Содержание к диссертации
Введение
1 Система генерирования электроэнергии для автономных объектов 11
1.1 Конструкции магнитоэлектрических генераторов для систем электроснабжения автономных объектов 11
1.2 Стабилизация напряжения синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов
1.2.1 Дополнительные обмотки на статоре 17
1.2.2 Последовательный статический преобразователь 20
1.2.3 Параллельная стабилизация на стороне генератора с помощью внешней цепи 1.3 Обзор способов защиты от короткого замыкания в обмотке и на фидере синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов 23
1.4 Способы плавного регулирования реактивного тока для параллельной стабилизации напряжения 25
1.5 Обзор моделей генераторов с возбуждением от постоянных магнитов и канала генерирования с параллельной стабилизацией напряжения МЭГ 27
2 Математическое моделирование системы стабилизации напряжения для СГЭ АО 34
2.1 Общие положения 35
2.2 Структурная схема канала генерирования и системы стабилизации напряжения 36
2.3 Внезапное трехфазное короткое замыкание генератора с учетом изменения частоты вращения 38
2.4 Имитационная модель канала генерирования электроэнергии 44
2.5 Регулировочная характеристика канала генерирования с параллельной стабилизацией напряжения 49
2.6 Исследование переходных процессов в канале генерирования и динамические характеристики системы стабилизации 52
2.7 Исследование влияния магнитной асимметрии ротора 55
2.7.1 Работа системы стабилизации с генератором с преобладанием поперечной составляющей индуктивности з
2.7.2 Работа системы стабилизации с генератором с преобладанием продольной составляющей индуктивности 57
2.7.3 Работа системы стабилизации с генератором при равенстве продольной и поперечной составляющих индуктивности 57
2.8 Модель генератора с учетом насыщения магнитопровода 59
3 Исследование процессов в системе генерирования с параллельной стабилизацией напряжения 68
3.1 Общие положения 68
3.2 Разработка алгоритма управления системы параллельной стабилизации напряжения 69
3.3 Расчет звена постоянного тока регулятора напряжения 72
3.4 Имитационная модель параллельной системы стабилизации напряжения 75
3.5 Исследование системы параллельной стабилизации напряжения магнитоэлектрического генератора
3.5.1 Исследование работы системы управления с дельта-модуляцией 78
3.5.2 Исследование работы системы управления с широтно-импульсной модуляцией 83
3.6 Система защиты МЭГ от короткого замыкания 87
4 Экспериментальное исследование характеристик канала генерирования с параллельной стабилизацией напряжения 93
4.1 Общие положения 93
4.2 Экспериментальная установка
4.2.1 Привод и генератор 93
4.2.2 Система параллельной стабилизации напряжения
4.3 Результаты экспериментальных исследований 102
4.4 Экспериментальное исследование способа защиты магнитоэлектрического генератора от короткого замыкания 103
Заключение 106
Список сокращений 108
Список литературы
- Стабилизация напряжения синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов
- Внезапное трехфазное короткое замыкание генератора с учетом изменения частоты вращения
- Расчет звена постоянного тока регулятора напряжения
- Экспериментальное исследование способа защиты магнитоэлектрического генератора от короткого замыкания
Стабилизация напряжения синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов
Дополнительные обмотки располагаются на статоре. Конструкции обмоток могут быть различными, в зависимости от способа их использования.
Наиболее очевидный способ – это изменение магнитного сопротивления спинки якоря. Подмагничивание статора с помощью дополнительной обмотки позволяет повысить выходное напряжение генератора, а размагничивание – понизить [88, 91]. При этом дополнительная обмотка питается от статического или электромеханического преобразователя, мощность которого несколько больше мощности источника питания обмотки возбуждения генератора с электромагнитным возбуждением [13]. Это ведет к увеличению массы и габаритов как машины, так и системы стабилизации напряжения.
Авторы [87] предлагают использовать отдельный источник напряжения для питания дополнительных секций обмотки статора с целью повышения или понижения выходного напряжения генератора. Во время нормальной работы генератора дополнительные секции не задействованы. При отклонении выходного напряжения от нормальных значений на дополнительные секции подается напряжение такой полярности и амплитуды, которые компенсируют это отклонение. Структура такой системы стабилизации представлена на рисунке 1.3.
Недостатком такого решения является наличие внешнего источника питания и дополнительных секций обмотки статора, что усложняет конструкцию как ЭМПЭ, так и системы в целом, а также увеличивает ее массу и габариты. Кроме того, подобный подход не решает проблему обеспечения качества электроэнергии при несимметричной или нелинейной нагрузке.
В [23, 35] предложен способ стабилизации напряжения МЭГ с помощью введения дополнительной обмотки статора, ЭДС которой смещена на 90 относительно основной обмотки. Регулирование напряжения основной обмотки производится с помощью изменения тока дополнительной обмотки. Стабилизация частоты в предложенной системе не предусмотрена ни механическим, ни каким-либо другим способом.
Блок управления в предложенной системе стабилизации представляет собой трехфазный выпрямитель с дополнительным полностью управляемым ключом, замыкающим накоротко звено постоянного тока. Авторы утверждают, что при достаточно высокой частоте ШИМ можно снизить величину пульсаций тока дополнительной обмотки, добившись тем самым снижения пульсаций выходного напряжения. При этом генератор проектируется таким образом, чтобы номинальное напряжение основной обмотки достигалось при минимальной рабочей частоте вращения статора и максимальной нагрузке. В этом случае наибольший ток дополнительной обмотки соответствует режиму холостого хода генератора.
В предложенной схеме дополнительная обмотка, размещенная на статоре генератора и сдвинутая на 90 относительно основной обмотки, как и основная, создает момент на валу генератора и нагревается от протекающего по ней тока, поскольку этот ток является для дополнительной обмотки активным. Кроме избыточного нагрева, это вносит высокочастотные пульсации в момент генератора, что может негативно сказаться на надежности привода и точности поддержания частоты вращения.
Преимуществом таких систем является относительно небольшая мощность преобразователя, обеспечивающего регулирование напряжения генератора, что обуславливает сравнительно небольшие габариты и массу системы стабилизации. К недостаткам можно отнести то, что использование дополнительных обмоток в магнитоэлектрических генераторах значительно увеличивает габариты и массу машины, а также вносит дополнительный источник тепла, что негативно сказывается на КПД генератора и усложняет конструкцию системы охлаждения.
Кроме введения дополнительных секций обмотки статора, МЭГ может быть спроектирован таким образом, чтобы его выходное напряжение в генераторном режиме изменялось в пределах, отвечающих требованиям ГОСТ Р 54073-2010 во всем диапазоне допустимых нагрузок. Такой результат достигается ценой увеличения массы и габаритов машины, при этом не позволяя отказаться полностью от системы управления, обеспечивающей защиту и работу ЭМПЭ параллельно с сетью.
Внезапное трехфазное короткое замыкание генератора с учетом изменения частоты вращения
Параллельная система стабилизации напряжения состоит из регулятора напряжения и системы управления, определяющей отклонение регулируемых параметров выходного напряжения МЭГ от заданных значений и вырабатывающей соответствующие сигналы управления для регулятора напряжения. Основной функцией регулятора является стабилизация выходного напряжения МЭГ при изменении его ЭДС, а также характера и величины нагрузки. Указанная функция реализуется путем формирования в обмотке статора тока, совпадающего по фазе с током реакции якоря и имеющего амплитуду, пропорциональную величине отклонения выходного напряжения от заданного [50, 52, 53].
Как было показано в первой главе, известная модель МЭГ, описываемая уравнениями (1.1) и (1.4), не учитывает изменения характеристик магнитов под влиянием нагрева, что негативно сказывается на точности расчетов. Для учета названных эффектов потокосцепление задается в виде табличной функции согласно результатам исследований [73].
При разработке математической модели были приняты следующие допущения: - трехфазная машина симметрична; - расчет производится только по основной гармонике МДС; - в расчете не учитываются потери на перемагничивание, вихревые токи и эффекты, вызванные анизотропной структурой стали; - сопротивления, индуктивности и емкости остаются неизменными во времени; - нагрузка генератора имеет симметричный и линейный характер; - изменение индукции ПМ вследствие нагрева под нагрузкой учитывается согласно результатам [73]; - частота вращения привода остается постоянной. 2.2 Структурная схема канала генерирования и системы стабилизации напряжения
МЭГ представляет собой синхронную машину с возбуждением от постоянных магнитов без дополнительных обмоток или иных подвижных частей. В качестве регулятора выступает предлагаемая система стабилизации напряжения. Схема системы стабилизации приведена на рисунке 2.1. Генератор приводится во вращение от привода постоянных оборотов, к выводам генератора подключен фильтр низких частот, сглаживающий пульсации напряжения, вызванные работой регулятора напряжения. Система параллельной стабилизации подключается с использованием нейтрали генератора, что обеспечивает независимую работу каждой фазы регулятора и позволяет регулировать напряжение, производить фильтрацию высших гармоник и обеспечивать симметрию фазных напряжений.
Работа системы стабилизации напряжения основана на измерении выходного напряжения генератора и формировании тока реакции якоря. Структура модели КГЭ с системой параллельной стабилизации напряжения представлена на рисунке 2.2. На схеме обозначены: Г - генератор; Н - нагрузка; Р - регулятор системы стабилизации напряжения; U - выходное напряжение генератора; Iн - ток нагрузки; Iр - ток регулятора; I г - полный ток генератора.
Поскольку регулирование напряжения осуществляется изменением реактивного тока генератора, задачей системы управления регулятора напряжения является формирование синусоидального тока определенной амплитуды и фазы. Исходя из сказанного, система стабилизации напряжения может быть представлена структурной схемой, изображенной на рисунке 2.3. Приняты следующие обозначения: UГ – действующее значение напряжения генератора; UЗ – заданное значение напряжения; eU – отклонение напряжения от заданного значения; В – блок вычисления амплитуды опорного сигнала тока регулятора; Im – амплитуда тока регулятора; С – блок синхронизации с фазным напряжением генератора; t – сигнал времени в пределах периода напряжения; ОП – блок формирования мгновенного значения опорного сигнала тока регулятора; i Р – опорный сигнал для регулятора тока; РН – регулятор напряжения; iР – мгновенное значение тока регулятора напряжения.
Расчет звена постоянного тока регулятора напряжения
Как видно из приведенных графиков, длительность переходного процесса при изменении нагрузки от холостого хода генератора до двукратной перегрузки не превышает 50 мс с отклонением напряжения до 92 В. Таким образом, система стабилизации удовлетворяет требованиям ГОСТ Р 54073-2010 в части длительности переходных процессов и огибающей переходных напряжений.
Путем изменения конструкции ротора, расположения и намагниченности постоянных магнитов можно добиться специфических свойств машины, таких как изменение числа полюсов перемагничиванием ПМ [82] или снижения реакции якоря и установившегося тока короткого замыкания [2, 47, 73]. При параллельной стабилизации напряжения ЭМПЭ необходимо принимать во внимание то, что степень влияния тока регулятора на выходное напряжение генератора зависит от отношения индуктивностей по продольной и поперечной осям, которое определяется конструкцией ротора. 2.7.1 Работа системы стабилизации с генератором с преобладанием поперечной составляющей индуктивности
Для оценки работы генератора с Ld Lq с параллельной стабилизацией напряжения заданы значения поперечной индуктивности обмотки генератора Lq = Ls, продольной индуктивности Ld = 0,5Lq, где Ls – индуктивность обмотки неявнополюсного генератора с симметричной магнитной системой ротора.
Результат работы канала генерирования на основе генератора с Ld Lq с параллельной стабилизацией представлен на рисунке 2.23.
Из приведенного графика следует, что при Ld Lq реакция генератора на воздействие системы стабилизации напряжения значительно ослаблена, и для поддержания напряжения в заданных пределах требуется больший ток регулятора. Так, на холостом ходу для поддержания на выводах генератора номинального напряжения индуктивный ток регулятора составляет 137 % номинального тока генератора. При двукратной перегрузке емкостный ток регулятора составляет 49 % номинального тока генератора. Такая асимметрия тока регулятора относительно режимов работы генератора невыгодна с точки зрения КПД преобразователя, поскольку на холостом ходу и при номинальной нагрузке генератора преобразователь потребляет значительный ток. Кроме того, ток регулятора на холостом ходу генератора превышает номинальный ток генератора, что также негативно сказывается на массе системы стабилизации напряжения.
Графики изменения тока регулятора, напряжения и тока генератора при Ld Lq 2.7.2 Работа системы стабилизации с генератором с преобладанием продольной составляющей индуктивности На рисунке 2.24 представлены графики токов и напряжения при работе системы стабилизации с генератором с Ld = 1,5Ls и Lq = Ls. Как следует из приведенного графика, работа канала генерирования с генератором, для которого Ld Lq, характеризуется облегченным режимом работы регулятора на холостом ходу генератора. Однако при двукратной перегрузке емкостный ток регулятора достигает 98 % номинального тока генератора.
Работа системы стабилизации с генератором при равенстве продольной и поперечной составляющих индуктивности На рисунке 2.25 представлены графики токов и напряжения при работе системы стабилизации с генератором с Ld = Lq = Ls. Как следует из приведенного графика, работа канала генерирования с неявнополюсным генератором, для которого Ld = Lq, ток регулятора как в индуктивном, так и в емкостном режиме не превышает номинального тока генератора и сдвинут в область индуктивного тока по сравнению с предыдущим случаем.
На рисунке 2.26 представлено семейство регулировочных характеристик МЭГ, полученных для различных значений отношения Ld/Lq. Как видно из приведенного графика, при изменении Ld/Lq от 0,5 до 1,5 регулировочная характеристика генератора смещается вверх. При этом отношение Ld/Lq 1 обуславливает более высокий индуктивный ток генератора на холостом ходу и в номинальном режиме при относительно небольшом емкостном токе при перегрузке. Увеличение Ld/Lq ведет к уменьшению индуктивного тока на холостом ходу генератора и к увеличению емкостного тока при перегрузке. Кроме того, ток регулятора при номинальной нагрузке генератора смещается из области индуктивных токов в область емкостных.
Экспериментальное исследование способа защиты магнитоэлектрического генератора от короткого замыкания
Из графиков, представленных на рисунке 3.16 видно, что при включении регулятора в режиме емкостных токов действующее значение напряжения генератора повышается сот 101,0 В до 115,5 В. При этом, после включения регулятора с широтно-импульсной модуляцией в режиме емкостных токов КГ фазного напряжения генератора изменяется без резких скачков и в установившемся режиме составляет 4,8 %. Переходный процесс длится не более 30-50 мс.
Результаты моделирования регулятора напряжения с широтно-импульсной модуляцией сведены в таблицу 3.3.
Формы тока регулятора с дельта-модуляцией и широтно-импульсной модуляцией представлены в приложении В. Как видно из приведенных данных, широтно-импульсная модуляция позволяет обеспечить стабилизацию напряжения МЭГ в соответствии с ГОСТ Р 54073-2010. Во время работы МЭГ возможно возникновение короткого замыкания как в нагрузке, т.е. после распределительного устройства (РУ) генератора, так и до него. Короткое замыкание после РУ отключается с помощью автоматических выключателей, устанавливаемых в месте подключения нагрузки или в месте подключения ЭМПЭ к РУ. Однако эти средства не обеспечивают защиту генератора от КЗ в обмотке – межвитковых замыканий и замыканий на корпус генератора. При этом ток КЗ внутри ЭМПЭ может не превышать номинального тока машины, что усложняет локализацию неисправности, поскольку отсутствует один характерный признак, по которому можно было бы судить о возникновении КЗ.
При возникновении короткого замыкания внутри генератора или на его фидере до РУ недостаточно отключить генератор от сети, поскольку ток КЗ замыкается не через нагрузку, и отключение генератора от РУ без останова самого генератора не предотвращает протекание в нем тока КЗ. Это приводит к плавному снижению напряжения в пределах, доступных для компенсации системой стабилизации напряжения и может выглядеть как допустимое изменение параметров машины вследствие нагрева. Такой режим работы чреват перегревом ЭМПЭ и дальнейшей деградацией изоляции обмоток машины, что рано или поздно может привести к необратимому размагничиванию магнитов или возгоранию ЭМПЭ. Таким образом, в случае возникновения КЗ в обмотке МЭГ машина должна быть отключена от сети и остановлена расцеплением приводного механизма по команде системы управления.
Следствием возросшего интереса со стороны научно-технических коллективов к магнитоэлектрическим генераторам стало появление ряда решений, позволяющих свести последствия КЗ МЭГ к минимуму так же, как это делается в машинах с регулируемым электромагнитным возбуждением. Так, авторы [68] предлагают использовать чувствительные элементы для определения наличия короткого замыкания и управляемые двунаправленные MOSFET ключи для отключения фазных обмоток от нейтрали машины. Обе функции могут быть возложены на одно устройство, такое как плавкая вставка или биметаллический контакт, или выполняться разными элементами, например, датчиками тока и электромеханическими или полупроводниковыми силовыми ключами. Суть аналогичного решения, предложенного автором данной работы, демонстрируется на рисунке 3.17 [31].
Рисунок 3.17 – Способ защиты магнитоэлектрического генератора от короткого замыкания внутри машины или на фидере [31] Авторы некоторых работ также предлагают делать машину высокоиндуктивной для ограничения тока КЗ [85, 89]. Такой подход может быть оправдан в случае применения МЭГ в стационарных наземных приложениях, но неприемлем при построении авиационных СГЭ, поскольку это ведет к значительному увеличению массы машины и ограничивает возможности отключения защитной аппаратуры нагрузки, для срабатывания которой за приемлемое время требуется, как правило, трехкратное превышение номинального тока. Ограничение перегрузочной способности ЭМПЭ может привести к недостаточно быстрому срабатыванию аппаратуры защиты для отключения неисправной нагрузки или к невозможности такого отключения.
Суть предложенного автором данной работы решения сводится к следующему. Каждая фаза преобразователя соединена с нейтральным проводом через управляемый разъединитель, который может представлять собой как полупроводниковое, так и электромеханическое устройство.
Блоки датчиков тока и напряжения измеряют ток, протекающий через начала и концы обмотки статора и напряжение на фидере генератора. Сигналы напряжений, а также абсолютные и дифференциальные сигналы фазных токов поступают в блок управления защитой, где происходит их оценка с целью определения наличия или отсутствия короткого замыкания внутри или снаружи генератора [31, 44, 45, 46].
Также, обмотка содержит датчики температуры, сигнал с которых передается в блок управления защитой. Датчики температуры установлены в пазах машины по одному на фазу таким образом, чтобы активные элементы датчиков соприкасались с изоляцией проводников обмотки.
Система работает следующим образом. При возникновении КЗ внутри генератора напряжение на его выводах снижается, что может быть воспринято системой стабилизации как увеличение нагрузки и скомпенсировано соответствующим изменением тока регулятора. Однако дифференциальный сигнал датчиков тока генератора в этом случае будет отличаться от нуля, поскольку часть тока замыкается внутри машины. Ненулевая разность токов между началом и концом обмотки, а также быстрое повышение температуры машины свидетельствует о неисправности внутри генератора.
На рисунке 3.18, а показано изменение температуры обмотки статора при КЗ в нагрузке, на рисунке 3.18, б – при КЗ внутри генератора. В конструкции генератора применен провод медный никелированный высоконагревостойкий эмалированный полиимидным лаком ПНЭТ-имид, рабочая температура которого составляет 220 С, и в течение 30 минут изоляция выдерживает температуру от 245 С до 300 С. Как видно из приведенных графиков, скорость изменения температуры при КЗ в обмотке ЭМПЭ значительно выше, чем при КЗ снаружи генератора.