Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общие сведения по автономной системе электроснабжения (АСЭС) типа ПСПЧ (переменная скорость постоянная частота) 13
1.1. Классификация направлений построения системы ПСПЧ 13
1.2. Структурные схемы генераторных установок типа ПСПЧ 15
1.2.1. ПСПЧ на основе привода постоянных оборотов (ППО) 15
1.2.2. ПСПЧ на основе СГ и СПЧ - (с полным преобразованием электроэнергии - ППЭ) 16
1.2.3. Исследование параметров фильтра для двух типов СПЧ в СЭС типа ПСПЧ в варианте с ППЭ 24
1.3. О рассматриваемой системе ПСПЧ (ЧПЭ) на базе синхро
низированного асинхронного генератора - САГ (АСАГ) 27
1.3.1. Вариант автономного двухмашинного АСАГ с электромагнитным возбуждением (АСАГ с частичным возбуждением) 27
1.3.2. Вариант двухмашинного АСАГ с возбуждением от постоянных магнитов (АСАГ с независимым возбуждением) 34
1.3.3. Вариант бесконтактного трехмашинного АСАГ (БСАГ) 37
1.3.4. Вариант АСЭС типа ПСПЧ на базе одномашинного АСАГ с самовозбуждением 38
1.4. Система управления (СУ) для обеспечения стабильности выходного напряжения АСАГ 45
Выводы 53
Глава 2. Функциональные свойства, особенности АСАГ и требования, предъявляемые к преобразователю частоты для этой системы 51
2.1. Использование в АСАГ простейшего статического преобразователя частоты (СПЧ) непосредственного типа - НПЧ-2 57
2.1.1. Описание принципа построения и работы НПЧ-2 57
2.1.2. Гармонический анализ выходного напряжения НПЧ-2 при равенстве чисел пар полюсов асинхронной (AM) и вспомогательной синхронной (В СМ) машин 61
2.1.3. Функциональные особенности НПЧ-2 и практические рекомендации по настройке системы АСАГ 66
2.1.4. Исследование влияния высших гармоник выходного напряжения (и тока) НПЧ на искажения формы выходного напряжения АСАГ 67
2.2. Об особенностях спектров выходного напряжения АСАГ, возбуждаемых от НПЧ-2 72
2.3. О механизме влияния cosq>m) нагрузки АСАГ на искажения его напряжения 77
2.4. Новый вариант организации полюсности AM и ВСМ 78
2.5. Гармонический анализ выходного напряжения НПЧ в новом варианте 80
2.6. Использование в системе АСАГ НПЧ-3 (с улучшенным спектральным составом выходного напряжения за счет параметра т\э=3) 84
2.6.1. Принцип работы НПЧ с тіз=3 85
2.6.2. Гармонический анализ выходного напряжения НПЧ-3 с КОМ 87
2.6.3. Механизм эффекта инверсии реактивного тока 93
2.6.4. О влиянии параметра со* на спектральные составы выходного напряжения НГГЧ-3 и тока 94
2.6.5. О взаимосвязи диапазона изменения частоты вращения приводного вала с параметром , определяющим номер гармоники напряжения НПЧ 96
2.7. Устройство ограничения импульсных перенапряжений (УОП) 98
2.7.1. НПЧ-2 с устройством ограничения импульсных перенапряжений (УОП) 99
2.7.2. НПЧ-2 с альтернативным вариантом регулирования выходного напряжения - НПЧ-2Р 101
2.7.3. НПЧ-3 с УОП 102
Выводы 106
Глава 3. Исследование свойств и характеристик САГ на основе имитационного компьютерного моделирования 109
3.1. Моделирование асинхронной машины с фазным ротором (АМФР) 109
3.1.1. Описание математической модели АМФР 109
3.1.2. Имитационная компьютерная модель АМФР и предварительная ее проверка на адекватность 112
3.2. Векторные диаграммы САГ для разных скольжений - как критерии адекватности процессов. Годографы 122
3.2.1. Комментарии к построению векторных диаграмм 122
3.2.2. Процедуры построения векторной диаграммы САГ на основе ИКМ 123
3.2.3. Годографы 128
Выводы 130
Глава 4. Исследование на основе РЗКМ возможностей совершенствования АСАГ при использовании преобразователей частоты типа НПЧ-2 и НПЧ-3 132
4.1. ИКМ асинхронной машины с фазным ротором (АМФР) с НПЧ 132
4.1.1. Об особенностях физических процессов в АСАГ и не которые результаты ИКМ 134
4.2. АСАГ на основе двух типов НПЧ (рис. 4-1,4-3) 135
4.2.1. Результаты детального исследования процессов в АСАГ 143
4.3. Исследование с помощью ИКМ варианта АСАГ при полюсности ВСМ — рвем больше полюсности AM — РАМ 149
4.4. Исследование процессов в НПЧ с УОП при совместной работе с AM 153
4.4.1. НПЧ-2 с УОП со снаббером, реализующим принцип электронного клапана» в АСАГ 153
4.4.2. Вопросы параметрической и структурной оптимизации варианта модернизации УОП для НПЧ-2 160
4.4.3. Исследование энергетических показателей АСАГ с НПЧ-2 при применении различных вариантов УОП 165
4.4.4. Исследование регулируемого по напряжению варианта НПЧ при совместной его работе с AM 168
4.4.5. Исследование АСАГ с НПЧ-3 170
Выводы 174
Глава 5. Исследование характеристик АСАГ на основе ИКМ при использовании преобразователя частоты со звеном постоянного тока(ПЧЗПТ) 177
5.1. Исследование процессов в АСАГ с возбуждением от трехфазного инвертора напряжения (ТИН) с ДТЇТИМ 177
5.2. Анализ АСАГ с ТИН при использовании дополнительной Фильтрации 185
5.3. Краткий сопоставительный анализ НПЧ-3 и ПЧЗПТ при использовании их для возбуждения AM 190
Выводы 194
Заключение 195
Приложения 198
Перечень аббревиатуры 201
Литература
- Исследование параметров фильтра для двух типов СПЧ в СЭС типа ПСПЧ в варианте с ППЭ
- Описание принципа построения и работы НПЧ-2
- Имитационная компьютерная модель АМФР и предварительная ее проверка на адекватность
- Исследование процессов в НПЧ с УОП при совместной работе с AM
Введение к работе
Асинхронная машина с фазным ротором (АМФР) в наибольшей мере отражает потенциальные функциональные возможности электромеханического преобразования. Теоретический и практический интерес к ее возможностям в России возник не менее 60 лет тому назад. Система «Асинхронизированный синхронный генератор - АСГ», в основе которой лежит АМФР, сегодня все более широко применяется для улучшения устойчивости и управляемости систем передачи электроэнергии и энергосистем в целом. Практически освоенные сегодня мощности АСГ в данном применении достигают сотен МВА. Для питания обмотки возбуждения АМФР здесь обычно используют статические преобразователи частоты непосредственного типа (НПЧ), выполняемые на не полностью управляемых ключевых элементах - тиристорах. Энергия на возбуждение обычно берется из сети. Значительный вклад в теорию и практику применения такой системы внесен рядом специалистов и ученых, среди которых Касьянов В.Т., Ботвинник М.М., Шакарян Ю.Г., Лабунец И.А.
Другой, менее освоенной областью применения АСГ является построение на его основе автономной системы электроснабжения (АСЭС) переменного тока постоянной частоты при переменной частоте вращения приводного вала. Такого рода системы в авиационной электротехнике известны как системы ПСПЧ - переменная скорость - постоянная частота. Потребность в системах ПСПЧ возникает также в малой энергетике (ветро- и гидроустановках), на различного рода подвижном транспорте (в том числе на летательных аппаратах), а также при построении систем резервного электропитания, например, на базе дизель-генераторных установок. В зависимости от области применения мощность АСГ здесь может находиться в диапазоне от единиц до сотен кВА. Отличительной особенностью АСЭС на базе АСГ (который в этом применении далее обозначается как синхронизированный асинхронный генератор - САГ) является значительно больший диапазон изменения частоты скольжения (cos) и напряжения (us), питающего обмотку возбуждения АМФР. Данное отличие заставляет решать задачу определения рационального, предельно допустимого диапазона изменения частоты вращения приводного вала (&>р), в котором такое решение экономически оправданно. Известны работы в этом направлении Еременко В.Г., Читечяна В.И., Галиновского A.M. и других специалистов.
Следует заметить, что система ПСПЧ на базе САГ является альтернативным вариантом по отношению к двум известным традиционным решениям. Один из них (1-й вариант) основан на использовании механического привода постоянной частоты (11114), а 2-й - на полном преобразовании электроэнергии - ППЭ синхронного генератора (СГ) переменной частоты с помощью статического преобразователя частоты (СПЧ). Ожидаемый выигрыш рассматриваемого здесь варианта на базе САГ относительно, например, 2-го, сопоставимого с ним варианта, будет зависеть, прежде всего, от диапазона изменения частоты со? и будет определяться, во-первых, лучшими динамическими показателями (из-за отсутствия фильтра на выходе АСЭС) и, во-
вторых, ожидаемым результирующим выигрышем по массе АСЭС в целом: а) за счет выполнения СПЧ не на полную мощность преобразования, а лишь на мощность возбуждения АМФР, т.е. путем осуществления не полного, а частичного преобразования электроэнергии (ЧПЭ), б) за счет исключения упомянутого выходного фильтра АСЭС, масса которого (как показали расчеты, для мощности З^ІЗкВА), может достигать 15-К20% от массы СГ.
Актуальность проблемы. Для проектирования АСЭС необходимо знать особенности взаимодействия всех силовых звеньев и модельное описание, обеспечивающее количественную оценку этого взаимодействия в реальном диапазоне изменения частоты приводного вала. Известные работы не дают исчерпывающую проектно необходимую информацию для разработки такой системы. Поэтому создание информационно-методического обеспечения, необходимого для проектирования и для возможности сопоставительной оценки исследуемой АСЭС на базе САГ с альтернативными вариантами представляется актуальной задачей.
Цель работы - исследовать возможности совершенствования АСЭС на базе САГ, расширить информационно-методический базис и обеспечить на этой основе возможность обоснованного системного её проектирования.
Методы исследования. Отправной информацией при исследовании является известное модельное описание АМФР. В качестве средств исследования использовалось имитационное компьютерное моделирование (ИКМ). При этом для решения поставленных задач привлекались аналитические методы (в частности, метод гармонического анализа) и формализованное описание СПЧ (непосредственного типа - НПЧ-2 и НПЧ-3, а также СПЧ со звеном постоянного тока - ПЧЗПТ) в среде OrCAD PSpice Schematics.
Достоверность научных результатов. Самоконтроль результатов исследования по критерию достоверности осуществлялся поэтапно - путем проверки на соответствие (на основе ИКМ) проектному замыслу каждого узла исследуемой системы, а затем контролем функциональной характеристики всей системы. Показано, что полученные аналитическим путем и на основе ИКМ результаты удовлетворяют критерию физической непротиворечивости и полностью согласуются с известными частичными результатами, ранее полученными исследователями большей частью на качественном уровне. В качестве средств самоконтроля использовался также признак сходимости совмещенных (в заторможенном режиме) векторных диаграмм статорной и роторной цепей САГ.
Научная новизна работы.
1. На основе аналитического обзора АСЭС типа ПСПЧ выделены два варианта: ПСПЧ с ППЭ; ПСПЧ с ЧПЭ. Выявлены их свойства, которые необходимо знать при проектировании таких систем. На основе этих свойств выбран сегодня еще не в полном объеме изученный вариант ПСПЧ с ЧПЭ на базе САГ. Систематизированы возможные варианты структурных решений АСЭС на базе САГ, что позволяет на начальном этапе проектирования предварительно выбрать из них один или два, наиболее рациональных для конкретного случая применения (с последующей сопоставительной их оценкой).
2. Двумя способами - аналитическим и на основе ИКМ исследована
взаимосвязь искажений выходного напряжения САГ с искажениями тока его
возбуждения, что позволило выработать рекомендации по целесообразной
области применения различных типов СПЧ в зависимости от кратности из
менения частоты приводного вала.
3. Раскрыто содержание известного (в общем виде) понятия несимметрии
напряжений САГ при использовании для его возбуждения (простейшего)
преобразователя частоты непосредственного типа - НПЧ-2: на основе ИКМ и
предложенного модельного описания рабочих процессов дано объяснение
факту амплитудной и фазовой несимметрии напряжения САГ. С помощью
ИКМ установлен также факт несимметрии фазных напряжений по показате
лю их искажений.
4. Представлены результаты поискового исследования возможности
улучшения характеристик САГ за счет увеличения числа полюсов ВСМ.
5. На основе поискового исследования средств борьбы с импульсными
перенапряжениями на ключевых элементах НПЧ, обусловленных индуктив-
ностями рассеяния обмоток ВСМ, предложены новые модификации НПЧ-^э
(с т\э=2 и т\э=3), снабженные снабберными устройствами, которые решают
эту задачу и которые реализуют принцип «электронного клапана». Предло
женные решения защищены двумя патентами.
6. Полученные на основе ИКМ (на примере конкретной АМФР с
З^ІЗкВА) характеристики САГ, необходимые при изучении его физических
процессов и свойств, а также для системного проектирования и сопостави
тельной оценки с альтернативными вариантами АСЭС. В частности, получе
на взаимосвязь коэффициента электромеханического усиления по мощности
САГ в функции скольжения - Ks=f(s).
7. В качестве СПЧ исследованы (на основе ИКМ) особенности примене
ния в составе АСАГ трех типов преобразователей: два СПЧ непосредствен
ного типа - НПЧ-2 и НПЧ-3 и ПЧЗПТ. Даны рекомендации по особенностям
их синтеза и применения в системе САГ.
Практическая значимость работы. С учетом установленной количественной взаимосвязи искажений напряжения САГ с искажениями его тока ротора и с диапазоном изменения скольжения s даны рекомендации по применению типов СПЧ. Предложенные модификации НПЧ создают условия для более широкого их практического использования. Полученный опыт исследования может быть использован для разработки завершенной методики проектирования такого рода систем (САГ) и формулировки окончательных рекомендаций по целесообразным областям их применения. На основе этого опыта сформулированы задачи, требующие дальнейшего исследования данной системы.
На защиту выносятся:
Результаты систематизации и классификации АСЭС на базе САГ.
Полученные аналитическим путем и на основе ИКМ результаты количественной взаимосвязи искажений напряжения САГ с искажениями его тока ротора и со скольжением.
Результаты аналитического исследования и на основе ИКМ трёх видов несимметрии напряжений САГ при его возбуждении от (простейшего) НПЧ-2.
Результаты поискового исследования (на основе ИКМ) возможностей улучшения характеристик САГ за счет увеличения числа пар полюсов ВСМ.
Полученная на основе ИКМ взаимосвязь коэффициента электромеханического усиления по мощности САГ в функции скольжения - Ks=f(s).
Предложенные устройства ограничения импульсных перенапряжений на ключевых элементах НПЧ-^1Э с улучшенными энергетическими показателями, реализующие принцип «электронного клапана».
Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось: На XV-й (2009г.), XVI-й (2010г.) и XVIl-й (2011г.) международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов; на 2-х н/т-х семинарах кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов -ЭКАО» МЭИ.
Публикация. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ (среди них два патента на полезные модели и две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК).
Личный вклад.
Разработаны имитационные компьютерные модели (ИК-модели) трех типов СПЧ (НПЧ-2, НПЧ-3 и ТИН) и в совокупности с известной ИК-моделью асинхронной машины с фазным ротором - АМФР (с определенными допущениями, характеризующими исследование как макромоделирование) сформирована ИК-модель системы САГ. На основе модели этой системы исследованы ее свойства, характеристики, предложены решения по их улучшению и даны необходимые для проектирования рекомендации.
Дано аналитическое объяснение трем видам несимметрии выходного напряжения САГ при возбуждении его от простейшего преобразователя частоты (НПЧ-2). Результаты анализа подтверждены путем ИКМ.
С целью исследования возможностей улучшения характеристик САГ:
аналитически и на основе ИКМ для трех типов СПЧ (НПЧ-2, НПЧ-3 и ПЧЗПТ) установлена взаимосвязь искажений выходного напряжения с искажениями тока возбуждения САГ в функции скольжения. Полученные результаты позволяют обоснованно подойти к выбору типа СПЧ в каждом конкретном случае применения;
исследована целесообразность использования предложенного решения по увеличению числа пар полюсов вспомогательной синхронной машины. Даны соответствующие рекомендации;
при непосредственном участии соискателя разработаны новые решения преобразователей частоты (модифицированные НПЧ-2 и НПЧ-3 - НПЧ-2М и НПЧ-ЗМ) с улучшенными техническими характеристиками;
при изложении материала особое внимание (в силу недостаточного описания в литературе системы САГ) уделено описанию физической сущности рабочих процессов в САГ (и СПЧ) и их графической иллюстрации с помощью осциллограмм, полученных на основе ИКМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 210 страницах (180 стр. текста, 105 рисунков, 5 таблиц), состоит из 5 глав, заключения, библиографии из 64 наименований и приложений.
Исследование параметров фильтра для двух типов СПЧ в СЭС типа ПСПЧ в варианте с ППЭ
С целью упрощения исследования на основе ИКМ была взята упрощенная модель полупроводниковой части АСЭС - в качестве источников питания ТИН использовался источник постоянного напряжения, а не выпрямитель. Моделирование было проведено для AM типа 4AK160S4Y3 в виде трехфазной RL нагрузки (со следующими её параметрами: напряжение /іф//іл=220/380В, частота 50Гц и мощность б ІЗ ЗкВт при cos(pi=0,8) и при случае, когда отношение частоты ближайшей по частоте высшей (фильт- ;V руемой) гармоники к частоте основной гармоники fS(\) равно =ї/т#і(і) 60. Результаты ИКМ представлены на осциллограммах рис. 1-10, из которых видно, что для получения коэффициента гармоник напряжения АСЭС КГ(„) 5% при /г=ЗкГц может быть применен Г-образный LC фильтр с параметрами L=l0mH, C=5juF. Эти параметры фильтра выбраны по методике, изложенной в [1-22], а затем они были уточнены в результате проведения ИКМ.
Оценка массы фазного дросселя индуктивности проведена по методике, изложенной в [1-19]. Расчеты показывают, что при фазном токе якорной обмотки AM /1н=20,9А активная масса дросселя индуктивности фильтра (т.е. с учетом только массы обмотки и магнитопровода) с параметром Ь=10тНи с учетом его конструктивного коэффициента - К=1,1 составляет GL 9KT. Общая масса трех дросселей индуктивности трехфазного фильтра С7зі 27кг. По 25 скольку масса дросселей во многом определяется используемым значением плотности тока j[A/mm ], то нужно заметить, что в данном случае она приня у та равной у 3 А/тт . Что касается выбора конденсаторов фильтра, то для заданной емкости по справочным данным [1-13] определялось требуемое значение рабочего напряжения на конденсаторе из условия не превышения на нем амплитуды ближайшей ослабляемой гармоники. При этом масса конденсатора фильтра типа К75-10 с параметром C-5//FpaBHa GC=0,224KT, а масса трех конденсаторов взс= 0,672кг. Общая суммарная масса Г-образного LC фильтра составляет ОЗФ 27,672КГ.
Временные диаграммы выходных напряжения и тока АСЭС с полным преобразованием на основе ПЧЗГТТ при следующих значениях параметров: Л=220В, Л=20,89А, coscp=0,8, /і=50Гц, /т=3000Гц, для следующих случаев: а) - при отсутствии фильтра на выходе ПЧЗГТТ; б) - при наличии фильтра с параметрами =10m#, C=5ftF.
АСЭС на основе НПЧ В этом варианте также использовался идеализированный вариант АСЭС. В качестве СГ взят виртуальный источник трехфазного переменного напряжения задаваемой частоты fcr =300Гц, соответствующей числу пар по 26 люсов СГ/?сг=6 при скорости вращения вала «і=3000об/мин. Для стабилизации частоты/i, использовался СПЧ другого типа - НПЧ-3 (с эквивалентной пульсностью /И]э=3), выполненный на полностью управляемых ключах переменного тока. Выходная частота такого типа СПЧ является разностью частоты переключения его ключей -/ми частоты СГ - fcv {f\ =/ г/ст ) В данном случае f\ = 50Гц, поэтому частота/ 350Гц.
Чтобы получить приемлемое качество выходного напряжения АСЭС (с коэффициентом гармоник Кци) примерно 5%), в данном варианте требуется фильтр с параметрами L =10/иЯ, С =\5fxF. Эти параметры фильтра определены таким же образом, как было сказано выше. В данном случае масса трех дросселей фильтра не изменена, масса конденсатора оказалась равна Gc=0,672Kr, соответственно, масса трех конденсаторов равна Озс=2,016кг. В результате общая масса трехфазного Г-образного LC фильтра составляет СЗФ 29,016КГ. Результаты ИКМ представлены на рис. 1-11.
Рис. 1-11. Временные диаграммы выходных напряжения и тока АСЭС с полным преобразованием на основе НПЧ-3 при следующих значениях параметров: Ui=220B, /i=20,89A, cos(p=0,8,/,=50rn, /сг=ЗООГц,/м=350Гц для следующих случаев: а) - при отсутствии фильтра на выходе НПЧ; б) - при наличии фильтра с параметрами L=\QmH, C=\5fiF. 1.3. О рассматриваемой системе ПСПЧ (ЧПЭ) на базе синхронизированного асинхронного генератора — САГ (АСАГ)
Рассматриваемая в данной работе система с частичным преобразованием энергии - АСЭС(ЧПЭ) на базе АСАГ, - это третье направление решения проблемы ПСПЧ, которое является альтернативным вариантом по отношению к двум выше описанным традиционным решениям - АСЭС(ГШЭ). Используемая в данном варианте СЭС асинхронная машина (AM) с фазным ротором, по крайней мере, в определенном диапазоне изменения частоты вращения приводного вала (сор) позволяет в значительной мере ослабить ряд указанных недостатков. Очевидно, что ожидаемый выигрыш при решении задачи в этом направлении будет зависеть, прежде всего, от диапазона изменения параметра сор и будет определяться, во-первых, лучшими динамическими показателями (из-за отсутствия фильтра на выходе АСЭС) и, во-вторых, ожидаемым результирующим выигрышем в массе АСЭС в целом: а) за счет выполнения СПЧ не на полную мощность преобразования, а лишь на мощность возбуждения АМФР; б) за счёт исключения упомянутого выходного фильтра АСЭС.
Возможные варианты решений АСЭС на базе АСАГ, как и результирующая оценка конкурентоспособности каждого из них, будут определяться также типом используемого возбуждения AM - с полным самовозбуждением, с самовозбуждением (за счет свойств особым образом выполненного СПЧ, обеспечивающего емкостную реакцию якоря В СМ), или с полностью независимым возбуждением (см. рис. 1-15, 1-16). Далее рассматривается несколько вариантов АСЭС на основе АСАГ.
Вариант автономного двухмашинного АСАГ с электромагнитным возбуждением (АСАГ с частичным возбуждением)
Один из известных вариантов АСЭС [1-3], [1-7], [1-11] на базе АСАГ показан на рис. 1-12. Он содержит две машины, расположенные на общем валу - AM (1) и вспомогательную синхронную машину - ВСМ (5) с электромагнитным возбуждением, выполняемую на мощность возбуждения AM. Поскольку регулирование возбуждения здесь осуществляется в ВСМ а не в AM, такую конфигурацию АСЭС будем обозначать как АСАГ с частичным (зави 28
Вариант структурно-функциональной блок-схемы АСАГ с электромагнитным возбулодением: 1 - асинхронная машина (AM) с фазной обмоткой на роторе (2), выведенной на контактные кольца (3); вспомогательная синхронная машина - ВСМ (5) с якорной обмоткой (6) и с обмоткой индуктора (7), выведенной на контактные кольца (8); 9 - преобразователь частоты непосредственного типа (НПЧ), подключенный своими силовыми входами к выходам формирователя управляющих импульсов - ФУИ (10); задатчик частоты -34 (11); 13- регулятор тока возбуждения ВСМ - РТВ (12), включающий в себя: силовую часть - СЧ (19) и контур отрицательной обратной связи - КООС (32), который содержит измерительный орган напряжения -ИОН (13), вычитатель сигналов (14), сумматор - 27 (15), задатчик уровня напряжения - ЗУН (16) с опорным напряжением - U0„ , модулятор ширины импульсов - МШИ (17), драйвер - ДРВ (18); аккумуляторная батарея - АБ (21) с контактором - VS (20); и блок питания внутренних нужд - БПВН (22); б) - ВСМ с комбинированным возбуждением: постоянный магнит - NS (30). симым) возбуждением (см. рис. 1-12). Возможны также варианты АСЭС без ВСМ. Тогда самовозбуждение должно быть организовано самой AM.
В двухмашинном варианте (по рис. 1-12) AM и ВСМ обычно выполня ются с одинаковым числом полюсов. ВСМ генерирует трехфазное напряже ние частоты » пропорциональной изменяемой частоте вращения вала, кото рая может изменяться в определенном диапазоне. В АСЭС содержится НПЧ, своим силовым входом подключенный к якорной обмотке ВСМ, а выходом к роторной обмотке AM. НПЧ может быть двух типов: в первом (бестранс форматорном) варианте он выполняется на полностью управляемых ключах с двухстороной проводимостью (иначе - на ключах переменного тока) см.рис. 2-1а, 2-1 г, 2-56; а во втором - в трансформаторно полупроводниковом исполнении на основе использования многообмоточного трансформатора и трехцепевых ключей-короткозамыкателей (ТКК) перемен ного тока - см. рис. 2-1д, 2-1е, 2-5а. Первый тип НПЧ будем обозначать как НПЧ-т1Э (например, НПЧ-2, НПЧ-3), а второй тип НПЧ - как НПЧ-т,э(7У), где тіз - число фаз, из которых формируется выходное напряжение НПЧ. Ключи переменного тока таких НПЧ переключают с неизменной частотой f\=const, которая равна выходной частоте АСАГ и которая задается задатчи- ,;. ком частоты (34) - рис. 1-12. На вход НПЧ от вспомогательной синхронной машины - ВСМ подается трехфазное напряжение Щ (где/ - фазовый индекс А, В, С) частоты пропорциональной частоте приводного вала. Структурно-алгоритмическая организация НПЧ такова, что на его выходе формируется трехфазное напряжение Щ , которое подается на роторную обмотку AM. Основная гармоника этого напряжения имеет разностную частоту fs f\-fi-Возможны 3 режимы работы САГ. В 1-ом режиме - режиме синхронной скорости, соответствующем равенству частот f\ =/г,в этой обмотке формируется неизменный во времени поток возбуждения (fs= 0), который вращается с синхронной частотой вращения вала f\, и в якорной обмотке AM наводится трехфазное напряжение Uy стабильной частоты/]. Во 2-ом режиме -режиме подсинхронной скорости, когда fi f\ , поток возбуждения относи зо
тельно ротора уже вращается с разностной частотой =/i -f2 согласно с направлением вращения вала, т.е. с прямым порядком чередования фаз. При этом в якорной обмотке AM будет наводиться напряжение Щ , по-прежнему, той же стабильной частоты/і. В 3-м режиме - режиме выше синхронной скорости, когда fi f\ , поток возбуждения относительно ротора вращается с разностной частотой fs = -f\ + fi встречно направлению вращения вала, но уже с обратным порядком чередования фаз. Однако, напряжение на выходе AM, по-прежнему, будет иметь то же значение частоты/]. Таким образом, стабильность этой частоты будет полностью определяться стабильностью 34.
Стабилизация выходного напряжения AM обеспечивается регулированием тока возбуждения ВСМ (5). Эту функцию выполняет регулятор тока возбуждения - РТВ (13), который содержит силовую часть - СЧ (21) и контур отрицательной обратной связи - КООС (32). В начальный момент работы АСЭС возбуждение ВСМ обеспечивается от аккумуляторной батареи - АБ (21). Для обеспечения полной автономности АСЭС (путём исключения из неё АБ) ВСМ должна выполняться с комбинированным возбуждением (см. рис. 1-126). В этом решении ротор ВСМ выполняется из двух частей: из постоянного магнита - NS (30) и обмотки возбуждения (7). Совместное действие маг- ,; , iv нитодвижущей силы (МДС) этих двух источников создает регулируемый рабочий поток в ВСМ [1-7], [1-Ю].
Описание принципа построения и работы НПЧ-2
Таким же образом в начале пуска АСАГ напряжение АБ (21) через БПВН (22) (по его цепи питания постоянного тока) должно подаваться и к цепям питания блоков БУВ (40), ФУИ (10). Требуемый алгоритм изменения частоты Ум поясняется следующими тремя возможными значениями частоты вращения вала п . В начальный момент пуска (при неподвижном роторе, когда частота ./2=0) частота скольжения fs=fi , в синхронном режиме /2=/ітм=рпіноь/60 , а =0 (где р -число пар полюсов AM, а л1ном - номинальное значение частоты вращения вала в оборотах в минуту, иначе синхронная скорость вращения вала); а при отклонениях параметра п от номинального значения частота/j Ф 0. В стационарном режиме (то есть в режиме самовозбуждения) БПВН (22) получает питание от AM через дополнительные согласующий трансформатор и выпрямитель, которые входят в состав этого блока. Выходное напряжение АСАГ U\ и его частота f\, стабилизируются системами автоматического регулирования с заданной точностью. Регулирование напряжения U\ обеспечивает РТВ (12), содержащий ИОН (13), КООС (32), аналогичным тому, как это делается в варианте АСАГ по рис. 1-16. Регулирование частоты f\ обеспечивает блок регулирования частоты модуляции - БРЧМ (41). О нем подробно говорится в разделе 1.3.4.1. Заметим, что в данном варианте АСАГ установлены два контура: один КООС - в РТВ (12), другой КООС1 (84) - в БРЧМ (41).
Описание принципа построения и работы блока БРЧМ По принципу работы АСАГ в роторную обмотку AM должно подаваться напряжение возбуждения u t) частоты скольжения fs=fi-fu (/м =/0 во 2-ом режиме (при fi fy) с прямым порядком чередования фаз этого напряжения и частоты скольжения fs= - (fi-fu) в 3-м режиме (при fi fM) - с обратным порядком его чередования.
При построении АСАГ в двухмашинном варианте с использованием для возбуждения AM ВСМ с полюсностью, равной полюсности AM, информация о частоте вращения вала содержится в напряжении ВСМ, которое имеет частоту = var. В этом случае частота модуляции/, =/j является неизменной и, например, для ПЧ непосредственного типа (НПЧ) определяет частоту переключения его ключей. Здесь стабильность частоты/] выходного напряжения AM определяется стабильностью частоты задающего генератора (иначе блока 34 11). Таким образом, ВСМ здесь используется и как источник мощности возбуждения AM и как задатчик частоты.
В рассматриваемом здесь в одномашином варианте АСАГ, когда ВСМ отсутствует и мощность возбуждения берется с выхода самой AM, датчик частоты вращения вала отсутствует, и система управления должна строится по иному принципу - по принципу автоматической стабилизации частоты f\ выходного напряжения AM с заданной точностью. Система управления ТИН (23) здесь, по-прежнему, должна содержать задатчик частоты 34 (11), генерирующий импульсы с частотой f\=const, а импульсы частоты модуляции (fM =fx) должны формироваться блоком регулирования частоты модуляции БРЧМ (41), содержащим обобщенный контур отрицательной обратной связи КООС1 (84) по частоте/. KOOCl (84) в рассматриваемом здесь варианте со- ;\ держит следующие узлы: умножитель частоты УЧ (42), преобразователь частоты в напряжение - ПЧН (43), представляющий собой датчик частоты (с аналоговым выходным сигналом - Щ), аналоговый задатчик уровня напряжения - АЗУЧ (46) с выходным аналоговым сигналом Up,, устройство (45) сравнения аналоговых сигналов U/\ и Up с выходным разностным сигналом AUj= Up- Uf\, уровень которого пропорционален отклонению частоты/ от заданного значения, усилитель У (45) с выходным сигналом kbJJf (где - коэффициент усиления усилителя), сумматор (47) сигналов Up и kAU/ с выходным сигналом Up = Ufi +kAU/ и преобразователь (48) напряжения Up в частоту (ПНЧ), равную или близкую частоте/ , которая равна частоте модуляции/, . Эта частота и частота / используется в блоке ФУИ (10) для выделения разностной частоты fs=fi-fH. ПНЧ (48) достаточно просто может быть реализован на основе мультивибратора Ройера [1-4], [1-5].
Каково назначение умножителя частоты УЧ (42)? В этом узле происходит преобразование напряжения изменяющейся частоты /2 в постоянную составляющую, пропорциональную изменению этой частоты. То есть этот узел реализует функцию датчика частоты. Схемотехнические его решения известны, см., например, [1-6]. На выходе датчика частоты получается двухполупе-риодно-выпрямленное напряжение, которое затем подвергается фильтрации обычно с помощью Г-образного LC фильтра. Поскольку фильтр вносит заметное запаздывание в контур регулирования, то одним из путей его уменьшения может быть повышение (умножение) измеряемой частоты. При наличии трехфазной системы имеются решения, позволяющие повысить частоту, например, в 3 раза. Можно получить и больший коэффициент умножения.
О принципе построения и работы МИТВ Схема ТИН в режиме МИТВ показана на рис. 1-20. Структура силовой части МИТВ (38) повторяет структуру выше рассмотренного в подразделе 1.3.1.1 ТИН (23) с ШИМ выходного напряжения. Отличие силовой части МИТВ (38) заключается лишь в наличии сопрягающих дросселей LA, LB, LC, включенных последовательно в цепи переменного тока МИТВ. Блок управления БУВ (9) МИТВ во многом повторяет ФУИ (10). Отличие его состоит в том, что в качестве сигналов задания uy{t) здесь используются сформированные определенным образом сигналы, - во-первых, они должны быть синхронизированы с сетью, во-вторых, иметь возможность управляемого фазового сдвига на угол в (в сторону отставания от сетевого напряжения). Уровень постоянной составляющей 1 ю тока нагрузки задается параметром регулирования напряжения /а и углом в . Взаимосвязь этих параметров определяется векторной диаграммой на рис. 1-21 и имеет модельное описание, приведенное, например, в [1-16].
Имитационная компьютерная модель АМФР и предварительная ее проверка на адекватность
Диапазон изменения частоты вращения вала системы АСАГ однозначно связан с частотой скольжения s (см. взаимосвязь (2-58). Поскольку мощность возбуждения АМФР (и мощность НПЧ) фактически пропорциональна значению скольжения s, то, очевидно, что имеется некоторое наибольшее (предельное) значение этого параметра, больше которого построение системы АСАГ по критериям массы и стоимости становится нерациональным. Определенные рекомендации по данному вопросу даны, в частности, в работе [1-3]. В настоящей статье лишь предварительно затрагивается эта проблема. Однако доказательное её решение именно в такой постановке с учетом особенностей системного взаимодействия трех силовых преобразующих звеньев (AM, НПЧ с КОМ и возбудителя) и является конечной целью проводимого исследования. Представленные далее в главе 4 результаты исследования получены на основе использования ИКМ.
Недостатком известного традиционного НПЧ является наличие импульсных перенапряжений (ИПН) на основных ключах и на диодах мостов, которые обусловлены всегда имеющими место индуктивностями рассеяния обмоток трансформатора (или генератора), являющегося составной частью системы «АСАГ» [1-3]. Для возможности в уменьшении этих перенапряжений, используют средство ограничения перенапряжений в виде i CD-цепочек (снабберов) (см. рис. 2-9), подключаемых параллельно основным ключам. Однако такое решение имеет невысокую энергетическую эффективность из-за потерь энергии при каждом разряде конденсатора С на резистор R. В дан 99 ном исследовании рассматривается техническое решение, которое в значительной мере устраняет этот недостаток. Оно обеспечивает уменьшение импульсных перенапряжений на ключевых элементах НПЧ до допустимого уровня и в дальнейшем обозначается нами как устройство ограничения импульсных перенапряжений (УОП).
Один из прелагаемых и исследуемых в работе вариантов УОП применительно к НПЧ-2 поясняется на рис. 2-10 (см. результаты ИКМ на рис. 4-18, 4-19). Данное решение в настоящее время запатентовано [2-11]. УОП выполнено на основе CD-цепочкой с пороговым ключевым элементом - КЭ (в качестве которого используется транзистора VT3) и реализует принцип «электронного клапана»: при появлении ИПН на входе УОП КЭ включается и энергия индуктивности рассеяния направляется в накопительный конденса 100 тор С . После снижения ИПН до заданного уровня КЭ выключается. Таким образом, происходит дозированный, эффективный вывод «паразитной» энергии из коммутируемой цепи. VD Рис. 2-10. Принципиальная электрическая схема простейшего непосредственного преобразователя частоты (НПЧ-2) в транзисторном исполнении с общим для двух ключей УОП («электронным клапаном»).
УОП подключено через четырех разделительных диодов (VD1, VD2, VD3 и VD4) к выходам двух мостов {МВ1, МВ2). Переключения КЭ (VT3) управляется от блока управления БУ2. БУ2 выполняется на основе компаратора с гистерезисом. На его измерительный вход с выходов диодных мостов МВ1 и МВ2 подают напряжения « /(мві)(0 и « /(мв2)(0 (эти же напряжения прикладываются к основным транзисторам VT1, VT2), а на опорный выход компаратора подают опорный сигнал Uon , значение которого определяет порог его срабатывания. Уровень опорного сигнала устанавливают таким, чтобы ограничить на требуемом уровне значение импульсного напряжения на транзисторах VT1, VT2 в моменты из запирания. При равенстве сигналов «d(MBi)(0= oni (или ud(MB2)(t)=Uoni или umn{t)=Uonі) компаратор срабатывает и генерирует импульс на включение транзистора VT3. После его включения импульс напряжения, обусловленный индуктивностью рассеяния обмоток трансформатора (или генератора), прикладывается к накопительному конденсатору С1, и он заряжается энергией, накопленной в этих индуктивностях. После снижения импульсов Wrf(MBi)(0 (или и /(Мв2)(0) Д определенных установленных значений, называемых порогом отпускания, компаратор перебрасывается в противоположное состояние, и дополнительный транзистор VT3 переходит в закрытое (не проводящее) состояние. Порог отпускания характеризует собой гистерезис компаратора. Его уровень устанавливается расположенным в компараторе регулируемым резистором. Таким образом, дополнительный транзистор VT3 включается на достаточно короткое время, необходимое лишь для сброса энергии с индуктивностей рассеяния в накопительные конденсаторы. Снабберная цепочка VT3-C1-R1 обслуживает поочередно два основных транзистора VT1 и VT2. Таким образом, благодаря предложенному УОП рассеиваемая на разрядном резисторе R1 мощность оказывается минимально возможной.
Вариант реализации НПЧ-2Р по рис. 2-11 позволяет не только расширить его функциональные возможности (за счет обеспечения регулирования его выходного напряжения), но и улучшить его качество. В нем использована та же идея построения УОП. Данное решение также запатентовано [2-11]. Функция регулирования напряжения здесь реализуется введением регулируемой паузы а между переключения ключей VT1, VT2. Для реализации угла а параллельно к ключам VT1, VT2 подключен ключ VT4. Снабберная цепочка VT3-C1-R1 подключена через шесть разделительных диодов (VD1, VD2, VD3, VD4, VD5 и VD6) к выходам трех мостов (МВ1+МВЗ). Поскольку при активно-индуктивном характере нагрузки ток в ней во избежание аварийных перенапряжений прерываться не должен, то на интервале а включают ключ VT4, и таким образом для тока нагрузки обеспечивается путь для его протекания.
Принцип работы УОП такой же, как и у НПЧ-2 (см. раздел 2.7.1) и здесь не рассматривается. Работоспособность данного решения НПЧ-2Р подтверждена результатами ИКМ (см. рис. 4-30, 4-31).
Исследование процессов в НПЧ с УОП при совместной работе с AM
Целью исследования является определение наиболее рациональных значений варьируемых параметров УОП, обеспечивающих минимальные или приемлемые значения потерь на разрядном резисторе и на ключевом клапане.
В качестве основных варьируемых переменных здесь выступают пять параметров: значения емкости буферного конденсатора «С2», сопротивления разрядного резистора «R1» и время открытого состояния ключевого клапана «t0pen» (см. рис. 4-21). Ограничивающим параметрам здесь выступает допустимое значение уровня импульсного перенапряжения на основных ключах. В результате число варьируемых параметров возрастает до четырех.
Точное решение этой задачи требует задания критериев параметрической оптимизации и использования методов многокритериальной оптимизации.
В качестве главного критерия оптимизации в данном случае принят минимум потерь на разрядном резисторе. Все остальные параметры переводятся в ранг ограничений. В этом случае задача сводится к однокритериальной оптимизации.
Результаты исследования представлены на графиках (см. рис. 4-23 -4-25). Используя эти результаты, можно найти требуемые (допустимые в конкретном применении) значения параметров УОП.
Из результатов заметно, что импульсные перенапряжения на основных ключах (при прочих равных условиях) зависят от следующих факторов: - они увеличиваются с уменьшением емкости сглаживающего конденсатора; - они с увеличением времени открытого состояния ключа в основном уменьшаются, но при определенных значениях указанных остальных параметров может наблюдаться небольшой экстремум (минимум); - они с увеличением сопротивления разрядного резистора возрастают, причем при определенных соотношениях значений сопротивления этого резистора и емкости сглаживающего конденсатора может также наблюдаться экстремум (минимум).
Для достижения минимальных потерь на разрядном резисторе (при двух значениях результирующей индуктивности рассеяния) проведена серия вариационных экспериментов, которые дали следующие результаты: при прочих равных условиях, - потери на разрядном резисторе с ростом значения результирующей индуктивности рассеяния увеличиваются; - они с ростом времени открытого состояния ключа возрастают; - они с уменьшением сопротивления разрядного резистора увеличиваются; - они с увеличением значений емкости сглаживающего конденсатора возрастают.
При прочих равных условиях по значениям исследуемых параметров с ростом результирующей индуктивности рассеяния потери на разрядном резисторе растут. В случае неприемлемых значений этих потерь должна использоваться другая топология УОП по рис. 4-
Задача выбора параметров разнесенной RC цепочки в предложенном УОП не имеет точного решения и может быть решена на основе компромисса между приемлемым уровнем импульсного перенапряжения на основных ключах и допустимым уровнем потерь на разрядном резисторе.
В данном исследовании могут быть рекомендованы следующие диапазоны изменения этих параметров: уровень импульсных перенапряжений на основных ключах +1(Н-30% от максимального базового значения (см. примечание), уровень потерь на разрядном резисторе 0,8-4,5% от максимального значения выходной мощности НПЧ-2 (1973,77Вт при S=H-0,1). В данном случае эти уровни обеспечиваются следующими значениями параметров
Рис. 4-23. Зависимости потерь на ключевом клапане и потерь на разрядном резисторе от значения его сопротивления, значения емкости буферного конденсатора и времени открытого состояния ключевого клапана. Исследование проведено при следующих значениях параметров САГ: Ui(i)=U\aou=220B=const, cosi0)=cosiB(M=Q,%, /і(і)=/1НоМ=20,9А=со/Ш, f/2(i)=54 29B, /г(і)=24,75А и при индуктивности рассеяния якорных обмоток ВСМ /,сті(всм)-10////.
Зависимости потерь на ключевом клапане и потерь на разрядном резисторе от значения его сопротивления, значения емкости буферного конденсатора, от параметра Дтцвсм) и времени открытого состояния ключевого клапана. Зависимость уровней импульсных перенапряжений, прикладываемых к основным ключам НПЧ-2, от значения емкости буферного конденсатора, значения сопротивления разрядного резистора, времени открытого состояния ключевого клапана и от параметра Ьацвсиу Исследование проведено при следующих значениях параметров: /і(і)=С/іном-220В со/ш, /і(і)=Лном=20,9А=сои5Г, co5,(1)=co5iHOM=0,8, f/2(i)=54,29B, /20)=24,75A.
Что касается значение Ьацвсмг 00/лН, то поскольку увеличивается это значения, выброс энергии в конденсатор при этом становится больше. Поэтому для этого значения берутся уровень потерь на разрядном резисторе от максимального значения выходной мощности НПЧ-2 0,8+2,5% при процентах уровня импульсных перенапряжений на основных ключах от максимального базового значения +10+40%. В данном случае эти уровни обеспечиваются следующими значениями параметров :
