Дизель-генераторная установка переменной частоты вращения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Поляков, Иван Сергеевич

• Поляков, Иван Сергеевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Поляков, Иван Сергеевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ И ВАРИАНТЫ ДИЗЕЛЬ -ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

1.1 Обоснование применения дизель-генераторных установок переменной частоты вращения

1.2 Варианты генераторных установок переменной частоты вращения

1.3 Дизель-генераторная установка с задатчиком экономичного режима

Выводы

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИЗЕЛЬ

ГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

2.1 Математическая модель дизельной установки

2.2 Математическая модель синхронного генератора

2.3 Математическая модель преобразователя частоты

2.4 Математическая модель нагрузки

2.5 Математическая модель дизель-генераторной установки переменной частоты вращения

Выводы

Глава 3. РАЗРАБОТКА ЗАДАТЧИКА ЭКОНОМИЧНОГО РЕЖИМА ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

3.1 Функциональная схема задатчика экономичного режима

3.2 Варианты реализации задатчика экономичного режима

3.2.1 Задатчик экономичного режима на основе аналоговых

средств

3.2.2 Задатчик экономичного режима на основе цифровых 71 средств

3.2.3 Задатчик экономичного режима на основе нейросетевых

принципов управления

3.3 Структурная схема и алгоритм работы задатчика экономичного режима

3.4 Математическая модель задатчика экономичного режима и динамические режимы дизель-генератора с переменной частотой вращения вала

3.4.1 Математическая модель задатчика экономичного режима

3.4.2 Динамические режимы работы дизель-генераторной установки с задатчиком экономичного режима

Выводы

Глава 4. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ, РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

4.1 Определение экономических показателей дизель-генераторной установки переменной частоты вращения

4.2 Функциональная и структурная схемы экспериментальной установки дизель-генераторной установки переменной частоты вращения

4.3 Расчет и выбор элементов электрооборудования экспериментальной установки

4.4 Экспериментальное исследование динамических режимов

работы генераторной установки переменной частоты вращения

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Дизель-генераторная установка переменной частоты вращения»

ВВЕДЕНИЕ

Более 10 млн. человек в России получают электроэнергию от автономных установок типа "двигатель внутреннего сгорания - генератор". В качестве генератора, как правило, используется синхронная машина. Количество данных ДГ установок составляет порядка 50 тыс. штук, суммарной мощностью 17 млн. кВт с выработкой электроэнергии около 50 млрд. кВт-ч в год, для чего необходимо около 6 млн. т условного топлива. Доставка топлива, особенно в северные регионы России, сопряжена с известными трудностями, а иногда из-за погодных условий невозможна.

Существующие дизель-генераторы работают с постоянной (номинальной) частотой вращения вала во всем диапазоне изменения нагрузки. Однако, работа двигателя внутреннего сгорания при постоянной частоте вращения, но при переменной нагрузке характеризуется неоптимальным расходом топлива, т.е. пониженным КПД. Следовательно, разработка и создание дизель-генераторной установки, работающей при переменной, в зависимости от нагрузки генератора, частоте вращения приводного ДВС, обеспечивающей таким образом существенную экономию топлива (до 20%), является актуальной народно-хозяйственной задачей.

Исследование и разработка дизель-генераторных установок переменной частоты вращения является относительно новым техническим направлением в малой энергетике. Работы в данной области проводятся за рубежом фирмами Fubag, Honda, Hyuntai, Курог и др. Известны исследования по данной тематике и в России - ВНИИЭ (г. Москва), ОАО "Звезда" (г.Санкт-Петербург), ОАО "Сигма" (г. Ковров), Волжская государственная академия водного транспорта (ВГАВТ) и Нижегородский государственный технический университет (НГТУ) (г. Н.Новгород). Перечень отечественных и зарубежных научных публикаций, посвященных данной тематике достаточно мал. Анализ показал, что особенно это относится к исследованиям динамических режимов работы, разработке математической модели объекта (дизель-генератора с переменной частотой вращения вала), синтезу системы регулирования дизель-генератора с переменной частотой вращения вала.

С учетом вышеизложенного, целью диссертационной работы является исследование и создание дизель-генераторной установки переменной частоты вращения на базе синхронного генератора и преобразователя частоты со звеном постоянного тока, обеспечивающей минимальный удельный расход топлива при изменяющейся нагрузке.

Цель определяет следующие задачи исследования:

- обоснование применения дизель-генераторной установки переменной частоты вращения;

- разработка математической модели дизель-генераторной установки переменной частоты вращения на основе синхронного генератора и преобразователя частоты со звеном постоянного тока;

- синтез структуры и параметров задатчика экономичного режима;

- разработка САР дизель-генераторной установки переменной частоты вращения;

- создание экспериментального образца генераторной установки переменной частоты вращения мощностью 3,2 кВт.

Диссертационная работа выполнялась в рамках:

- НИР по теме "Разработка требований к судовым дизель-генераторным установкам с переменной скоростью вращения" № Р11 4/12 между ВГАВТ и Российским Речным Регистром.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель дизель-генераторной установки, отличающаяся от известных работой при переменной частоте вращения с целью минимизации расхода топлива.

2. Впервые разработана структура задатчика экономичного режима работы нейросетевого типа дизель-генераторной установки переменной частоты вращения.

3. Синтезирована трехканальная САР дизель-генераторной установки переменной частоты вращения.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в:

- разработке комплекса программ имитационного моделирования режимов дизель-генераторной установки переменной частоты вращения в пакете MatLab Simulink, позволяющих исследовать динамические режимы работы с учетом величины, характера нагрузки, и формируемой с целью минимизации расхода топлива, скоростной характеристики приводного двигателя;

- разработке алгоритмов обучения, а так же компьютерных программ имитационного моделирования задатчика экономичного режима нейросетевого принципа действия;

- создании опытного образца генераторной установки переменной частоты вращения с задатчиком экономичного режима, мощностью 3,2 кВт.

Реализация результатов работы:

Результаты работы были использованы:

- в НИР по теме "Разработка требований к судовым дизель-генераторным установкам с переменной скоростью вращения" № Р11 4/12 между ВГАВТ и Российским Речным Регистром;

- в учебном процессе при подготовке в Волжской государственной академии водного транспорта (ВГАВТ) (г.Н.Новгород) инженеров специальности 24.06.00 "Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики" по дисциплине "Основы судового электропривода" в разделах "Статистические и динамические режимы судового электропривода переменного тока с полупроводниковыми преобразователями", по дисциплине "Моделирование судового электрооборудования и средств автоматизации" в разделе "Судовой автоматизированный электропривод переменного тока" (асинхронные вентильные каскады и машины двойного питания); в курсовом и диплом проектировании;

- в учебном процессе Нижегородского государственного технического университета (г.Н.Новгород) при подготовке магистров по направлению 140400.68 "Электроэнергетика и электротехника" по дисциплинам "Энергетические системы автономных объектов", "Микропроцессорные системы управления автономных объектов".

В работе автор защищает:

1. математическую модель дизель-генераторной установки переменной частоты вращения на основе синхронного генератора и преобразователя частоты со звеном постоянного тока;

2. математическую модель и алгоритм обучения задатчика экономичного режима нейросетевого типа;

3. структуру САР дизель-генераторной установки переменной частоты вращения с задатчиком экономичного режима.

Публикации и апробация работы:

По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 2 работы в журналах, реферируемых ВАК. Получено положительное решение о выдаче патента на изобретение РФ, а также свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях:

- международный научно-промышленный форум "Великие реки". Н.Новгород, ННГАСУ 2011-2013;

- XI Всероссийская молодежная научно-техническая конференция "Будущее технической науки". Н.Новгород, НГТУ, 2012;

- ежегодная региональная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электроэнергетики". Н.Новгород, НГТУ, 20102012;

- международная научно-техническая конференция "Информационные системы и технологии ИСТ". Н.Новгород, НГТУ, 2010, 2013.

Объем и структура работы:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 120 наименований. Основная часть изложена на 155 страницах, содержит 80 рисунков и 2 таблицы.

Глава 1. ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ И ВАРИАНТЫ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

1.1 Обоснование применения дизель-генераторных электростанций переменной частоты вращения

Системы дизель-генераторных установок обычно выполняются по схеме, представленной на рисунке 1.1. В такой схеме присутствуют две системы автоматического управления: частотой вращения ДВС и напряжением генератора. Назначение первой автоматической системы - стабилизация частоты вращения ДВС, назначение второй - стабилизация выходного напряжения генератора [24,108].

ДВС вращает вал генератора. Частота и амплитуда выходного напряжения СГ пропорциональна частоте вращения его ротора. Амплитуда выходного напряжения СГ также зависит от тока возбуждения. Регулятор частоты вращения воздействуя на органы управления ДВС, поддерживает постоянной частоту вращения вала дизеля и тем самым обеспечивает стабилизацию частоты выходного напряжения во всех режимах работы. Регулятор напряжения путем воздействия на ток возбуждения генератора поддерживает значение выходного напряжения близким к заданному при всех допустимых нагрузках. Благодаря относительной простоте подобные установки нашли широкое применение как в России, так и за рубежом.

Рис. 1.1 Классическая схема ДГ электростанции

Однако данная схема имеет два недостатка:

- необходимость работы при постоянной частоте вращения вынуждает отказываться от режимов, обеспечивающих уменьшение расхода топлива и увеличивающих срок службы ДВС;

- при нагрузке менее 20% от номинальной при сохранении постоянной скорости вращения ДВС длительно эксплуатировать нельзя, так как при этом происходит закоксовывание цилиндров;

Для устранения отмеченных недостатков необходимо создать источник электроэнергии, вырабатывающий напряжение стабильной частоты и стабильной амплитуды при обеспечении регулирования частоты вращения вала

Две.

Автономные электростанции выпускаются на базе бензиновых, дизельных или газовых ДВС. Бензиновые электростанции применяются для бытовых нужд, строительных и аварийно-восстановительных работ, для аварийного и резервного электроснабжения. Дизельные электростанции применяются для тех же целей, что и бензиновые, а также для электроснабжения таких автономных объектов, как речные и морские суда. Газовые электростанции работают на пропанобутановых смесях, природном или промышленном газе. В качестве электрического генератора в составе ДГ применяются, как правило, генераторы синхронного типа, реже - асинхронные генераторы [3, 50, 60].

При постоянной частоте вращения основные показатели дизеля (расход топлива, эффективный и механический КПД и др.) можно оценивать в зависимости от одного из показателей, отражающих нагрузку на его валу. Таким показателем может быть эффективная мощность Ые (рисунок 1.2) [23,52]. Из рисунка 1.2, на котором представлена нагрузочная характеристика дизеля, видно, что кривая расхода топлива ge имеет выраженный минимум при частичной загрузке двигателя. Таким образом, дизель, работая при постоянной скорости вращения, но при переменной нагрузке (как это обычно бывает) в основном работает с неоптимальным расходом топлива (с неоптимальным КПД).

ёе,г/кВгч

Рис. 1.2 Нагрузочная характеристика дизеля (л=сопз1;)

Автономные ДГ работают, как правило, на долевых режимах с нагрузкой в диапазоне от 30 до 70% номинальной. Для выбора экономичного режима работы дизеля, работающего при изменяющейся нагрузке, удобно использовать его многопараметровую характеристику. Многопараметровая характеристика дизеля строится в системе, в которой координатами служат два основных показателя его работы, при различных значениях третьего, используемого в качестве параметра и остающегося постоянным для каждой из кривых [92].

На многопараметровой характеристике, представленной на рисунке 1.3, штрихпунктирной линией показана зависимость эффективного давления ре и эффективной мощности Ые от частоты вращения вала дизеля при наименьшем удельном расходе топлива ge.

Ре,МПа №,кВт-ч

Рис. 1.3 Многопараметровая характеристика дизеля

Как видно из рисунка 1.3, при изменяющейся нагрузке для обеспечения экономичного режима работы дизеля необходима его работа при переменной частоте вращения. При этом, приводимый во вращение дизелем СГ будет вырабатывать напряжение переменной частоты и которое, как правило, будет ниже номинального значения. Выполнение требования стабильности частоты и амплитуды выходного напряжения установки ДГ при переменной частоте вращения вала требует нового подхода к построению автоматизированной ДГ электростанции. Система регулирования ДГ переменной частоты вращения должна содержать в своем составе устройство выбора оптимальной (с точки зрения потребления топлива) скорости вращения вала ДВС в зависимости от величины мощности нагрузки. Такое устройство также должно учитывать марку топлива и меняющиеся с течением времени рабочие параметры ДВС.

Исследования показывают, что уменьшение скорости вращения вала ДГ при снижении нагрузки позволяет сократить удельный расход топлива, а также обеспечить снижение износа и, следовательно, повысить его моторесурс. [2].

Таким образом, разработка ДГ электростанции переменной скорости вращения, несомненно, актуальна. Такие установки, построенные на базе современной преобразовательной техники и микропроцессорных систем управления, позволят обеспечить экономию топливных ресурсов и продлить срок службы ДГ установок. Технические решения, связанные с построением ДГПЧВ могут быть применимы как при разработке новых установок, так и при модернизации существующих, работающих с постоянной частотой вращения.

ДГ установки с переменной частотой вращения могут применяться для построения электростанций береговых объектов, морских и речных судов, а также других автономных объектов.

1.2 Варианты генераторных установок переменной частоты

вращения

Генераторные установки переменной частоты вращения на базе асинхронных генераторов с короткозамкпутым ротором.

Стабилизация напряжения асинхронного генератора с короткозамкну-тым ротором при переменной частоте вращения возможна с помощью следующих способов регулирования магнитного потока, применяемых для стабилизации напряжения асинхронных генераторов, работающих с постоянной частотой вращения [78]:

- подмагничивание спинки статора генератора;

- изменение напряжения на конденсаторах, подключенных к статору асинхронной машины;

- применение феррорезонансного стабилизатора напряжения;

- применение управляемых реакторов;

- применение конденсаторов с переменной (регулируемой) диэлектрической проницаемостью;

- компаундирование возбуждения.

Эффект плавного регулирования напряжения в небольших пределах при постоянной емкости конденсаторов может быть достигнут подмагничивани-ем спинки статора генератора постоянным или переменным током. Поток подмагничивания замыкается по сердечнику статора. Мощность подмагни-чивания незначительна, если сталь сердечника не насыщена. При работе генератора с насыщением магнитной цепи эта мощность может достигать 10% мощности, развиваемой генератором.

Основные недостатки этого способа:

- незначительный диапазон изменения скорости вращения вала асинхронного генератора, в рамках которого возможна стабилизация выходного напряжения на уровне номинального значения, при условии изменения нагрузки в широких пределах;

Рис. 1.4 Схема размещения обмотки для подмагничивания спинки статора 1- корпус машины; 2 - сердечник статора; 3 - обмотка подмагничивания.

- сложность практической реализации данного способа регулирования магнитного потока, для чего необходимо размещение в асинхронной машине дополнительной обмотки подмагничивания (рисунок 1.4).

Другим способом стабилизации выходного напряжения является изменение напряжения на конденсаторах, которое возможно осуществить двумя способами (рисунок 1.5):

- с помощью регулируемого реостата;

- с помощью трансформатора с регулируемым коэффициентом трансформации.

хи

т

хи

а)

б)

Рис. 1.5 Схемы электрогенераторного агрегата переменной частоты вращения на базе

АГКР с регулированием напряжения на конденсаторах а - с помощью активных сопротивлений; б - с помощью трансформатора с переменным

коэффициентом трансформации.

Недостатком данного способа является неэкономичность, обусловленная в первом случае потерями в реостате, а во втором - необходимостью установки трансформатора, мощность которого соизмерима с мощностью генератора.

Регулирование основного магнитного потока асинхронной машины возможно посредством ступенчатого регулирования емкости шунтирующих конденсаторов (рисунок 1.6). Одна конденсаторная батарея подключена постоянно, другие подключаются по мере увеличения мощности нагрузки.

=ч

= = = - 4=

Рис. 1.6 Схема электрогенераторного агрегата переменной частоты вращения на базе АГКР с двухступенчатым регулированием емкости шунтирующих конденсаторов

Недостатком данного способа является ступенчатое регулирование напряжения, не позволяющее поддерживать выходное напряжение стабильным при неизменной нагрузке.

Необходимо отметить, что с понижением скорости вращения ниже синхронной асинхронная машина, работающая в генераторном режиме, все более загружается реактивными токами. Нижний предел скорости вращения генератора должен составлять не менее 90% от скорости идеального холостого хода.

Для регулирования выходного напряжения АГКР возможно применение феррорезонансного стабилизатора напряжения и управляемых реакторов. Феррорезонансный стабилизатор напряжения представляет собой реактор, работающий в сочетании с батареей шунтирующих конденсаторов постоянной емкости (рисунок 1.7).

Рис. 1.7 Схема электрогенераторного агрегата переменной частоты вращения на базе АГКР с феррорезонансным стабилизатором напряжения

Схема (рисунок 1.7) настраивается на резонанс токов при номинальном напряжении в режиме холостого хода. К недостаткам данного способа относятся:

- незначительный диапазон регулирования;

- наличие феррорезонансного стабилизатора напряжения, увеличивающего массу, габариты и стоимость генераторной установки.

Применение регулируемого реактора позволяет осуществлять стабилизацию напряжения во всем диапазоне изменения нагрузки. Однако такой недостаток, как повышенные массогабаритные показатели установки, сохраняется.

Применение сегнетокерамических нелинейных конденсаторов (варикон-дов) с целью стабилизации напряжения асинхронного генератора основывается на их свойстве в широких пределах изменять диэлектрическую проницаемость в зависимости от напряженности приложенного к ним электрического поля.

Недостатком варикондов является зависимость их характеристик от температуры.

Компаундированием возбуждения асинхронного генератора (рисунок 1.8) также достигается цель автоматической стабилизации напряжения на нагрузке при данном характере нагрузки и изменении ее в определенных пределах. Емкости шунтирующих и компаундирующих конденсаторов не изменяются (С=сот{, Ск=сот().

Рис. 1.8 Схема электрогенераторного агрегата переменной частоты вращения на базе АГКР с компаундированием возбуждения

Напряжения генератора Ul, компаундирующих конденсаторов Uk и нагрузки U связаны между собой зависимостью:

и{=ТГк+й. (i.i)

Изменение нагрузки при условии U = const сопровождается изменением напряжения на зажимах генератора, что является характерной особенностью схемы с компаундированием возбуждения. Напряжение Uк также не остается постоянным, что непосредственно следует из (1.1). Благодаря этому возможна стабилизация напряжения на зажимах нагрузки. За счет емкости С создается необходимое начальное насыщение магнитной цепи генератора. Реактивная мощность компаундирующих конденсаторов зависит от значения и характера нагрузки и может составлять 30-50% мощности, вырабатываемой генератором. Мощность шунтирующих конденсаторов принимается равной 50-60% мощности генератора.

Недостатки данного способа:

- повышенные массогабаритные показатели (0,5 - 0,7 кг/квар) при частоте 400 Гц компаундирующих конденсаторов;

- возникновение перенапряжений на конденсаторах при перегрузках и коротких замыканиях.

Общим недостатком всех способов стабилизации напряжения асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором является отсутствие возможности стабилизации частоты выходного напряжения установки, а также необходимость применения достаточно мощных конденсаторных батарей, что значительно увеличивает массогабаритные показатели генераторной установки, повышает ее стоимость и снижает надежность.

В России известны работы по созданию электрогенераторного агрегата на базе асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором в ЗАО «Сигма» (г. Ковров Владимирской области) (рисунок 1.9).

Возбуждение асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором осуществляется с помощью конденсаторной батареи С, которая подключена к генератору через инвертор-стабилизатор (ИС). ИС кроме управления возбуждением генератора выполняет функцию преобразования переменного на-

пряжения генератора в постоянное. Выходной инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное синусоидальной формы. Использование накопителя энергии в виде конденсаторов позволяет существенно уменьшить провал напряжения генератора, возникающий при подключении электрической нагрузки.

С

Рис. 1.9 Схема электрогенераторного агрегата на базе асинхронного генератора с

короткозамкнугым ротором АГ - асинхронный генератор с короткозамкнугым ротором; ИС - инвертор-стабилизатор; С - блок конденсаторов; И - выходной инвертор; Ф - выходной фильтр; ТР - силовой трансформатор.

Разработанная в ЗАО «Сигма» функциональная схема системы управления установки на базе асинхронного генератора с короткозамкнугым ротором представлена на рисунке 1.10.

ДТ1-2

X-•—

U.A

и,в

U,c

-о-

-П-

И1

с

1в

РТ

И2

дн

управ 1.

I2A Ьв

he

Ф

U,

-*2упракт

UM

U2B

и2С

РН2

ЗН2

U»,

+

и— ,ЧН1

Ul3a,

V2A lid

ВП W Ч'2В ^ ПК 4 1,4 РН1

ч 1 ■

Рис. 1.10 Функциональная схема электрогенераторного агрегата на базе асинхронного

генератора с короткозамкнугым ротором И1 - входной инвертор; И2 - выходной инвертор; Ф - выходной фильтр; С - конденсаторная батарея; ДТ1, ДТ2 - датчики тока фаз AM; ДН — датчик напряжения; РТ - регулятор тока; PHI, РН2 - регуляторы напряжения; ВП - вычислитель потока; ПК - преобразователь координат; ЗН1, ЗН2 - задатчики напряжения.

Генераторные установки переменной частоты вращения на базе асинхронных генераторов с фазным ротором.

Известны варианты реализации генераторных установок переменной частоты вращения на базе асинхронного генератора с фазным ротором и возбуждением со стороны ротора [78]. Структура такой установки приведена на рисунке 1.11.

Рис. 1.11 Структурная схема генераторной установки на базе АДФР АГ - асинхронный генератор с фазным ротором; ПЧ - статический преобразователь

частоты; СВ - синхронный возбудитель; ССЧ - система стабилизации частоты;

РН - регулятор напряжения; Н - нагрузка.

Масса и габариты основных элементов автономной системы генерирования электрической энергии, приведенной на рисунке 1.11, в значительной степени зависят от мощности возбуждения асинхронного генератора, определяющей мощность синхронной машины и ПЧ.

Принимая с целью упрощения анализа, что потери в обмотке возбуждения отсутствуют, т.е. мощность цепи возбуждения равна мощности скольжения можно выражение для полной мощности представить в виде:

Зв=И№+&> (1-2)

где ()- реактивная мощность генератора и нагрузки, кВА.

Из (1.2) видно, что мощность цепи возбуждения тем больше, чем больше максимальное скольжение по абсолютному значению. Следовательно, при значительном снижении скорости вращения требуется существенное увеличение мощности системы возбуждения асинхронного генератора. На-

пример, для обеспечения регулирования скорости вращения ДВС до 30 % номинального значения, необходима система возбуждения мощностью 0,75РНОМ (Рном - мощность нагрузки на статор асинхронной машины).

Если диапазон изменения скорости вращения приводного двигателя относительно небольшой (1)<1,5), целесообразно выполнение генераторных установок для работы только в одной области положительных скольжений. При большем диапазоне изменения скорости вращения (£>>1,5) генераторную установку необходимо рассчитывать на использование при трех областях рабочих скольжений (т.е. при подсинхронной, синхронной и сверхсинхронной скорости вращения ротора). Ниже рассмотрены генераторные установки, предназначенные для работы при подсинхронной, синхронной и сверхсинхронной скорости вращения ротора, содержащие непосредственные ПЧ.

На рисунке 1.12 представлена структурная схема генераторной установки К. Чиргвина и Л. Страттона [78]. Эта установка имеет следующие технические характеристики: частота 400 Гц, номинальная мощность генератора 60 кВА, диапазон изменения скорости вращения 4500 - 9000 об/мин при синхронной скорости вращения бОООоб/мин.

Рис. 1.12 Структурная схема генераторной установки К. Чиргвина и Л. Страттона АГ - асинхронный генератор с фазным ротором; ПЧ - статический преобразователь частоты; СВ — синхронный возбудитель; РН -регулятор напряжения; СГ - синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов; ЗГ — задающий автогенератор эталонной частоты; Т - трансформатор; УУПЧ - устройство управления ПЧ.

АГ возбуждается со стороны ротора. На его выходе для выравнивания напряжений при несимметричной нагрузке и компенсации реактивной мощности включен синхронный компенсатор (на рисунке 1.12 не показан). Синхронная машина СВ предназначена для возбуждения АГ. В зависимости от скольжения она находится в генераторном или двигательном режиме. Синхронный генератор СГ является подвозбудителем. Выпрямленное напряжение СГ с выхода регулятора напряжения РН подается на обмотку возбуждения СВ. От СГ получает питание также задающий генератор ЗГ. Постоянство скорости вращения АГ при изменяющейся скорости вращения обеспечивается автоматически действующей системой стабилизации, в которую входят ЗГ, Т и УУПЧ.

Существуют и такие решения, которые позволяют обеспечить стабильные параметры электроэнергии при мощности возбуждения асинхронного генератора 0,25РНом, но при этом уменьшение скорости ДВС ограничивается на уровне 70% от номинального значения [58].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Поляков, Иван Сергеевич, 2013 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Абрамович Б.Н., Круглый A.A. Возбуждение, регулирование и устойчивость синхронных двигателей. Л., Энергоатомиздат, 1983.

2. Алешков O.A. Повышение топливной экономичности первичного дизеля в составе многофункционального энерготехнологического комплекса оптимизацией скоростного режима: автореферат дисс. ... канд. техн. наук 05.04.02. АлтГТУ / O.A. Алешков. - Барнаул, 2009. - 16с.

3. Алексеев А.П., Чекменев Е.Е. Передвижные электростанции. - М.: Воениздат 1974г.

4. Анисимов Я. Ф. Судовая силовая полупроводниковая техника. Учебное пособие. - Л.: Судостроение, 1972.

5. Ануфриев И., Смирнов А., Смирнова Е. MATLAB 7. Наиболее полное руководство. - СПб.: БХВ, 2005.

6. Барский С.З. Некоторые вопросы теории и расчета автономного асинхронного генератора стабильной частоты // Электричество, 1966, № 8.

7. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. -М.: Энергоатомиздат, 1988.

8. Безруких, П.П. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии./ П.П. Безруких, Ю.Д. Арбузов, Г.А. Борисов и др.// СПб.: Наука, 2002.

9. Барский А.Б. Нейронные сети: распознавание, управление, принятие решений. - М.: Финансы и статистика, 2004. - 176 е.: ил.

10. Бертинов А.И., Мизюрин С.Р., Бочаров В.В. Перспективы развития автономных систем генерирования переменного тока стабильной частоты // Электричество, 1988, № 10.

11. Бояр - Созонович С.П. Альтернативность асинхронных генераторов с конденсаторным возбуждением // Электричество, 1993, №12.

12. Ботвинник М.М., Шакарян Ю.Г. Управляемая машина переменного тока. - М: Наука, 1969.

13. Брускин Д.Э. Генераторы, возбуждаемые переменным током. - М.: Высш. шк., 1974.

14. Бурда Е. М. Статические и динамические режимы электроприводов с машинами двойного питания малой мощности, дисс. ... канд. техн. наук 05.09.03 ГПИ им. A.A. Жданова / Е.М. Бурда. - Горький, 1986.

15. Вишневский Л.В. Пасс А.Г. Системы управления асинхронными генераторными комплексами. Киев, Одесса: "Лыбидь",1990.

16. Вольдек А. И., Попов В. В. Электрические машины. Машины переменного тока. Учебник. - СПб.: Питер, 2008.

17. Вольский С. И. Бесконтактная система генерирования переменного тока стабильной частоты с транзисторным преобразователем частоты // Транзисторная энергетическая электроника: Тематический сборник. М.: МАИ, 1990.-С. 66-70

18. Галушкин А.И. Теория нейронных сетей. Кн. 1: Учебное пособие для вузов - М.: ИПРЖ, 2000. - 416 е.: ил

19. Герасимов А., Толмачёв В., Уткин А. Дизель - генераторные электростанции. Работа при переменной частоте дизеля. Статья. // Новости электротехники, 2005, №4.

20. Герман-Галкин С. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0. - СПб.: Корона принт, 2001.

21. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде Matlab.

22. Данилов А. Компьютерный практикум по курсу "Теория управления". Simulink-моделирование в среде Matlab. МГУИЭ, 2002.

23. Дарьенков А.Б., Хватов О.С. Автономная высокоэффективная элек-трогенерирующая электростанция // Тр. Нижегородского государственного технического университета. Т. 77, Н. Новгород, 2009. - с. 68-72.

24. Двигатели внутреннего сгорания: теория поршневых и комбинированных двигателей. / Под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. 4-е изд., пере-раб. и доп. -М.: Машиностроение, 1983.

25. Дизели. Справочник. / Под ред. В. А. Ваншейдта. - М - Д.: Машиностроение, 1964.

26. Дунаевский С. Д., Крылов О. А., Мазия Л. В. Моделирование элементов электромеханических систем. - М. - Л.: Энергия, 1966. - 304с.

27. Жианчанг Мао, Энил Джейн Введение в искусственные нейронные сети. «Открытые системы», № 04, 1997.

28. Загорский А.Е., Шакарян Ю.Г. Управление переходными процессами в электрических машинах переменного тока. - М.: Энергоатомиздат, 1986

29. Загорский А.Е., Шакарян Ю. Г. Автономный источник электропитания стабильной частоты (варианты). Патент на полезную модель № 34817, опубл. 10.12.2003.

30. Загорский А.Е., Ливинский А.П. Редбко И.Я., Шакарян Ю.Г. Автономная электростанция. Патент на полезную модель № 75794, опубл. 20.08.2008, бюл. № 23.

31. Загорский А.Е., Шакарян Ю.Г., Ливинский А.П., Юняев В.П. Автономная электростанция. Патент на полезную модель № 45056, опубл. 10.04.2005, бюл. № 10.

32. Захаров П.А., Ошмарин О.Н., Хватов О.С. Асинхронные генераторные комплексы // Тез. докл. международной НТК - Восьмые Бенардовские чтения. ИЭУ, Иваново, 1996.

33. Иванов Г.М., Онищенко Г.Б. Автоматизированный электропривод в химической промышленности. -М.: Машиностроение, 1975.

34. Иващенко H.H. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем: Учебник. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1978.

35. Казовский Е.Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1962.

36. Каллан Р. Основные концепции нейронных сетей.: Пер. с англ. - М.: Изд. дом "Вильяме", 2001. - 287с. :ил.

37. Кац А. М. Автоматическое регулирование скорости двигателей внутреннего сгорания. -М. - Л.: Машгиз, 1956.

38. Кицис С.И. Переходные процессы емкостного самовозбуждения асинхронного генератора под нагрузкой // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1977, № 4.

39. Ключев В. И. Теория электропривода. -М.: Энергоатомиздат, 1985.

40. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока. -М., Госэнергоиздат, 1963.

41. Копылов И. П. Электрические машины. - М.: Логос, 2000.

42. Костырев М.Л., Скороспешкин А.И. Автономные асинхронные генераторы с вентильным возбуждением. -М.: Энергоатомиздат, 1993.

43. Комашинский В. И., Смирнов Д. А. «Нейронные сети и их применение в системах управления и связи» . - М.: Горячая линия - Телеком, 2003. -94 с.

44. Красношапка М.П. Генераторы переменного тока стабильной и регулируемой частоты // Техника, 1974.

45. Крутов В.И. Автоматическое регулирование двигателей внутреннего сгорания: Учебное пособие для втузов. - М.: Машиностроение, 1979. - 615 е., ил.

46. Куропаткин П.В. Теория автоматического управления. М..'Высшая школа, 1973.

47. Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в МАТЬАВ. Учебный курс. - СПб.: БХВ - Петербург, 2005.

48. Левин М. И. Автоматизация судовых дизельных установок. - Л.: Судостроение, 1969.

49. Левин М. И. Автоматизация дизель - генераторных установок. — М. -Л.: Машгиз, 1963.

50. Ледовский А.Н. Электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами. -М.: Энергоатомиздат, 1985.

51. Лукутин Б. В. Режимы работы синхронных и асинхронных генераторов микрогидроэлектростанций: автореферат дисс. ... докт. техн. наук / Б.В. Лакутин. - Екатеринбург, 1993.

52. Михайлов В.А. Автоматизированные электроэнергетические системы судов. - Л.: Судостроение, 1977. - 512 е., ил.

53. Моин В. С. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергоатомиздат; 1986.

54. Овсянников М. К., Петухов В. А. Дизели в пропульсивном комплексе морских судов. Справочник. - Л.: Судостроение, 1987.

55. Онищенко Г.Б., Локтева И.Л. Асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного питания. -М.: Энергия, 1979.

56. Онищенко, Г.Б. Развитие энергетики России. Направления инновационно - технологического развития / Г.Б. Онищенко, Г.Б. Лазарев // - М.: Россельхозакадемия, 2008.

57. Онищенко Г.Б., Шакарян Ю.Г., Локтева И.Л. Некоторые принципы синтеза систем регулирования электропривода переменного тока // Электрификация и автоматизация промышленных установок, 1978, вып.118.

58. Орлов, A.B. Перспективы создания дизель-электрических установок с переменной частотой вращения / A.B. Орлов, В.А. Путятинский, В.В. Сапожников // Судостроение, № 10, 1976, с.28-29.

59. Осовский С. Нейронные сети для обработки информации. Пер. Ру-динский И.Д. Москва «Финансы и статистика» 2002. -344с. :ил.

60. Петровский Н. В. Основы проектирования судовых дизельных установок-Л.: Судостроение, 1965.

61. Платов Ю. И. Инновационный менеджмент: Метод, указ. для вып. практ. работы. - Н. Новгород.: Изд - во. ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2005

62. Принципы построения систем регулирования электроприводов с двигателями переменного тока / И.Л. Локтева, Г.Б. Онищенко, Т.В. Плотникова, Ю.Г. Шакарян // Электричество. 1978. № 5.

63. Попов Е. П. Динамика систем автоматического регулирования. -М.: Гостехтеоретиздат, 1954.

64. Преображенский А. В. Теория автоматического управления. Чать 3. Конспект лекций для студентов очного и заочного обучения. - Н. Новгород.: Изд - во ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2002.

65. Радин В. И., Загорский А. Е., Белоновский В. А. Электромеханические устройства стабилизации частоты. -М.: Энергоиздат, 1981. 168 с

66. Радин В.И., Загорский А.Е., Шакарян Ю.Г. Управляемые электрические генераторы при переменной частоте. - М.: Энергия, 1978.

67. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. - М.: Энергоатомиздат, 1992 г.

68. Слежановский О.В. Системы подчиненного регулирования электроприводами переменного тока с вентильными преобразователями. - М.: Энергоатомиздат, 1983.

69. Современные микроконтроллеры: Архитектура, средства проектирования, примеры применения, ресурсы сети Интернет. Под ред. Коршуна И.В. М.: Аким, 1998.

70. Титов В.Г. Асинхронно-вентильные нагружающие устройства для испытаний двигателей внутреннего сгорания (теория, исследование и разработка): Автореф. дисс. доктора техн. наук. Москва, 1990.

71. Титов В.Г., Хватов О.С. Автономный генератор по схеме машины двойного питания // Электротехника, 1998, № 8.

72. Титов В. Г., Хватов О.С. Электропривод на основе асинхронной машины и тиристорного преобразователя в роторной цепи /Тез. докл. к 9 ТК конференции "Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями"/ УПИ, Екатеринбург, 1992.

73. Титов В.Г., Хватов О.С. Стабилизация параметров электроэнергии МДП-генератора // Электричество, 2001, № 8.

74. Титов В.Г., Хватов О.С. Электротехнические комплексы на основе машины двойного питания // Тез. докл. 3 Международной (14 Всероссийской) НТК конференции по автоматизированному электроприводу, Н.Новгород, 2001.

75. Титов В.Г., Хватов О.С., Ошмарин О.Н. Расчет источника реактивной мощности автономного МДП-генератора // Электротехника, 2001, № 7.

76. Титов В.Г., Хватов С.В. Асинхронный вентильный каскад с управляемым роторным блоком вентилей // ГПИ, Горький, 1978.

77. Титов В. Г., Хватов О.С. Генераторные комплексы на основе машины двойного питания // Тез. докл. 12 НТК конференции "Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями", Екатеринбург, 2001.

78. Торопцев Н.Д., Асинхронные генераторы автономных систем. - М.: НТФ «Энергопрогресс», Энергетик, 2004.

79. Торопцев Н.Д. Авиационные асинхронные генераторы. М.: Транспорт, 1970.

80. Трещев Н.И. Методы исследования электромагнитных процессов в машинах переменного тока. - M.-JL: Энергия, 1969.

81. Урусов И.Д. Линейная теория колебаний синхронной машины. Изд-во АН СССР, 1960.

82. Фёдоров О. В. Инновационные ресурсосберегающие решения и их экономические оценки: Учебное пособие. -М.: Инфра-М, 2003.

83. Хайкин С., Нейронные сети: Полный курс - М.: Вильяме, 2006.

84. Хватов О.С. Электротехнические комплексы генерирования электрической энергии на основе машины двойного питания. Автореф. дисс. доктора техн. наук. Иваново, 2001.

85. Хватов О.С., Дарьенков А.Б., Поляков И.С. Модель задатчика экономичного режима работы дизель-генераторной установки переменной частоты вращения. Материалы научно-технической конференции "Актуальные проблемы электроэнергетики". НГТУ, Н.Новгород, 2010 г.

86. Хватов О.С., Дарьенков А.Б., Поляков И.С. Электротехнический комплекс генерирования электрической энергии на основе дизель-генераторной установки переменной частоты вращения с интеллектуальной системой управления. ИСТ-2010. Тезисы докладов. НГТУ 2011 г.

87. Хватов О.С., Дарьенков А.Б., Поляков И.С., Орлов О.И. Интеллектуальная система управления дизель-генератором переменной скорости вращения. Материалы научно-технической конференции "Актуальные проблемы электроэнергетики". НГТУ, Н.Новгород, 2012 г.

88. Хватов О.С., Дарьенков А.Б., Поляков И.С., Пшеничников В.В. Имитационная модель дизель- генераторной электростанции с переменной скоростью вращения на базе синхронного генератора. Ежеквартальный сборник научных статей «Эксплуатация морского транспорта» 1(67)2012

89. Хватов О.С., Дарьенков А.Б., Поляков И.С. Алгоритм работы самообучающейся системы управления автономным дизель-генератором переменной скорости вращения. Научно-техническая конференция "Великие реки 2012". Тезисы докладов. ВГАВТ. 2012 г.

90. Хватов О.С., Дарьенков А.Б., Поляков И.С. Экспериментальная автономная генераторная установка переменной скорости вращения с интеллектуальной системой управления. Материалы XI Международной молодежной научно-технической конференции. НГТУ. 2012г.

91. Хватов О.С., Дарьенков А.Б., Поляков И.С. Интеллектуальный алгоритм управления экспериментальной автономной генераторной установкой переменной скорости вращения. ИСТ-2013. Тезисы докладов. НГТУ 2013 г.

92. Хватов О.С., Дарьенков А.Б., Поляков И.С. Автономная генераторная установка переменной скорости вращения с интеллектуальной системой управления, обеспечивающей экономичный режим ее работы. Научно-техническая конференция "Великие реки 2013". Тезисы докладов. ВГАВТ. 2013 г.

93. Хватов О.С., Дарьенков А.Б., Поляков И.С. Нейросетевой алгоритм системы управления топливоподачей дизель-генератора переменной скорости вращения. Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2013 г. выпуск 3.

94. Хватов О. С., Титов В.Г. Генераторные комплексы на основе машины двойного питания. Тезисы. // Материалы 12-й всероссийской НТК «Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями», Екатеринбург, 2001.

95. Хватов О.С., Бурмакин O.A., Тарасов И.М., Динамические режимы автономной судовой валогенераторной установки на основе генератора по схеме машины двойного питания. // Вестник ВГАВТ, 2006, Выпуск 20.

96. Хватов О.С. Управляемые генераторные комплексы на основе машины двойного питания./НГТУ, Н.Новгород, 2000.

97. Хватов О.С. Электромеханические процессы в судовой валогенераторной установке на основе машины двойного питания. Учебное пособие. / ВГАВТ, Н.Новгород, 2001.

98. Хватов, О.С. Дизель-генераторная электростанция с переменной частотой вращения вала / О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков, И.М. Тарасов // Вестник Ивановского государственного технического университета. Иваново. 2010. Вып. 2. с. 53-56.

99. Хватов C.B., Титов В.Г. Управляемые автономные асинхронные генераторы для малой энергетики. // Проблемы создания и эксплуатации новых типов электроэнергетического оборудования. Вып.6 / Отдел электроэнергетических проблем, Российская Академия Наук, СПб., 2004.

100. Хватов C.B., Горланов M.JI, Залетнов С.Е., Стабилизация частоты и амплитуды напряжения автономного МДП-генератора // научно техническая конференция «Актуальные проблемы электроэнергетики». Н.Новгород, НГТУ, 2000.

101. Хватов C.B., Горланов M.JI. Анализ влияния трансформаторной ЭДС статора на динамические режимы автономного генераторного комплекса на основе машины двойного питания // научно техническая конференция «Актуальные проблемы электроэнергетики». Н.Новгород, НГТУ, 2002.

102. Хватов C.B., Краилин В.Ф., Горланов M.J1., Залетнов С.Е., Захаров П.А. Динамические режимы работы асинхронно-вентильных систем // Труды III Международной (XIV Всероссийской) научно-технической конференции по автоматизированному элетроприводу «АЭП-2001». Н.Новгород, НГТУ, 2001г.

103. Чиженко И. М., Руденко В. С., Сенько В. И., Основы преобразовательной техники. -М.: Высшая школа, 1980.

104. Шакарян Ю.Г. Асинхронизированные синхронные машины. - М.: Энергоатомиздат, 1984.

105. Шакарян Ю.Г. Перспективы применения силовых полупроводниковых преобразователей в системах генерирования электроэнергии // Новые технологии, 1999, № 2.

106. Шипилло В.П. Автоматизированный вентильный электропривод. -М.: Энергия, 1969. -400 с.

107. Шакарян Ю.Г., Плотникова Т.В. Синтез функций регулирования асинхронизированных синхронных машин с использованием теории инвариантности.// Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1980, № 3.

108. Штерн В.И., Самойлов A.A. Дизель-генераторы переменного тока напряжение до 400 В -М.: Энергия, 1980.

109. Anderson, J.А. & Rosenfeld, Е. (eds). Neurocomputing: Foundations of Research (MIT Press, Cambridge, 1988).

110. Astrom K.J., Wittenmark В. Adaptive control.Dover Publications; 2 edition (December 18, 2008), 592 c.

111.Bishop, C.M. Pattern Recognition and Machine Learning (Springer, New York, 2006).

112. Bishop, C.M. Neural Networks for Pattern Recognition (Oxford University Press, Oxford, 1995).

113. Brand A. Der Netztakumriechter. - Bulletin des schweizrischen electro-technischen Vereins, 1971, Ив 62, Jg N 15.

114. Hertz, J. A., Krogh, A. & Palmer, R. Introduction to the Theory of Neural Computation (Addison-Wesley, Redwood City, 1991).

115. M.Lampersberg Control system for the voltage sourse DC link converter in the rotor circuit of a slip ring induction machine.: EPE-97, Trondheim, 1997.

116. Maldonado Micjel A., Iden Steven M. Experimental cascaded doubly feed variable speed constant frequency generator system // SAE Techn. Pap. Ser. ISSN/ISSN 0148.-1988.-P. 1-7

117. N. Reitiere, L. Gerbaund, P.J. Chrzan, D. Roye, P. Mannevy Modeling and simulation of induction motor drive under inverter fault operations: EPE-97, Trondheim, 1997.

118. N. Patin, E. Monmasson, J.-P. Louis, Control of a stand-alone variable speed constant frequency generator based on a doubly-fed induction machine, in EPE Journal, Vol. 16, No. 6, pp. 37-43, Dec. 2006.

119. Sankar K. Pal, SushmitaMitra, Multilayer Perceptron, Fuzzy Sets, and classification //IEEE Transaction on Neural Networks, Vol.3, N5, 1992.

120. W. Thomas Miller, Paul J. Werbos, Richard S. Sutton, Neural Networks for Control. MIT Press, 1995, 524 c.