Введение к работе
В мировой практике электроэнергетики в настоящее время существует тенденция к децентрализации производства электроэнергии и развитию малой энергетики. В основе концепции развития автономных генерирующих систем относительно малых мощностей (от единиц и десятков до сотен 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 развитии малой энергетики играет совершенствование полупроводниковых устройств силовой электроники (УСЭ). Системы генерирования с применением 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 электрической машины (ЭМ). Проблема построения генерирующих систем с переменной частотой вращения вала выходит за рамки указанных примеров, распространяясь и на другие области техники - на различные виды подвижного транспорта и на дизель-генераторные установки. Приведенные примеры использования автономных генерирующих систем можно обобщить 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 самым распространенным и наиболее простым и дешевым типом электрической машины. АМ широко применяются в качестве двигателя в различных электроприводах. Намного меньшее распространение получило применение 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 дискретным путем. Долгое время это обстоятельство ограничивало применение асинхронных генераторов с самовозбуждением. Современный уровень развития УСЭ позволяет по-новому решать задачи возбуждения АМ и регулирования ее выходных параметров. При этом данная область является недостаточно изученной для принятия однозначных проектных решений.
Применение в МЭГС АМ совместно с трехфазным активным выпрямителем - ТАВ (на базе трехфазной мостовой инверторной схемы) позволяет осуществлять возбуждение АМ и регулирование выходного напряжения 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 свойствам, 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 работает в комбинированном активно-емкостном режиме. одновременно выполняя две функции - функцию компенсатора реактивной мощности (КРМ) и функцию (активного) выпрямителя с емкостным cos ф, 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 электроснабжения. Одним из очевидных путей решения этой задачи является более широкое применение УСЭ. Представляет интерес применение УСЭ для возбуждения автономных асинхронных генераторов. Такая система сочетает в себе простоту, низкую стоимость и надежность АМ и эффективность современного электронного преобразователя - ЧКП. Актуальность проблемы также подтверждается большим количеством публикаций в иностранной литературе по данной теме за последнее время. В русскоязычной литературе проблема пока не получила широкое освещение. Исследование 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, обеспечивающего емкостный характер нагрузки ЭМ, составляет не менее 20%. Для развертывания работ по системному проектированию МЭГС различного рода требуется проведение соответствующих исследований с целью создания необходимого информационно-методического обеспечения, которое в настоящее время практически отсутствует или присутствует в публикациях фрагментарно (далеко не в полном объеме).
Цель исследования. Целью работы является решение комплекса взаимосвязанных задач, характеризующих объект исследования (в виде автономной генерирующей системы на основе АМ с возбуждением от ЧКП) методами имитационного компьютерного моделирования (ИКМ).
Для достижения цели работы поставлены и решаются следующие задачи:
-
Установление на основе аналитического обзора текущего уровня исследований в области МЭГС.
-
Поиск компьютерной модели АМ, пригодной для исследования в генераторном режиме;
-
Исследование ЧКП на базе трехфазной мостовой инверторной схемы в режимах, необходимых для применения в данной системе;
-
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 используется ИКМ в объектно-ориентированной программе «OrCAD PSpice». Также, для решения поставленных задач привлекались аналитические методы (в частности, метод гармонического анализа).
Достоверность научных результатов подтверждается соответствием полученных результатов ожидаемым. При проведении ИКМ получена точность компьютерных моделей в пределах 5-8%. Результаты исследования хорошо согласуются с частичными результатами, ранее полученными другими исследователями. Для самоконтроля также использован принцип энергетического баланса.
Научная новизна.
-
-
Известная модель трехфазной АМ (в непреобразованной системе координат без учета насыщения) модифицирована до вида, обеспечивающего режим самовозбуждения. Достигается это учетом насыщения магнитной цепи АМ.
-
Получено модельное описание работы ЧКП в комбинированном режиме 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%).
-
Показана возможность построения систем повышенной мощности на базе ЧКП с многоканальным преобразующим трактом. Проведено ИКМ многоканального ЧКП в режиме МИТВ (ТАВ), в результате которого получены данные по улучшению показателей ЭМС. Полученные для частного случая данные могут быть распространены на другие режимы работы ЧКП.
-
Разработаны имитационные компьютерные модели систем МЭГС-1 типа «АВГ» и МЭГС-2 типа «ПСПЧ» на базе АМ с ЧКП. Проведенные на их основе исследования подтвердили возможность обеспечения устойчивой работы системы в вариантах МЭГС-1 и МЭГС-2 и создали основу для разработки информационно-методического обеспечения для решения комплекса задач по параметрической оптимизации системы.
Практическая значимость работы. Полученные в данной работе результаты 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 отечественных и зарубежных исследователей, который в последнее время (примерно 5 лет) нашел отражение в большом числе публикаций (более 10). Результаты 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:
-
-
-
Полученные аналитическим путем функциональные модели ЧКП в комбинированном активно-емкостном режиме.
-
Результаты исследования на основе ИКМ зависимости показателей ЭМС ЧКП от различных факторов.
-
Предложенный вариант построения многоканальной структуры преобразователя на базе трехфазной мостовой инверторной схемы.
-
Предложенный вариант МЭГС на базе бесконтактной АМ с возбуждением от ЧКП с управлением по синусоидальному ШИМ алгоритму программного типа.
-
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 ХЪП(2012г.) Всероссийских научно- практических конференциях «Федоровские чтения», XVIII (2012г.) Международной 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:
-
-
-
-
Проведен анализ и систематизация существующих генерирующих систем на базе АМ.
-
Разработаны имитационные компьютерные модели МЭГС-1 и МЭГС-2 на основе доработанных для этой цели автором моделей АМ и ЧКП с программным управлением.
-
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, 5 глав, заключения и библиографии из 62 наименований.
Похожие диссертации на Исследование новых возможностей совершенствования машинно-электронных генерирующих систем автономных объектров
-
-
-
-
-
-
