Исследование возможностей улучшения показателей качества автономной системы генерирования напряжения стабильной частоты на базе синхронизированного асинхронного генератора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук КьО Зо Лин

• КьО Зо Лин
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук КьО Зо Лин

Введение.

Глава 1. Общие сведения по автономной системе электроснабжения

АСЭС) типа ПСПЧ (переменная скорость постоянная частота)

1.1. Классификация направлений построения системы ПСПЧ

1.2. Структурные схемы генераторных установок типа ПСПЧ

1.2.1. ПСПЧ на основе привода постоянных оборотов (ППО)

1.2.2. ПСПЧ на основе СГ и СПЧ - (с полным преобразованием электроэнергии - ППЭ).

1.2.3. Исследование параметров фильтра для двух типов СПЧ в СЭС типа ПСПЧ в варианте с ППЭ.

1.3. О рассматриваемой системе ПСПЧ (ЧПЭ) на базе синхронизированного асинхронного генератора - САГ (АСАГ).

1.3.1. Вариант автономного двухмашинного АСАГ с электромагнитным возбуждением (АСАГ с частичным возбуждением)

1.3.2. Вариант двухмашинного АСАГ с возбуждением от постоянных магнитов (АСАГ с независимым возбуждением)

1.3.3. Вариант бесконтактного трехмашинного АСАГ (БСАГ).

1.3.4. Вариант АСЭС типа ПСПЧ на базе одномашинного АСАГ с самовозбуждением.

1.4. Система управления (СУ) для обеспечения стабильности выходного напряжения АСАГ.

Выводы.

Глава 2. Функциональные свойства, особенности АСАГ и требования, предъявляемые к преобразователю частоты для этой системы

2.1. Использование в АСАГ простейшего статического преобразователя частоты (СПЧ) непосредственного типа - НПЧ

2.1.1. Описание принципа построения и работы НПЧ-2.

2.1.2. Гармонический анализ выходного напряжения НПЧ-2 при равенстве чисел пар полюсов асинхронной (АМ) и вспомогательной синхронной (ВСМ) машин.

2.1.3. Функциональные особенности НПЧ-2 и практические рекомендации по настройке системы АСАГ.

2.1.4. Исследование влияния высших гармоник выходного напряжения (и тока) НПЧ на искажения формы выходного напряжения АСАГ.

2.2. Об особенностях спектров выходного напряжения АСАГ, возбуждаемых от НПЧ-2.

2.3. О механизме влияния соБср^ нагрузки АСАГ на искажения его напряжения.

2.4. Новый вариант организации полюсности АМ и ВСМ.

2.5. Гармонический анализ выходного напряжения НПЧ в новом варианте.

2.6. Использование в системе АСАГ НПЧ-3 (с улучшенным спектральным составом выходного напряжения за счет параметра т\э=Ъ).

2.6.1. Принцип работы НПЧ с туз=3.

2.6.2. Гармонический анализ выходного напряжения НПЧс КОМ.

2.6.3. Механизм эффекта инверсии реактивного тока.

2.6.4. О влиянии параметра со* на спектральные составы выходного напряжения НПЧ-3 и тока.

2.6.5. О взаимосвязи диапазона изменения частоты вращения приводного вала с параметром £ , определяющим номер гармоники напряжения НПЧ.

2.7. Устройство ограничения импульсных перенапряжений

УОП).

2.7.1. НПЧ-2 с устройством ограничения импульсных перенапряжений (УОП).

2.7.2. НПЧ-2 с альтернативным вариантом регулирования выходного напряжения - НПЧ-2Р.

2.7.3. НПЧ-3 с УОП.

Выводы.

Глава 3. Исследование свойств и характеристик САГ на основе имитационного компьютерного моделирования.

3.1. Моделирование асинхронной машины с фазным ротором (АМФР).

3.1.1. Описание математической модели АМФР.

3.1.2. Имитационная компьютерная модель АМФР и предварительная ее проверка на адекватность.

3.2. Векторные диаграммы САГ для разных скольжений - как критерии адекватности процессов. Годографы.

3.2.1. Комментарии к построению векторных диаграмм.

3.2.2. Процедуры построения векторной диаграммы САГ на основе ИКМ.

3.2.3. Годографы.

Выводы.

Глава 4. Исследование на основе ИКМ возможностей совершенствования АСАГ при использовании преобразователей частоты типа НПЧ-2 и НПЧ-3.

4.1. ИКМ асинхронной машины с фазным ротором (АМФР) с НПЧ.

4.1.1. Об особенностях физических процессов в АСАГ и некоторые результаты ИКМ.

4.2. АСАГ на основе двух типов НПЧ (рис. 4-1,4-3).

4.2.1. Результаты детального исследования процессов в

АСАГ.

4.3. Исследование с помощью ИКМ варианта АСАГ при по-люсности ВСМ — /?всм больше полюсности АМ — Рам.

4.4. Исследование процессов в НПЧ с УОП при совместной работе с АМ.

4.4.1. НПЧ-2 с УОП со снаббером, реализующим принцип электронного клапана» в АСАГ.

4.4.2. Вопросы параметрической и структурной оптимизации варианта модернизации УОП для НПЧ-2.

4.4.3. Исследование энергетических показателей АСАГ с НПЧ-2 при применении различных вариантов УОП.

4.4.4. Исследование регулируемого по напряжению варианта НПЧ при совместной его работе с АМ.

4.4.5. Исследование АСАГ с НПЧ-3.

Выводы.

Глава 5. Исследование характеристик АСАГ на основе ИКМ при использовании преобразователя частоты со звеном постоянного тока (ПЧЗПТ).

5.1. Исследование процессов в АСАГ с возбуждением от трехфазного инвертора напряжения (ТИН) с ДТІТИМ.

5.2. Анализ АСАГ с ТИН при использовании дополнительной Фильтрации.

5.3. Краткий сопоставительный анализ НПЧ-3 и ПЧЗПТ при использовании их для возбуждения AM.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование возможностей улучшения показателей качества автономной системы генерирования напряжения стабильной частоты на базе синхронизированного асинхронного генератора»

Асинхронная машина с фазным ротором (АМФР или упрощенно - АМ) в наибольшей мере отражает потенциальные функциональные возможности электромеханического преобразования. Теоретический и практический интерес к ее возможностям в России возник не менее 50 лет тому назад [1-1], [112]. Система «Асинхронизированный синхронный генератор — АСГ», в основе которой лежит АМФР, сегодня все более широко применяется для улучшения устойчивости и управляемости систем передачи электроэнергии и энергосистем в целом [1-12], [1-15]. Практически освоенные сегодня мощности АСГ в данном применении достигают сотен МВА. Для питания обмотки возбуждения АМФР здесь обычно используют статические преобразователи частоты непосредственного типа (НПЧ), выполняемые на не полностью управляемых ключевых элементах - тиристорах. Энергия на возбуждение обычно берется из сети.

Другой, менее освоенной областью применения АСГ является построение на его основе автономной системы электроснабжения (АСЭС) перемен/ ного тока постоянной частоты при переменной частоте вращения приводного вала. Такого рода системы в авиационной электротехнике известны как системы ПСПЧ - переменная скорость - постоянная частота [1-3], [1-11]. Потребность в системах ПСПЧ возникает также в малой энергетике (ветро- и гидроустановках), на различного рода подвижном транспорте (в том числе на летательных аппаратах), а также при построении систем резервного электропитания, например, на базе дизель-генераторных установок. В зависимости от области применения мощность АСГ здесь может находиться в диапазоне от единиц до сотен кВА. Отличительной особенностью АСЭС на базе АСГ является значительно больший диапазон изменения параметров электроэнергии, питающей обмотку возбуждения АМФР, - ее напряжения и частоты скольжения. Данное отличие заставляет решать задачу определения рационального, предельно допустимого диапазона изменения частоты вращения приводного вала, в котором такое решение экономически оправданно.

Следует заметить, что система ГТСПЧ на базе АСГ является альтернативным вариантом по отношению к двум известным традиционным решениям. Один из них (1-й вариант) основан на использовании механического привода постоянной частоты (Ш14), а другой (2-й) - на полном преобразовании электроэнергии (энергетического потока - ЭП) - ППЭ синхронного генератора (СГ) переменной частоты с помощью статического преобразователя частоты (СПЧ). Ожидаемый выигрыш рассматриваемого здесь варианта относительно, например, 2-го, сопоставимого с ним варианта, будет зависеть, прежде всего, от диапазона изменения частоты вращения приводного вала (суР) и будет определяться, во-первых, лучшими динамическими показателями (из-за отсутствия фильтра на выходе АСЭС) и, во-вторых, результирующим выигрышем в массе АСЭС в целом: а) за счет выполнения СПЧ не на полную мощность преобразования, а лишь на мощность возбуждения АМФР. Таким образом, в этом варианте АСЭС используется не полное преобразование электроэнергии АМ (её статорной цепи), а преобразование электроэнергии только роторной цепи, т.е. её частичное преобразование (ЧПЭ); б) за счет исключения упомянутого выходного фильтра АСЭС.

Для проектирования АСЭС необходимо знать особенности взаимодействия всех силовых звеньев и модельное описание, обеспечивающее количественную оценку этого взаимодействия в реальном диапазоне изменения частоты приводного вала. Известные работы не дают исчерпывающую проектно необходимую информацию для разработки такой системы. Цель работы -восполнить некоторые пробелы в этой проблеме за счёт расширения информационно-методического базиса и обеспечения на этой основе возможности обоснованного системного проектирования машинно-вентильной системы стабилизации частоты на базе АСГ (с некоторыми элементами её модернизации). В качестве исходной информации при решении поставленной задачи используется известное модельное описание АМФР и формализованное описание НПЧ (рассматриваемых в работе типов), а в качестве средства ее решения - имитационное компьютерное моделирование (ИКМ) в среде OrCAD PSpice Schematics.

К истории развития направления синтеза системы электроснабжения (СЭС) на основе асинхронизированного синхронного генератора (АСГ)

Первоначальные шаги в направлении создания автономных систем электроснабжения на основе асинхронизированного синхронного генератора (АСГ) в России (по располагаемой нами информации) были сделаны на кафедре «Электрооборудования самолетов и автомобилей (ЭСА)» Московского энергетического института. Сегодня это кафедра «Электротехнические комплексы автономных объектов (ЭКАО)». В 1964 году под руководством кандидата технических наук доцента Н.З.Мастяева по заказу ГОСНИЭТИ (г.Воронеж) была начата хоздоговорная научно-исследовательская работа (НИР) «Разработка и исследование асинхронизированного синхронного генератора» (наряд 12/64); исполнители: ассистент В.Г.Еременко и подключившийся к НИР в 1965 г. инженер Г.С.Мыцык. В то время государственная политика в области образования и науки была более благоприятная. При кафедре ЭСА существовала мастерская с необходимым оборудованием, где v можно было изготавливать опытные образцы новой техники. Был испытательный стенд с двигательно-генераторной установкой. Был также необходимый для исследований и периодически пополняемый и обновляемый комплекс измерительной аппаратуры.

Управляемые полупроводниковые приборы (транзисторы, тиристоры) в тот период находились в самой начальной стадии развития. Типовым мощным полностью управляемым прибором в то время был биполярный транзистор с р-п-р структурой на ток 10 А с рабочим напряжением 100В. Так что в большинстве случаев (а с неизбежностью и при средних и повышенных мощностях преобразования параметров электроэнергии) в СПЧ в качестве ключевых элементов приходилось использовать не полностью управляемые полупроводниковые приборы - тиристоры, которые в то время по единичной мощности значительно опережали транзисторы. Полная их управляемость достигалась использованием специально разрабатываемых для каждого типа СПЧ узлов принудительного их запирания (называемых также узлами искусственной коммутации). Выше указанная НИР с теоретической и экспериментальной проработкой была выполнена тогда менее чем за 3 года. При этом был создан и экспериментально исследовании образец АСГ. Сформулированы основные положения по проектированию, а также были даны рекомендации по применению и дальнейшему совершенствованию системы. По результатам работы В.Г.Еременко в 1967г. защитил кандидатскую диссертацию.

О терминологическом уточнении Корневыми конструктивными признаками в термине АМФР, определяющими её тип, являются признаки асинхронной, а не синхронной машины. Свойства синхронного генератора АМФР приобретает лишь в режиме соответствующего питания её обмотки возбуждения. Поэтому представляется более адекватным обозначать её как синхронизированный асинхронный генератор - САГ. Такое незначительное терминологическое отличие (САГ вместо АСГ) попутно способствует также разграничению двух вышеуказанных принципиально разных областей применения АМФР. С учетом изложенного и с целью акцентирования внимания на применении АСГ в автономном режиме будем использовать здесь термин АСАГ (автономный синхронизированный асинхронный генератор).

Содержание работы характеризуется следующей структурой. В первой главе дается аналитический обзор основных направлений построения СЭС типа ПСПЧ и проводится исследование традиционного варианта ПСПЧ с ППЭ на основе СПЧ двух типов: НПЧ с эквивалентной фазно-стью - 77?1э=3 - НПЧ-3 и преобразователь частоты со звеном постоянного тока (ПЧЗПТ). Рассмотрен также вариант машино-вентильной системы типа ППЭ в виде вентильного генератора (ВСГ) с двухканальным преобразующим трактом и одноканального трехфазного инвертора напряжения (ТИН) с ши-ротно-импульсной модуляцией (ШИМ) выходного напряжения [1-21]. Раси смотрены возможные варианты АСЭС типа ПСПЧ с ЧПЭ на основе САГ (АСАГ) с различным типом возбуждения: с частичным, с независимым и с самовозбуждением при использовании в нём двух типов СПЧ: НПЧ и ПЧЗПТ.

Вторая глава посвящена рассмотрению функциональных свойств и особенностей НПЧ с параметром т\з=2\ 3 - НПЧ-2, НПЧ-3 при совместной работе с АМФР. При этом аналитическим путём исследуется следующие вопросы:

- влияние гармонического состава выходных напряжений НПЧ-2 и НПЧ-3 на искажения выходного напряжения АМ (при совместной работе с АМ в различных режимах её работы): в режиме ниже и выше синхронной частоты вращения приводного вала для двух случаев: а) при равенстве чисел пар полюсов АМФР и вспомогательной синхронной машины (ВСМ): Оам=Рвсм); б) при их неравенстве, когда (рАм<Рвсм);

- явление амплитудной, фазовой несимметрии выходных напряжений АСАГ и несимметрии их по искажениями при применении в АСАГ НПЧ-2;

- взаимосвязи искажений тока ротора АМ с искажениями её выходного напряжения.

Рассмотрены предложенные варианты устройства ограничения импульсных перенапряжений (УОП) в НПЧ-2 и НПЧ-3, которые обусловлены индуктивностями рассеяния якорных обмоток ВСМ. Новизна решений подтверждена патентами [2-11], [2-12].

В третьей главе с помощью ИКМ проводится проверка на физическую непротиворечивость, на адекватность используемого модельного описания АМФР и на соответствие функционирования АСАГ как проектному замыслу, так и известным положениям из области теории электрической машины. В частности, на основе результатов ИКМ построены внешние, регулировочные характеристики АСАГ и его векторные диаграммы.

Четвертая глава посвящена изложению результатов ИКМ, необходимых при системном проектировании АСАГ (при использовании для него возбуждения НПЧ-2 и НПЧ-3). В частности, при этом приводится:

- информация об определении рационального диапазона частоты вращения приводного вала АСАГ (сиР);

- информация о системных свойствах и особенностях НПЧ-2 и НПЧ-3.

На основе ИКМ проводится исследование возможности улучшения качества тока возбуждения АМФР (и соответственно, её выходного напряжения) путём увеличения частоты ВСМ (при рдм^всм)

На уровне ИКМ проводится проверка работоспособности в системе АСАГ разработанных УОП на ключах НПЧ и даны рекомендации по выбору рациональных значений его параметров.

Задачи решаются на основе использования компьютерной программы OrCAD 9.2 (РSpice Schematics).

В пятой главе на уровне ИКМ проводится исследование АСАГ с использованием в нем ТИН и даются рекомендации по его синтезу и применению в системах типа ПСПЧ с ППЭ и ЧПЭ.

В Заключении формулируются полученные в работе результаты решения поставленной задачи.

Диссертационная работа содержит также дополнительные иллюстративные и доказательные материалы, представленные в Приложениях к соответствующим главам.

Перечень используемых источников информации (Литература) содержит 64 наименований, включая 7 публикаций с непосредственным авторским участим соискателя.

13

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», КьО Зо Лин

Выводы по главе 5

1. Проведенный анализ показал, что увеличением тактовой частоты /т в ТИН с алгоритмом ДШИМ по синусоидальному закону можно улучшить качества выходного напряжения АСАГ. Поскольку при этом возрастают динамические потери в ключах ТИН, то наряду с этим способом целесообразно использовать еще и второй способ решения этой задачи - способ дополнительной фильтрации на выходе АСАГ. При этом установленная мощность простейшего Г-образного ЬС фильтра оказывается незначительной.

2. При использовании для возбуждения АМ СПЧ типа ПЧЗПТ искажения выходного напряжения АСАГ также (как и при использовании НПЧ) зависят от значения частоты скольжения - рис. 5-7. Амплитудная и фазовая несимметрия в выходном напряжении АСАГ даже при достаточно низкой тактовой частоте (/т=900Гц) практически отсутствует.

3. Если в варианте АСАГ с НПЧ задача изменения порядка чередования фаз напряжения возбуждения решалась просто (автоматически), то в варианте АСАГ с ПЧЗПТ эта задача должна решаться построенной соответствующим образом системой управления.

195

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе проведенного обзора автономных систем электроснабжения (АСЭС) типа ПСГТЧ (переменная скорость - постоянная частота) дана их классификация и выделены два исследуемых в работе варианта: традиционный на базе синхронного генератора (СГ) с полным преобразованием электроэнергии (ППЭ) и альтернативный на базе автономного синхронизированного асинхронного генератора (АСАГ), в котором используется частичное преобразование электроэнергии - ЧПЭ (т.е. только мощности возбуждения асинхронной машины - АМ). В обоих вариантах АСЭС для решения задач ППЭ и ЧПЭ используются статические преобразователи частоты (СПЧ).

2. Проведенная систематизация вариантов структурных решений АСЭС на базе АСАГ расширяет перечень возможных их вариантов и позволяет на начальном этапе проектирования выбрать наиболее рациональный из них в конкретном случае применения.

3. В тех вариантах АСАГ, в которых для его возбуждения используются преобразователи частоты непосредственного типа (НПЧ-2 и НПЧ-3), дано математическое описание их выходного напряжения, позволяющее исследовать влияние искажений тока возбуждения на качество выходного напряжения АСАГ. На его основе дано математическое описание явлений амплитудной и фазовой несимметрии выходного напряжения АСАГ при использовании в нем простейшего НПЧ-2. Показано, что эти виды несимметрии пропадают при использовании для возбуждения АМ более качественных (более сложных) НПЧ, например, НПЧ-3.

4. Представлены результаты аналитического исследования возможности улучшения искажений выходного напряжения и тока простейшего НПЧ-2 за счет увеличения в N раз полюсности р (и соответственно, частоты напряжения) вспомогательной синхронной машины (ВСМ). Показано, что такое решение для НПЧ-2 дает, однако, результат, обратный ожидаемому: при уменьшении искажений тока возбуждения АМ с увеличением параметра р - искажения напряжения АСАГ возрастают. Дано аналитическое объяснение этому факту. При использовании же более качественного НПЧ, например НПЧ-3, этот парадокс не проявлется, однако, при этом качество выходного напряжения АСАГ по-прежнему не улучшается. Результирующий вывод в данном исследовании формулируется следующим образом: увеличение полюсности В СМ относительно полюсности АМ может быть рациональным лишь только с целью уменьшения массы В СМ.

5. Показано, что при построении НПЧ на основе транзисторов приходиться решать проблему борьбы с индуктивностями рассеяния обмоток ВСМ. Предложены новые модификации НПЧ (с т^! и т\э=3), снабженные снабберными устройствами, которые решают эту задачу, т.е. обеспечивают уменьшение импульсных перенапряжений на их ключах при улучшенных энергетических характеристиках. Новизна и полезность разработанных решений подтверждена патентами [2-12], [2-13].

6. На основе имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) проведена проверка известной ИК-модели асинхронной машины с фазным ротором (АМФР) [3-10] - базового узла АСАГ на адекватность для двух режимов его работы: в области как положительных (^>0), так и отрицательных (5<0) скольжений следующими способами:

- построением внешних и регулировочных характеристик;

- построением векторных диаграмм;

- построением годографов напряжения и тока возбуждения (в функции скольжения).

Полученные результаты ИКМ характеризируются физической непротиворечивостью, с достаточно высокой точностью подтверждают адекватную работу АМФР в режиме АСАГ, а также совпадают (на качественном уровне) с известными результатами, полученными другими исследователями.

7. На основе разработанной ИК-модели системы стабилизации частоты на базе АСАГ с НПЧ получены результаты, необходимые при системном проектировании.

8. Аналитически исследованная возможность и целесообразность увеличения полюсности ВСМ (в системе АСАГ) дополнительно проверена и подтверждена на основе ИКМ.

9. Функциональная работоспособность НПЧ с разработанными снаббер-ными устройствами в системе АСАГ проверена и подтверждена на основе ИКМ. Даны рекомендации, необходимые для выбора параметров снабберных устройств.

10. На основе ИКМ исследована возможность использования для возбуждения АСАГ альтернативного варианта СПЧ типа ПЧЗПТ (преобразователь частоты со звеном постоянного тока) и определены результаты, которые иллюстрируют физические процессы в АСАГ. При работе в области отрицательных скольжений выпрямительное звено ПЧЗПТ должно выполняться реверсивным.

11. В варианте АСАГ с ПЧЗПТ на основе трехфазного инвертора с ШИМ выходного напряжения показана целесообразность установки на выходе системы небольшого трехфазного Г-образного фильтра. Его параметры определены на основе ИКМ.

12. Особенностью варианта СЭС с ЧПЭ (на базе САГ), относительно варианта СЭС с ППЭ (на базе СГ) является то, что электромеханический коэффициент усиления по мощности (ЭКУ) - меняется практически обратно пропорционально значению скольжения - с ростом скольжения он уменьшается (см. рис. 3-7), т.е. мощность возбуждения АСАГ с увеличением скольжения возрастает относительно режима с 5=0 .

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук КьО Зо Лин, 2012 год

1. Джон Кеоун. Oread pspice и анализ цепей. Прентис-Зал. США, 2000. - 609 е.).