Національний університет “Львівська політехніка”

Копчак Богдан Любомирович

УДК 62-52:621.313.332

Асинхронна автономна генераторна система

з керованим збудженням

05.09.03 – електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Львів-2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті "Львівська політехніка" Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник – | доктор технічних наук, професор

Ткачук Василь Іванович,

завідувач кафедри “Електричні машини та апарати”
Національного університету “Львівська політехніка”.

Офіційні опоненти: – | доктор технічних наук, професор

Андрющенко Олег Андрійович,

завідувач кафедри “Електромеханічні системи з компютерним керуванням” Одеського Національного політехнічного університету;

| кандидат технічних наук, доцент

Рудий Тарас Володимирович,

доцент кафедри “Обчислювальна техніка та моделювання технологічних процесів” Українського державного лісотехнічного університету, м. Львів.

Провідна установа – | Інститут електродинаміки Національної академії наук України, відділ електромеханічних систем, м. Київ.

Захист відбудеться “ 21 ” травня 2004 р. о “ 13 ” годині “ 00 ” хвилин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.02 в Національному університеті "Львівська політехніка" (79013, Львів-13, вул.С.Бандери, 12, ауд.114 головного корпусу).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" (79013, Львів, вул. Професорська, 1).

Автореферат розісланий “ 14 ” квітня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 35.052.02 Коруд В.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Про перспективність розвитку гідро- і вітроенергетичних установок можна говорити, враховуючи природні ресурси, зокрема України. Гармонійність цього розвитку полягає в розробці таких установок різної потужності для роботи як в автономному режимі, так і паралельно з мережею, залежно від природних умов і цільового призначення.

Радикальним шляхом удосконалення енергоустановок є ширше застосування асинхронних генераторів (АГ). В останні роки, в зв’язку з досягненнями в галузі мікроелектроніки, силової перетворювальної техніки і виробництва конденсаторів, широко застосовують генератори на основі машин подвійного живлення, а також АГ з короткозамкненим (КЗ) ротором і вентильним або вентильно-ємнісним збудженням.

Результати досліджень АГ з вентильними перетворювачами викладені у відомих працях Л.В.Вишнєвського, М.Л.Костирєва, А.І.Ліщенка, В.Я.Лісника, Н.В.Мотовілова, М.Д.Торопцева, О.П.Фаренюка, Л.І.Мазуренка.

Актуальність теми. Перспективно є вирішувати проблеми генерування електроенергії автономними вітро-, гідро- та дизельними енергоустановками малої і середньої потужності, використовуючи серійні асинхронні машини з КЗ ротором, у яких регулювання напруги здійснюється за допомогою статичних компенсаторів реактивної потужності.

Питання аналізу і синтезу систем автоматичного керування (САК) напруги автономних асинхронних генераторних установок (ААГУ) із керованим збудженням, як складних електромашинно-вентильних систем (ЕМВС) з урахуванням збурень у каналах швидкості обертання АГ, струму збудження та навантаження, досліджені недостатньо. Недоліки сучасних моделей та низький ступінь їх адекватності не дозволяють проводити дослідження автономних енергоустановок такого типу в різних режимах роботи, зокрема, несиметричних та аварійних. Тому актуальною є розробка математичних моделей, структур САК та методик їх аналізу та синтезу, алгоритмів розрахунку, проведення досліджень на математичних та фізичних моделях, що дозволить виробити рекомендації щодо проектування автономних асинхронних генераторних установок із керованим збудженням.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана згідно з планами науково-дослідних робіт кафедри електричних машин і апаратів а також кафедри електроприводу та автоматизації промислових установок Національного університету “Львівська політехніка”, які передбачають розробку і дослідження автономних джерел на базі асинхронного генератора з самозбудженням. Такі роботи входять у “Комплексну державну програму енергозбереження України”, яка затверджена постановою Кабінету Міністрів України №148 від 5 лютого 1997 року, а також держбюджетними темами “Ощадність” (держреєстрація №0101U000875), “Критерій” (держреєстрація №0103U001364). У зазначених темах здобувач був виконавцем розділів, пов’язаних з розробкою моделі ААГУ і синтезом системи автоматичного керування напруги.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є створення моделі та дослідження автономної асинхронної генераторної системи з керованим збудженням із урахуванням збурень у каналах регулювання швидкості обертання і навантаження в різних можливих режимах роботи, включаючи режим паралельної роботи з мережею змінного струму, її вдосконалення, вироблення рекомендацій щодо синтезу системи автоматичного керування напруги, що забезпечить створення автономних генераторних установок підвищеної надійності та економічності.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв’язати такі задачі:

-

-

-

-

-

-

Об’єктом дослідження є процеси генерування електроенергії автономними генераторними системами.

Предметом дослідження є електромеханічна система з автономним асинхронним генератором і керованим статичним компенсатором реактивної потужності.

Методи дослідження. Розробка лінеаризованої моделі АГ з керованим збудженням проведена з використанням методу апроксимації експериментально отриманої перехідної функції експоненціальним поліномом. Синтез САК напруги проведений методом узагальненого характеристичного полінома. Розробка моделей для дослідження електромагнітних та електромеханічних процесів в ААГУ проведена з використанням методів моделювання ЕМВС. Дослідження динамічних характеристик та ступеня нечутливості САК напруги АГ до зовнішніх збурень проведені за допомогою методів математичного та фізичного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна дисертаційної роботи полягає в наступному:

1. Розроблено лінеаризовану модель АГ з керованим збудженням, як ланки САК, котра відрізняється від існуючих тим, що для цього використана реальна реакція АГ на зміну ємності самозбудження, і дозволяє вдосконалити аналіз впливу на АГ збурень у каналах швидкості обертання, струму збудження та навантаження.

2. Вперше запропоновано будувати САК напруги АГ з самозбудженням як двоконтурні, ввівши додатково контур регулювання струму тиристорного компенсатора реактивної потужності, що дозволяє підвищити надійність і якість енергопостачання.

3. Розроблено математичні моделі ААГУ з керованим збудженням, які відрізняються від існуючих тим, що враховують нелінійність характеристики асинхронної машини, дискретність тиристорних перетворювачів і дозволяють вдосконалити дослідження електромагнітних та електромеханічних процесів у різних режимах роботи, зокрема: самозбудження, несиметричних та аварійних.

4. Вперше запропоновано вводити в САК напруги АГ гнучкий зворотний зв’язок за вихідною потужністю і використовувати тиристорний компенсатор реактивної потужності не лише для регулювання напруги, але й для демпфування динамічних моментів в системі “рушій – генератор”, що дозволяє сповільнити її втомлюванісне руйнування.

5. Дістав подальший розвиток принцип зонного керування для побудови САК напруги ААГУ з урахуванням особливостей впливу випадкових збурень в каналі навантаження, що дозволяє суттєво знизити дисперсію коливань напруги на її виході.

Практичне значення одержаних результатів.

1.

2.

3.

4.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення і результати, викладені в дисертації, отримані автором особисто. У наукових працях, опублікованих у співавторстві, здобувачу належить: [8,11] лінеаризована модель АГ з самозбудженням з врахуванням впливу зовнішніх збурень, яка придатна до використання в середовищі МАТLAB Simulink; [2,4] – математичні моделі ААГУ з тиристорними компенсаторами реактивної потужності різного типу та їх комп’ютерні дослідження в динамічних режимах; [3] – математична модель однофазної ААГУ з ТКРП та її комп’ютерні дослідження; [1] – математична модель і дослідження раціонального режиму підмикання АГ з автономного в режим роботи паралельно з мережею; [5,6] структурні схеми САК напруги автономного АГ з регульованим збудженням та частина результатів їх синтезу методом узагальненого характеристичного полінома; [7] – схема САК та використання ТКРП для демпфування динамічних моментів у генераторній установці; [9] – вибір нелінійної ланки та частина досліджень зонного принципу керування автономним асинхронним генератором з регульованим збудженням за стохастичного характеру навантаження; [10] – модель АГ та частина досліджень несиметричних і аварійних режимів роботи ААГУ з ТКРП.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались, обговорювались та отримали позитивний відгук на наступних національних та міжнародних наукових конференціях: Міжнародна конференція з управління “Автоматика - 2000”, Львів, 2000; Міжнародний симпозіум “Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика, SIEMA 2000, Харків, 2000; Міжнародна науково-технічна конференція “Математичне моделювання як засіб мінімізації енергоспоживання в електротехнічних пристроях і системах”, Львів, Шацьк, 2001; VII-а Міжнародна конференція “Проблеми сучасної електротехніки-2002”, Київ, 2002; Міжнародна науково-технічна конференція “Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика”, Україна, Крим, 2001, 2002 і 2003 років; 4-а Міжнародна науково-технічна конференція “Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці”, Україна, Львів, 2003 р.

Всі найважливіші положення та результати дисертаційної роботи були обговорені на наукових семінарах кафедр “Електричні машини та апарати” і “Електропривід та автоматизація промислових установок” Національного університету “Львівська політехніка” та на засіданні наукового семінару ”Моделі та методи комп’ютерного аналізу електричних кіл та електромеханічних систем” Вченої Ради НАН України з комплексної проблеми “Наукові основи електроенергетики”.

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 11 наукових праць у фахових виданнях, подана та зареєстрована Держпатентом України одна заявка на винахід (Генераторне джерело електроенергії). В результаті розгляду цієї заявки одержано рішення про видачу патенту (Заявка 2003021633 від 25.02.2003, рішення від 15.08.2003).

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, пяти розділів, висновків по роботі, списку використаних джерел із 146 найменувань та 6 додатків на 37 сторінках. Повний обсяг дисертації - 244 сторінки, у тому числі 140 сторінок основної частини, 34 рисунки і 1 таблиця обсягом 35 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульована мета і задачі досліджень, дається загальна характеристика роботи.

В першому розділі проведений аналіз особливостей застосування асинхронного генератора в автономних системах при дії зовнішніх збурень, схем керування його напруги та методів дослідження процесів і характеристик у таких системах. Сучасні системи керування напруги АГ будуються як за послідовним принципом, коли вся активна енергія від АГ проходить через перетворювач, так і за паралельним, коли перетворювач є статичним джерелом або компенсатором реактивної енергії, який сполучається паралельно з навантаженням і через нього активна енергія до споживачів не проходить. Другий спосіб є перспективним, тому що забезпечує нижчий коефіцієнт несинусоїдальності вихідної напруги і потребує менших капіталовкладень. У цьому випадку для керування напруги використовують статичний компенсатор або джерело реактивної потужності, але тоді ускладнюються проблеми, пов’язані з дією зовнішніх збурень. Враховуючи рівняння статичного режиму роботи АГ зі статичним компенсатором або джерелом реактивної потужності (1), а також на основі аналізу режимів роботи вітроенергетичної установки (ВЕУ), АГ можна трактувати як ланку з трьома каналами відпрацювання збурень.

. (1)

В каналі швидкості обертання рушія діють збурення у вигляді: похибки системи керування частоти; пориву вітру ; випадкової складової вітру ; періодичної складової (f=1-3 Гц), викликаної затемненням лопатей і зміною перпендикулярної складової сили вітру зі зміною положення лопаті.

У каналі навантаження діють збурення, які мають як детермінований, так і випадковий характер, що залежить від споживачів електричної енергії.

У каналі струму збудження діє збурення у вигляді дискретної зміни ємності і неперервної зміни реактивної складової струму навантаження статичного компенсатора реактивної потужності.

Проведений порівняльний аналіз можливих сучасних варіантів побудови ААГУ із використанням компенсаторів і джерел реактивної потужності, за результатами якого можна зробити наступні висновки. За більшістю суттєвих ознак схеми зі статичними компенсаторами реактивної потужності мають певні переваги, а для автономних джерел енергії, в яких навантаження може змінюватися в широкому діапазоні, доцільно використовувати комбіновану схему (див. рис.1), де напруга регулюється як дискретно, за рахунок підмикання батарей конденсаторів (Скі), так і плавно, шляхом регулювання струму навантаження ТКРП.

У запропонованій автономній асинхронній генераторній установці ТКРП виконаний як тиристорний перетво-рювач з RкLк наванта-женням і є можливість керувати наступними координатами: струмом компенсатора Ік та напругою статора UАГ. Зворотні зв’язки за відповідними координатами реалізовуються за допомогою давачів струму компенсатора (ДСк) та напруги на затискачах АГ (ДН). Щоб мінімізувати кількість додаткових батарей конденсаторів Скі, необхідно мати апріорну інформацію про величину стрибкоподібної зміни навантаження (НАВ), а величина ємностей Скі вибирається з умови компенсації можливої реактивної складової струму навантаження і допустимої несинусоїдальності вихідної напруги (Кнс) на рівні 8%. Логічний пристрій (ЛП) підмикає Скі, якщо в процесі керування напруги струм ТКРП зменшується до мінімально допустимого значення.

У звязку з необхідністю вирішувати під час розробки ААГУ різні задачі, зокрема задачу синтезу САК напруги, а також досліджувати їхні несиметричні та аварійні режими, обгрунтовано доцільність застосування методу математичного моделювання.

Другий розділ присвячений синтезу САК напруги ААГУ, нечутливої до зовнішніх збурень.

У літературних джерелах недостатньо висвітлені питання синтезу САК напруги АГ з самозбудженням, а також інженерні методики розрахунку таких систем. Тому на стадії синтезу САК АГ з самозбудженням запропоновано використовувати спрощену, лінеаризовану модель АГ у вигляді структурної схеми, яка дозволяє працювати в програмному середовищі Matlab Simulink і аналізувати вплив збурень на електромеханічні процеси в АГ. Модель генератора розроблена з допущенням, що в діапазоні зміни напруги АГ (UАГ), близькому до номінального значення, АГ є лінійним об’єктом. Даний діапазон вибраний згідно зі стандартом на допустимі відхилення напруги джерела електричної енергії 0,9UАГ.НUАГ1,05UАГ.Н.

У моделі АГ вітроенергетичної установки імітується порив вітру. Вплив випадкової складової вітру зімітований уведенням у канал збурень за швидкістю генератора випадкових сигналів, вихідний сигнал якого формується на основі автокореляційної функції, розрахованої за реєстрограмою вітру. Вплив періодичної складової збурень у каналі швидкості, пов’язаних з пульсаціями моменту, імітується подаванням на вхід моделі збурення f* у вигляді синусоїдального сигналу з частотою 1–3 Гц.

Передавальна функція АГ за струмом збудження знаходиться на основі експериментально отриманої перехідної функції і її апроксимації експоненціальним поліномом. Оригінальність даного підходу полягає в тому, що вхідним збуренням є стрибкоподібна зміна ємності конденсатора самозбудження, а вихідними координатами струм збудження (статора) і напруга АГ. На рис.2. показані результати експерименту для АГ з Рн = 55кВт за стрибкоподібної зміни ємності з Ск = 390 мкФ до Ск = 415 мкФ. Далі використана методика експоненціальної апроксимації перехідних функцій за рахунок застосування z-перетворення. При цьому з графіків перехідних процесів uаг=f(t), iзб=f(t) (рис.2а,б) виділені обвідні лінії приростів їх миттєвих значень і представлені значеннями ординат, які відповідають дискретним значенням аргумента t з кроком дискретності Т0, наприклад, для uаг = f(t), u0, u1…. Тоді z-перетворення для цієї функції має вигляд:

, (2)

де , р-оператор перетворення Лапласа.

Результуюча ПФ знаходиться як частка від ділення передавальних функцій напруги АГ і струму збудження. Наприклад, передавальна функція АГ з Рн = 55кВт в каналі струму збудження знайдена як ланка 2-го порядку

. (3)

Середньоквадратична похибка неспівпадання перехідних функцій, отриманих за допомогою ПФ, з експериментальними не перевищує 6%.

Актуальною є розробка раціонального варіанта САК напруги АГ з самозбудженням, яка повинна забезпечити: високу точність керування напруги генератора, нечутливість, або астатизм до збурень, надійність в експлуатації.

Відомі в літературних джерелах САК напруги АГ з використанням ТКРП реалізовані як одноконтурні з регулятором напруги. Нами запропоновано будувати такі САК напруги АГ як двоконтурні, ввівши контур регулювання струму навантаження ТКРП, що захищено патентом України. Необхідність такого контура регулювання викликана особливостями режиму роботи ТКРП, який близький до короткого замикання, а також необхідністю компенсувати сталу часу його навантаження RкLк.

З урахуванням цього проведені розробка, дослідження і порівняльний аналіз двох варіантів САК напруги АГ зі самозбудженням:

-

-

Рис.3. Структурна схема системи підпорядкованого регулювання напруги.

Uзс.о - сигнал завдання початкового струму ТКРП; Кззс , Кззн - коефіцієнти зворотного зв’язку за струмом та напругою відповідно; KF - коефіцієнт внутрішнього зворотного звязку за

реактивною складовою струму навантаження; ФП - функціональний перетворювач,

який у моделі формує сигнал збурення f*

Рис.4. Структурна схема САК напруги, побудованої за принципом комбінованого керування за задавальною дією; R - пропорційна ланка в прямому каналі

Обгрунтована доцільність поширення методу узагальненого характеристичного полінома (УХП) для синтезу САК напруги АГ. Синтез СПР проведений з використанням диференціального та інтегрального варіантів методу, коли синтезується за чергою кожен контур зокрема, або коли синтезується вся система в цілому.

У випадку диференціального варіанта синтезу методом УХП, ПФ контурів струму і напруги мають вигляд:

, (3)

. (4)

Звідси знаходяться та, виходячи з умови забезпечення стандартної форми розподілу коренів характеристичного рівняння.

Для інтегрального варіанта синтезу методом УХП ПФ контура напруги має вигляд:

. (5)

Тут відразу визначаються невідомі та з за виразом (3).

Особливістю САК, побудованої за принципом комбінованого керування за задавальною дією, є те, що, на відміну від класичного варіанта такої системи, в прямому каналі використовується інтегральний регулятор , що забезпечує астатизм системи, і пропорційна ланка R, яка в певній мірі підвищує швидкодію системи під час дії збурень у каналі навантаження. ПФ замкненого контура напруги Wкн(р) в даному випадку має вигляд:

, (6)

де контур струму описується наступною ПФ

. (7)

ПФ АГ з врахуванням внутрішнього зворотного зв’язку за реактивною складовою струму навантаження KF має вигляд

. (8)

Отримані вирази ПФ дають можливості для розрахунку параметрів контурів, для СПР і системи комбінованого керування. Створені моделі цих систем у середовищі MATLAB Simulink і проведені їх дослідження за різними налаштуваннями на найпоширеніші в електромеханічних системах стандартні форми, а саме: біноміальну і Баттерворта. На рис.5,6 наведені залежності напруги і струму ТКРП за стрибкоподібної зміни завдання та навантаження для двоконтурної СПР напруги АГ, налаштованої за використання результатів диференціального варіанта синтезу методом УХП на стандартну форма Баттерворта, якщо: ос=70 с-1, он=50 с-1 (крива 1); ос=35 с-1, он=25 с-1 (крива 2); ос=17,5 с-1, он=12,5 с-1 (крива 3) і комбінованої САК напруги за задавальною дією, якщо Т=0,01c, R=26,9, Кззн =1,223, Кззс = 0,2681 (крива 1); Т=0,05c, R=5,38, Кззн =0,2445, Кззс = 0,0374 (крива 2); Т=0,1c, R=2,69, Кззн =0,1223, Кззс = 0,00858 (крива 3), відповідно. Тут ос, он – значення середньогеометричного кореня контура струму і напруги відповідно; Т – стала часу регулятора-інтегратора з ПФ (див. рис.4).

Рис. 5. Перехідні процеси напруги АГ Рис.6. Перехідні процеси напруги АГ

і струму ТКРП в СПР і струму ТКРП в системі комбінованого

керування за задавальною дією

Окрім цього, проведені дослідження цих синтезованих систем під час дії періодичних збурень в каналі швидкості. Вони дозволили сформулювати рекомендації щодо застосування цих систем. Розглянемо ці рекомендації.

За динамічними властивостями при стрибкоподібній зміні завдання та навантаження кращими є варіанти налаштування за результатами синтезу диференціальним методом УХП згідно з формою Баттерворта. З точки зору нечутливості до впливу збурень у каналі швидкості кращою є система з комбінованим керуванням за задавальною дією. Тому якщо не ставляться високі вимоги до точності, і допустима похибка під час відпрацювання збурень в каналі швидкості не більша від 0,2% при амплітуді збурень 2%, то слід вибирати СПР, як простішу в налаштуванні.

У випадку, коли навантаження з боку споживачів є детермінованим, проблема якості енергії генератора вирішується за допомогою запропонованих САК. Коли ж навантаження є випадковим, то можуть виникати коливання напруги. Тому виникає проблема синтезу таких систем стабілізації рівня напруги , які були б прийнятними і для детермінованого, і для стохастичного характеру навантаження без значного ускладнення системи.

Внаслідок дії випадкових збурень у каналі навантаження автономного асинхронного генератора його напруга (UАГ) також коливатиметься випадково. Приклад такого коливання показаний на рис. 7. При цьому можна виділити три зони А1 , А2 , А3 , в яких може перебувати UАГ. А2 - бажана зона, А1,А3 – зони, близькі до режиму короткого замикання та неробочого ходу (UНХ), відповідно, а тому – небажані. Межами між ними є U10 і U20.

Пропонується формувати різні динамічні властивості САК напруги АГ у кожній із вказаних зон, виходячи з умови забезпечення тривалого перебування напруги в зоні А2. При цьому спочатку потрібно знайти U10 і U20. Їх можна знайти з умови мінімуму функції ризику R. Вираз R для даного випадку має вигляд:

; (9)

де Сi,j – вагові коефіцієнти (штрафні і призові) від прийняття правильного чи неправильного рішення щодо перебування процесу в якомусь стані (i,j = 1,2,3);

f(U/Aі) – густина розподілу напруги АГ в зоні Аі;

Р1Р3 – апріорні ймовірності перебування напруги в зонах А1А3 відповідно.

З умови мінімуму виразу (9) отримані вирази для U10 та U20. Для реалізації принципу зонного керування такою системою запропоновано ввести в коло зворотного зв’язку СПР напруги АГ блок нелінійності, вигляд характеристики “вхід-вихід” якого наведений на рис.8.

Результати досліджень підтвердили ефективність застосування зонного принципу керування в САК напруги АГ, який знижує дисперсію коливань напруги АГ за дії випадкових збурень у навантаженні приблизно в 3 рази.

У третьому розділі розроблена математична модель ААГУ з тиристорним компенсатором реактивної потужності і САК напруги. Ця модель передбачає можливість дослідження процесу переходу АГ з автономного режиму до режиму роботи паралельно з мережею і вона формується на основі теорії моделювання електромашинно-вентильних систем (ЕМВС).

Структурна схема моделі показана на рис.9. Ця модель дозволяє врахувати дискретність напівпровідникових перетворювачів, насиченість магнітопроводів електричних машин, несиметрію фазних напруг і забезпечує високий ступінь адекватності моделі реальним установкам.

Формуючи модель, установку розглядаємо як сполучення структурних елементів, кожен з яких є функціональним пристроєм. Такими структурними елементами у цій електромеханічній системі є АГ, батарея конденсаторів, ТКРП, трансформатор, електрична мережа, навантаження і САК напруги. АГ описаний у фазних координатах, а ТКРП – у координатах струмів віток силового кола, які віднесені також до фазних координат, тому що під час їхнього використання є можливість безпосереднього математичного опису об’єкта.

Зв’язок між моделями структурних елементів реалізуємо на основі рівнянь зв’язку, які визначаються топологією системи.

Для дослідження ААГУ шляхом математичного моделювання велике значення, з точки зору адекватності моделі фізичній установці, мають допущення, прийняті під час опису моделей окремих елементів. Особливістю математичної моделі асинхронної машини (АМ) є те, що в ній врахована характеристика намагнічування основного магнітного кола і допущення, які є коректними під час роботі АМ в режимі генератора. Одне з найважливіших допущень полягає в тому, що при розробці математичної моделі АГ робоче потокозчеплення кожної з фаз статора і ротора представлено як проекції вектора головного магнітного потокозчеплення на осі фаз статора і ротора. Вектор суміжний з вектором струму намагнічення , а модуль вектора залежить від модуля вектора згідно з характеристикою намагнічування головного магнітного кола . Цю характеристику намагнічування АМ отримуємо за результатами експериментальних її досліджень в режимі неробочого ходу.

Рівняння електричного кола АМ можна записати у векторно-матричній формі

, (10)

де - вектори потокозчеплень, струмів і напруг АМ відповідно;

- матриця опорів АМ.

Параметри АМ можна подати так (нижній індекс “t” означає транспонування):

.

Враховуючи те, що вектор є нелінійною функцією вектора і кута повороту ротора (), а потокозчеплення фаз ротора є лінійними функціями струмів фаз ротора , рівняння (10) можна записати так

, (11)

де

(12)

- матриця динамічних індуктивностей (j,к =А,В,С,a,b,c) [4], які знаходяться за виразами відповідно для кола статора, ротора і намагнічування;

(13)

-

-

Матриця і вектор є нелінійними функціями струму і кута .

Зазначені допущення, які прийняті під час створення моделі АГ, а також допущення під час побудови моделей інших елементів, гарантують адекватність математичної моделі автономного джерела електроенергії в широкому діапазоні регулювання напруги на рівні, не нижчому, ніж 90%. Ці дані отримані внаслідок порівняльного аналізу з натурними експериментами.

У четвертому розділі проведені комп’ютерні дослідження ААГУ з використанням математичних моделей, розроблених у розділі 3. На їх основі було вирішено цілий ряд задач, які важко вирішити іншими шляхами.

Так були проведені дослідження можливих режимів самозбудження АГ. На рис.10 і рис.11, як приклад, показані залежності миттєвого значення напруги на затискачах АГ при комп’ютерних дослідженнях (рис.10) та досліджень на випробовувальному стенді (рис.11) процесу самозбудження (ДВ = 157,08 1/с., СК = 660 мкФ).

Розходження між миттєвими значеннями фазної напруги моделі та стенда на рис. 10 і рис. 11, визначене як середньоквадратична похибка неспівпадання обвідних ліній миттєвих значень напруги в режимі самозбудження АГ, становить 6%.

Рис.10. Результати дослідження режиму Рис.11. Результати дослідження режиму

самозбудження на математичній моделі самозбудження на випробовувальному

стенді

Ця похибка співвимірна з похибкою вимірювання параметрів АГ і конденсаторних батарей. Тому такі дослідження підтверджують високий ступінь адекватності математичної моделі реальній установці.

Моделювання дозволило вибрати величину ємності додаткової конденсаторної батареї з умови компенсації реактивної складової струму навантаження і забезпечення коефіцієнта несинусоїдальності менше 8%.

Був проведений порівняльний аналіз різних способів регулювання напруги АГ з ТКРП, реалізованого за допомогою різних схем тиристорного перетворювача з RL навантаженням, за дії різного навантаження електричного характеру: активного, активно-індуктивного, а також режими вмикання АД тощо. При цьому аналізувався гармонічний склад вихідної напруги, виявлена наявність вищих гармонік та розроблено рекомендації щодо обмеження їх амплітуди на рівні гранично допустимих значень.

Проведені дослідження однофазної автономної генераторної установки з використанням трифазної АМ і ТКРП, на основі яких запропоновано вибирати параметри силового кола з умови наближення годографа потокозчеплення в координатах , до колового.

У результаті дослідження впливу несиметричних і аварійних режимів на ААГУ, доведена працездатність схем з різними ТКРП в режимі відмикання однієї фази навантаження і аварійного відмикання фази ТКРП. Відзначено деякі переваги схем з ТПН і пофазним керуванням напруги.

Проведено аналіз можливості використання ТКРП для демпфування динамічних моментів у механічній системі “рушій-генератор” за змін навантаження на ААГУ. Обгрунтовано твердження, що за наявності гнучкого зворотного зв’язку за потужністю АГ тривалість перехідного процесу в режимі стрибкоподібної зміни навантаження зростає в 3 рази, що зменшує динамічне навантаження на механічну частину АГ і рушія, тобто сповільнює їх втомлюванісне руйнування.

Проведено дослідження і вибір режиму підмикання АГ 107 кВт Східницької ВЕС до мережі, на основі яких вироблено рекомендації щодо вибору частоти обертання вала в момент вмикання, величини індуктивності дроселя, який служить для обмеження струму, та часу його вмикання.

У п’ятому розділі наведені експериментальні дослідження. у зв’язку з тим, що в другому і третьому розділах приведені результати дослідження ААГУ із застосуванням, відповідно, лінеаризованої моделі в пакеті Simulink і моделі на рівні миттєвих значень, яка побудована на основі теорії моделювання ЕМВС, виникає необхідність визначення ступеня адекватності цих моделей реальним об’єктам. Цим викликана необхідність проведення експериментальних досліджень АГ, зокрема і ААГУ в цілому. Об’єктами експериментальних досліджень є:

-

-

Експериментальні дослідження проведені в різних режимах роботи, а аналіз їх результатів показав, що математична модель, розроблена на основі теорії ЕМВС, забезпечує вищий ступінь адекватності, порівняно з моделлю в середовищі MATLAB Simulink і дозволяє аналізувати несиметричні та аварійні режими роботи, хоча максимальна похибка неспівпадання деяких параметрів перехідних процесів становить до 8%, що пов’язано з точністю визначення параметрів елементів моделі.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі отримала подальший розвиток теорія керування напруги асинхронних генераторів шляхом керування струму збудження за допомогою статичних компенсаторів реактивної потужності. Одержано нові теоретичні та практичні результати, які є істотними для побудови ААГУ:

1. Серед широкої різноманітності систем керування збудженням автономних асинхронних генераторів з короткозамкненим ротором економічно доцільними є аналогово-дискретні системи з використанням тиристорних компенсаторів реактивної потужності у різних модифікаціях, які запропоновані в дисертаційній роботі (двоконтурні САК напруги, зонний принцип керування напруги, спосіб демпфування моменту).

2. Застосування двоконтурних САК напруги АГ з введенням контура регулювання струму навантаження ТКРП дозволяє обмежити його струм на допустимому рівні, зменшити динамічну похибку регулювання напруги і, таким чином, підвищити надійність і якість енергопостачання.

3. Розроблені САК напруги АГ, побудовані за принципом підпорядкованого регулювання і комбінованого керування за задавальною дією, а також запропоновані варіанти налаштувань їх контурів, забезпечили практичну нечутливість ААГУ до збурень в каналі швидкості рушія і астатизм до дії навантаження.

4. Проведений аналіз впливу на ААГУ навантаження зі стохастичним характером дозволив виявити недоліки традиційних САК напруги і рекомендувати в цьому випадку застосувати принцип зонного керування. Введення в коло зворотного зв’язку за напругою блока нелінійності і вибір його параметрів згідно із запропонованою методикою суттєво знизили дисперсію коливань напруги на виході АГ.

5. Спосіб керування тиристорним компенсатором реактивної потужності з введенням зворотного зв’язку за похідною від потужності в часі надає системі збудження АГ нових властивостей – демпфера динамічного моменту в системі “рушій – генератор”, що дозволяє сповільнити її втомлюванісне руйнування.

6. Розроблені математичні моделі різних модифікацій ААГУ, які дозволяють врахувати насичення магнітної системи АГ, дискретність напівпровідникових перетворювачів, нелінійність і несиметрію окремих структурних елементів тощо, забезпечують високу ступінь адекватності (не нижчу від 92%) і є ефективними для дослідження різних режимів роботи, зокрема, самозбудження, а також несиметричних і аварійних.

7. Розроблена спрощена (лінеаризована) модель АГ з врахуванням особливостей його роботи в автономному режимі, які пов’язані з дією збурень в каналах швидкості обертання ротора, струму збудження та струму навантаження, що дозволяє провести синтез і комп’ютерні дослідження запропонованих САК напруги АГ з використанням стандартних програмних пакетів.

8. Результати виконаних у дисертації розробок і досліджень впроваджені на ВАТ “НДІ Гідроакустика” м. Львів, на підприємстві “Львівенергоналадка” ВАТ “Львівобленерго”, використані під час виконання держбюджетних тем “Ощадність” і “Критерій”, а експериментальний стенд потужністю 4,5 кВт рекомендований для використання в навчальному процесі на кафедрі електричних машин та апаратів Національного університету “Львівська політехніка” для проведення лабораторних робіт, дипломного проектування та наукових досліджень.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

АНОТАЦІЇ

Копчак Б.Л. Асинхронна автономна генераторна система з керованим збудженням. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 – електротехнічні комплекси та системи. – Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2003.

Дисертація присвячена створенню моделей та дослідженню автономного асинхронного генератора (АГ) з керованим збудженням з урахуванням збурень в каналах регулювання швидкості обертання і навантаження у різних можливих режимах роботи, його вдосконаленню, виробленню рекомендацій щодо синтезу системи автоматичного керування САК), що забезпечить створення автономних енергоустановок підвищеної надійності та економічності.

Розроблена лінеаризована модель АГ з керованим збудженням, як ланки САК, використовуючи результати експерименту. Запропоновано будувати САК напруги АГ як двоконтурні, ввівши додатково контур регулювання струму тиристорного компенсатора реактивної потужності. Синтез САК напруги АГ проведено методом узагальненого характеристичного полінома, що забезпечило її практичну нечутливість до збурень.

Використовуючи теорію моделювання електромашинно-вентильних систем, розроблені математичні моделі автономних асинхронних генераторних установок з керованим збудженням для дослідження електромагнітних та електромеханічних процесів в різних режимах, зокрема, несиметричних та аварійних.

Ключові слова: автономна асинхронна генераторна установка, керування збудження, тиристорний компенсатор реактивної потужності, система автоматичного керування, модель, дослідження.

Копчак Б.Л. Асинхронная автономная генераторная система с управляемым возбуждением. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 – электротехнические комплексы и системы. – Национальный университет “Львівська політехніка”, Львов, 2003.

Диссертация