равления. Проведены ИКМ двух структур: МЭГС-1 («АВГ») и МЭГС- («ПСПЧ»). Управление ЧКП осуществляется с помощью двух ПИ регуляторов по каналам и µ. В качестве начального импульса энергии Рис. 13. Временные диаграммы напряжения АМ и выходного напряжения АВГ в процессе возбуждения.

для начала процесса самовозбуж дения АМ используется предва рительный заряд буферного кон денсатора в цепи постоянного тока ЧКП.

Регулирование выходного напряжения Ud в МЭГС-1 можно осуществлять только при измене Рис. 14. Зависимости параметров нии угла управления ЧКП, глу управления ЧКП и фазного тока АМ бина модуляции µ может оста- от мощности нагрузки АВГ.

ваться постоянной. При этом из меняется напряжение на выводах АМ. Для поддержания оптимального режима работы АМ управление должно осуществляться как по углу, так и по µ.

Проведено ИКМ МЭГС-1 при номинальной частоте вращения и из менении выходной мощности от нуля до номинальной мощности. На рис.

13 показаны временные диаграммы напряжения АМ и выходного напря жения АВГ в процессе возбуждения при номинальной нагрузке. На рис. показаны требуемые параметры управления ЧКП при изменении мощно сти (L = 8 мГн, C = 100 мкФ). При других значениях L параметры будут изменяться. Приведенные на данном рисунке зависимости параметров управления ЧКП от выходной мощности можно аппроксимировать сле дующими полиномами:

µ = -0,0001P3 + 0,003P2 - 0,0065P + 1,0749, (6) 3 = 0,008P - 0,1142P + 1,2898P + 1,1058. (7) Рис. 15. Зависимости параметров Рис. 16. Зависимости параметров управления ЧКП и мощности возбуж- управления ЧКП и мощности возбуж дения АМ от выходного напряжения. дения АМ от частоты вращения вала.

Параметры, полученные при ИКМ ЧКП в составе МЭГС-1 при L = 5 мГн, отличаются от параметров, полученных в главе 4 при ИКМ ЧКП при работе с сетью. Это вызвано наличием в системе индуктивности ЭМ (при этом учет данной индук тивности осложняется ее нели нейностью), а также влиянием работы ЧКП на напряжение АМ. В данном случае числен ные методы ИКМ обеспечива ют относительно простое ре шение задачи исследования таких МЭГС.

Из наличия в системе ин дуктивности обмоток ЭМ сле дует отсутствие принципиаль ной необходимости использо вания сопрягающих дросселей ЧКП. Таким образом, возмож но непосредственное подклю чение транзисторной мостовой схемы ЧКП к обмоткам АМ без сопрягающих дросселей.

Установлено, что МЭГС- позволяет регулировать в ши роких пределах выходное на Рис. 17. Временные диаграммы процессов пряжение. На рис. 15 показаны в МЭГС-2 «ПСПЧ». n=1000 об/мин, зависимости параметров f2=50 Гц: а) - напряжение и ток АМ;

б) – управления и мощности воз противоЭДС ТИН1 (МИТВ);

в) – напря буждения АМ Q1 от выходного жение и ток в звене постоянного тока;

г) – напряжения системы генери- противоЭДС ТИН2 и напряжение сети;

д) рования Ud при его изменении – напряжение и ток сети.

в пределах 550800 В. На рис. 16 показаны зависимости параметров управления и мощности возбу ждения генератора Q1 от частоты вращения вала генератора при ее изме нении в пределах 8001500 об/мин. При уменьшении частоты вращения значительно возрастает ток генератора. Таким образом, мощность нагруз ки в таких режимах должна быть снижена относительно номинальной мощности АМ.

Значения коэффициента гармоник напряжения АМ могут доходить до 30-35 % в зависимости от режима работы. В тех случаях применения, ко гда часть мощности АМ может отбираться от нее непосредственно для питания потребителей переменного тока, нечувствительных к изменению частоты, с целью снижения искажений напряжения на выходе АМ могут устанавливаться конденсаторы небольшой емкости (порядка 2-5 мкФ), которые совместно с индуктивностями рассеяния АМ осуществляют функцию фильтрации, и одновременно участвует в начальном самовозбу ждении АМ.

При подключении на выход системы МЭГС-1 («АВГ») трехфазного инвертора напряжения (ТИН2) получают систему генерирования перемен ного тока МЭГС-2 (типа «ПСПЧ»). Такая система, являясь альтернатив ным вариантом известной аналогичной МЭГС-2, но на базе синхронной машины, характеризуется конструктивно и технологически более простым исполнением электромеханической части – с одной стороны, а с другой стороны представляет собой более сложную нелинейную систему, практи чески неподдающуюся точному аналитическому описанию, что во многом является фактором, сдерживающим ее разработку и, в конечном счете, оценку перспективности ее широкого практического применения.

При проведении ИКМ системы ПСПЧ использован программный ал горитм управления обоими преобразователями. Глубина модуляции пре образователя ТИН2 поддерживалась постоянной на уровне µ = 1. В соот ветствии с этим при изменении выходного тока системы изменялось на пряжение в звене постоянного тока. Напряжение на выходе АМ при этом поддерживалось неизменным.

Временные диаграммы процессов в системе ПСПЧ при работе на сеть переменного тока приведены на рис. 17.

На рис. 18 показаны зависи мости активной мощности АМ и ее мощности возбуждения от ак тивной выходной мощности Рис. 18. Зависимости активной и реак МЭГС-2 (типа «ПСПЧ») при ее тивной мощности АМ от выходной работе на автономную активно- мощности системы ПСПЧ при работе индуктивную нагрузку с на автономную нагрузку.

cos = 0,8.

Установлено, что параметры управления ТИН2 в системе ПСПЧ не отличаются от параметров управления ТИН при работе его от идеального источника постоянного напряжения. Таким образом, результаты исследо вания ПЧЗПТ могут использоваться при синтезе МЭГС-2 (типа «ПСПЧ»).

Заключение 1. На основе обзора существующих машинно-электроннных генери рующих систем (МЭГС) проведена их систематизация. В основном, в та ких системах в качестве первичного источника используются синхронные машины. За последние годы выпущено большое число публикаций по МЭГС на базе асинхронных машин (АМ). В данной работе упомянуто бо лее 15 публикаций, большинство из них – иностранные. Это свидетельст вует о неослабевающем интересе исследователей в направлении создания такого типа систем и исследования возможностей их совершенствования.

2. Установлено, что с учетом современных достижений в области си ловой преобразовательной техники, сегодня имеются резервы совершенст вования автономных МЭГС, выполненных на базе бесконтактных АМ и четырехквадрантных преобразователей (ЧКП), также называемых трех фазными активными выпрямителями (ТАВ). Несмотря на значительное количество публикаций по теме настоящей работы, известные источники информации содержат недостаточный уровень информационно методического обеспечения для проектирования генерирующих систем на базе АМ с ЧКП, что сдерживает их практическое освоение.

3. Целью работы является исследование возможностей совершенство вания МЭГС на базе АМ с использованием ТАВ с ШИМ алгоритмом управления программного типа (с жесткой логикой) по синусоидальному закону. При этом сформулирован и решен ряд взаимосвязанных задач по получению модельного описания МЭГС и по созданию на этой основе ее имитационной компьютерной модели (ИК-модели), соответствующей по ставленной цели.

4. Для исследования работы АМ в генераторном режиме (в составе МЭГС) на основе известного ее модельного описания в непреобразован ной системе координат разработана модифицированная проблемно ориентированная модель трехфазной АМ, основанная на учете насыщения ее магнитной цепи.

5. С целью проверки модифицированного модельного описания АМ на функциональную его адекватность реальным процессам проведено имитационное компьютерное моделирование (ИКМ) АМ в автономном режиме с конденсаторами, обеспечивающими ее самовозбуждение, при работе на активную (R) и на выпрямительную нагрузку. Результаты иссле дования совпали с ожидаемыми, являются физически непротиворечивыми и подтвердили адекватность модельного описания и возможность его при менения в составе МЭГС.

6. С общепринятыми допущениями получено модельное описание комбинированного режима работы (МИТВ и КРМ) преобразователя (ЧКП) в составе МЭГС 1-го типа (асинхронный вентильный генератор – АВГ) и определены параметры управления ЧКП в данной системе. На основе ИКМ показана адекватность (с точностью не хуже 5-8%) полученного описания.

7. На основе ИКМ исследованы свойства и особенности построения ТАВ в многоканальном исполнении. Показано, что увеличение числа ка налов преобразователя позволяет увеличить мощность ЧКП при ограни ченной мощности одного канала и одновременно улучшить показатели электромагнитной совместимости (ЭМС).

8. С общепринятыми на уровне макромоделирования допущениями, разработаны и исследованы ИК-модели следующих систем:

8.1. ИК-модель МЭГС-1 – системы «асинхронный вентильный гене ратор»: АМ + ЧКП. Подтверждена возможность работы ЧКП с ШИМ ал горитмом управления по синусоидальному закону в комбинированном режиме, обеспечивающем потребление от АМ активной мощности с одно временным генерированием в нее емкостной составляющей тока.

8.2. ИК-модель МЭГС-2 – системы «ПСПЧ» в виде последовательно соединенных МЭГС-1 и ТИН с ШИМ по синусоидальному закону и с вы ходным фильтром. Проведенные на ее основе исследования:

– подтвердили возможность обеспечения устойчивой работы систе мы;

– создали основу для параметрической оптимизации при конкретно заданном техническом задании (ТЗ).

9. Рассмотрен также вариант, когда первичной сетью является или промышленная сеть, или синхронная машина с управляемым (независи мым) возбуждением, а ЧКП реализует только режим МИТВ (ТАВ). В этом случае удалось реализовать заданный режим работы ЧКП с использовани ем только следящего алгоритма управления (а не программного). Для окончательного решения вопроса о возможности работы ЧКП в составе преобразователя частоты со звеном постоянного тока с использованием программного алгоритма исследования должны быть продолжены.

10. В модели АМ использована усредненная характеристика намагни чивания, введенная для принципиальной возможности реализации режима асинхронного самовозбуждения (АСВ). Следующим этапом работ по соз данию предпосылок для разработки МЭГС-2 типа ПСПЧ на базе бескон тактной АМ является создание информационно-методического обеспече ния для решения комплекса задач по параметрической оптимизации сис темы с учетом реальной характеристики намагничивания АМ и реальных параметров ключей ЧКП. Здесь должны решаться вопросы определения массогабаритных показателей и КПД системы с учетом поставленных тре бований и ограничений, что целесообразно и возможно только при кон кретно поставленном ТЗ.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Горякин Д.В., Мыцык Г.С. Исследование режимов работы трех фазной мостовой инверторной схемы // Электричество. – 2012.- №5. – С.23-31.

2. Горякин Д.В., Мыцык Г.С. Трехфазная мостовая инверторная схема в режиме компенсатора реактивной мощности // Практическая силовая электроника №1(45)/2012. – М.: ММП-Ирбис. С.13-17.

3. Горякин Д.В., Мыцык Г.С. Вентильный генератор на основе асинхронной машины с управляемым самовозбуждением // Научно технический сборник «Известия ВА РВСН имени Петра Великого» № 251. – М.: ВА РВСН имени Петра Великого, 2012. – 758с. С.216-224.

4. Горякин Д.В. Исследование и использование функциональных свойств мостовой инверторной схемы в режиме активного (или малоиска жающего) выпрямления // XII Всэмирный электротехнический конгресс.

Сборник тезисов. 4-5 октября, ВЭЛК. Москва, 2011. С.88-89.

5. Горякин Д.В. Исследование и использование функциональных свойств трехфазной мостовой инверторной схемы в режиме управляемого реактивного сопротивления для применения в составе автономной систе мы электроснабжения // Федоровские чтения – 2011. XLI Всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) с элемен тами научной школы для молодежи. Москва, 9-11 ноября 2011 г. – М.: Из дательский дом МЭИ, 2011. С.205-207.

6. Горякин Д.В. Исследование трехфазной мостовой инверторной схе мы в режиме регулируемой емкости // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Восемнадцатая Междунар. Науч.-техн. Конф. Студентов и аспирантов: Тез. Докл. В 4 т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2012.

С.239-240.

7. Горякин Д.В. Система генерирования для малой энергетики на базе асинхронного вентильного генератора // Федоровские чтения – 2012. XLII Всероссийская научно-практическая конференция (с международным уча стием) с элементами научной школы для молодежи. Москва, 7-9 ноября 2012 г. – М.: Издательский дом МЭИ, 2012. – 164 с. (с.151–152).

_ Подписано в печать Зак. Тир. Пл.



 


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.