DisCollection.ru

Авторефераты и темы диссертаций


Совершенствование источника питания автономной системы электроснабжения на основе асинхронного вентильного генератора

Вокин Игорь Александрович, 27.03.2008

 

По справочным кривым намагничивания в зависимости от величины магнитной индукции и марки стали, из которой выполнен соответствующий участок, находятся значения напряженности магнитного поля на каждом участке магнитной цепи.

Вычисляются магнитное напряжение каждого из участков магнитной цепи и магнитное напряжение на пару полюсов Fц.

Находится ток намагничивания I?.

Для нового значения E? повторяются пункты 1 – 5.

В результате выполнения алгоритма, приведенного выше, образуются пары соответствующих значений тока и ЭДС холостого хода, которые в совокупности и определяют зависимость E?=f(I?). ЭДС холостого хода зависит от частоты тока в цепи статора f1, которая в свою очередь зависит от величины нагрузки. Поэтому зависимость E?=f(I?) необходимо определять для каждого нового режима асинхронного генератора.

Аналитическая форма зависимости E?=f(I?) выведена аппроксимацией графика, построенного на основании расчетов по вышеприведенному алгоритму формулой Фрелиха, которая применительно к рассматриваемому случаю записывается в виде

где a и b – коэффициенты аппроксимации. Аппроксимация формулой Фрелиха имеет относительно небольшую погрешность. Для нахождения коэффициентов аппроксимации достаточно знать всего две точки аппроксимируемого

На основе анализа основных зависимостей для шестипульсного мостового выпрямителя с использованием метода основной гармоники определены активное и реактивное сопротивления выпрямителя, которые для АВГ можно интерпретировать как сопротивления нагрузки:

где Zd – сопротивление нагрузки АВГ; L – индуктивность входной цепи выпрямителя.

Таким образом, математическая модель АВГ представляет собой систему

Для решения этой системы предварительно определяются частота тока статора f1 по (3), подстановкой вместо активного и реактивного сопротивлений нагрузки Rн и Xн выражения (5) для активного и реактивного сопротивлений выпрямителя Rв и Xв, и коэффициенты аппроксимации a и b. После решения системы относительно неизвестных токов определяются значения тока нагрузки АВГ Id и напряжения на нагрузке Ud

На основании анализа математической модели АВГ сделан вывод, что на выходное напряжение АВГ на практике можно влиять изменением скорости вращения ротора n, емкости конденсаторных батарей C, сопротивления нагрузки Zd. АВГ как объект управления можно представить в виде, изображенном на рис. 3.

Рис. 3. АВГ как объект управления

Внешними воздействиями являются следующие величины: частота вращения n ротора АГ; емкость батареи конденсаторов возбуждения С; ток нагрузки Id. При этом первые две величины относятся к входным задающим воздействиям, а ток нагрузки является возмущающим.

? осуществлена проверка адекватности полученного математического описания АВГ.

На рис. 4 изображена схема экспериментальной установки.

Рис. 4. Схема экспериментальной установки

В качестве приводного двигателя ПД использовался двигатель постоянного тока с независимым возбуждением типа 2ПН100LУХЛ4 с номинальной активной мощностью Pном = 2,2 кВт и номинальной частотой вращения nном = 3150 об/мин. Частота вращения ПД изменялась при помощи изменения коэффициента трансформации трансформатора Т, реостатом Rов в обмотке возбуждения.

Роль асинхронного генератора выполняла асинхронная машина АИР80А2У3. Ее параметры: номинальное напряжение Uном = 380 В; номинальная активная мощность Pном = 1,5 кВт; номинальный ток фазы статора Iном = 3,26 А; номинальная частота вращения nном = 2880 об/мин; номинальная частота питающей сети f = 50 Гц; номинальный коэффициент мощности cos?ном =

Контактор КБК0 позволял осуществлять как мягкое, так и жесткое возбуждение генератора. При помощи контакторов КБК1 – КБК4 параллельно основной ступени батареи конденсаторов возбуждения C0 осуществлялось подключение еще четырех ступеней C1 – C4, что давало возможность изменять емкость батареи конденсаторов возбуждения от 8 до 16 мкФ на фазу с дискретностью 2 мкФ. При помощи измерителя RLC Е7-22 была проверена емкость каждой батареи и максимальная погрешность составила 5%.

К статорной обмотке генератора был подключен неуправляемый выпрямитель, собранный по трехфазной мостовой схеме на диодах VD1 – VD6 типа КД202Р. Выпрямитель работал на активную нагрузку, которая изменялась ступенчато посредством контакторов Кd1 - Кd4 в диапазоне от 0 до 1,5 кВт с шагом 0,25 кВт при номинальных значениях параметров режима работы установки.

В ходе экспериментов фиксировались значения практически всех параметров режима экспериментальной установки: ток статора асинхронного генератора I1, выпрямителя Iв, батареи конденсаторов IБК, нагрузки Id и напряжение на нагрузке Ud – посредством цифровых мультиметров М890G с классом точности 1,5; скорость вращения ротора генератора n – посредством тахогенератора ППЭ-Д2; частота тока в статоре f1 и напряжение на обмотках статора генератора U1 - посредством универсального измерительного прибора ДМК22.

В результате экспериментов построены внешние характеристики АВГ для различных значений емкости возбуждения. Аналитический расчет внешних характеристик по математической модели АВГ, полученной во второй главе, для условий, соответствующих проведенным экспериментам, выполнен при помощи пакета прикладных математических программ Mathcad 2001. В результате сравнения результатов максимальная погрешность составила 6,6 % (рис. 5), что позволяет сделать вывод о достаточной адекватности построенной математической модели АВГ.

Рис. 5. Внешние характеристики АВГ:

1 – при C=8 мкФ; 2 – при C=10 мкФ; 3 – при C=12 мкФ; 4 – при C=14 мкФ;

– – – – экспериментальные кривые; –––– – расчетные кривые

В третьей главе также приводится полученное в ходе эксперимента и расчетным путем семейство кривых, соответствующих стабилизированному выходному напряжению Ud = 515 В при изменяющихся значениях мощности нагрузки Pd, емкости конденсаторов возбуждения C и частоты вращения генератора n (рис. 6). Пунктирная кривая соответствует номинальному току статора Iс ном, то есть режимы работы АВГ на характеристиках, расположенных выше этой кривой, приводят к перегрузке генератора и не могут являться длительными.

Рис. 6. Кривые зависимостей для Ud = 515 В при C=var, n=var, Pd=var

Полученные зависимости показывают, что стабилизированное напряжение может быть получено посредством изменения в различных комбинациях емкости конденсаторов возбуждения C и частоты вращения ротора генератора

В четвертой главе сформулированы принципы дискретно-непрерывного двухканального способа стабилизации напряжения источника питания автономной СЭС на основе АВГ.

На рис. 7 показаны экспериментальные графики зависимостей параметров АВГ от тока нагрузки при постоянной частоте вращения n и емкости конденсаторов возбуждения С (рис. 7а), при постоянной n и двухступенчатом изменении С (рис. 7б) и при изменяемой n и двухступенчатом изменении С (рис. 7в). В первом случае максимальное отклонение напряжения от заданной величины (в эксперименте Ud зад = 515 В) составило 9,7%, во втором случае – 4,5 %, в третьем на всем диапазоне изменения тока нагрузки удалось поддерживать напряжение на заданном уровне. Показано, что при предлагаемом способе стабилизации напряжения АВГ, дискретное изменение напряжения за счет емкости возбуждения дополняется возможностью непрерывного управления по частоте вращения генератора.

На основании проведенных исследований сделан вывод, что дискретно-непрерывный двухканальный способ стабилизации выходного напряжения источника питания на основе АВГ позволяет добиться высокой точности поддержания заданного значения напряжения.

Рис. 7. Экспериментальные графики зависимостей параметров АВГ от тока

нагрузки: а – при С = const, n = const; б – при С = var, n = const; в – при С = var, n = var Описана разработанная методика выбора интервала изменения частоты вращения приводного двигателя ?nопт и емкости ступеней батареи конденсаторов возбуждения для реализации, а также их количества. На примере расчета суточного расхода топлива по комбинированной характеристике приводного дизельного двигателя 8ЧН 13/14 (ЯМЗ – 238Н) для заданного ступенчатого графика нагрузки источника питания на основе АВГ показано, что при правильном выборе интервала изменения частоты вращения можно добиться экономии топлива. В расчетах она составила 9 литров в сутки по сравнению с классическим принципом стабилизации напряжения источника питания при неизменной частоте вращения.

В то же время показано, что при выборе ?nопт необходимо учитывать то обстоятельство, что уменьшение частоты вращения влечет за собой необходимость увеличения емкости возбуждения. В результате может возникнуть перегрузка генератора по току статора. Соответственно, минимальное значение частоты вращения необходимо выбирать, основываясь на характеристиках АВГ.

На рис. 8 приведена функциональная схема системы, реализующей дискретно-непрерывный двухканальный способ стабилизации выходного напряжения источника питания на основе АВГ. В ее состав входят два основных контура управления – контур частоты вращения n ротора АГ и контур емкости C батареи конденсаторов возбуждения БК, а также два вспомогательных контура – контур контроля тока статора I1 и контур включения АВГ на нагрузку.

Рис. 8. Функциональная схема системы, реализующей

дискретно-непрерывный двухканальный способ стабилизации выходного напряжения

источника питания на основе АВГ

Контур частоты вращения ротора АГ построен по принципу непрерывной системы. Датчик частоты вращения передает в УУ информацию о значении n, который после оценки сигнала рассогласования ?Ud = Ud зад - Ud, поступающего с устройства сравнения УС, формирует соответствующий сигнал управления для устройства подачи топлива УПТ. Сигнал Ud зад вырабатывается задатчиком напряжения ЗН. Контур частоты вращения обеспечивает плавное изменение Ud в некотором диапазоне, при этом значение частоты вращения ротора генератора не должно выходить за пределы заданного интервала ?nопт.