WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ВОКИН Игорь Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ

АСИНХРОННОГО ВЕНТИЛЬНОГО ГЕНЕРАТОРА

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный

технический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Артюхов Иван Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Ерошенко Геннадий Петрович

доктор технических наук, профессор

Казаков Юрий Борисович

Ведущая организация:

ГОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет»

Защита состоится «25» декабря 2008 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу:

410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп.1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Автореферат разослан « » ноября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ю.Б. Томашевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Автономные источники электроэнергии (АИЭ) становятся все более популярными при решении вопросов электроснабжения потребителей различного назначения. Это может быть связано как с невозможностью подключения к централизованной системе электроснабжения (по разным оценкам, от 60 до 70 % территории России не охвачены централизованными электросетями), так и с экономическими соображениями. Кроме того, микро- и мини-электростанции являются единственно возможным решением при создании надежных систем гарантированного питания.

Широкое распространение АИЭ получили в нефтегазовой промышленности. Большинство объектов отрасли привязано к месторождениям нефти и газа, которые находятся, в основном, в труднодоступных малонаселенных районах. Как следствие, АИЭ должны отвечать целому ряду требований: экономичность, надежность, большой срок службы, простота и удобство эксплуатации, малые масса и габариты. В связи с этим перспективной выглядит замена традиционно используемых в автономных электростанциях синхронных генераторов (СГ) на асинхронные (АГ).

Для электроснабжения технологических комплексов различных производств зачастую более целесообразна выработка электроэнергии на постоянном токе (ПТ). В этом случае актуально применение в составе АИЭ асинхронного вентильного генератора (АВГ), который представляет собой электротехнический комплекс, состоящий из АГ, батареи конденсаторов возбуждения и выпрямительного устройства.

Долгое время считалось, что использование АГ в автономном режиме связано с большими сложностями, а потому не является целесообразным. Если проблема значительной массы и большой стоимости конденсаторов возбуждения в настоящее время решена, благодаря успехам в конденсаторостроении, то вопрос создания простой и надежной системы стабилизации выходного напряжения АГ остается открытым. Все известные на сегодняшний день способы регулирования напряжения АГ имеют определенные недостатки, в результате, область применения таких генераторов ограничена. Для улучшения эксплуатационных характеристик источника питания автономной СЭС необходимо проведение теоретических и экспериментальных исследований АВГ, что обусловливает актуальность проводимой работы.

Цель работы заключается в улучшении эксплуатационных характеристик источника питания автономной системы электроснабжения на основе асинхронного вентильного генератора.

Основные задачи

Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо решить следующие задачи:

  1. Обосновать целесообразность применения асинхронных вентильных генераторов в составе АИЭ.
  2. Провести эксперименты и аналитические расчеты для оценки влияния входных параметров АВГ на выходное напряжение.
  3. Разработать способ стабилизации напряжения источника питания автономной системы электроснабжения на основе АВГ и структуру системы, реализующей разработанный способ стабилизации напряжения.
  4. Разработать методику выбора параметров источника питания автономной системы электроснабжения на основе АВГ, для реализации дискретно-непрерывного двухканального способа стабилизации напряжения.
  5. Проанализировать возможность использования существующих технических устройств для построения источника питания на основе АВГ с предложенной системой стабилизации напряжения.

Методы исследования

Исследования проводились методами теоретического и физического эксперимента с широким использованием математического аппарата, а также основных законов теоретических основ электротехники и теории электрических машин. Для реализации аналитических расчетов и обработки результатов теоретических исследований применялся пакет прикладных математических программ Mathcad 2001. Для проведения экспериментальных исследований использовалась установка на основе асинхронной машины АИР80А2У3 и современные контрольно-измерительные приборы.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Для повышения точности стабилизации выходного напряжения АВГ необходимо, наряду с изменением емкости конденсаторов возбуждения осуществлять изменение частоты вращения вала приводного двигателя.

2. Система стабилизации выходного напряжения источника питания на основе АВГ должна состоять из двух контуров, один из которых производит дискретное изменение емкости конденсаторов в зависимости от величины тока выпрямителя, а другой – непрерывное изменение частоты вращения вала приводного двигателя в зависимости от рассогласования между заданным и фактическим значениями выходного напряжения.

3. При определении границ интервала изменения частоты вращения вала приводного двигателя и числа ступеней батареи конденсаторов возбуждения необходимо учитывать возможность перегрузки генератора по току статора.

4. Для выбора параметров источника питания автономной СЭС на основе АВГ необходимо использовать математическую модель АВГ, учитывающую изменение индуктивного сопротивления цепи намагничивания в схеме замещения АВГ в зависимости от частоты вращения ротора генератора.

Достоверность научных результатов подтверждается сравнением результатов, полученных расчетно-аналитическими методами, с результатами экспериментов на физической модели, а также корректным использованием математического аппарата теории электрических машин.

Научная новизна

  1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность дискретно-непрерывной двухканальной стабилизации напряжения на шинах автономной системы электроснабжения, источник питания которой построен на основе АВГ.
  2. Предложена структура системы управления, реализующая разработанный дискретно-непрерывный двухканальный способ стабилизации напряжения источника питания автономной системы электроснабжения на основе АВГ.
  3. Разработана методика выбора параметров источника питания автономной системы электроснабжения на основе АВГ, для реализации дискретно-непрерывного двухканального способа стабилизации напряжения.

Практическая ценность работы

Разработанный дискретно-непрерывный двухканальный способ стабилизации напряжения улучшает эксплуатационные характеристики источника питания автономной СЭС на основе АВГ и позволяет расширить область его применения.

Реализация и внедрение результатов работы

Результаты работы использованы предприятием ООО МПП «Энерготехника» при разработке и проектировании электроэнергетического оборудования для предприятий магистрального транспорта газа, в филиале ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» в г. Сызрани при чтении курса лекций по дисциплинам «Электрические машины» и «Производство, передача и распределение электроэнергии». Экспериментальная установка используется для проведения лабораторных занятий.

Апробация работы

Основные результаты работы были представлены на VI Международной научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2005), V Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (Ульяновск, 2006), VII Международной научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2006), IV Международной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами МСУТП-2007» (Саранск, 2007).

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 12 научных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Работа включает в себя введение, 4 главы, заключение, список использованной литературы из 114 наименований. Объем диссертации – 130 страниц, включая 47 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и новизна работы, определены её цели и задачи, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор областей применения АИЭ, рассмотрена их классификация. На примере электротехнического комплекса буровой установки рассмотрены типовые схемы автономных СЭС и проведен анализ их особенностей. На основе результатов анализа сделан вывод о целесообразности использования для электроснабжения технологического комплекса с частотно-регулируемыми приводами автономной СЭС с источником электроэнергии постоянного тока. Рассмотрена возможность использования в составе АИЭ асинхронного генератора и, в частности, АВГ, представляющего собой электротехнический комплекс, состоящий из генератора АГ, батареи конденсаторов возбуждения БК и выпрямителя В (рис. 1).

Также отмечено, что единственным сдерживающим фактором в расширении области применения АВГ на сегодняшний день остается отсутствие простой и надежной системы стабилизации напряжения, поскольку проведенный обзор выявил определенные недостатки у существующих систем управления напряжением АГ.

Рис. 1. Структурная схема асинхронного вентильного генератора

В заключение главы сформулированы задачи исследования, из которых основной является совершенствование источника питания автономной СЭС на основе АВГ с целью улучшения его эксплуатационных характеристик.

Вторая глава посвящена построению математической модели АВГ, работающего в автономном режиме.

АВГ, по сути, представляет собой асинхронный генератор с конденсаторным возбуждением, работающий на выпрямительную нагрузку. Поэтому на первом этапе рассмотрена математическая модель автономного АГ с конденсаторным возбуждением. При расчете установившихся режимов асинхронной машины обычно используют Т-образную схему замещения, которой соответствует следующая система уравнений

, (1)

где – фазное напряжение статора; – ток статора; – ток ротора, приведенный к обмотке статора; R1 и X1 – активное и реактивное сопротивления статора, R’2 и X’2 – приведенные активное и реактивное сопротивления ротора; – ток холостого хода или намагничивающий ток; s=(±2)/ – скольжение ( – угловая скорость поля статора, 2 – угловая скорость ротора); – ЭДС холостого хода; X – индуктивное сопротивление взаимоиндукции.

При работе асинхронной машины в качестве автономного генератора, она включается не на сеть, а на нагрузку, которая в общем случае является активно-индуктивной. Кроме того, в автономном режиме для создания изменяющегося во времени магнитного поля, необходима реактивная мощность, источником которой в самом простом случае является батарея конденсаторов с фазной емкостью С. Схема замещения автономного генератора с конденсаторным возбуждением представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема замещения автономного асинхронного генератора

с конденсаторным возбуждением

Уравнения, описывающие эту схему, можно записать следующим образом:

, (2)

где XC – сопротивление батареи конденсаторов; – ток, протекающий через батарею конденсаторов; – ток нагрузки.

В отличие от АГ, работающего на мощную сеть, для автономного АГ остаются неопределенными частота тока статора f1 (то есть скольжение s и реактивные сопротивления АГ) и фазное напряжение (то есть ток нагрузки ). Кроме того, возникают трудности с определением значения индуктивного сопротивления цепи намагничивания X и, как следствие, зависимости ЭДС холостого хода от тока холостого хода.

Частоту тока статора f1 предложено определять, используя подход, сформулированный В.А. Балагуровым, А.А. Кецарисом, и В.В Лохниным. Полученная на основе баланса активных и реактивных сопротивлений система уравнений

; (3)

позволяет найти циклическую частоту = 2f1 и индуктивность магнитной цепи статора L. Однако, подстановка в систему (2) ЭДС холостого хода, вычисленной с помощью полученного значения L, даст либо нулевое решение, либо бесконечное множество решений. Необходимо найти более точное выражение для определения зависимости.

Для решения этой задачи предложена методика построения зависимости, основанная на использовании уравнений для проектирования асинхронных машин. Методика заключается в выполнении следующего алгоритма:

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»