Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ электромагнитных процессов в системе «мэг-ав» по основной гармонике 21
1.1. Постановка задачи. Математическая модель и методы анализа системы «МЭГ-АВ» 21
1.2. Электромагнитные процессы в системе «МЭГ-АВ» при единичном коэффициенте мощности относительно зажимов МЭГ 28
1.3. Электромагнитные процессы в системе «МЭГ-АВ» при заданном неединичном коэффициенте мощности относительно зажимов МЭГ 36
1.4. Электромагнитные процессы в системе «МЭГ-АВ» при заданном коэффициенте мощности относительно ЭДС холостого хода МЭГ 53
1.5. Электромагнитные процессы в системе «МЭГ-АВ» при заданном коэффициенте мощности относительно зажимов МЭГ без применения фильтра 68
1.6. Электромагнитные процессы в системе «МЭГ-АВ» с учетом CfBx при единичном коэффициенте мощности относительно зажимов МЭГ 95
1.7. Выводы по первому разделу 103
2. Спектральный анализ токов и напряжений в системе «мэг-ав» 105
2.1. Постановка задачи. Спектральный анализ фазных напряжений активного выпрямителя 105
2.2. Спектральный анализ токов и напряжений в системе «МЭГ-АВ» без применения фильтра 108
2.3. Спектральный анализ токов и напряжений в системе «МЭГ-АВ» с учетом конденсатора входного фильтра 120
2.4. Выводы по второму разделу 130
3. Системы генерирования переменного типа «мэг-ав-ин» для автономных объектов 131
3.1. Системы генерирования переменного типа «МЭГ-АВ-ИН» для летательных аппаратов 131
3.2. Системы «МЭГ-АВ» в составе СГЭЭ для ветроэнергетических установок 144
3.3. Выводы по третьему разделу 158
4. Физический эксперимент 160
Заключение 166
Список литературы 168
Приложения 180
- Электромагнитные процессы в системе «МЭГ-АВ» при единичном коэффициенте мощности относительно зажимов МЭГ
- Электромагнитные процессы в системе «МЭГ-АВ» с учетом CfBx при единичном коэффициенте мощности относительно зажимов МЭГ
- Спектральный анализ токов и напряжений в системе «МЭГ-АВ» с учетом конденсатора входного фильтра
- Системы «МЭГ-АВ» в составе СГЭЭ для ветроэнергетических установок
Введение к работе
В настоящее время системы генерирования электрической энергии (СГЭЭ) получили широкое распространение в различных сферах человеческой жизнедеятельности. Без них не может обойтись ни один летательный аппарат, ни один надводный или подводный корабль, и вообще практически ни один вид транспорта. В подобных аппаратах электроэнергия необходима для функционирования средств связи, навигации, освещения, для сервисных нужд и.т.д. Кроме того, некоторые средства передвижения используют в качестве тягового двигателя электрическую машину постоянного или переменного тока, энергию для которой поставляет генератор, вращаемым двигателем внутреннего сгорания.
Помимо этого, в последние годы значительно возрос интерес к так называемым альтернативным источникам энергии, которые, являясь экологически чистыми, наносят минимальный вред окружающей среде. К таким источникам энергии относят ветроэлектрические установки, топливные химические элементы, солнечные батареи, электростанции, использующие энергию приливов и отливов, малую гидроэнергетику. В этой области СГЭЭ также находят все возрастающее применение.
При всем разнообразии применений задачи СГЭЭ практически неизменны: при нестабильном внешнем источнике электрической энергии обеспечить выходное напряжение требуемой амплитуды, требуемой частоты (в СГЭЭ переменного тока) и требуемого качества в как можно более широком диапазоне изменения нагрузки и внешнего источника.
СГЭЭ можно разделить на следующие основные группы:
СГЭЭ постоянного тока;
СГЭЭ переменного тока.
5 Исторически первыми возникли, и долгое время применялись СГЭЭ
постоянного тока. Этому способствовало то, что подобные системы имеют ряд
серьезных достоинств:
простота привода генератора;
возможность применения однопроводной сети;
отсутствует передача реактивной энергии;
простота обеспечения параллельной работы генераторов.
Но СГЭЭ постоянного тока обладают также рядом значительных недостатков:
большой вес и габариты;
наличие у генератора быстроизнашивающегося коллекторного узла, что снижает надежность всей системы в целом;
постоянное напряжение сложно преобразовывать;
необходимость дополнительных устройств для преобразования постоянного тока в переменный;
сложность систем защиты.
Первые СГЭЭ переменного тока были разработаны в США в 40-х годах [68], и по сравнению с СГЭЭ постоянного тока имеют следующие преимущества:
отсутствие коллекторно-щеточного узла;
большая предельная мощность генераторов;
простота и надежность оборудования;
меньший уровень помех радиоприему.
Основными недостатками СГЭЭ переменного тока являются:
наличие устройств для преобразования и поддержания постоянной частоты;
потребление реактивной мощности;
сложность обеспечения параллельной работы.
Однако, не смотря на эти минусы, СГЭЭ переменного тока в настоящее время практически полностью вытеснили СГЭЭ постоянного тока. Этому способствует еще и то, что СГЭЭ переменного тока удовлетворяют около 95% потребителей по мощности, и лишь 5% мощности необходимо преобразовывать в постоянный ток, в то время как в СГЭЭ постоянного тока в переменный ток стабильной частоты преобразовывается до 20% мощности [68]. Притом мощность потребителей постоянного тока постоянно снижается, а мощность потребителей переменного тока - растет.
В СГЭЭ отбор мощности производится непосредственно от первичного двигателя, и синхронный генератор имеет непостоянную скорость вращения. Значит, возникает необходимость в устройстве, которое либо преобразует переменную скорость первичного двигателя в постоянную скорость вращения вала генератора, либо позволяет получить при переменной скорости вращения вала генератора постоянную частоту его выходного напряжения. По типу стабилизации выходной частоты различают:
СГЭЭ переменного тока стабильной частоты с приводом постоянной скорости;
СГЭЭ переменного тока стабильной частоты с преобразователем частоты.
В первом типе систем стабильность частоты обеспечивает специальное механическое устройство, вращаемое от первичного двигателя и обеспечивающее на выходе постоянную скорость вращения вала генератора. Такой тип систем применялся, когда СГЭЭ строились на базе синхронных генераторов с электромагнитным возбуждением и вращающимися диодами. Основной плюс подобных систем - малые массогабаритные показатели(0.6-1.3 кг/кВА) [68]. К недостаткам можно отнести [70]:
конструктивная сложность;
малый срок службы;
большая инерционность;
сложность синхронизации генераторов при параллельной работе;
малый КПД;
наличие теоретических ограничений по реализации ППС на мощности более 120-4-150кВ-А.
Все это, а также бурное развитие полупроводниковых силовых приборов и систем управления привело к все более и более широкому распространению СГЭЭ переменного тока стабильной частоты с преобразователем частоты (ПЧ) на базе полупроводниковых ключей, то есть представляющих собой машиновентильную систему (МВС). Их использование обеспечивает наиболее высокие энергетические и технические характеристики системы, позволяет успешно решать' вопросы оптимизации конструкции, а также проблемы технологического, экономического и эксплуатационного характера.
По типу используемого преобразователя такие системы делятся на:
СГЭЭ с непосредственным преобразованием частоты;
СГЭЭ со звеном постоянного тока.
Непосредственные преобразователи частоты с естественной коммутацией (НПЧ с ЕК) в недавнем прошлом очень широко применялись при создании СГЭЭ переменного тока, благодаря своим ценным свойствам [69,70]:
однократное преобразование энергии, а значит высокий КПД;
двусторонний свободный обмен энергией между сетью и нагрузкой;
простота и надежность силовой схемы;
большая перегрузочная способность. Основными недостатками НПЧ с ЕК являются:
сравнительно низкий коэффициент мощности;
невозможность формирования напряжения с частотой, близкой к входной частоте;
сложный спектр входного тока;
необходимость входного переменного напряжения, которое в ряде
случаев (например, при использовании в качестве первичного источника солнечной батареи) отсутствует.
В СГЭЭ со звеном постоянного тока переменное напряжение генератора выпрямляется управляемым или неуправляемым выпрямителем, а затем из полученного постоянного напряжения специальный преобразователь на базе полупроводниковых ключей формирует переменное напряжение с необходимой частотой и амплитудой. Из всего разнообразия схем таких преобразователей наибольшее распространение получил автономный инвертор напряжения и широтно-импульсной модуляцией (АИН с ШИМ), чему способствовало появление мощных полупроводниковых ключей - IGBT транзисторов. В настоящее время за рубежом АИН с ШИМ вытеснил все другие преобразователи при мощностях до единиц мегаватт. Инвертор напряжений с ШИМ имеет следующие преимущества перед системами НПЧ с ЕК:
формирование выходного переменного напряжения в широком диапазоне частот и амплитуд;
обеспечение высокого качества генерируемой энергии;
относительная простота и дешевизна реализации системы управления. К недостаткам АИН с ШИМ можно отнести:
двукратное преобразование энергии, что снижает КПД;
возможность возникновения сквозных токов в транзисторах;
наличие дорогого фильтрового конденсатора в звене постоянного тока. По типу используемой электрической машины СГЭЭ подразделяются на:
СГЭЭ на основе синхронных генераторов;
СГЭЭ на основе асинхронных генераторов.
С учетом вышесказанного, СГЭЭ переменного тока с ПЧ могут быть классифицированы следующим образом [70] (рис. В1.).
Следует констатировать, что до настоящего времени нет сложившегося мнения об оптимальных областям применения той или иной системы в составе
СГЭЭ. Это отчасти объясняется различной степенью изученности их свойств. Рассмотрим известные мнения и результаты разработок, испытаний и эксплуатации опытных систем генерирования.
СГЭЭ
переменного тока на базе МВС
СГЭЭ
на основе синхронного
(СГПЧ)
СГЭЭ
на основе асинхронного
генератора (АГПЧ)
ЭМГс
МЭГ с
АГфр с
АГкзр с
эмг--в-псн
-ИИ
эмг-
УВ-
-ит
эмг-
-АВ
-ин
эмг-
-НПЧ с ЕК
АВКГ
мэг--в-псн
-ПН
мэг-
-УВ
-ит
мэг-
-ин
мэг-
-НПЧ с ЕК
АГ-
-НПЧс
АГАВ -ИН
Рис. В1. СГЭЭ переменного тока с ПЧ
Системы СГЭЭ на базе асинхронных генераторов (АГПЧ) получили распространения, в основном, при построении СГЭЭ для ветроэнергетических установок (ВЭУ). Их применение отчасти ограничивает то, что системы АГПЧ без дополнительного источника реактивной мощности не могут работать в автономном режиме.
Системы на базе АГ с короткозамкнутым ротором (АГкзр) и ПЧ (это может быть непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией (НПЧ с
10 ЕК) или выпрямитель с автономным инвертором напряжения (ИН)) нашли широкое
применение в регулируемом асинхронном электроприводе. Это связано с известными
преимуществами данного типа электрической машины - малой стоимостью и высокой
надежностью, а также с широкой номенклатурой выпускаемых электротехническими
фирмами асинхронных двигателей, но в СГЭЭ она применяется пока весьма ограниченно. Известно, что только лишь специалисты фирма Tohoki Electric Power и института Hachione Institute of Technology (Япония) спроектировали системы генерирования мощностью 3.7кВт и 16.5кВт для нетрадиционной энергетики [70]. ПЧ построен на транзисторных модулях, система имеет емкостной источник реактивной мощности. С появлением мощных JGBT модулей большой мощности с высокими рабочими частотами позволяет надеяться, что данная структура как на базе схемы "АГ-УВ-ИН", так и с использованием активного выпрямителя (обращенного инвертора) ("АГ-АВ-ИН") найдет свою достойную нишу.
Системы на базе АГ с фазным ротором (АГфр) являются наиболее широко теоретически и практически исследованными в части их использования в регулируемом электроприводе переменного тока. Система асинхронный вентильный каскадный генератор представляет собой один из вариантов машины двойного питания, у которой в роторе установлен ПЧ со звеном постоянного тока на базе инвертора тока с естественной коммутацией. Такая система способна работать только параллельно с сетью при скорости АГ выше синхронной. Это существенно ограничивает область её применения. Все работы по использованию АВКГ пока носят научно-исследовательский характер [70].
Система асинхронизированный синхронный генератор (АСГ) была исследована одной 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, А.И. Важнова, А.Е. Загорского, В.И. Радина, Ю.Г. Шакаряна и др. [9,10,16,17,52].
АСГ для мощных ВЭУ строится на базе серийной или специально спроектированной асинхронной машины с фазным ротором. В качестве возбудителя, как правило, используется НПЧ с ЕК (циклоконвертер). Такое построение системы позволяет обеспечить работу АСГ как с синхронной скоростью вращения, так выше и ниже её. Важнейшей особенностью АСГ данного типа является то, что механическая энергия преобразуется в электрическую (и наоборот) по двум каналам - через статорную и роторную цепь. Это позволяет при ограниченных диапазонах изменения скоростей вращения получить выигрыш по массогабаритным и энергетическим показателям по сравнению с другими системами МВС.
Реально АСГ может иметь преимущества перед другими системами при весьма ограниченном диапазоне скоростей вращения (менее 2-х), что связано с увеличением мощности скольжения и мощности циклоконвертера. Кроме этого, электрическая машина для АСГ при большой мощности ВЭУ весьма дорогая, требует больших эксплуатационных расходов, может быть ненадежной из-за щеточного узла и контактных колец, а при малых мощностях - характеризуется пониженным значением кпд и коэффициента мощности. Помимо этого, мощный АСГ при малых оборотах потребляет относительно высокий уровень реактивной мощности, что также снижает кпд. Следует отметить определенные сложности в обеспечении автономного режима работы АСГ, так как для её устойчивой работы требуется источник реактивной мощности для начального запуска [50]. Применение циклоконвертера при низких кратностях частот ухудшает качество генерируемой энергии [37,59,84,111].
До настоящего времени АСГ имеет небольшое по сравнению с СГ, АГ и системой СГПЧ распространение в СГЭЭ. Но, тем не менее, в первой отечественной установке мегаватного класса ВЭУ "Радуга-1" (мощность 1000кВт), введенной в строй в 1996 г. вблизи г. Элиста, смонтирована СГЭЭ на базе АСГ разработки ВНИИЭ и ХЭМЗ [70]. За рубежом также функционирует несколько ВЭУ с АСГ.
СГЭЭ на базе систем СГПЧ, по мнению многих разработчиков, являются наиболее универсальными, могут использоваться в установках любого класса и любой мощности, они позволяют максимально реализовать достоинства систем с переменной скоростью вращения [11,56,70]. К основным преимуществам СГПЧ относятся:
повышенное производство электроэнергии;
снижение расходов на обслуживание;
повышенная надежность;
сглаживание колебаний момента и скорости вращения;
взаимная развязка СГЭЭ и сети переменного тока, отсутствие проблем параллельной работы с сетью;
возможность генерации реактивной мощности и регулирования коэффициента мощности, реализация автономного режима работы;
плавный запуск от сети, плавное электрическое торможение;
регулирование практически с любой скоростью быстродействия.
К недостаткам системы обычно относят её относительно высокую стоимость, а для систем на базе СГ с выпрямителем и ведомым сетью инвертором тока (СГ-УВ(В)-ИТ) добавляют необходимость фильтрующих устройств [37].
Значительный вклад в разработку систем СПТЧ внесли следующие специалисты, Быков Ю.М., Радин В.И., Загорский А.Е., Грабовецкий Г.В., Подъяков Е.А., Харитонов С.А., Иванцов В.В., Бородин Н.И., Семенов Ю.Е., Лучкин В.Ф., Кожухов В.В., Сипайлов Г.А., Лукутин Б.В. Филатов В.В. и многие другие [1, 2, 3, 8,134-15,20ч-24,30,36,44,53, 54,57,65,68,70, 85,92-95,].
В соответствие с рис.1 Л. СГПЧ могут быть разного типа, прежде всего они различаются типом используемого синхронного генератора - в одних используется СГ с электромагнитным возбуждением (ЭМГ) в других - возбуждение обеспечивается постоянными магнитами.
Применение СГ с электромагнитным возбуждением (ЭМГ) обусловлено известными их преимуществами [51]:
способность вырабатывать как активную, так и реактивную мощность с возможностью её регулирования;
возможность регулирования или поддержания выходного напряжения;
возможность работы как параллельно сетью, так и в автономном режиме без применения дополнительных устройств;
высокий кпд;
многолетний опыт производства и эксплуатации;
отработанность технических решений для различных модификаций. К недостаткам СГ обычно относят:
более высокую по сравнению с АГ стоимость;
наличие в большинстве случаев контактных колец для подачи возбуждения;
склонность к качаниям при параллельной работе с другими агрегатами в
случае колебаний частоты вращения вала генератора или нагрузки.
Работа систем генерирования на базе СГ в различных режимах фундаментально исследована, в связи с тем, что этот тип электрической машины является основным производителем электрической энергии в традиционной энергетике.
СГ (ЭМГ) применяется в мощных ВЭУ при параллельной работе с сетью и в маломощных установках в автономных режимах [59, 96, 98]. Вот несколько примеров применения. В Дании в 1978 г. пущена в эксплуатацию установка мощностью 2МВт. В 1983 г. в Швеции введена в эксплуатацию ВЭУ WTS-3 мощностью 3МВт (напряжение б.бкВ, скорость вращения 1500 об/мин, коэффициент мощности 0.9). Одна из первых мощных ВЭУ MOD-1, созданная фирмой General Electric в рамках правительственной программы США, оборудована ЭМГ мощностью 1800кВт с напряжением 4160 В и скоростью вращения 1800 об/мин. Имеются сведения об использовании СГ в установках средней мощности от 100 до 300кВт.
Однако, в последнее время, более перспективным считается СГ с возбуждением от постоянных магнитов, или магнитоэлектрического генератора (МЭГ) благодаря тем преимуществам, которые свойственны этому типу электрической машины, а именно [70]:
малая масса и габариты;
повышенная надежность и практически отсутствие эксплуатационных расходов;
некритичность к климатическим условиям, широкий температурный диапазон эксплуатации;
меньшая трудоемкость в изготовлении;
согласованность электромагнитных характеристик с ПЧ и характером
изменения мощности, генерируемой системой;
возможность создания многополюсного генератора, исключающего
применение мультипликатора при создании ВЭУ.
Специалисты шведского университета Charmers University of Technology разработали серию низкоскоростных дисковых СГ с возбуждением от постоянных магнитов на базе редкоземельных элементов (ниодима-феррита-бария) для работы в системах СГПЧ мощностью 1,64 и 100кВт [87].
В НИИ СЭТМ разработана серия синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов (феррит-стронций, КС-25, КС-37) для СГЭЭ типа СГПЧ, это генераторы типа МАГ-12, МАГ-15 и ГСВ-260, соответственно мощностью 12, 15, и 260кВт[18].
Самый простой тип СГПЧ это системы "СГ-УВ-ИТ" (в данных системах используется инвертор тока с естественной коммутацией или по другим классификациям ведомый сетью инвертор напряжения). Такие системы обладают практически всеми достоинствами СГПЧ, но при таком построении могут работать только параллельно с сетью и требуют специальных мер по улучшению качества электрической энергии [28]. Системы с использованием автономного режима работы инвертора тока применяются лишь в установках малой мощности [27].
Системы СГПЧ на базе НПЧ с ЕК и на базе ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока с ИН являются основными схемами в этом классе, и, отчасти, именно благодаря им системы СГПЧ считаются перспективными.
Широкое распространение СГПЧ на базе НПЧ с ЕК нашли в системах генерирования для транспортных средств и ВЭУ, приведем несколько примеров.
Фирмой General Electric для ВВС США разработана система "МЭГ-НПЧ с ЕК" мощностью 150кВ-А, используется 9-ти фазный магнитоэлектрический генератор (постоянные магниты на базе сплава самарий - кобальт) и эквивалентная 9-ти фазная нулевая схема НПЧ с выходным LC фильтром, кпд системы в номинальном режиме 89% [71,76]
15 Фирмой Auxilec разработана система "МЭГ-НПЧ с ЕК" мощностью 60кВ-А.
Система охлаждения СГ типа "масляный туман", ПЧ - жидкостное масляное.
Скорость вращения вала 16500-гЗОООО об/мин. Масса системы 38 кг [70].
В СССР первая авиационная система СГПЧ по схеме "ЭМГ-НПЧ с ЕК" на мощность 30/45 кВ-А разработана и испытана в начале 70-х годов. Система на этот же уровень мощности с использованием магнитоэлектрического генератора испытана в середине 70-х годов, что позволяет говорить о приоритете перед зарубежными разработками в создании таких систем. Разработчиком и изготовителем агрегатов системы было АКБ "Якорь", на всех стадиях разработки принимали участие сотрудники ОНИЛПТ НЭТИ. К середине 80-х годов этим же предприятием и созданной к тому времени ОНИЛЭЛА НЭТИ разработана, изготовлена и испытана шкала систем СГПЧ типа СГ-30/45, СГ-60/90, СГ-120/150 по схеме "МЭГ-НПЧ с ЕК" на номинальную мощность соответственно 30, 60 и 120 кВ-А[25,48,49,68].
В 1997 г. в России завершены заводские испытания СГЭЭ типа СГПЧ на базе схемы "МЭГ-НПЧ с ЕК" для ВЭУ мощностью 1МВт типа "Радуга-1". Разработчиками циклоконвертера являлись АКБ "Якорь", ОНИЛЭЛА НГТУ, разработчик и изготовитель магнитоэлектрического генератора НИИ СЭТМ. Данная разработка является пионерской, в мире нет прецедентов создания подобных систем на такой уровень мощности с использованием идеологии модульного принципа построения [58, 67,69,70,71,74].
Системы СГПЧ для ВЭУ малой мощности ("СГ-В-ПСН-ИН") обычно строятся на базе трехступенчатого преобразования электрической энергии за счет введения промежуточного стабилизатора напряжения (ПСН), что позволяет расширить диапазон изменения скоростей вращения до 3^-х.
Специалистами НГТУ совместно с АОЗТ "ЭЛМОТРОН" разработан ряд ВЭУ на базе "СГ-В-ПСН-ИН" мощностью от 0.5кВт до 10кВт, в основе СГЭЭ которой положены магнитоэлектрические генераторы типа ВГ-0.5ч-10 с постоянными магнитами (феррит-стронций), предназначенные для работы в составе систем СГПЧ [64].
Системы с НПЧ с ЕК уже нашли свое применение в автономных СГЭЭ, однако, в силу своих описанных выше преимуществ, системы со звеном постоянного тока и с применением автономных инверторов напряжения являются наиболее перспективным направлением развития автономных СГЭЭ. Причем использование систем типа "МЭГ-АВ-ИН", где функцию выпрямления выполняет активный выпрямитель (АВ) на базе автономного инвертора напряжения с ШИМ, работающий в обращенном режиме, а переменное напряжение формируется инвертор напряжения в нормальном режиме, открывает достаточно уникальные возможности по реализуемым функциям и достижимым электрическим параметрам по сравнению с традиционно применяемыми системами типа «СГ-УВ-ИН» [60, 62]:
возможность стартерного пуска генератора;
реверсирование потока мощности в системе;
обеспечение высокого качества потребляемой от генератора энергии;
обеспечение заданного коэффициента мощности потребляемой энергии. Возможность использования в качестве выпрямителя инвертора напряжений с
ШИМ на полностью управляемых вентилях изучалась с начала 70-х годов [33], и приоритет в этой области принадлежит проф. Г.С. Зиновьеву, предложившего термин «инвертор напряжения в обращенном режиме». Но, в связи с недостаточным развитием полупроводниковой элементной базы, работы носили теоретический характер и не имели практического применения. Однако, общая теория инверторов напряжения, включая анализ электромагнитных процессов, построение силовых схем, алгоритмы управления и их реализация была разработана как для электропривода [4,6, 7, 26, 3R34, 38, 41, 66, 80, 82, 89, 99, 103, 105,], так и для систем генерирования электрической энергии [61, 70, 75, 77-^-78, 90, 91]. Некоторые работы можно назвать фундаментальными [31, 32, 72, 70]. С появлением мощных управляемых ключей -IGBT инверторов идея использования для выпрямления АИН с ШИМ (в настоящее время устоялся термин «активный выпрямитель»-(АВ)) получила второе рождение. Подобные системы применяются в асинхронном электроприводе, главным образом в тех случаях, когда необходимо обеспечить реверсирование потока мощности при
17 рекуперации энергии от двигателя в сеть, например в крановом приводе как
альтернатива использованию асинхронной машины с фазным ротором [83, 86, 88, 97,
100,106-110,112].
Однако во всех этих публикациях рассматривается работа инвертора в
обращенном режиме на сеть переменного тока, и они не могут использоваться для
проектирования СГЭЭ на базе системы «СГ-АВ», и на данный момент не существует
методики расчета подобных систем. Работа АВ на синхронный генератор при
переменной скорости вращения вала вносит свою специфику в электромагнитные
процессы в системе, которые на сегодняшний момент не изучены. Изменение
величины и частоты выходного напряжения СГ в широком диапазоне влияет на
режимы работы АВ, на его энергетические характеристики и параметры
генерируемой электрической энергии, изменяются требования к параметрам и
характеристикам ключей и электромагнитных элементов системы в целом. Знание
качественных и количественных характеристик энергетических процессов в
системе даст возможность рассчитать системные параметры и сформулировать
технические требования на отдельные агрегаты системы (значения рабочих
скоростей СГ, установленные мощности генератора и преобразователя, включая
основные энергетические показатели и требования к реактансам, ЭДС холостого
хода и току короткого замыкания генератора), выбрать оптимальные алгоритмы
управления системой в различных режимах работы. В качестве СГ рассматривается
магнитоэлектрический генератор с возбуждением от постоянных магнитов (МЭГ).
Целью диссертационной работы является решение научно-технической задачи повышения энергетической эффективности преобразования электрической энергии путем минимизации неактивной мощности в системах генерирования электрической энергии на базе магнитоэлектрического генератора и активного выпрямителя при переменной скорости вращения вала генератора, имеющей существенное значение для создания автономных СГЭЭ. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1. Разработка методики расчетов электрических величин в
18 электромеханической системе «магнитоэлектрический синхронный генератор
- активный выпрямитель» («МЭГ-АВ») при переменной скорости вращения
вала генератора на базе созданной математической модели.
Анализ электромагнитных процессов (во временной и частотной областях) и энергетических характеристик в электромеханической системе «МЭГ-АВ» при переменной скорости вращения вала генератора.
Разработка оптимальных с точки зрения минимизации неактивной мощности способов управления активным выпрямителем в составе системы «МЭГ-АВ».
Методы исследования
Поставленные задачи решались с привлечением математического аппарата преобразования Фурье, дифференциального и интегрального исчислений и численного моделирования.
Достоверность результатов обеспечивалась параллельными расчетами различными методами и физическим моделированием.
Научная новизна основных результатов диссертации заключается в следующем.
Разработана методика анализа электромагнитных процессов во временной и частотных областях электромеханических систем «МЭГ-АВ» при переменной скорости вращения вала генератора на базе созданных математических моделей. Эти модели основаны как на расчете характеристик системы по основным гармоникам, так и на методе переключающих функций и методе быстрого преобразования Фурье.
Проведен анализ электромагнитных процессов в электромеханической системе «МЭГ-АВ» при переменной скорости вращения вала генератора. Рассмотрены различные режимы работы системы, выявлены условия их существования. Определено влияние режимов работы на величину и качество генерируемой мощности.
Разработаны способы управления инвертором напряжения в составе системы «МЭГ-АВ», обеспечивающие минимизацию неактивной мощности в
системе при различных скоростях вращения вала генератора.
Практическая ценность работы
Результаты расчетов токов и напряжений элементов системы в относительных единицах, а также рассчитанные параметры элементов эквивалентных схем замещения для различных режимов работы могут являться основой для инженерного расчета при проектировании систем генерирования электрической энергии переменного тока.
Разработанные алгоритмы управления инвертором напряжения в составе системы «МЭГ-АВ» обеспечивают повышение качества электрической энергии, минимизируя величину неактивной мощности МЭГ, повышая тем самым эффективность преобразования электрической энергии.
Предложенные варианты построения систем типа «МЭГ-АВ» для систем генерирования летательных аппаратов и ветроэнергетических установок позволяют рациональнее проектировать подобные системы, по сравнению с применением управляемого или неуправляемого выпрямителя вместо АВ, реализуя в частности стартерный пуск системы и коррекцию коэффициента мощности генератора.
Реализация результатов работы
Результаты расчетов токов и напряжений элементов системы «МЭГ-АВ», а также коэффициента мощности генератора и алгоритмы управления, разработанные для активного выпрямителя в составе этой системы, использовались при разработках стартер-генераторного устройства для легковых автомобилей ВАЗ-21ХХ, систем генерирования электрической энергии для самолетов АКБ Туполева, для преобразователя частоты мощностью 30 Вт привода газовых центрифуг разделительных производств.
Апробация работы
Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на 4-ой Международной научно-технической конференции АПЭП-98 (г. Новосибирск, 1998 г.), на межвузовской научно-технической конференции "Информатика и проблемы телекоммуникации"(г. Новосибирск,
20 1999 г.), на Международной научно-технической конференции The 3th Korea
- Russia International Symposium on Science and Technology. KORUS'99
(NSTU 1999), на Международной научно-технической конференции
"Автоматизация и прогрессивные технологии" (г. Ново Уральск, 1999г.), на
Международной научно-технической конференции The 4th Korea - Russia
International Symposium on Science and Technology. KORUS'2000
(University of Ulsan, Republic of Korea, June27-July 1, 2000), на 4-ой
Международной научно-технической конференции АПЭП-2000 (г.
Новосибирск, 2000 г.), на Международной научно-технической конференции
Power Electronics Devices Compatibility. (Zielona Gora, Poland. 2001), на
Международной научно-технической конференции 1st Russian Korean
International Symposium on Applied Mechanics "RUSKO-AM-2001" (NSTU
2001), на 6-ой Международной научно-технической конференции АПЭП-2002
(г. Новосибирск, 2002 г.), на научно-технических семинарах кафедры
"Промышленная электроника" НГТУ (1998-2005 гг.).
Публикации
Результаты научно-исследовательских разработок изложены в 10 печатных работах, и 1 патенте на изобретение. В числе печатных работ 8 докладов на международных научно-технических конференциях и тезисы докладов для 2 конференций.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка используемой литературы из 112 наименований и приложений. Общий объем 196 страниц машинописного текста, в том числе [і 79 страниц основного текста, 84 рисунка и 7 таблиц.
Электромагнитные процессы в системе «МЭГ-АВ» при единичном коэффициенте мощности относительно зажимов МЭГ
Рассмотрим электромагнитные процессы в системе «МЭГ-АВ» при единичном коэффициенте мощности относительно зажимов МЭГ, то есть когда ток генератора 1сг синфазен с напряжением генератора U сг . Для упрощения анализа предположим, в первом приближении, что
величина тока основной гармоники конденсатора Cf вх существенно меньше аналогичной составляющей в токе генератора;
активные потери в системе малы;
кратность частот ШИМ и напряжения МЭГ велика.
Рис. 1.5. Схема замещения системы «МЭГ-АВ» для одной фазы (а) и векторная диаграмма для основных гармоник токов и напряжений (б) при единичном коэффициенте мощности МЭГ
Эти допущения позволяют положить ісг«ідв. С учетом этих
соображений система «МЭГ-АВ-ИПН» может быть представлена упрощенной схемой замещения для одной фазы, представленной на рис. 1.5.-а, а для действующих значений основных гармоник токов и напряжений может быть построена векторная диаграмма, представленная на рис. 1.5.-6 [71, 79].
Для дальнейшего анализа введем в рассмотрение относительные единицы. Примем в качестве базовой такую скорость вращения вала СГ, при которой в нагрузку не отдается активная мощность. Это условие может выполняться в двух случаях, которые иллюстрирует рис. 1.6.
В первом случае (векторная диаграмма на рис. 1.6.-а) ЭДС холостого хода генератора Есгхх и напряжения инвертора UAB равны по величине и синфазны, ток в схеме не течет, Ucr = Ecrxx =UAB.
Если систему описывает векторная диаграмма на рис. 1.6.-6, Ucr равно
О, но в этом случае инвертором потребляется чисто реактивная мощность, определяемая LfBXnLcr. Этот вариант не оптимален с точки зрения построения системы, так как, хоть активная мощность и не отдается в нагрузку, но протекающий ток снижает ресурс генератора и инвертора, поэтому за базовую возьмем скорость, при которой U сг = Е сгхх = U . Для СГ и инвертора напряжений характерны следующие соотношения: Есгхх = ken; со = kwn; U = М- Ud/(2V2), где ke, ко - конструктивные коэффициенты СГ, п - частота вращения вала генератора, М - глубина модуляции АВ. С учетом всего вышесказанного можно записать: л/2Есгхх = v2ken6 =Ud/2. В этом случае базовое напряжение, базовая циклическая частота СГ, базовый ток и базовая мощность определяться как Зададим величину индуктивности входного фильтра как Решив систему (1.6) получим выражения для тока и напряжения СГ, а также активной мощности в нагрузке: На рис. 1.7.-а, б приведены семейства зависимостей Р г и U r от относительной скорости вращения вала генератора п при различных значениях глубины модуляции М и при q=0.1, а на рис. 1.7.-В, г зависимость тех же величин от п для различных значениях q и при М=1. Как видно из характеристик п может изменяться от 1 до значения п р, которое определяется очевидным соотношением : Скорость вращения генератора п (Р,!Гтах), при которой в нагрузку отдается наибольшая мощность и значение этой мощности РгГ_ можно определить, проанализировав (1.9): /ту \ _ М П С СГтах ;-"!=» (1.10) "сг max = JIj j" (I ll) На рис. 1.7.-Д, е приведены зависимости соответственно Р !Гтах и П (Per max) 0ТЯ Анализ построенных графиков позволяет сделать следующие выводы: Использование АВ позволяет потреблять от МЭГ энергию с коэффициентом мощности х=1 в широком диапазоне нагрузок при относительной скорости вращения вала генератора от 1 до п гр . Величина п гр определяется глубиной модуляции АВ М и соотношением суммарной индуктивности МЭГ L сг и индуктивности входного фильтра L f вх (через параметр q). Кривые мощности МЭГ имеют максимум, значение которого и скорости п (РсГтах), при которой он имеет место, определяются параметрами Ми q. Увеличение индуктивности входного фильтра L f вх резко снижает диапазон возможных скоростей вращения вала генератора и максимальную мощность Р(!г тах, отбираемую от МЭГ нагрузкой. Рост L f вх также снижает СКОРОСТЬ П (Per max) При работе СГЭЭ с диапазоном изменения скоростей 2 максимально достижимое значение q=0.5 при М=1, в диапазоне 3 - 0.33, в диапазоне 4 - 0.25.
Электромагнитные процессы в системе «МЭГ-АВ» с учетом CfBx при единичном коэффициенте мощности относительно зажимов МЭГ
На рис. 1.47.-а, б приведены семейства зависимостей Р сг и U r от относительной скорости вращения вала генератора п для различных значений р при М=1 и q=0.1. На рис. 1.47,-в, г зависимость тех же величин от п для различных значений М при q=0.1 и р=0.05. На рис, 1.47,-д, е в качестве изменяемого параметра используется q, р=0.05, М=1.
Дальнейший анализ проводится с использованием численных методов решения уравнений в прикладном математическом пакете MATHCAD 2000 PRO.
Рассчитаем напряжение U crmax как функцию от диапазона изменения скорости вращения вала генератора D, параметров q и р, для чего исследуем (1.68). На рис. 1.48. приведены результаты этих расчетов: на а, б, в для различных q приГ =2,3,4 соответственно, а на рис. 1.48.-Г-для различных D при q=0.1.
Рассчитав (1.69), определим также РсГтах и п (РСгтах )как функции от изменения р при различных q (рис. 1.48.-Д, е).
С ростом р увеличиваются РСГтахи п (Р,!Гтах), чем меньше q, тем быстрее это происходит.
Включение фильтрового конденсатора Сф вызывает увеличение Ucrmax из-за размагничивания МЭГ. При увеличении р рост Ucrmax становится более резким, что объясняется приближением к точке резонанса системы. С учетом рис. 1.48.-а, б, в можно дать следующие рекомендации: в диапазоне изменения скорости D=2 максимально возможное Ртах-0.4 при q=0.1, при q=0.2 Рлих О.25, при q=0.3 ртах=0.25. В диапазоне изменения скорости D=3 при q=0.2 Pmax=0-2, при q=0.2 Pmax=0.16, при q=0.3 pmax .2. В диапазоне изменения скорости D=4npnq=0.1 pm O.lbnpnq pmax=0.09.
Включение фильтрового конденсатора Сф не влияет на значение
Представим сигнал задания инвертора как сумму двух ортогональных сигналов - сигнала задания на мощность изадр и сигнала задания на нулевую фазу тока генератора U3Wp. Из рис. 1.45.-6 можно записать:
Спектральный анализ токов и напряжений в системе «МЭГ-АВ» с учетом конденсатора входного фильтра
Найдем спектр токов и напряжений в системе «МЭГ-АВ» с применением фильтра при единичном коэффициенте мощности относительно зажимов МЭГ (глава 0). Для упрощения анализа пренебрежем активным сопротивлением гсг, что, как показано на стр.74, не приводит к существенной погрешности в расчетах.
Определим спектр фазных напряжений активного выпрямителя U в описываемом случае. Для нахождения у - фазового сдвига сигнала управления относительно напряжения синхронного генератора, обеспечивающего единичный коэффициент его мощности воспользуемся векторной диаграммой, U приведенной нарис. 1.45.-6. Очевидно, что у = arcsin 121 Задав диапазон изменения скорости вращения генератора п от n in до nmax определяя кратность ШИМ согласно (2.5) и воспользовавшись методом переключающих функций, описанным в разделе 2.1 можно найти спектр напряжений АВ для исследуемого алгоритма. Для нахождения спектров всех токов и напряжений системы «МЭГ-АВ» воспользуемся схемой замещения одной фазы для амплитудных значений высших гармоник, приведенной на рис. 2.2. Воспользовавшись приведенной выше методикой можно рассчитать спектры токов и напряжений элементов системы «МЭГ-АВ» с применением фильтра, а также их действующие значения во всем диапазоне изменения оборотов генератора п, глубин модуляций М, кратностей ШИМ ап , параметров фильтра q и р. В качестве примера рассчитаем спектры токов и напряжений элементов системы «МЭГ-АВ» в составе СГЭЭ для ветроэнергетических установок рассмотренной в главе 3.2. Используя рекомендации, данные в этом разделе (стр. 151-153), а также рекомендации на стр. 99, зададим следующие параметры системы:
Прия=0.1: nmin =0, n max=4,p=0.1,0.2,0.3,0.4,M=l, а =24, 36.
ПриЧ=0.2: n min=0, n max=2.5,p=0.1,0.2,0.3,0.4,M=l, а =24, 36. На рис. 2.13.-рис. 2.16.-а,в приведены графики коэффициентов гармоник напряжения синхронного генератора KrUcr и тока активного выпрямителя в, рассчитанные для этих параметров системы. Коэффициент гармоник тока генератора кг1 г во всем диапазоне изменения параметров не превышает 2%, поэтому его графики не приводятся. На рис. 2.13- рис. 2.16.-б,г отображены графики действующих значений напряжения синхронного генератора и дИ тока конденсатора 1 . д. Кривые мгновенных значений токов и напряжений, а также их спектры приведены в приложении 1. Полученные результаты позволяют выбрать оптимальные параметры фильтра в зависимости от необходимого коэффициента гармоник напряжения синхронного генератора кгШг, который определяется нагревом МЭГ.
1. С помощью аппарата переключающих функций получен спектр выходного напряжения активного выпрямителя при различных кратностях ШИМ для различных режимов работы системы «МЭГ-АВ».
2. Получены выражения для мгновенных значений тока генератора в системе без использования входного фильтра, рассчитан его спектр, действующее значения и коэффициент гармоник в зависимости от скорости вращения вала синхронного генератора для двух различных алгоритмов управления активным выпрямителем. Первый алгоритм - это алгоритм поддержания единичного коэффициента мощности генератора (х = 1) в случае потребления максимально возможной активной мощности РсГтах
Второй алгоритм - алгоритм управления с неизменной М=1 во всем диапазоне управления при поддержании максимально возможной активной мощности генератора РсГтах(М=і)
3. Получены выражения для мгновенных значений всех электрических величин системы в случае использования входного фильтра при единичном коэффициенте мощности относительно зажимов генератора в зависимости от параметров АВ, фильтра, скорости вращения вала синхронного генератора.
4. Рассчитаны спектры, действующие значения и коэффициенты гармоник всех электрических величин системы в составе СГЭЭ для ветроэнергетических установок, рассмотренной в главе 3.2, при различных кратностях ШИМ, определены параметры входного фильтра в зависимости от желаемого коэффициента гармоник входного напряжения генератора
Системы «МЭГ-АВ» в составе СГЭЭ для ветроэнергетических установок
Сегодня ветроэнергетика стремительно развивается во многих странах мира, общее количество ВЭУ в мире составляет более 100 тыс. с суммарной мощностью около 2000МВт, причем 90% коммерческих ВЭУ мира установлено в ветроэнергетическом комплексе в штате Калифорния [70].
Требования к СГЭЭ ВЭУ определяются совокупностью многих факторов, основными из которых являются [70]:
мощность ВЭУ и режим работы ветровой турбины (переменная или постоянная скорость вращения);
скорость вращения вала генератора (наличие или отсутствие мультипликатора)
рабочий диапазон скоростей ветра;
зависимость величины генерируемой мощности от режима работы ветроколеса;
режимы работы ВЭУ (автономный, параллельная работа с сетью или аналогичными СГЭЭ);
электростартерный запуск, обеспечение режима электрического тормоза,
характер нагрузки (необходимость генерирования или возможность отбора реактивной мощности);
наличие или отсутствие аккумулирующих устройств;
условия эксплуатации и время наработки на отказ, величина капиталовложений, срок окупаемости и стоимость кВт/часа. Требования к показателям качества электрической энергии мощных систем генерирования ВЭУ, работающих в автономном режиме, определяются ГОСТом 13109-87. Для систем малой мощности эти требования обычно определяются частными техническими условиями, согласованными заказчиком и разработчиком.
Обзор литературных источников, опыт разработки ВЭУ и электрооборудования для них известных в мире фирм и научно-исследовательских и стран позволяют сформулировать следующие основные требования к мощным (200-f-250 кВА и более) современным системам генерирования переменного трехфазного тока для ВЭУ [37, 58, 59, 64, 67, 70, 71,92,96,98, 102,27]:
скорость вращения вала генератора переменная с диапазоном D 2-КЗ; используется мультипликатор, nmjn = 700- 3000 об/мин;
значение коэффициента полезного действия во всем рабочем диапазоне скоростей вращения не менее 90%;
обеспечение перегрузки 20-ь50% мощности от номинала и 20% "выбега" скорости вращения вала СГ;
параллельная работа с сетью, а также с подобными СГЭЭ;
электростартерный запуск и режим электрического тормоза; кратковременные режимы автономной работы;
режим работы длительный, минимальное время запуска; автоматическое управление; минимальное обслуживание;
минимальные капиталовложения, удельная стоимость СГЭЭ не более 200-ьЗОО долл./кВт;
Срок службы не менее 25-К30 лет, наработка на отказ 30000ч-50000 часов. Требования к системам генерирования ВЭУ малой мощности (1-ь10кВт)
определяются, как правило, требованиями конкретного потребителя и достаточно разнообразны, основные из них представлены следующим образом [70]:
скорость вращения вала генератора переменная с диапазоном 3- -4, минимальная величина лежит в пределах 20V700 об/мин в зависимости от наличия мультипликатора;
основной режим работы автономный, параллельная работа с сетью или дизельной электростанцией желательна;
система генерирования электрической энергии комбинированная, с
выходными напряжениями постоянного тока 12-И 10 В и переменного однофазного тока 220 В, 50 Гц для систем мощностью 1ч-ЗкВт и трехфазного переменного тока 220/380 В для более мощных систем;
наличие аккумулирующего элемента (АБ) и балластной нагрузки;
значение коэффициента полезного действия во всем рабочем диапазоне скоростей вращения не менее 75%;
наличие устройств защиты потребителя и СГЭЭ в нештатных режимах;
режим работы длительный, автоматическое управление распределением потока мощности между нагрузкой, аккумулирующим элементом и балластной нагрузкой;
минимальные массогабаритные параметры.
Так как подобные ВЭУ в расчетном диапазоне скоростей ветра функционируют с переменной скоростью вращения вала ветровой турбины (ВТ) и не всегда имеют подключение к сети, то для утилизации избытка активной мощности ВТ, не потребляемой нагрузкой, подключается блок регулируемой балластной нагрузки (БРБН). Обычно это резистивная нагрузка с тиристорным коммутатором. В маломощных СГЭЭ в обязательном порядке должно применяться устройство подключения нагрузки (УПН), которое при малых скоростях ветра и по мере уменьшения запаса энергии в аккумулирующем элементе отключает нагрузку не первостепенной важности.
В СГЭЭ ВЭУ в качестве генератора, в силу описанных выше преимуществ, оптимально использовать МЭГ, преобразователь же может строиться на базе НПЧ с ЕК или преобразователя со звеном постоянного тока иИН.
Применение НПЧ с ЕК оправдано при наличии мультипликатора с большим передаточным числом и высокочастотного генератора. К преимуществам этого типа ПЧ можно отнести: высокое значение кпд;
меньшие массогабаритные и стоимостные показатели по сравнению с другими типами ПЧ;
большие перегрузочные возможности тиристоров и, как следствие, высокая функциональная надежность системы.
Однако, в последнее время, в связи с бурным развитием элементной базы ИН (как транзисторов, так и конденсаторов для силовой электроники) более перспективным считается использование в качестве ПЧ преобразователя со звеном постоянного тока и ИН в диапазоне мощностей до единиц мегаватт. К достоинствам такой схемы относят [70]:
высокое качество генерируемой электрической энергии во всем расчетном диапазоне скоростей ветра;
возможность построения системы без мультипликатора;
универсальный характер силовой схемы, подлежащий унификации практически для всех типов СГЭЭ;
относительно малые аппаратные затраты на построение системы управления;
широкие перспективы по совершенствованию, в связи с прогрессов в области разработки мощных силовых транзисторов.
