Исследование системы с многофазным асинхронным генератором и многотактными активными преобразователями

15

Размещено на http://www.allbest.ru/

-2-

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Исследование системы с многофазным асинхронным генератором и многотактными активными преобразователями

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Воронцов А.Г.

Санкт-Петербург - 2007 год

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения

Научный руководитель-

доктор технических наук, член-корресподент РАН Чубраева Л. И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ефимов А. А.

кандидат технических наук, доцент Северин В. М.

Ведущее предприятие - ФГУП ЦКБ МТ “Рубин”

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Основные потребности России в электроэнергии обеспечиваются Единой электроэнергетической системой (ЕЭЭС) и подключенными к ней электростанциями. Вместе с тем, существует множество областей, электроснабжение которых от ЕЭЭС затруднено из-за высокой стоимости линий электропередач. Для этих областей целесообразно использовать автономные электроэнергетические системы (АЭЭС). АЭЭС выполняются стационарными, используются на судах, электровозах, самосвалах большой грузоподъемности, на плавучих буровых платформах.

В АЭЭС обычно применяются синхронные генераторы. Однако в последние два десятилетия в связи с развитием элементной базы силовой электроники наметилось широкое использование электрических машин более простой конструкции со статическими преобразователями. В ряде установок применяются асинхронные генераторы. Рассматриваются возможности применения машин с постоянными магнитами, вентильно-индукторных генераторов. Асинхронные и индукторные машины позволяют снизить расходы на обслуживание, что важно для АЭЭС. Активные полупроводниковые преобразователи в этих системах обеспечивают возбуждение электрических машин и выработку электроэнергии с требуемыми параметрами.

При использовании в АЭЭС асинхронного генератора в большинстве случаев рассматривается трехфазное его исполнение. Однако, если установка мощная, а первичным двигателем является высокооборотная турбина, то генератор имеет сравнительно малые габариты, потери энергии концентрируются в малой массе и возникают трудности конструктивного исполнения и охлаждения машины. Разработка конструкции упрощаются при увеличении числа фаз или числа трехфазных обмоток статора. В многофазной машине потери энергии в роторе от пространственных гармонических составляющих магнитного поля снижаются в десятки раз. Снижаются также потери энергии от высших временных гармонических составляющих токов. При этом повышается КПД машины, упрощается охлаждение.

Другая проблема создания мощных АЭЭС с быстроходными асинхронными генераторами заключается в необходимости построения весьма сложной системы. Выработка электроэнергии осуществляется обычно по нескольким каналам энергоснабжения. Во многих случаях имеется основной канал энергоснабжения с нестандартными параметрами (на переменном или постоянном напряжении), канал питания собственных нужд переменного напряжения 380 В, 50 Гц и канал питания потребителей постоянного напряжения 220 В. Как правило, требуется гальваническая развязка указанных каналов.

Задачи построения АЭЭС усложняются при увеличении мощности установок. В этих случаях требуется последовательное или параллельное соединение полупроводниковых приборов или силовых преобразовательных блоков, применение многоуровневых, каскадных, многотактных схем преобразования.

С учетом указанного, одним из перспективных вариантов построения мощной АЭЭС является система, содержащая быстроходный многофазный асинхронный генератор и несколько активных полупроводниковых многотактных преобразователей, один из которых обеспечивает выработку электроэнергии для основной нагрузки, другой обеспечивает питание сети 380 В, 50 Гц, а третий обеспечивает питание нагрузок постоянного напряжения 220 В. АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими активными многотактными полупроводниковыми преобразователями различного типа в технической литературе не описана и не исследована. В связи с необходимостью и перспективами создания таких систем, их исследования актуальны.

Цель и задачи исследований. Цель данной диссертационной работы заключается в разработке математических и компьютерных моделей АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими активными многотактными полупроводниковыми преобразователями различного типа, в исследованиях этой системы и выработке рекомендаций для ее создания.

Для достижения цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Разработать структуру многоканальной АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими активными полупроводниковыми преобразователями.

2. Разработать методику моделирования многоканальной АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими активными полупроводниковыми преобразователями.

3. Разработать комплекс упрощенных и уточненных математических моделей многоканальной АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими активными преобразователями.

4. Разработать комплекс компьютерных моделей многоканальной АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими активными преобразователями.

5. Осуществить исследования АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими активными многотактными полупроводниковыми преобразователями.

6. Разработать рекомендации для проектирования АЭЭС.

Методы исследования. Использованы методы расчета электрических цепей, теории электрических машин, полупроводниковых преобразователей (ПП), электропривода, автоматического регулирования, методы моделирования систем с ЭМ и ПП, решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений, сплайн-аппроксимации кривых, гармонического анализа.

Научная новизна представляемой диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработано оригинальное предложение по структуре АЭЭС с асинхронным генератором (АГ) и активными полупроводниковыми преобразователями, отличающейся использованием мнофазным АГ, наличием нескольких гальванически развязанных каналов электроснабжения, применением нескольких активных преобразователей, использованием трансформаторов для гальванической развязки в маломощных каналах, а также характером распределения функций управления между активными преобразователями, при котором возбуждение генератора осуществляется преобразователем в основном канале электроснабжения. В результате обеспечиваются высокий КПД и минимальные габариты.

2. Разработана новая методика моделирования АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими многотактными активными преобразователями различного типа, основанная на использовании методов расчета сложных систем по взаимосвязанным подсистемам, обеспечивающая разработку быстродействующих устойчивых моделей.

3. Разработан комплекс моделей АЭЭС с многофазным АГ и несколькими многотактными активными преобразователями, отличающийся новизной объекта моделирования, уточнениями моделей асинхронной машины, подробным описанием полупроводниковых преобразователей, новизной алгоритмов управления.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Структура многоканальной АЭЭС с высокооборотным асинхронным многофазным турбогенератором и несколькими активными многотактными преобразователями различного типа, в которой обеспечивается гальваническая развязка каналов, а также алгоритмы управления, которые, позволяют минимизировать искажения напряжений и токов АГ и преобразователей, габариты оборудования и повысить КПД.

2. Методика моделирования АЭЭС с многофазным АГ и несколькими активными многотактными преобразователями различного типа, основанная на методах расчета сложных систем по взаимосвязанным подсистемам и уточнении моделей АГ и ПП.

3. Комплекс уточненных математических и компьютерных моделей АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими многотактными активными преобразователями различного типа, отличающихся устойчивостью вычислительных процессов и быстродействием.

4. Результаты исследований АЭЭС с многофазным АГ и несколькими активными многотактными преобразователями различного типа, в том числе, зависимости нагрузки элементов от структуры системы, зависимости потерь энергии в элементах АЭЭС от алгоритмов управления.

Практическая ценность работы:

1. Разработана структура многоканальной АЭЭС с асинхронным генератором и несколькими активными преобразователями.

2. Определены алгоритмы работы многоканальной АЭЭС с асинхронным генератором и несколькими активными преобразователями.

3. Разработан комплекс моделей АЭЭС с асинхронным генератором и несколькими активными полупроводниковыми преобразователями.

4. На моделях выполнены исследования АЭЭС в установившихся, переходных и аварийных режимах работы.

5. По результатам исследований даны рекомендации по построению АЭЭС (по выбору схем, параметров, алгоритмов управления).

Реализация результатов работы:

1. Разработанная структура АЭЭС, методика моделирования, комплекс моделей и результаты исследований использованы в филиале ОАО “Силовые машины” “Электросила” в ряде проектных работ.

2. Комплекс моделей электрических машин, полупроводниковых преобразователей и систем используется в учебном процессе кафедры “Информационные технологии в электромеханике и робототехнике” ГУАП.

Достоверность комплекса математических моделей подтверждена многолетней практикой использования разработанного комплекса моделей в практике проектирования электроустановок в филиале ОАО “Силовые машины” “Электросила”, а также рядом экспериментальных исследований на макетах и действующих установках.

Апробация результатов работы. Основные материалы работы были представлены: на 33 ежегодной конференции общества IEEE IECON-2007 (ноябрь, Тайвань); V международной научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2007 (сентябрь 2007 г., Санкт-Петербург); 12 международной конференции EPE-PEMC-2006 (сентябрь 2006 г., Словения); 11 Европейской конференции по силовой электронике EPE-2005 (сентябрь 2005 г., Германия); 11 международной конференции EPE-PEMC-2004 (сентябрь, Латвия); 10 Европейской конференции по силовой электронике EPE-2003 (сентябрь 2003 г., Франция); ЭЛЕКТРОЭНЕРГО-2002 (сентябрь 2002 г., Санкт-Петербург), “Проблемы повышения технического уровня ЭЭС и электрооборудования кораблей” (2000 г., Санкт-Петербург).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, из них 2 монографии и 13 статей (2 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения, списка литературы, включающего 164 наименования. Основная работы изложена на 133 страницах машинописного текста. Работа содержит 58 рисунков, 28 таблиц.

содержание работы

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, дана характеристика результатов исследований, их научная значимость и практическая ценность.

В первой главе дан обзор АЭЭС, рассмотрены работы по их моделированию, дана характеристика существующих моделей и сред моделирования. Выбраны основные элементы АЭЭС - многофазный асинхронный генератор и несколько многотактных активных преобразователей. Сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе детально проработана энергетическая подсистема АЭЭС, предложена методика моделирования силовых устройств, приведены математические модели асинхронной машины, полупроводниковых преобразователей и АЭЭС в целом.

Рис.1 АЭЭС с АГ, несколькими активными преобразователями и нагрузками



Рис.2 Выпрямитель АВ1

Предложена АЭЭС нового типа рис.1, в которой энергоснабжение по нескольким каналам осуществляется от быстроходного многофазного асинхронного генератора АГ через несколько активных полупроводниковых преобразователей (выпрямители АВ1, АВ2, АВ3, инвертор ИН, широтно-импульсный преобразователь ШИП). В связи с большой мощностью установки и необходимостью обеспечения высокого качества электроэнергии все преобразователи выполнены многотактными (cхема АВ1 представлена на рис.2). Предусмотрено питание трех нагрузок: многоканальный автономный электроэнергетический

- нагрузка постоянного напряжения (основная по мощности);

- трехфазная нагрузка переменного напряжения 380 В, 50 Гц;

- нагрузка постоянного напряжения 220 В.

В АЭЭС предусмотрена гальваническая развязка всех каналов электроснабжения с помощью трансформаторов Тр1 и Тр1.

При моделировании АЭЭС использована методология расчета сложных систем по взаимосвязанным подсистемам, эффективность которой подтверждена разработкой многих моделей систем с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями [1] - [15].

В соответствии с терминами электромеханотроники при первоначальном разделении установок на части выделяются энергетическая и информационная подсистемы, связанные сигналами датчиков и управляющими воздействиями.

Разработана методика моделирования энергетической подсистемы [1], [4], [5], [9], [14], [15]. Ее новизна обусловлена новизной объекта моделирования, уточнениями моделей элементов АЭЭС, алгоритмами расчета. Методика включает в себя:

- идеализацию объекта моделирования (допущения, способы учета явлений);

- многоступенчатое преобразование АЭЭС при разделении ее на взаимосвязанные подсистемы;

- преобразование схем и систем уравнений путем использования стабилизирующих индуктивностей для обеспечения устойчивости вычислений;

- метод простой итерации для решения систем алгебраических уравнений;

- метод Эйлера для решения дифференциальных уравнений;

- преобразование схем и корректировка их параметров в процессе расчета для учета потерь энергии;

- алгоритмы вычислений.

При использовании указанной методики в результате идеализации элементов АЭЭС и преобразования исходной схемы образуется комплекс взаимосвязанных подсистем, которые в упрощенном виде изображены на рис.3.



Рис.3 Схема АЭЭС при разделении ее на взаимосвязанные подсхемы

В схеме рис.3 все основные элементы АЭЭС разделены на подсистемы, которые связаны друг с другом зависимыми источниками напряжения и тока.

Модель АГ [6] построена при допущении, что намагничивающие силы и индукция распределены вдоль окружности воздушного зазора синусоидально. В обмотках статора и ротора учтены активные сопротивления, индуктивности рассеяния и взаимные индуктивности. В статоре и роторе лестничными схемами замещения учтено вытеснение токов. Учтены потери энергии в стали. Учтен момент инерции ротора. Все параметры считаются постоянными, кроме индуктивности намагничивания, которая уточняется на каждом шаге расчета по кривой холостого хода. В модели АГ принято, что трехфазные обмотки взаимно сдвинуты по фазе на угол /3M (M - количество трехфазных обмоток). Нулевые точки обмоток выведены. Ротор короткозамкнутый. Статорные обмотки описаны в фазных осях. В подсхемах статорных обмоток в качестве зависимых источников учтены фазные ЭДС е_nm (обусловленные магнитным потоком в зазоре), а также ЭДС взаимной индукции фаз по путям рассеяния e_snm. Для учета вытеснения токов в проводниках статора индуктивности фаз L и активные сопротивления R₁ представлены цепными схемами замещения с индуктивностями L₀₀, L_1j и активными сопротивлениями R_1j (j=1,2…J_s). ЭДС e_snm и индуктивности фаз определяются при использовании индуктивности рассеяния фаз в симметричном режиме работы всех трехфазных обмоток L_sM, индуктивности рассеяния фаз в симметричном режиме работы одной трехфазной обмотки L_s1, индуктивности нулевой последовательности L₀. Фазы имеют напряжения u_nm. В фазах протекают токи i_nm. В цепных схемах в индуктивностях протекают токи i_njm, в активных сопротивлениях - токи i_rnjm.

В роторе также цепными схемами учтено вытеснение токов в проводниках. В подсхемах роторных контуров по осям d и q (неподвижных относительно ротора) зависимыми источниками i_d и i_q учтены токи реакции якоря, индуктивность намагничивания L_m, индуктивности рассеяния L_s2j и активные сопротивления R_2j (j=1,2…J_r).

Потери энергии в обмотках учтены указанными активными сопротивлениями. В статоре потери энергии в стали и добавочные учтены электрическими контурами по осям и с активными сопротивлениями R₁, ЭДС e и e и токами i, i. В роторе потери энергии в стали и добавочные учтены контурами по осям d и q с активными сопротивлениями R₂, ЭДС e_d и e_q и токами i_d, i_q. Механические потери учтены дополнительным моментом на валу ротора. Индуктивные связи подсхем учтены зависимыми источниками напряжения e_nm, e_snm, e_d, e_q, e, e и тока i_nm, i, i, i, i, i_d, i_q.

Описание обмоток статора осуществляется при использовании индуктивностей:

 (1)

где K_L - коэффициент, определяющий долю постоянной составляющей L₀₀ в индуктивности фазы, L_f - переменная составляющая индуктивности фазы.

Параметры цепных схем обмоток статора задаются изменяющимися в геометрической прогрессии с коэффициентом K_s:

(2)

Аналогично с коэффициентом прогрессии K_r задаются параметры цепных схем замещения роторных контуров:

(3)

Производные токов статорных обмоток определяются из уравнений:

(4)

где L_st - индуктивность, обеспечивающая устойчивость вычислений, , k - номер итерации.

Производные токов по осям и :

(5)

где c_nm, s_nm, c_m, s_m - коэффициенты [6].

ЭДС взаимной индукции фаз по путям рассеяния:

(6)

где

Токи реакции якоря по осям б и в:

(7)

Токи реакции якоря по осям d и q:

(8)

Производные токов реакции якоря:

(9)

Токи в роторе по оси d и их производные:

 (10)

Токи в роторе по оси q и их производные:

(11)

Проекции ЭДС на оси d и q:

(12)

ЭДС по осям и :

(13)

Токи контуров с сопротивлениями R₁ и R₂:

(14)

ЭДС фаз от основного магнитного потока:

. (15)

Электромагнитный момент АМ:

. (16)

Частота вращения и угол поворота ротора при моменте инерции J определяются электромагнитным моментом, моментом сопротивления М_c и механических потерь M_mx:

(17)

где M_mxn - механические потери мощности при номинальной частоте вращения, _n - номинальная частота вращения.

В модели АМ параметры считаются постоянными, кроме индуктивности намагничивания L_m, которая уточняется на каждом шаге расчета по току намагничивания и кривой холостого хода.

Потери мощности в меди статора АМ:

(18)

Потери мощности в меди ротора:

(19)

Потери в стали и добавочные:

 (20)

Механические потери мощности:

(21)

Суммарные потери мощности в АМ:

(22)

Мощность на валу АМ:

(23)

Мощность на зажимах обмоток статора:

. (24)

Сопротивления R₁ и R₂ определяются для номинального режима работы двигателя при синусоидальных напряжениях питания при использовании действующей ЭДС в воздушном зазоре двигателя. Эта ЭДС E_д вычисляется по известным току намагничивания I_m и частоте щ_n:

Сопротивления R₁ и R₂ определяются при известных величинах потерь в стали и добавочных в статоре Дp_мd1 и в роторе Дp_мd2:

(25)

В моделях подсистем полупроводниковые элементы представляются идеальными ключами. В процессе расчета мгновенных значений токов в элементах систем определяются также токи в ключах. По этим токам и характеристикам полупроводниковых элементов в зависимости от системы охлаждения, от теплового состояния pn-переходов полупроводников и уровня напряжений определяются статические и динамические потери энергии в ключах. Эти потери учитываются дополнительными резисторами, параметры которых регулируются в соответствии с изменениями режима работы систем. Такое представление полупроводниковых преобразователей позволяет достичь одновременно высокого быстродействия программ, устойчивости вычислительных процессов и высокой точности расчетов [4]-[6].

При численном решении полной системы уравнений АЭЭС в итерационном цикле расчета (в цикле решения алгебраических уравнений) определяются напряжения и производные токов зависимых источников, через которые подсистемы АЭЭС взаимосвязаны. После выполнения заданных итераций в цикле расчета по времени интегрируются дифференциальные уравнения. Далее цикл расчета повторяется.

В третьей главе представлено описание системы регулирования АЭЭС. Сформулированы задачи управления. Между несколькими активными преобразователями распределены функции управления. Дано математическое описание регуляторов.

Задачи системы управления АЭЭС: начальное возбуждение АГ; поддержание заданного напряжения АГ; обеспечение синусоидальности токов АГ; поддержание заданных выпрямленных напряжений АВ1, АВ2, АВ3; поддержание напряжения и частоты сети 400 В, 50 Гц; напряжения сети 220 В; ограничение токов электросетей; обеспечение максимального КПД АЭЭС; минимизация массы и габаритов АЭЭС.

В модели АЭЭС частота вращения турбогенератора поддерживается на заданном постоянном уровне пропорционально-интегральным регулятором, который воздействует на вращающий момент первичного двигателя.

Начальное возбуждение АГ осуществляется при номинальной частоте его вращения от маломощной аккумуляторной батареи (24-100 В, 10-100 А) в цепи постоянного напряжения через АВ1, работающий в режиме инвертора (рис.2). При увеличении выпрямленного напряжения АВ1 более напряжения АБ осуществляется отключение АБ запорным диодом. Далее АВ1 работает в режиме выпрямления и при достижении номинального выпрямленного напряжения и напряжения АГ система переходит в нормальный режим генерирования электроэнергии.

Рис.4 Напряжения и токи АГ и АВ1

В нормальном режиме работы АЭЭС выпрямленное напряжение АВ1 поддерживается на заданном уровне пропорционально-интегральным регулятором, на выходе которого формируется заданное скольжение АГ. Заданные частота вращения АГ и скольжение определяют частоту напряжений управления АВ1. Амплитуда основных составляющих напряжений управления АВ1 определяется заданным фиксированным коэффициентом модуляции АВ1. Для повышения использования АВ1 в напряжения управления вводятся составляющие нулевой последовательности тройной частоты с амплитудой 13 % от основных составляющих. С целью уменьшения динамических потерь энергии в АВ1 (в 2-2,5 раза) и повышения КПД АВ1, его регулирование осуществляется с небольшой перемодуляцией (2-6 %). Особенностью многотактных преобразователей является использование нескольких пилообразных опорных напряжений, взаимно сдвинутых по фазе. В АВ1 в цепи каждой трехфазной обмотки АГ1 используется 6 опорных напряжений, взаимно сдвинутых по фазе на углы, кратные /3. Для указанного алгоритма управления АВ1 напряжения и токи АГ и АВ1 представлены на рис.4. Как видно из рисунка, небольшая перемодуляция напряжений АВ1 не приводит к существенному ухудшению формы фазных токов АГ. Использование 6-тактных мостов позволяет практически полностью устранить высшие гармонические составляющие в напряжениях АГ и сместить имеющиеся высшие гармоники в зону более высоких частот.

Анализ различных структур АЭЭС позволил выявить зависимость - ток нагрузки конденсаторной батареи обратно пропорционален количеству параллельно включенных мостов многотактного преобразователя. Из рис.4 видно, что ток в конденсаторе в 12-тактного преобразователя минимален.

Выпрямители АВ2 и АВ3 имеют меньшую мощность и являются трехтактными. В системах управления АВ2 и АВ3 [7] осуществляется фильтрация напряжений и токов АГ, при этом выделяются “гладкие” составляющие, определяется их частота, амплитуды и фазы. В АВ2 и АВ3 имеются пропорционально-интегральные регуляторы выпрямленных напряжений, на выходе которых формируются амплитуды токов фаз. Мгновенные значения заданных токов фаз определяются при использовании определенных выше амплитуд токов, фаз “гладких” составляющих напряжений АГ, заданных коэффициентов мощности АВ2 и АВ3. Полученные мгновенные значения заданных токов фаз сравниваются с фактическими токами и в результате в каждой фазе регулятор тока формирует напряжение уравления соответствующего выпрямителя.

Между выпрямителями АВ1, АВ2 и АВ3 функции управления распределены следующим образом. Поскольку в каналах энергоснабжения с АВ2 и АВ3 имеются трансформаторы Тр1 и Тр2, то для минимизации массы и габаритов этого оборудования задается коэффициент мощности АВ2 и АВ3, близкий к 1. При этом вся реактивная мощность АГ, а также трансформаторов обеспечивается АВ1. Это позволяет также улучшить гармонический состав токов АГ, так как он более нагружен токами 6-тактных мостов АВ1, а не токами 3-тактных мостов АВ2 и АВ3.

Инвертор напряжения ИН является 3-тактным. Он питает электросети 400 В, 50 Гц. ИН обеспечивает стабильную частоту 50 Гц и стабилизацию напряжения с отклонениями ±10 % в статических режимах и +15, -20 % в динамических режимах. ИН обеспечивает также ограничение токов в аварийных режимах.

ШИП является 9-тактным. Он питает электросеть постоянного напряжения 220 В и обеспечивает стабилизацию этого напряжения в заданных пределах. ШИП обеспечивает также ограничение токов в аварийных режимах.

Новизна описанной системы управления обусловлена новизной объекта управления, распределением функций управления между отдельными устройствами АЭЭС, регулированием АЭЭС с обеспечением минимальных габаритов оборудования, максимального КПД и минимальных искажений токов фаз АГ.

В четвертой главе описаны компьютерные модели АЭЭС, представлены результаты исследований на ЭВМ основных режимов работы АЭЭС.

Выполнены расчеты следующих режимов работы:

- номинальный режим работы АЭЭС;

- установившийся режим при мощности АВ1, равной 0 и при номинальных мощностях АВ2 и АВ3;

- пуск АЭЭС от маломощного источника электроэнергии в цепи выпрямленного напряжения АВ1;

- наброс и сброс нагрузки АВ1 при номинальных нагрузках АВ2 и АВ3;

- наброс и сброс нагрузки АВ2 при номинальных нагрузках АВ1 и АВ3;

- наброс и сброс нагрузки АВ3 при номинальных нагрузках АВ1 и АВ2.

- короткое замыкание цепи выпрямленного напряжения АВ1 в номинальном режиме работы АЭЭС.

Рис.5 Токи и напряжения при пуске АЭЭС

Рис.6. Наброс и сброс нагрузки АВ1



Рис.7. Короткое замыкание в АВ1

При пуске АЭЭС (рис.5) начальное возбуждение АГ осуществляется от аккумуляторной батареи через АВ1. При увеличении выпрямленного напряжения АВ1 свыше напряжения аккумуляторной батареи, она запирается диодом и дальнейшее увеличение выпрямленного напряжения до номинального уровня обеспечивается АВ1 при работе его в активном режиме. При постоянной кратности модуляции АВ1 одновременно с ростом выпрямленного напряжения увеличивается напряжение АГ, то есть обеспечивается его возбуждение.

После возбуждения АГ осуществляется подключение к нему других устройств, в частности АВ2 и АВ3. Далее к активным выпрямителям подключаются ИН, ШИП и затем - нагрузки.

При холостом ходе АВ1 и номинальных нагрузках АВ2 и АВ3 при работе АЭЭС в установившемся режиме процесс наброса полной нагрузки АВ1 представлен на рис.6. На этом же рисунке представлен поминальный режим работы АЭЭС (после наброса нагрузки АВ1). Далее на рис.6 представлен процесс сброса номинальной нагрузки АВ1. Как видно из рис.6, переходные процессы в основном канале электроснабжения не оказывают существенного влияния на другие каналы. Это обусловлено малой инерционностью транзисторных преобразователей и эффективностью предложенных алгоритмов управления.

В АЭЭС одним из аварийных режимов является режим короткого замыкания цепи выпрямленного напряжения АВ1 (рис.7). Токи короткого замыкания протекают через обратные диоды модулей IGBT и их нельзя ограничить средствами управления транзисторами. Токи короткого замыкания ограничиваются параметрами АГ, уравнительных дросселей, полупроводниковых элементов, кабелей. Расчет данного режима выполнен при работе АВ1в номинальном режиме.

15

Размещено на http://www.allbest.ru/

-2-

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.8. Выпрямленное напряжение АВ при начальном возбуждении АГ и вы-ходе на номинальные параметры

Рис.9. Выпрямленное напряжение АВ при сбросе и набросе нагрузки

В пятой главе описаны экспериментальные исследования систем с асинхронными машинами и транзисторными преобразователями.

Исследовалась макетная установка системы с трехфазным АГ и транзисторным активным выпрямителем (АВ) мощностью 45 кВт. Экспериментально подтверждена возможность возбуждения вращающегося АГ от маломощного источника постоянного напряжения (100 Вт, 50 В) и выход системы в режим работы с номинальными напряжениями при работе АВ в активном режиме - рис.8. Экспериментально подтверждена работоспособность системы с АГ и АВ при сбросах и набросах нагрузки в цепи выпрямленного напряжения АВ, соизмеримой с мощностью АГ - рис.9.

Другая установка, на которой выполнялись эксперименты - электропривод с шестифазным асинхронным двигателем (мощностью 2000 кВт, напряжение 960 В, частота 50 Гц) и четырьмя транзисторными инверторами напряжения. Схема установки представлена на рис.10. В соответствии со схемой каждая обмотка двигателя питается от двух инверторов, включенных параллельно. Все инверторы могут работать синхронно, то есть в однотактном режиме, или в многотактном режиме. В последнем случае схема электропривода близка по структуре и принципу действия к рассматриваемой в диссертации установке с АГ и многотактными активными выпрямителями. Основное различие заключается в работе асинхронной машины в генераторном и в двигательном режимах и в работе многотактных преобразователей в выпрямительном и в инверторном режимах. В указанных двух случаях энергетическая подсистема установок имеет одно и то же математическое описание. Это позволяет использовать представленную выше модель АЭЭС для расчетов и анализа процессов в электроприводе рис.10 и сравнить результаты расчетов с экспериментами.

Один из экспериментов выполнен при питании двигателя от синусоидальных источников напряжения при работе его в номинальном режиме, результаты представлены в табл.1, во 2 графе. Для проверки правильности модели асинхронной машины и оценки ее точности аналогичный режим работы двигателя воспроизведен на компьютерной модели, результаты представлены в табл.1, в графе 3. В следующих графах таблицы представлены характеристики режимов работы привода при однотактном режиме работы инверторов и изменении частоты ШИМ от 1,2 до 4 кГц (графы 3, 4, 5, 6). В последней графе табл.1 указаны характеристики привода при работе инверторов в многотактном режиме. На рис.11 и 12 представлен ток двигателя, полученный в эксперименте при частоте опорных напряжений 1,2 кГц и однотактном режиме работы АИН, а также токи АИН и двигателя, полученные на компьютерной модели при однотактном и многотактном режиме работы АИН.

Рис.10. Схема электропривода с АИН и асинхронным двигателем

а) Ток двигателя в эксперименте



б) Ток двигателя в модели привода

Рис.11. Ток двигателя в однотактном режиме работы АИН

Рис.12. Токи АИН и двигателя в многотактном режиме работы АИН

Табл.1. Характеристики двигателя в различных режимах работы привода

	Питание от сети	Однотактный режим АИН	Многотактный
	Эксперимент	Расчет	Частота ШИМ, кГц
			1,2	2	4	1,2
Напряжение АД (1 гармоника), В	960	960	959,9	960,1	959,8	960,8
Ток фазы АД, А			781,8	758,1	744,3	753,1
Cos	0,8672	0,845	0,85	0,847	0,844	0,841
Скольжение АД, %	0,55	0,545	0,544	0,54	0,539	0,546
Pm1, кВт	22,5	24,9	37,07	29,85	26,09	28,12
Pm2, кВт	11,1	11,2	11,78	11,32	11,11	11,3
P, кВт	39,4	40,4	36,88	37,13	37,28	42,12
Pmx, кВт	15,4	15,4	15,38	15,38	15,38	15,38
Pam, кВт	88,5	91,9	101,1	93,69	89,87	96,92
P2, кВт	2000	2000	2000,1	2000,2	2000,2	2000,1
Температура меди обмоток статора, °С	104	106	138 расчет 143 эксперим.	123	116	116
P (небаланс), кВт		-0,704	-0,26	0,96	-3,7	-6,1

В ряде граф табл.1 указан небаланс мощности. По его относительной величине оценивается соблюдение в модели закона сохранения энергии, точность вычислений. В рассматриваемых случаях погрешность не превышает 0,185 % (погрешности итерационных вычислений, интегрирования, округлений). Малая погрешность вычислений свидетельствует об отсутствии в модели “грубых” ошибок.

Сравнение экспериментальных и расчетных данных табл.1 при питании двигателя от синусоидальных источников напряжения позволяет сделать вывод об адекватности предложенной модели асинхронной машины.

Из экспериментов и выполненного анализа режимов работы привода видно, что при однотактном режиме работы АИН токи фаз двигателя значительно искажены (рис.11, а и б) и это приводит к значительному увеличению потерь в меди обмоток статора, к значительному дополнительному нагреву элементов конструкции двигателя. Удовлетворительное соответствие модели привода экспериментам в данном случае удалось обеспечить, благодаря тому, что в модели двигателя учтено вытеснение токов в статоре, учтены потери в стали и добавочные потери. Дополнительным подтверждением необходимости учета в модели вытеснения токов в контурах асинхронной машины является то, что расчеты и эксперименты на рассматриваемом двигателе показывают увеличение эквивалентного активного сопротивления обмотки статора приблизительно в 10 раз при увеличении частоты тока до 1 кГц.

Подтвержденная экспериментом адекватность модели системы с АИН и многофазной асинхронной машиной позволяет использовать данную модель для численных экспериментов на ЭВМ. В качестве примера таких экспериментов в табл.1 приведены результаты расчетов характеристик систем при изменении частоты ШИМ и при переводе инверторов из однотактного в многотактный режим работы.

Основные результаты диссертационной работы

1. Разработана структура АЭЭС с асинхронным генератором и активными полупроводниковыми преобразователями, отличающаяся использованием шестифазного генератора, наличием нескольких гальванически развязанных каналов электроснабжения, применением нескольких активных преобразователей, использованием трансформаторов для гальванической развязки только в маломощных каналах, а также таким распределением функций управления между активными преобразователями, при котором возбуждение генератора осуществляется преобразователем в основном канале электроснабжения, обеспечивается высокий КПД и минимальные габариты.

2. Разработана методика моделирования и создан комплекс уточненных моделей АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими многотактными активными преобразователями различного типа, построенными по методологии моделирования сложных систем по взаимосвязанным подсистемам. В модели асинхронной машины учтено вытеснение токов в контурах ротора и статора, учтены потери в стали ротора и статора, а также добавочные потери. В полупроводниковых преобразователях учтены статические и динамические потери в полупроводниковых элементах, их зависимость от напряжения, от температуры. Методами преобразования электрических схем и уравнений обеспечена устойчивость вычислительных процессов при использовании моделей.

3. Разработана структура системы регулирования АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими многотактными активными преобразователями. Определены задачи регуляторов различных устройств, между регуляторами распределены функции управления. Разработанные алгоритмы управления внесены в математические и компьютерные модели системы.

4. При использовании компьютерных моделей выполнены исследования АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими многотактными активными преобразователями. В результате анализа установившихся, переходных и аварийных режимов работы подтверждена работоспособность системы в целом в части взаимодействия силовых устройств и устройств управления, выбраны основные параметры элементов, определены нагрузки элементов (АГ, трансформаторов, дросселей, конденсаторов, модулей IGBT).

5. Выполнены экспериментальные исследования макета системы с трехфазным асинхронным генератором и активным выпрямителем, системы с шестифазной асинхронной машиной и несколькими транзисторными преобразователями. Экспериментами и тестовыми расчетами подтверждена адекватность разработанных математических и компьютерных моделей и их точность, достаточная для принятия технических решений в практике проектирования систем. Подтверждена необходимость учета вытеснения токов в контурах мощных электрических машин, работающих с полупроводниковыми преобразователями с ШИМ. Подтверждена необходимость учета в моделях потерь в стали и добавочных.

6. Разработаны рекомендации для проектирования многоканальной АЭЭС с высокооборотным генератором и несколькими активными преобразователями. Предложено:

- использовать асинхронный шестифазный турбогенератор;

- в цепях питания нагрузок по различным каналам использовать активные преобразователи на модулях IGBT;

- гальваническую развязку каналов электроснабжения осуществить трансформаторами в маломощных каналах при отсутствии трансформаторов в наиболее мощном канале;

- для улучшения качества электроэнергии на входе и выходе активных полупроводниковых преобразователей и для улучшения массогабаритных характеристик конденсаторов выполнять преобразователи многотактными;

- осуществлять возбуждение асинхронного генератора активным преобразователем наиболее мощного канала электроснабжения, не содержащим трансформаторы;

- обмотки асинхронного генератора выполнять с диаметральным шагом;

- в менее мощных каналах электроснабжения, содержащих трансформаторы, обеспечивать регулирование потребляемых от генератора токов с коэффициентом мощности, равным 1;

- в канале электроснабжения без трансформаторов, обеспечивать работу активного преобразователя в режиме ШИМ с введением составляющих нулевой последовательности тройной частоты в напряжения управления и при перемодуляции порядка 3-6 % для уменьшения динамических потерь энергии в модулях IGBT активного преобразователя и повышения КПД системы;

- при проектировании систем следует широко использовать компьютерные модели для сокращения экспериментов и снижения вследствие этого стоимости работ.

Публикации по теме диссертации

1. Воронцов А. Г., Калачиков П. Н., Крутяков Е. А., Пронин М. В. Математические модели приводов с асинхронными машинами с фазным и короткозамкнутым ротором и устройствами плавного пуска // Сб. “Электросила”, 2002, №41. -С. 187-195.

2. Воронцов А. Г., Николаев М. А., Пронин М. В. Выпрямители на тиристорах IGCT и на транзисторах IGBT в тяговых электроприводах разработки ЦНИИ СЭТ // VII международная научно-техническая конференция “Проблемы повышения технического уровня электроэнергетических систем и электрооборудования кораблей, плавучих сооружений и транспортных средств”. -СПб., 2000. -С. 38.

3. Воронцов А. Г., Павлов П. А., Крутяков Е. А., Пронин М. В. Современные возможности наладки микропроцессорных систем управления электроприводов // Сб. “Электросила”, 2003, № 42. -С. 83-90.

4. Воронцов А. Г., Пронин М. В. и др. Расчет электромагнитных процессов и потерь энергии в преобразователях на транзисторах IGBT // Сб. “Электросила”, 2003, № 42. -С. 122-130.

5. Пронин М. В., Воронцов А. Г. Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи (моделирование и расчет) / ОАО “Электросила”, СПб., 2003. -172 с. -ISBN 5-901320-02-6.

6. Пронин М. В., Воронцов А. Г., Калачиков П. Н., Емельянов А. П. Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями (моделирование, расчет, применение). /ОАО “Силовые машины” “Электросила”, СПб, 2004, 252 с. -ISBN 5-98617-002-4.

7. Пронин М. В., Воронцов А.Г. Активная фильтрация напряжений и токов сети в установках с высоковольтными тиристорными преобразователями // Сб. “Горное оборудование и электромеханика”, 2005, №5. -С. 41-45.

8. Пронин М. В., Воронцов А. Г., Улитовский Д. И., Горчакова И. А. Математическая модель транзисторного асинхронного привода шахтного вагона с раздельным управлением правыми и левыми колесами // Сб. “Электрофорум”, 2001, №2. -С. 37-41.

9. Пронин М. В., Воронцов А. Г., Терещенков В. В., Улитовский Д. И. Моделирование системы электродвижения судна с многотактными инверторами и двигателем на постоянных магнитах // V международная конференция по автоматизированному электроприводу. - СПб., 2007. -С. 377-381.

10. Серов Н. А., Калачиков П. Н., Пронин М.В., Воронцов А.Г. Электротрансмиссии самосвалов БелАЗ грузоподъемностью 136 т // Сб. “Горное оборудование и электромеханика”, 2005, №5. -С. 22-25.

11. Drobkin B., Vorontsov A., Krutyakov E., Pronin M., Pavlov P. Debugging of microprocessor-based control systems of electric drives using mathematical models (Использование математических моделей для наладки микропроцессорных систем управления электроприводов)// 10^th European Conference on Power Electronics and Applications EPE. 2003, Toulouse, France -С. 1-11.

12. Pronin M., Vorontsov A. Joint use of mono-phase and three-phase inverters for improvement characteristics of multilevel frequency converters (Совместное использование однофазных и трехфазных инверторов для улучшения характеристик многоуровневых преобразователей частоты)// 11^th European Conference on Power Electronics and Applications EPE 2005, Dresden, Germany -С. 1-10.

13. Vorontsov A., Drobkin B., Pronin M., Krutyakov E. Application of mathematical models for debugging the control systems of drives with synchronous machines (Использование математических моделей для наладки систем управления приводов с синхронными машинами)//11^th International Power Electronics and Motion Control Conference EPE-PEMC 2004, Riga, Latvia. -С.1-7.

14. Vorontsov A., Pronin M. Dependence of current pulsations of multi-phase electrical machine on reduction of winding pitch and scheme of semiconductor converter (Зависимость пульсаций токов многофазной электрической машины от сокращения шага обмоток и от схемы полупроводникового преобразователя)//12th International Power Electronics and Motion Control Conference EPE-PEMC 2006, Portoroz, Slovenia.

15. Vorontsov A., Pronin M., Shonin O., Tereschenkov V. Computer model-based evaluation of energy losses components in the systems with asynchronous machines and transistor converters (Учет потерь энергии в моделях систем с асинхронными машинами и транзисторными преобразователями) // The 33rd Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society IEEE, IECON 2007, Taipei, Taiwan.

Размещено на Allbest.ru