Помощь студентам в учебе
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЕ С АСИНХРОННОЙ МАШИНОЙ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1 ОБЗОР ПРИМЕНЯЕМЫХ САМОВОЗБУЖДАЮЩИХСЯ АВТОНОМНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ 14
1.1 Специфика применения систем генерирования электроэнергии
автономных объектов 14
1.2 Обзор выполненных исследований асинхронных генераторов 18
1.2.1 Трактовки явления самовозбуждения асинхронных генераторов 21
1.2.2 Математическое описание процесса самовозбуждения АГ 27
1.2.3 Способы возбуждения асинхронных генераторов 33
1.3 Представление явления самовозбуждения АГ через понятия
устойчивости 41
Выводы. Постановка задач на исследование 44
ГЛАВА 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВИЙ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ И
УСТОЙЧИВОСТИ РАБОТЫ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА 46
2.1 Метод имитационного моделирования для описания
электромеханических систем 47
2.2 Описание электромеханических систем с позиций теории
автоматического управления 48
2.2.1 Определение условий самовозбуждения АГ 48
2.2.2 Определение условий самовозбуждения ГПТ 57
2.2.3 Оценка методов ТАУ применительно к электромеханическим
системам 62
2.3 Описание электрических машин с помощью дифференциальных
уравнений 63
2.3.1 Представление объекта исследования как системы
дифференциальных уравнений 63
2.3.2 Дифференциальные уравнения асинхронной машины 66
2.3.3 Дифференциальные уравнения асинхронных генераторов 71
2.3.4 Математическая модель полупроводниковых преобразователей .... 73
2.4 Определение условий самовозбуждения частотными методами 77
2.5 Выводы по главе 87
ГЛАВА 3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО РЕЗОНАНСА И
МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЫ С АСИНХРОННОЙ МАШИНОЙ И
ИНВЕРТОРНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ 89
3.1 Параметрический резонанс асинхронных генераторов 89
3.1.1 Моделирование параметрического резонанса 93
3.2 Определение требуемой емкости и мощности при конденсаторном
возбуждении АГ 98
3.3 Реактивная мощность при инверторном возбуждении 104
3.4 Моделирование асинхронного генератора с инверторным
возбуждением 108
3.5 Выводы по главе 125
ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАТРОННОЙ
СИСТЕМЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ С АСИНХРОННОЙ МАШИНОЙ 127
4.1 Особенности экспериментальной установки 127
4.2 Измерительные приборы 131
4.3 Ход эксперимента. Результаты 133
4.4 Апробация работы модели мехатронной системы генерирования.... 138
4.4 Выводы по главе 141
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 142
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 144
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 145
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 160
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 162
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 164
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 165
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 166
ПРИЛОЖЕНИЕ 6 167
ПРИЛОЖЕНИЕ 7 175
ПРИЛОЖЕНИЕ 8 177
ПРИЛОЖЕНИЕ 9 180
ПРИЛОЖЕНИЕ 10 181
ГЛАВА 1 ОБЗОР ПРИМЕНЯЕМЫХ САМОВОЗБУЖДАЮЩИХСЯ АВТОНОМНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ 14
1.1 Специфика применения систем генерирования электроэнергии
автономных объектов 14
1.2 Обзор выполненных исследований асинхронных генераторов 18
1.2.1 Трактовки явления самовозбуждения асинхронных генераторов 21
1.2.2 Математическое описание процесса самовозбуждения АГ 27
1.2.3 Способы возбуждения асинхронных генераторов 33
1.3 Представление явления самовозбуждения АГ через понятия
устойчивости 41
Выводы. Постановка задач на исследование 44
ГЛАВА 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВИЙ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ И
УСТОЙЧИВОСТИ РАБОТЫ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА 46
2.1 Метод имитационного моделирования для описания
электромеханических систем 47
2.2 Описание электромеханических систем с позиций теории
автоматического управления 48
2.2.1 Определение условий самовозбуждения АГ 48
2.2.2 Определение условий самовозбуждения ГПТ 57
2.2.3 Оценка методов ТАУ применительно к электромеханическим
системам 62
2.3 Описание электрических машин с помощью дифференциальных
уравнений 63
2.3.1 Представление объекта исследования как системы
дифференциальных уравнений 63
2.3.2 Дифференциальные уравнения асинхронной машины 66
2.3.3 Дифференциальные уравнения асинхронных генераторов 71
2.3.4 Математическая модель полупроводниковых преобразователей .... 73
2.4 Определение условий самовозбуждения частотными методами 77
2.5 Выводы по главе 87
ГЛАВА 3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО РЕЗОНАНСА И
МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЫ С АСИНХРОННОЙ МАШИНОЙ И
ИНВЕРТОРНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ 89
3.1 Параметрический резонанс асинхронных генераторов 89
3.1.1 Моделирование параметрического резонанса 93
3.2 Определение требуемой емкости и мощности при конденсаторном
возбуждении АГ 98
3.3 Реактивная мощность при инверторном возбуждении 104
3.4 Моделирование асинхронного генератора с инверторным
возбуждением 108
3.5 Выводы по главе 125
ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАТРОННОЙ
СИСТЕМЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ С АСИНХРОННОЙ МАШИНОЙ 127
4.1 Особенности экспериментальной установки 127
4.2 Измерительные приборы 131
4.3 Ход эксперимента. Результаты 133
4.4 Апробация работы модели мехатронной системы генерирования.... 138
4.4 Выводы по главе 141
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 142
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 144
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 145
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 160
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 162
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 164
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 165
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 166
ПРИЛОЖЕНИЕ 6 167
ПРИЛОЖЕНИЕ 7 175
ПРИЛОЖЕНИЕ 8 177
ПРИЛОЖЕНИЕ 9 180
ПРИЛОЖЕНИЕ 10 181
Актуальность темы исследования. Ежегодное увеличение потребителей электроэнергии, рост производства и расширение парка автономных объектов, в частности электрифицированных транспортных средств, приводят к необходимости рассмотрения вопросов увеличения мощности автономных систем генерирования электроэнергии (СГЭЭ) и оптимизации их энергетических, массогабаритных и стоимостных показателей. Особое значение при рассмотрении вопросов генерирования электроэнергии имеет тип электромеханического преобразователя, используемый в качестве генератора. В настоящее время наибольшее распространение получили генераторы, построенные на базе синхронных машин и машин постоянного тока. Системы генерирования электроэнергии, построенные на электрических машинах этого типа, обладая рядом неоспоримых достоинств, имеют и недостатки, ограничивающее их использование в условиях повышенной пожаро- и взрывоопасности, аварийных ситуациях при коротких замыканиях, условиях вибраций, разряженной атмосферы и т.п., в том числе для автономных объектов. Наиболее распространенной и широко применяемой электрической машиной является асинхронная машина. Несмотря на простоту конструкции и технического обслуживания, наилучшую эксплуатационную надежность, отсутствие щеточно-коллекторного узла данный тип преобразователей не получил широкого применения в генераторных установках. Причиной, сдерживающей использование асинхронных машин, служили следующие факторы:
- необходимость дорогостоящего и громоздкого источника емкостной реактивной энергии;
- сложные схемы регулирования и стабилизации параметров генерируемого напряжения.
Частично вопрос удешевления и уменьшения источника реактивной энергии был решен в начале XXI века, когда в России и за рубежом были созданы высокоэффективные пленочные самовосстанавливающиеся конденсаторы серий К78-98, СВВ 60, массогабаритные показатели которых были значительно лучше показателей предыдущих серий. Развитие элементной базы и схемотехники управления полупроводниковыми устройствами силовой электроники позволяет полностью решить вопросы, ограничивающие использование асинхронной машины в качестве генератора. Теоретический и практический интерес представляет СГЭЭ типа “асинхронная машина - автономный инвертор напряжения” (АМ - АИН), в которой автономный инвертор напряжения выступает в качестве регулируемого источника реактивного тока для асинхронной машины, работающей в генераторном режиме. Источником реактивного тока является конденсатор в цепи постоянного тока инвертора, а сам инвертор работает в режиме широтно-импульсной модуляции выходного напряжения.
Существующее разногласие в понимании теоретических трактовок явления самовозбуждения асинхронного генератора (АГ) не позволяет однозначно дать рекомендации, гарантирующие надежное возбуждение системы типа “АМ - АИН”. Работа асинхронной машины, как и прочих электромеханических преобразователей, основана на законах электродинамики, что дает возможность говорить об общности процесса генерации в машинах постоянного и переменного тока. Классические методы изучения электромеханических систем позволяют определить как различные факторы и степень влияния параметров СГЭЭ на переходный процесс самовозбуждения, так и работу СГЭЭ в динамическом и статическом режиме с целью выявления рекомендаций по выбору и оптимизации параметров системы. Таким образом, исследование электромагнитных процессов, условий работы и функционирования мехатронной системы генерирования с асинхронной машиной в переходных, статических и динамических режимах работы является актуальным, так как потенциально позволяет обеспечить стабильную работу и высокое качество генерируемого напряжения.
Степень разработанности темы исследования. Большой вклад в развитие теоретических и экспериментальных исследований АГ внесли отечественные и зарубежные ученые: И.И. Алиев, А-З.Р. Джендубаев, Ю.Д. Зубков, С.И. Кицис, М.Л. Костырев, А.В. Нетушил, Г. А. Сипайлов, А.И. Скороспешкин,
З. Гентковски и многие другие. В их работах поднимаются вопросы трактовки явления самовозбуждения [12, 13, 26, 28, 37, 49-55, 58, 64-67, 97, 99, 119];
математического описания переходного [36, 38, 61-63, 71-72] и стационарного [9-11, 66, 73-75, 116] режимов работы асинхронного генератора; определения
условий и границ самовозбуждения [27, 50, 76, 97]; стабилизации амплитуды и частоты генерируемого напряжения [7, 105-109], оценки необходимого значения фазной емкости [64, 76, 81, 98], возбуждения от полупроводниковых преобразователей [2-5, 8, 43].
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является комплексный анализ электромагнитных процессов в мехатронной системе генерирования (МСГ) “асинхронная машина - автономный инвертор напряжения” в части условий самовозбуждения системы и ее функционирования в рабочем и аварийном режимах.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Выполнить обзор существующих трактовок возбуждения АГ для раскрытия причины и условий возникновения явления самовозбуждения в МСГ типа “АМ - АИН”
2. Определить условия самовозбуждения АГ с конденсаторным возбуждением и в составе МСГ.
3. Сформулировать рекомендации по проектированию МСГ электроэнергии на основе асинхронной машины в части реализации условий самовозбуждения и оптимальных режимов работы.
4. Разработать математическую и имитационную модели АГ с конденсаторным и инверторным возбуждением для изучения особенностей функционирования МСГ “АМ - АИН” в рабочем и аварийном режимах.
5. Провести экспериментальные исследования для проверки теоретических положений.
Объектом исследования является мехатронная система генерирования электроэнергии, состоящая из асинхронной машины и автономного инвертора напряжения, как источника реактивного тока.
Предметом исследования являются электромагнитные процессы
мехатронной системы генерирования “АМ - АИН”, включая режим самовозбуждения системы и генерации электроэнергии в статическом и динамическом режиме работы.
Научная новизна работы:
1. С применением математического аппарата теории автоматического управления доказана физическая общность и аналогичность процессов самовозбуждения в электрических машинах различных типов.
2. Показано, что в МСГ “АМ - АИН” конструктивные особенности зубцовой зоны АМ и периодическая коммутация ключей инвертора, способствует реализации параметрического резонанса как причины самовозбуждения МСГ.
3. Получены математические условия самовозбуждения электрических машин- генераторов переменного и постоянного тока при работе на ХХ и нагрузку. Получено выражение необходимой реактивной мощности для возникновения режима самовозбуждения АГ.
4. Разработана имитационная модель регулируемой мехатронной системы генерирования на базе асинхронной машины и автономного инвертора напряжения для анализа переходных, статических, динамических и аварийных режимов работы.
Теоретическая значимость работы заключается в обосновании явления самовозбуждения асинхронного генератора как следствия параметрического резонанса в контуре «асинхронная машина - автономный инвертор - конденсатор», доказательстве общности и аналогичности процессов самовозбуждения в генераторах переменного и постоянного тока, а также в выявлении механизма регулирования параметров выходного напряжения в замкнутой мехатронной системе.
Практическая значимость работы:
1. Разработаны структурные схемы СГЭЭ на основе электрических машин различного типа, позволяющие исследовать их динамические режимы работы и процесс самовозбуждения.
2. Предложена методика определения частоты генерируемого напряжения, основанная на частотном анализе передаточной функции и полного сопротивления СГЭЭ с асинхронной машиной.
3. Получено математическое выражение для расчета реактивной мощности, необходимой для существования режима генерирования электроэнергии в системе типа “АМ - АИН”
4. Разработана модель мехатронной СГЭЭ типа “АМ - АИН”, позволяющая исследовать режимы самовозбуждения, штатного функционирования, короткого замыкания и параллельной работы нескольких асинхронных генераторов.
Методология диссертационного исследования. Методологической основой диссертационного исследования послужили направления, концепции и системы научного знания отечественных и зарубежных ученных в области разработки и проектирования электромеханических систем генерирования электроэнергии.
Методы диссертационного исследования. Для решения поставленных задач по исследованию явления возбуждения и режимов МСГ типа “АМ - АИН” в диссертационной работе использовались методы теории автоматического управления, математический метод описания с помощью систем дифференциальных уравнений, метод визуального имитационного моделирования.
В проведенных исследованиях использованы следующие программные продукты: Matlab R2016a, Simulink, Mathcad 15, Elcut 5.1.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
1. Модуляция индуктивности асинхронной машины за счет пульсации индукции в воздушном зазоре и периодическая коммутация ключей автономного инвертора обеспечивают возникновение самовозбуждения в системе типа «АМ - АИН» на основе явления параметрического резонанса.
2. Математические выражения, определяющие условия существования режима самовозбуждения в генераторах постоянного и переменного тока в зависимости от их параметров и внешней нагрузки.
3. Условие возбуждения мехатронной СГЭЭ типа «АМ - АИН», определяющее необходимое количество реактивной мощности, поставляемой конденсатором звена постоянного тока автономного инвертора.
4. Результаты экспериментального исследования, подтверждающие адекватность математической и имитационной моделей регулируемой автономной СГЭЭ типа «АМ - АИН», позволяющие оценить рабочие характеристики.
Степень достоверности и апробация результатов исследования. Достоверность полученных результатов определяется корректным использованием научно-обоснованных методов исследований, сходимостью экспериментальных и расчетных данных. Результаты, полученные при проведении экспериментальных испытаний, подтверждают справедливость научных положений и применимость предложенных методов, технических решений и выводов.
Апробация работы и публикации. Основные материалы исследования и отдельные положения докладывались и получили одобрение на следующих конференциях и научно-технических форумах: VIII Международная научнопрактическая конференция “Электронные средства и системы управления” г. Томск: ТУСУР - 2012 г.; 14th International Conference “Micro/Nanotechnologies and Electron Devices'’, г. Новосибирск: НГТУ - 2013 г.; 15 th International Conference “Micro/Nanotechnologies and Electron Devices", г. Новосибирск: НГТУ - 2014 г.; Международная конференция “Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит”, г. Харьков: ХПИ - 2013 г.; XX международная научно-практическая конференция “Современные техника и технологии”, г. Томск: ТПУ - 2014 г.; III российская научная школа-конференция “Энергетика, электромеханика и
энергоэффективность глазами молодежи”, г. Томск: ТПУ - 2015 г.;
III Международный молодежный форум “Интеллектуальные энергосистемы”, г. Томск: ТПУ - 2015 г.; VII международная научно-техническая конференция “Электромеханические преобразователи энергии”, г. Томск: ТПУ - 2015 г.; 11th International Conference “Micro/Nanotechnologies and Electron Devices”, г. Новосибирск: НГТУ - 2016 г.
По теме диссертационной работы опубликовано 14 работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК при Министерстве образования и науки Российской Федерации для соискателей ученых степеней, 3 публикации, входящих в международную базу SCOPUS.
Внедрение результатов исследований.
Результаты диссертационной работы были использованы на предприятии ООО «Трамис-Арм», г. Новочеркасск при проектировании автономной системы генерирования электроэнергии на основе асинхронного генератора с безредукторным приводом для железнодорожных вагонов, а также в учебном процессе кафедры Электротехнических комплексов и материалов Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета при подготовке бакалавров по направлению 13.03.02 и магистров по направлению 13.04.02 (Электроэнергетика и электротехника) по профилям «Электрооборудование летательных аппаратов» и «Электротехнические комплексы автономных объектов».
Личный вклад автора. Автор диссертационной работы принимал непосредственное участие в теоретических исследованиях, разработке, планировании и проведении экспериментальных исследований; анализе и обобщении полученных данных; написании текстов статей и докладов. Пять работ написаны автором единолично. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: имитационная модель асинхронного генератора, математические выражения условий возбуждения АГ, моделирование системы регулирования напряжения, модель и метод исследования параметрического контура, результаты частотного анализа систем генерирования на базе асинхронной машины.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит введение, основное содержание в четырех главах, заключение, изложена на 181 страницах машинописного текста и содержит 53 рисунка, 14 таблиц, 10 приложений и список использованных источников литературы из 141 научной работы.
Во введении указана проблематика и обоснована актуальность вопроса создания систем генерирования электроэнергии на базе асинхронной машины с возбуждением от полупроводниковой техники. Приведены имена деятелей науки, внесших наиболее существенный вклад в исследование физических принципов работы асинхронного генератора. Указана цель и задачи приведенной работы.
В первой главе отмечены особенности работы систем генерирования на автономных объектах. Произведено сравнение и анализ генераторов, построенных на электрических машинах различных типов, используемых в качестве высоконадежного источника электроэнергии для автономных объектов. Выполнен обзор имеющихся теоретических и практических исследований по толкованию процесса самовозбуждения, методологии изучения электромеханических систем генерирования и фактического применения асинхронных генераторов в промышленности и сельском хозяйстве. Произведен анализ существующих методов возбуждения асинхронных машин. Выявлены основные проблемы, препятствующие распространению использования асинхронных генераторов, такие как: необходимость компактного реактивно-емкостного источника энергии,
сложность стабилизации параметров выходного напряжения при вариации величины нагрузки и частоты вращения ротора. Представлено использование алгебраических и частотных методов исследования устойчивости/неустойчивости режимов работы асинхронного генератора для определения условий самовозбуждения и решения задачи о предельной нагрузке.
Вторая глава посвящена используемым в работе методам исследования. На основе принятых допущений проведена разработка математических и имитационных моделей асинхронного генератора с конденсаторным и инверторным возбуждением. Впервые представлено использование метода теории автоматического управления для анализа электромеханических систем генерирования на примере генератора постоянного тока параллельного возбуждения и асинхронного генератора с конденсаторным возбуждением, на основе чего получены известные и приведенные ранее в учебниках по “Электрическим машинам” условия возбуждения на холостом ходу, уточнены условия возбуждения при работе на активно-реактивную нагрузку. Представлены выражения критического сопротивления, приводящего к срыву генерации. Предложен метод анализа систем генерирования из частотных характеристик передаточной функции и полного сопротивления. Указана возможность повышения точности полученных результатов путем учета изменения величины скольжения при вариации нагрузки. Результатом проведенных исследований являются выражения частоты выходного напряжения асинхронного генератора. Частота генерируемого напряжения, характеризуется резонансным явлением и определяется реактивными параметрами емкости фазного конденсатора и индуктивностью намагничивающего контура асинхронной машины.
В третьей главе пояснена причина, способствующая явлению параметрического резонанса в асинхронном генераторе. Выполнено моделирование этого явления, изучено влияние кратности коммутации и величины скважности на процесс нарастания колебаний. Предложено выражение для определения величины фазной емкости и реактивной мощности, приведено сравнение расчетных и экспериментальных величин. Отклонение результатов не превышает 10% и нивелируется выбором емкости из стандартизованных рядов номинальных величин конденсаторов. Представлена имитационная модель мехатронной системы генерирования электроэнергии на базе асинхронной машины со стабильными параметрами амплитуды и частоты генерируемого напряжения. Проведена оценка характеристик СГЭЭ в стационарном и аварийном режимах работы. Показаны особенности работы предложенной МСГ, характеризующиеся использованием АИН в качестве источника активной энергии при перегрузке, и срывом генерации при межфазных коротких замыканиях.
В четвертой главе приведены принцип действия и алгоритм работы экспериментальных СГЭЭ с возбуждением от полупроводникового преобразователя частоты. Представлена апробация работы имитационной и экспериментальной системы. Проведен анализ расчетных и экспериментальных результатов исследований.
В заключении приведены основные выводы по результатам выполненной диссертационной работы.
В приложениях представлены: программы для решения систем
дифференциальных уравнений и полученные иллюстративные материалы результатов решения ДУ, выражения передаточной функции и полного сопротивления из частотного анализа, а также их действительные и мнимые части; описание подхода для определения резонансных частот из частотного метода; результаты экспериментальных исследований, акты внедрения на предприятии ООО «Трамис-Арм» и в учебный процесс кафедры Электротехнических комплексов и материалов Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета.
Автор выражает глубокую благодарность к.т.н., доценту Бейерлейну Евгению Викторовичу, за неоценимую помощь в проведении экспериментальных исследований, и к.т.н., доценту Цукублину Анатолию Борисовичу за помощь при работе над диссертацией.
- необходимость дорогостоящего и громоздкого источника емкостной реактивной энергии;
- сложные схемы регулирования и стабилизации параметров генерируемого напряжения.
Частично вопрос удешевления и уменьшения источника реактивной энергии был решен в начале XXI века, когда в России и за рубежом были созданы высокоэффективные пленочные самовосстанавливающиеся конденсаторы серий К78-98, СВВ 60, массогабаритные показатели которых были значительно лучше показателей предыдущих серий. Развитие элементной базы и схемотехники управления полупроводниковыми устройствами силовой электроники позволяет полностью решить вопросы, ограничивающие использование асинхронной машины в качестве генератора. Теоретический и практический интерес представляет СГЭЭ типа “асинхронная машина - автономный инвертор напряжения” (АМ - АИН), в которой автономный инвертор напряжения выступает в качестве регулируемого источника реактивного тока для асинхронной машины, работающей в генераторном режиме. Источником реактивного тока является конденсатор в цепи постоянного тока инвертора, а сам инвертор работает в режиме широтно-импульсной модуляции выходного напряжения.
Существующее разногласие в понимании теоретических трактовок явления самовозбуждения асинхронного генератора (АГ) не позволяет однозначно дать рекомендации, гарантирующие надежное возбуждение системы типа “АМ - АИН”. Работа асинхронной машины, как и прочих электромеханических преобразователей, основана на законах электродинамики, что дает возможность говорить об общности процесса генерации в машинах постоянного и переменного тока. Классические методы изучения электромеханических систем позволяют определить как различные факторы и степень влияния параметров СГЭЭ на переходный процесс самовозбуждения, так и работу СГЭЭ в динамическом и статическом режиме с целью выявления рекомендаций по выбору и оптимизации параметров системы. Таким образом, исследование электромагнитных процессов, условий работы и функционирования мехатронной системы генерирования с асинхронной машиной в переходных, статических и динамических режимах работы является актуальным, так как потенциально позволяет обеспечить стабильную работу и высокое качество генерируемого напряжения.
Степень разработанности темы исследования. Большой вклад в развитие теоретических и экспериментальных исследований АГ внесли отечественные и зарубежные ученые: И.И. Алиев, А-З.Р. Джендубаев, Ю.Д. Зубков, С.И. Кицис, М.Л. Костырев, А.В. Нетушил, Г. А. Сипайлов, А.И. Скороспешкин,
З. Гентковски и многие другие. В их работах поднимаются вопросы трактовки явления самовозбуждения [12, 13, 26, 28, 37, 49-55, 58, 64-67, 97, 99, 119];
математического описания переходного [36, 38, 61-63, 71-72] и стационарного [9-11, 66, 73-75, 116] режимов работы асинхронного генератора; определения
условий и границ самовозбуждения [27, 50, 76, 97]; стабилизации амплитуды и частоты генерируемого напряжения [7, 105-109], оценки необходимого значения фазной емкости [64, 76, 81, 98], возбуждения от полупроводниковых преобразователей [2-5, 8, 43].
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является комплексный анализ электромагнитных процессов в мехатронной системе генерирования (МСГ) “асинхронная машина - автономный инвертор напряжения” в части условий самовозбуждения системы и ее функционирования в рабочем и аварийном режимах.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Выполнить обзор существующих трактовок возбуждения АГ для раскрытия причины и условий возникновения явления самовозбуждения в МСГ типа “АМ - АИН”
2. Определить условия самовозбуждения АГ с конденсаторным возбуждением и в составе МСГ.
3. Сформулировать рекомендации по проектированию МСГ электроэнергии на основе асинхронной машины в части реализации условий самовозбуждения и оптимальных режимов работы.
4. Разработать математическую и имитационную модели АГ с конденсаторным и инверторным возбуждением для изучения особенностей функционирования МСГ “АМ - АИН” в рабочем и аварийном режимах.
5. Провести экспериментальные исследования для проверки теоретических положений.
Объектом исследования является мехатронная система генерирования электроэнергии, состоящая из асинхронной машины и автономного инвертора напряжения, как источника реактивного тока.
Предметом исследования являются электромагнитные процессы
мехатронной системы генерирования “АМ - АИН”, включая режим самовозбуждения системы и генерации электроэнергии в статическом и динамическом режиме работы.
Научная новизна работы:
1. С применением математического аппарата теории автоматического управления доказана физическая общность и аналогичность процессов самовозбуждения в электрических машинах различных типов.
2. Показано, что в МСГ “АМ - АИН” конструктивные особенности зубцовой зоны АМ и периодическая коммутация ключей инвертора, способствует реализации параметрического резонанса как причины самовозбуждения МСГ.
3. Получены математические условия самовозбуждения электрических машин- генераторов переменного и постоянного тока при работе на ХХ и нагрузку. Получено выражение необходимой реактивной мощности для возникновения режима самовозбуждения АГ.
4. Разработана имитационная модель регулируемой мехатронной системы генерирования на базе асинхронной машины и автономного инвертора напряжения для анализа переходных, статических, динамических и аварийных режимов работы.
Теоретическая значимость работы заключается в обосновании явления самовозбуждения асинхронного генератора как следствия параметрического резонанса в контуре «асинхронная машина - автономный инвертор - конденсатор», доказательстве общности и аналогичности процессов самовозбуждения в генераторах переменного и постоянного тока, а также в выявлении механизма регулирования параметров выходного напряжения в замкнутой мехатронной системе.
Практическая значимость работы:
1. Разработаны структурные схемы СГЭЭ на основе электрических машин различного типа, позволяющие исследовать их динамические режимы работы и процесс самовозбуждения.
2. Предложена методика определения частоты генерируемого напряжения, основанная на частотном анализе передаточной функции и полного сопротивления СГЭЭ с асинхронной машиной.
3. Получено математическое выражение для расчета реактивной мощности, необходимой для существования режима генерирования электроэнергии в системе типа “АМ - АИН”
4. Разработана модель мехатронной СГЭЭ типа “АМ - АИН”, позволяющая исследовать режимы самовозбуждения, штатного функционирования, короткого замыкания и параллельной работы нескольких асинхронных генераторов.
Методология диссертационного исследования. Методологической основой диссертационного исследования послужили направления, концепции и системы научного знания отечественных и зарубежных ученных в области разработки и проектирования электромеханических систем генерирования электроэнергии.
Методы диссертационного исследования. Для решения поставленных задач по исследованию явления возбуждения и режимов МСГ типа “АМ - АИН” в диссертационной работе использовались методы теории автоматического управления, математический метод описания с помощью систем дифференциальных уравнений, метод визуального имитационного моделирования.
В проведенных исследованиях использованы следующие программные продукты: Matlab R2016a, Simulink, Mathcad 15, Elcut 5.1.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
1. Модуляция индуктивности асинхронной машины за счет пульсации индукции в воздушном зазоре и периодическая коммутация ключей автономного инвертора обеспечивают возникновение самовозбуждения в системе типа «АМ - АИН» на основе явления параметрического резонанса.
2. Математические выражения, определяющие условия существования режима самовозбуждения в генераторах постоянного и переменного тока в зависимости от их параметров и внешней нагрузки.
3. Условие возбуждения мехатронной СГЭЭ типа «АМ - АИН», определяющее необходимое количество реактивной мощности, поставляемой конденсатором звена постоянного тока автономного инвертора.
4. Результаты экспериментального исследования, подтверждающие адекватность математической и имитационной моделей регулируемой автономной СГЭЭ типа «АМ - АИН», позволяющие оценить рабочие характеристики.
Степень достоверности и апробация результатов исследования. Достоверность полученных результатов определяется корректным использованием научно-обоснованных методов исследований, сходимостью экспериментальных и расчетных данных. Результаты, полученные при проведении экспериментальных испытаний, подтверждают справедливость научных положений и применимость предложенных методов, технических решений и выводов.
Апробация работы и публикации. Основные материалы исследования и отдельные положения докладывались и получили одобрение на следующих конференциях и научно-технических форумах: VIII Международная научнопрактическая конференция “Электронные средства и системы управления” г. Томск: ТУСУР - 2012 г.; 14th International Conference “Micro/Nanotechnologies and Electron Devices'’, г. Новосибирск: НГТУ - 2013 г.; 15 th International Conference “Micro/Nanotechnologies and Electron Devices", г. Новосибирск: НГТУ - 2014 г.; Международная конференция “Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит”, г. Харьков: ХПИ - 2013 г.; XX международная научно-практическая конференция “Современные техника и технологии”, г. Томск: ТПУ - 2014 г.; III российская научная школа-конференция “Энергетика, электромеханика и
энергоэффективность глазами молодежи”, г. Томск: ТПУ - 2015 г.;
III Международный молодежный форум “Интеллектуальные энергосистемы”, г. Томск: ТПУ - 2015 г.; VII международная научно-техническая конференция “Электромеханические преобразователи энергии”, г. Томск: ТПУ - 2015 г.; 11th International Conference “Micro/Nanotechnologies and Electron Devices”, г. Новосибирск: НГТУ - 2016 г.
По теме диссертационной работы опубликовано 14 работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК при Министерстве образования и науки Российской Федерации для соискателей ученых степеней, 3 публикации, входящих в международную базу SCOPUS.
Внедрение результатов исследований.
Результаты диссертационной работы были использованы на предприятии ООО «Трамис-Арм», г. Новочеркасск при проектировании автономной системы генерирования электроэнергии на основе асинхронного генератора с безредукторным приводом для железнодорожных вагонов, а также в учебном процессе кафедры Электротехнических комплексов и материалов Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета при подготовке бакалавров по направлению 13.03.02 и магистров по направлению 13.04.02 (Электроэнергетика и электротехника) по профилям «Электрооборудование летательных аппаратов» и «Электротехнические комплексы автономных объектов».
Личный вклад автора. Автор диссертационной работы принимал непосредственное участие в теоретических исследованиях, разработке, планировании и проведении экспериментальных исследований; анализе и обобщении полученных данных; написании текстов статей и докладов. Пять работ написаны автором единолично. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: имитационная модель асинхронного генератора, математические выражения условий возбуждения АГ, моделирование системы регулирования напряжения, модель и метод исследования параметрического контура, результаты частотного анализа систем генерирования на базе асинхронной машины.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит введение, основное содержание в четырех главах, заключение, изложена на 181 страницах машинописного текста и содержит 53 рисунка, 14 таблиц, 10 приложений и список использованных источников литературы из 141 научной работы.
Во введении указана проблематика и обоснована актуальность вопроса создания систем генерирования электроэнергии на базе асинхронной машины с возбуждением от полупроводниковой техники. Приведены имена деятелей науки, внесших наиболее существенный вклад в исследование физических принципов работы асинхронного генератора. Указана цель и задачи приведенной работы.
В первой главе отмечены особенности работы систем генерирования на автономных объектах. Произведено сравнение и анализ генераторов, построенных на электрических машинах различных типов, используемых в качестве высоконадежного источника электроэнергии для автономных объектов. Выполнен обзор имеющихся теоретических и практических исследований по толкованию процесса самовозбуждения, методологии изучения электромеханических систем генерирования и фактического применения асинхронных генераторов в промышленности и сельском хозяйстве. Произведен анализ существующих методов возбуждения асинхронных машин. Выявлены основные проблемы, препятствующие распространению использования асинхронных генераторов, такие как: необходимость компактного реактивно-емкостного источника энергии,
сложность стабилизации параметров выходного напряжения при вариации величины нагрузки и частоты вращения ротора. Представлено использование алгебраических и частотных методов исследования устойчивости/неустойчивости режимов работы асинхронного генератора для определения условий самовозбуждения и решения задачи о предельной нагрузке.
Вторая глава посвящена используемым в работе методам исследования. На основе принятых допущений проведена разработка математических и имитационных моделей асинхронного генератора с конденсаторным и инверторным возбуждением. Впервые представлено использование метода теории автоматического управления для анализа электромеханических систем генерирования на примере генератора постоянного тока параллельного возбуждения и асинхронного генератора с конденсаторным возбуждением, на основе чего получены известные и приведенные ранее в учебниках по “Электрическим машинам” условия возбуждения на холостом ходу, уточнены условия возбуждения при работе на активно-реактивную нагрузку. Представлены выражения критического сопротивления, приводящего к срыву генерации. Предложен метод анализа систем генерирования из частотных характеристик передаточной функции и полного сопротивления. Указана возможность повышения точности полученных результатов путем учета изменения величины скольжения при вариации нагрузки. Результатом проведенных исследований являются выражения частоты выходного напряжения асинхронного генератора. Частота генерируемого напряжения, характеризуется резонансным явлением и определяется реактивными параметрами емкости фазного конденсатора и индуктивностью намагничивающего контура асинхронной машины.
В третьей главе пояснена причина, способствующая явлению параметрического резонанса в асинхронном генераторе. Выполнено моделирование этого явления, изучено влияние кратности коммутации и величины скважности на процесс нарастания колебаний. Предложено выражение для определения величины фазной емкости и реактивной мощности, приведено сравнение расчетных и экспериментальных величин. Отклонение результатов не превышает 10% и нивелируется выбором емкости из стандартизованных рядов номинальных величин конденсаторов. Представлена имитационная модель мехатронной системы генерирования электроэнергии на базе асинхронной машины со стабильными параметрами амплитуды и частоты генерируемого напряжения. Проведена оценка характеристик СГЭЭ в стационарном и аварийном режимах работы. Показаны особенности работы предложенной МСГ, характеризующиеся использованием АИН в качестве источника активной энергии при перегрузке, и срывом генерации при межфазных коротких замыканиях.
В четвертой главе приведены принцип действия и алгоритм работы экспериментальных СГЭЭ с возбуждением от полупроводникового преобразователя частоты. Представлена апробация работы имитационной и экспериментальной системы. Проведен анализ расчетных и экспериментальных результатов исследований.
В заключении приведены основные выводы по результатам выполненной диссертационной работы.
В приложениях представлены: программы для решения систем
дифференциальных уравнений и полученные иллюстративные материалы результатов решения ДУ, выражения передаточной функции и полного сопротивления из частотного анализа, а также их действительные и мнимые части; описание подхода для определения резонансных частот из частотного метода; результаты экспериментальных исследований, акты внедрения на предприятии ООО «Трамис-Арм» и в учебный процесс кафедры Электротехнических комплексов и материалов Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета.
Автор выражает глубокую благодарность к.т.н., доценту Бейерлейну Евгению Викторовичу, за неоценимую помощь в проведении экспериментальных исследований, и к.т.н., доценту Цукублину Анатолию Борисовичу за помощь при работе над диссертацией.
Теоретические и экспериментальные исследования электромагнитных процессов генерирования электроэнергии в мехатронной системе на базе асинхронной машины, результаты которых изложены в диссертационной работе, позволяют сделать следующие выводы:
1) Процесс самовозбуждения АГ определяется явлением параметрического резонанса, причиной которого являются пульсации магнитной индукции по длине радиального воздушного зазора, а в мехатронной системе типа «АМ - АИН» этому дополнительно способствует периодическая коммутация ключей автономного инвертора. Пульсирующий характер индукции АМ является достаточным для явления самовозбуждения.
2) Использование методов теории автоматического управления применительно к электромеханическим системам позволяет уточнить имеющиеся условия возбуждения и показать общность процесса генерирования электроэнергии систем, построенных на электрических машинах различного типа.
3) Частотные методы анализа передаточной функции и полного сопротивления СГЭЭ позволяют определить частоту генерируемого напряжения и необходимую глубину модуляции индуктивности электрической машины. Использование частотного метода, помимо этого, позволяет судить об устойчивости процесса генерирования и определять границы возбуждения.
4) Предложенные в работе выражения для определения фазного значения емкости и реактивной мощности могут быть использованы для проектирования АГ с конденсаторным и инверторным возбуждением, в том числе для определения напряжения DC-звена. Проведенное сравнение расчетных и экспериментальных данных, даже без учета конструктивных особенностей сравниваемых асинхронных машин, работающих в режиме генератора, дает погрешность, не превышающую 10 %. Для возбуждения АГ должно выполняться условие обеспечения в переходном режиме объема реактивной энергии, соизмеримого с мощностью асинхронной машины.
5) Моделирование стационарных и аварийных режимов работы мехатронной системы генерирования электроэнергии показывает возможность работы при перегрузке и наличие естественной системы защиты в аварийных режимах короткого замыкания.
6) Применение регулятора выходного напряжения позволяет поддерживать величину частоты и напряжения на зажимах электрической машины на постоянном уровне путем изменения величины реактивной энергии, поставляемой инвертором напряжения. Регулирование частоты происходит за счет воздействия тока инвертора на индуктивность намагничивающего контура электрической машины, фактически изменяя частоту резонанса системы. При этом в МСГ при малой величине скольжения реализуется закон, близкий к U/f = const.
7) В совокупности с высокой надежностью асинхронной машины МСГ на ее основе можно рекомендовать для автономных объектов с повышенными требованиями пожаро- и взрывоопасности, безопасности при коротких замыканиях.
8) Результаты экспериментальных исследований подтверждают, что использование имитационной модели дает достоверную информацию о характеристиках и поведении системы при изменении нагрузки. Отклонение расчетных и экспериментальных данных показывает необходимость более точной настройки модели.
1) Процесс самовозбуждения АГ определяется явлением параметрического резонанса, причиной которого являются пульсации магнитной индукции по длине радиального воздушного зазора, а в мехатронной системе типа «АМ - АИН» этому дополнительно способствует периодическая коммутация ключей автономного инвертора. Пульсирующий характер индукции АМ является достаточным для явления самовозбуждения.
2) Использование методов теории автоматического управления применительно к электромеханическим системам позволяет уточнить имеющиеся условия возбуждения и показать общность процесса генерирования электроэнергии систем, построенных на электрических машинах различного типа.
3) Частотные методы анализа передаточной функции и полного сопротивления СГЭЭ позволяют определить частоту генерируемого напряжения и необходимую глубину модуляции индуктивности электрической машины. Использование частотного метода, помимо этого, позволяет судить об устойчивости процесса генерирования и определять границы возбуждения.
4) Предложенные в работе выражения для определения фазного значения емкости и реактивной мощности могут быть использованы для проектирования АГ с конденсаторным и инверторным возбуждением, в том числе для определения напряжения DC-звена. Проведенное сравнение расчетных и экспериментальных данных, даже без учета конструктивных особенностей сравниваемых асинхронных машин, работающих в режиме генератора, дает погрешность, не превышающую 10 %. Для возбуждения АГ должно выполняться условие обеспечения в переходном режиме объема реактивной энергии, соизмеримого с мощностью асинхронной машины.
5) Моделирование стационарных и аварийных режимов работы мехатронной системы генерирования электроэнергии показывает возможность работы при перегрузке и наличие естественной системы защиты в аварийных режимах короткого замыкания.
6) Применение регулятора выходного напряжения позволяет поддерживать величину частоты и напряжения на зажимах электрической машины на постоянном уровне путем изменения величины реактивной энергии, поставляемой инвертором напряжения. Регулирование частоты происходит за счет воздействия тока инвертора на индуктивность намагничивающего контура электрической машины, фактически изменяя частоту резонанса системы. При этом в МСГ при малой величине скольжения реализуется закон, близкий к U/f = const.
7) В совокупности с высокой надежностью асинхронной машины МСГ на ее основе можно рекомендовать для автономных объектов с повышенными требованиями пожаро- и взрывоопасности, безопасности при коротких замыканиях.
8) Результаты экспериментальных исследований подтверждают, что использование имитационной модели дает достоверную информацию о характеристиках и поведении системы при изменении нагрузки. Отклонение расчетных и экспериментальных данных показывает необходимость более точной настройки модели.
Подобные работы
- Повышение коэффициента мощности преобразователей и частотных электроприводов
Магистерская диссертация, электротехника. Язык работы: Русский. Цена: 5650 р. Год сдачи: 2018