WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

Телешова Наталья Сергеевна

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА НА БАЗЕ СИНХРОННОЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ И ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ГАЗОВЫМИ ПОДШИПНИКАМИ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комсомольск-на-Амуре – 2012

Работа выполнена на кафедре «Электроэнергетика и электротехника» Дальневосточного федерального университета (ДВФУ)

Научный консультант: Сергеев Виктор Дмитриевич, кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Кувшинов Геннадий Евграфович, доктор технических наук, профессор – кафедры «Судовой энергетики и автоматики» Дальневосточного федерального университета Дубровский Игорь Николаевич, кандидат технических наук, доцент военной кафедры ГОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

Ведущая организация: ГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения», электроэнергети- ческий институт (г. Хабаровск)

Защита состоится « 25 » мая 2012 г. в 10 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета ДМ 212.092.04 в ГОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, д. 27, ауд. 201/

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» Автореферат разослан « »________________ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент В.И. Суздорф

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время Россия является лидером по объемам централизованного электро- и теплоснабжения. Однако система централизованного энергоснабжения в стране переживает кризис – оборудование ветшает, спрос на электроэнергию значительно опережает прирост генерирующих мощностей. Согласно данным опубликованного отчета Минпромэнерго РФ, к 2012 году выработают свой ресурс около 50% теплоэлектростанций и гидроэлектростанций, а к 2020 году эта цифра возрастет до 70%.

В соответствии с мировыми тенденциями одним из современных способов производства энергии, который может занять достойное место в спектре решений возникших и прогрессирующих энергетических проблем России, является одновременная выработка электроэнергии, тепла, а при необходимости, и холода экономически эффективными и экологически безопасными микротурбинными (МТУ) и газотурбинными (ГТУ) установками мощностью до нескольких десятков мегаватт.

Подобные установки выпускаются ведущими странами Мира (США, Швеция, Англия). Они поступают в продажу и в Россию.

Во избежание энергетической зависимости России от стран Запада и ликвидации отставания в области передовых технологий необходимо уделить особое внимание разработкам отечественных когенерационных электроэнергетических установок, выполненных на базе синхронных магнитоэлектрических машин (СМПМ) и газотурбинных двигателей с газовыми подшипниками (ГТД-ГП).

Вопросы разработки конструкции и систем управления СМПМ получили развитие в трудах отечественных ученных В.А. Балагурова, Д.А. Бута, А.Н.

Ледовского, А.И. Коршунова, Г.Г. Соколовского, С.Г. Германа-Галкина, и других, широко известны труды зарубежных ученых J. Holtz, L. Springob, J.

Cros и других.

Однако в них не рассмотрены вопросы разработки и проектирования СМПМ для работы совместно с ГТД-ГП и преобразователем электроэнергии, а также реализация соответствующего управления высокоскоростной, и одновременно с этим, мощной электромеханической системой в несколько десятков мегаватт.

Целью диссертационной работы является разработка специального высокоскоростного магнитоэлектрического синхронного генератора, работающего совместно с ГТД-ГП и полупроводниковым преобразователем в составе электроэнергетической установки, и управление этой установкой для снабжения потребителей электроэнергией требуемой стандартной частоты и напряжения.

Достижение поставленной цели требует решения следующих научнотехнических задач:

1. Разработка и обоснование конструкции высокоскоростной СМПМ, пригодной для совместной работы с ГТД-ГП при частотах вращения 40 000…100 000 об/мин без увеличения массогабаритных показателей.

2. Разработка инженерной методики проектирования и электромагнитного расчета высокоскоростной СМПМ.

3. Разработка системы автоматического управления предложенной электроэнергетической установки, обеспечивающей устойчивую и надежную работу в эксплуатационных режимах работы.

4. Разработка математических моделей и структурных схем имитационного моделирования генераторного и стартерного режимов работы предложенной электроэнергетической установки для исследования энергетических процессов.

5. Экспериментальная проверка возможности частотного пуска СМПМ без пусковой обмотки от полупроводникового преобразователя с векторным законом управления без использования измерительного преобразователя частоты вращения.

Объектом исследований являются высокоскоростная СМПМ совместно с полупроводниковым преобразователем и ГТД-ГП электроэнергетической установки.

Предметом исследования в диссертационной работе являются методы, модели, методики и алгоритмы обеспечения векторного бездатчикового управления электроэнергетической установкой в стартерном и генераторном режимах оригинальной СМПМ.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы положения теоретической электротехники, теорий электрических машин, автоматического управления, электропривода и цифрового управления, методы численного и имитационного моделирования электромеханических систем.

Расчетные данные получены на персональном компьютере с применением программ MathCad 14, Solid&Works и Simulink пакета MATLAB R2006a.

Достоверность научных результатов, изложенных в работе, подтверждается обоснованием расчетных методик и применяемых допущений, корректным применением современных методов научных исследований, удовлетворительным совпадением результатов имитационного и экспериментального исследований частотного пуска предложенной СМПМ, а также удовлетворительным согласованием полученных данных с результатами исследований других авторов (А.И. Коршунов, А.С. Гончаров, А.Н. Анненков и другие).

Научная новизна заключается в следующем:

1. Предложено новое конструкторское решение, позволяющее создавать высокоскоростные (40 000…100 000 об/мин) бесконтактные синхронные машины, в том числе на мощности до нескольких десятком мегаватт для работы совместно с ГТД-ГП. В Федеральной службе по интеллектуальной собственности получены соответствующие патенты на изобретение.

2. Разработана оригинальная инженерная методика проектирования и электромагнитного расчета высокоскоростной СМПМ с соответствующими рекомендациями и справочными данными по выбору безразмерных параметров и величин, участвующих в расчете.

3. Разработаны структурные схемы и математические модели генераторного и стартерного режимов работы СМПМ электроэнергетической установки в среде имитационного моделирования Matlab&Simulink для анализа энергетических процессов.

4. Предложена и обоснована возможность осуществления частотнотокового пуска СМПМ без пусковой обмотки векторным бездатчиковым способом.

Практическая ценность 1. Предложенная конструкция высокоскоростной СМПМ позволяет использовать ее совместно с ГТД-ГП, одновременно обеспечивая высокую надежность и ресурс электромашины без увеличения массогабаритных показателей.

2. Разработанная инженерная методика проектирования и электромагнитного расчета высокоскоростной СМПМ с использованием пакета математических вычислений MathCad 14 позволяет произвести расчет машины на заданную мощность, напряжение и частоту вращения ротора.

3. Реализация предложенного способа пуска СМПМ в режиме стартера электроэнергетической установки от полупроводникового преобразователя обеспечивает требуемый закон изменения частоты вращения ротора и своевременный выход ГТД на режим устойчивой надежной работы – так называемый режим «малого газа» 4. Разработанная имитационная модель рассматриваемой электромеханической системы позволяет исследовать поведение элементов энергетической установки в режиме запуска ГТД-ГП и работы под нагрузкой, наблюдать и регистрировать значения интересуемых параметров и величин, а также анализировать качество вырабатываемой электроэнергии.

5. Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе, в исследовательских и дипломных проектах студентов кафедры «Электроэнергетика и электротехника» ДВФУ, подтверждающий акт содержится в приложении к диссертации.

Положения, выносимые на защиту.

1. Конструкция СМПМ, обеспечивающая возможность работы машины совместно с ГТД-ГП.

2. Инженерная методика проектирования и электромагнитного расчета высокоскоростной СМПМ.

3. Структурная схема системы автоматического управления (САУ), учитывающая особенности предложенной электроэнергетической установки.

4. Имитационные модели и результаты моделирования электромеханической системы в среде Matlab&Simulink.

5. Результаты экспериментальных исследований частотного пуска магнитоэлектрической синхронной машины без пусковой обмотки от преобразователя частоты с векторным законом управления без использования измерительного преобразователя частоты вращения.

Публикации по теме диссертации. По теме диссертационной работы опубликовано 18 печатных работ, в том числе: три работы опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Получены два патента РФ на изобретение.

Апробация результатов научных исследований. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международном форуме стран Азиатско-Тихоокеанского региона (Владивосток, 2007-2009); на Всероссийской выставке и конкурсе НТТМ (Москва, 2008); в программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (Владивосток, 2008), а также в научно-технических конференциях «Вологдинские чтения» ДВГТУ (Владивосток, 2007-2010). Доклады отмечены грамотами и дипломами.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка, включающего 144 наименования, и трёх приложений. Объем работы составляет 166 листов машинописного текста, включает 45 иллюстраций и 4 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены объект, предмет исследований; сформулированы цель работы и научная задача исследования, основные положения, выносимые на защиту, их научная новизна; перечислены основные результаты работы, теоретическая и практическая значимость; дана общая характеристика работы и ее краткая аннотация; отражена апробация и внедрение результатов диссертации.

В первой главе приведен сравнительный анализ конкурирующих силовых агрегатов, используемых для автономного электро- и теплоснабжения.

Приведен обзор существующих вариантов исполнения когенерационных систем зарубежных производителей, выявлены их достоинства и недостатки, определена область и причины их широкого применения в современном Мире.

Показана привлекательность данной технологии в условиях России.

На основании проведенного анализа установлено, что будущее современной автономной энергетики принадлежит высокоавтоматизированным электроэнергетическим комплексам (МТУ и ГТУ), обладающих возможностью комбинированного производства электричества, тепла (когенерация) и холода (тригенерация), обеспечивающих (без обслуживающего персонала) высокую эластичность и адаптивность к восприятию электрических нагрузок. Кроме этого, многообразие видов используемого топлива, возможность кластеризации, низкий уровень загрязнения атмосферного воздуха и шума, а также высокая компактность и мобильность делают микротурбинные и газотурбинные установки практически универсальным вариантом решения ряда проблем современного энергоснабжения. По совокупности все перечисленные преимущества и достоинства позволяют эффективно применять подобное оборудование как резервные, вспомогательные и основные источники энергоснабжения в районах с любыми требованиями архитектуры и градостроения, а также в качестве мобильных источников для нужд МЧС, военно-спасательных операций и экспедиций.

Capstone Turbine Corporation и Calnetix Power Solutions, являясь безусловными мировыми корпорациями в конструировании и производстве МТУ, задают темп развития и направления их совершенствования. Одним из таких направлений является разработка высокоскоростных магнитоэлектрических турбогенераторов мощностью до нескольких десятков мегаватт. Вторым направлением совершенствования является отказ от подшипников на жидкостной смазке в пользу магнитного подвеса или газодинамических/газостатических подшипников.

В настоящей работе, в соответствии с мировыми тенденциями развития микротурбинных технологий, предлагается в качестве турбогенератора для МТУ использовать разработанную на кафедре «Электроэнергетика и электротехника» ДВФУ с непосредственным участием автора диссертации оригинальную высокоскоростную синхронную машину с возбуждением от высококоэрцитивных постоянных магнитов и с предусмотренным в конструкции машины газовым подшипником.

Вид силовой части предлагаемой электроэнергетической установки представлен на рис. 1.

Предложенное техническое решение по сравнению с адаптированными турбогенераторами, применяемыми в микротурбостроении, позволяет отказаться от подшипников качения и системы смазки, за счет использования газового слоя в зазоре между статором и ротором электромашины (газовый подшипник), обладает возможностью увеличения длины и, следовательно, мощности машины, без опасности прогиба вала. Одновременно с этим предложенное конструкторское решение обладает хорошими массогабаритными, энергетическими и экологическими показателями.

Рис. 1 – Общий вид микротурбинной установки:

1 - колесо турбины; 2 - улитка турбины; 3 - улитка компрессора; 4 - колесо компрессора; 5 - проводник обмотки статора; 6 - пакет сердечника статора; 7 - полюс индуктора; 8 - клин немагнитный; 9 - отверстие подвода охлаждающего и смазывающего воздуха; 10 - втулка радиального газового подшипника Во второй главе диссертационной работы обсуждаются особенности конструкции и электромагнитного расчета предложенной высокоскоростной магнитоэлектрической синхронной машины для электроэнергетической установки и определение ее параметров.

В качестве основной конструктивной схемы принят генератор с пазовым статором и ротором коллекторного типа с фенеборовыми постоянными магнитами (рис. 2).

Сердечник статора выполняется из одного или нескольких пакетов тонколистовой электротехнической стали, например марки 2441 толщиной листов 0,03…0,05 мм.

Обмотка статора двухслойная петлевая или волновая с диаметральным шагом при числе пазов на полюс и фазу равным единице. Пазы имеют открытую форму, с параллельными стенками. Для изготовления обмотки следует использовать высокочастотный обмоточный провод прямоугольного сечения (например, марок ЛЭНП, ЛЭТЛО и других).

Ротор с цилиндрической наружной поверхностью содержит индуктор, выполненный из постоянных магнитов, полюсов, немагнитных клиньев, а также полый немагнитный вал. Все элементы ротора (кроме постоянных магнитов) жёстко скрепляются вакуумно-диффузионной сваркой. На наружной поверхности индуктора может быть выполнен бандаж намоткой углеродного волокна, пропитанного термостойкими синтетическими смолами.

Рис. 2 – Конструкция синхронного генератора с возбуждением от фенеборовых постоянных магнитов: 1 – лобовая часть обмотки статора; 2 – сердечник статора; 3 – кольцевой канал для поступления охлаждающего газа; 4 – зазор; 5 – цилиндрическая втулка из изоляционного немагнитного антифрикционного материала; 6 – обмотка статора; 7 – постоянный магнит;

8 – полюс ротор Материал для полюсов индуктора должен обладать высокой магнитной проницаемостью и, одновременно с этим, иметь достаточно большой предел прочности при растяжении; подходящим материалом является сплав 48КНФ.

Постоянные магниты следует выбирать из материала Nd-Fe-B с большими значениями остаточной индукции, коэрцитивной силы, магнитной энергии и рабочей температурой не менее 150 С. В работе предлагается использовать магниты из материала с кодом 35ЕН.

Оригинальность конструкции заключается в том, что между сердечником статора и ротором электромашины по всей длине организован газовый подшипник, который позволяет создавать высокоскоростные машины большой мощности за счет увеличения осевой длины (без опасности прогиба вала).

Подшипник составляют (рис. 2) неподвижная тонкая немагнитная изоляционная втулка с ограничителями расхода газа, наружная цилиндрическая поверхность ротора с радиальными отверстиями в полый вал (или без них) и зазор между втулкой и ротором.

Проектирование машины сопровождается электромагнитным расчетом по методике, которая позволяет с минимальными затратами машинного времени произвести расчет СМПМ на заданную мощность, напряжение и частоту вращения ротора. Разработанный алгоритм расчета представлен на рис. 3.

Расчет выполняется с использованием системы относительных единиц.

При этом за базисные величины принимаются масштабы ЭДС ( me ), тока ( mi ) и магнитной проводимости ( m ), зависящие от характеристик и размеров постоянных магнитов.

Особенность расчета заключается в том, что диаметр ротора определяется в зависимости от линейной скорости на его поверхности, ограниченной значениями не более 300…400 м/с по условиям механической прочности. В ходе расчета определяются геометрические размеры машины. Выполняется расчет коэффициента запаса механической прочности ротора с использованием программного обеспечения COSMOSWorks; при необходимости вносятся соответствующие уточнения. Рассчитываются размеры сердечника статора с учетом применяемой вентиляционной системы. Выполняется расчет обмотки якоря, в ходе которого уточняются и корректируются линейная токовая нагрузка и плотность тока. После этого выбирается пазовая изоляция, размеры высокочастотного провода. Определяются основные эксплуатационные характеристики, показатели (изменение напряжения при нагружении машины, коэффициент мощности, КПД, расход активных материалов и т.д.) В заключение определяются параметры магнитоэлектрической машины в установившихся и переходных режимах, необходимые для анализа процессов в генераторном и стартерном режимах работы.

По результатам проектирования и электромагнитного расчета нескольких вариантов СМПМ проанализировано влияние величины немагнитного зазора (толщины втулки газового подшипника) на показатели машины. Показана возможность определения оптимального немагнитного зазора.

В третьей главе диссертационной работы предложена структурная схема управления электроэнергетической установки, обеспечивающая генераторный режим работы со стабилизацией частоты и напряжения и стартерный режим с частотно-токовым управлением.

В первой части главы рассмотрены особенности процесса управления автономной электроэнергетической установкой на базе СМПМ и ГТД-ГП.

Установлено, что управление должно быть основано на плавном изменении подачи топлива на основании обработки в центральном процессоре (DSP) значений частоты вращения ротора, температуры газа перед турбиной и наддувочного атмосферного воздуха в компрессоре.

Рис. 3 – Алгоритм расчета синхронного генератора с возбуждением от высококоэрцитивных постоянных магнитов Для оптимизации эксплуатационных режимов работы ГТД-ГП САУ должна контролировать перепад давления и расход воздуха на компрессоре.

В качестве силового электронного преобразователя для рассматриваемой электромеханической системы выбран двухзвенный преобразователь частоты и напряжения (ДПЧН). Первым звеном преобразователя, подключаемым непосредственно к СМПМ, выбран обратимый преобразователь напряжения (ОПН), который в генераторном режиме работы представляет собой неуправляемый выпрямитель напряжения, а в режиме запуска ГТД – автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией (АИН с ШИМ). Второе звено представляет собой АИН с ШИМ, на него возлагается задача стабилизации напряжения и частоты на нагрузке в генераторном режиме работы.

Структурная схема ДПЧН для рассматриваемой электромеханической системы на базе СМПМ и ГТД представлена на рис. 4.

Рис.4 – Структурная схема управления электроэнергетической установкой Для осуществления запуска ГТД предлагается использовать векторное частотно-токовое управление СДПМ с расчетом управляющих величин по записанным в память процессора математическим моделям магнитоэлектрического двигателя и соответствующих наблюдателей.

Управление пуском СДПМ сводится к регулированию частоты и тока обмотки якоря. При этом требуемый закон изменения частоты вращения ротора ГТД закладывается в память DSP в виде тахограммы скорости и поступает на вход задатчика интенсивности. На выходе последнего изменение сигнала задания происходит по параболическому закону, что, обеспечивает требуемый плавный закон разгона ГТД. Задающее начальное значение тока I* должно обеспечивать максимальный электромагнитный момент, превышающий начальное значение момента сопротивления установки. Регулирование частоты и тока СДПМ в процессе пуска необходимо осуществлять в синхронном режиме. Контроль синхронизации осуществляется в блоке КС DSP.

В генераторном режиме работы для стабилизации частоты и напряжения на выходе ДПЧН используется замкнутая система скалярного управления. В состав системы входит регулятор напряжения, на входе которого сравниваются между собой сигнал задания напряжения U* и истинное усреднённое значение напряжения на нагрузки U. Первое, задающее, поступает от цифрового сигнального процессора DSP, второе – от измерительного преобразователя усредненного напряжения (ДУН). Входным сигналом для системы управления инвертором служит синусоидальный сигнал на выходе регулятора напряжения (РН). Контроль скорости в генераторном режиме осуществляется по сигналу измерительного преобразователя частоты напряжения (ДЧ).

Для запуска электроэнергетической установки, поддержания на выходе стабильного требуемого значения напряжения в автономном режиме работы, а также для питания элементов системы автоматики применяется блок аккумуляторных батарей (БАБ).

Схема силовой части ОПН и АИН – трехфазная мостовая на полностью управляемых вентилях. В качестве полупроводниковых ключей выбраны диодно-транзисторные модули, выполненные по интегральной технологии на основе транзисторов типа IGBT.

Четвертая глава диссертационной работы посвящена исследованию процесса запуска ГТД-ГП посредством стартер-генератора – СМПМ в режиме двигателя.

Как показали результаты исследований, использование асинхронного и классического частотного способов пуска для предложенной конструкции СДПМ не представляется возможным (отсутствует пусковая обмотка, невозможно регулировать возбуждение). Для рассматриваемой электромеханической системы был предложен запуск СДПМ векторным «бездатчиковым» частотно-токовый способом.

На основании проведенных теоретических исследований были получены математические модели СДПМ и соответствующих наблюдателей. При этом в процессе моделирования системы за индуктивности статора были приняты сверхпереходные индуктивности и соответствующие им активные сопротивления по осям dq.

На рис. 5 представлена структурная схема математической модели векторного частотно-токового пуска СДПМ, используемая при моделировании в среде Matlab&Simulink.

Для проведения расчетов и последующего моделирования использовались данные СМПМ мощностью 500 кВт (зазор 2,5 мм) с номинальным фазным напряжением 250 В, током якоря 784,3 А, частотой вращения 40 000 об/мин, сверхпереходными индуктивностями и активными сопротивлениями по осям d и q соответственно 5,123·10-6 и 5,262·10-6 Гн, 3,382·10-3 и 6,055·10-3 Ом;

постоянная времени апериодического звена АИН с ШИМ 1·10-4 с.

Рис. 5 – Структурная схема исследования частотного запуска СДПМ: Multimeter – измерительный блок; powerqui – блок анализа; Scope – осциллограф Имитационные исследования работы системы проводились в режимах запуска СДПМ на холостом ходу (без ГТД) и под нагрузкой (с ГТД).

Результаты исследований приведены на рис. 6 и рис. 7.

Рис. 6 – Результаты моделирования процесса пуска на холостом ходу (без ГТД): n – частота вращения; I – ток обмотки статора Пуск СДПМ в обоих случаях сопровождался колебаниями частоты вращения ротора. Уменьшение вероятности появления неустойчивых процессов при пуске и при переходе в режим синхронного вращения достигается установкой поля статора в положение опережения ротора на некоторый угол. При моделировании это выполняется посредством блока Step.

Разумеется, реально можно существенно уменьшить колебания, а полностью исключить их можно только в идеализированной модели.

Рис. 7 – Результаты моделирования процесса пуска под нагрузкой (с ГТД): n – частота вращения; I – ток обмотки статора В заключительной части главы приведено описание экспериментального стенда и результаты исследований частотного пуска на холостом ходу трехфазного магнитоэлектрического синхронного двигателя от преобразователя частоты с векторным законом управления без использования измерительного преобразователя частоты вращения. Исследования проводились на кафедре «Электроэнергетика и электротехника» ДВФУ с использованием двигателя 2ДБМ 70-1,1-1,3 и преобразователя частоты VFS-11-4037PL-WN(R5). При любом законе скалярного управления частотным способом двигатель не запускался – срабатывала защита преобразователя.

В ходе эксперимента снимались зависимости частоты вращения, напряжения и тока обмотки статора двигателя от времени. На рис. 8 приведена осциллограмма частотного пуска при Mmax=1,2 и времени пуска ТП=2с. Другие осциллограммы размещены в Приложении В диссертации.

Рис. 8 – Осциллограмма частоты вращения ротора и тока обмотки статора при Mmax=1,2, ТП=2с: IУ – установившееся значение тока; n – частота вращения В ходе стендовых испытаний была подтверждена возможность частотного пуска СДПМ на холостом ходу от преобразователя частоты с векторным законом управления без использования измерительного преобразователя частоты вращения. Полученные в ходе эксперимента результаты с качественной точки зрения согласуются с данными имитационного моделирования и подтверждают теоретические исследования о возможности запуска СДПМ без пусковой обмотки векторным частотно-токовым «бездатчиковым» способом.

В пятой главе диссертационной работы исследования были нацелены на изучение переходных процессов, протекающих в генераторном режиме работы рассматриваемой электроэнергетической установки и для анализа качественных и количественных характеристик энергетических процессов.

ГТД имеет наибольший КПД и хорошие рабочие свойства в достаточно узком диапазоне скоростей. Любое изменение активной нагрузки приводит к изменению электромагнитного момента генератора и, следовательно, к изменению частоты вращения МТУ. Поэтому по соответствующему сигналу от микропроцессорной системы управления это должно приводить к изменению расхода топлива в камере сгорания до восстановления требуемой частоты вращения. С этой целью система автоматического управления должна непрерывно контролировать происходящие изменения во всей энергоустановке, в частности, значения частоты вращения ротора, температуры газа перед турбиной и атмосферного воздуха на входе в компрессор, перепад давления и расход воздуха в компрессоре. По результатам обработки сигналов формируется соответствующее управляющее воздействие для топливной системы управления. Структурная схема управления электроэнергетической установкой в генераторном режиме показана на рис. 9.

Стабилизация напряжения электроэнергетической установки осуществляется регулированием подачи топлива в ГТД и соответствующим управлением АИН с ШИМ и БАБ, стабилизация частоты – системой управления АИН. Задающие сигналы заложены в память центрального процессора DSP.

На основании проведенных теоретических исследований, выполненных расчетов передаточных функций и соответствующих блоков математических моделей, с учетом синтеза и оптимизации контуров регулирования в среде Matlab&Simulink построена имитационная модель рассматриваемой электромеханической системы в генераторном режиме работы (рис.9).

Как и в примере моделирования процесса запуска, исследования проводились для СМПМ мощностью 500 кВт, для трех случаев при 100%, 50% и 20% набросе/сбросе нагрузки. В исходном состоянии установка работала в установившемся режиме при номинальной частоте вращения.

Рис. 9 – Структурная схема исследования генераторного режима работы в среде Matlab&Simulink: kB – коэффициент пропорциональности выпрямителя; ДУН – измерительный преобразователь усредненного напряжения; Display – цифровой дисплей; Multimeter – измерительный блок; powerqui – блок анализа; Scope – осциллограф Переходные процессы при сбросе/набросе 100% нагрузки представлены на рис. 10 и рис. 11.

Рис. 10 – Переходные процессы изменения скорости при сбросе/набросе 100% нагрузки Рис. 11 – Напряжение на выходе АИН при сбросе/набросе 100% нагрузки В предложенной электроэнергетической установке улучшение гармонического состава выходного напряжения АИН достигается применением ШИМ на несущей частоте с синусоидальным модулирующим сигналом. В этом случае высшие гармоники в выходном напряжении смещаются в область высоких частот и располагаются в области частот, кратных несущей частоте (fнес=10 кГц) и на частотах, отступающих от несущей на частоту модуляции (fмод=50 Гц). Они имеют незначительные амплитуды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В ходе диссертационных исследований получены следующие основные результаты, имеющие научную новизну, самостоятельное научное и практическое значение и отличные от результатов, полученные другими авторами:

1. Предложено новое конструкторское решение, позволяющее создавать высокоскоростные (40 000…100 000 об/мин) бесконтактные синхронные машины, в том числе на мощности до нескольких десятком мегаватт для работы совместно с ГТД-ГП, одновременно обеспечивая высокую надежность и ресурс электромашины без увеличения массогабаритных показателей.

2. Разработана инженерная методика проектирования и электромагнитного расчета высокоскоростного магнитоэлектрического генератора с соответствующими рекомендациями и справочными данными, позволяющая с минимальными затратами машинного времени произвести расчет синхронной машины с возбуждением от высококоэрцитивных постоянных магнитов на заданную мощность, напряжение и частоту вращения ротора.

3. Предложены способы управления рассматриваемой электромеханической системы и структура преобразователя с реализацией векторного «бездатчикового» управления в процессе пуска СМПМ и скалярного – в генераторном режиме работы.

4. Предложена, обоснована и экспериментально подтверждена возможность осуществления частотного пуска СДПМ без пусковой обмотки векторным бездатчиковым способом.

5. Разработаны структурные схемы и математические модели (MatLab&Simulink) генераторного и стартерного режимов работы электроэнергетической установки, позволяющие исследовать и регистрировать значения интересуемых параметров и величин, а также анализировать качество вырабатываемой электроэнергии.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Работы, опубликованные в изданиях, определенных ВАК РФ 1. Сергеев В.Д., Телешова Н.С. Особенности высокоскоростных магнитоэлектрических синхронных генераторов для электроэнергетических установок // Энергосберегающие технологии. Всероссийская НТК. ТОООХО им. Д.И. Менделеева. – Тула, 2010. – С.79-83.

2. Телешова Н.С. Моделирование стартерного режима магнитоэлектрической синхронной машины электроэнергетической установки с газотурбинным двигателем // Моделирование процессов и систем.

Всероссийская НТК. ТОООХО им. Д.И. Менделеева. URL: www.semikonf.ru.– Тула. 2012. – С.14-18.

3. Сергеев В.Д., Телешова Н.С. Моделирование генераторного режима работы магнитоэлектрической синхронной машины электроэнергетической установки с газотурбинным двигателем // Моделирование процессов и систем.

Всероссийская НТК. ТОООХО им. Д.И. Менделеева. URL: www.semikonf.ru. – Тула. 2012. – С.19-23.

Свидетельства о патентах и изобретениях 1. Патент RU 2385524 С1 Н02К 5/16. Высокооборотная электрическая машина / Дидов В.В., Сергеев В.Д., Телешова Н.С. и др. БИ, 2010 №9.

2. Патент RU 2444108 С1 Н02К 1/27. Ротор электромашины / Дидов В.В., Сергеев В.Д. Телешова Н.С. и др. БИ, 2012 №6.

Прочие публикации 1. Телешова Н.С. Магнитоэлектрический генератор с газотурбинной установкой // Молодежь и научно-технический прогресс. Секция: автоматика:

Сб. тезисов докладов регион. науч.-тех. конф. В 2 ч. Ч. 1. – Владивосток, 2007.

– С. 313.

2. Телешова Н.С. Высокоскоростной синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов // VII Международный форум стран Азиатско-Тихоокеанского региона: межд. журн. «The Pacific Science Review». – Владивосток, 2007. – С. 47-49.

3. Сергеев В.Д., Прскуренко С.С, Чернышова А.С., Телешова Н.С.

Особенности электромагнитного расчета высокоскоростных магнитоэлектрических синхронных генераторов // Электроавтоматика: Сб.

матер. научной конф. Вологдинские чтения. – Владивосток: ДВГТУ, 2007. – С.

36-37.

4. Телешова Н.С. Автономная электроэнергетическая установка на базе газотурбинного двигателя с газовыми подшипниками // VIII Всероссийская выставка науч.-тех. творчества молодежи: жур. «НТТМ-2008». Тез. докл.

Проект А-6. – М.: ВВЦ, 25-28 июня 2008. – С. 45.

5. Сергеев В.Д., Телешова Н.С. Электроэнергетическая установка с газотурбинным двигателем на газовых подшипниках // Электроавтоматика: Сб.

матер. научной конф. Вологдинские чтения.– Владивосток:ДВГТУ, 2007.–С.2728.

6. Телешова Н.С. Автономная электроэнергетическая установка // VIII Международный форум стран Азиатско-Тихоокеанского региона: межд. журн.

«The Pacific Science Review». – Владивосток, 2008. – С. 30-33.

7. Телешова Н.С. Определение главных размеров ротора высокоскоростного синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов с учетом механической прочности // Электроавтоматика: Сб. матер.

научной конф. Вологдинские чтения. – Владивосток: ДВГТУ, 2008. – С.174176.

8. Сергеев В.Д., Проскуренко С.С., Чернышова А.С, Телешова Н.С.

Высокоскоростной магнитоэлектрический синхронный генератор. Выбор числа полюсов, обмотки статора, потери, КПД и нагрев // Радиоэлектроника, информатика, электротехника: Сб. матер. научной конф. Вологдинские чтения.

– Владивосток: ДВГТУ, 2009. – С. 106-107.

9. Телешова Н.С. Математическая модель магнитоэлектрической синхронной машины // Электроавтоматика: Сб. матер. юбилейной научной конф. Вологдинские чтения. – Владивосток: ДВГТУ, 2009. – С. 146-148.

10. Телешова Н.С. Синхронная машина с постоянными магнитами – двухзвенный преобразователь частоты и напряжения // IX Международный форум стран Азиатско-Тихоокеанского региона: межд. журн. «The Pacific Science Review». – Владивосток, 2009. – С. 56-59.

11. Телешова Н.С. Моделирование системы «Синхронная машина с постоянными магнитами – двухзвенный преобразователь частоты и напряжения» // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. – Уфа. – 2009. – С.162-166.

12. Телешова Н.С. Моделирование системы микротурбина – синхронный генератор // Электроавтоматика: Сб. матер. научной конф. Вологдинские чтения. – Владивосток: ДВГТУ, 2010. – С. 77-79.

13. Сергеев В.Д., Проскуренко С.С., Чернышова А.С., Телешова Н.С.

Электромагнитный расчет высокоскоростного синхронного генератора с постоянными магнитами // Электроавтоматика: Сб. матер. научной конф.

Вологдинские чтения. – Владивосток: ДВГТУ, 2010. – С. 87-91.

Телешова Наталья Сергеевна ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА НА БАЗЕ СИНХРОННОЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ И ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ГАЗОВЫМИ ПОДШИПНИКАМИ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписан в печать 09.04.2012. Формат 60х84/Усл. печ. л. 1,24 Уч.-изд. л. 1,Тираж 100 Заказ 1Отпечатано в Типографии ОАО «Изумруд» 690105, г. Владивосток, ул. Русская,






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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.