Судовая валогенераторная установка на основе машины двойного питания
Харитонычев Михаил Юрьевич АВТОНОМНАЯ СУДОВАЯ ВАЛОГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА НА ОСНОВЕ МАШИНЫ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Нижний Новгород – 2007 Работа выполнена на кафедре "Электротехника и электрооборудова ние объектов водного транспорта" Волжской государственной академии водного транспорта (г. Нижний Новгород).Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Хватов Олег Станиславович Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор Онищенко Георгий Борисович – кандидат технических наук Третьяков Андрей Олегович Ведущая организация – ОАО КБ «Вымпел» (г. Нижний Новгород) Защита состоится “ 2 ” марта 2007 г. в 14 часов в аудитории № на заседании диссертационного совета Д 212.165.02 в Нижегородском го сударственном техническом университете (603950, ГСП – 41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета.
Автореферат разослан “ ” января 2007 г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Одним из перспективных направлений раз вития малой энергетики является энергообеспечение автономных объек тов, например, таких как морские и речные суда. В качестве основных ис точников электроэнергии на судах используются дизель-генераторные аг регаты, число и мощность которых определяется назначением судна и ре жимами его работы. Однако, малые моторесурсы быстроходных двигате лей внутреннего сгорания, применяемых в качестве первичных двигателей генераторов на судовых электростанциях и относительно высокая их стои мость обусловливают большие амортизационные отчисления.
Основным по продолжительности режимом работы большинства су дов является ходовой режим. Различие во внешних характеристиках дви жителя (гребного винта) и главного двигателя приводит к тому, что прак тически во всем диапазоне скоростей хода судна на валу главного двигате ля существует избыточная мощность, составляющая около 10 - 12 % мощ ности главного двигателя. Использование этой избыточной мощности для выработки электроэнергии перспективно, так как позволяет сберегать мо торесурс дизель-генераторов, использовать для получения электроэнергии более дешевые сорта топлива, а также повысить надежность и экономич ность судовой энергетической установки.
Концепция использования генераторов отбора мощности или валоге нераторных установок (ВГУ) известна с середины прошлого века. При раз работке и создании ВГУ перед разработчиками возникает проблема полу чения стабильных параметров вырабатываемой электроэнергии ВГУ (ам плитуды (U1) и частоты (f1) напряжения) при переменных, в зависимости от ходового режима, скорости вращения вала главного двигателя ( = var) и нагрузки в судовой электросети.
Стабилизация U1 и f1 может быть осуществлена двумя способами:
механическим (дифференциальные редукторы, гидромеханические уст ройства) и электрическим (преобразователи частоты (ПЧ). Оба способа обеспечивают необходимое качество вырабатываемой электроэнергии, од нако, второй, отличающийся простотой механической части, наиболее приемлем для малой и средней мощности (до 1500 кВт). В этом случае ВГУ может быть реализована на основе синхронного генератора (СГ) или асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором (АГ c КЗ). В обоих вариантах вся активная мощность от движителя в нагрузку поступает через статор СГ или АГ c КЗ. При использовании преобразователей частоты в цепи статора генераторов, ПЧ должны выбираться на полную мощность нагрузки.
Новый этап в разработке ВГУ связан с использованием машины двойного питания (МДП). В этом случае в качестве генератора использует ся асинхронная машина с фазным ротором (АГ c ФР). Благодаря хорошим регулировочным возможностям МДП занимает равноправное место в ряду альтернативных ВГУ, а по некоторым показателям имеет существенные преимущества. Вариант ВГУ на основе МДП (МДП-генератор) особенно перспективен при широком диапазоне изменения скорости вращения вала движителя (2:1 и более), когда к мощности, генерируемой через статор, добавляется значительная составляющая мощности скольжения, генери руемая через ПЧ. Глубокие научные и практические исследования в облас ти МДП-генераторов выполнены М.М. Ботвинником, Ю.Г. Шакаряном, Г.Б. Онищенко, А.С. Сандлером, С.В. Хватовым, В.Г. Титовым, О.С. Хва товым и др. учеными. Отметим также работы зарубежных ученых: А. Pe tersson, W. Hofmann, А. Hughes, M. Heller, J. Corda, P. Edvardsen, M. Yama moto, O. Motoyoshi и др.
Анализ существующих на данный момент исследований показывает, что автономная работа МДП-генератора изучена недостаточно. Недоста точно исследованы вопросы влияния секционированности источника реак тивной мощности (ИРМ), диапазона изменения частоты вращения вала, величины и характера нагрузки на установленную мощность элементов оборудования и эксплуатационные показатели автономного МДП генератора. Недостаточно исследованы вопросы моделирования и анализа динамических режимов автономного МДП-генератора для различных ва риантов реализации САР (с использованием неадаптивных регуляторов и FUZZY-регуляторов).
Учитывая вышеизложенное, целью настоящей диссертационной работы является исследование стационарных и динамических режимов судовой валогенераторной установки на основе машины двойного пита ния, работающей в автономном режиме при широком диапазоне изменения скорости вращения вала главного двигателя.
Цель работы определяет следующие задачи исследования:
1. Исследование стационарных процессов автономного МДП генератора при условии максимального использования АГ по активной мощности. Расчет и выбор элементов оборудования, оценка основных экс плутационных показателей в зависимости от параметров нагрузки и режи ма работы МДП-генератора.
2. Обоснование влияния секционированности ИРМ и диапазона из менения частоты вращения вала МДП-генератора на установленную мощ ность преобразователя частоты.
3. Разработка математической модели динамических режимов авто номного МДП-генератора. Синтез неадаптивной САР стабилизации ам плитуды и частоты выходного напряжения МДП-генератора.
4. Разработка и синтез двухканальной САР стабилизации амплиту ды и частоты выходного напряжения автономного МДП-генератора, реа лизованной на базе аппарата нечеткой логики (FUZZY-логика).
5. Сравнительный анализ динамических режимов автономного МДП-генератора для двух вариантов реализации САР (с неадаптивными регуляторами и FUZZY-регуляторами).
6. Разработка и создание экспериментальной установки автономно го МДП-генератора мощностью 5,5 кВт.
Методы исследования. В работе использованы методы аналитиче ской теории электрических машин переменного тока, полупроводниковых преобразователей и систем автоматического управления. Использовалось математическое моделирование на ПЭВМ и экспериментальные исследо вания на физической модели (лабораторный макет мощностью 5,5 кВт).
Расчет экономических показателей проводился по методике Project Expert 7.0.
Связь темы диссертации с научно-техническими программами Работа выполнялась в рамках:
• единого заказ – наряда Минобразования РФ по теме «Разработка основ теории и проектирования генераторных агрегатов переменной ско рости вращения» (валогенераторы, ветро- и гидрогенераторы, нагрузочные генераторы);
• научно-технического договора "Разработка судовой валогенера торной установки стабильной амплитуды и частоты выходного напряже ния" между ОАО «Нижегородский порт» (г. Нижний Новгород) и Волж ской государственной академией водного транспорта (г. Нижний Новго род) на период 2004 – 2006 г.;
• региональной программы «Использование местных, нетрадици онных и возобновляемых энергоресурсов на период 2001 – 2010 г. в Ниже городской области».
Научная новизна. Основные научные результаты работы заключа ются в следующем:
1. Проведены исследования стационарных процессов автономного МДП-генератора при условии максимального использования АГ по актив ной мощности, позволяющие осуществлять расчет и выбор элементов обо рудования, а также производить оценку основных эксплутационных пока зателей в зависимости от параметров нагрузки и режима работы МДП генератора.
2. Обосновано влияние секционированности ИРМ и диапазона из менения частоты вращения вала МДП-генератора на установленную мощ ность преобразователя частоты.
3. Разработана математическая модель динамических режимов ав тономного МДП-генератора. Для рассматриваемой модели синтезирована и реализована неадаптивная САР стабилизации амплитуды и частоты вы ходного напряжения.
4. Синтезирована двухканальная САР стабилизации амплитуды и частоты выходного напряжения автономного МДП-генератора, реализо ванная на базе аппарата нечеткой логики (FUZZY-логика).
Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:
1. Разработана методика расчета стационарных процессов автоном ного МДП-генератора при условии максимального использования АГ по активной мощности.
2. Проведен сравнительный анализ динамических режимов авто номного МДП-генератора для двух вариантов реализации САР (с неадап тивными регуляторами и FUZZY-регуляторами).
3. В научно-исследовательской лаборатории «Электроприводы пе ременного тока» кафедры «Электропривод и автоматика промышленных установок» Нижегородского государственного технического университета (НГТУ) создан макетный образец энергетического комплекса на базе МДП-генератора мощностью 5,5 кВт, работающий в автономном режиме.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы:
1. При создании концепции развития судовых ВГУ в ОАО «Ниже городский порт» (г. Нижний Новгород).
2. В учебном процессе при подготовке в Волжской государственной академии водного транспорта (ВГАВТ) (г. Нижний Новгород) инженеров специальности 24.06.00 «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики» по дисциплине «Основы судового электропривода» в разделах «Статические и динамические режимы судового электропривода переменного тока с полупроводниковыми преобразователями», по дисцип лине «Моделирование судового электрооборудования и средств автомати зации» в разделе «Судовой автоматизированный электропривод перемен ного тока» (асинхронные вентильные каскады и машины двойного пита ния);
в курсовом проектировании по дисциплине «Основы судового элек тропривода» и дипломного проектировании.
3. В учебном процессе Нижегородского государственного техниче ского университета (НГТУ) (г. Нижний Новгород) при подготовке инжене ров и магистров специальностей 14.06.04 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» по курсам «Теория электропривода», «Моделирование электромеханических систем» и 14.06.08 «Электрооборудование и автоматика судов» по курсу «Судовые электроэнергетические установки».
В работе автор защищает:
1. Методику расчета стационарных процессов автономного МДП генератора при условии максимального использования АГ по активной мощности, позволяющую осуществлять расчет и выбор элементов обору дования, а также производить оценку основных эксплутационных показа телей в зависимости от параметров нагрузки и режима работы МДП.
2. Результаты влияния секционированности ИРМ и диапазона изме нения частоты вращения вала МДП-генератора на установленную мощ ность преобразователя частоты.
3. Математическую модель динамических режимов автономного МДП-генератора. Структуру САР автономного МДП-генератора (с неадап тивными регуляторами и FUZZY-регуляторами).
4. Результаты сравнительного анализа динамических режимов ав тономного МДП-генератора для двух вариантов реализации САР (с не адаптивными регуляторами и FUZZY-регуляторами).
Публикация и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе получен патент на полезную модель.
Основные положения, результаты и выводы диссертационной рабо ты были доложены и обсуждены на следующих научно - технических кон ференциях:
• научно - техническая конференция профессорско преподавательского состава аспирантов и специалистов «ТРАНСПОРТ ХХI ВЕК». Н.Новгород, ВГАВТ, 2003;
• III Всероссийская молодежная научно-техническая конференция «Будущее технической науки». Н.Новгород, НГТУ, 2004;
• ежегодные региональные научно-технические конференции «Ак туальные проблемы электроэнергетики». Н.Новгород, НГТУ, 2004-2006;
• ежегодные IХ, Х, ХI Нижегородские сессии молодых ученых.
Технические науки. Н.Новгород, 2004-2006.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, че тырех глав, заключения, списка литературы из 144 наименований и двух приложений. Основная часть диссертации изложена на 172 страницах, со держит 77 рисунков и 6 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований.
В первой главе анализируются стационарные режимы работы и производится расчет мощности элементов оборудования автономной судо вой валогенераторной установки на основе МДП-генератора. Обосновано влияние секционированности ИРМ и диапазона изменения частоты враще ния вала МДП-генератора на установленную мощность ПЧ.
В автономном МДП-генераторе установившийся режим работы характеризуется балансом активных и реактивных мощностей между АГ, ИРМ, ПЧ и нагрузкой. Нарушение баланса приводит к переходному процессу и, как следствие, к новому установившемуся режиму с други ми значениями амплитуды (U1) и частоты (f1) напряжения генератора, отличными от требуемых. Данное нарушение может быть вызвано из менением следующих факторов:
- скорости вращения гребного вала;
- величины SН или (и) характера cosН нагрузки.
Для стабилизации частоты генерируемого напряжения МДП генератора при изменяющейся частоте вращения вала генератора () необ ходимо формировать частоту тока в роторе (2) согласно выражению 2 = 1 –, где 1 – частота вращения поля статора.
Величину активной мощности АГ в составе автономного МДП генератора определяет активная составляющая тока ротора I2а = I2 сos2 (I – действующее значение тока ротора МДП-генератора;
2 – фаза тока ро тора относительно ЭДС ротора), а величину реактивной составляющей мощности – реактивная составляющая тока ротора I2р = I2 sin2. Таким об разом, за счет регулирования величины, фазы и частоты тока ротора с по мощью ПЧ, можно обеспечить баланс активных и реактивных мощностей в системе автономный МДП-генератор – нагрузка, а, следовательно, ста билизировать параметры генерируемой электроэнергии.
Представленные на рис. 1 механические характеристики МДП генератора, с учетом скоростного диапазона работы главного судового двигателя, позволяют определить целесообразный с точки зрения установ ленной мощности АГ скоростной диапазон МДП-генератора = 1,20 (s = - 0,2) 20 (s = - 1), соответствующий сверхсинхронному режиму ( 0).
В автономном n, об/мин МДП-генераторе АГ является единственным источником активной мощности, а источни ков реактивной мощно т.Б т.Г Рабочая область = - сти несколько (конден S валогенератора саторы возбуждения, ИРМ, ПЧ). Указанное обстоятельство опреде 2 M/MнАМ т.А т.В 1. ляет целесообразность = - 0. S -0.5 0 -2 -1.5 -1 0. максимального исполь зования АГ по актив ной мощности, возлагая задачу генерирования и баланса по реактивной мощности на ПЧ и Рис. 1. Механические характеристики ИРМ.
МДП-генератора и область его работы Анализ стационарных процессов и выбор элементов оборудования автономного МДП-генератора проведен исходя из условия максимального использования АГ по активной мощности, когда фаза тока ротора 2 = 0, учитывая при этом возможности фазового регулирования сетевого тока ПЧ (ПЧ).
Использование ПЧ с ШИМ в составе автономного МДП-генератора позволяет не только минимизировать мощность ИРМ, но и полностью ис ключить его из состава элементов оборудования, обеспечивая при этом не обходимый баланс мощностей в системе "автономный МДП-генератор – нагрузка", а, следовательно, и стабилизацию параметров генерируемой электроэнергии.
С учетом сказанного, рассмотрены два возможных по комплектации варианта автономного МДП-генератора:
- с ИРМ;
- без ИРМ.
Для каждого варианта определен состав и установленная мощность элементов оборудования.
На рис. 2 представлена схема распределения активных и реактивных мощностей в автономном МДП-генераторе.
МДП - генератор PМДП PН QН P1 - P1 Q1 QИРМ1 QИРМn QМДП QB СИРМ QПЧ PМЕХ PМЕХ СИРМn СB PИРМn PИРМ = var ХН RН PВ АГ LФ 1 LФn PПЧ...
P1s - P ИРМ PПЧ Нагрузка пч var 2= 0 = ПЧ Рис. 2. Распределение мощностей в автономном МДП-генераторе Здесь приняты следующие обозначения: РН, РМЕХ, Р1, Р1s, РПЧ, РМДП – активные мощности соответственно нагрузки, на валу МДП-генератора, статора, ротора, ПЧ и МДП-генератора;
QН, Q1, QПЧ, QВ, QИРМ n, QМДП – ре активные мощности соответственно нагрузки, статора, ПЧ, конденсатор ной батареи самовозбуждения АГ, n-ой секции ИРМ и МДП-генератора;
Р1, Р2, РПЧ, РВ, PИРМ n, РМЕХ – потери активной мощности соответ ственно в статоре, роторе, ПЧ, конденсаторной батареи самовозбуждения АГ, n-ой секции ИРМ и механические потери в МДП-генераторе;
2, ПЧ – соответственно фазы токов ротора и ПЧ;
CИРМ n, LФ n – емкость батареи конденсаторов и индуктивность реактора n-ой секции ИРМ;
RН, ХН – соот ветственно, активное и реактивное сопротивление нагрузки;
s – скольже ние АГ.
Активная и реактивная составляющие мощности МДП-генератора определяются в соответствии с рис. 2 по выражениям:
PМДП = P1 + P2, (1) n QМДП = QИРМ i ± QПЧ ± Q1 + QВ, (2) i = где Р1 = РН/(| s | + 1) - Р1 = 3U1I1a – активная мощность, генерируемая статором АГ в нагрузку при сверхсинхронной скорости ( 0);
I1a – активная составляющая тока статора АГ;
Р2 = Р1·| s| - Р2 - РПЧ – ак тивная мощность, генерируемая через ротор АГ.
Исследовано влияние секционированности ИРМ и диапазона изме нения частоты вращения вала МДП-генератора на установленную мощ ность преобразователя частоты. В работе рассмотрен конденсаторный ИРМ. ИРМ состоит из n секций конденсаторных батарей, разделенных в соотношении 1:1, где n = 1;
2;
3;
4.
Расчет мощности ПЧ основан на балансе активных (1) и реактивных (2) мощностей. Баланс реактивных мощностей в системе "автономный МДП-генератор – нагрузка" осуществляется с помощью ПЧ и ИРМ. Ак тивная и реактивная мощность ПЧ определяются по выражениям cos Н S Н PПЧ = P1 s P2 PПЧ. (3) s + sin Н n QПЧ = QИРМ i S Н. (4) cos Н i = На рис. 3 представлены зависимости изменения мощности ПЧ (SПЧ) от количества секций ИРМ (n) в составе автономного МДП-генератора.
Здесь и далее результаты исследований приведены для автономного МДП генератора мощностью 160 кВт.
С увеличением количества секций ИРМ (n) мощность ПЧ (SПЧ) уменьшается, что объясняется уменьшением реактивной мощности, гене рируемой ПЧ (QПЧ), для поддержания баланса реактивных мощностей в системе "автономный МДП-генератор – нагрузка".
Увеличение ко личества секций ИРМ более четы рех представляется 100 нецелесообразным, Sпч, кВА 80 т.к. при этом мас согабаритные по казатели ИРМ уве личиваются суще ственнее, чем сни 1 2 3 жается мощность Количество секций ИРМ, n ПЧ. Выбор количе ства секций ИРМ Рис. 3. Зависимости изменения мощности ПЧ от автономного МДП количества секций ИРМ генератора осуществлен на основе технико-экономических расчётов, пред ставленных в главе 2.
Во второй главе дана оценка энергетическим показателям и прове дено технико-экономическое сравнение вариантов автономного МДП генератора.
Показано, что коэффициент полезного действия автономного МДП генератора (МДП) зависит от количества секций ИРМ (n), величины (SН), характера (сosН) нагрузки и скольжения АГ (s). Установлено, что:
- с увеличением количества секций ИРМ (n) от одной до четырех МДП возрастает в среднем на 0,5 - 0,8 %. Характер изменения МДП обу словлен тем, что с увеличением n уменьшается мощность ПЧ (SПЧ) и, сле довательно, потери в ПЧ (РПЧ);
- МДП при использовании ИРМ выше в среднем на 0,5 - 1 %, чем без ИРМ;
- с уменьшением сosН (SН = const) МДП увеличивается. Это связа но с уменьшением потерь в АГ (РАГ), вследствие уменьшения величины активной мощности, генерируемой через статор АГ в нагрузку. Напри мер, при уменьшении сosН от 0,9 до 0,7 (SН/SНОМ = 1, s = - 1) МДП увели чивается в среднем на 1 - 1,5 %.
Подключение нелинейной нагрузки (установки дуговой электросвар ки, регулируемые вентильные электропривода и др.) к автономной судовой электросети приводит к возникновению нелинейных искажений напряже ния. Согласно требованиям Российского Речного Регистра коэффициент нелинейных искажений напряжения (KНU) должен быть не более 8 %. Про изведен расчет KНU в зависимости от количества секций ИРМ (n) и пара метров нагрузки.
НU, % 12 cosН= 0. cosН= 0. IH ВЕНТ IH ВЕНТ = 10 =1 IН IН cosН= 0. 8 IH ВЕНТ 3 4 = 2 IН cosН= 0. 4 IH ВЕНТ = IН SН / SНОМ 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1. Рис. 4. Зависимости КНU = f (SН/ SНОМ) 1–4 секции ИРМ;
2–3 секции ИРМ;
3–2 секции ИРМ;
4–1 секция ИРМ;
5–без ИРМ (IН вент – вентильная составляющая тока нагрузки МДП-генератора) На рис. 4 представлены расчетные зависимости КНU = f (SН/SНОМ) на основании которых установлено:
- во всем диапазоне нагрузок коэффициент нелинейных искажений напряжения при использовании ИРМ ниже на 3,5 - 4 % по сравнению с его отсутствием;
- с увеличением cosН от 0,7 до 0,9 (SН = const) происходит возрас тание КНU в среднем на 1,5 - 2 %, т.к. уменьшаются требуемая мощность и фильтрующие способности ИРМ;
- с увеличением количества секций ИРМ от одной до четырех, ухудшается форма генерируемого напряжения (увеличение КНU в среднем на 1 - 1,5 %). Это связано с уменьшением установленной мощности n-ой секции ИРМ, необходимой для обеспечения баланса реактивных мощно стей в системе "автономной МДП-генератор – нагрузка", а, следовательно, ухудшением фильтрующих возможностей ИРМ;
Проведено технико-экономическое сравнение двух вариантов авто номной ВГУ на основе МДП-генератора:
- с ИРМ;
- без ИРМ.
Получены соотношения суммарных капитальных затрат для рас сматриваемых вариантов ВГУ (рис. 5).
Суммарные капитальные затраты, руб 1 2 3 4 Рис. 5. Диаграмма соотношения суммарных капитальных затрат для рассматриваемых вариантов ВГУ 1– без ИРМ;
2–1 секция ИРМ;
3–2 секции ИРМ;
4–3 секции ИРМ;
5–4 секции ИРМ Данные расчетов показывают, что вариант ВГУ без ИРМ является наиболее выгодным, т.к. за счет меньшей стоимости выработки 1 квар·ч снижаются суммарные капитальные затраты. Благодаря этому данный ва риант обладает меньшим сроком окупаемости (ТОК = 21 мес.) и более высо ким чистым дисконтированным доходом (ЧДД = 3 380 000 руб.) по срав нению с вариантами ВГУ при использовании ИРМ.
В третьей главе рассмотрены наиболее распространенные динами ческие режимы, связанные с подключением и отключением нагрузки к ав тономному МДП-генератору. Особое место при этом занимает режим пус ка асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (АД с КЗ) – наи более распространенного вида нагрузки. Система регулирования автоном ного МДП-генератора построена на основе неадаптивных регуляторов.
Функциональная схема автономного МДП-генератора представлена на рис. 6.
f1= const U1= const ДТ ДН ДЧ UДН UДТа UДТр UДЧ ZH (2) АГ ПЧ (ПЧ ) САР = var Рис. 6. Функциональная схема автономного МДП-генератора На рис. 6 приняты следующие обозначения: ДН, ДЧ – датчики ам плитуды и частоты напряжения, ДТ – датчик тока статора;
UДТа, UДТр – сигналы, пропорциональные активной и реактивной составляющим тока статора;
, 2 – угол управления роторным блоком полупроводниковых элементов ПЧ и фаза тока ротора;
, ПЧ – угол управления сетевым бло ком полупроводниковых элементов ПЧ и фаза сетевого тока ПЧ.
Основой математической модели динамических режимов автономно го МДП-генератора является его линеаризованная структура (5) и система уравнений связи МДП-генератора и нагрузки (6). Система (5) получена на базе уравнений Парка-Горева в системе синхронно вращающихся коорди нат «X-Y», опорный вектор которой вращается с частотой вращения поля статора 1.
В (5) приняты следующие U1X = 1 X 1 I1Y + 1 X m I 2Y ;
обозначения: I1Х, I1У, I2Х, I2У – X 1I1X + X m I 2X = 0;
проекции векторов токов стато U 2X = R2 I 2X + pX 2 I 2X E2Y ;
(5) ра и ротора на оси «X» и «Y»;
U 2Y = R2 I 2Y + pX 2 I 2Y + E2X ;
U2Х, U2У – проекции вектора на пряжения ротора на оси «X» и U1 X / 1 = J p / I1X. «Y»;
E2Y и E2X - проекции ЭДС вращения АГ;
J – суммарный момент инерции МДП-генератора, приве денный к валу двигателя;
- коэффициент рассеяния.
В (6) приняты следующие P = PГЕН PНАГ ;
обозначения: PГЕН, PНАГ – соот ветственно активные мощности d 1 ЭТ = ;
МДП-генератора и нагрузки;
dt (6) ЭТ – эталонное значение час P ;
тоты напряжения статора МДП ( I рген I рнаг ) K СВ U 1. генератора;
– изменение фа зы вектора напряжения статора МДП-генератора;
Iрген, Iрнаг – соответственно реактивные составляющие токов МДП-генератора и нагрузки;
U1 – изменение величины напряжения статора МДП-генератора;
KСВ – коэффициент связи между током возбуж дения и амплитудой генерируемого напряжения МДП-генератора.
Для рассматриваемой модели синтезирована и реализована неадап тивная САР стабилизации амплитуды и частоты выходного напряжения.
САР является двухконтурной и двухканальной. В качестве сигнала обрат ной связи во внутреннем контуре тока канала стабилизации U1 использует ся реактивная составляющая тока статора I1, а канала стабилизации f1 – ак тивная составляющая I1. За счет компенсации перекрестных связей по ЭДС вращения каналы ре гулирования амплиту 1/KДТ + WРН (р) KСВ ды (рис. 7) и частоты 2Т р + (рис. 8) напряжения МДП рассмотрены как КДН независимые, что зна Рис. 7. Структурная схема контура регулирования чительно упрощает амплитуды напряжения синтез структуры и параметров регулято 1/K р + ДТ ров САР.
W (р) Сm РЧ 2Т р + Анализ зависимо стей U1(t) и f1(t) (рис.
КДЧ 9, а, б) в автономном МДП показал, что с Рис. 8. Структурная схема контура регулирования уменьшением cosH частоты напряжения при SH = const, когда увеличивается реактивная и уменьшается активная составляющая тока нагрузки, происходит увеличение провалов амплитуды и уменьшение провалов частоты напряжения в статоре МДП-генератора.
а б Рис. 9. Зависимости U1(t) и f1(t) при набросе SН = SНОМ и сбросе SН = 0,5SНОМ нагрузки (cosН = 0,7;
0,9). а - U1(t);
б - f1(t) (s = - 1;
sНАСТР = - 1) (sНАСТР - настроечное значение скольжения для регулятора тока ротора) С увеличением cosH при SH = const, что соответствует увеличению активной и уменьшению реактивной составляющих тока нагрузки, проис ходит возрастание провалов частоты и снижение провалов амплитуды ге нерируемого напряжения. Здесь и далее результаты исследований приве дены для автономного МДП-генератора мощностью 160 кВт.
Например, при снижении U cosH от 0,9 до 0,7 (SH = SНОМ) провалы амплитуды напря U 1 = 10 % жения (U1) возрастают в среднем на 10 - 12 %, а про валы частоты напряжения t (f1) снижаются в среднем на 8 - 10 %.
Анализ прямого пуска АД с КЗ от автономного МДП генератора показал, что мак симальное значение мощности запускаемого двигателя при Рис. 10. Осциллограмма пуска АД с КЗ мощностью 0,55 кВт от автономного допустимых по Российскому МДП-генератора мощностью 5,5 кВт Речному Регистру провалах напряжения U1 = 20 %, составляет 15 - 20 % от мощности МДП генератора. Это подтверждается результатами, полученными на экспери ментальной установке (рис. 10).
В четвертой главе представлен синтез двухканальной САР стабили зации амплитуды и частоты выходного напряжения автономного МДП генератора, построенной на базе аппарата нечеткой логики. Проведен рас чет и сравнительный анализ динамических режимов автономного МДП генератора для двух вариантов реализации САР (с неадаптивными регуля торами и FUZZY-регуляторами).
Синтез FUZZY-регуляторов амплитуды и частоты напряжения МДП генератора основан на использовании экспертных знаний, полученных при исследовании и разработки неадаптивной САР (глава 3). Для разработки FUZZY-регуляторов используется система нечеткого вывода. Модель САР, построенная на базе аппарата нечеткой логики, строится с учетом реализа ции всех этапов нечеткого вывода, а сам процесс вывода реализуется на основе алгоритма нечеткого вывода Mamdani.
Для построения базы правил системы нечеткого вывода определяют ся входные и выходные лингвистические переменные. Для контура регу лирования амплитуды напряжения в качестве входных лингвистических переменных используются: 1 - “Амплитуда выходного напряжения авто номного МДП-генератора” и 2 - “Реактивная составляющая тока нагрузки автономного МДП-генератора”. В качестве выходной лингвистической пе ременной используется 3 - "Сигнал задания для регулятора тока”. Система нечеткого вывода будет содержать 11 правил нечетких продукций.
Для контура регулирования частоты напряжения в качестве входных лингвистических переменных используются: 1 - “Частота выходного на пряжения автономного МДП-генератора” и 2 - “Активная мощность на грузки автономного МДП-генератора”. В качестве выходной лингвистиче ской переменной используется 3 - "Сигнал задания для регулятора тока”.
Система нечеткого вывода будет содержать 8 правил нечетких продукций.
а б Рис. 11. Зависимости U1(t) и f1(t) при набросе SН=SНОМ и сбросе SН=0,5SНОМ нагрузки (cosН = 0,7). а - U1(t);
б - f1(t) (s = - 1;
sНАСТР = - 1) 1 - с FUZZY-регулятором;
2 - с неадаптивным регулятором Сравнительный анализ динамических режимов автономного МДП c FUZZY-регуляторами и с неадаптивными регуляторами (рис. 11) показал:
- использование рассмотренных типов регуляторов обеспечивает требуемую стабилизацию параметров генерируемой электроэнергии;
- применение FUZZY-регуляторов уменьшает время переходного процесса и время регулирования в среднем в 1,5 - 2 раза, по сравнению с использованием неадаптивных регуляторов.
В приложении даны принципиальная схема, внешний вид и техни ческие параметры экспериментальной установки автономного МДП генератора мощностью 5,5 кВт, созданной в научно-исследовательской ла боратории «Электроприводы переменного тока» кафедры «Электропривод и автоматика промышленных установок» в Нижегородском государствен ном техническом университете (НГТУ). Приведены также акты внедрения результатов диссертационной работы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ В итоге проведенных исследований получены следующие основные результаты:
1. Определен состав и установленная мощность элементов оборудо вания автономного МДП-генератора, работающего при переменной скоро сти вращения вала. Выбор элементов оборудования проведен исходя из условия максимального использования АГ по активной мощности, когда фаза тока ротора 2 = 0, учитывая при этом возможности фазового регули рования сетевого тока ПЧ (ПЧ). Использование ПЧ с ШИМ позволяет не только минимизировать мощность секционированного ИРМ, но и полно стью исключить его из состава элементов оборудования, обеспечивая при этом баланс мощностей в системе "автономный МДП-генератор – нагруз ка".
2. Обосновано влияние количества секций ИРМ (n) в составе авто номного МДП-генератора на мощность ПЧ (SПЧ). С увеличением n умень шается SПЧ. Например, для МДП-генератора мощностью 160 кВт при уве личении количества секций ИРМ от двух до четырех SПЧ уменьшается в среднем на 10 - 12 %.
3. Проведен анализ основных энергетических показателей автоном ного МДП-генератора. Показано влияние количества секций ИРМ на КПД и коэффициент нелинейных искажений напряжения (КНU). С увеличением количества секций ИРМ от одной до четырех КПД увеличивается на 0,5 0,8 %, а КНU на 1 - 1,5 %. КПД при использовании ИРМ выше в среднем на 0,5 - 1 %, а КНU ниже на 3,5 - 4 %, чем без ИРМ.
4. Определены экономические показатели (чистый дисконтирован ный доход и срок окупаемости) вариантов автономной ВГУ на основе МДП-генератора с различным составом элементов оборудования. Показа но, что рассмотренные варианты являются рентабельными. Наименьшим сроком окупаемости и наибольшей рентабельностью обладает вариант ВГУ без ИРМ. Данный вариант ВГУ имеет меньшую стоимость выработки 1 квар·ч по сравнению с вариантами ВГУ при использовании ИРМ.
5. Разработана математическая модель динамических режимов ав тономного МДП-генератора при переменных значениях скорости враще ния вала, величины и характера нагрузки. Для рассматриваемой модели синтезированы САР стабилизации амплитуды и частоты генерируемого напряжения с неадаптивными регуляторами и FUZZY-регуляторами.
6. Сравнительный анализ динамических режимов автономного МДП c FUZZY-регуляторами и с неадаптивными регуляторами показал:
- использование рассмотренных типов регуляторов обеспечивает требуемую стабилизацию параметров генерируемой электроэнергии;
- применение FUZZY-регуляторов уменьшает время переходного процесса и время регулирования в среднем в 1,5 - 2 раза, по сравнению с использованием неадаптивных регуляторов.
7. Результаты выполненных исследований использованы при разра ботке концепции развития судовых ВГУ в ОАО «Нижегородский порт» (г.
Нижний Новгород), создании экспериментальной установки мощностью 5,5 кВт в научно-исследовательской лаборатории «Электроприводы пере менного тока» кафедры «Электропривод и автоматика промышленных ус тановок» в НГТУ, а также в учебном процессе в виде инженерных методик расчета МДП-генераторов и МДП-приводов в Волжской государственной академии водного транспорта (г. Нижний Новгород) и НГТУ.
СТАТЬИ, ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ И ПАТЕНТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 1. Хватов О.С., Бурда Е.М., Харитонычев М.Ю. Автоматизирован ная система управления судовым валогенератором на основе машины двойного питания / Транспорт – XXI век: сб. матер. научно-тех. конф.
профес.- препод. состава, аспирантов и специалистов ВГАВТ, Н.Новгород, 2003 г. – Н.Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2003. – С. 212.
2. Харитонычев М.Ю. Динамические режимы валогенератора на основе машины двойного питания при работе параллельно с судовой элек тростанцией / IХ Нижегородская сессия молодых ученых (технические науки): сб. тезис. докладов, 10-14 февраля 2004 г. – Н.Новгород: 2004. – С.
134-135.
3. Харитонычев, М.Ю., Хватов О.С. Перспективные варианты ма шино-вентильных валогенераторов / Ш Молодежная научно-техническая конференция «Будущее технической науки»: тезис. докладов, Н.Новгород 26-27 мая 2004 г. – Н.Новгород: НГТУ, 2004. – С. 100.
4. Хватов О.С., Харитонычев, М.Ю. Судовая электроэнергетическая установка с валогенератором на основе машины двойного питания / Меж дународный научно-промышленный форум «Великие реки – 2004»: генер.
доклады, тез. докладов, Н.Новгород, 18-21 мая 2004 г. – Н.Новгород:
ННГАСУ, 2004. – С. 455-456.
5. Титов В.Г., Хватов О.С., Залетнов С.Е., Харитонычев М.Ю.
Управляемые машино - вентильные комплексы генерирования электро энергии и их технико-экономическое сравнение / Труды НГТУ. Том 49.
Электрооборудование промышленных установок. – Н.Новгород: НГТУ, 2005. – С. 25-27.
6. Патент на полезную модель № 47595, 7 Н 02 Р 9/42. Судовая ва логенераторная установка / О.С. Хватов, М.Ю. Харитонычев, О.А. Бурма кин, заявители и правообладатели. – Заявл. 05.03.2005;
зарег. в Государст венном реестре полезных моделей РФ 27.08.2005;
опубликовано:
27.08.2005 Бюл. № 24.
7. Хватов О.С., Харитонычев М.Ю. Динамические режимы авто номной судовой валогенераторной установки на основе машины двойного питания / Вестник ВГАВТ. Выпуск 13. Судовая и промышленная энерге тика. - Н.Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2005. – С. 147-152.
8. Хватов О.С., Харитонычев М.Ю. Автоматизированная автоном ная электроэнергетическая система на основе МДП-генератора с FUZZY регулятором / Известия Академии инженерных наук им. Прохорова. Юби лейный 15 том, посвященный 100-летию со дня рождения А.М. Бамдаса и Ю.Л. Мукосеева. Том 15. Под ред. Ю.В. Гуляева. – Москва – Н.Новгород:
НГТУ, 2005. – С. 65-69.
9. Хватов О.С., Харитонычев М.Ю., Бурда Е.М., Бурмакин О.А.
Влияние секционированности источника реактивной мощности автоном ного МДП-генератора на мощность преобразователя частоты / Прогрес сивные технологии в машино- и приборостроении. Межвузовский сборник статей по материалам Всероссийской НТК. – Н.Новгород – Арзамас:
НГТУ-АПИНГТУ, 2005. – С. 172-177.
10. Харитонычев М.Ю. Математическая модель динамических ре жимов работы МДП-генератора с FUZZY-регуляторами / Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении. Межвузовский сборник статей по материалам Всероссийской НТК. – Н.Новгород – Арзамас: НГТУ АПИНГТУ, 2005. – С. 177-181.
11. Харитонычев М.Ю. Электроэнергетическая установка на основе машины двойного питания с FUZZY-регулятором / ХI Нижегородская сес сия молодых ученых (технические науки): сб. тезис. докладов, 12-16 фев раля 2006 г. – Н.Новгород: 2006. – С. 114-115.
12. Харитонычев М.Ю., Хватов О.С. Технико-экономическое срав нение вариантов автономного МДП-генератора / Труды НГТУ. Актуаль ные проблемы электроэнергетики. Юбилейный том, посвященный 100 летию со дня рождения С.Н. Шевчука. Том 59. – Н.Новгород: НГТУ, 2006.
– С. 115-118.
13. Хватов О.С., Харитонычев М.Ю. Динамические режимы авто номного электротехнического генераторного комплекса на основе машины двойного питания / Приводная техника. Выпуск № 6. – Москва: 2006. – С.
49-54.
Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, авто ру принадлежат: математические модели /4, 7, 8, 13/, постановка задачи /3, 4, 5, 9, 13/, обобщение результатов /1, 4, 8, 9, 12, 13/.