Управление машиной двойного питания, генерирующей электроэнергию при переменной частоте вращения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Муравьев Артем Артурович

• Муравьев Артем Артурович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Муравьев Артем Артурович

ВВЕДЕНИЕ

1 ВЫРАБОТКА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В УСТАНОВКАХ НА БАЗЕ МДП И ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ОБОРУДОВАНИЯ

1.1 Машина двойного питания, как электромеханический преобразователь энергии

1.2 Нагрузочные устройства и испытательные стенды

1.3 Системы генерирования электроэнергии

1.4 Преобразователи частоты, работающие совместно с МДП

Выводы

2 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

2.1 Электрическая установка генерации электроэнергии

2.2 Математическое описание элементов электромеханической системы генерирования электроэнергии на базе МДП

2.3 Особенности энергетических режимов МДП

2.4 Выбор системы и принципов управления МДП

Выводы

3 РАЗРАБОТКА РЕЛЕЙНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ МДП, РАБОТАЮЩЕЙ В ГЕНЕРАТОРНОМ РЕЖИМЕ

3.1 Автономный инвертор напряжения с релейным регулятором тока

3.2 Дополнительный коммутатор в цепи постоянного тока

3.3 Оптимизация блока переключения ключевых элементов инвертора

3.4 Анализ работы генераторной установки на базе МДП при внешних воздействиях

3.5 Управление генераторной установкой на базе МПД при питании асинхронного двигателя во время частотного пуска

Выводы

4 ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

4.1 Экспериментальные исследования энергетических показателей

4.2 Экспериментальное исследование релейного алгоритма управления преобразователем

4.3 Работа генераторной установки параллельно с сетью

4.4 Применение МДП в машине правки растяжением

4.5 Система частотного асинхронного электропривода с рекуперацией энергии в сеть при торможении

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ А. ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ АСИНХРОННЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. ОБЪЕКТЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ 141 ПРИЛОЖЕНИЕ В. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕНЕРАТОРНОЙ

УСТАНОВКИ НА БАЗЕ МДП ПРИ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. СИСТЕМА АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С

ЧАСТОТНО-ТОКОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ ЧАСТОТНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С

РЕКУПЕРАЦИЕЙ ЭНЕРГИИ В СЕТЬ ПРИ ТОРМОЖЕНИИ

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. СПРАВКА О ВНЕДРЕНИИ В УЧЕБНЫЙ ПРОЦЕСС

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Управление машиной двойного питания, генерирующей электроэнергию при переменной частоте вращения»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Устойчивая тенденция развития систем генерирования электроэнергии базируется на повышении энергоэффективности электрических систем, достигаемой за счет разработки систем резервного и автономного электроснабжения, что определяет необходимость продолжения работ по совершенствованию систем генерирования электроэнергии и алгоритмов управления генераторными установками. Среди известных систем, вырабатывающих электроэнергию, важное место занимают системы генерирования электроэнергии при переменной частоте вращения вала. Область использования таких систем в настоящее время расширяется и охватывает электроагрегаты (судовые, стационарные, передвижные), управляемые электромеханические системы (транспортные машины, малые ГЭС и ветроэнергетические установки, нагрузочные устройства).

Одной из важных задач является обеспечение потребителей постоянной частотой питающего напряжения при переменной частоте вращения вала источника механической энергии. Применение машины двойного питания (МДП) в таких системах имеет большие перспективы. Конкурентоспособное место в системах генерирования электроэнергии МДП занимает благодаря хорошим регулировочным возможностям.

Развитием области применения машины двойного питания занимались отечественные ученые - Ю.Г. Шакарян, М.М. Ботвинник, Г.Б. Онищенко, В.Г. Титов, С.В. Хватов, Ю.П. Сонин, А.С. Сандлер, и др. Среди зарубежных ученых - W. Hofmann, А. Petersson, В. Rabelo, A.D. Hansen, R. Datta, T. Ranganathan, А.Р. Edvardsen и др.

Анализ существующих систем генерирования электроэнергии показывает, что применение МДП с различными типами преобразователей частоты изучено недостаточно. Малоизученными остаются алгоритмы работы преобразователей частоты, которые являются источниками питания МДП. Недостаточно изучены

вопросы, связанные с влиянием нагрузки на энергетические показатели МПД, генерирующей электроэнергию при условии переменной скорости вращения вала.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №17-48-480492 «Анализ, математическое моделирование и оптимизация управления электромеханическими системами с электроприводами переменного тока мехатронных устройств, манипуляторов и грузоподъемных механизмов».

Объект и предмет исследования. Объектом являются системы генерирования электроэнергии, реализованные на базе асинхронной машины с фазным ротором, работающей в режиме двойного питания при переменной частоте вращения вала, имеющие релейно-гистерезисные системы формирования токов в обмотках машины. Предметом являются процессы, происходящие в машине двойного питания, работающей в генераторном режиме, при формировании мгновенных значений тока в обмотках ротора, обеспечивающих заданное значение амплитуды и частоты гармонического напряжения на выходах обмотки статора при переменной частоте вращения вала машины.

Цель работы - развитие систем генерирования электроэнергии на базе машины двойного питания с повышением энергоэффективности за счет применения новых схемных решений и совершенствования алгоритмов управления, обеспечивающих регулирование мгновенных значений тока ротора.

Идея работы заключается в разработке электромеханической системы с возможностью рекуперации электроэнергии на базе асинхронной машины с фазным ротором с подключенным к обмотке ротора силовым преобразователем, обеспечивающим выработку электроэнергии с низким коэффициентом нелинейных искажений при изменении частоты вращения вала вниз от номинальной.

Задачи диссертационной работы:

- определение зоны эффективной выработки электроэнергии в диапазоне скорости вращения вала генератора от нуля до номинальной;

- разработка алгоритма управления преобразователем частоты с

пониженным числом коммутаций силовых ключей;

5

- разработка системы автоматического управления МДП, обеспечивающей постоянную частоту и амплитуду выходного напряжения;

- разработка системы управления с векторной коррекцией фазы тока ротора, позволяющей перевести генераторную установку на базе МДП в режим источника реактивной мощности;

- разработка системы торможения высокоинерционных механизмов, оснащенных электроприводом переменного тока на базе асинхронной машины с фазным ротором с обеспечением рекуперации энергии в питающую сеть;

- разработка системы частотного пуска и питания АД в установившемся режиме от электроэнергетической генераторной установки на базе МДП.

Научные результаты, выносимые на защиту:

- способ управления МДП, обеспечивающий генерацию электроэнергии заданного качества, с релейным формированием синусоидального тока в обмотке ротора;

- алгоритм управления автономным инвертором, обеспечивающим синусоидальную форму первой гармонической составляющей с ограничением высших гармонических составляющих тока на выходе;

- система управления автономным генератором, обеспечивающая стабилизацию частоты и амплитуды выходного напряжения;

- система управления генератором и результаты исследований его работы параллельно с сетью;

- имитационная модель и результаты компьютерного моделирования разработанной системы управления МДП, работающей в генераторном режиме;

- результаты экспериментальных исследований МДП, работающей в генераторном режиме.

Научная новизна работы:

- разработан новый способ управления машиной двойного питания,

работающей в генераторном режиме с выработкой электроэнергии, отличающийся

принципом формирования тока возбуждения в обмотке ротора с использованием

релейно-гистерезисного регулирования мгновенных значений тока возбуждения с

6

учетом изменения частоты вращения вала, получены зависимости между регулируемыми и выходными переменными машины двойного питания;

- определена рациональная структура и параметры системы рекуперации энергии в сеть, выполненной на базе машины двойного питания, отличающаяся наличием системы регулирования, вырабатывающей управляющие воздействия, позволяющие генераторной установке работать в зоне эффективной выработки электроэнергии;

- разработан метод коррекции положения вектора тока ротора машины двойного питания, обеспечивающий повышение КПД генераторной установки, отличающийся учетом взаимного положения векторов токов статора и ротора и напряжения на выводах обмоток ротора, позволяющий регулировать соотношение между активной и реактивной составляющими вырабатываемой электроэнергии.

Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждается выполненными сравнениями данных, полученных при компьютерном моделировании, с экспериментальными данными, а также определяется отсутствием противоречий с положениями теории электрических машин, электропривода и теории автоматического управления.

Теоретическая значимость работы:

- разработан алгоритм релейного управления нелинейным объектом с машиной двойного питания и вентильными преобразователями, позволяющий формировать выходные напряжения с допустимыми отклонениями;

- предложена система управления, обеспечивающая постоянство амплитуды и частоты выходного напряжения генератора при изменении скорости вращения вала генератора.

Практическая значимость работы:

- обеспечено снижение потерь на ключевых элементах инвертора и увеличение срока его эксплуатации за счет использования нового алгоритма управления ключевыми элементами инвертора;

- повышение энергоэффективности установки за счет инвертирования энергии в питающую сеть или передачи ее автономным потребителям с обеспечением заданного качества вырабатываемой электроэнергии.

Реализация результатов работы. Результаты исследований, полученные при выполнении работы, внедрены в учебный процесс направления 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» Липецкого государственного технического университета (ЛГТУ), на ООО «ИнтерЭкоТехнологии» г. Липецк, на ПАО «НИПТИЭМ» г. Владимир.

Соответствие диссертации Паспорту научной специальности. Диссертация соответствует следующим пунктам Паспорта научной специальности:

1. Развитие общей теории электротехнических комплексов и систем, изучение системных свойств и связей, физическое, математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем.

2. Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления.

Методология и методы диссертационного исследования. В диссертационной работе поставленные задачи решались с использованием теории автоматического управления, электропривода и электрических машин, а также с применением методов компьютерного моделирования и проведением экспериментальных исследований. Решение уравнений при компьютерном моделировании математических моделей осуществлялось численными методами в программной оболочке Ма^АВ/БтиПпк.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее

результаты представлялись и обсуждались на Международной (XVIII

Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-

2012» (Иваново 2012); на областном профильном семинаре «Школа молодых

ученых» по проблемам технических наук (Липецк 2013); на Всероссийской научно-

практической конференции «Автоматизированный электропривод и автоматика»

8

(Липецк 2014); на VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2014» (Саранск 2014); на международной шестнадцатой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» (Екатеринбург 2015), на финальном мероприятии по отбору работ по программе У.М.Н.И.К. фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Липецк 2016); на международной XII научно-практической конференции «Современные сложные системы управления» (Липецк 2017), на семнадцатой международной научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» (Екатеринбург 2018).

Публикации. Тема диссертации освещена в 12 печатных работах, в том числе 2 опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 9 в материалах научных конференций и других изданиях, 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 116 наименований, и 7 приложений. Общий объем работы - 159 страниц. Основная часть изложена на 136 страницах текста, содержит 116 рисунков, 77 формул, 8 таблиц.

1 ВЫРАБОТКА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА БАЗЕ МДП И ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ОБОРУДОВАНИЯ

1.1 Машина двойного питания, как электромеханический преобразователь

энергии

В настоящее время переменный ток является наиболее распространённым, как среди потребителей, так и источников. Переменный ток при передаче на большие расстояния имеет меньшие потери.

Среди машин переменного тока наиболее распространённой является асинхронная машина. Простой по конструкции, исполнению и эксплуатации признается асинхронная машина с короткозамкнутым ротором. В системах с регулированием скорости получила широкое распространение асинхронная машина с фазным ротором. Для расширения скоростного диапазона вместе с асинхронной машиной используют редуктор. В 1899 году немецким ученым М. Клоссом был запатентован способ, позволяющий применять асинхронную машину с фазным ротором во многих механизмах без редуктора. В этом способе напряжение подавалось на статор и на ротор, что позволяло развивать удвоенную синхронную скорость вращения. Такое подключение асинхронной машины стали называть машиной двойного питания [6, 7, 88-90].

«Машина двойного питания - асинхронная машина с фазным ротором, цепь статора и ротора которой подключены к источнику питания с включением преобразователя частоты в одной из цепей» (рисунок 1.1) [17, 18].

Основой машины двойного питания является асинхронная машина с фазным ротором (АМФР). Область ее применения достаточно широка. АМФР используется в грузоподъемных механизмах, электроприводах конвейеров, мельницах и т.д. Одним из первых способов управления было применение пускорегулирующей аппаратуры в цепи ротора. Далее перспективным направлением стала система асинхронно-вентильного каскада (АВК) [22, 26].

Управляющий

ПЧ

сигнал

Рисунок 1.1 - Машина двойного питания

Системы АВК позволяют использовать МДП в уникальных, для асинхронной машины, режимах работы. Рабочая область полнодиапазонной машины двойного питания представлена на рисунке 1.2 [55, 56].

Как видно из рисунка, для работы электропривода при скоростях выше синхронной в двигательном и ниже в генераторном преобразователь в цепи ротора должен обладать возможностью передавать мощность скольжения в обмотку ротора. Т.е. преобразователи частоты в цепи статора и ротора должны обеспечивать двухсторонний обмен энергией между нагрузкой и питающей сетью [93-95].

ю А

М

Рисунок 1.2 - Рабочий диапазон МДП

Генераторные установки (ГУ) на базе машины двойного питания обладают следующими достоинствами [34, 54, 81-84]:

1. Осуществляют выработку напряжения с фиксированной частотой при изменении скорости вращения вала.

2. Характеризуются большей устойчивостью, чем синхронные генераторы.

3. Осуществляют обмен реактивной мощности с сетью.

4. Мощность роторного ПЧ меньше мощности машины.

При разработке системы управления генераторной установкой следует учитывать тип потребителя. В случае применения МДП, работающей в генераторном режиме при изменяющейся скорости вращения вала, можно выделить два типа потребителей: автономный потребитель и промышленная сеть [25, 31, 65]. Механизмы, питающиеся от таких источников, можно распределить на несколько групп (рисунок 1.3).

АДФР в режиме МДП

Нагружающие устройства и испытательные стенды

Возобн овля емые и резервные источники энергии

Механизмы разматывателей полосы металла и натяжные устройства

Высокоинерционные механизмы циклического действия

Рисунок 1.3 - Классификация электромеханических преобразователей

энергии на базе МДП

Среди механизмов, работающих в основном с автономной нагрузкой, можно отметить такой класс, как нагружающие устройства и испытательные стенды. Испытывают на стендах двигатели внутреннего сгорания и электрические машины.

Электрическая энергия, получаемая в результате электромеханического преобразования, используется для питания автономных потребителей и для рекуперации ее в сеть. В качестве второй группы, работающей с автономными потребителями, можно выделить возобновляемые и резервные источники энергии. Примерами таких механизмов служат ветрогенераторные установки и установки на основе дизельных генераторов [68-71]. Они в большинстве своем работают на автономную нагрузку, но при этом не исключают режима параллельной работы с сетью в случае появления такой необходимости [74-77].

На крупных промышленных предприятиях энергетическая сеть очень разветвленная, и в составе агрегатов электрические машины могут работать в разных режимах работы. При этом вырабатываемая электрическая энергия машинами, работающими в генераторном режиме, может быть использована для питания как ближайших потребителей, так и удаленных. В таких случаях электрические генераторы рассматривают в режиме параллельной работы с сетью. В металлургической промышленности генераторный режим присутствует в механизмах разматывателей полосы металла и в устройствах натяжения полосы, например, в машине правки растяжением. Для повышения энергоэффективности в механизмах с большим моментом инерции необходимо использовать режим рекуперации энергии в сеть при торможениях. Механизмы с такими свойствами в большинстве своем представлены в обрабатывающей и перерабатывающей промышленности, например, мельницы и центрифуги.

1.2 Нагрузочные устройства и испытательные стенды

Одной из областей применения генераторных режимов МДП являются испытательные стенды, где асинхронный привод выступает в роли нагрузочного устройства. Испытательные стенды применяются как для испытания электрических двигателей, так и для двигателей внутреннего сгорания.

Одним из важных факторов выбора нагрузочного устройства является коэффициент полезного использования энергии испытуемых ДВС. Классификация по этому признаку позволила составить схему, представленную на рисунке 1.4 [81].

Рисунок 1.4 - Классификационная схема нагружающих устройств

В первой группе устройств энергия испытуемого двигателя полностью теряется. Во второй - часть энергии ДВС возвращается в питающую сеть, остальная энергия полезно не используется. Наиболее рациональное использование энергии происходит с применением устройств третьей группы, в которых энергия практически целиком преобразуется в электрическую и передается в энергосистему [81].

Рассмотрим подробнее третью группу. К ней относятся наиболее перспективные нагружающие устройства. Отличие таких устройств обусловлено высокими энергетическими показателями, возможностью большей автоматизации и выполнением на более современном техническом уровне. Начало развития этой группы было связано в основном с электроприводами постоянного тока. Далее с развитием и широким применением вентильных преобразователей процент использования систем переменного тока повышался.

Система «генератор-двигатель» позволяет реализовать режимы холодной и горячей обкатки, используя полный диапазон скорости вращения электрической машины. Среди недостатков можно выделить большую установленную мощность и значительные потери, связанные с тройным преобразованием энергии. При генерации электроэнергии требуются характеристики, приведенные на рисунке 1.5. Они могут быть обеспечены электроприводами постоянного и переменного тока.

Рисунок 1.5 - Требуемые механические характеристики нагружающее

устройства

Вариант системы «Машина постоянного тока - тиристорный преобразователь» является развитием предыдущего варианта. Полупроводниковый преобразователь заменил пару «мотор-генератор». Нагрузочная характеристика практически не отличается от предыдущего варианта [14, 55, 56, 81].

Система «Асинхронный двигатель - преобразователь частоты» позволяет проводить испытания с частотой вращения более 5000 об/мин (рисунок 1.6). Такие высокие скорости вращения обеспечиваются за счет повышения выходной частоты преобразователя. Вид предельной нагрузочной характеристики совпадает с системой «генератор-двигатель». Основные недостатки - значительная установленная мощность преобразователя частоты и его сложность исполнения.

Сеть

Рисунок 1.6 - Система «Асинхронный двигатель - преобразователь

частоты»

Нагружающие устройства могут быть реализованы на базе машины двойного питания (рисунок 1.7, а) [55, 56, 81].

Отличительной чертой таких устройств является малая установленная мощность преобразователя частоты, через который проходит часть энергии ДВС, определяемая скольжением асинхронной машины. В зависимости от типа вентильного преобразователя различают различные варианты нагружающих устройств на основе МДП.

Наиболее простым НУ из рассматриваемой группы является система, реализованная на базе асинхронных вентильных каскадов (АВК). Нагружающие устройства по схеме вентильного каскада обеспечивают холодную обкатку до синхронной частоты вращения юо и горячую - при частоте вращения, превышающей юо. Предельная нагрузочная характеристика таких НУ представлена на рисунке 1.7, б. Ограничение при горячей обкатке минимального значения частоты вращения величиной юо является недостатком таких систем. Свободным от данного недостатка является НУ на основе АВК с блоком динамического рекуперативного торможения. В зоне частот вращения от юо до о указанное НУ обеспечивает горячую обкатку, работает в режиме динамического торможения с рекуперацией энергии испытуемого двигателя через вентильный преобразователь. Предельная нагрузочная характеристика здесь более широкая (рисунок 1.7, в).

16

Наличие контактных колец в асинхронной машине с фазным ротором относят к основным недостаткам, снижающим надежность НУ. Анализ действующих в стране НУ показывает, что наиболее распространенной причиной выхода из строя НУ является выход из строя электрической машины [29, 30, 73, 86, 87].

Сеть

б - предельные характеристики; в - предельные характеристики с динамическим торможением

1.3 Системы генерирования электроэнергии

АМФР активно применяется в системах генерирования электроэнергии с переменной частотой вращения вала, т.к. основным достоинством является возможность генерирования напряжения постоянной частоты при переменной частоте вращения [103, 105].

Преобразование механической мощности при переменной скорости вращения используется в ветрогенераторных установках, валогенераторных установках, используемых как автономные источники энергии на транспортных объектах (морские суда, воздушные суда, автомобили). Достоинствами переменно-скоростных генераторных установок, по сравнению с постоянно-скоростными, являются меньшие механические нагрузки и акустический шум, а также преобразование большего количества энергии [96-98].

АМФР в системе генерирования электроэнергии имеет несколько схем включения. Рассмотрим подробнее ветроэнергетические установки (ВЭУ), осуществляющие генерацию электрической энергии.

На рисунке 1.8 приведена схема установки, работающей в узком диапазоне скоростей вращения ротора. Конфигурация разработана фирмой «Vestas». В цепь ротора асинхронного генератора с фазным ротором включены добавочные переменные резисторы, которые позволяют контролировать выходную мощность ВЭУ [99-102]. Вал машины подключен к источнику механической энергии (ИМЭ). Диапазон изменения скорости от 100% до 110% синхронной скорости. Для компенсации реактивной мощности в цепь статора включена батарея конденсаторов. Преимуществом схемы является простота. К недостаткам можно отнести потери энергии на добавочном сопротивлении в цепи ротора и небольшой диапазон изменения скорости [39-41].

На рисунке 1.9 приведена установка на базе машины двойного питания. Она имеет ограниченный диапазон скорости вращения. Особенностью схемы является применение в цепи ротора преобразователя частоты, рассчитанного на 30% номинальной мощности [104, 108-110].

Рисунок 1.8 - Конфигурация ветроустановки фирмы «Vestas»

Диапазон ограничен максимально допустимым током в роторной цепи и установленной мощностью преобразователя частоты. Схема используется при скорости вращения ротора выше и ниже синхронной [107]. Преимуществами являются меньший по мощности преобразователь и возможность плавного подключения к сети или нагрузке, а также компенсация реактивной мощности. Недостаток - ограниченный диапазон изменения скорости [39-41, 80].

На рисунке 1.10 приведена установка с широким скоростным диапазоном, в которой применяется асинхронный генератор с короткозамкнутым ротором (АГКР), синхронный генератор с независимым возбуждением (СГНВ) или с

возбуждением от постоянных магнитов (СГПМ) [111-116]. Потребитель подключен к генератору через преобразователь частоты. Особенностью схемы является возможность подключения генератора к источнику механической мощности без согласующего редуктора. Недостатком является применение преобразователя частоты номинальной мощности [39-41].

частоты

Рисунок 1.10 - Ветроустановка с широким скоростным диапазоном 1.4 Преобразователи частоты, работающие совместно с МДП

1.4.1 Виды преобразователей частоты

Преобразователи частоты, применяемые в силовых цепях, имеют модульную конструкцию. Традиционно преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока включает в себя два модуля: выпрямитель и инвертор. Далее в зависимости от применяемых типов выпрямителей и инверторов в цепь постоянного тока могут быть добавлены конденсатор или катушка индуктивности. Большинство преобразователей построены по мостовой схеме. Выпрямители делятся на неуправляемые и управляемые, с возможностью отдачи энергии в сеть.

Инверторы делятся на:

- автономные инверторы тока (АИТ) (рисунок 1.11, а);

- автономные инверторы напряжения (АИН) (рисунок 1.11, б);

- автономные резонансные инверторы (АРИ) (рисунок 1.11, в).

ИМЭ

Потребитель

АИН обеспечивают жесткие характеристики и часто применяются в разомкнутых системах. К недостаткам относится большое количество управляемых вентилей и в случаях использования режима рекуперации энергии в сеть применение инверторов, ведомых сетью [15, 62, 67].

АИТ реализует режим рекуперации энергии в сеть при более простой конструкции, чем АИН. К недостаткам относится прямоугольная форма тока, из-за которого форма электромагнитного момента и скорости имеет пульсирующий характер, так как поток в машине определяется током.

Работа АИР построена на реализации колебательного контура между конденсатором в цепи источника питания и индуктивностью нагрузки. При такой работе ток в цепи по форме близок к синусоиде. В АИР часто применяются однооперационные тиристоры. Недостатком резонансных инверторов является повышенное напряжение на элементах цепи по сравнению с напряжением питания.

Среди АИ, построенных на тиристорах, наибольшими реализуемыми частотами обладают резонансные АИ, сферой применения которых является электротермия и электротехнологии.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Муравьев Артем Артурович, 2018 год

-- - - - - - - - - А

этом в рамках допустимых значений при одинаковой механической мощности на выходе имеем большую полезную мощность.

Рисунок 4.19 - Зависимость КПД от механической мощности

При изменении угла а также происходит перераспределение мощностей в цепи статора и, как это было показано выше, приводит к отдаче реактивной мощности в сеть. Зависимость отдаваемой реактивной мощности от тока ротора представлена на рисунке 4.20.

700 600 500 400 300 200 100 0

2 4 6 8 10

Рисунок 4.20 - Зависимость реактивной мощности от тока ротора

109

д Q, ВАр ---------- ---------- ---------- ----------

------------ -----------

-- -^^ - - I А

В металлургическом производстве можно выделить группу электроприводов, работающих в генераторном режиме. Такого рода приводы используются для создания тормозных моментов, которые необходимы, например, для создания натяжения полосы металла. Натяжение полосы металла - важный технологический параметр, который отслеживается и регулируется при транспортировке полосы по линии агрегата [3, 10].

На металлургических предприятиях в технологической цепочке присутствует непрерывный травильный агрегат.

Непрерывно - травильный агрегат (НТА) предназначен для удаления окалины с поверхности горячекатаных полос низкоуглеродистых и углеродистых марок стали путем механической обработки и травления их в растворе соляной кислоты, обрезки боковых кромок, смотки полосы в рулон и разделения рулонов.

Как и большинство агрегатов металлургического производства, НТА имеет в своем составе узлы, выполняющие не специализированные функции. Каждый узел, в первую очередь, выполняет задачу, характерную для нескольких агрегатов.

Машины правки растяжением (МПР) включают в линию агрегатов для улучшения плоскостности полос. В составе НТА их используют не только для улучшения плоскостности, но и для механической обработки полос и удаления окалины с их поверхности. МПР способствует более полному удалению раствора с поверхности полосы в отжимных роликах (при этом увеличивается срок службы отжимных и транспортных роликов и уменьшаются потери кислоты); стабилизации процесса травления (уменьшается вероятность поперечного смещения полосы); повышения стойкости ножей (уменьшается «волнистость» полос и облегчается обрезка кромок); упрощению заправки полос в стан и т.д.

На рисунке 4.21 представлена функциональная схема машины правки растяжением.

Ролик 3 и 4 образуют группу роликов переднего натяжения. Их основная

задача транспортировать полосу металла через МПР. Ролики 1 и 2 относятся к

110

группе роликов заднего натяжения и обеспечивают заданный уровень натяжения внутри МПР. Нажимные ролики выполняют основную функцию МПР.

Ролик 1

Ролик 2

Нажимные ролики

ООО

Ролик 3 Ролик 4

Рисунок 4.21 - Функциональная схема машины правки растяжением

Функциональная схема узла вычисления и регулирования натяжения представлена на рисунке 4.22.

8зад а. Аб

X

Юз

8 8тек

И

Аю —►

Рисунок 4.22 - Функциональная схема узла вычисления натяжения

До и после роликов натяжения стоят датчики скорости. По разнице скоростей вычисляется текущая вытяжка. По обратной связи текущая вытяжка поступает на отрицательный вход сумматора. На положительный вход поступает задание на вытяжку. Разница между заданной величиной и величиной обратной связи поступает на И-регулятор, который на выходе дает задание на разность скоростей между первым и вторым роликом заднего натяжения. Разница скоростей поступает в систему управления каждого привода.

При прокатке металла натяжение поддерживается на одном заданном уровне, поэтому механическая характеристика имеет линейный вертикальный вид.

111

На НТА стоят приводы постоянного тока, что при глубоком регулировании дает низкий cos ф и, как следствие, потребление реактивной мощности. Предлагается заменить приводы роликов заднего натяжения с постоянного тока на переменный. Система управления обеспечит отдачу качественной энергии в сеть, а при необходимости и отдачу реактивной энергии, которая будет компенсировать потребление реактивной энергии соседними приводами.

4.5 Система частотного асинхронного электропривода с рекуперацией энергии в сеть при торможении

В электроприводах, устанавливаемых на механизмах с циклическим режимом работы, с частыми пусками и торможениями, можно эффективно использовать рекуперацию энергии в сеть во время торможения.

Функциональная схема предлагаемой установки представлена на рисунке 4.23. Система управления построена c совмещением принципов, разработанных в разделах 3.3 и 3.5. Формирователь тока 8 получает значения амплитуды и частоты выходного тока преобразователя частоты от блока переключения режимов работы машины 9. На вход блока 9 поступают сигналы: переключения режима от блока 14, амплитудного значения и частоты выходного тока преобразователя в двигательном режиме от блока 10 и в генераторном режиме от блока 11. Для обеспечения работы регуляторов в блок регуляторов двигательного режима 10 поступает обратная связь по скорости от блока 16. На вход блока регуляторов генераторного режима 11 поступают сигналы обратной связи по скорости от блока 16 и по напряжению цепи ротора от блока 13. Задание на переключение режима поступает от блока управления режимами 14 в блок 9 и блок 12 - систему силовых коммутаторов. Система силовых коммутаторов 12 обеспечивает переключение схемы соединения цепи ротора: в двигательном режиме - ротор замыкается накоротко; в режиме синхронизации - подключается нагрузка 6 и конденсаторные батареи 15; в генераторном режиме - ротор подключается к сети и при необходимости к батарее конденсаторов.

Изм. 2 а) Коммутатор

Возбудитель

б)

14

13

10

11

16

21

11Ь

Ль

23

22

25

24

1-3

1 г

1 4

26 1 ,

1

1 1

Рисунок 4.23 - Функциональная схема системы частотного электропривода: а - обобщенная схема; б - развернутая схема

9

8

7

Блок регуляторов двигательного режима 10 построен на принципах частотно-токового управления [47], рассмотренных в Приложении Г и разделе 3.5. Функциональная схема этого блока представлена на рисунке 3.35. Блок регуляторов генераторного режима 11 построен на принципах, рассмотренных в разделе 3.3. Функциональная схема этого блока представлена на рисунке 3.6.

Для исследования эффективности предлагаемой системы управления автономным инвертором, подключенным к асинхронной машине с фазным ротором, в режиме рекуперации энергии в сеть в программной оболочке Ма11ЬаЬ/81ти1тк реализована модель, представленная на рисунке 4.24.

Пуск асинхронной машины с закороченным фазным ротором осуществляется при питании статора от автономного инвертора, имеющего скалярную систему частотно-токового управления. С такой же схемой питания и закороченным фазным ротором АД работает в установившемся режиме. В начале торможения в цепь ротора вводится сопротивление, и затем осуществляется синхронизация напряжения в цепи ротора с сетью. Этот процесс длится в течении 0,08 секунды. После синхронизации цепь ротора подключается к сети, и накопленная кинетическая энергия преобразуется в электрическую и рекуперируется в сеть.

р|

КЗ

<Яо1ог эреес! (шп)> <Е1ес(готадпеИс 1огцие Те (ГГт)>

■ГП

□

i 1 т

Блок конденсаторов

-

„

Измеритель2

Рисунок 4.24 - Компьютерная модель системы частотного асинхронного электропривода с рекуперацией энергии в сеть при торможении

На рисунке 4.25 представлены переходные процессы по скорости и моменту при пуске и торможении. Колебания момента двигателя в пусковом режиме характерны для систем асинхронного электропривода с частотно-токовым управлением [47-49]. На рисунке 4.26 представлен переходный процесс в цепи статора.

ю, рад/с 100

а)

50

0

М, Нм 400' 200

б) --200

-400

0,5

1,5

2,5

г, с

Ал, Л/ч

\\j\J —

0 5 1 5 г 2 5 3

г, с

Рисунок 4.25 - Переходные процессы: а - ю(1;); б - М(г)

II, А

_ 1 ........... I;,5

3!, с

Рисунок 4.26 - Переходный процесс 11(1)

В качестве двигателя был выбран асинхронный двигатель с фазным ротором марки 4АНК200М6У3, мощностью 22 кВт и приведенным моментом инерции I 1 кгм2. Переходный процесс на участке торможения представлен на рисунке 4.27.

ю, рад/с 100' 80

а)

М Н.м 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,75 1, с ' 100;

б)

50 0 -50 ■100

,8 1 1 2 1 4 1 ,6 1,' 75 г, с

Рисунок 4.27 - Переходные процессы: а - ю(1); б - М(1)

Кинетическая энергия, запасенная во вращающихся частях, при скорости 80 рад/с:

1ю2 1- 802

^3200 Дж.

(4.6)

Энергия при пуске расходуется на потери, часть ее преобразуется в механическую и запасается во вращающихся частях.

Р -1 =ЛР-1 + Ш

1 1пуск 1пуск "к.

(4.7)

Потери при пуске:

Рпот = 3^ + 3(1 '2)2Я'2 = 3 -1062 -0,1919+3 -1032 -0,1466 = 11134 Вт.

(4.8)

Рпот = 312К1 + 3(1 '2)2Я'2 = 3• 142 • 0,1919+3• 13,52 • 0,1466 = 193 Вт, (4.9) Энергия, затраченная на пуск:

Р1 • 1 пуск = АР • 1 пуск + Шк = 11134-1,3+3200 = 17674 Вт • с. (4.10)

Энергия, отдаваемая по цепи ротора, за время торможения, по данным моделирования, равна 8100 Дж. Торможение длилось 1,75 с. Мощность цепи ротора при торможении:

р2 = Ш = 100 = 4629 Вт. (4.11)

% 1,75

Торможение осуществлялось при постоянном моменте и средняя механическая мощность на участке торможения равна:

Ш 3200

Рмех.ср. = = ^"75 = 1829 Вт. (4.12)

Механическая мощность в начале торможения:

Рмех = Рмех.ср. • 2 = 1829 • 2 = 3658 Вт. (4.13) Момент на валу при торможении:

М = ^ех = 3658 = 45,7 Н • м. (4.14) ш 80

Баланс мощностей:

Рмех + Р1 = Р2 +АР (4.15)

РсетьО = р2 -Pl = Рмех - AP = 3658 -193 = 3465 Вт.

(4.16)

Мощность, потребляемая по цепи статора:

P1 = P2 + AP - Рмех = 4629 +193 - 3658 = 1164 Вт.

(4.17)

Для определения энергии, отданной в сеть за время торможения, был построен график изменения мгновенных активных мощностей, приведенный на рисунке 4.28. Энергия, генерируемая цепью ротора, расходуется на возбуждение машины по цепи статора и потери в машине. Таким образом, энергия, отдаваемая в сеть, будет пропорциональна площади треугольника ABC на рисунке 4.28.

P, Вт

P2=4629

2000 P1+AP=1357 1000

0 0,5 1 1,5 t2=1,75 2 t, с

Рисунок 4.28 - График мощностей при торможении

Энергия, отдаваемая в сеть:

^еть = 2 AP • t1 = 1-3272 -1,6 = 2618 Дж.

(4.18)

Процент возвращаемой энергии в сеть относительно энергии, затраченной на

пуск:

Ш 2618

Лшск = = -100% = 14,81%. (4 19)

пуск Р1 -1 17674

х 1 1пуск ЧУЛ-Г

Процент возвращаемой энергии в сеть относительно запасенной кинетической энергии во вращающихся частях:

; 2618

Лк = =— -100% = 81,81%. (4.20)

Шк 3200 4 7

Энергия, отдаваемая в сеть, за одно торможение в кВтч: Ш 2618

^=3^=°,000727 кВт- (421)

При цикличной работе механизма с длительностью одного цикла 3 минуты за один час в сеть возвращается:

;сегь1ч = 0,000727 - 20 = 0,01454 кВт - ч. (4.22)

При работе по трехсменному графику за одни сутки в сеть возвращается:

;сеть1с = 0,01454 - 24 = 0,349 кВт - ч. (4.23)

За месяц работы:

ШсепЛм = 0,349 - 30 = 10,47 кВт - ч. (4.24) За год:

;сеть1г = 10,47-12 = 125,64 кВт - ч. (4.25)

При стоимости электроэнергии 3 руб. за 1 кВтч экономический эффект за год составит:

Э1 = 125,64 • 3 = 376,92 руб.

(4.26)

Для достижения большего экономического эффект необходимо применять систему с двигателями большей мощности и в высокоинерционных механизмах. При использовании двигателя мощностью 200 кВт и механизме с двухкратным моментом инерции относительно двигателя (приведенный момент инерции 80 кгм2) запасенная кинетическая энергия равна:

= ^ = 1802802 = 576000 Дж. (4.27)

Энергия, отдаваемая в сеть:

Шсе1ъ2 = лк = 576000 • 81,81% = 471225,6 Дж. (4.28)

Энергия, отдаваемая в сеть, за одно торможение в кВтч:

Ш 471225 6

^ = з-^==0Д309 ^ (429)

При цикличной работе механизма с длительностью одного цикла 5 минут за один час в сеть возвращается:

Шсетъ2ч = 0,1309 42 = 1,57 кВт • ч. (4.30) При работе по трехсменному графику за одни сутки возвращается:

-сеть2с = 1,57 • 24 = 36,68 кВт • ч. (4.31) За месяц работы:

Шсеть 2м = 36,68 • 30 = 1130,4 кВт • ч. (4.32)

;сеть2г = 1130,4-12 = 13564,8 кВт - ч. (4.33)

Экономический эффект за год составит:

Э2 = 13564,8 - 3 = 40694,4 руб. (4.34)

Таким образом, применение системы с рекуперацией энергии в сеть при торможении в высокоинерционных механизмах является экономически целесообразным.

Достоинством рассмотренной системы электропривода по сравнению с типовыми системами частотного электропривода на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, реализующими тормозные режимы, является уменьшенное количество управляемых ключей.

1. Экспериментальные исследования энергетического баланса в машине двойного питания, работающей в режиме генератора, подтверждают адекватность разработанных моделей в программной оболочке Ма1;1аЬ/81ши1тк.

2. Экспериментальные исследования релейного алгоритма управления преобразователем подтверждают возможность использования в качестве возбудителя инвертора с релейной системой управления для получения синусоидального напряжения на выходе генератора.

3. Генераторная установка на базе МДП с векторной коррекцией угла между током и напряжением ротора может быть использована в качестве источника реактивной мощности.

4. Генераторная установка на базе МДП может быть использована в агрегатах в качестве тормозного устройства с поддержанием постоянного тормозного момента с обеспечением рекуперации электроэнергии в сеть.

В результате проведенных в диссертационной работе исследований была решена актуальная научная задача, заключающаяся в разработке генераторной установки с асинхронной машиной, включенной по схеме машины двойного питания, с подключением обмоток ротора к силовому преобразователю, управляемому алгоритмом, уменьшающим количество коммутаций силовых ключей. Генераторная установка обладает высокими энергетическими показателями и позволяет осуществлять отдачу в сеть энергии высокого качества и поддержание постоянного тормозного момента при переменной скорости вращения вала.

Основные результаты, полученные в диссертации, позволяют сформулировать следующие выводы:

1. Определены зоны эффективной выработки электроэнергии с КПД 60-70% генераторной установки на базе МДП малой мощности до 1,4 кВт в диапазоне скорости вращения вала генератора 75-100% от синхронной и нагрузках 75-100% от номинальной.

2. Разработанный алгоритм управления преобразователем частоты снижает количество коммутаций в 3,4 раза при повышении коэффициента нелинейных искажений на 9% относительно исходного значения, что позволяет снизить динамические потери в преобразователе и увеличить срок его службы.

3. Предложенная система управления МДП позволяет поддерживать на выходе генератора постоянную частоту 50 Гц и амплитуду выходного напряжения 380 В при переменной частоте вращения вала генератора от нуля до синхронной с предельными отклонениями по напряжению - ±10%, по частоте - ±0,4Гц.

4. Генераторная установка на базе МДП с векторной коррекцией фазы тока ротора может быть использована в качестве источника реактивной мощности с отдачей до 70% в числовом эквиваленте от номинальной активной мощности.

5. Разработана система электропривода, реализующая торможение

асинхронного двигателя, работающего в режиме МДП, для применения в

123

высокоинерционных механизмах, обеспечивающая рекуперацию энергии в питающую сеть с поддержанием постоянного тормозного момента.

6. Разработана система частотного пуска и питания асинхронного двигателя в установившемся режиме от электроэнергетической генераторной установки на базе МДП, содержащей преобразователь частоты, установленный в цепи ротора, мощность которого в два раза меньше мощности преобразователя частоты, используемого в системе «преобразователь частоты - асинхронный двигатель».

1. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: учебное пособие для вузов. Л.: Энергоиздат, 1982. 392 с.

2. Башлыков А.М. Разработка и исследование систем асинхронного и синхронизированного частотного электропривода на базе инвертора тока: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.09.03. Липецк, 2013. 189 с.

3. Безденежных Д. В. Разработка и исследование электропривода на базе машины двойного питания с подключением обмоток статора и ротора к преобразователям частоты: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.09.03. Липецк, 2010. 199 с.

3. Белов М.П., Новиков В. А., Рассудов Л.Н. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: учебник для вузов. М.: Академия, 2004. 576 с.

4. Беспалов В.Я., Мощинский Ю.А., Петров А.П. Математическая модель асинхронного двигателя в обобщённой ортогональной системе координат // Электричество. 2002. № 8. С. 33-39.

5. Борцов Ю.А., Соколовский Г.Г. Автоматизированный электропривод с упругими связями. СПб.: Энергоиздат, 1992. 288 с.

6. Ботвинник М.М. Асинхронизированная синхронная машина. М.: Государственное энергетическое издательство, 1969. 352 с.

7. Ботвинник М.М., Шакарян Ю.Г. Управляемая машина переменного тока. М.: Наука, 1969. 352 с.

8. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Поляков В.Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод: учебн. пособие для студ. высш. учеб. заведений. М.: Академия, 2004. 249 с.

9. Бурман А.П., Розанов Ю.К., Шакарян Ю.Г. Управление потоками электроэнергии и повышение эффективности электроэнергетических систем. М.: Издательский дом МЭИ, 2012. 336 с.

10. Бычков В.П. Электропривод и автоматизация металлургического производства: учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1966. 480 с.

11. Вейнгер А.М. Регулируемый синхронный электропривод. М.: Энергоатомиздат, 1985. 224 с.

12. Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. М.: Энергия, 1977. 432 с.

13. Виноградов А.Б. Векторное управление приводами переменного тока. Иваново: ИГЭУ им. В.И. Ленина, 2008. 298 с.

14. Вольдек А.И. Электрические машины: учебник для студентов высш. техн. учеб. заведений. Изд. 3-е перераб. Л.: Энергия, 1978. 832 с.

15. Гельман М.В., Дудкин М.М., Преображенский К. А. Преобразовательная техника: учебное пособие. Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. 425 с.

16. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: учеб. пособие. СПб.: КОРОНА принт, 2001. 320 с.

17. ГОСТ Р 27471-87. Машины электрические вращающиеся. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1987.

18. ГОСТ Р 50369-92. Электроприводы. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1993.

19. ГОСТ Р 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Изд-во стандартов, 1999.

20. Гуляев И.В., Тутаев Г.М. Системы векторного управления электроприводом на основе асинхронизированного вентильного двигателя: монография. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2010. 200 с.

21. Джендубаев А.-З.Р., Барахоев Р.Ю., Джендубаев З.А.-З. Моделирование асинхронного генератора и машины двойного питания с конденсаторным самовозбуждением // Электричество. 2013. № 7. С. 46-51.

22. Довганюк И.Я., Лабунец И.А., Плотникова Т.В., Шейко П.А. Новые возможности регулируемого электропривода «двойного питания» // Электро.

Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2003. № 1. С. 21-26.

23. Елисеев В.А., Шинянский А.В. Справочник по автоматизированному электроприводу. М.: Энергоатомиздат, 1983. 616 с.

24. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. М.: Энергоатомиздат, 2000. 331 с.

25. Завьялов В.М., Клочков С.Е. Особенности применения асинхронизированного синхронного генератора. Томск.: Энергоатомиздат, 2000. 331 с.

26. Заливалов С. А. Исследование и разработка электропривода на основе машины двойного питания и преобразователя частоты со звеном постоянного тока: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.09.03. Горький, 1984. 181 с.

27. Кабышев А.В. Компенсация реактивной мощности в электроустановках промышленных предприятий. Томск.: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. 234 с.

28. Кацман М.М. Электрические машины. М.: Высшая школа, 1990. 463 с.

29. Ключев В.И. Теория электропривода: учеб. для вузов. Изд. 2-е перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 2001. 704 с.

30. Ключев В.И., Терехов В.М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов: учебник для вузов. М.: Энергия, 1980. 360 с.

31. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода. СПб.: Энергоиздат, 1994. 348 с.

32. Козярук А.Е., Рудаков В.В. Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов. СПб.: СПбЭК, 2004. 128 с.

33. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. М.: Высш. шк., 2001. 327 с.

34. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии. М.: Энергия, 1973. 400 с.

35. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. В 2-х ч. Ч. 2. Машины переменного тока: учебник для студентов высш. техн. учеб. заведений. 3-е изд., перераб. Л.: Энергия, 1973. 648 с.

36. Асинхронные двигатели серии 4А: справочник / А.Э. Кравчик [и др.] М.: Энергоиздат, 1982. 504 с.

37. Крупович В.И., Барыбин Ю.Г., Самовер М.Л. Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами. М.: Энергоиздат, 1982. 416 с.

38. Ляпин А.С. Модельное исследование машины двойного питания с токовым управлением // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. № 4. С. 731-737.

39. Мазалов А. А. Электротехнический комплекс с адаптивным управлением для ветроэнергетической установки переменного тока: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.09.03. -электротехнические комплексы и системы. Новочеркасск, 2012. 20 с.

40. Мазалов А. А. Адаптивная ветроустановка переменного тока с асинхронным генератором // ИзвестияЮФУ. Технические науки. 2010. № 3. С. 250256.

41. Мазалов А. А. Адаптивная ветроустановка с машиной переменного тока двойного питания // Известия ЮФУ. Технические науки. 2012. № 1. С. 26-33.

42. Мещеряков В.Н., Муравьев А. А. Асинхронный генератор на базе машины двойного питания // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2016. № 4. С. 45-49.

43. Мещеряков В. Н., Муравьев А. А. Генераторная установка на базе машины двойного питания // «Информационные системы и технологии» ИСТ-2016: материалы XXII международной научно-технической конференции. Нижний Новгород, 2016. С. 209.

44. Мещеряков В.Н., Муравьев А.А. Определение диапазона скорости вращения ротора асинхронной машины ветрогенератора // «Школа молодых ученых» по проблемам технических наук: материалы областного профильного

семинара. Липецк: ЛГТУ, 2013. С. 189-191.

128

45. Мещеряков В.Н., Муравьев А.А., Башлыков А.М., Мещерякова О.В. Разработка и исследование частотного асинхронного электропривода // Электроприводы переменного тока: труды Международной шестнадцатой научно-технической конференции. Екатеринбург. 2015. С.175-178.

46. Мещеряков В.Н., Бойков А.И., Муравьев А.А. Система пуска асинхронного электродвигателя с фазным ротором // Энергетические и электротехнические системы: междунар. сб. на- уч. трудов (выпуск 4) / под ред. С.И. Лукьянова, Е.Г. Нешпоренко. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2017. С.204-208.

47. Мещеряков В.Н. Системы электропривода переменного тока с частотно-токовым релейным управлением: монография. Липецк: ЛФ МИКТ, 2011. 104 с.

48. Мещеряков В.Н., Башлыков А.М., Муравьев А. А. Частотный асинхронный электропривод на базе автономного инвертора тока с релейным регулированием // АЭП-2014: труды VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2014. С.66-70.

49. Мещеряков В.Н., Левин П.Н., Синюкова Т.В., Муравьев А.А. Частотный асинхронный электропривод с минимизацией потерь энергии // АЭП-2012: труды VII Международной (XVIII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу. Иваново. 2012. С.152-154.

50. Мещеряков В.Н., Муравьев А.А. Электроэнергетическая установка на базе машины двойного питания с релейной системой управления возбуждением // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2017. № 6. С. 26-32.

51. Москаленко В.В. Электрический привод. М.: Высшая школа, 1991. 431 с.

52. Муравьев А.А., Кретов С.С. Асинхронный электропривод на базе автономного инвертора тока с релейным регулированием напряжения и широтно-импульсной модуляцией // Автоматизированный электропривод и автоматика: сборник докладов Всероссийской научно-практической конференции. Липецк: ЛГТУ, 2014. С.53-56.

53. Муравьев А. А., Бойков А.И. Системы управления асинхронной машиной с фазным ротором с вентильными преобразователями в цепи ротора // «Современные сложные системы управления» (HTCS'2017): материалы XII международной научно-практической конференции. Липецк: Изд-во Липецкого государственного технического университета, 2017. С.159-163.

54. Мустафаев Р.И., Гасанова Л.Г. Моделирование и исследование режимов работы синхронных генераторов ветроэлектрических установок при частотном управлении // Электричество. 2010. № 7. С.

55. Онищенко Г.Б., Локтева И.Л. Асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного питания. М.: Энергия, 1979. 199 с.

56. Онищенко Г.Б. Асинхронный вентильный каскад. М.: Энергия, 1967.

152 с.

57. Онищенко Г.Б. Электрический привод: учеб. для вузов. М.: РАСХН, 2003.

320 с.

58. Способ управления автономным асинхронным генератором: пат. 2213409 Рос. Федерация. № 2001111597/09 / Мещеряков В.Н., Иванов А.Б., Куликов А.И.; заявл. 26.04.2001; опубл. 27.09.2003, Бюл. № 27. 5 с.

59. Способ управления автономным асинхронным двигателем: пат. 2539347 Рос. Федерация. № 2013135394/07 / Мещеряков В.Н., Мещерякова О.В.; заявл. 26.07.2013; опубл. 20.01.2015, Бюл. № 2. 9 с.

60. Способ управления автономным асинхронным генератором: пат. 2606643 Рос. Федерация. № 2015135745 / Мещеряков В.Н., Муравьев А.А.; заявл. 21.08.2015; опубл. 10.01.2017, Бюл. № 1. 12 с.

61. Петров Г.Н. Электрические машины. Асинхронные и синхронные машины. М.: Госэнергоиздат, 1963. Т. 2. 340 с.

62. Попков О.З. Основы преобразовательной техники. Автономные преобразователи. Конспект лекций: учебное пособие. М.: Издательство МЭИ, 2003. 64 с.

63. Сандлер А.С., Сарбатов Р.С. Автоматическое частотное управление

асинхронными двигателями. М.: Энергия, 1974. 328 с.

130

64. Сандлер А.С., Гусяцкий Ю.М. Тиристорные инверторы с широтно-импульсной модуляцией для управления асинхронными двигателями. М.: Энергия, 1968.

65. Семенов В.В. Автономная система электроснабжения на основе асинхронизированного синхронного генератора: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.09.03 -Электротехнические комплексы и системы Уфа, 2008. 17 с.

66. Семенов Б.Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. М.: Солон-пресс, 2011. 416 с.

67. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для студ. высш. учеб. заведений. М.: Академия, 2006. 272 с.

68. Сонин Ю.П. Статические характеристики машины двойного питания в режиме вентильного двигателя // Электричество. 1985. № 4. С. 62-64.

69. Сонин Ю.П., Прусаков Ю.И. Пусковые характеристики машины двойного питания в режиме вентильного двигателя // Электричество. 1988. № 3. С. 61-65.

70. Сонин Ю.П., Прусаков Ю.И. Перегрузочная способность машины двойного питания в режиме вентильного двигателя // Электричество. 1986. № 7. С. 57-59.

71. Сонин Ю.П., Гуляев И.В. Асинхронизированные вентильные двигатели. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 1998. 68 с.

72. Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов: учебник для студ. высш. учеб. заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2005. 304 с.

73. Титов В.Г., Шахов А.В., Хватов О.С., Ошмарин О.Н. Автономные генераторные комплексы малой и средней мощности на базе МДП. // Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями: материалы 11 Научно-технической конференции. Екатеринбург. 1998.

74. Тутаев Г.М. Оценка алгоритмов управления асинхронизированным вентильным двигателем по энергетической эффективности // Электричество. 2014. № 1. С. 28-36.

75. Тутаев Г.М., Биленкис Ю.К. Наблюдатель магнитного потока в системе векторного управления электроприводом на базе машины двойного питания // Технологи инновациийн залуу судлаачдын нийгэмлэг. Эрдэм шинжилгээний бага хурлын эмхэтгэл «Khurel Togoot-2011». Ulan-Bator: MUST, 2011. С. 37-40.

76. Тутаев Г.М. Двухзонное регулирование скорости в электроприводе на базе асинхронизированного вентильного двигателя // Автоматизация и современные технологии. 2012. № 7. С. 8-12.

77. Тутаев Г.М., Белкина Е.Н. Анализ потерь в электроприводе с асинхронизированным вентильным двигателем // Научно-технический вестник Поволжья. 2015. № 2. С. 206-209.

78. Усольцев А.А. Векторное управление асинхронными двигателями: учебное пособие. Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2006. 94 с.

79. Усольцев А. А. Частотное управление асинхронными двигателями: учеб. пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. 95 с.

80. Харитонычев М.Ю. Автономная судовая валогенераторная установка на основе машины двойного питания: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы. Нижний Новгород, 2007. 19 с.

81. Асинхронно-вентильные нагружающие устройства / С.В. Хватов [и др.]. М.: Энергоатомиздат, 1986. 144 с.

82. Имитационная модель дизель-генераторной электростанции переменной скорости вращения с интеллектуальной системой управления топливоподачей / О.С. Хватов [и др.] // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. 2011. № 1. С. 185-192.

83. Хватов О.С., Дарьенков А.Б. Интеллектуальные средства управления высокоэффективной дизель-генераторной установкой переменной частоты

вращения // Известия ТулГУ. Сер. Технические науки (выпуск 3). Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. Ч. 4. C. 126-131.

84. Высокоэффективная дизель-генераторная электростанция переменной частоты вращения на основе машины двойного питания / О.С. Хватов [и др.] // Приводная техника. 2010. № 5. С. 14-19.

85. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystem и Simulink. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. 288 с.

86. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. Теория автоматизированного электропривода. М.: Энергия, 1979. 616 с.

87. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода: учебник для вузов. М.: Энергия, 1981. 576 с.

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

89. Шакарян Ю.Г. Исследование режимов работы управляемой машины переменного тока в электрических системах: автореф. дис. док. техн. наук: 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты М., 1974. 40 с.

90. Шакарян Ю.Г. Исследование асинхронизированного синхронного двигателя: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты М., 1963. 21 с.

91. Шенфер К.И. Асинхронные машины. М.: Редакция энергетической литературы, 1938. 412 с.

92. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург.: УРО РАН, 2000. 654 с.

93. Control Stabilisation of an Islanded System with DFIG Wind Turbine / M. Aktarujjaman [et al.] // In: First International Power and Energy Conference (PECon 2006). 2006. P. 312-317.

94. Abbasi M.J., Yaghobi H. Loss of Excitation Detection in Doubly Fed Induction Generator by Voltage and Reactive Power Rate // Iranian Journal of Electrical

& Electronic Engineering. 2016. Vol. 12(4). P. 270-280.

133

95. Brekken T., Mohan N. Control of a doubly-fed induction wind generator under unbalanced grid voltage conditions // IEEE Transaction Energy conversion. 2007. Vol. 1(22). P. 129-135.

96. Datta R., Ranganathan V.T. Direct Power Control of Grid-Connected Wound Rotor Induction Machine without Rotor Position Sensors // IEEE Transactions on Power Electronics. 2001. Vol. 16(3). P. 390-399.

97. Driesen J., Rijcke S. De, Perez P. Souto Impact of Wind Turbines Equipped with Doubly-Fed Induction Generators on Distance Relaying // In: IEEE Power and Energy Society General Meeting. 2010. P. 1-6.

98. Edvardsen P.A., Nestli T.F., Kolstad H. Steady state power flow and efficiency optimising analysis of a variablespeed constant frequency generating // EPE'97 Proceedings. 1997. P. 2691-2694.

99. Hansen, A.D. Generators and Power Electronics for wind turbines. Chapter in "Wind Power in Power systems" / A.D. Hansen // John Wiley&Sons, Ltd, Chichester, 2004. 24 p.

100. Wind farm modelling for power quality / A.D. Hansen [et al.] // IECON '01: The 27th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. 2001. Vol. 3. P. 1959-1964.

101. Hansen A.D., Hansen L.H. Wind turbine concept market penetration over 10 years (1995-2004) // Wind Energy. 2007. Vol. 10(1). P. 81-97.

102. Review of Contemporary Wind Turbine Concepts and their market Penetration / A.D. Hansen [et al.] // Windengineering. 2004. Vol. 28(3). P. 247-263.

103. Hoffmann, R. A comparison of control concepts for wind turbines in terms of energy capture. PhD thesis, Darmstadt, 2002.

104. Design and Control of a Wind Power Station with Double Fed Induction Generator / W. Hofmann [et al.] // EPE'97. 1997. P. 2723-2728.

105. Kundu P., Tandon A.K. Capacitor self-excited double-armature synchronous generator for enhanced power output // TENCON '98. IEEE Region 10 International Conference on Global Connectivity in Energy, Computer, Communication and Control. 1998. P. 391-397.

106. Meshcheryakov V.N., Muravyev A.A., Boikov A.I. Induction Generator Based on Doubly-Fed Machine // 17th International Ural Conference on AC Electric Drives (ACED). Ekaterinburg. 2018. P. 1-5. D01:10.1109/ACED.2018.8341719.

107. Michalke, G. Variable Speed Wind Turbines -Modelling, Control, and Impact on Power Systems, PhD thesis, Darmstadt, 2008.

108. Petersson A., Harnefors L., Thiringer T. Evaluation of current control methods for wind turbines using doubly-fed induction machines // IEEE Trans. Power Electron. 2005. Vol. 20(1). P. 227-235.

109. Petersson, A. Analysis, Modeling and Control of Doubly-Fed Induction Generators for Wind Turbines. /A. Petersson // Thesis for the degree of licentiate of engineering, Department of Electric Power Engineering, Chalmers University of Technology Goteborg, Sweden, 2003.

110. Petersson A., Thiringer T., Harnefors L. Modeling and experimental verification of grid interaction of a DFIG wind turbine // IEEE Trans on Energy Conversion. 2005. Vol. 20(4). P.878-886.

111. Rabelo B., Hofmann W. Optimal active and reactive power control with the doubly-fed induction generator in the MW-class wind-turbines // In Proceedings of International Conference on Power Electronics and Drives Systems (PEDS). 2001. Vol. 1. P. 53-58.

112. Reactive power control design in doubly-fed induction generators for wind turbines / B. Rabelo [et al.] // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2009. Vol. 56(10). P. 4154-4162.

113. Wang J., Wang X. The Direct Power Control with Constant Switching Frequency Based on a Triangular Waveform Comparator of Doubly Fed Induction Generator // 27th Chinese Control and Decision Conference (CCDC). 2015. P. 19311935.

114. Wu Y.-K., Yang W.-H. Different control strategies on the rotor side converter in DFIG-based wind turbines // 3rd International Conference on Power and Energy Systems Engineering, CPESE 2016. Kitakyushu. 2016. P. 551-555.

115. Yamamoto M., Motoyoshi O. Active and reactive power control for doubly-fed wound rotor induction generator // IEEE Trans. Power Electron. 1991. Vol. 6(4). P. 624-629.

116. Advanced Control Strategy of DFIG Wind Turbines for Power System Fault Ride Through / L. Yang [et al.] // IEEE Transactions on Power Systems. 2012. Vol. 27(2). P.713-722.

ПРИЛОЖЕНИЕ A (справочное)

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДAHHЫE AСИHХРОHHЫХ ДВИГAТEЛEЙ

Номинальная мощность, Рн 1,4 кВт

Номинальное напряжение статора, Шн 380 В

Номинальный момент, Мн 15 Нм

Номинальная частота вращения, Пн 885 об/мин

Коэффициент мощности номинальный, СОБфн 0,65 -

Номинальный ток статора, 11н 5,3 А

Активное сопротивление обмотки статора, п 5,98 Ом

Индуктивное сопротивление обмотки статора, Х1 3,93 Ом

Номинальное напряжение ротора, и2н 214 В

Номинальный ток ротора, Ьн 267 А

Приведенное активное сопротивление обмотки ротора, г2 6,85 Ом

Приведенное индуктивное сопротивление обмотки ротора, Х'2 5,62 Ом

Взаимная индуктивность, Ьт 0,165 Гн

Коэффициент трансформации напряжения, ке 3,14 -

Момент инерции ротора, I 0,0212 2 кг ■ м

Номинальная мощность, Рн 22 кВт

Номинальное напряжение статора, Шн 380 В

Номинальный момент, Мн 207 Нм

Номинальная частота вращения, Пн 965 об/мин

Коэффициент мощности номинальный, соБфн 0,71 -

Коэффициент мощности холостого хода, ООБфхх 0,07 -

Номинальный ток статора, 11н 55 А

Активное сопротивление обмотки статора, п 0,19 Ом

Индуктивное сопротивление обмотки статора, Х1 6,92 Ом

Номинальное напряжение ротора, и2н 225 В

Номинальный ток ротора, Ьн 61 А

Приведенное активное сопротивление обмотки ротора, г2 0,169 Ом

Приведенное индуктивное сопротивление обмотки ротора, Х'2 7,2 Ом

Взаимная индуктивность, Ьт 0,02105 Гн

Коэффициент трансформации напряжения, ке 1,6 -

Момент инерции ротора, I 0,5 2 кг ■ м

Номинальная мощность, Рн 22 кВт

Номинальное напряжение статора, Шн 380 В

Номинальный момент, Мн 218 Нм

Номинальная частота вращения, Пн 965 об/мин

Коэффициент мощности номинальный, СОБфн 0,81 -

Номинальный ток статора, 11н 47 А

Активное сопротивление обмотки статора, п 0,19 Ом

Индуктивное сопротивление обмотки статора, Х1 8,51 Ом

Номинальное напряжение ротора, и2н 380 В

Номинальный ток ротора, Ьн 37 А

Приведенное активное сопротивление обмотки ротора, г2 0,147 Ом

Приведенное индуктивное сопротивление обмотки ротора, Х'2 8,67 Ом

Взаимная индуктивность, Ьт 0,026 Гн

Коэффициент трансформации напряжения,ке 1 -

Момент инерции ротора, I 0,38 2 кг ■ м

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (справочное)

ОБЪЕКТЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

(19)

ни

(И)

2 606 643 3 С1

(51) МПК

Н02Р 9/02 (2006.01) Н02Р 9/48 (2006.01)

О

о

со со о со м