Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время Россия является лидером по объемам централизованного электро- и теплоснабжения. Однако система централизованного энергоснабжения в стране переживает кризис -оборудование ветшает, спрос на электроэнергию значительно опережает прирост генерирующих мощностей. Согласно данным опубликованного отчета Минпромэнерго РФ, к 2012 году выработают свой ресурс около 50% теплоэлектростанций и гидроэлектростанций, а к 2020 году эта цифра возрастет до 70%.
В соответствии с мировыми тенденциями одним из современных способов производства энергии, который может занять достойное место в спектре решений возникших и прогрессирующих энергетических проблем России, является одновременная выработка электроэнергии, тепла, а при необходимости, и холода экономически эффективными и экологически безопасными микротурбинными (МТУ) и газотурбинными (ГТУ) установками мощностью до нескольких десятков мегаватт.
Подобные установки выпускаются ведущими странами Мира (США, Швеция, Англия). Они поступают в продажу и в Россию.
Во избежание энергетической зависимости России от стран Запада и ликвидации отставания в области передовых технологий необходимо уделить особое внимание разработкам отечественных когенерационных электроэнергетических установок, выполненных на базе синхронных магнитоэлектрических машин (СМПМ) и газотурбинных двигателей с газовыми подшипниками (ГТД-ГП).
Вопросы разработки конструкции и систем управления СМПМ получили развитие в трудах отечественных ученных В.А. Балагурова, ДА. Бута, А.Н. Дедовского, А.И. Коршунова, Г.Г. Соколовского, С.Г. Германа-Галкина, и других, широко известны труды зарубежных ученых J. Holtz, L. Springob, J. Cros и других.
Однако в них не рассмотрены вопросы разработки и проектирования СМПМ для работы совместно с ГТД-ГП и преобразователем электроэнергии, а также реализация соответствующего управления высокоскоростной, и одновременно с этим, мощной электромеханической системой в несколько десятков мегаватт.
Целью диссертационной работы является разработка специального высокоскоростного магнитоэлектрического синхронного генератора, работающего совместно с ГТД-ГП и полупроводниковым преобразователем в составе электроэнергетической установки, и управление этой установкой для
снабжения потребителей электроэнергией требуемой стандартной частоты и напряжения.
Достижение поставленной цели требует решения следующих научно-технических задач:
1. Разработка и обоснование конструкции высокоскоростной СМПМ,
пригодной для совместной работы с ГТД-ГП при частотах вращения
40 000... 100 000 об/мин без увеличения массогабаритных показателей.
2. Разработка инженерной методики проектирования и электромагнитного
расчета высокоскоростной СМПМ.
3. Разработка системы автоматического управления предложенной
электроэнергетической установки, обеспечивающей устойчивую и надежную
работу в эксплуатационных режимах работы.
4. Разработка математических моделей и структурных схем
имитационного моделирования генераторного и стартерного режимов работы
предложенной электроэнергетической установки для исследования
энергетических процессов.
5. Экспериментальная проверка возможности частотного пуска СМПМ без
пусковой обмотки от полупроводникового преобразователя с векторным
законом управления без использования измерительного преобразователя
частоты вращения.
Объектом исследований являются высокоскоростная СМПМ совместно с полупроводниковым преобразователем и ГТД-ГП электроэнергетической установки.
Предметом исследования в диссертационной работе являются методы, модели, методики и алгоритмы обеспечения векторного бездатчикового управления электроэнергетической установкой в стартерном и генераторном режимах оригинальной СМПМ.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы положения теоретической электротехники, теорий электрических машин, автоматического управления, электропривода и цифрового управления, методы численного и имитационного моделирования электромеханических систем. Расчетные данные получены на персональном компьютере с применением программ MathCad 14, Solid&Works и Simulink пакета MATLAB R2006a.
Достоверность научных результатов, изложенных в работе, подтверждается обоснованием расчетных методик и применяемых допущений, корректным применением современных методов научных исследований, удовлетворительным совпадением результатов имитационного и экспериментального исследований частотного пуска предложенной СМПМ, а также удовлетворительным согласованием полученных данных с результатами
исследований других авторов (А.И. Коршунов, А.С. Гончаров, А.Н. Анненков и другие).
Научная новизна заключается е следующем:
Предложено новое конструкторское решение, позволяющее создавать высокоскоростные (40 000...100 000 об/мин) бесконтактные синхронные машины, в том числе на мощности до нескольких десятком мегаватт для работы совместно с ГТД-ГП. В Федеральной службе по интеллектуальной собственности получены соответствующие патенты на изобретение.
Разработана оригинальная инженерная методика проектирования и электромагнитного расчета высокоскоростной СМПМ с соответствующими рекомендациями и справочными данными по выбору безразмерных параметров и величин, участвующих в расчете.
3. Разработаны структурные схемы и математические модели
генераторного и стартерного режимов работы СМПМ электроэнергетической
установки в среде имитационного моделирования Matlab&Simulink для анализа
энергетических процессов.
4. Предложена и обоснована возможность осуществления частотно-
токового пуска СМПМ без пусковой обмотки векторным бездатчиковым
способом.
Практическая ценность
1. Предложенная конструкция высокоскоростной СМПМ позволяет
использовать ее совместно с ГТД-ГП, одновременно обеспечивая высокую
надежность и ресурс электромашины без увеличения массогабаритных
показателей.
2. Разработанная инженерная методика проектирования и
электромагнитного расчета высокоскоростной СМПМ с использованием пакета
математических вычислений MathCad 14 позволяет произвести расчет машины
на заданную мощность, напряжение и частоту вращения ротора.
3. Реализация предложенного способа пуска СМПМ в режиме стартера
электроэнергетической установки от полупроводникового преобразователя
обеспечивает требуемый закон изменения частоты вращения ротора и
своевременный выход ГТД на режим устойчивой надежной работы - так
называемый режим «малого газа»
4. Разработанная имитационная модель рассматриваемой
электромеханической системы позволяет исследовать поведение элементов
энергетической установки в режиме запуска ГТД-ГП и работы под нагрузкой,
наблюдать и регистрировать значения интересуемых параметров и величин, а
также анализировать качество вырабатываемой электроэнергии.
5. Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе,
в исследовательских и дипломных проектах студентов кафедры
«Электроэнергетика и электротехника» ДВФУ, подтверждающий акт содержится в приложении к диссертации. Положения, выносимые на защиту.
Конструкция СМПМ, обеспечивающая возможность работы машины совместно с ГТД-ГП.
Инженерная методика проектирования и электромагнитного расчета высокоскоростной СМПМ.
3. Структурная схема системы автоматического управления (САУ),
учитывающая особенности предложенной электроэнергетической установки.
4. Имитационные модели и результаты моделирования
электромеханической системы в среде Matlab&Simulink.
5. Результаты экспериментальных исследований частотного пуска
магнитоэлектрической синхронной машины без пусковой обмотки от
преобразователя частоты с векторным законом управления без использования
измерительного преобразователя частоты вращения.
Публикации по теме диссертации. По теме диссертационной работы опубликовано 18 печатных работ, в том числе: три работы опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Получены два патента РФ на изобретение.
Апробация результатов научных исследований. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международном форуме стран Азиатско-Тихоокеанского региона (Владивосток, 2007-2009); на Всероссийской выставке и конкурсе НТТМ (Москва, 2008); в программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (Владивосток, 2008), а также в научно-технических конференциях «Вологдинские чтения» ДВГТУ (Владивосток, 2007-2010). Доклады отмечены грамотами и дипломами.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка, включающего 144 наименования, и трёх приложений. Объем работы составляет 166 листов машинописного текста, включает 45 иллюстраций и 4 таблиц.
Похожие диссертации на Электроэнергетическая установка на базе синхронной магнитоэлектрической машины и газотурбинного двигателя с газовыми подшипниками
