Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема повышения эффективности преобразования механической энергии вращающегося с переменной скоростью вала в электрическую энергию постоянного и переменного тока постоянной частоты последние десятилетия привлекает внимание разработчиков систем генерирования электрической энергии (СГЭЭ) для ветроэнергетических установок и транспортных средств различного назначения, включая летательные аппараты (ЛА). Это объясняется актуальностью проблемы использования нетрадиционных видов энергетики и повышением энерговооруженности транспортных средств. Несмотря на различие областей применения, технические решения при построении СГЭЭ могут быть на структурном уровне одинаковыми.
В настоящее время в системах генерирования в ветроэнергетике используются при построении СГЭЭ как асинхронные, так и синхронные генераторы (АГ, СГ). В системах электроснабжения транспортных средств в основном используются синхронные генераторы. Последние годы широкое распространение получают системы с применением электрической машины и устройств силовой электроники, так называемые машиновентильные системы (МВС). Их применение реализует возможность работы с переменной скоростью вращешм вала первичного двигателя, обеспечивает наиболее высокие энергетические и технические характеристики СГЭЭ для систем электроснабжения рь^шчного назначения. Так, в частности, в системах ветроэнергетики они позволяют успешно решать вопросы оптимизации конструкции ветроэнергетических установок (ВЭУ), а также проблемы технологического, эксплуатационного и экономического характера. Применение МВС в бортовых СГЭЭ позволяет получить высокое качество генерируемой электрической энергии в статических и динамических режимах, существенно расширяет их функциональные возможности, открывает широкие перспективы по минимизации массы и габаритов, уменьшает эксплуатационные расходы.
МВС на базе АГ с использованием асинхронизированного синхронного генератора (АСГ) были исследованы и нашли применение одними из первых, когда в 30-е годы была сформулирована проблема создания генератора переменного тока стабильной частоты, работающего при переменной скорости вращения. Наиболее фундаментальное развитие это направление получило в известных научных отечественных центрах ВНИИЭ, ВНИИЭМ, МЭИ и связано с именами советских ученых М.М. Ботвинника, Н.Н. Блоцкого, А.И. Важнова, А.Е. Загорского, А.В. Орлова, В.И. Радина, П.А. Кяляна, Ю.Г. Шакаряна и др. В первой отечественной ВЭУ мегаватного класса (ВЭУ "Радуга-Г) установлена СГЭЭ на базе АСГ, разработанная ВНИИЭ. Успехи в технической реализации АСГ определялись прогрессом в силовой электронике. Фундаментальные вопросы теории и практики применения электрических цепей с вентилями проработаны и изложены в трудах таких отечественных ученых, как О.Г. Булатов, А.А. Булгаков, А.С. Васильев, Т.А. Глазенко, Г.В. Грабовецкий, А.И. Денисов, Г.С. Зиновьев, ИЛ. Каганов, Ф.И. Ковалев, AJ3. Кобзев, В.А. Лабунцов, Г.М. Муста-фа, А.Д. Поздеев, Б.И. Фираго, А.К. Шидловский, В.П. Шигшлло и др.
МВС средней и большой мощности с использованием СГ (системы "СГ-ВП") получили свое развитие значительно позже, первоначально в основном применитель-
но к бортовым системам генерирования специального назначения. Так, первые летные испытания таких систем на ЛА проводились в конце 70 начале 80-х годов. На наземных подвижных объектах данные системы нашли применение несколько раньше. Первая ВЭУ с синхронным генератором и вентильным преобразователем была принята в эксплуатацию в 1987 г. (проект "Eole", мощность СГЭЭ 4МВт).
Основным преимуществом СГЭЭ на базе систем "СГ-ВП" является возможность обеспечения работы как на автономную нагрузку, так и параллельно с сетью различного уровня иерархии. Последние годы в системах этого класса нашли применение синхронные генераторы с возбуждением от постоянных магнитов (МЭГ)- Применение МЭГ в "СГ-ВП" не изменяет кардинально свойств систем, но в ряде применений улучшает их характеристики благодаря тем преимуществам, которые свойственны этому типу электрической машины.
Различные аспекты теоретического и практического плана построения систем "СГ-ВП" и отдельных её элементов для автономных объектов нашли отражение в трудах В.Г. Андреева, И.И. Алексеева, Е.И. Берковича, Ю.М. Быкова, Н.И. Бородина, Д.Э. Брускина, Г.В. Грабовецкого, Ю.М., Б.С. Зечихина, Ю.М. Инькова, В.В. Иванцова, Н.Т. Коробана, Ю.И. Конева, Н.Н. Лаптева, В.Л. Ло-тоцкого, Б.В. Лукутина, И.И. Лукина, Б.А. Майбородина, И.В. Нежданова, В.И. Радика, Э.М. Ромаша, Г.А. Сипайлова, Б.П. Соустина, Н.П. Старовойтовой, Л.Е. Смольникова, В.Е. Тонкаля, В.В. Филатова, В.А. Цишевского, Е.Е. Чаплыгина, М.М. Юхнина и многих других, в том числе в работах автора.
Интерес к техническим системам "СГ-ВП" различных научных школ и направлений подчеркивает актуальность и перспективность их применения. Несмотря на множество публикаций, посвященных конкретным схемным решениям или частным методам расчета некоторых режимов работы "СГ-ВП", следует признать, что сегодня отсутствует общая теория анализа электромагнитных процессов в электромеханических системах генерирования электрической энергии на базе синхронных генераторов с переменной скоростью вращения вала и вентильных преобразователей. Данный тезис в значительной степени относится и к системам на базе магнитоэлектрического генератора. Это не позволяет произвести научно обоснованный выбор типа синхронной машины и сформулировать концепцию построения вентильных преобразователей для них, решить проблему выбора основных системных параметров, определить степень влияния на величину и качество генерируемой электрической энергии параметров СГ и законов управления преобразователем и в конечном счете определить в целом область применения данного типа систем.
Цель работы и задачи исследования
Цель диссертационной работы состоит в решении крупной научно-технической проблемы повышения эффективности систем преобразования механической энергии вращающегося с переменной скоростью вала в электрическую путём теоретического и практического обоснования новых концепций построения систем с применением устройств силовой электроники и разработкой методов их расчета и алгоритмов управления, что связано с масштабным использованием автономной энергетики в различных отраслях и имеет большое экономическое значение.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
-
Разработка концепции анализа энергетических характеристик нелинейных электрических цепей с вентилями при воздействии на них несинусоидальных источников электрической энергии.
-
Разработка теории представления электрических величин нелинейной цепи с веіггилями с помощью обобщенных простраиственньк векторов и операторов, определение основных законов теории электрических цепей и правил их преобразования с использованием адекватного задаче теїгзорного способа описания.
-
Разработка "символического" метода представления энергетических процессов в нелинейных однофазных и многофазных электрических цепях с использованием алгебр кватернионов и октав.
-
Создание математической модели и метода расчета электромагнитных процессов в электромеханических системах "СГ-ВП" при переменной скорости вращения вала генератора.
-
Анализ электромагнитных процессов (во временной и частотных областях) и энергетических характеристик электромеханических систем "магнитоэлектрический синхронный генератор - управляемый выпрямитель" ("МЭГ-УВ"), "магнитоэлектрический синхронный генератор - непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией" ("МЭГ-НПЧ с ЕК"), "магнитоэлектрический синхронный генератор - управляемый выпрямитель - автономный инвертор напряжения" ("МЭГ-УВ-АИН").
-
Разработка алгоритмов синтеза и синтез законов управления вентильными преобразователями различного типа в составе системы "МЭГ-ВП" при автономной и параллельной работе с сетью.
-
Синтез основных параметров систем генерирования типа "МЭГ-НПЧ с ЕК" и "МЭГ-УВ-АИН" для летательных аппаратов и ВЭУ средней и большой мощности.
-
Разработка новых типов систем "СГ-ВП" для систем генерирования летательных аппаратов и ветроэнергетических установок различного типа и уровня мощности на базе магнитоэлектрического генератора и устройств силовой электроники и их внедрение.
Основанием для выполнения работ были тематические планы ОНИЛПТ МЭТП СССР при НГТУ (НЭТИ) и ОНИЛЭЛА МАП СССР при НГТУ (НЭТИ); приказы МАП СССР и постановления Минэнерго СССР, хозяйственные договоры на проведение научно-исследовательских работ.
Методы исследования
Решение поставленных задач потребовало привлечения математического аппарата аналитической и дифференциальной геометрий, тензорного анализа, алгебр кватернионов и октав, теории матриц и линейных операторов, функционального анализа, преобразования Фурье, дифференциального и интегрального исчислений, методов решения экстремальных задач, математической статистики и численного моделирования.
Достоверность основных теоретических положений подтверждается сопоставлением расчетных и экспериментально определенных электрических параметров, а также результатами испытаний серии систем генерирования, технические задания на проектирование отдельных агрегатов которых сформулированы с использованием предлагаемых методов.
Научная новизна
-
Выявлен изоморфизм 4-мерных пространственных векторов и временных функций токов и напряжений пространства 1^0,271] нелинейной одноконтурной электрической цепи. На основе геометрических аналогий предложена и развита концепция анализа одно - и многоконтурных электрических цепей с вентилями при питании от несинусоидальных источников электрической энергии с использованием действующих значений электрических величин. Данное обобщение раскрывает множественность форм описания электрических процессов, включая энергообменные, позволяет формализовать процедуру синтеза физически обоснованных способов разложения полной мощности и синтезировать критерии минимизации отдельных её компонент и поиска алгоритмов управления вентилями.
-
Предложена тензорная трактовка основных законов электрических цепей в 4-мерном пространстве с использованием действующих значений токов и напряжений, введены понятия тензоров различного типа сопротивлений, определены их компоненты и правила преобразования при изменении системы координат и преобразованиях цепи. Предложен аналог символического метода описания электрических величин с использованием алгебры кватернионов. На основе данных представлений выявлен алгоритм определения взаимосвязи действующих значений токов и напряжений электрической цепи с вентилями и способ построения векторных диаграмм в 2-, 3- и 4-мерных пространствах, что позволяет в ряде случаев получить замкнутые аналитические выражения для определения интегральных параметров и энергетических характеристик.
-
Введено понятие изображающего обобщенного вектора 3-фазной нелинейной электрической цепи с вентилями в 8-мерном пространстве с использованием алгебры октав. Показана содержательность и конструктивность данного представления для анализа симметричных и несимметричных режимов работы цепи, что подтверждено разработанным методом определения эквивалентных составляющих полной мощности трехфазной нелинейной цепи.
-
Разработан метод анализа электромагнитных процессов во временной и частотных областях электромеханических систем "СГ-ВП ", основанный на методе переключающих функций, сформированных для производных тока во входных цепях преобразователя, методе быстрого преобразования Фурье и методе симметричных составляющих. С помощью данного метода и методов обобщенного векторного представления проведен анализ энергообменных процессов в системах "МЭГ-ВП", что позволило выявить их основные закономерности и дать им количественную оценку.
5. Проведен анализ электромагнитных процессов в системах "МЭГ-УВ", "МЭГ-
НПЧ с ЕК", "МЭГ-УВ-АИН " при переменной скорости вращения вала генератора и
работе преобразователя на сеть постоянного или переменного тока. Определены ра
нее неизвестные режимы работы выпрямителя и НПЧ с ЕК, обусловленные специфи
кой электромагнитных процессов в генераторе при переменной скорости вращения,
выявлены условия их существования и определено влияние на величину и качествен
ные показатели генерируемой мощности и энергетические характеристики системы.
6. Обоснована энергетическая эффективность принципа модульного построения систем генерирования электрической энергии для ветроэнергетических установок средней и большой мощности при переменной скорости вращения вала ветровой турбины. Выдвинута и обоснована концепция модульного построения автономных инверторов напряжения для систем генерирования электрической энергии, позво-" ляющая повысить качество генерируемой энергии и улучшить энергетические показатели схемы за счет повышения эквивалентной частоты пульсаций и уменьшения их величины во входных и выходных токах системы.
Основные положения, защищаемые автором
-
Концепцию представления электрических величин нелинейных электрических цепей с вентилями в установившемся режиме при питании от несинусоидадьных источников электрической энергии с помощью 4-мерных пространственных векторов; тензорную и кватернионную трактовку основных законов электрических цепей с использованием действующих значений токов и напряжений и способы их записи в различных координатных системах.
-
Способ векторного и операторного представления в R4 полной и неактивной мощностей нелинейной электрической цепи с вентилями и формы записи условий энергетического баланса цепи с их использованием. Способы определения компонент векторов и операторов мощности и правила их преобразований при изменении системы координат и преобразованиях цепи.
-
Метод изображающего обобщенного вектора в пространстве октав для анализа энергетических процессов в трехфазных нелинейных электрических цепях с вентилями при питании от несинусоидальных источников электрической энергии в симметричных и несимметричных режимах.
-
Метод анализа электромагнитных процессов в системах "СГ-ВП" и результаты исследований электромагнитных процессов во временной и частотных областях в системах "МЭГ-ВП".
-
Результаты исследований энергетических процессов в трех типах систем генерирования: "МЭГ-УВП", "МЭ-НПЧ с ЕК" и "МЭГ-УВ-АИН".
-
Синтезированные и использованные в реальных разработках законы управления выпрямителями, непосредственными преобразователями частоты с естественной коммутацией и автономными инверторами напряжения при работе в составе систем генерирования электрической энергии в автономных режимах и параллельно с сетью.
-
Результаты синтеза основных параметров систем генерирования переменного тока типа "МЭ-НПЧ с ЕК" и "МЭГ-УВ-АИН" для ЛА и ВЭУ.
Праісшческая ценность работы
-
Предложенная концепция и разработанные на её основе методы обобщенного векторного описания энергетических процессов с использованием действующих значений токов и напряжений позволили получить ряд замкнутых аналитических соотношений для расчета основных интегральных параметров и энергетических характеристик синхронного генератора и вентильных преобразователей, что является основой инженерной методики выбора варианта структуры СГЭЭ.
-
Разработанный метод анализа электромапштных процессов в системах "МЭГ-ВП", проведенные расчеты величин потокосцеплений, токов и напряжений
структурных элементов системы, а также показателей их качества, определенные параметры элементов эквивалентных по действующим значениям схем замещения для различных режимов работы трех типов систем генерирования являются основой методики расчета основных электрических параметров элементов СГЭЭ постоянного и переменного тока.
-
На основании предложенных критериев определены рациональные диапазоны изменения скорости вращения вала синхронного генератора для систем генерирования постоянного и переменного тока на базе схем "МЭГ-УВ", "МЭГ-УВ-НПЧ с ЕК" и "МЭГ-УВ-АИН".
-
Предложенный критерий минимизации величины неактивной мощности и активных потерь для систем генерирования в одно- и в многомодульном вариантах и результаты синтеза основных системных параметров предназначены для использования в процессе проектирования на стадии формирования технических требований к отдельным агрегатам систем генерирования переменного и постоянного тока дтя летательных аппаратов и ветроэнергетических установок средней и большой мощности.
-
Разработанные законы управления выпрямителями, непосредственными преобразователями частоты с естественной коммутацией и автономными инверторами напряжения в составе систем генерирования типа "МЭГ-ВП" обеспечивают повышение качества генерируемой электрической энергии как в режимах автономной работы, так и в режиме параллельной работы с сетью, минимизируют величину неактивной мощности в сечении нагрузки преобразователя, тем самым повышая эффективность процесса преобразования электрической энергии.
-
Рассмотренные принципы построения, критерии и законы управления нашли применение в разработанных впервые системах генерирования электрической энергии на базе магнитоэлектрического генератора для летательных аппаратов специального назначения и ветроэнергетических установок.
7. Ряд положений разработанной теории использованы в учебном процессе.
Реализация результатов работы
На различных этапах работы были получены следующие практические результаты:
-
Совместно с АКБ ".Якорь" (г. Москва) разработана, изготовлена и испытана серия систем генерирования переменного тока стабильной частоты для летательных аппаратов по схеме "МЭГ-НПЧ с ЕК" типа СГ - 30/45, СГ - 60/90, СГ- 120/150 соответственно мощностью 45,90 и 150 кВА.
-
Совместно с АКБ "Якорь" разработаны, изготовлены и испытаны системы генерирования постоянного тока с напряжениями 27 В и 270 В по схеме "МЭГ - УВ" для малых летательных аппаратов, а также мощных систем электроснабжения постоянного тока для "полностью электрического самолета".
-
Совместно с АКБ "Якорь" разработана, изготовлена и испытана система генерирования мощностью 1 кВт (СГ1-ВЧ) с промежуточным звеном высокой частоты по схеме "магнитоэлектрический генератор - выпрямитель - высокочастотный транзисторный повышающий стабилизатор постоянного напряжения - автономный инвертор напряжения - выпрямитель" для малых самолетов.
-
Совместно с АКБ "Якорь" разработан интегральный вариант исполнения системы генерирования типа "МЭГ-НПЧ с ЕК", включая аппаратуру управления; разра-
ботаны, изготовлены и испытаны гибридные интегральные схемы, реализующие предложенные законы управления.
-
Разработаны и внедрены в состав САПР "ЭЛЕКТРО" АКБ "Якорь" программы расчета непосредственных преобразователей частоты и выпрямителей в составе систем "МЭГ-ВП".
-
Совместно с АКБ "Якорь", НИИ СЭТМ, СИБстанкоэлектропривод (г. Новосибирск) и з-д Гидроприбор (г. Феодосия) разработаны, изготовлены и испытаны системы генерирования типа "МЭГ-НПЧ с ЕК" для ветроэнергетических установок ВЭУ "Радуга-250" и "Радуга-1" (Разработчик МКБ "Радуга" г. Дубна) соответственно мощностью 250 и 1000 кВт.
-
Совместно с НИИ СЭТМ разработана, изготовлена и испытана система генерирования по схеме "МЭГ-НПЧ с ЕК" мощностью 5 кВт для ВЭУ-5 (Разработчик АНТК "Крыло" г. Омск).
-
Разработан, изготовлен и испытан непосредственный преобразователь частоты для системы генерирования СГ-3.0-1, спроектированной по схеме "синхронный генератор с электромагнитным возбуждением - НПЧ с ЕК", предназначенной для ВЭУ мощностью 3 кВт (Разработчик Гидропроект г. Москва).
-
Совместно с АО "ЭРАСИБ" (г. Новосибирск) разработан, изготовлен и испытан бесперебойный источник питания мощностью 17 кВА на базе автономного инвертора напряжения на IGBT модулях. Функционирует в составе ВЭУ в погранвойсках РФ.
10. Разработаны устройства, обеспечивающие режим параллельной работы с се
тью, системы генерирования электрической энергии мощностью 10 кВт, спроектиро
ванные по схеме "МЭГ - В - повышающий стабилизатор напряжения (IGBT) - АИН
(IGBT)" для ВЭУ мощностью 10 кВт (Разработчики ВЭУ. и системы генерирования
АО "ЭЛМАТРОН" и "СИБИРЬ МЕХАТРОНИКА" г. Новосибирск).
Основные научные результаты использованы в учебных курсах "Спецглавы преобразовательной техники", "Машиновентильные системы" и частично отражены в учебных пособиях:
"Энергетические характеристики нелинейных электрических цепей с вентилями. Геометрические аналогии". -Новосибирск: НГТУ, 1998. (Объем 10 печатных листов).
Непосредственные преобразователи частоты с естественной коммутацией для электромеханических систем.- Новосибирск: НГТУ, 1997. - Ч. 1. (Объем 4 печатных листа).
Машинный расчет и анализ электронных схем. - Новосибирск: НГТУ, 1992. (Объем 3 печатных листа).
Апробация работы
Основные материалы работы были представлены:
на Всесоюзных НТК по преобразовательной технике в г. Киеве (1975, 1979, 1983), Всесоюзной НТК "Вентильные электромехашиеские системы с постоянными магнитами" (г. Москва, 1989 г.), Всесоюзном совещании по проблемам преобразовательной техники (г. Таллин, 1982 г.), НТК по электроприводу переменного тока (г. Свердловск (Екатеринбург) 1975, 1985, 1995, 1998), НТК с международным участием "Проблемы электротехники" (г. Новосибирск, 1993 г.), заседании "Круглого
стола" Научного совета по проблеме "Научные основы электрофизики электроэнергетики" отделения физико-технических проблем энергетики АН СССР (г. Рига, 1991 г.), Всесоюзном совещании по проблемам автономных электромеханических систем (г. Севастополь 1990 г.), МНТК "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (г. Новосибирск 1992, 1994, 1996, 1998 гг.) НТК по электрооборудованию (г. Комсомольск - на - Амуре 1989 г.), МНТК по информатике и проблемам телекоммуникаций (г. Новосибирск 1995 г.), третьем Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ - 98) в г. Новосибирске и ряде других конференций и совещаний.
Основные результаты работы отражены в 108 печатных работах, в том числе в 44 тезисах и докладах, 15 авторских свидетельств и в патенте, в трех учебных пособиях.
Струкггура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка литературы из 420 наименований и приложений, содержащих фотографии и осциллограммы, протоколы испытаний систем, актов внедрения. Основная часть диссертации содержит 300 страниц текста, 276 страниц рисунков и таблиц.
