Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Характеристика автономных систем электроснабжения 10
1.1 Область применения автономных систем электроснабжения 10
1.2 Типовые схемы автономных систем электроснабжения буровых установок 12
1.3 Анализ типовых схем автономных систем электроснабжения 20
1.4 Применение асинхронного генератора в автономных системах электроснабжения с объединенным звеном постоянного тока 23
1.5 Существующие способы стабилизации напряжения асинхронного генератора, работающего в автономном режиме 25
1.6 Постановка задач исследования 38
Выводы 39
Глава 2. Математическая модель асинхронного вентильного генератора 41
2.1 Математическая модель автономного асинхронного генератора с конденсаторным возбуждением 42
2.2 Математическая модель автономного асинхронного генератора с конденсаторным возбуждением, работающего на выпрямительную нагрузку 55
2.3 Представление асинхронного вентильного генератора как объекта управления 60
Выводы 62
Глава 3. Экспериментальное исследование асинхронного вентильного генератора 64
a. Описание экспериментальной установки 64
b. Методика проведения эксперимента 67
c. Обработка результатов эксперимента 69
d. Расчет статических режимов АВГ. Проверка
адекватности математической модели 73
Выводы 77
Глава 4. Источник питания автономной системы электроснабжения на основе асинхронного вентильного генератора 78
4.1 Дискретно-непрерывный двухканальный способ стабилизации напряжения асинхронного вентильного генератора 78
4.2 Выбор параметров источника питания на основе асинхронного вентильного генератора для реализации дискретно-непрерывного двухканального способа стабилизации напряжения 80
4.3 Источник питания автономной системы электроснабжения на основе асинхронного вентильного генератора 91
4.4 Рекомендации по выбору элементной базы источника питания на основе асинхронного вентильного генератора. 99
4.5 Автономная система электроснабжения с источником питания на основе асинхронного вентильного генератора.. 105 Выводы 106
Заключение 108
Список использованной литературы
- Область применения автономных систем электроснабжения
- Существующие способы стабилизации напряжения асинхронного генератора, работающего в автономном режиме
- Математическая модель автономного асинхронного генератора с конденсаторным возбуждением
- Дискретно-непрерывный двухканальный способ стабилизации напряжения асинхронного вентильного генератора
Введение к работе
Автономные источники электроэнергии (АИЭ) становятся все более популярными при решении вопросов электроснабжения потребителей различного назначения. Это может быть связано как с невозможностью подключения к централизованной системе электроснабжения (по разным оценкам, от 60 до 70 % территории России не охвачены централизованными электросетями), так и с экономическими соображениями. Кроме того, микро- и мини-электростанции являются единственно возможным решением при создании надежных систем гарантированного питания.
Широкое распространение АИЭ получили в нефтегазовой промышленности. Большинство объектов отрасли привязано к месторождениям нефти и газа, которые находятся, в основном, в труднодоступных малонаселенных районах. Как следствие, АИЭ должны отвечать целому ряду требований: экономичность, надежность, большой срок службы, простота и удобство эксплуатации, малые масса и габариты. В связи с этим перспективной выглядит замена традиционно используемых в автономных электростанциях синхронных генераторов (СГ) на асинхронные (АГ).
Для электроснабжения технологических комплексов различных производств зачастую более целесообразна выработка электроэнергии на постоянном токе (ПТ). В этом случае актуально применение в составе АИЭ асинхронного вентильного генератора (АВГ), который представляет собой электротехнический комплекс, состоящий из АГ, батареи конденсаторов возбуждения и выпрямительного устройства.
Долгое время считалось, что использование АГ в автономном режиме связано с большими сложностями, а потому не является целесообразным. Если проблема значительной массы и большой стоимости конденсаторов возбуждения в настоящее время решена, благодаря успехам в конденсаторо-строении, то вопрос создания простой и надежной системы стабилизации
выходного напряжения АГ остается открытым. Все известные на сегодняшний день способы регулирования напряжения АГ имеют определенные недостатки, в результате, область применения таких генераторов ограничена. Для улучшения эксплуатационных характеристик источника питания автономной СЭС необходимо проведение теоретических и экспериментальных исследований АВГ, что обусловливает актуальность проводимой работы.
Цель работы заключается в улучшении эксплуатационных характеристик источника питания автономной системы электроснабжения на основе асинхронного вентильного генератора.
Основные задачи
Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо решить следующие задачи:
Обосновать целесообразность применения асинхронных вентильных генераторов в составе АИЭ.
Провести эксперименты и аналитические расчеты для оценки влияния входных параметров АВГ на выходное напряжение.
Разработать способ стабилизации напряжения источника питания автономной системы электроснабжения на основе АВГ и структуру системы, реализующей разработанный способ стабилизации напряжения.
Разработать методику выбора параметров источника питания автономной системы электроснабжения на основе АВГ, для реализации дискретно-непрерывного двухканального способа стабилизации напряжения.
Проанализировать возможность использования существующих технических устройств для построения источника питания на основе АВГ с предложенной системой стабилизации напряжения.
Методы исследования
Исследования проводились методами теоретического и физического эксперимента с широким использованием математического аппарата, а также основных законов теоретических основ электротехники и теории электриче-
ских машин. Для реализации аналитических расчетов и обработки результатов теоретических исследований применялся пакет прикладных математических программ Mathcad 2001. Для проведения экспериментальных исследований использовалась установка на основе асинхронной машины АИР80А2УЗ и современные контрольно-измерительные приборы. Основные положения, выносимые на защиту
Для повышения точности стабилизации выходного напряжения АВГ необходимо, наряду с изменением емкости конденсаторов возбуждения осуществлять изменение частоты вращения вала приводного двигателя.
Система стабилизации выходного напряжения источника питания на основе АВГ должна состоять из двух контуров, один из которых производит дискретное изменение емкости конденсаторов в зависимости от величины тока выпрямителя, а другой - непрерывное изменение частоты вращения вала приводного двигателя в зависимости от рассогласования между заданным и фактическим значениями выходного напряжения.
При определении границ интервала изменения частоты вращения вала приводного двигателя и числа ступеней батареи конденсаторов возбуждения необходимо учитывать возможность перегрузки генератора по току статора.
Для выбора параметров источника питания автономной СЭС на основе АВГ необходимо использовать математическую модель АВГ, учитывающую изменение индуктивного сопротивления цепи намагничивания в схеме замещения АВГ в зависимости от частоты вращения ротора генератора.
Достоверность научных результатов подтверждается сравнением результатов, полученных расчетно-аналитическими методами, с результатами экспериментов на физической модели, а также корректным использованием математического аппарата теории электрических машин.
Научная новизна
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность дискретно-непрерывной двухканальной стабилизации напряжения на шинах автономной системы электроснабжения, источник питания которой построен на основе АВГ.
Предложена структура системы управления, реализующая разработанный дискретно-непрерывный двухканальный способ стабилизации напряжения источника питания автономной системы электроснабжения на основе АВГ.
Разработана методика выбора параметров источника питания автономной системы электроснабжения на основе АВГ, для реализации дискретно-непрерывного двухканального способа стабилизации напряжения.
Практическая ценность работы
Разработанный дискретно-непрерывный двухканальный способ стабилизации напряжения улучшает эксплуатационные характеристики источника питания автономной СЭС на основе АВГ и позволяет расширить область его применения.
Реализация и внедрение результатов работы
Результаты работы использованы предприятием ООО МПП «Энерготехника» при разработке и проектировании электроэнергетического оборудования для предприятий магистрального транспорта газа, в филиале ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» в г. Сызрани при чтении курса лекций по дисциплинам «Электрические машины» и «Производство, передача и распределение электроэнергии». Экспериментальная установка используется для проведения лабораторных занятий.
Апробация работы
Основные результаты работы были представлены на VI Международной научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2005), V
Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (Ульяновск, 2006), VII Международной научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2006), IV Международной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами МСУТП-2007» (Саранск, 2007).
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 12 научных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.
Структура и объем диссертации
Работа включает в себя введение, 4 главы, заключение, список использованной литературы из 114 наименований. Объем диссертации — 130 страниц, включая 47 рисунков и 8 таблиц.
Область применения автономных систем электроснабжения
Автономной системой электроснабжения (СЭС) называется совокупность электроустановок на базе автономных источников электрической энергии и предназначенных для обеспечения ею местных потребителей.
Автономным источником электроэнергии называется энергетическая установка, предназначенная для выработки электрической энергии и не входящая в состав энергетической системы.
Можно выделить следующие типы потребителей, электроснабжение которых целесообразно осуществлять от автономных источников электроэнергии:
1. Транспортные средства. Приемниками электроэнергии являются бортовые системы управления и контроля, электропривода большой мощности (силовые агрегаты тепловозов и судов). Мощность электропотребления может изменяться от десятков Вт до сотен кВт.
2. Потребители, электроснабжение которых должно быть бесперебойным по требованиям надежности. Резервирование питания таких потребителей может быть обеспечено за счет автономного источника.
3. Потребители, электроснабжение которых невозможно обеспечить от централизованных систем вследствие их удаленности от линий электропередачи или по иным причинам. К таким потребителям можно отнести объекты сельского хозяйства, нефтегазовой сферы и т.п.
В последнее время АИЭ отдается предпочтение исходя из экономических соображений. Этому способствует рост тарифов на электроэнергию при ухудшении показателей качества и надежности централизованного электроснабжения. К примеру, когда в результате аварии на подстанции Чагино в мае 2005 года компании-арендаторы офисных зданий Москвы понесли огромные убытки из-за отключения электроэнергии, владельцы офисных комплексов всерьез задумались о собственных мини-электростанциях [112].
АИЭ в общем случае состоит из двух основных систем: системы источника механической энергии вращения и системы генерации электроэнергии, обеспечивающей превращение механической энергии в электрическую. На рисунке 1.1 приведена классификация АИЭ по типу источника механической энергии [74]. В качестве источника механической энергии можно использовать ветер (ветроэнергетические установки), гидроэнергию, однако в основном применяются приводные двигатели (ПД) работающие на органическом топливе. Из двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в автономных энергетических установках наибольшее применение получили дизели. Дизельные электростанции (ДЭС) составляют примерно 96 % от общего числа малых электростанций, эксплуатируемых в России [74].
Основным элементом системы генерации электроэнергии является генератор. Как правило, в составе АИЭ применяются синхронные генераторы.
В настоящее время остается актуальным поиск различных технических решений, направленных на совершенствование АИЭ с целью повышения их экономичности, надежности и других эксплуатационных характеристик. При этом возможна как оптимизация структуры источника электроэнергии, так и усовершенствование элементов, входящих в его состав.
Определим характерные особенности автономных СЭС. Для этого рассмотрим типовые схемы систем электроснабжения электротехнического комплекса буровых установок.
Существующие способы стабилизации напряжения асинхронного генератора, работающего в автономном режиме
Сущность физических процессов, протекающих в АГ, такова, что стабилизация его напряжения возможна посредством изменения частоты вращения статора и регулирования основного магнитного потока. Возможность стабилизации первым способом обычно не рассматривается, поскольку изменение частоты вращения ротора ведет к изменению частоты напряжения генератора. Это обстоятельство традиционно учитывается даже при рассмотрении работы АВГ.
Регулирование основного магнитного потока при стабильной частоте вращения ротора возможно следующими способами [тор]: 1) подмагничиванием спинки статора генератора; 2) изменением напряжения на конденсаторах; 3) изменением емкости конденсаторов возбуждения; 4) применением феррорезонансного стабилизатора напряжения; 5) применением управляемых реакторов; 6) применением конденсаторов с переменной диэлектрической проницаемостью; 7) компаундированием возбуждения. Рассмотрим существующие методы стабилизации напряжения АГ, основанные на перечисленных способах регулирования основного магнитного потока.
Подмагничивание спинки статора. В статор генератора укладывается дополнительная подмагничивающая обмотка по которой пропускается переменный или постоянный ток. Изменяя ток подмагничивания можно влиять на степень насыщения спинки статора и тем самым регулировать основной магнитный поток магнитной цепи. С возрастанием нагрузки ток подмагничи-вающей обмотки необходимо уменьшать. Уменьшение реактивной проводимости намагничивающего контура при этом ограничивается настолько, что напряжение генератора в определенных пределах изменения нагрузки остается практически постоянным.
Дня питания обмотки подмагничивания возможно использование части трехфазной обмотки статора (рисунок 1.8) [100]. Обмотка подмагничивания 5 соединена с трехфазной обмоткой статора 1 посредством выпрямительного моста 3. В ее цепь включен регулировочный реостат 4. Возможно также применение нескольких обмоток подмагничивания.
К достоинствам описанного способа можно отнести плавность регулирования напряжения. Однако есть существенные недостатки связанные, во-первых, с необходимостью изменения конструкции серийно выпускаемых машин, а во-вторых, при значительных изменениях нагрузки таким способом обеспечить стабилизацию напряжения невозможно.
Изменение напряжения на конденсаторах. Один из простых способов стабилизации напряжения — регулирование реактивной мощности конденсаторов возбуждения путем изменения напряжения на их выводах. Если в цепь конденсаторов ввести реостат и изменять его сопротивление, то напряжение на конденсаторах станет регулируемым (рисунок 1.9, а) [100].
Напряжение на конденсаторах возбуждения можно изменять так же посредством трансформатора с регулируемым коэффициентом трансформации, первичная обмотка которого включена на напряжение генератора, а вторичная замкнута на конденсаторы (рисунок 1.9, б) [100].
Недостатки способа очевидны. Во-первых, к.п.д. генератора значительно снизится из-за потерь в реостате или трансформаторе. Во-вторых, в схеме с трансформатором необходимо увеличивать емкость конденсаторов возбуж дения для компенсации реактивной мощности трансформатора. В-третьих, стабилизация таким способом сильно ухудшает массогабаритные показатели генератора.
Изменение емкости конденсаторов возбуждения. Суть рассматриваемого способа стабилизации заключатся в том, что в качестве источника реактивной мощности используется батарея конденсаторов, состоящая из нескольких ступеней С0 - Сп (рисунок 1.10). При увеличении нагрузки генератора емкость батареи конденсаторов увеличивается посредством подключения дополнительных ступеней, при чем эта операция может быть автоматизирована. Этот способ один из наиболее простых и надежных, однако, дискретность регулирования не позволяет стабилизировать напряжение при переменной нагрузке с достаточной точностью.
Применение феррорезонансного стабилизатора напряжения. Фер-рорезонансный стабилизатор напряжения представляет собой реактор переменной индуктивности. В сочетании с батареей шунтирующих конденсаторов постоянной емкости он может обеспечить стабилизацию напряжения при изменении нагрузки в небольших пределах [100].
Автономная система с феррорезонансным стабилизатором напряжения приведена на рисунке 1.11 [100]. Схема настраивается на резонанс токов при номинальном напряжении в режиме холостого хода. Магнитная система стабилизатора напряжения находится в состоянии насыщения. стабилизатором напряжения.
Уменьшение напряжения на зажимах машины вызывает увеличение индуктивного сопротивления реактора вследствие уменьшения насыщения его сердечника. Ток реактора ограничивается, что приводит к соответствующему перераспределению реактивной мощности конденсаторов в системе. К недостаткам способа относятся: небольшой диапазон регулирования; увеличение массы, габаритов и стоимости генераторной установки.
Применение управляемых реакторов. Стабилизацию напряжения в широком диапазоне изменения нагрузки позволяют устройства, состоящие из батареи шунтирующих конденсаторов постоянной емкости и управляемого реактора.
Схема асинхронного генератора с таким устройством приведена на рисунке 1.12 [100]. В схеме параллельно конденсаторам включены обмотки переменного тока реактора. Для подмагничивания реактора используются две дифференциально включенные обмотки управления. Ток одной из них (намагничивающей) пропорционален напряжению на зажимах машины, ток другой (размагничивающей) — току нагрузки.
Математическая модель автономного асинхронного генератора с конденсаторным возбуждением
При расчете установившихся режимов асинхронной машины обычно используют Т-образную схему замещения (рисунок 2.2) [60, 62]. На этой схеме приняты следующие обозначения: У1ф — фазное напряжение статора; токов І! - ток статора; Г2 - ток ротора, приведенный к обмотке статора; Ri и Xi - активное и реактивное сопротивления статора, R 2 и X - приведенные активное и реактивное сопротивления ротора; 1ц - ток холостого хода или намагничивающий ток; s=(cu±co2)/a - скольжение (со - угловая скорость поля статора, со2 — угловая скорость ротора); Х - индуктивное сопротивление взаимоиндукции; R - активное сопротивление, учитывающее потери в сердечнике статора. то Т-образной схеме замещения будет соответствовать следующая система комплексных уравнений [60]
В этой системе, если считать заданной частоту тока статора fi и частоту вращения ротора п, иными словами, зная s (со = 2ти fb to2 =27tnp/60), с учетом выражения (2.1), на три комплексных уравнения приходится столько же комплексных неизвестных: 11з Г2 и I . Таким образом, система 2.2 позволяет рассчитывать установившиеся режимы асинхронной машины в двигательном режиме и в генераторном режиме при работе на мощную сеть.
При работе асинхронной машины в качестве автономного генератора, она включается не на сеть, а на нагрузку, которая в общем случае является активно-индуктивной ZH =RH + jXH. Кроме того, в автономном режиме для создания изменяющегося во времени магнитного поля, необходима реактивная мощность, источником которой в самом простом случае является батарея конденсаторов с фазной емкостью С. Схема замещения автономного генератора с конденсаторным возбуждением представлена на рисунке 2.3.
В этой схеме активным элементом является сопротивление RVs, которое отрицательно, поскольку в генераторном режиме скольжение s 0. На самом деле передача мощности из цепи ротора в цепь статора осуществляется за счет электромагнитного взаимодействия между статором и ротором.
Для схемы замещения асинхронного генератора с конденсаторным возбуждением (рисунок 2.3) по первому и второму законам Кирхгофа в соответствии с указанными направлениями токов и контуров можно записать следующую систему уравнений: (2.3) где Xc - сопротивление батареи конденсаторов; Ic - ток, протекающий через батарею конденсаторов; 1Н - ток нагрузки. Перепишем систему 2.3 в классическом варианте, соответствующем математическому описанию асинхронной машины. На рисунке 2.4 показана векторная диаграмма автономного асинхронного генератора [23]. Поскольку активное сопротивление цепи намагничивания на много больше индуктивного ток 1ц совпадает по фазе с потоком Ф,
ЭДС Ем отстает от 1м на п/2. Напряжение статора U1 =IH(RH + jXH) находится в соответствии с первым уравнением системы (2.4), сдвиг фаз векторов U] и тока нагрузки 1н обозначен q H, а векторов U и I] - как фг. Векторная диаграмма, изображенная на рисунке 2.4, соответствует системе уравнений (2.4).
Для расчета установившихся режимов автономного АГ с конденсаторным возбуждением необходимо решить систему (2.4), состоящую из пяти комплексных уравнений, относительно неизвестных токов Il5 Г2, 1Ц, 1с и 1н.
В то же время, особенность работы АГ в автономном режиме заключается в том, что частота тока статора fb а следовательно и скольжение s, не может быть определена однозначно исходя из заданной частоты вращения ротора генератора. Кроме того, величина магнитного сопротивления Хц, опреде ляющая значение ЭДС холостого хода Ем, так же зависит от fi. Иными словами, в системе (2.4) неопределенными являются еще две величины и Ем.
При переменной скорости вращения ротора необходимо учитывать зависимость всех реактивных переменных от частоты тока статора f\. Тогда система уравнений (2.4), с учетом выражения со = 27tfi, должна быть записана в следующем виде: .5)
Для упрощения анализа уравнений (2.5) примем следующие допущения: индуктивное и активное сопротивления обмотки статора К\ и Хь приведенное индуктивное сопротивление обмотки ротора Х 2 пренебрежимо малы по сравнению с остальными параметрами схемы замещения (RL = 0, XJ = О, Х 2 = 0). Такие допущения не вносят большой погрешности в результаты расчета режимов мощных генераторов (S 10 кВА). Предположим так же, что генератор работает на чисто активную нагрузку (LH = 0). Тогда из (2.5) с учетом баланса активных и реактивных проводимостей можно вывести две важные зависимости:
Дискретно-непрерывный двухканальный способ стабилизации напряжения асинхронного вентильного генератора
Функциональная схема асинхронного вентильного генератора изображена на рисунке 2.1. АВГ можно представить как асинхронный генератор с конденсаторным возбуждением, математическая модель которого была рассмотрена в пункте 2.1, работающий на выпрямительную нагрузку.
Из всех выпрямительных схем наибольшее применение получила трехфазная мостовая двухполупериодная (схема Ларионова). К достоинствам этой схемы можно отнести простоту, наиболее благоприятное соотношение между выпрямленной мощностыо и мощностью генератора (коэффициент равен 1,045), а так же относительно небольшие пульсации выпрямленного напряжения [14]. Принципиальная схема мостового трехфазного неуправляемого выпрямителя приведена на рисунке 2.7.
Схема состоит из шести диодов [5, 106]: диоды VD1, VD3, VD5 образуют катодную, а диоды VD2, VD4, VD6 - анодную группы. В каждый момент времени ток протекает через один из диодов катодной и анодной групп, и его направление при протекании через нагрузку выпрямителя Zd не меняется. Кривая выпрямленного напряжения образуется из отрезков кривых ли нейных напряжений и представляет собой разницу наибольшего положительного напряжения, подводимого к аноду диода катодной группы, и наибольшего отрицательного напряжения, подводимого к катоду диода анодной группы.
Исходя из (2.36), (2.37) и с учетом (2.39) и (2.41) для комплекса сопротивления выпрямителя ZB можно записать
Если в (2.40) подставить выражение (2.34), то угол коммутации вентилей у также можно выразить через сопротивление нагрузки выпрямителя. Угол коммутации у будет определяется по формуле
Воспользуемся формулой косинуса половинного угла и проведем некоторые несложные математические преобразования. В результате получим следующие выражения
Исходя из вышесказанного, математическую модель асинхронного вентильного генератора можно получить из системы уравнений (2.30), считая, что все параметры, описывающие нагрузку, соответствуют параметрам, описывающим выпрямитель. Тогда окончательно для асинхронного вентильного генератора можно записать (2.47)
Частота тока статора fi находится из системы уравнений (2.29), подстановкой в нее вместо активного и реактивного сопротивлений нагрузки R„ и Хн выражения (2.46) для активного и реактивного сопротивлений выпрямителя RB и Хв.
Таким образом, математической моделью АВГ является система (2.47), содержащая пять уравнений. Неизвестными являются токи статора 1{, ротора Г2, намагничивания 1ц, выпрямителя 1в и конденсатора 1с. После решения системы относительно неизвестных токов определяются значения тока нагрузки АВГ Id по (2.33) и напряжения на нагрузке Ud по (2.32).
На основании системы уравнений (2.47), представляющей собой математическую модель асинхронного вентильного генератора, можно получить аналитическим способом целый ряд характеристик.
К основным характеристикам АВГ по аналогии с АГ относятся [100]: - характеристика холостого хода; - внешняя характеристика; - нагрузочная характеристика; - регулировочная характеристика.
Получение вышеприведённых характеристик возможно либо при постоянной скорости вращения ротора n=const либо при постоянно частоте тока статора f const. При исследовании работы АВГ с точки зрения возможности управления параметрами его режима посредством изменения скорости вращения ротора, режимы, обеспечивающие постоянство частоты тока статора, не представляют большого интереса, поэтому в дальнейшем будем рассматривать характеристики при n=const.
