Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРА ° НИ Институт электродинамики

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ

Институт электродинамики

Левчук Анатолий Павлович

УДК 621.314.4: 622.271

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ

вентильных СТАРТЕР-ГЕНЕРАТОР транспортных ЭНЕРГОУСТАНОВОК

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕАРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Киев-2001

Актуальность темы исследования.

Работа выполнена в отделе экономического и нормативно-правового регулирования в энергетике Института общей энергетики НАН Украины, Киев.

Научный руководитель - доктор технических наук,

старший научный сотрудник

Новосельцев Александр Викторович, ведущий научный сотрудник отдела экономического и нормативно-правового регулирования в энергетике Института общей энергетики НАН Украины.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

старший научный сотрудник

Лесник Владимир Акимович, заведующий отделом электромеханических систем Института электродинамики НАН Украины;

- кандидат технических наук

Сенько Евгений Витальевич, доцент кафедры автоматики энергосистем Национального технического университета Украины "КПИ".

Ведущая организация - Национальная горная академия Украины (кафедра систем электроснабжения) Министерства образования и науки Украины, Днепропетровск.

Защита диссертации состоится "30" января 2002 в 1100 часов на заседании диссертационного совета Д 26.187.01 в Институте электродинамики НАН Украины по адресу: 03680, г. Киев-57, проспект Победы, 56, тел.446- 91-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института электродинамики НАН Украины по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан "28" декабря 2001

Ученый секретарь

ученого совета В.С.Федий

Общая характеристика работы

Вступление. потребность обеспеченияэффективного использования энергоресурсов в транспортных энергоустановках, а также современные реалии структурной перестройки народного хозяйства Украины, когда производственные мощности в промышленности загружены полностью, а существующая энергосистема работает нестабильно с длительными перерывами в энергоснабжении, обусловливают постоянно растущий спрос на автономные системы электроснабжения с повышенными показателями надежности, экономичности , мобильности и т.

Актуальность темы. Современные автономные системы электроснабжения состоят из приводного двигателя (дизельного, газотурбинного и т.д.), электрической машины и системы управления работой энергоустановки. Как электрические машины в последнее время все большее распространение получают бесконтактные асинхронные генераторы (АГ) и синхронные, которые постепенно заменяют контактные. Использование АГ позволяет повысить КПД и надежность, уменьшить массу и габариты, улучшить симметрирования нагрузки т.д. Подключение к АГ источники реактивной мощности (ИРМ) является необходимым условием его работы. Традиционно для этого использовались конденсаторы. С достижениями в области полупроводниковой техники и внедрением ДРП на основе вентильных регуляторов (ВР) асинхронные вентильные стартер-генераторы (АВСГ) получили новых конкурентоспособных качеств.

Система управления (СУ) современного АВСГ включает подсистему управления ВР, который для транспортных энергоустановок целесообразен на основе автономного инвертора напряжения (АИН), и комбинацию обратных связей АВСГ по частоте, напряжению и току в зависимости от основных функций регулирования. В совокупности это обеспечивает эффективность управления енергопроцесамы в системе АВСГ-нагрузки и, как следствие, позволяет регулировать частоту, амплитуду выходного напряжения, получать выпрямленное напряжение, осуществлять стартерный режим и тому подобное. Основным существенным недостатком ДРП на основе ВР сравнительно низкое качество исходной электрической энергии, что в свою очередь снижает КПД и другие энергетические показатели АВСГ, электромагнитную совместимость, сужает сфэру его применения.

Поэтому работа, в которой предлагается совокупность мероприятий по повышению качества управления АВСГ и расширение его функциональных возможностей на этой основе, является актуальной.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертационные исследования выполнялись в Институте общей энергетики НАН Украины в соответствии с координационным планом научно-поисковых работ по комплексной проблеме "Научные основы энергосбережения", утвержденных Президиумом НАН Украины по темам: "Модуль" (1989-1992 гг.) "Комплекс", № ДР 01934019931 (1992-1996 гг.) "Комплекс-II", № ДР 0197U006438 (1996-1998 гг.) И ряда хоздоговорных работ. Роль автора в выполненных работах: улучшенные качество напряжения и пусковые характеристики АВСГ в стартерных режиме; разработаны алгоритмы определения погрешности энергетических характеристик АВСГ, созданные макеты СУ АВСГ с высокими технико-экономическими показателями.

Цель и задачи исследования. Целью диссертации является повышение эффективности и качества управления АВСГ на базе расширенной кодо-импульсной обработки информации, новой структуры системы управления и оригинальных алгоритмов дискретного регулирования напряжения АВСГ.

Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

- теоретическое и экспериментальное исследование влияния подсистемы управления ВР на его управляемость, быстродействие в переходных режимах, работу на пониженных частотах, энергетические показатели;

- разработка структуры АВСГ с ее обратной связи с повышенными показателями по управляемости, быстродействия в переходных режимах и независимости регулирования напряжения АВСГ от угловой скорости АМ;

- разработка математического аппарата синтеза и сравнительного анализа алгоритмов дискретного регулирования напряжения АВСГ с минимизацией его заданного энергетического критерия.

- разработка структуры и способов управления вентильного регулятора с использованием алгоритмов дискретного регулирования напряжения АВСГ на базе широтно-импульсной модуляции (ШИМ);

Объект исследования. объектому исследования является АВСГ как электромеханическая система, которая включает в себя асинхронную машину, вентильный регулятор с его системой управления и обратные связи с частотой и напряжением АВСГ.

Предмет исследования. Предметом исследования являются системы управления АВСГ, совершенствования их структуры, схемных решений, способов и алгоритмов работы для повышения энергоэффективности, управляемости и производительности.

Методы исследования. В диссертации использованы следующие методы исследования: эквивалентных схем замещения, наложения, непрерывной аппроксимации при расчете энергетических характеристик АВСГ с заданной точностью; гармонического анализа при синтезе алгоритмов дискретного регулирования напряжения АВСГ; преобразования Лапласа; экспериментальных исследований электромеханических систем в лабораторных условиях. Достоверность теоретических положений и выводов подтверждена исследованиями на действующих макетах.

Научная новизна работы:

- разработана новая структура системы управления АВСГ с вентильным регулятором на базе автономного инвертора напряжения, как практически безынерционной звеном по сравнению с машиной, с комбинациями дополнительных обратных связей по частоте, напряжению и току, синтезированных на основе расширенной кодо-импульсной обработки информации;

- получил дальнейшее развитие комплексный подход к анализу влияния качества электрической энергии на характеристики АВСГ в стартерных и генераторном режимах при различных алгоритмах работы ВР, в котором в отличие от других колебания момента и частоту начала пошагового режима асинхронной машины найдено с учетом энергетических характеристик АВСГ и напряжений машины;

- разработаны оригинальные алгоритмы дискретного регулирования напряжения АВСГ и соответствующие оригинальные методики синтеза этих алгоритмов, в которых в отличие от других синтез и оптимизация параметров проводятся одновременно, а углы примыкания ключей ВР находятся как результат решения оптимизационной задачи на каждом шагу дискретного регулирования величины первой гармоники;

- разработан ранее неизвестный способ, позволяющий расширить частотный диапазон работы АВСГ в стартерных режиме и уменьшает колебания момента АМ в процессе запуска АВСГ путем дискретного регулирования гармонического состава напряжения таким образом, что каждый новый импульс приводит к подавлению двух дополнительных гармоник в спектре выходного напряжения;

- впервые разработаны функциональные преобразователи с цифровым регулированием величины скольжения АМ для системы управления АВСГ.

Практическое значение и реализация результатов работы. В результате выполненных теоретических исследований разработана структура АВСГ, которая дала возможность улучшить энергетические характеристики, повысить управляемость и быстродействие системы в стартерных и генераторном режимах, расширить ее диапазон работы по частоте и напряжению, улучшить массо-габаритные показатели. Разработан математический аппарат синтеза алгоритмов дискретного регулирования напряжения АВСГ позволяет синтезировать эти алгоритмы при минимуме числа переключений ключей вентильного регулятора с одновременной оптимизацией заданного энергетического критерия АВСГ. Математический аппарат сравнительного анализа эффективности дискретных алгоритмов регулирования напряжения АВСГ позволяет находить основные энергетические критерии АВСГ, напряжения и токи в различных элементах схемы замещения, колебания момента АМ от несинусоидальности кривой тока статора, начало пошагового режима АМ на низких частотах.

Результаты диссертационной работы внедрены: в Научно-исследовательском институте двигателей, Москва (девьятифазний ВР с малыми массо-габаритными показателями, для запуска синхронной машины преимущественно асинхронизированные) Киевском высшем танковом инженерном училище, (трехфазный ВР с повышенным качеством выходного напряжения для запуска АМ) Институте электродинамики НАН Украины, г.Киев (СУ асинхронного вентильного генератора с регулированием напряжения в функции скольжения АМ).

Личный вклад диссертанта. Научные положения и прикладные результаты, содержащиеся в диссертации, приемни соискателем лично. В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат: [2] -покращення энергетических показателей ВР при широтно-импульсном регулировании напряжения; [5] - форсированный вывод зарядов из базы биполярного транзистора вентильного регулятора одновременным перезарядом обоих переходов [6] и [7] - разработка дополнительного канала обратной связи по частоте ВР с программным регулированием величины и гармонического состава напряжения; [9] - нахождение координат передних и задних фронтов импульсов при синтезе с квантованием по продолжительности величины кривой, аппроксимируется; [10] - разбиение частотного диапазона на три, длительность импульсов выходного напряжения в которых независимая от изменений частоты; [11] - разработка канала обратной связи по электрической частотой статора АМ с регулированием напряжения в функции скольжения АМ.

Апробация результатов диссертации была проведена на конференциях: "Оптимизация полупроводниковых устройств преобразовательной техники" .- М .: ИЭИ АН УССР, 1987 .; "Научные основы создания энергосберегающей техники и технологии" .- М .: МЭИ, 1990; "Proceedings of International Scientific-Technical Conference on Unconventional and Electromechanical and Electrotechnical systems, ISTS UEES" 95 / Sevastopol, Ukraine, July 1015, 1995./Szczecin, Poland: Technical University Press, 1995 и заседаниях научных семинаров Института общей энергетики НАН Украины ( м. Киев, 2000, 2001)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе: 3 статьи в профессиональных изданиях и одна в непрофессиональных, 3 авторских свидетельства (СССР), один патент на изобретение (Украина), 3 тезисы докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных первоисточников и приложения. Общий объем диссертации - 178 страниц, в т.ч. на 48 страницах размещены 46 рисунков, 13 таблиц, список использованных первоисточников из 130 наименований и приложения.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность пидвищення качества выходного напряжения АВСГ, улучшение других энергетических показателей путем совершенствования структуры АВСГ и алгоритмов его функционирования. Изложены связь работы с основными принципами государственной политики энергосбережения и государственными научно-техническими программами; сформулированы цель и задачи научного исследования; предоставлено краткую аннотацию новых научных положений; приведены сведения о научном и практическом использовании результатов исследований; указано личный вклад соискателя в научных трудах; указано публикации, апробация результатов исследований.

В первом разделе рассмотрены основные схемы систем возбуждения АГ с точки зрения их функционирования, проведена их классификация с позиций возможности управления протеканием электромагнитных процессов в АВСГ.Розглянуто системы, в которых возможно управление электромагнитными процессами, реализованное на этапе конструирования (пассивное управления). Показано, что их развитие возможно путем совершенствования и дополнения силовых регулирующих элементов в АГ. Рассмотрены также системы, в которых возможно активное управление электромагнитными процессами путем реализации соответствующих алгоритмов в их системах управления. К ним относятся ДРП на основе реактивных элементов и управляемых полупроводниковых вентилей.

Рассмотрены принципы построения СУ АВГ с ВР, соответствующих основным известным схемам полупроводниковых преобразователей. В зависимости от принципа регулирования напряжения АМ, частотном или фазовом, эта группа полупроводниковых преобразователей разбита на две. В меньшую группу с частотным управлением входят: автономные инверторы тока, АИН и специально разработанные вентильные преобразователи. При изменении алгоритмов управления с помощью этих преобразователей может быть реализовано фазовое управление. Показано, что ВР по схеме АИН наиболее полно удовлетворяют требованиям к АВСГ транспортной энергоустановки, поскольку кроме простого и надежного частотного принципа регулирования напряжения позволяют осуществлять стартерный режим. СУ АВГ с такими ВР также поделены нИдем между заданной и фактической напряжением АВСГ. В процессе управления АВСГ регулируется частота тока статора, вызывает вынужденную смену скольжения АВСГ и соответственно его выходного напряжения. При этом на первые входы ЕС2 по цепи ДВ, преобразователь частота-код (fN) подается код, пропорциональный электрической частоте вращения ротора, а на вторые входы по цепи электрический сумматор ЕС3, преобразователь аналого-цифровой АЦП - код, пропорциональный разности аналоговых напряжений задатчика ЗН2 и напряжения обратной связи Uз. Код сумматора ЕС2 превращается в частоту в преобразователе код-частота (N-f) и поступает в ШИМ модулятор, из которого через РИ на ключе ВР.

Проведено исследование макета такого АВСГ, которое подтвердило правильность предложенного подхода к разработке СУ АВСГ. Экспериментально подтверждено, что при номинальной частоте вращения ротора и подключении номинальной нагрузки со стороны переменного тока (на выходе обмотки с подключенным ВР) снижение напряжения равно 0.8%, а при подключении нагрузки со стороны постоянного тока - 0.5%. При одновременном подключении нагрузки со стороны постоянного и переменного токов этот показатель соответственно равен 0.8% и 1.5%. На всем диапазоне изменения частоты вращения (25% от номинальной) при работе на нагрузку отклонения напряжения от заданных значений не превышало 1.5%. При отборе мощности от гальванически развязанной обмотки при номинальной частоте вращения и нагрузке снижение напряжения составляло 1.5%. Отклонение напряжения на всем диапазоне изменения частоты вращения (25% от номинального значения) не превышало 1.2%.

Показано, что СУ обеспечивает достаточные динамические характеристики и быстродействие генератора. Время затухания переходного процесса при подключении и отключении допустимой нагрузки при изменении частоты вращения 25% от номинальной составляет 2 ... 4 периода основной частоты генератора.

Рассмотрены алгоритмы сравнительного расчета энергетических показателей АВСГ при работе с распространенным методом однократного Переклте АВСГ, как I, s, cos, l, h = F (РН) с заданной точностью, и показывают несущественную разницу характеристик АВСГ при работе с алгоритмом оптимальной ШИМ от характеристик АВСГ при работе с синусоидальным напряжением (снижение КПД на 0.5%) и существенную при работе с алгоритмом однократного переключения (при котором происходит снижение КПД на 2-3%, ток пятой и седьмой гармоник равна соответственно 32% и 16% от тока основной гармоники).

В стартерных режиме рассмотрена электромагнитная совместимость АВСГ при работе с алгоритмами однократного переключения и оптимальной ШИМ.

Рассматривались колебания момента АМ при работе от этих алгоритмов ШИМ. Оптимальным методом для этого параметра является алгоритм с минимальным коэффициентом гармоник выходного тока kгi = min, но для его реализации необходим обратную связь по величине коэффициента мощности (cos), тогда как алгоритм оптимальной ШИМ, что рассматривается не требует такой обратной связи и дает близкие результаты (разница в kгi до 10%, тогда как при алгоритме однократного переключения - до 30%).

С применением преобразования Лапласа полученные кривые токов АВСГ при работе от алгоритмов, рассматриваемых с моделированием АМ как активно-индуктивной нагрузки (рис. 4.а). Показано (рис. 4.б), что частота колебаний модулей токов статора АМ в п пять раз больше при алгоритме оптимальной ШИМ и амплитуда их в два раза меньше, чем при методе однократного переключения, это соответствует колебаниям момента АМ с точностью до 10% . Такие колебания легче сгладить. Кроме того, на основе анализа тока статора показано, что пошаговый режим работы АМ при алгоритме оптимальной ШИМ наступает при частоте во столько раз ниже, чем при методе однократного переключения, во сколько увеличено число углов переключения плеч инвертора на четверти периода выходной частоты.

В третьем разделе показаны практические пути повышения технико-экономических показателей АВСГ, полученные с сохранением качества выходного напряжения при регулировании величины йй первой гармоники. Разработан математический аппарат синтеза алгоритмов ШИМ с оптимизацией заданных энергетических критериев, при условии, что целевая функция этих критериев выраженная хотя бы в виде суммы бесконечного ряда. Рассмотрены его применения и найдены алгоритмы управления ВР при регулировании величины первой гармоники выходного напряжения и подавлении заданных гармоник, а также алгоритмы управления ВР при дискретном регулировании величины первой гармоники с минимизацией коэффициента гармоник выходного тока в стартерных режиме АВСГ.

При необходимости подавить заданное количество гармоник выходного напряжения углы примыкания ai ключей регулятора находятся из системы трансцендентных уравнений:

(1)

где k - число переключений ключей инвертора на четверти периода выходной частоты; i-номер угла переключения ai; b1 - величина, пропорциональная первой гармонике выходного напряжения; n = 3i-1 при i парном, n = 3i-2 при i нечетном.

В работе система трансцендентных уравнений (1) приведена для нахождения углов переключения ключей ВР при двухполярного ШИМ (ДШИМ) и решение задачи подавления всех гармоник, прилегающих к основной, не кратно трем (для трехфазного симметричного нагрузки) при заданном числе переключений ключей инвертора . Изменением в системе (1) величины b1 и решением ее численными методами получено возможность регулировки первой гармоники выходного напряжения АВСГ с подавлением заданных гармоник.

Загрузка...

Страницы: 1 2 3