Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общие вопросы автономных электротехнических генераторных комплексов при переменной скорости вращения 13
1.1. Обзор современных электротехнических генераторных комплексов 13
1.1.1. Электротехнические генераторные комплексы на основе синхронного генератора 14
1.1.2. Электротехнические генераторные комплексы на основе асинхронного генератора 17
1.1.3. Электротехнического генераторные комплексы на основе машины двойного питания 21
1.2. Влияние приводного движителя на работу автономного электротехнического генераторного комплекса на основе машины двойного питания 24
Выводы 26
Глава 2. Стационарные режимы автономного электротехнического генераторного комплекса на основе машины двойного питания 28
2.1. Электротехнический генераторный комплекс в составе неразветвленной электромеханической системы 28
2.1.1. Мощность асинхронного генератора 29
2.1.2. Мощность преобразователя частоты 36
2.2. Электротехнический генераторный комплекс в составе разветвленной электромеханической системы 37
2.2.1. Мощность асинхронного генератора 38
2.2.2. Мощность преобразователя частоты 41
2.3. Баланс активной и реактивной мощности в электротехническом генераторном комплексе 42
2.4. Энергетические показатели электротехнического генераторного комплекса 46
Выводы 49
Глава 3. Математическое моделирование динамических режимов автономного электротехнического генераторного комплекса на основе машины двойного питания 55
3.1. Исходные уравнения. Управляемые переменные 57
3.2. Динамические режимы при изменении нагрузки 59
3.2.1. Динамические режимы с учетом трансформаторной ЭДС статора 60
3.2.1.1. Экспоненциальный закон формирования управляемой переменной 61
3.2.1.1.1. Изменение нагрузки предварительно нагруженного генератора 61
3.2.1.1.2. Подключение нагрузки на генератор, работающий вхолостую 68
3.2.1.1.3. Влияние диапазона изменения скорости вращения первичного движителя 80
3.2.1.2. Линейный закон формирования управляемой переменной 80
3.2.1.2.1. Изменение нагрузки предварительно нагруженного генератора 81
3.2.1.2.2. Подключение нагрузки на генератор, работающий вхолостую 93
3.2.2. Динамические режимы без учета трансформаторной ЭДС статора 101
3.2.2.1. Изменение нагрузки предварительно нагруженного генератора 103
3.2.2.2. Подключение нагрузки на генератор, работающий вхолостую 105
Выводы 110
Глава 4. Анализ динамических режимов автономного электротехнического генераторного комплекса на основе машины двойного питания 112
4.1. Динамические режимы с учетом трансформаторной ЭДС статора . 112
4.1.1. Наброс нагрузки на генератор, работающий вхолостую 112
4.1.1.1. Влияние величины и характера подключаемой нагрузки . 112
4.1.1.2. Влияние времени регулирования и скорости вращения приводного движителя 116
4.1.1.3. Влияние номинальной мощности и числа пар полюсов генератора 123
4.1.2. Изменение нагрузки предварительно нагруженного генератора... 126
4.1.3. Влияние закона формирования управляемой переменной 130
4.2. Динамические режимы без учета трансформаторной ЭДС статора . 134
4.3. Законы управления преобразователем частоты электротехнического генераторного комплекса 141
Выводы 144
Заключение 147
Литература 150
Приложения 161
- Электротехнические генераторные комплексы на основе синхронного генератора
- Баланс активной и реактивной мощности в электротехническом генераторном комплексе
- Подключение нагрузки на генератор, работающий вхолостую
- Влияние номинальной мощности и числа пар полюсов генератора
Введение к работе
Россия является страной с высокой степенью централизации энергетической системы. Большая часть (около 90%) электрической энергии в нашей стране производится крупными атомными и гидроэлектростанциями, а также электростанциями, работающими на органическом топливе. Услугами энергосистемы пользуются более 85% населения страны [7]. Однако значительная часть территории России, к которой относятся горные районы, районы с малой плотностью населения и населенные пункты, сильно удаленные от крупных энергетических центров, еще не подключена к централизованной энергетической системе. Общая численность населения, проживающая на таких территориях, превышает 12 миллионов человек [55]. Основным источником получения электроэнергии для них являются дизель-генераторные установки небольшой мощности.
Необходимое для функционирования таких установок топливо завозится из далеко расположенных центров, что в итоге делает себестоимость вырабатываемой электроэнергии очень высокой. В связи с ростом цен на органические виды топлива, ухудшающейся экологической ситуацией возникла тенденция использования нетрадиционных, возобновляемых источников электрической энергии [64]. К электрогенерирующим комплексам, использующим нетрадиционные источники получения энергии, относятся малые гидроэлектростанции (МГЭС) [1, 22, 54, 105], ветроэнергетические установки (ВЭУ) [19, 32, 99] и другие. Разработка и внедрение в производство указанных генераторных комплексов - одно из основных направлений развития отечественной и мировой энергетики, которое способствует решению актуальной в настоящее время проблемы энергосбережения и вовлечению возобновляемых источников в энергетический баланс страны.
В последнее время во многих странах (Норвегия, Китай, США, Австралия и др.) большое внимание уделяется развитию малой гидроэнергетики [111, 112]. Трудности с доставкой органического топлива в удаленные районы, повышение его стоимости одновременно с достижениями в области создания электротехнического оборудования привели к повышению рентабельности МГЭС. Несомненным преимуществом МГЭС является то, что они относятся к числу экологически чистых источников электрической энергии. По оценкам специалистов общая потребность в МГЭС для мирового рынка энергетики на сегодняшний день составляет более 2 миллионов единиц, а для стран СНГ примерно 6 тысяч единиц [98].
Кроме электротехнических генераторных комплексов (ЭГК), использующих нетрадиционные источники энергии, в малой энергетике широкое распространение получили ЭГК, работающие на органическом топливе. Особенно важным в этом случае является рациональное использование энергоресурсов на автономных объектах. На сегодняшний день традиционный вариант решения данного вопроса - применение дизель- генераторных агрегатов. Более перспективным является использование избыточной мощности главной силовой установки для привода генератора. Например, на речных и морских судах практически во всем диапазоне скоростей хода судна у главного двигателя есть резерв мощности, составляющий около 15%, а потребность судовой электростанции обычно составляет не более 10% от мощности главного двигателя [46]. Применение валогенераторных установок (ВГУ) [27, 36, 70, 85] повышает экономичность автономных объектов, т.к. для получения электроэнергии используются более дешевые тяжелые сорта дизельного топливо главного судового двигателя внутреннего сгорания и уменьшается необходимое количество дизель-генераторов в составе судовой электростанции.
Особенность работы ЭГК в составе МГЭС, ВЭУ и ВГУ состоит в переменной скорости вращения вала приводного движителя (ПД) (турбины МГЭС, ветроколеса ВЭУ, судового валопровода ВГУ). Задача, связанная со стабилизацией параметров генерируемой электроэнергии (амплитуды и частоты напряжения) при переменной скорости вращения вала ПД является основной для ЭГК. Решение этой задачи приводит к двум вариантам построения ЭГК: с механическими или электрическими регуляторами. К механическим регуляторам относятся гидромеханические и пневмомеханические устройства, а к электрическим - статические преобразователи частоты (ПЧ). Во втором варианте ЭГК может быть реализован на основе синхронного генератора (СГ) и асинхронного генератора (АГ) с короткозамкнутым ротором. В цепь статора обоих генераторов включается ПЧ. В обоих случаях генератор и ПЧ должны выбираться на максимальную мощность нагрузки, т.к. вся активная мощность в нагрузку поступает через статорную цепь и ПЧ.
Применение более дешевой и надежной асинхронной машины давно интересовало ученых, работающих в области систем генерирования электроэнергии. Отметим в этом направлении работы С.К. Бохяна [14], С.З. Барского [9], С.П. Бояр-Созоновича [15], М.Л.Костырева [43], В.А. Лесника, А.И. Лищенко, Б.В. Лукутина [45], Н.Д. Торопцева [82] и др., которые получили общее признание в научных кругах.
В последнее время как в России, так и за рубежом в качестве генераторного комплекса, работающего при переменной скорости вращения, получает распространение использование АГ с фазным ротором по схеме машины двойного питания (МДП). Это связано с тем, что установленная мощность ПЧ в составе МДП-генератора меньше по сравнению с мощностью ПЧ у альтернативных вариантов ЭГК по схеме СГ-ПЧ и АГ-ПЧ, а также с более высокими показателями МДП - генератора в динамических режимах работы, обусловленными возможностью векторного управления током в роторе МДП (в отличие от скалярного управления, например, в ЭГК по схеме ПЧ-СГ) [16, 38, 80].
Значительные научные и практические исследования в области МДП проведены в ОАО «ВНИИэлектроэнергетика» под руководством М.М. Ботвинника и Ю.Г. Шакаряна [12, 13, 84, 94], в ОАО «Электропривод» под руководством Г.Б. Онищенко [18, 49, 57, 73], отражены в работах A.C.
Сандлера [66], А.Е. Загорского [35, 61], С.В.Хватова [6, 75], В.Г. Титова [74, 76, 78, 79] и других ученых.
Известны работы в области исследования МДП-генераторов зарубежных ученых D.Roye [108], W. Weiss [104], L.M.Ricardo [110], W. Schumacher [107], P.A. Edvardsen [109], R. Pena [99], M.S.Vicatos [106] и др.
Исследованию стационарных режимов работы МДП-генератора (определение источника реактивной мощности, эксплуатационные показатели, состав силового оборудования, вопросы энергетики) посвящены работы [13, 51, 52, 101, 107, 110]. По динамическим режимам работы МДП- генераторов (принципы построения замкнутых САР, влияние типа источника реактивной мощности и др.) отметим прежде всего работы [11, 35, 52, 63, 86].
Вместе с тем, в области стационарных режимов остаются недостаточно исследованными вопросы влияния на работу ЭГК на основе МДП разветвленности канала передачи активной мощности от ПД к генератору, типа ПД и диапазона изменения скорости вращения его вала (D). В области динамических режимов недостаточно исследовано влияние величины и характера нагрузки, времени регулирования САР, законов формирования управляемой переменной, трансформаторной ЭДС статора на переходные процессы при изменении нагрузки.
Учитывая вышеизложенное, целью настоящей диссертационной работы является исследование стационарных и динамических режимов электротехнического генераторного комплекса на основе машины двойного питания, работающего в автономном режиме при широком диапазоне изменения скорости вращения вала ПД.
Цель работы определяет следующие задачи исследования:
Анализ степени влияния разветвленности электромеханической системы (ЭМС) и типа ПД на работу автономного ЭГК на основе МДП.
Расчет установленной мощности асинхронной машины в составе автономного ЭГК на основе МДП при одно- и двухзонном режиме работы и различной величине D.
Определение законов формирования управляемой переменной автономного ЭГК на основе МДП, обеспечивающих стабилизацию параметров генерируемой электроэнергии.
Разработка математических моделей динамических режимов автономного ЭГК на основе МДП при изменении нагрузки с учетом и без учета трансформаторной ЭДС статора.
Определение влияния величины и характера нагрузки, времени регулирования САР, скорости вращения вала ПД и закона формирования управляемой переменной на основные электромагнитные параметры автономного ЭГК на основе МДП.
Определение области допустимого применения математической модели без учета трансформаторной ЭДС статора.
Методы исследования. Исследования выполнены на основе общей теории электрических машин переменного тока в сочетании с методом динамического синтеза, теории полупроводниковых преобразователей и автоматического управления. Использован математический аппарат дифференциального и интегрального исчисления. Экспериментальные исследования проведены на физической модели.
Связь темы диссертации с научно-техническими программами.
Работа выполнялась в рамках:
межвузовской научно-технической программы «Энерго- и ресурсосберегающие технологии», тема П.Т.447 «Системы энергосбережения и технологии освоения нетрадиционных источников энергии», раздел «Разработка перспективных вариантов автономной электроэнергетики». По этой программе НГТУ являлся ведущей организацией;
единого заказ-наряда Минобразования РФ по теме «Разработка основ теориии и проектирования генераторных агрегатов переменной скорости вращения» (ветро- и гидрогенераторы, валогенераторы, нагрузочные генераторы).
Научная новизна. Основные научные результаты работы заключаются в следующем:
Определено влияние величины Б на установленную мощность элементов силового оборудования МДП-генератора автономного ЭГК при его работе в одно- и двухзонном скоростном режиме с учетом разветвленности ЭМС.
Разработаны математические модели для расчета динамических режимов автономного ЭГК на основе МДП при изменении нагрузки с учетом ее величины и характера, быстродействия САР и величины Б.
Показано приоритетное влияние этих факторов на характер динамических режимов автономного ЭГК на основе МДП при изменении нагрузки и определена область допустимого использования математической модели без учета трансформаторной ЭДС статора.
Установлено влияние закона формирования управляемой переменной на первоначальные провалы напряжения статора и величину форсировочного напряжения ротора в динамических режимах автономного ЭГК на основе МДП при изменении нагрузки.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:
разработана инженерная методика расчета установленной мощности АГ в составе автономного ЭГК на основе МДП с учетом разветвленности ЭМС, одно- или двухзонного режима работы и величины О;
разработана методика расчета динамических режимов при изменении нагрузки в автономном ЭГК на основе МДП;
создан макетный образец автономного ЭГК на основе МДП мощностью 5,5 кВт в научно-исследовательской лаборатории кафедры электропривода Нижегородского государственного технического университета (НГТУ).
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы:
при разработке проекта модернизации Ичалковской МГЭС (п.Ичалки Нижегородской области) и концепции построения малонапорных ГЭС в Нижегородской области;
при разработке проекта модернизации электростанций на судах типа «Речной» и «РТ» и создании концепции развития судовых ВГУ в ОАО «Нижегородский порт» (г.Нижний Новгород);
в учебном процессе в виде инженерных методик расчета МДП- генераторов и МДП-приводов в НГТУ и в Волжской государственной академии водного транспорта (ВГАВТ) (г.Нижний Новгород).
В работе автор защищает:
структуру построения автономных ЭГК на основе МДП при переменной скорости вращения вала ПД;
методику расчета установленной мощности АГ в составе автономного ЭГК на основе МДП при одно- и двухзонном режиме работы и различной величине Б;
законы формирования управляемой переменной автономного ЭГК на основе МДП, обеспечивающие стабилизацию параметров генерируемой электроэнергии;
математические модели расчета динамических режимов автономного ЭГК на основе МДП при изменении нагрузки и допустимость их использования в зависимости от параметров режима работы.
Публикация и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе получены 2 свидетельства на полезную модель.
Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях:
III Международная (XIV Всероссийская) научно-техническая конференция по автоматизированному электроприводу «АЭП-2001», Н.Новгород, НГТУ, 2001 г;
региональный молодежный научно-технический форум «Будущее технической науки Нижегородского региона», Н.Новгород, НГТУ, 2002г;
региональные научно-технические конференции «Актуальные проблемы электроэнергетики», Н.Новгород, НГТУ, 1999-2001г.
Автор благодарит научного консультанта д.т.н., и.о. профессора Хватова О.С. за помощь, оказанную при выполнении диссертации.
Электротехнические генераторные комплексы на основе синхронного генератора
В последнее время как в России, так и за рубежом в качестве генераторного комплекса, работающего при переменной скорости вращения, получает распространение использование АГ с фазным ротором по схеме машины двойного питания (МДП). Это связано с тем, что установленная мощность ПЧ в составе МДП-генератора меньше по сравнению с мощностью ПЧ у альтернативных вариантов ЭГК по схеме СГ-ПЧ и АГ-ПЧ, а также с более высокими показателями МДП - генератора в динамических режимах работы, обусловленными возможностью векторного управления током в роторе МДП (в отличие от скалярного управления, например, в ЭГК по схеме ПЧ-СГ) [16, 38, 80].
Значительные научные и практические исследования в области МДП проведены в ОАО «ВНИИэлектроэнергетика» под руководством М.М. Ботвинника и Ю.Г. Шакаряна [12, 13, 84, 94], в ОАО «Электропривод» под руководством Г.Б. Онищенко [18, 49, 57, 73], отражены в работах A.C.
Сандлера [66], А.Е. Загорского [35, 61], С.В.Хватова [6, 75], В.Г. Титова [74, 76, 78, 79] и других ученых. Известны работы в области исследования МДП-генераторов зарубежных ученых D.Roye [108], W. Weiss [104], L.M.Ricardo [110], W. Schumacher [107], P.A. Edvardsen [109], R. Pena [99], M.S.Vicatos [106] и др. Исследованию стационарных режимов работы МДП-генератора (определение источника реактивной мощности, эксплуатационные показатели, состав силового оборудования, вопросы энергетики) посвящены работы [13, 51, 52, 101, 107, 110]. По динамическим режимам работы МДП- генераторов (принципы построения замкнутых САР, влияние типа источника реактивной мощности и др.) отметим прежде всего работы [11, 35, 52, 63, 86]. Вместе с тем, в области стационарных режимов остаются недостаточно исследованными вопросы влияния на работу ЭГК на основе МДП разветвленности канала передачи активной мощности от ПД к генератору, типа ПД и диапазона изменения скорости вращения его вала (D). В области динамических режимов недостаточно исследовано влияние величины и характера нагрузки, времени регулирования САР, законов формирования управляемой переменной, трансформаторной ЭДС статора на переходные процессы при изменении нагрузки. Учитывая вышеизложенное, целью настоящей диссертационной работы является исследование стационарных и динамических режимов электротехнического генераторного комплекса на основе машины двойного питания, работающего в автономном режиме при широком диапазоне изменения скорости вращения вала ПД. Цель работы определяет следующие задачи исследования: 1. Анализ степени влияния разветвленности электромеханической системы (ЭМС) и типа ПД на работу автономного ЭГК на основе МДП. 2. Расчет установленной мощности асинхронной машины в составе автономного ЭГК на основе МДП при одно- и двухзонном режиме работы и различной величине D. 3. Определение законов формирования управляемой переменной автономного ЭГК на основе МДП, обеспечивающих стабилизацию параметров генерируемой электроэнергии. 4. Разработка математических моделей динамических режимов автономного ЭГК на основе МДП при изменении нагрузки с учетом и без учета трансформаторной ЭДС статора. 5. Определение влияния величины и характера нагрузки, времени регулирования САР, скорости вращения вала ПД и закона формирования управляемой переменной на основные электромагнитные параметры автономного ЭГК на основе МДП. 6. Определение области допустимого применения математической модели без учета трансформаторной ЭДС статора. Методы исследования. Исследования выполнены на основе общей теории электрических машин переменного тока в сочетании с методом динамического синтеза, теории полупроводниковых преобразователей и автоматического управления. Использован математический аппарат дифференциального и интегрального исчисления. Экспериментальные исследования проведены на физической модели. Связь темы диссертации с научно-техническими программами. Работа выполнялась в рамках: межвузовской научно-технической программы «Энерго- и ресурсосберегающие технологии», тема П.Т.447 «Системы энергосбережения и технологии освоения нетрадиционных источников энергии», раздел «Разработка перспективных вариантов автономной электроэнергетики». По этой программе НГТУ являлся ведущей организацией; единого заказ-наряда Минобразования РФ по теме «Разработка основ теориии и проектирования генераторных агрегатов переменной скорости вращения» (ветро- и гидрогенераторы, валогенераторы, нагрузочные генераторы). Научная новизна. Основные научные результаты работы заключаются в следующем: 1. Определено влияние величины Б на установленную мощность элементов силового оборудования МДП-генератора автономного ЭГК при его работе в одно- и двухзонном скоростном режиме с учетом разветвленности ЭМС. 2. Разработаны математические модели для расчета динамических режимов автономного ЭГК на основе МДП при изменении нагрузки с учетом ее величины и характера, быстродействия САР и величины Б. 3. Показано приоритетное влияние этих факторов на характер динамических режимов автономного ЭГК на основе МДП при изменении нагрузки и определена область допустимого использования математической модели без учета трансформаторной ЭДС статора. 4. Установлено влияние закона формирования управляемой переменной на первоначальные провалы напряжения статора и величину форсировочного напряжения ротора в динамических режимах автономного ЭГК на основе МДП при изменении нагрузки.
Баланс активной и реактивной мощности в электротехническом генераторном комплексе
На основе системы уравнений Парка-Горева, уравнения нагрузки и метода динамического синтеза разработаны универсальные математические модели для расчета наиболее характерных динамических режимов работы автономного МДП-генератора (изменение нагрузки предварительно подгруженного генератора, наброс нагрузки на генератор, работающий вхолостую) с учетом и без учета трансформаторной ЭДС статора. 2. Получены аналитические выражения для управляемой переменной при линейном и экспоненциальном законах ее формирования. 3. На основании математических моделей определены аналитические зависимости основных электромагнитных параметров МДП-генератора (токов и напряжений статора и ротора) для линейного и экспоненциального законов формирования потокосцепления ротора с учетом трансформаторной ЭДС статора, а также для экспоненциального закона в модели без учета трансформаторной ЭДС статора. Полученные зависимости могут быть использованы для расчета динамических режимов при изменении нагрузки (втом числе прямого пуска АД с КЗ) генераторов любой мощности в составе неразветвленной и разветвленной ЭМС. 4. Максимальные изменения напряжения МДП-генератора при коммутации нагрузки имеют место при скольжении U I min = 0, поэтому диапазон изменения скорости вращения ПД не оказывает влияния на величину At/lmax. В главе 3 получены аналитические зависимости электромагнитных параметров МДП-генератора (токов и напряжений статора и ротора) для линейного и экспоненциального законов изменения потокосцепления ротора с учетом и без учета трансформаторной ЭДС статора. Проанализируем влияние параметров нагрузки, времени регулирования САР и других факторов, а также закона изменения потокосцепления ротора на основные переменные МДП-генератора. Все расчеты выполнялись для МДП-генератора мощностью 160 кВт на базе асинхронной машины типа 4АНК350М8УЗ. Степень универсальности полученных результатов можно оценить по приведенному в разделе 4.1.1.3 сравнению результатов расчетов динамических режимов для АГ разной мощности Рц= 160 кВт и Рн 11 кВт (при одинаковом числе пар полюсов) и для разного числа пар полюсов (р =2 и р =4) для машины Рн = 160 кВт. Анализ динамических процессов в МДП-генераторе дан для однозонного режима работы при сверхсинхронной скорости. Целесообразность его применения при широком диапазоне изменения скорости вращения ПД показана в главе 2.Отметим, что при подключении чисто активной нагрузки (соБфн = 1)
Величина первоначального провала напряжения статора AU\ зависит как от величины SH, так и от характера подключаемой нагрузки (coscpH). На рис.4.1 приведена зависимость AU\ =/ (cos(pH). Как видно из полученных графиков значение AUi возрастает с увеличением полной подключаемой мощности SH при неизменном коэффициенте мощности нагрузки (coscpH = const). Аналогичный результат получается и при увеличении cosq H (для SH = const). Действительно, по первому закону коммутации ток в цепи статора (нагрузки) мгновенно измениться не может, т.е. в первый момент времени ток /щ = о) 0- Следовательно, падения напряжения на активных сопротивлениях цепи статора (ri) и нагрузки (i?„) равны нулю, а потенциалы в цепи статора распределятся пропорционально индуктивным сопротивлениям нагрузки (дгн) и эквивалентному сопротивлению генератора (У). С увеличением значения „ (при coscp„ = const) величина дгн снижается и провалы напряжения статора AU\ возрастают. Аналогично и при увеличении значения coscpH (при SH = const) величина хп снижается и AU1 возрастает. для любого значения SH первоначальный провал напряжения статора AU\ = 100% (рис.4.2). Поскольку ток в цепи статора в первоначальный момент времени равен нулю (первый закон коммутации), то напряжение статора, равное напряжению на нагрузке RH, равно нулю и от величины активной мощности (а также, полной мощности, т.к. Рн = SH) не зависит.
Часто при набросе чисто активной нагрузки величиной первоначального провала напряжения статора пренебрегают, полагая, что напряжение в момент времени t = 0 практически не меняется [39]. Это объясняется очень быстрым восстановлением напряжения. Восстановление напряжения до 80 % от /iycr при набросе номинальной нагрузки (для t\ - 0,02с) происходит за время /в = 0,0017с, а при набросе 50 % нагрузки за tB = 0.0011с. В виду кратковременности этот провал не оказывает заметного влияния на работу МДП- генератора и, поэтому, им можно пренебречь.
Проанализируем переходные процессы изменения напряжения ротора U2(t) в режимах изменения нагрузки. Наибольший интерес при анализе представляет момент времени t = 0, когда напряжение ротора U 2(t = 0) достигает максимального (форсировочного) значения. Управление в МДП-генераторе происходит по роторной цепи, значение напряжения ротора определяет уста новленную мощность ПЧ. Из анализа переходных процессов видно (рис.4.3), что форсировочное значение напряжения ротора зависит от мощности подключаемой нагрузки SH. С увеличением Su (при coscp const и t\ = const) (рис.4.3) значение U2(t = 0) возрастает. Аналогичный результат наблюдается если уменьшать величину cos(pH (при SH = const и t\ = const). Действительно, увеличение полной мощности SH (при cos(pH= const) или уменьшение коэффициента мощности нагрузки cos(pH (при SH = const) приводят к увеличению тока ротора (см.рис.3.3,г), а, следовательно, к возрастанию форсировочного значения напряжения ротора U 2(t = 0).
Подключение нагрузки на генератор, работающий вхолостую
Проведенный комплекс исследований расширяет представление о стационарных и динамических процессах МДП-генератора в автономном режиме. Настоящая диссертация продолжает исследование систем МДП как объекта генерирования электроэнергии. Получен ряд новых результатов, касающихся влияния типа движителя, параметров нагрузки, законов формирования управляемой переменной, быстродействия САР, величины скорости вращения ПД и диапазона его изменения на статические и динамические режимы автономного МДП-генератора.
В итоге проведенных исследований получены следующие основные результаты: 1. На основании сравнения различных вариантов автономных ЭГК на базе СГ и АГ с короткозамкнутым и фазным ротором показана целесообразность применения МДП-генератора при широком диапазоне изменения скорости вращения ПД. Определен состав элементов электрооборудования. 2. Показана целесообразность, с целью снижения установленной мощности АГ, применения однозонного режима работы МДП-генератора при со о независимо от степени разветвленности ЭМС. В неразветвленных ЭМС уменьшение Б приводит к увеличению мощности АГ. В разветвленных ЭМС мощность АГ, при неизменной нагрузке, больше, чем в неразветвленных, и не зависит от величины Д 3. Проведен анализ энергетических показателей МДП-генератора. Установлено влияние величины и характера нагрузки на значение КПД. При снижении соБфн КПД ЭГК уменьшается. На коэффициент мощности генератора большое влияние оказывает тип ПЧ. При ТНПЧ это проявляется через несинусоидальность токов и напряжений АГ. При использовании ПЧ с ШИМ коэффициент мощности ЭГК равен соБфн. 4. Разработаны математические модели для расчета динамических режимов при изменении нагрузки с учетом и без учета трансформаторной ЭДС статора для экспоненциального и линейного законов формирования управляемой переменной. 5. Для математической модели с учетом трансформаторной ЭДС статора проанализировано влияние величины и характера нагрузки, времени регулирования САР, закона формирования управляемой переменной на первоначальный провал напряжения статора и форсировочное значение напряжения ротора: - с увеличением мощности нагрузки SH (при coscp„ = const) величина первоначального провала напряжения статора AUI увеличивается. С увеличением coscp„ ( при S„ = const) провалы напряжения статора A U1 также возрастают. Увеличение SH при неизменном значении cos(pH приводит к возрастанию форсировочного значения напряжения ротора U2(T = 0). При снижении cos(p„ (для SH = const) форсировочное напряжение ротора также возрастает; - с увеличением времени регулирования при coscpH = const (для SH = const) происходит возрастание At/i. При снижении быстродействия САР величина форсировочного напряжения ротора U2(t = 0) уменьшается; - закон формирования управляемой переменной качественно не влияет на характер протекания переходных процессов, а имеются лишь количественные отличия. Например, для линейного закона изменения xi/2(t) величина AUI в среднем на (4-8)% больше, чем для экспоненциального. Форсировочное значение напряжения ротора U2{t = о) при линейном законе в среднем в 1,5-3 раза меньше, чем при экспоненциальном; - при набросе нагрузки на предварительно нагруженный генератор наблюдаются только количественные отличия в параметрах переходных процессов, по сравнению с набросом нагрузки на генератор, работающий вхолостую. 6. Использование математической модели без учета трансформаторной ЭДС при анализе влияния coscpH и tx на AU\ дает результаты, качественно отличные от результатов моделирования с учетом трансформаторной ЭДС статора. Например, величина AUi уменьшается при возрастании coscpH (при SH = const), а при соБфн =1 наблюдается минимальное значение AUi. Величина времени регулирования t\ не оказывает влияния на AU\. В то же время при увеличении SH (соБфн = const) происходит возрастание AU\, что аналогично случаю учета трансформаторной ЭДС статора. Увеличение скорости вращения ПД приводит к снижению AU\ в среднем на 2% при изменении скорости от ю0 До 2со0, что также совпадает с результатами расчета при учете трансформаторной ЭДС статора. Математическую модель без учета трансформаторной ЭДС статора допустимо применять при рассмотрении переходных процессов изменения нагрузки для оценки АС/1 при совфн 0,7-0,75 и для определения U2(t = 0) при всех значениях со8фн. 7. Результаты диссертационной работы использованы при разработке проектов модернизации Ичалковской МГЭС (п.Ичалки Нижегородской области) и концепции построения малонапорных МГЭС в Нижегородской области, разработке проекта модернизации электростанций на судах типа "РТ" и "Речной" и создания концепции развития судовых ВГУ в ОАО "Нижегородский порт" (г.Нижний Новгород), а также в учебном процессе в виде инженерных методик расчета МДП-генераторов и МДП-приводов в НГТУ и в ВГАВТ (г.Нижний Новгород).
Влияние номинальной мощности и числа пар полюсов генератора
Как указывалось выше (глава 3) существуют различные законы формирования управляемой переменной в автономном МДП-генераторе. Оценим их влияние на основные параметры переходных процессов на примере экспоненциального и линейного законов формирования х2 ).
Установившаяся величина потокосцепления ротораЧ г ) не зависит от выбора закона управления, а определяется значением полной мощности нагрузки и возрастает с увеличением последней. Для двух нагрузок с равной полной мощностью но с разными совфн установившееся значением потокосцепления ротора будет выше для нагрузки с более индуктивным характером (рис.3.1, 3.3). Это связано с большим значение тока г2 при данном характере нагрузки у МДП-генератора. Время регулирования САР 1 на установившееся значение потокосцепления влияния не оказывает, а определяет лишь интенсивность изменения Ч/2( ).
Рассмотрим влияние закона формирования Ч/2( ) на величину первоначального провала напряжения статора АС/1. На рис. 4.18 представлены за Из рис.4.18 видно, что закон формирования качественно не влияет на характер переходного процесса, а наблюдаются лишь количественные отличия в величине АС/1. При набросе полной нагрузки величина АС/1 меньше в среднем на 4-6% для экспоненциального закона изменения управляемой переменной. При со8фн= 1 для линейного и экспоненциального законов формирования 2(7) наблюдается 100 % первоначальный провал напряжения статора. С уменьшением величины подключаемой нагрузки разница вАС/1 для разных законов управления снижается. Полученные результаты объясняются следующим образом. Величина первоначального провала напряжения статора зависит от интенсивности изменения 2(7). При экспоненциальном законе формирования управляемой переменной на начальном этапе переходного процесса 2(7) изменяется более интенсивно, чем при линейном законе (рис.4.19). Поэтому, при экспоненциальном законе более интенсивно изменяется ЭДС статора Ех = Ею + АЕи а из (4.3) величина АС/1 при этом законе меньше, чем при линейном.
При линейном законе формирования Ч г ) с увеличением времени регулирования 1 возрастает первоначальный провал напряжения статора АС/1 (рис.4.20). Это характерно и для экспоненциального закона. Заметим, что при линейном законе величина АС/1 больше, чем при экспоненциальном для одного и того же Интенсивность нарастания потокосцепления ротора Тг(1:), от которой зависит величина АС/1, меньше при линейном законе. Следовательно, в этом случае наблюдаются большие первоначальные провалы напряжения статора.
Зависимость AU\ =f(t\) от параметров режима работы при набросе нагрузки от SHo=0 до Shi и различных законах управления (1 и 3 - экспоненциальный закон, Shi=0,5Shom и Shi=Shom, соответственно; 2 и 4 - линейный закон, SHi=0,5SHOM и Shi=SHom, соответственно).
Закон формирования управляемой переменной влияет и на величину форсировочного напряжения ротора U2{t = 0). При линейном законе изменения Wlit) с увеличением SH (при coscpH = const) и t\ = const величина U2(t = 0) возрастает. Для двух равных по величине, но отличающихся коэффициентом мощности нагрузок, U2{t = 0) будет больше там, где coscpH нагрузки ниже. Также, как и при экспоненциальном законе управления, форсировочное напряжение ротора зависит от времени регулирования t\. При повышении быстродействия значение U2(t = 0) увеличивается. Таким образом, закон управления качественно не влияет на характер протекания переходных процессов. Имеется количественное отличие величины U2(/ = 0). При экспоненциальном законе управления величина форсировки напряжения ротора больше (в 2-4 раза), чем при линейном законе (для одного и того же времени регулирования /1) (рис.4.21), что объясняется более интенсивным изменением потокос
