Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор систем генерирования электрической энергии летательных аппаратов 12
1.1. История развития и классификация систем генерирования электрической энергии 13
1.2. Системы генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты 23
1.3. Выводы по первой главе 33
2. Математическая модель системы генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты и расчет статических режимов 34
2.1. Постановка задачи и метод анализа системы «мэг-пп» 35
2.2. Математическая модель системы генерирования «мэг-пп» 37
2.3. Расчет статических режимов в системе генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты 43
2.4. Методика расчета параметров генератора и преобразователя на заданную крейсерскую скорость 70
2.5. Выводы по второй главе 94
3. Численное моделирование системы генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты 95
3.1. Особенности проектирования сгээ переменного тока переменной частоты при неявнополюсном типе синхронного генератора 96
3.2. Расчет энергетических показателей сгээ с дополнительными магнитосвязанными катушками индуктивностей 119
3.3. Имитациоішая модель сгээ. алгоритм управления пп. результаты имитационного моделирования 127
3.4. Выводы по третьей главе 141
4. Физический эксперимент 142
Заключение 150
Список литературы
- Системы генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты
- Математическая модель системы генерирования «мэг-пп»
- Методика расчета параметров генератора и преобразователя на заданную крейсерскую скорость
- Расчет энергетических показателей сгээ с дополнительными магнитосвязанными катушками индуктивностей
Введение к работе
Актуальность работы. В последние годы, рост мощности электроагрегатов на борту летательных аппаратов сопровождался качественной модификацией, заключающейся в снижении требований к стабильности частоты переменного напряжения автономных систем электроснабжения. Этот факт поспособствовал появлению новых технических решений в системах электропитания и повышенному интересу к системам генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты. Эффективность систем генерирования с переменной частотой вращения вала генератора подтверждена большим количеством исследований и реализованных проектов в ветроэнергетике. Исключение механической системы, стабилизирующей частоту вращения вала генератора, в общем случае приводит к увеличению энергетической эффективности в среднем на 15-К20%. На борту летательного аппарата такое увеличение становится еще более актуальным, поскольку обеспечивает значимое снижение затрат на авиаперевозки.
Различные аспекты теоретического и практического плана построения систем генерирования и отдельных её элементов для автономных объектов нашли отражение в трудах И.И. Алексеева, В.Г. Андреева, Е.И. Беркович, Н.И. Бородина, Д.Э. Брускина, Д.А. Бута, Ю.М. Быкова, А.Г. Гарганеева, Г.В. Грабовец-кого, Б.С. Зечихина, В.В. Иванцова, Ю.М. Инькова, Л.К. Ковалева, Ю.И. Конева, Н.Т. Коробана, Н.Н. Лаптева, А.В. Левина, В.Л. Лотоцкого, И.И. Лукина, Б.В. Лукутина, Б.А. Майбородина, В. И. Мелешин, И.В. Нежданова, В.И. Ради-на, Э.М. Ромаша, Г.А. Сипайлова, Л.Е. Смольникова, Б.П. Соустина, Н.П. Старовойтовой, В.Е. Тонкаля, В.В. Филатова, С.А. Харитонова, В.А. Цишевского, Е.Е. Чаплыгина, М.М. Юхнина и многих других.
Наиболее современные достижения в самолетостроении реализовались в двух проектах, А-380 и В-787, разработанных ведущими зарубежными компаниями в этой отрасли промышленности. Хотя оба проекта символизируют принципиально противоположные тенденции развития авиации, тем не менее, в обоих проектах отказались от использования систем электроснабжения постоянной частоты, где это постоянство обеспечивается гидромеханическими приводами-генераторами. Суммарная мощность каналов системы генерирования переменной частоты на борту А-380 достигает 600 кВА и 1 МВА на В-787. В качестве основных производителей электрической энергии использованы трех-каскадные генераторы фирмы Hamilton-Sundsrand.
В отечественном самолетостроении (SSJ-100, Ту-204СМ, Ил-96-300, Ан-148) пока придерживаются концепции построения централизованной системы генерирования с постоянной частотой переменного напряжения, где стабилизация осуществляется за счет интегрального привода-генератора, обладающего рядом существенных недостатков, прежде всего низкая надежность, высокая стоимость и необходимость обслуживания.
В качестве альтернативного варианта широко-используемому трехкаскадно-му генератору в системах генерирования электрической энергии (СГЭЭ) переменного тока переменной частоты можно рассмотреть синхронный генератор с
возбуждением от постоянных магнитов, который обеспечивает существенные преимущества в массе, габаритах и надежности, сочетающиеся с простотой конструкции.
Известен ряд исследований и запатентованных решений, основывающихся на построении СГЭЭ переменного тока переменной частоты на базе магнитоэлектрического синхронного генератора (МЭГ). В структуре такой системы имеется полупроводниковый преобразователь (ПП) на базе инвертора напряжения (ИН), работающего в обращенном режиме и реализующий функцию генерирования дополнительного реактивного тока. Из особенностей такой структуры можно выявить ряд преимуществ по сравнению с системами прямого преобразования электрической энергии и системами, основывающихся на трехкас-кадных генераторах:
Все вышеупомянутые достоинства МЭГ (масса, обслуживание, технология изготовления, ресурс);
Токи короткого замыкания, вызванного нагрузкой, минуют ПП, что значительно снижает требования к надежности и ресурсу всей системы и как следствие - снижается габаритная мощность преобразователя;
Возможность реализации стартер-генератора для запуска маршевого двигателя летательного аппарата от бортовой сети во время полета;
Возможность компенсации высокочастотных составляющих, как в токе нагрузки, так и в генерируемом напряжении, то есть непосредственное воздействие на качество электрической энергии, отражающееся в увеличение энергетической эффективности.
Такой вариант СГЭЭ переменного тока переменной частоты, базирующийся на параллельном подключении ПП к МЭГ, из известных принципов работы может обеспечить высокое качество генерируемой электрической энергии в широком диапазоне частот вращения вала генератора.
Целью работы является анализ основных энергетических характеристик системы генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты на базе магнитоэлектрического генератора и полупроводникового преобразователя.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
-
Разработка математической модели СГЭЭ переменного тока переменной частоты, обеспечивающей общий анализ энергетических показателей и алгоритмов управления в системе генерирования переменного тока переменной частоты при различных вариантах проектирования синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов.
-
Анализ электромагнитных процессов в системе генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты.
-
Синтез алгоритма управления полупроводниковым преобразователем, обеспечивающего требуемое качество генерируемой электрической энергии.
-
Разработка инженерной методики расчета оптимальных параметров синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов и полупро-
водникового преобразователя при заданных показателях генерируемой электрической энергии; 5. Разработка физического макета и проведение экспериментальных исследований СГЭЭ переменной частоты на базе синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов и полупроводникового преобразователя. Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены с использованием базовых методов анализа теории электрических цепей. Также использованы методы аналитического и численного расчета линейных дифференциальных уравнений и имитационное моделирование в пакете прикладных программ для расчета процессов с учетом нелинейных характеристик МЭГ и ПП. В работе применяются Фурье преобразования, матричное исчисление, различные разделы линейной алгебры и математического анализа. Экспериментальные исследования проводятся путем физического макетирования.
Достоверность полученных результатов подтверждаются корректной постановкой задач, адекватностью применения математического аппарата, а также результатами имитационного моделирования и натурального эксперимента. Научная новизна заключается в следующем:
-
Предложены и исследованы способы построения и стабилизации выходного напряжения магнитоэлектрического генератора с помощью параллельного подключения полупроводникового преобразователя в составе СГЭЭ переменного тока переменной частоты;
-
В результатах анализа энергетических характеристик и алгоритмов управления полупроводниковым преобразователем при параллельной работе с магнитоэлектрическими генераторами различного типа в составе СГЭЭ переменного тока переменной частоты при широком диапазоне изменения частоты вращения вала генератора;
-
Предложены и исследованы три способа выбора основных параметров магнитоэлектрического генератора и полупроводникового преобразователя в составе СГЭЭ переменного тока переменной частоты.
Практическая значимость работы:
-
Получены результаты расчета различных структурных вариантов СГЭЭ переменного тока переменной частоты;
-
Разработана инженерная методика расчета оптимальных параметров синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов и полупроводникового преобразователя в составе СГЭЭ переменного тока переменной частоты;
-
Предложен алгоритм управления полупроводникового преобразователя в составе СГЭЭ переменного тока переменной частоты.
Основные результаты, выносимые на защиту:
1. Способы построения энергоэффективной СГЭЭ переменного тока переменной частоты на базе синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов и полупроводникового преобразователя;
-
Результаты анализа влияния параметров нагрузки и синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов на энергетические показатели СГЭЭ переменного тока переменной частоты при широком изменении скорости вращения вала генератора;
-
Результаты имитационного моделирования СГЭЭ переменного тока переменной частоты с учетом нелинейной характеристики синхронного генератора;
-
Способы выбора основных параметров магнитоэлектрического генератора и полупроводникового преобразователя в составе СГЭЭ переменного тока переменной частоты при широком диапазоне изменения частоты вращения вала генератора.
Апробация работы. Основные результаты доложены, обсуждены и одобрены на следующих научных семинарах и конференциях:
Всероссийская научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», Новосибирск, НГТУ, 2010, 2011гг.;
Международная конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП», Новосибирск, НГТУ, 2012 г.;
Международная конференция молодых специалистов по микро/нано-технологиям и электронным приборам «EDM», Новосибирск, НГТУ, 2010,2011,2012 гг.;
Международная конференция молодых специалистов по энергетике IYCE, Португалия, г. Лейрия, 2011 г..
Международный конкурс «ТЕСО Greentech contest 2012», Тайвань, г. Тайбэй, 2012 г.
Внедрение результатов исследований. Разработанные математические модели СГЭЭ переменного тока переменной частоты, алгоритм управления ПП на базе инвертора напряжения с высокочастотной широтно-импульсной модуляцией, обеспечивающий улучшение энергетических показателей системы генерирования, а также методики оценки энергетических параметров СГЭЭ на базе МЭГ использованы при разработке опытно-конструкторского образца авиационной системы генерирования в рамках договора № ПЭ-01-11 на выполнение составной части опытно-конструкторской работы «Разработка и создание базового комплекта бортового оборудования пассажирских и транспортных летательных аппаратов в обеспечение их конкурентоспособности и импортозаме-щения в перспективных проектах» между ОАО «АКБ Якорь» и Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет» от 1 сентября 2011г. Научные результаты диссертационной работы (энергоэффективный алгоритм управления ПП на базе инвертора напряжения с высокочастотной широтно-импульсной модуляцией в составе автономных СГЭЭ, а так же методики оценки энергетических показателей автономных систем генерирования на базе МЭГ) внедрены в НИР, ОКР и технологические работы между ФГУП ПО «СЕВЕР» и ГОУ ВПО Новосибирский государственный технический университет № 64-13/177-78 от 27 августа 20 Юг в рамках договора
№13.G36.31.0010 между ФГУП ПО «СЕВЕР» и Министерством образования и науки РФ на тему «Исследование, разработка и организация промышленного производства механотронных систем для энергосберегающих технологий двойного назначения» от 22 октября 2010г. и использованы при подготовке научных отчетов.
Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 14.В37.21.0333 от 26 июня 2012 года.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, в том числе 6 работ в журналах из Перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание учёной степени доктора и кандидата наук. Предложенные структуры СГЭЭ защищены 4 патентами на полезную модель.
Личный вклад автора в работы, опубликованные в соавторстве с научным руководителем, заключается в участии в постановке задач исследований, разработке структурных вариантов и математических моделей СГЭЭ переменного тока переменной частоты, аналитических и численных расчетов энергетических характеристик СГЭЭ переменного тока переменной частоты, разработке инженерной методики расчета оптимальных параметров МЭГ и ПП в составе СГЭЭ переменного тока переменной частоты, а также в анализе способов выбора основных параметров МЭГ и ПП.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и 3 приложений. Общий объем 168 страниц. Основная часть изложена на 160 страницах машинописного текста, иллюстрирована 83 рисунками, 7 таблицами. Список литературы содержит 73 наименования.
Системы генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты
Авиационная и ракетно-космическая техника является одним из основных символов прогресса современной цивилизации, аккумулирующая достижения многих направлений науки, техники и технологий, а также стимулирующая их дальнейшее развитие. Это наиболее капитало- и наукоемкий вид техники, характеризующий уровень развития не только машиностроительных отраслей, но и всей экономики страны [19].
Современный летательный аппарат представляет собой техническую систему высокой сложности, в которой особое место отводится бортовому оборудованию, позволяющему выполнять полетное задание независимо от погодных условий и времени суток. Бортовое оборудование совершенствовалось одновременно с развитием авиационной и ракетно-космической техники и в настоящее время является сложнейшим комплексом, во многом определяющим тактико-технические и эксплуатационные характеристики летательного аппарата (ЛА).
Источники и преобразователи электрической энергии с регулирующей, защитной и контрольно-управляющей аппаратурой совместно с системой передачи и распределения электроэнергии образуют систему электроснабжения. Многообразие типов ЛА и выполняемых ими функций, неоднозначность условий эксплуатации и другие факторы исключают возможность создания единой и оптимальной для всех типов ЛА системы электроснабжения (СЭС). В настоящее время известно много типов СЭС, при этом их выбор при проектировании новых ЛА зависит от назначения летательного аппарата, установленной мощности и циклограммы его бортовых нагрузок, количества, мощности и коэффициента одновременности работы приемников постоянного и переменного тока, требований к качеству электроэнергии и т.п.. [20]
К концу 70-х годов прошлого века практически завершен многолетний поиск лучшей конструктивной схемы для бесщеточных машин переменного тока 208/120 В стабильной частоты 400 Гц [21]. На крупных самолетах внедрена в качестве основной система электроснабжения переменного тока 200/115 В постоянной частоты 400 Гц. Интенсивное развитие полупроводниковой техники и успехи в области создания новых электротехнических и конструкционных материалов и технологий стали началом нового этапа развития авиационной электротехники. Наиболее значительными «базовыми» решениями, определившими смену поколений систем электрооборудования стали [22-23]: системы с непосредственным жидкостным охлаждением, в которых в качестве хладагента использовалось синтетическое масло или топливо; конструктивная интеграция генератора с приводом постоянной частоты вращения; применение новых материалов: для магнитопроводов генераторов -сталей с высоким содержанием кобальта; для обмоток - проводов с полиамидной изоляцией; для корпусных деталей - магниевых сплавов; широкое использование статических преобразователей, систем регулирования, защиты и управления на новой элементной базе, переход от раздельных блоков к унифицированным многофункциональным агрегатам.
В настоящее время фактически все бортовое оборудование ЛА в той или иной степени является потребителем электроэнергии, при этом с развитием авиационно-космической техники повышается количество систем оборудования, потребляющих только электрическую энергию. Наряду с этим неуклонно увеличивается общее энергопотребление, что делает установленную мощность электростанций некоторых самолетов соизмеримой с мощностью подстанций небольших городов. Все это означает, что электрооборудование стало важнейшей системой, отказ которой может привести к непоправимым последствиям [24].
Ученые и конструкторы нередко возвращаются к техническим решениям и научным идеям, выдвинутым много лет назад, но обогатившим свое время и не получившим поэтому должного признания. К их числу следует отнести идею «электрического» самолета, в котором система электроснабжения будет единственным источником вспомогательной энергии. Электрическую энергию на воздушных судах (ВС) применяют для приведения в действие системы запуска авиадвигателя, органов управления и специального оборудования, питания радиотехнических устройств, вычислительных и счетно-решающих машин, электрических пилотажно-навигационных систем и приборов, для наружного и внутреннего освещения и обогрева [25-26].
На современных ЛА в различных сочетаниях используется электроэнергия следующих параметров [27]: постоянного тока низкого (27 В) и высокого (270 В) напряжения; переменного трехфазного или однофазного тока переменной частоты с различными значениями номинального напряжения; переменного трехфазного или однофазного тока постоянной частоты с различными значениями номинального напряжения.
Получение на борту электроэнергии с требуемыми параметрами обеспечивается первичными, вторичными и третичными системами. Термины «первичная», «вторичная» и т.п. СЭС определяются энергией, подвергаемой преобразованию в этой системе. В первичной СЭС осуществляется преобразование первичной (механической, химической, тепловой, гидравлической, солнечной и т.п.) энергии в электрическую. Так, на авиационных пилотируемых ЛА и некоторых типах беспилотных ЛА с электромашинными источниками питания к первичным основным системам относят те, генераторы которых приводятся во вращение маршевыми двигателями непосредственно или с помощью привода постоянной частоты вращения (самолеты), редуктором несущего винта (вертолеты), или (на ракетах) турбиной турбогенераторной установки либо маршевым двигателем [28]. Авиационная первичная вспомогательная (резервная) СЭС состоит из генератора вспомогательной силовой установки (ВСУ) со своей аппаратурой и сетью. Первичная аварийная система электроснабжения включает в свой состав аккумуляторную батарею с со 16 ответствующей аппаратурой и сетью или генератор, приводимый во вращение турбиной (ветрянкой), выдвигаемой в набегающий поток воздуха [29]. Как было уже отмечено выше, наименование системы электроснабжения ЛА присваивается по типу ее первичной системы.
Вторичная (третичная) СЭС преобразует электроэнергию первичной (вторичной) системы в электроэнергию другого рода тока, напряжения или частоты. Эти системы применяются не только в основных системах генерирования, но и во вспомогательных и аварийных СЭС.
Исходя из назначения, СЭС подразделяют на основные, вспомогательные (резервные), аварийные и специальные типы.
Основная СЭС предназначена для электропитания всех приемников в течение всего времени полета ЛА.
Вспомогательная СЭС обеспечивает питание ограниченного количества приемников в наземных условиях при неработающей силовой установке, а следовательно, и основной системе электропитания или выполняет функции аварийного электроснабжения в полете при полной или частичной потере питания от основной СЭС [30].
Аварийная СЭС осуществляет электропитание в полете ограниченного количества жизненно важных приемников при полной потере электроснабжения от основной или вспомогательной системы, если она предусмотрена наЛА.
Математическая модель системы генерирования «мэг-пп»
Анализ электромагнитных процессов в системе генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты на базе магнитоэлектрического генератора и полупроводникового преобразователя можно найти в ряде следующих работ [32-44]. Все они посвящены исследованиям процессов и режимов работы, связанных с работой синхронного генератора с постоянными магнитами и параллельно-подключенного нагрузке полупроводникового преобразователя.
Применение синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов при переменной скорости вращения влияет на статические режимы работы полупроводникового преобразователя. Изменение величины и частоты генерируемого напряжения СГ в широком диапазоне приводит к изменению режимов работы ПП. Изменениям подвержены энергетические характеристики и параметры электрической энергии, что очевидно должно повлиять на требования к параметрам и характеристикам полупроводниковых приборов и электромагнитных элементов всей системы генерирования.
Целью анализа является определение влияния параметров СГ, структуры ПП и режимов работы СГ и ПП на величину и качественные характеристики электрической энергии, генерируемой системой «МЭГ-ПП». В основу исследования заложен основной параметр режима работы СГ - двойной диапазон изменения частоты вращения, главным образом определяющий все энергетические характеристики системы в целом.
Рассматриваемый тип полупроводникового преобразователя основывается на классической структуре инвертора напряжения с высокочастотной широтно-импульсной модуляцией, поскольку позволяет провести общий анализ электромагнитных процессов с точки зрения энергетических показателей, не углубляясь в особенности гармонического состава токов и напряжений при использовании другого типа преобразователя. Детальному анализу подвергается система генерирования «МЭГ-ИН»; на основе полученных результатов исследования электромагнитных процессов в этой системе производится анализ более сложных систем.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи: Обосновывается возможность рассмотрения трех возможных сценариев построения системы генерирования «МЭГ-ИН»; Определяются режимы работы ИН и СГ в зависимости от их параметров и скорости вращения вала генератора; Анализируются энергетические характеристики (коэффициент мощности, кпд) системы в целом и отдельных ее структурных элементов; Анализируется характер потребляемой электрической энергии от СГ, определяется влияние на нее режимов работы преобразователя; Определяются зависимости величины и качественных показателей генерируемой мощности от параметров СГ, режима работы ИН;
Для установившихся процессов определяется характер изменения во времени токов, напряжений и потокосцеплений СГ, а также временные функции электрических величин инвертора напряжения;
Выявляются оптимальные режимы работы системы в целом, определяются регулировочные характеристики, синтезируются законы управления инвертором напряжения. Структурная схема рассматриваемой математической модели системы генерирования представлена на рисунке 2.1. МЭГ w = var Инвертор напряжения
При работе на ИН электрическая машина существенную часть времени функционирует в переходных режимах. При этом переходные процессы происходят при различных видах несимметричной нагрузки в силу нелинейных коммутационных процессов в преобразователе. Для анализа энергетических показателей (коэффициент мощности, кпд) и определения режимов работы СГ и ИН в зависимости от параметров генератора при математическом описании процессов в системе генерирования можно пренебречь влиянием несимметричных режимов и коммутационных процессов по ряду принимающихся допущений:
Частота коммутации полностью управляемых полупроводниковых приборов во много раз превышает частоту генерируемого напряжения;
Полупроводниковые элементы идеальные, без активных потерь в статических и динамических режимах работы;
Момент инерции первичного двигателя достаточно велик и относительная скорость изменения его оборотов ограничена и невелика. В этом случае анализ режимов работы в синхронных генераторах традиционно проводится в «dq» осях [51]. Использование «dq» координат в этом случае упрощает математический анализ, так как полученные уравнения в большинстве режимов работы синхронного генератора не содержат переменных коэффициентов.
В анализируемой системе инвертор напряжения рассматривается как устройство, генерирующее регулируемую реактивную мощность в статорнои цепи, тем самым оказывая воздействие на суммарный поток в зазоре синхронного генератора [52]. Другими словами, за счет реакции якоря, инвертор напряжения может обеспечивать изменение величины напряжения на зажимах синхронного генератора. При этом преобразователь, подключенный к зажимам генератора параллельно нагрузке, работает в обращенном режиме на противо-ЭДС без потребления активной мощности в звене постоянного тока. В литературе этот режим работы преобразователя получил определение корректора реактивной мощности [45]. Кроме того, уникальность такого преобразователя еще и заключается в том, что он обеспечивает возможность компенсации высших гармонических составляющих в генерируемом напряжении, присутствующих вследствие нелинейности нагрузки или не идеального синусоидального распределения потока в зазоре генератора. Вопросам, касающихся компенсации высших гармоник обращенным инвертором напряжения в малых и средней мощности системах генерирования посвящено достаточно много работ [38-50].
Поскольку первоначальный анализ системы генерирования сводится к определению энергетических показателей, описание процессов в преобразователе достаточно рассмотреть по основной гармонической составляющей, определяющей энергетику системы в целом. Такой анализ должен рассматриваться с точки зрения определения энергетической эффективности системы генерирования. Определение гармонического состава генерируемого напряжения и влияние способов подавления нелинейных искажений может быть произведено с помощью спектрального метода [61], метода переключающих функций [33] или прямых методов [32]. Принцип работы СГЭЭ в общем случае иллюстрируется с помощью векторной диаграммы на рисунке 2.2. Данный рисунок характеризует работу системы при наличии нагрузки с отрицательным углом сдвига (q H 0) между
током (7Н) и напряжением (UK = UCT) нагрузки. Векторная диаграмма простроена во вращающейся с частотой со системе координат «dq», при допущениях линейности магнитной системы, отсутствия активных потерь и демпферных контуров в СГ. Здесь TQ, EQ — потокосцепление от постоянных магнитов и ЭДС холостого хода, Хд, Xq - индуктивные сопротивления СГ по продольной и поперечной осям соответственно, /сг - ток СГ, состоящий из тока нагрузки (7Н) и тока полупроводникового преобразователя (/пд).
Методика расчета параметров генератора и преобразователя на заданную крейсерскую скорость
Принимая во внимания рассуждения и расчеты из предыдущей части текущего раздела сформулируем методику для расчета параметров генератора, если для СГЭЭ данного типа заранее известна частота генерирования, при которой система, из известных предпосылок, будет функционировать большую часть времени. Именно на этой частоте должно минимизироваться воздействие от 1111 на генератор, а стабилизация напряжения происходит за счет тока нагрузки, величина которого для текущего режима остается постоянной большую часть времени. Под параметрами генератора будем подразумевать:
ток короткого замыкания (/кз) и ЭДС холостого хода (Е0), определяющие полное индуктивное сопротивление по магнитной цепи статора и потокос-цепление от постоянных магнитов.
Данная методика относится к третьему сценарию проектирования СГЭЭ, рассмотренному выше. Основными задающими параметрами для расчета являются: величина и характер тока нагрузки при номинальных оборотах генератора, максимальный ток нагрузки на минимальной частоте генерирования, максимальный ток полупроводникового преобразователя.
Исходя из принципиальных особенностей 3 сценария проектирования, выражение для определения минимального значения ЭДС холостого хода if. ( Omin) генератора выглядит следующим выражением: 4min = і \ (2-14) ( , Л2 -f-cos(q „) 7 I —J-sm(cpH) - кз Такое соотношение позволяет определить -Eomin ПРИ заданном токе г _ ЮНОМ ) со, нагрузки (7Н) на номинальной частоте генерирования (D mm
Далее, следуя решению поставленных задач в текущей методике необходимо определить максимальные значения токов ПП на границах диапазона частот генерирования со и сотах. Для этого в соотношения (2.11), определенные в предыдущей части текущего раздела, подставим выражения для значения omin (2-14) и в итоге получим: +/,
Представленные выражения не позволяют в явном виде получить решения для искомых параметров генератора в силу нелинейности зависимостей. В этом случае следует воспользоваться графическим представлением этих зависимостей. На рис. 2.21 представлены характеристики, отражающие влияние отношения тока короткого замыкания на максимальный ток преобразователя при минимальных (рис. 2.21а) и максимальных (рис. 2.216) оборотах генератора. Как видно из характеристик, при увеличении значения отношения тока короткого замыкания, влияние смещения точки номинальной частоты D внутри диапазона на максимальную токовую загрузку ПП увеличивается, а соответственно будет являться важным определяющим параметром при проектировании системы генерирования. Кроме того, при указанных параметрах на графиках и задаваясь максимальным током 1111 из характеристик можно оценить точку номинальной частоты и сформулировать требование к отношению тока короткого замыкания.
Если задаться условием максимального тока ПП - max 1,5, тогда отно шение тока короткого замыкания можно обеспечить /кз не менее 3, при условии что точка номинальной частоты будет находиться в диапазоне 1.02 ,D 1.38, на основании графического решения при заданных параметрах:/ =0.5; = 2; cos(cpH) = l; /нтах = 1-5 Введение отстающего коэффициента мощности нагрузки приводит к увеличению максимальных значений стабилизирующего тока ПП в крайних точках диапазона изменения частоты генерирования (рис. 2.22а - omjn, рис. 2.226 - сощах ). Явление вполне очевидное, так как на максимальных оборотах генератора ток ПП определяется из режима холостого хода нагрузки, а на минимальных - из режима максимальной мощности нагрузки. В этом режиме, из известных особенностей работы СГ на активно-индуктивную нагрузку, увеличение тока с индуктивным характером приводит к снижению выходного напряжения, а соответственно требует большей компенсации опережающим током от ПП. / =0.5; /нтах=1-5; cos(cpH) = l /н = 0.5; D = 2; cos((pH) = Рис. 2.21. Зависимости максимальных значений токов преобразователя от тока короткого замыкания: а - на минимальной частоте; б - на максимальной частоте. н=0.5; 4nax=l-5; D = \A
Зависимости максимальных значений токов преобразователя от тока короткого замыкания с учетом индуктивного характера нагрузки. Далее предлагается рассмотреть влияние значения токов нагрузки в точке номинальной частоты (7Н) на характеристики максимальных токов 1111 при различных значениях отношения короткого замыкания. Увеличение значение тока нагрузки приводит к снижению максимального значения тока ГШ на минимальных оборотах (рис. 2.23а) и увеличению этого значения в режиме холостого хода нагрузки на максимальных оборотах (рис. 2.236).
Поскольку значения тока нагрузки, при котором в точке номинальной частоты отсутствует стабилизирующее воздействие 1111, различным образом влияет на рассматриваемые характеристики максимального тока 1111, имеет смысл оценить разницу характеристик при одинаковых задающих условиях.
Расчет энергетических показателей сгээ с дополнительными магнитосвязанными катушками индуктивностей
Используемая ранее математическая модель СГЭЭ принималась с допущением линейности магнитной цепи генератора. Такое допущение позволяет определить характер зависимостей основных энергетических показателей в различных режимах работы с качественной точки зрения. Для уточнения количественных показателей СГЭЭ требуется учитывать нелинейные процессы в магнитной цепи генератора, т.е. в представленной математической модели необходимо учесть влияние степени насыщения магнитопровода. В общем случае насыщение магнитопровода генератора выражается за счет нелинейной зависимости между ЭДС в обмотке якоря и индуцирующей ее МДС в соответствии с характеристикой холостого хода E(F) [53]. Такой нелинейный характер можно учесть в основных выражениях математической модели, используемых при анализе нелинейных электромагнитных процессов в СГЭЭ, посредствам введения эквивалентной зависимости продольной и поперечной индуктивностей генератора от степени насыщения статора (kZa), выражаемой через коэффициенты , b,q (рисунок 3.27, отношение Ъ т/Ъ характеризует зазор в генераторе с учетом влияния зубчатости).
С помощью коэффициентов / и ,д могут быть найдены насыщенные значения главных индуктивных сопротивлений якоря по продольной и поперечной осям [51]: Xadn = d ad Степень насыщения в свою очередь определяется основным потоком взаимоиндукции, который зависит от тока, протекающего в статорной цепи генератора. 128
Эквивалентная зависимость продольной и поперечной индук-тивностей генератора от степени насыщения статора.
На основании таких рассуждений можно составить систему уравнений напряжений генератора, с учетом влияния степени насыщения магнитной цепи явнополюсного генератора с постоянными магнитами: (3.1) Ud=RId+ (Lada + Lo)-jf- Laqn + La)Iq Uq=RIq+ (LaqH +LG)-Jjr + f LadH + La)Id + co o При составлении уравнения напряжений принимается достаточно оправданное допущение о том, что поле взаимной индукции и поле рассеяния обмотки якоря не влияют друг на друга и существуют независимо [54].
Для анализа электромагнитных процессов и расчета энергетических показателей в рассматриваемой системе с учетом нелинейного характера цепи генератора стоит воспользоваться средствами имитационного моделирования. Так, в программном обеспечении PSIM представляется возможность синтеза математической модели системы на базе синхронного генератора с постоянными магнитами с учетом изменения главных поперечной и продольной ин-дуктивностей машины в зависимости от соответствующих токов в цепи ста 129 тора. Математическая модель генератора основана на выше приведенных уравнениях напряжений (3.1). С помощью линейной интерполяции заранее сформированной таблицы значений индуктивностей в имитационной модели генератора реализуется нелинейная зависимость от тока в цепи статора, соответствующая представленным уравнениям напряжения (3.1). Для формирования таблицы значений индуктивностей имеет смысл воспользоваться значениями, получаемыми при проектировании генератора в технологических условиях, используемых на сегодняшний день. В ходе выполнения научно-исследовательской работы «Конкурентоспособность» совместно с разработчиками генератора были получены расчетные значения индуктивностей Lj, Lg и L(j при работе на активную и емкостную нагрузку. В таблице 3.1 представлены цифры, соответствующие индуктивностям Lj и Lg при различных амплитудных значениях тока фазы генератора. Отрицательные значения токов для случая индуктивной нагрузки, положительные - емкостной нагрузки. Значения в представленной таблице получены при расчете генератора (Приложение 2) с параметрами возбуждения, при которых ЭДС холостого хода на 1000 оборотов в минуту составляет 58 В линейного амплитудного значения, и конструктивными особенностями обеспечивающими значение индуктивности рассеяния 1 =3.55-10 Гн. Расчетная мощность генератора на чисто активную нагрузку 150 кВт в системе СГЭЭ номинального фазного напряжения 230 В.
Отношение тока короткого замыкания примерно составляет 3.1. Все эти представленные данные могут быть использованы для составления математической модели СГЭЭ переменной частоты на базе синхронного генератора с постоянными магнитами (с учетом насыщения) и полупроводникового преобразователя на базе инвертора напряжения с высокочастотной широтно-импульсной модуляцией, используемого в качестве стабилизатора напряжения на зажимах генератора. Из расчетных данных МЭГ можно сформировать таблицу значений главных продольной и поперечной индуктивностей, в зависимости от соответствующих токов генератора (Приложение 1, таблицы 3-4). Модификация значений в таблице индуктивностей позволяет максимально приблизить энергетические показатели при имитационном моделировании к показателям в реальном физическом объекте с учетом принятых допущений.
При описанных выше данных генератора результаты имитационного моделирования математической модели (Приложение 1, рис. 1) электромагнитных процессов показывают, что при емкостном характере тока преобразователя насыщение магнитопровода машины приводит к снижению выходного напряжения на нагрузке. На рисунке 3.28 представлены временные диаграммы фазного напряжения генераторов с учетом частичного насыщения и без насыщения при прочих одинаковых условиях и параметрах нагрузки (Приложение 1, таблица 1).
