Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ известных и автономных источников энергоснабжения стабильной частоты и разработка новых технических решений 8
1.1 Обзор источников стабильной частоты 8
1.2 Источники с пульсирующим магнитным потоком электромашинного генератора 14
1.3 Источники с формированием кривой выходного напряжения путем сложения ЭДС близких частот вэлектромашинном генераторе 18
1.4 Трехфазные автономные источники с электромашинным формированием кривой выходного напряжения 21
1.5 Разработка новых технических решений 25
ВЫВОДЫ 31
ГЛАВА 2. Особенности работы и управления нпч в истонике с модуляцией выходного напряжениягенератора 32
2.1 Особенности работы НПЧ в однофазном источнике с моду ляцией напряжения 32
2.2 Особенности управления НПЧ в источнике с модуляцией напряжения 51
2.3 Гармонический анализ напряжения питания нагрузки машинно-вентильного источника стабильной частоты 56
ВЫВОДЫ 59
ГЛАВА 3. Электромагнитные процессы в источнике с электромашинным формированием кривой выходногонапряжения 60
3.1 Разработка математической модели автономной однофазной системы электроснабжения 60
3.2 Разработка системы стабилизации электрических параметров 80
Выводы 106
ГЛАВА 4. Экспериментальные иследования 107
4.1 Описание экспериментальных установок 108
4.2 Сравнительный анализ полученных теоретических и экспериментальных результатов 111
Выводы 117
Заключение 118
Список использованных источников 120
Приложение. Акты внедрения
- Обзор источников стабильной частоты
- Источники с формированием кривой выходного напряжения путем сложения ЭДС близких частот вэлектромашинном генераторе
- Особенности работы НПЧ в однофазном источнике с моду ляцией напряжения
- Разработка математической модели автономной однофазной системы электроснабжения
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие материальной культуры человеческого общества в современном мире определяется созданием различных устройств генерирования, преобразования, потребления и использования электроэнергии. Среди задач преобразования электрической энергии важное место занимает проблема получения стабильной частоты и амплитуды выходного напряжения в автономных системах, работающих при переменных частотах вращения первичного двигателя.
На сегодняшний день современная промышленность нуждается в получении неизменного по качеству переменного тока и напряжения. Особенно это необходимо в тех отраслях промышленности, где повторяемость и точность является основополагающим элементом создания качественной продукции. Колебание, отклонения тока и напряжения питания нагрузки наносят убытки потребителям, причиной которых является выход из строя дорогостоящего оборудования.
В настоящее время проблеме повышения качества электроэнергии генерируемой от автономных источников децентрализованного электроснабжения уделяется большое внимание, как в России так и за рубежом. Большой вклад в развитие генераторов для автономных систем электроснабжения вносят российские ученые, но вместе они не в полной мере отвечают всё возрастающим требованиям к качеству и надежности, сроку службы, статическим и динамическим показателям автономных систем электроснабжения.
Комплексный подход к решению этих вопросов предусматривает, использование достижения науки и техники в области силовой электроники, электромеханики, теории автоматического управления, создания новых автономных источников электроснабжения стабильной частоты с улучшенными энергетическими, регулировочными и массогабаритными показателями.
Принимая во внимание возрастающие требования к качеству поставляемой электроэнергии, актуальным является разработка новых автономных источников децентрализованного электроснабжения обеспечивающих высокое качество выходного напряжения.
Целью работы является разработка и исследование автономного источника напряжения стабильной частоты для систем децентрализованного энергообеспечения.
Методика исследования. Научные исследования в диссертационной работе основывались на применение методов теории электромеханического преобразования энергии, теории дифференциальных уравнений, теории автоматического управления и вычислительного эксперимента. При решении задач исследования динамических режимов систем, определения структуры и параметров предложенных моделей использовались методы цифрового моделирования, на основе пакета Matlab/SimPowerSys.
Научная новизна работы заключается в следующем: разработано новое техническое решение построения автономного источника напряжения стабильной частоты для систем децентрализованного энергоснабжения, обеспечивающее высокое качество выходного напряжения в широком диапазоне изменения частоты вращения приводного вала; разработана математическая модель источника, учитывающая особенности работы вентильного преобразователя; предложена коррекция законов управления вентильным преобразователем с учетом модуляции напряжения, позволяющая повысить качественные показатели выходного напряжения; выявлены особенности работы вентильного преобразователя с модуляцией напряжения генератора автономного источника энергоснабжения стабильной частоты; - в результате теоретических исследований выработаны новые реко мендации по проектированию децентрализованных автономных f источников энергоснабжения стабильной частоты модуляционного типа. Основные положения, выносимые на защиту: новое техническое решение построения автономных источников переменного напряжения стабильной частоты; математическая модель автономного источника переменного напряжения стабильной частоты на основе использования интегрированной программной среды Matlab; результаты теоретических исследований автономного источника; результаты исследований системы стабилизации выходных электрических параметров.
Практическая ценность работы разработано и исследовано новое техническое решение автономного источника децентрализованного электроснабжения стабильной частоты обеспечивающее высокое качество выходного напряжения и высокие эксплуатационные показатели; разработаны рекомендации по выбору параметров генератора; исследованы режимы работы вентильного преобразователя частоты необходимые для расчетов автономного источника на этапе проектирования; предложена коррекция законов управления НПЧ улучшающая качество кривой выходного напряжения; разработана математическая модель, учитывающая особенности источников электроснабжения данного типа и позволяющая исследовать переходные процессы в источнике при несимметричной и симметричной нагрузке.
Реализация работы. Материалы диссертационной работы в виде технической документации переданы на ООО «Веха-1» для использования при проектировании автономных источников систем напыления сложных конструкций. Результаты работы внедрены в учебный процесс на электротехническом факультете КнАГТУ.
Апробация работы. Основное содержание и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2005г.); научно-технической конференции аспирантов и студентов КнАГТУ (2005-2006г.);
Публикации. По результатам исследований, отраженных в диссертации опубликовано 4 научных работ и 1 положительное решение по заявке на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 130 страницах машинописного текста, списка литературы из 107 наименований и приложения.
Автор выражает благодарность и признательность доктору технических наук Кузьмину Вячеславу Матвеевичу за ряд ценных советов и помощь в работе.
Обзор источников стабильной частоты
При создании автономных систем электроснабжения (АСЭС) возникает задача по обеспечению потребителей электрической энергией, параметры которой удовлетворяют необходимым требованиям /57/. Особо остро данная проблема проявляется при создании автономных децентрализованных систем генерирования переменного тока.
Задачи стабилизации частоты и напряжения переменного тока автономной энергоустановки обуславливаются следующими факторами /84,83/: - непосредственная связь электрического генератора с первичным двигателем; - нестационарный характер энергетического потока; - соизмеримость мощности нагрузки с мощностью привода генератора; - случайный характер изменения нагрузки.
К основным показателям качества источников электропитания относятся параметры выходного напряжения, характеризуемые номинальной величиной и частотой. Поэтому система, обеспечивающая устойчивые статические режимы и стабилизацию выходных электрических параметров энергоустановки является важнейшим ее элементом. Анализ существующих технических решений применяющихся как в отраслях промышленности, так и в потребительской сфере (на транспортных и самоходных машинах, самолетах, кораблях, и т.д.) показал, что системы стабилизации параметров выходного напряжения могут быть разделены на следующие группы /84,83/:
Приведенная классификация (Рис. 1.1) отражает главным образом конструктивное исполнение устройств, стабилизации частоты и иллюстрирует прохождение энергии от первичного двигателя к потребителям переменного тока стабильной частоты.
В зависимости от механизма привода и преобразования частоты в комплексах их можно разделить на следующие группы: - АСЭС с приводом постоянной частоты вращения (ПТТЧВ); - АСЭС с преобразователем «переменная скорость - стабильная частоты» (ПССЧ); - комбинированные системы ;
Комплексы АСЭС с ППЧВ характеризуются тем, что вся генерируемая электроэнергия доставляется в сеть непосредственно от синхронного генератора (СГ), имеющего постоянную частоту вращения. Схема АСЭС с ППЧВ показана на рис.2. генератором и устройством возбуждения; с асинхронизированным синхронным генератором.
Машинно-вентильные источники стабильной частоты с полупроводниковыми преобразователями частоты (ПЧ), включенными в цепь возбуждения генератора, позволяют получить высокую точность стабилизации и хорошую форму выходного напряжения при отсутствии фильтра в цепи нагрузки, однако не обходимо учитывать, что мощность ПЧ пропорциональна отклонению частоты вращения вала генератора от синхронной. Это обстоятельство не позволяет обеспечить хорошие энергетические показатели в широком диапазоне изменения частоты вращения вала /94 /.
Высокие энергетические показатели в широком диапазоне изменения частоты вращения вала имеют системы электропитания с вентильными преобразователями, включенными в якорную цепь синхронного генератора, но плохой гармонический состав выходного напряжения таких источников требует включения фильтров в цепь нагрузки.
Комбинированные системы характеризуются суммированием на выходе электрических мощностей, доставляемых обоими вышеуказанными способами. Функциональная схема такой системы представлена на рис.4.
Комбинированные системы содержат как оба указанных преобразователя, так по одному из основных элементов каждого, например, систему с биротативной машиной (БМ) и статическим преобразованием частоты (СПЧ), систему с дифференцированным редуктором (ДР) и преобразователем ПССЧ и др.
Выбор варианта зависит от конкретных технических требований к автономным системам электроснабжения стабильной частоты по массогабаритным показателям, надежности, диапазоне изменения частоты вращения вала, стоимости и другим показателям.
Поиск более экономичных и надежных источников имеющих высокие показатели качества электроэнергии в широком диапазоне изменения частоты вращения вала генератора привели к использованию перспективного метода получения стабильной частоты на основе электромашинного формирования кривой выходного напряжения.
Автономные источники, реализующие этот метод получения переменного тока стабильной частоты можно разделить по принципу формирования кривой выходного напряжения на две группы. 1. Источники с модуляцией напряжения электромашинного генератора посредством изменения магнитного потока. 2. Источники с формированием напряжения электромашинного генератора путем сложения ЭДС близких частот.
Изменение магнитного потока в электромашинкой генераторе возможно как периодическим изменением магнитодвижущей силы обмотки возбуждения, так и путем изменения магнитной проводимости магнитопровода генератора.
Пульсации намагничивающей силы (НС) возбуждения могут быть получены в синхронном генераторе при питании обмотки индуктора либо синусоидальным, либо постоянным и переменным током,
Источники с формированием кривой выходного напряжения путем сложения ЭДС близких частот вэлектромашинном генераторе
Принципиальная схема одного из возможных вариантов источника, реализующего названный принцип формированием кривой выходного напряжения приведена на рисунке 8.
Обмотка возбуждения постоянного тока создается в машине неподвижный относительно индуктора магнитный поток, который наводит в якорной обмотке ЭДС с угловой частотой СО , определяемой частотой вращения вала и полностью машины.
Трехфазная обмотка возбуждения создает магнитный поток, вращающейся относительно индуктора с частотой (О , равной частоте переменного тока возбуждения. Этот магнитный поток также наводит в якорной обмотке ЭДС с частотой О) + со . При равенстве амплитуд указанных ЭДС { Е =Е Е ), результирующая ЭДС может быть записана в виде;
Сравнение (1.1) и (1.4) показывает, что в данном генераторе также имеет место изменение амплитуды напряжения, но с частотой, в два раз меньше, чем частота переменного тока возбуждения. Выделение огибающей модулированного напряжения с помощью коммутатора позволяет получить на нагрузке напряжение практически синусоидальной формы.
Достоинством данной схемы является возможность регулирования глубины модуляции напряжения в широких пределах. Это позволяет получить хорошие энергетические показатели источника при высоком качестве формы выходного напряжения. Недостатком можно считать наличие индуктивной связи между обмотками возбуждения, что приводит к некоторому возрастанию потерь в цепи индуктора.
К не менее перспективным автономным источникам с электро-машинным формированием кривой выходного напряжения следует отнести источники, выполненные на базе генератора состоящего из двух электрических машин переменного тока с последовательно соединенными якорными обмотками.
Схема такого источника приведена на рисунке 9. Электромашинный генератор состоит из двух асинхронных машин с фазным ротором. Роторные обмотки соединены между собой таким образом, что их поля вращаются в противоположные стороны, результирующая ЭДС на входе силового коммутатора будет, описывается в данном случае в соответствии с уравнением (1.1), а частота огибающей будет равна частоте переменного тока возбуждения.
Недостатком такого устройства является тот фактор, что отношение глубины амплитудной модуляции рассчитывается на этапе проектирования устройства, что накладывает определенные ограничения на качество выходного напряжения и особенно на диапазон частоты вращения вала.
В таком источнике вместо одной асинхронной машины может использоваться синхронный генератор, возбуждаемый от источника постоянного тока. Результирующая ЭДС в этом случае будет описываться уравнением (1.3), а частота огибающей модулированного напряжения будет в два раза ниже частоты тока возбуждения.
На основании анализа однофазных источников стабильной частоты с электромашинным формированием кривой выходного напряжения можно отметить, что известные схемы источников с модуляцией напряжения генератора имеют ряд недостатков, обусловленных сложностью конструкции электромашинного генератора и необходимостью наличия дополнительного источника тока возбуждения стабильной частоты.
В системах с электромашинным формированием кривой выходного напряжения, получение трехфазного напряжения стабильной частоты является достаточно сложной задачей. Это обусловлено тем обстоятельством, что генератор в этом случае должен вырабатывать трехфазную систему ЭДС, имеющих сдвиг между огибающими на 2/3 периода выходной частоты.
Наиболее простое решение заключается в установке на один вал трех синхронных генераторов, возбуждаемых переменным током. Основными недостатками этого источника является: сложность конструктивного исполнения, громоздкость, плохие массогабаритные показатели.
Трехфазную систему напряжений можно получить в автономном источнике, выполненном на основе двух электрических машин переменного тока с последовательно соединенными статорных обмотками /1,2,5,6,7,8,9,/.
Схема трехфазного автономного источника, состоящего из двух асинхронной машины, роторные обмотки машин подключены к источнику переменного тока стабильной частоты представлена на рисунке 10. Одна из электрических машин работает в режиме электромагнитного тормоза (ЭМТ), а другая в генераторном режиме (АГ). Статорные обмотки ЭМТ выполнены в виде обычной трехфазной обмотки. На статоре АГ расположено три идентичных трехфазных обмотки, уложенных в одни и те же пазы. Выводы выходной обмотки ЭМТ подключены к нулевым точкам якорных обмоток.
Особенности работы НПЧ в однофазном источнике с моду ляцией напряжения
В децентрализованном автономном источнике стабильной частоты нагрузка подключена к электромашинному генератору через полупроводниковый преобразователь частоты. В качестве преобразователя целесообразно использовать преобразователь частоты с непосредственной связью, собранный по трехфазной мостовой схеме /20,104,105/. Этот узел представляет нелинейное звено, оказывающее значительное влияние на электромагнитные процессы в машинно-вентильном источнике.
В системах электроснабжения стабильной частоты токи и напряжения электромашинного генератора в процессе работы изменяются как по амплитуде, так и по форме. Это обстоятельство в значительной степени усложняет учет преобразовательной нагрузки электромашинного генератора. НПЧ автономного источника также оказывает специфическое влияние на процессы в электромашинном генераторе.
Точный анализ нестационарных явлений в преобразовательных установках связан со значительными трудностями, обусловленных существенной нелинейностью вольтамперных характеристик вентилей. Поэтому анализ и расчет таких систем необходимо производить на основе методов анализа нелинейных электрических цепей, что сопряжено со значительными математическими трудностями и приводит к применяю приближенных методов исследования переходных процессов.
Суть большинства приближенных методов заключается в упрощении исходной схемы нелинейных дифференциальных уравнений путем ее замены системой линейных дифференциальных уравнений или алгебраических уравнений, либо отыскании некоторых обобщенных характеристик цепи. Принятые допущения могут оказаться не допустимыми при анализе переходных процессов.
В настоящее время, когда общедоступны средства вычислительной техники и программного обеспечения для моделирования технических устройств, существует возможность эффективного исследования процессов в нелинейных системах методами численного моделирования, в вычислительных средах ориентированных на удобное и привычное структурное моделирование.
В автономном источнике модуляционного типа амплитуда первичной ЭДС периодически изменяется. При наличии индуктивности в цепи нагрузки преобразователь будет работать в периодически повторяющихся переходных режимах. Это обусловлено тем, что соотношение между мгновенными значениями тока нагрузки и амплитудой ЭДС электромашинного генератора, при наличии между ними угла сдвига фаз будут изменяться даже при установившихся процессов в цепи нагрузки преобразователя. Поэтому в течение одного полупериода изменения ЭДС генератора может возникнуть ряд отличных друг от друга режимов работы.
Характерным параметром, который определяет границы тех или иных режимов является угол коммутации у силовых тиристоров НПЧ.
Для трехфазной мостовой схемы справедлива зависимость /21 /. Принимая в начале отсчета момент времени, соответствующий, когда ток нагрузки равен нулю (іи =0), можно проанализировать процессы в преобразователе. В момент гн =0, угол коммутации равен нулю (у 0).
С ростом тока нагрузки начинает увеличиваться угол коммутации. Этому отрезку соответствует двух-трех вентильный режим работы преобразователя, т.е чередуется режимы работы вентилей группами по два и по три. В момент времени, соответствующий y = j начинается второй режим работы преобразователя с чередованием интервалов одновременной работы трех вентилей. В этом режиме угол коммутации остается постоянным и равным , но начинает расти от нуля до угол задержки коммутации Я.
От момента, соответствующего Я = начинается трех-четырех вентильный режим работы преобразователя, который будет продолжаться до момента, когда напряжение нагрузки перейдет через ноль и далее при уменьшении отношения і
Разработка математической модели автономной однофазной системы электроснабжения
Выбор метода исследования переходных и установившихся процессов в автономном источнике электропитания во многом определяется задачами исследования и особенностями рассматриваемой системы. В данной работе рассматриваются особенности электромашинного генератора модуляционного типа, питающего преобразователь частоты с непосредственной связью.
Значительное влияние на электромагнитные процессы в генераторе оказывает степень не симметрии нагрузки вентильного преобразователя /21,33/. Наиболее часто встречающимся и ярко выраженным примером несимметричной нагрузки источника является однофазный режим работы вентильного преобразователя.
Выходное напряжение преобразователя частоты образуется из участков соответствующих мгновенным значениям напряжения генератора за время работы отдельных вентилей.
Для определения «неискаженной» ЭДС, которой представляется генератор для преобразователя частоты, записана система уравнений для напряжений двухфазных обмоток статора и ротора в преобразованной системе координат. Электромашинный генератор состоит из двух электрических машин расположенных в одном корпусе: — асинхронного возбудителя; — синхронного генератора с дополнительно уложенной трехфазной обмоткой возбуждения расположенной на роторе и отсутствием демпферной обмотки.
Система уравнений для асинхронного возбудителя представлена в прямоугольной системе координат вращающейся с произвольной скоростью/54,88,90/. Обозначения прямоугольной системы координат приняты за d,q для соответствия с уравнениями описывающие переходные процессы асинхронного генератора в среде Matlab.
Система уравнений для синхронного генератора с дополнительно уложенной на роторе трехфазной обмоткой и с учетом отсутствия демпферной обмотки предложена система уравнений в ортогональной системе координат d,q, жестко связанной с ротором: Ниже принятые обознR .,L ., R, -, активные сопротивления и индуктивности генератора и О ні і fid шунтирующей цепи тиристора; R , L - активные сопротивления и индуктивности вентилей; vsi vsi Cf,C ,Rf -емкость, и активное сопротивление фильтра и шунтирующей цепи тиристора; R , L -активное сопротивление и индуктивность нагрузки і - A,B,C;j = А,В,С;к = А,В,С;і Ф]Фк Для межкоммутационных интервалов (ключи kh 2, к3 и к разомкнуты) j = k;i = j. (3.13) Для интервала одновременного пропускания тока четырех вентилей (ключи к л } v кj л 2 замкнуты) j = k;i = j. (3.14)
Переход от системы, описывающей процессы в схеме в межкоммутационный интервал к системе в интервал коммутации происходит в момент времени, определяемый углом включения тиристоров; обратный переход - по спаду до нуля контролируемого в течение интервала коммутации тока через выключаемый тиристор с сохранением значений всех независимых переменных на границе интервалов.
Условия запирания и открывания вентилей (ад 0)лО)=1) (ijt) = 0M( «» (из) где / -ток открытого вентиля; U -напряжение на закрытом вентиле; VS F -управляющая функция вентиля.
Возбуждение асинхронного генератора, а также задание частоты осуществляется от автономного инвертора напряжения (АИН) с широтно-импульсной модуляцией.
В качестве нагрузки для АИН является трехфазная асинхронная машина с соединением обмоток статора в звезду. Система управления АИН представлена в «классическом» варианте с использованием опорного сигнала, общего для всех фаз инвертора/99/. ачения соответствуют обозначениям используемые в среде Matlab.
