Содержание к диссертации
стрг,
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ПРОЕШШ ШПОЛЬЗОВАДОЯ ГШЕРАТОРНОГО РЕЖИМА АСИНХРОННЫХ
МШИН II
1.1. Проблемы электромеханического преобразования энергии
в ветроэнергетике II
Систематизация и анализ известных технических решении по АГ 17
Анализ теоретических исследований АГ 22
Выводы 30
2. ШСЛВДОВАШІЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В АСШРШНСМ
РЕЗОШЮНОМ ГЕНЕРАТСРЕ 31
Самовозбуждение АРГ с точки зрения параметрического резонанса .. 31
Исследование АРГ как авт опер встраиваемой автоколебательной системы 34
Метод кратных частот и динамика АРГ при управляющем воздействии этим методом 60
Выводы 68
3. ВОПРОСЫ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРСННЫМИ ГЕНЕРАТОРАМИ 70
Постановка задач 70
фухконтурный АРГ 72
Принципы построения АРГ в САРН 78
Новые способы управления АРГ 80
Управление возбуждением АГ с точки зрения АКС .35
Перспективы использования АГ в ВЭУ гарантированного электроснабжения 97
Выводы Д00
4. АРГ В ЗАМКНУТШ СИСТЕМЕ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
НАПРЯЖЕНИЯ ., 102
Основные особенности АРГ как объекта регулирования ... 102
Обоснование соответствия САРН АРГ требованиям к качеству регулирования 103
Выбор и обоснование расчетной модели двухконтурного
АРГ III
4.4. Алгоритм и программа расчета установившихся режимов
и элементов намагничиваицего контура 117
4.5. Опыт разработки и практического использования
АРГ в ВЗУ .... 121
4.6. Пути повышения эффективности использования ВЭУ ....... 129
4.7. Выводы ,... 131
ЗАКШШИ& ... 133
ЛИТЕРАТУРА 135
ПРИЛОШЙЙ 147
Введение к работе
Энергетические ресурсы планеты в последнее время становятся одним из решающих факторов в дальнейшем развитии цивилизации. Ограниченность ископаемых энергетических ресурсов Земли приводит к поиску новых источников энергии, например, выделяющейся при распаде или синтезе ядер атомов, и к освоению возобновляющихся (энергии солнечного излучения, геотермальных вод, ветра, приливов и отливов и т.д.). В СССР использованию возобновляющихся источников энергии придается большое значение. Это отражено и в решениях ХХУІ и ХХУІІ съездов КПСС. В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986...1995 годы и на период до 2000 года" указывается: "На основе использования достижений науки и техники ... увеличить масштабы использования в народном хозяйстве возобновляемых источников энергии (гидравлической, солнечной, ветровой, геотермальной)".
Примером, подтверждающим важность решения этой проблемы, может служить опыт применения ветроэнергетических установок (ВЭУ) в Антарктиде на станции Новолазаревская для обогрева жилых помещений и энергообеспечения взлетно-посадочной полосы в период с двадцать девятой по тридцать третью Советских антарктических экспедиций. Если учесть только стоимость доставки в Антарктиду жидкого топлива (до 1000 руб. за тонну) и потребность в электроэнергии для обеспечения жизнедеятельности оеми постоянно действующих антарктических станций, станет понятной важность этой проблемы.
Обширная территория СССР оснащене широко разветвленной сетью авиалиний, которая продолжает развиваться. Обеспечение безопасности полетов требует дальнейшего развития и совершенствования системы наземного обслуживания самолетовождения (ЗОС). Соответственно возрастают и потребности в электроэнергии для обеспечения аэродро-
мов и системы ЗОС. В ряде случаев указанные потребности в электроэнергии целесообразно удовлетворять за счет местных источников, в частности, энергии ветра. В первую очередь это относится к аэродромам местных авиалиний и станциям ЗОС, удаленных от централизованных линий электропередач, железнодорожных и шоссейных магистралей.
Современный уровень развития науки и техники позволяет решать проблему использования энергии ветра на качественно новом уровне. Однако особенности ветра как источника энергии ставят задачу его использования в ряд труднорешаемых. Основная трудность заключается в противоречии, которое вытекает из необходимости непрерывного энергообеспечения потребителей при случайном характере скорости ветра. Такая задача не может быть эффективно решена без применения резервных источников и аккумулирования энергии.
Выжное значение в преобразовании энергии ветра в электрическую имеет тип генератора, применяемый в ВЭУ. Основные требования, предъявляемые к генераторам для ВЭУ, - управляемость, бесконтактность, простота конструкции и высокая эксплуатационная надежность.
В СССР для ВЭУ мощностью менее I кВт используют магнитоэлектрические генераторы (МЭГ). В начале 70-х годов была разработана специальная серия бесконтактных синхронных генераторов (СГ) с ког-теобразными полюсами ротора для ВЭУ мощностью I, 2, 4, 8, 16 и 30 кВт. Хотя они и отвечают требованиям по условиям применения (группа У, категория размещения I по ГОСТ 15.150-69) и надежности, их массогэбаритные показатели, высокая стоимость и сложность включения на параллельную работу с промышленной сетью делают этот тип генераторов для использования в ВЭУ неперспективным.
Большинство зарубежных фирм в своих разработках наряду с МЭГ и СГ используют асинхронные генераторы (АГ)Й, причем область их
} В работе под термином "асинхронный генератор" понимается асинхронная машина с си-отеиой возбуждения и регулирования.
6->
использования в последние годы расширяется. Это обусловлено следующими причинами:
стремлением снизить капитальные затраты на электрооборудование ;
простотой схемных решений и повышенной устойчивостью работы ВЭУ с АГ на промышленную электросеть;
стремлением уменьшить массу головки ВЭУ, тем самым увеличить запас прочности конструкции ветроагрегата (ВА) и снизить его металлоемкость.
Таким образом, задача создания электрогенератора для ВЭУ на основе асинхронных машин является актуальной. Однако, несмотря на существенные преимущества АГ, их применение в ВЭУ сдерживается рядом нерешенных задач.
Прерывистый характер скорости ветра определяет и характер работы ветрогенератора. Число его циклов "возбуждение-развозбужде-ние" может достигать нескольких десятков в течение часа. В то же время ВЭУ до 30 кВт целесообразно эксплуатировать без наблюдения. Поэтому в ветроэнергетике обеспечение устойчивости процесса самовозбуждения АГ имеет важное значение. Глубокое и верное понимание процесса самовозбуждения АГ позволит сделать правильный подход к выбору наиболее благоприятных условий и режимов для устойчивого развития этого процесса. В его трактовке имеются серьезные противоречия, указывающие на то, что этот процесс изучен недостаточно глубоко.
Для автономных ВЭУ мощностью до 30 кВт целесообразно применение АГ с конденсаторным возбуждением (резонансных АГ). В условиях переменной частоты вращения ветроколеса и изменения нагрузки требуется создание быстродействующего регулятора напряжения, обеспечивающего заданное качество регулирования и требования к форме кривой генерируемого напряжения.
Использование AM общепромышленных серий в генераторном режиме сопряжено с необходимостью устранения возможной перегрузки машины реактивным током с учетом обеспечения стандартного значения напряже-ния на нагрузке» Эта задача особенно актуальна в случае АР'до 10 кВт.
Случайный характер скорости ветра делает задачу создания источников гарантированного электроснабжения на базе ВЗУ актуальной; Применение ВЗУ в автономных источниках с дизельными двигателями позволит существенно снизить расход жидкого топлива, экономить ресурс двигателей и в ряде случаев снизить стоимость электроэнергии.
Важное значение имеет тип генератора, используемого в автономных источниках электроснабжения. Применение в них резонансных АГ (АРГ), обладающих частотной избирательностью, позволит более простыми способами обеспечить необходимое качество электроэнергии и снизить затраты на создание таких источников.
В работе ставятся следующие задачи:
объяснение процесса, самовозбуждения АРГ с позиции классической нелинейной теории колебаний и выработка рекомендаций по обеспечению устойчивости этого процесса;
разработка рациональных способов управления, удовлетворяющих требованиям к генераторам для ВЗУ;
отыскание возможности устранения перегрузки реактивным током серийных AM, работающих в генераторном режиме;
разработка методики расчета на ЭВМ элементов цепи возбуждения и установившихся режимов АРГ в соответствии с разработанными способами управления;
экспериментальная проверка адекватности разработанных экспериментальных и математических моделей*
Диссертационная работа посвящена решению указанных задач применительно к ВЗУ мощностью до 30 кВт.
Научная новизна работы определяется следующими выполненными
теоретическими и экспериментальными исследованиями:
і) найдено объяснение механизма самовозбуждения АРГ с учетом начальных условий и явления частотной автоперестройки автоколебательной системы (АКС);
предложен и обоснован новый метод управления АРГ - метод кратных частот;
теоретически и экспериментально исследованы переходные процессы в АРГ при регулирующем воздействии методом кратных частот;
теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность устранения перегрузки реактивным током серийных AM, работающих в генераторном режиме;
разработана методика расчета установившихся симметричных режимов и элементов цепи возбуждения двухконтурного АРГ с учетом особенностей метода кратных частот, включающая алгоритм и программу расчета на ЭВМ.
Практическая ценность работы определяется следующими результатами:
предложены и защищены авторскими свидетельствами новые способы и устройства управления АРГ, реализующие метод кратных частот и обеспечивающие качество генерируемого напряжения, определяемое стандартом;
практически реализован предложенный способ устранения перегрузки реактивным током серийных AM, работающих в генераторном режиме;
даны рекомендации по проектированию АРГ, удовлетворяющих требованиям к генераторам для ВЭУ;
Предложены и защищены авторскими свидетельствами новые технические решения, позволяющие создать надежные автономные источники гарантированного электроснабжения на основе ВЗУ с применением АРГ.
Научные результаты, диссертационной работы использованы при
разработке опытного образца АРГ для ветроводрподъемной установки мощностью I кВт; опытных образцов АРГ мощностью до 8 кВт, прошедших испытания в Антарктиде на станции Новолазаревская; ряда АРГ для ВЭУ мощностью 4, 8, 16 и 30 кВт*
Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на научно-технических семинарах и научно-техническом совете НПО "Ветроэн" в 1981... 1987 г.г.; на заседаниях кафедры "Электрические машины и аппараты" Куйбышевского политехнического института в 1986 и 1988 г.г.; в 1984 г. на ведомственной конференции по ветроэнергетике в г. Истра Московской обл.; на Второй Всесоюзной конференции по возобновляющимся источникам энергии, г. Ереван, 1985 г.; на научно-практической конференции по итогам 1985 рада Кубанского сельскохозяйственного института, г. Краснодар, 1986 г.; на Первой Всесоюзной конференции по электромеханотронике, Ленинград, 1987 г.; на пленарном заседании подсекции Научного совета АН СССР "Электромеханические преобразователи электрической энергии", г, Цущнно Московской обл.,1988 г.
На защиту выносятся:
результаты теоретических и экспериментальных исследований, раскрывающие с учетом начальных условий механизм самовозбуждения АРГ как явление частотной автоперестройки АНП;
методика расчета процесса самовозбуждения АРГ как нелинейной автопервстраиваемой АКС при ненулевых начальных условиях;
метод кратных частот, обеспечивающий эффективное регулирование напряжения генератора;
способ устранения перегрузки реактивным током серийных AM, работающих в генераторном режиме, и его теоретическое обоснование;
методика расчета установившихся симметричных режимов двух-контурного АРГ и элементов намагничивающей цепи с учетом особенностей метода кратных частот, включающая алгоритм и програішу расчета
на ЭВМ;
б) новые способы и устройства возбуждения и управления АГ;
І) результаты испытаний макетных и опытных образцов АРГ на лабораторном стенде, полигоне и в Антарктиде*
Работа выполнена в соответствии с планом научно-производственного объединения "Ветроэн", разработанным на основании программы по решению целевой комплексной научно-технической проблемы 0.01,08 "Создать и внедрить солнечные, геотермальные, ветровые установки и устройства для производства тепла и электрической энергии"в соответствии с постановлением ПОТ СССР, Госплана СССР и АН СССР № 516/272/174 от 29 декабря І98Г г.
Г. ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕНЕРАТОРНОГО РЕЖИМА АСИНХРОННЫХ МАШИН
В разделе обосновывается целесообразность использования АГ в ВЭУ, систематизируются и анализируются известные технические решения по АГ, дается их критическая оценка с точки зрения применения в ВЭУ, приводится анализ теоретических исследований процесса самовозбуждения, переходных и установившихся режимов АГ, намечается направление теоретических исследований.
I.I. Проблемы электромеханического преобразования энергии в ветроэнергетике
Для ветроэнергетики настоящее время характерно формированием новых концепций в использовании энергии ветра, пришедших на смену старых, выработанных многими поколениями. Этого потребовало широкое использование электроэнергии и расширение номенклатуры ее потребителей. Поэтому в настоящее время назрела необходимость исследования вопросов, связанных с обоснованным выбором рационального типа электрогенераторов для ВЭУ. Своевременное и верное решение этой проблемы позволит ускорить создание ВЭУ нового поколения и снизить затраты на возрождение ветроэнергетики.
Еще не сложилось четкое представление какому типу электрогенератора для ВЭУ следует отдать предпочтение. При высказываниях в пользу применения того или иного типа генератора учитываются далеко не все особенности ветроэнергетики. Обоонование часто строится на каком-либо одном преимуществе данного типа генератора без учета оптимизации схемы преобразования энергии.
Важнейшие требования, предъявляемые к генераторам для ВЭУ -простота конструкции и высокая эксплуатационная надежность.
Следует отметить также специфические особенности ветроэнергетики, определяющие дополнительные требования к генераторам для ВЭУ.
Во-первых, изменение мощности на валу ветродвигателя (ВД) носит случайный характер, а средняя выработка ВЭУ существенно зависит от возможностей использования энергии слабых ветров. В связи с этим требуется обеспечить высокую прочность и надежность подшипниковых узлов машины и возможность управления ее магнитным потоком .
Во-вторых, ВД имеет низкую номинальную частоту вращения вала, которая определяется оптимальной расчетной скоростью ветра и конструктивными параметрами ветроколеса (ВК). Уже при расчетной скорости ветра 10 м/с и диаметре ВК 6 м трудно получить номинальную частоту вращения вала ВД свыше 350 об/мин /*88у. Поэтому при выборе генератора для ВЭУ следует идти по пути снижения номинальной частоты вращения ротора генератора с учетом оптимизации схемы преобразования энергии по массе, КПД, стоимости.
В-третьих, случайный характер изменения скорости ветра затрудняет задачу обеспечения параллельной работы ВА друг с другом и о промышленной сетью. Из этого следует, что устойчивая параллельная работа ВА возможна в случае мягкой механической характеристики системы "ВД - генератор - нагрузка" или в случае стабилизации частоты генерируемого напряжения.
В-четвертых, в диапазоне скоростей ветра, ниже расчетной, механическая характеристика ВД мягче соответствующей характеристики генератора любого типа. Поэтому при частотах вращения ВД, ниже номинальной, система "ВД - генератор - статическая нагрузка" неустойчива. Устойчивость такой системы достигается за счет регулирования нагрузки ВД. Проще всего это можно осуществить посредством регулирования возбуждения генератора.
Кроме того, ВЭУ по отношению к автономным источникам электроснабжения, работающих на жидком топливе, должны быть конкуревт-носпособнныи уже теперь, когда в природе имеются запасы топлива. Рэзвитие ветроэнергетики должно быть направлено прежде всего на экономию сырья, используемого сейчас как топливо, и сохранения его для будущих поколений. Поэтому снижение стоимости электрооборудования, составляющей в настоящее время до 40 % от стоимости ВЭУ, имеет существенное значение.
Таким образом, специфические особенности ветроэнергетики налагают дополнительные требования к генераторам для ВЭУ. Промышлен-но освоенвне типы генераторов всем этим требованиям не удовлетворяют. Необходимо рассмотреть наиболее распространенные типы генераторов с точки зрения их применения в ВЭУ.
Коллекторные машины постоянного тока не удовлетворяют вышеперечисленным требованиям по условиям эксплуатации и надежности. Они имеют низкие массо-габаритные и экономические показатели, высокий начальный статический момент сопротивления, сужают область использования ВЭУ или требуют дополнительного преобразования чэнер-гии. Эти причины исключают возможное» их использования в ВЭУ.
Синхронные генераторы устойчиво возбуждаются, обладает высокой перегрузочной способностью и за исключением СГ с постоянными магнитами обеспечивают широкий диапазон регулирования напряжения на нагрузке. Тем не менее для ВЭУ широкого применения рекомендовать этот тип генератора нельзя. Причины излагаются ниже.
Среди СГ наибольшее распространение получили генераторы с обмоткой возбуждения на роторе. В СССР разработаны СГ серии ОС с возбуждением по третьей гармонической составляющей ЭДС /~ІОіу. Наличие контактно-щеточного узла и чувствительность к вибрациям системы возбуждения исключают возможность размещения таких гене-
paторов на башне ВА. Условия эксплуатации ВЭУ требуют использования бесконтактных генераторов,
С начала шестидесятых годов начали разрабатываться и получили распространение на транспортных средствах СГ с бесщеточным возбуждением. Предложены различные модификации бесщеточных СГ /"42, 43, 44, ТОУ, в том числе в СССР с магнитным совмещением обмоток /~85J*
Бесщеточные генераторы обладают высоким коэффициентом усиления. Однако, необходимость в двух или даже трех системах, совмещенных в одном генераторе, и вращающемся выпрямителе, а также невысокое быстродействие ограничивают их применение в ВЭУ.
В начале семидесятых годов была разработана специально для ВЭУ серия бесконтактных генераторов с когтеобразным ротором типа СГВ /"101 у. В настоящее время налажено серийное производство генераторов СГВ4 мощностью 4 кВт. За базовые размеры сердечника якоря этих генераторов приняты типоразмеры пакета якоря AM серии А02. Таблица I.I. иллюстрирует существенное ухудшение показателей базовой AM при создании на ее основе генератора типа СГВ.
Таблица I.I. Сравнительные показатели электрических машин
Базовые асинхронные машины '
Генераторы, -основанные на базовых машинах
, , . ,
Масса,'! Стои-
кг 1мс;ь»
!размер !ность,
і і
Типо-! Мощ- ! Масса,! Стой- | Тип ! Типо-'! Мощ-
размер!ность,! „_ їмость, * .--
5 !
( кВт f кг ( руб
! 2 !
8 ! 9
!
3 ! 4
Продолжение таблицы I.I.
I I 2 І З І 4 \ 5 і б ,1 7 ,1 8 і 9
А02-92 100,0 510,0 501,0 СГВЗО 30,0 710,0 1640,0
4A8QB4 1,5 18,3 42,0 АГІ 1,0 18,3 4г»0
4AI0OS4 3,0 37,0 63,0 Асин- АГ2 2,0 37,0 63,0
4АІЩ4 5,5 58,0 84,0 хрон- АГ4 4,0 58,0 84,0
4АІ32М4 11,0 97,0 125,0 ные АГ8 8,0 97,0 125,0
4АІ8054 22,0 180,0 230,0 АГІ6 16,0 180,0 230,0
4А200И4 37,0 275,0 330,0 АГЗО 30,0 375,0 330,0
Низкие|марсо-габаритные показатели и принятое значение номинальной частоты ротора (1500 об/мин) привели к тому, что генераторы СГВ не могут иметь широкого спроса других потребителей. По этой причине годовая программа выпуска СГВ не превышает 600 шт., что в свою очередь определило их высокую стоимость. Важно заметить, что устойчивая параллельная работа CF с приводом от ВД проблематична.
Перечисленные недостатки СГ и, в частности, СГВ намного уменьшают значимость их преимуществ, так как хорошая управляемость и высокая жесткость внешней характеристики могут быть обеспечены в других типах генераторов достаточно простыми средствами.
Таким образом, при широком развитии ветроэнергетики синхронные генераторы не перспективны. Однако не исключается возможность их применения в ВЭУ специального назначения.
Существует мнение о целесообразности использования в автономных ветроустановках МЭГ /~54j» Такое мнение обосновывается лишь преимуществом безредукторной передачи момента, достигаемым за счет ухудшения'мадео-габаритных показателей МЭГ. МЭГ обладают всеми недостатками СГ. Кроме того исключена возможность управления их напряжением. К тому же в случае непосредственной механической связи МЭГ и ВД габаритные размеры и масса генератора возрастают не толь-
до в связи с увеличением установленной мощности ВЭУ, но и вследствие уменьшения оптимальной расчетной частоты вращения ВК. Это приводит к резкому увеличению их массы, габаритных размеров и стоимости, которые для ветроэнергетики становятся неприемлемыми. Указанные причины ограничивают возможность использования МЭГ в ВЭУ.
Обоснованный интерес представляет использование в качестве генератора для ВЭУ асинхронных машин общего применения* Такой интерес обусловлен широким использованием АН в народном хозяйстве и широкой шкалой их номинальных мощностей. В ДМ с короткозамкнутым ротором привлекают внимание простота конструкции, бесконтактность, высокие удельные массо-габаритные и экономические показатели (табл. I.I.). С точки зрения применения в ВЭУ немаловажно, что AM имеют повышенную надежность при периодически повторяющихся динамических нагрузках на вал. АГ как и СГ требуют согласования по частоте вращения с валом ВД. Однако, в случае AM эта задача легко разрешима при использовании в качестве АГ серийных мотор-редукторов. Устойчивая параллельная работа АГ возможна в пределах критического скольжения, величина которого для основного исполнения машин достигает 20 %, для машин с повышенным скольжением - до 60%. Следовательно существенно упрощается задача параллельной работы ВА друг с другом и с промышленной сетью даже в случае жесткой механической характеристики ВД и жесткой связи его вала с валом генератора*
Следует особо выделить так называемые асинхронизированные синхронные генераторы (АСГ) или, иначе, машины двойного питания ^26, 28_/. АСГ - единственный тип генератора, обеспечивающий стабилизацию частоты генерируемого напряжения. |Поэтому, несмотря на наличие в них контактно-щеточного узла, использование АСГ в мощ-
ных ВА свыше 100 кВт, предназначенных для параллельной работы, особенно перспективно.
Таким образом, с точки зрения массо-габаритных показателей, надежности и возможности применения серийных машин широкой номенклатуры по мощностям и частотам вращения наиболее перспективными для малой ветроэнергетики (до 100 кВт) являются АГ, Однако, их применение сдерживается рядом нерешенных задач, что определило АГ как объект исследования в настоящей диссертационной работе.
1.2» Систематизация и анализ известных технических решений по АГ
Технические решения в отношении АГ можно систематизировать по двум признакам:
по способу создания реактивной мощности;
по способу управления возбуждением.
К первой группе относятся АГ с конденсаторным возбуждением. Поскольку в них цепь намагничивающего тока обладает всеми признаками резонансных цепей, далее такие генераторы в работе будут называться асинхронными резонансными генераторами (АРГ). В АРГ требуемый намагничивающий ток создается посредством пассивного реактивного двухполюсника, обладающего емкостной проводимостью.
Ко второй группе относятся АГ, в которых реактивная мощность емкостного характера создается полупроводниковыми источниками реактивной мощности (ИРМ) - активными четырехполюсниками, выполненными ва основе ствїнческого преобразователя. Такой тип АГ принято называть асинхронными вентильными генераторами (АВГ) /*12, 56, 84_/.
К Третьей Группе ОТНОСЯТСЯ АГ, В КОТОРЫХ ОПережаЮЩИЙ ТОК 003т-
дает посредством синхронного /"70,/ или асинхронного fZ5j компенсаторов, выполненных совмещенными с основной машиной. Такие ге-
нераторы сложны в изготовлении, обладают низкими массо-габаритными и экономическими показателями и поэтому для использования в ВЭУ не перспективны. В дальнейшем основное внимание будет уделяться только АГ, которые могут быть выполнены на основе серийных AM и в которых система возбуждения может быть вынесена за пределы ВА. По второму признаку АГ можно представить также тремя группами:
АГ с непрерывным регулированием по возмущению и (или) отклонению регулируемой величины от заданного значения /"3_7;
АГ с релейным регулированием /~2, 13_7;
АГ с импульсным регулированием по фазе /"8_/ или частоте /"127.
Следует рассмотреть известные способы регулирования (стабилизации) напряжения АРГ.
Простейший способ стабилизации напряжения АРГ основан на использовании нелинейности вольт-амперной характеристики (ВАХ) машины. При постоянной частоте вращения приводного двигателя и повышенном коэффициенте насыщения К = 2,75 такой АГ обладает приемлемой внешней характеристикой для электропитания, например, ручного сельскохозяйственного инструмента /^82, 103_/. Однако, при этом исключается возможность использования серийных AM.
Предпринимались попытки достичь желаемого эффекта при регулировании напряжения АРГ переносом технических идей, используемых для СГ, например, компаундирующих систем flSj. Область использования таких технических решений - АГ мощностью до I кВт при малых изменениях внешних воздействий*
Ряд технических решений посвящен АРГ с непрерывным регулированием, в которых используют нелинейные свойства реактивного параметра намагничивающего контура. Так, в устройствах для автома-
тической стабилизации напряжения APT f7,&J эффект регулирования достигается соответствующим изменением проводимости насыщающегося дросселя- Даже в сравнительно узком диапазоне внешних воздействий затраты мощности на регулирование велики* Поэтому такой способ управления дальнейшего распространения не получил.
Способ управления АРГ подмагничиванием спинки статора /~ZJ более эффективен. Однако,необходимость размещения в пазах статора дополнительной обмотки ухудшает массо-габаритные показатели машины и исключает возможность использования серийных AM.
Широкого диапазона регулирования напряжения АРГ можно достичь при периодическом замыкании части фазных обмоток AM, например, в соответствии с f 9_/. Автор этого способа в дальнейшем рассмотрел различные варианты его реализации в однофазном АРГ flQSJ, Основной недостаток способа заключается в искажении кривой напряжения АГ, вызванном коммутацией обмоток машины. Применение L С -фильтров позволяет устранить этот недостаток лишь частично. Другой недостаток способа проявляется в дополнительных механических нагрузках на обмотки и подшипниковые узлы машины, которые неизбежно возникают при коммутациях тока в обмотках.
В последние годы значительное внимание уделяется способам управления АРГ, основанным на регулировании реактивной мощности силовых конденсаторов. Так с целью снижения затрат мощности на регулирование и упрощения системы управления предлагается использовать вариконди /"55, 92_/. Однако высокая стоимость варикондов, низкая удельная емкость и ограниченность их применения делают генераторы с варикондами неперспективными.
Разработка силовых управляемых полупроводниковых приборов существенно расширила возможности дискретного управления АРГ.
Известно устройство дискретного регулирования напряжения /"10у,
в котором коммутация управляемой группы конденсаторов осуществляется путем периодических коротких замыканий выхода выпрямителя.
При таком способе управления энергия, запасенная в конденсаторах к моменту их коммутации, не равна нулю. Это вызывает броски тока в коммутируемых цеаях, что приводит к механическим биениям ротора, а возникающая на обмотках машины ЭДС самоиндукции - к перенапряжениям на элементах коммутатора.
Для устранения этих недостатков предложено периодически переключать управляемую группу конденсаторов с фазных обмоток AM к источнику напряжения, приблизительно равного амплитудному значению напряжения генератора fllj. При выбранном авторами широт-ноимпульсном способе регулирования эффект достигается лишь при углах коммутации, близких 90 эл.град., что не оправдывает существенного усложнения системы управления АРГ.
С целью устранения коммутационных перенапряжений на элементах коммутатора предложено /*13/ управляемую конденсаторную группу коммутировать в моменты времени, когда мгновенное значение напряжения на конденсаторах этой группы равно нулю. В случае релейного метода регулирования такой способ управления вызывает недопустимые модуляционные искажения напряжения генератора.
Таким образом, несмотря на заманчивую простоту идеи управления АРГ путем дискретного управления силовыми конденсаторами, ее техническая реализация вызывает серьезные затруднения.
В последние годы быстро развивается другое направление -асинхронные вентильные генераторы, которые можно представить двумя группами.
В АВГ первой группы требуемая реактивная мощность для намагничивания машины создается посредством тиристорного ИРМ (рис. І.І.) - инвертора со эвеном постоянного тока и искусственной коммутацией тиристоров, образующих совместно с AM зэмкнутую систему автома-
Тиристорний источник реактивной мощности
j->nr\
/
vu*
d}7S7
JZS?
Рис. I.I
Асинхронный вентильный генератор
~L/7S
ТИРМ
AM - асинхронная машина;
ТИЙІ - тиристорний источник реактивной мощности; СУ - система, управления АВГ; ЗГ - задающий генератор; Н - нагрузка
Рис. 1.2
тического регулирования напряжения генератора (рис. 1.2»). АВГ наиболее глубоко исследованы в работах Куйбышевского ПИ /~56, 84 J и фирмы "Борг-Уорнер"ГСША)/7(9/,
В АВГ второй группы реактивная мощность создается непосредственным преобразователем частоты (НПЧ). НПЧ наиболее глубоко исследованы сотрудниками фирмы "Вестингаус" (США) fZ9_/.
Общими недостатками ТИРМ и НПЧ являются их сложность и низкая надежность. Это определяет низкую надежность и высокую стоимость АВГ в целом. Кроме того, для возбуждения АВГ требуется посторонний источник электроэнергии или подвозбудитель, например МЭГ. Генерируемое напряжение АВГ содержит широкий частотный спектр гармонических составляющих. Его коэффициент гармоник превышает 20%. Это затрудняет электропитание ряда потребителей, исключает возможность электропередачи по воздушной линии и требует надежной экранировки устройств. АВГ могут быть конкурентноспособны по отношению к АРГ при мощности, превышающей 30 кВт /"56, 108,/.
Таким образом, отмеченные недостатки АВГ указывают на нецелесообразность их применения в ВЭУ мощностью до 30 кВт, для которых требуется разработка более простых надежных и дешевых генераторов.
1.3. Анализ теоретических исследований АГ
Исследования генераторного режима AM предопределены многими работами советских и зарубежных исследователей в области электрических машин. Трудами советских и зарубежных ученых Б. Адкинса, В. А. Веникова, А. А. Горева, А. В. Иванова-Смоленского, И. П. Ко-пылова, И. М. Постникова, Н. Й. Трещева, Д. Уайта, В. А. Шубенко, А* А. Янко-Троицкого и др. Решены вопросы общей теории и проектирования AM /"І, ЗІ, 38, 53, 81, ЮОу. Большой вклад в теорию переходных процессов AM внесли В. А. Веников, К. П. Ковач, Е. Я. Ка-
зовский, В. Лайон, И. Рац, СВ. Страхов и др. /30, 58, 59, 67, 94/. Трудами В. А. Балагурова, А. И. Бертинова, Д. А. Бута, В. А. Винокурова, С. Р. Мизюрина, В. Т. Морозовского и др. /"21, 22, 29, 47, 72, 74/ решены многие вопросы теории и проектирования специальных электрических машин и систем.
Возрастающий интерес к генераторному режиму AM вызвал появление большого числа работ, в которых исследователи решают различные вопросы теории и практики применения АГ. Монографии М. М. Ботвинника, Ю. Г. Шакзряна /"26/ и Д. Э. Брускина /"28/ посвящены общим вопросам устойчивости и управления АСГ. В последующих работах Ю. Г. Іакзряна, В. И. Радила, А. Е. Загорского и др. /83, 104/ решаются вопросы управления и проектирования АСГ, исследуются их статические и переходные режимы. В работах М. Л. Косгыре-вэ и А. И. Скороспешкина решаются вопросы возбуждения, управления, моделирования, автоматизации проектирования и практического использования АВГ с короткозамкнутым ротором /56, 84, 9І_/. Многие работы С. И. Кициса посвящены исследованию различных режимов AM при емкостном возбуждении /50, ... 52/.
На развитие исследований последний лет по АГ в СССР оказали влияние монографии Р. Рихтера /"87/, А. А. Иванова /"46/, Ю. А. Зубкова /"45/, Н. Д. Торопцева /"98/.
При исследовании АРГ применяются различные подходы и методы. Чаще всего применяют методы общей теории электрических машин. Встречаются работы, в которых АРГ отождествляют с параметрической системой /27, 40, 50, 75, 89/. В работах /49, 76, 77/ АРГ рассматривается как АКС. При теоретических исследованиях используют графический, графо-аналитический, аналитический и численный методы.
Процесс самовозбуждения АРГ исследован меньше всего. В литературе приводятся различные трактовки механизма этого процесса.
В наиболее ранних работах /"35, 45, 46, 87 J процесс самовозбуждения АРГ связывается с существованием остаточного поля ротора и протеканием в обмотках статора опережающего тока. При этом условие самовозбуждения выражается через резонансную частоту, найденную для критического значения емкости. В этих работах рассмотрено влияние нелинейности эквивалентной индуктивности машины в области слабых токов на процесс самовозбуждения. Возможность этого процесса определяется остаточной ЭДС ротора, превышающей некоторый критический уровень. Таким образом, в ранних работах приводится лишь качественный анализ процесса самовозбуждения АРГ»
Путем экспериментальных исследований С. К. Бохян доказывает /"27У, что критерии самовозбуждения, указанные в /"35, 46.7, недостаточны, поскольку они "устанавливают лишь частные условия". В качестве модели исследования он принимает резонансный контур с периодически изменяющейся индуктивностью (рис. 1.3.) и выводит критерий самовозбуждения через постоянную времени цени возбуждения. При этом приводится следующая трактовка процесса самовозбуждения АРГ. В области слабых токов проявляется только динамический момент яэнополюсности, а в установившемся режиме колебания поддерживаются за счет генераторного асинхронного момента.
Изложенный взгляд на процесс самовозбуждения АРГ сам по себе противоречив. Действительно, момент явнополюсности у асинхронных машин, имеющих распределенную обмотку на статоре и симметричный ротор, отсутствует или очень мал. С другой стороны, асинхронный момент возникает и развивается вследствие изменения амплитуды тока во времени. В разделе 2 будет показано, что в области слабых токов нарастание свободных колебаний в АРГ - медленный процесс. Следовательно, чтобы в такой системе возникли свободные развивающиеся колебания, требуется, с одной стороны, проявление динамической явнополюсности, с другой - изменение (нарастание) свободных
Параметрическая модель АРГ по С.К. Бохяну
LmCl
СЗ^-^
/
-*
Рис, 1.3
Схемы замещения АРГ
а/ Г-образная
Г 4 х»
б) параллельная по С.Г. Кюрегяну и А.М, Ткаченко
РИС. 1.4
колебаний, обуславливающее этот момент. Если допустить, что в начале развития процесса не участвует асинхронный генераторный момент, было бы трудно объяснить, каким образом в статорную цепь вносится энергия со стороны ротора. Приведенное в / 27 / условие самовозбуждения не может быть достаточным, так как оно (не отражает существующих фазовых соотношений в соответствии с известной теоремой А. Пуанкаре f86j.
Несмотря на многообразие используемых подходов и методов,в исследовании АГ слабо используются подходы и методы классической нелинейной теории колебаний и, в частности, іеория АКС fS6j.
Впервые АРГ был рассмотрен как АКС А. В. Нетушилом и В. С. Листвиным в /"76 У, где рассмотрено состояние равновесия системы "Асинхронная машина - емкость" методом гармонического баланса. Согласно трактовке авторов, самовозбуждение АРГ происходит за счет электрических флуктуации, возникающих в "... системе с отрицательным сопротивлением на частотах, соответствующих балансу амплитуд и фаз или активных и реактивных мощностей основной гармонической составляющей автоколебаний в нелинейной системе". Эти флуктуации усиливаются и тем самым обеспечивают отрицательное скольжение поля относительно ротора машины. В /"76 J из условия комплексных прово-димостей методом корневого годоіграфа выводится критерий самовозбуждения, выраженный через эквивалентное активное сопротивление машины. В /"77 J выводятся условия устойчивости автоколебаний методом гармонического баланса по Л. С. Гольдфарбу.
А. В. Китаев и И. Н. Орлов выделили в АРГ звенья, присущие АКС /"49У: источник энергии, клапан, колебательный контур, цепь обратной связи,-причем,роль клапана выполняет роторная цепь. Качественно показано, что в АРГ восполнение энергии осуществляется не за счет периодического изменения эквивалентной индуктивности машины, а за счет внесения дополнительной энергии, вырабатываемой
самой системой.
Критический анализ работ, посвященных теории еомовозбуждения АРГ показал, что при рассмотрении этого процесса целесообразно основываться на теории АКС.
Рассмотрим основные направления в исследовании установившихся режимов АРГ.
Исследования установившихся режимов АРГ сводятся к определению емкости конденсаторов для обеспечения заданного режима, зоны устойчивого возбуждения и к расчету внешних и регулировочных характеристик. Основная трудность расчета заключается в необходи-мости учета нелинейной зависимости эквивалентной реактивной проводимости машины от ЭДС. В /"97 J рассматривается графоаналитический метод расчета характеристик АРГ для режима постоянной частоты, основанный на балансе проводимостей, представляемом в виде соответствующих векторных диаграмм и аналитических выражений. Наряду с наглядностью и простотой, графоаналитический метод обладает высокой трудоемкостью и низкой точностью расчета. Более точным, гибким и удобным для применения ЭВМ является аналитический метод.
Параллельная схема замещения АН (рис. І.4.), предложенная в /~66_/, позволяет сразу же представить баланс активных и реактивных проводимостей в аналитической форме. Учет условия баланса реактивных проводимостей позволяет по графической или табулированной зависимости реактивной проводимости намагничивания холостого хода от ЭДС найти параметры стационарного режима АРГ. Обширный анализ аппроксимирующих функций кривой намагничивания AM приводится
в /"25/.
В /"35, 45, 46 J рассматривается графический метод расчета регулировочных характеристик АРГ по круговым диаграммам. Аналитический расчет этих характеристик, изложенный в /^52, 977 более точен. Основная трудность аналитического расчета регулировочных харанге-
ристик АРГ заключается в отыскании значений коэффициентов уравнения баланса проводимостей, удовлетворяющих условиям стационарного режима для текущих значений проводимости намагничивания* В случае преобразования схемы замещения AM в параллельную (рис. 1.4.) и аппроксимации кривой намагничивания формулой Фрелиха 107 J уравнение баланса реактивных проводимостей сводится к квадратному уравнению относительно проводимости намагничивания холостого хода AM с коэффициентами уравнения, выраженными через средние значения фазного напряжения. В этом случае расчет о приемлемой для практики точностью может быть выполнен с помощью персональных ЭВМ.
Таким образом, для инженерных расчетов и анализа установившихся режимов АРГ целесообразно основываться на аналитических методах с применением ЭВМ.
Динамика АРГ при дискретном регулирующем воздействии рассмотрена в литературных источниках не достаточно полно, а в изучении процесса установления генераторного режима в AM мнения исследователей расходятся. Так, в 1Ъ J утверждается, что с увеличением нагрузки скорость нарастания колебаний значительно увеличивается,и этот факт объясняется уменьшением постоянной времени роторной цепи за счет уменьшения активного сопротивления статорной цепи. В/"51 У, где процесс установления колебаний в АРГ исследуется по характеру изменения показателя нарастания, входящего в гармоническое решение для тока, высказывается противоположное мнение. В 91 J качественно исследовано существование периодических решений системы уравнений, составленной для координат, неподвижных относительно ротора. Исследование выполнено исходя из существования корней характеристического уравнения системы для апериодической, синхронной и асинхронной составляющих тока статора. На основе этого сделано заключение, что в АРГ возможно только асинхронное самовозбуждение. Рассмотренный в Э1 J метод исследования динамики АРГ
характеризуется громоздкостью и пригоден в основном при качественном анализе устойчивости состояния равновесия в "большом".
Анализ исследований показал, что общая теория АРГ еще не создана, о чей свидетельствуют противоречивые выводы исследований.
Еще в 1935 году Н. П. Власов отмечал ЪЪ]Л что "... новые методы рассмотрения нелинейных колебательных систем, основанные на теории нелинейных дифференциальных уравнений (ИДУ) и новые понятия, связанные с этими методами (фазовая плоскость, предельные циклы, особые точки, бифуркационные диаграммы и т.д.) окажутся полезными и в теории нелинейных колебаний электрических машин". АРГ присущи свойства АКС. Поэтому процессы, имеющие место в генератора такого типа, могут быть рассмотрены с точки зрения нелинейной теории колебаний (НТК).
Основоположниками НТК по-праву считаются Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси. В основе этой теории лежат асимптотические методы исследования нелинейных дифференциальных уравнений, с определенной степенью приближения описывающих движение нелинейных колебательных систем. Базисом НТК являются теория малого параметра и теория предельных циклов.
НТК выработала строгие методы исследования ИДУ. Особенность методов НТК состоит в возможности строго устанавливать наличие и устойчивость периодических решений по характеристикам объекта или другим его физическим свойствам, выявленным экспериментально. Следовательно, физический механизм самовозбуждения АРГ может быть строго рассмотрен при достаточно простой идеализации модели. Для правильного его объяснения прежде всего необходимо рассмотреть устойчивость состояния АРГ в малом по Ляпунову поскольку только такой подход позволяет сделать наиболее достоверный вывод о физической осуществимости этого процесса.
1.4. Выводы
При выборе электрогенератора для ВЭУ должны учитываться случайный характер скорости ветра, особенности ветродвигателя и требования потребителей к качеству вырабатываемой электроэнергии.
Для ветроустановок наиболее перспективны асинхронные генераторы. В ветроустановках до 30 кВт экономически целесообразно при менение асинхронных генераторов с конденсаторным возбуждением, в ВЭУ свыше 30 кВт - асинхронные генераторы с полупроводниковым источником реактивной мощности,
Для регулирования напряжения асинхронного резонансного генератора заслуживает внимание дискретное управление эффективной емкостью фазных конденсаторов.
Анализ теоретических исследований асинхронных резонансных генераторов выявил противоречия в трактовке процесса его самовозбуждения и тем самым показал, что асинхронные генераторы исследованы недостаточно глубоко.
Процесс самовозбуждения резонансного асинхронного генератора целесообразно рассмотреть в малом по Ляпунову методами нелинейной теории колебаний.
2. ИСОЩШАНШ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕСССВ В АСИНХРСШКМ
РЕЗШАНСНСЙ ГЕНЕРАТОРІ*
