К вопросу построения системы регулирования емкостного тока возбуждения асинхронного генератора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кременчугский государственный политехнический университет

Институт электромеханики, энергосбережения и компьютерных технологий

К ВОПРОСУ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЕМКОСТНОГО ТОКА ВОЗБУЖДЕНИЯ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Шокарев Д.А., Зачепа Ю.В.

Введение

Ряд существенных для автономной энергоустановки преимуществ (бесконтактное исполнение, больший к.п.д., лучшая форма кривой генерируемого напряжения, безопасность режима короткого замыкания, одинаковая инерционность каналов управления и возмущения, массогабаритные показатели) вывели асинхронный двигатель (АД) с емкостным возбуждением в число конкурентоспособных вариантов электромашинных источников по сравнению с традиционно применяемыми синхронными генераторами [5]. Эффективность применения АД, работающего в генераторном режиме, во многом определяется характером нагрузки автономной энергоустановки и свойствами системы возбуждения и регулирования напряжения [1], первоочередной задачей которых является стабилизация напряжения у потребителей, независимо от характера подключаемой нагрузки. Однако, отсутствие надежного и дешевого регулируемого источника реактивной мощности до настоящего времени являлось сдерживающим фактором для повсеместного внедрения. Поэтому важной задачей при создании генераторной установки на базе асинхронного двигателя общепромышленного исполнения является выбор и обоснование наиболее рациональной системы регулирования конденсаторного возбуждения.

Цель работы. Основной целью работы является обоснование выбора рациональной САУ емкостного тока конденсаторного возбуждения асинхронного двигателя, работающего в генераторном режиме.

Материал и результаты исследований

В зависимости от требований и режима работы асинхронной генераторной установки возможны разные варианты построения системы автоматического регулирования емкостного возбуждения - от простейшей одноконтурной системы регулирования напряжения до сложной системы с микропроцессорным управлением.

Условно системы возбуждения можно разделить на 2 группы [2,3]:

- системы с устройством дискретного регулирования емкости;

- системы с устройством плавного регулирования емкостного тока конденсаторного возбуждения АГ.

Наибольший интерес представляют системы второй группы, так как они позволяют поддерживать необходимые параметры качества генерируемого напряжения.

Структурная схема автономной асинхронной генераторной установки (рис. 1) представляет собой:

асинхронный генератор (АГ);

батареи конденсаторов: БК1 - для обеспечения самовозбуждения и БК2 - для компенсации реактивной мощности при подключении нагрузки;

нагрузка (БН);

система управления (СУ), в состав которой входит регулятор емкостного тока (РЕТ) [1].

Элементы коммутации (K) служат для подключения нагрузки.

Рисунок 1 Блок-схема автономной асинхронной генераторной установки

В качестве асинхронного генератора принят асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором типа АОЛ21 (Рн=270Вт, Ін=0.857А, Uн=220В, cos=0.65, h=_.68, n=1440об/мин) с начальной емкостью возбуждения с=6 мкФ. Анализ экспериментальных характеристик (рис. 2) показал, что при подключении номинальной нагрузки напряжение, вырабатываемое генератором, снижается на 30%.

Рисунок 2 Переходный процесс напряжения АГ при подключении активной нагрузки; 1 - огибающая напряжения

Таким образом, блок-схему (рис. 1) можно представить эквивалентной математической моделью - рис. 3.

Рисунок 3 Эквивалентная математическая модель системы стабилизации напряжения

асинхронный генераторный конденсаторный двигатель

Колебательное звено характеризует процессы, которые происходят в контуре регулирования, динамические параметры которого определяются соответственно переходной характеристике рис. 2, кривая 1.

В настоящее время в различных промышленных установках наибольшее распространение получили системы регулирования, построенные по принципу подчиненного управления, характеризующиеся простотой настройки и стабильностью работы [6, 7].

Для объекта управления, представленного на рис. 3, в результате синтеза с настройкой на симметричный (СО) и модульный (МО) оптимумы был получены ПИИ²Д-регулятор и ПИД-регулятор соответственно [6], передаточные функции которых имеют вид:

, (1)

. (2)

Однако существенным недостатком таких систем с классическими настройками на модульный и симметричный оптимумы является их высокая чувствительность к внешним возмущениям и изменению параметров объекта управления, что обусловлено невысокими коэффициентами усиления контурных регуляторов.

Устранить отмеченные недостатки можно на стадии синтеза регулятора. Это возможно путем применения систем оптимального управления, устойчивых при неограниченном увеличении коэффициента усиления регуляторов, синтезированных как решение задачи аналитического конструирования оптимальных регуляторов (АКР) по минимуму интегральных функционалов качества. Такие системы обладают низкой чувствительностью к возмущающим воздействиям.

Используя методику синтеза таких систем, приведенную в [4], получим алгоритм оптимального управления в функции ошибки регулирования тока в виде:

, (3)

где

- коэффициент усиления разомкнутой системы.

Алгоритм управления (3) реализуется ПИДД² регулятором.

Результаты исследований режимов работы системы с полученными регуляторами емкостного тока со ступенчатым задающим воздействием с последующим подключением активной нагрузки приведены на рис. 4 (при моделировании принималось, что двигатель в генераторном режиме работает на линейном участке кривой намагничивания).

Рисунок 4 Пуск системы на холостом ходу с последующим набросом нагрузки:

1 - огибающая напряжения с ПИИ²Д-регулятором;

2 - огибающая напряжения с ПИД-регулятором;

3 - огибающая напряжения с ПИДД²-регулятором

Анализ полученных характеристик показывает явное преимущество СОУ, синтезированной на основе модифицированного принципа симметрии, позволяющей получить переходные характеристики без перерегулирования (рис. 4, кривая 3), в то время как с настройкой на симметричный и модульный оптимумы оно составляет около 25% и 6% соответственно (рис. 4, кривые 1, 2).

Но основное внимание при создании источников электроэнергии переменного тока для питания автономных объектов уделяется, как отмечалось выше, стабилизации или обеспечению требуемой точности поддержания напряжения генератора при изменяющейся нагрузке. И в этом аспекте предлагаемая СОУ является более предпочтительной. Так, исходя из результатов, приведенных на рис. 4, система управления, синтезированная на модифицированный принцип симметрии, характеризуется отсутствием перерегулирования при компенсации действия возмущающих факторов. При этом в системе с настройкой на симметричный оптимум величина перерегулирования составляет 6% (колебания напряжения - около 25 В), на модульный оптимум - 4% (колебания напряжения - около 15 В). Здесь необходимо отметить, что подключение активной нагрузки характеризуется снижением номинального напряжения на 13% (В). Время компенсации нагрузки для классических систем, в сравнении с СОУ, составляет: для СО - , для МО - ( с).

Однако в системах с последовательной коррекцией в полученных законах управления присутствуют дифференциальные составляющие до второго порядка включительно. Многократное дифференцирование сигналов сопряжено с известными техническими трудностями. При этом также необходимо учитывать тот факт, что сигналы содержат высокочастотную составляющую помехи. В связи с этим рассмотренные принципы построения систем управления силовым оборудованием установок источников аварийного питания в большей степени применимы с использованием цифровой преобразовательной техники как основы при создании микропроцессорных модулей управления.

Выводы

Таким образом, реализация оптимального управления с последовательной коррекцией путем незначительного усложнения регуляторов в существующих системах подчиненного регулирования электроприводов является существенным резервом повышения их динамических свойств.

Полученная модель имеет ряд недостатков и характеризует работу асинхронно-генераторного комплекса только на линейном участке кривой намагничивания. Учет нелинейных характеристик блоков конденсаторного возбуждения и влияния насыщения стали машины переменного тока на устойчивость и стабильность работы предлагаемой системы является предметом дальнейших исследований.

Литература

Стульников В.И., Колчев Е.В. Моделирование полупроводниковых преобразователей К. Техника, 1971, 107 с.

Шокарев Д.А., Колесник Я.Н. Анализ систем возбуждения асинхронных генераторов // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету, вып.1 - Кременчук, 2003, C. 116-120.

Артамонов В.В., Маслов В.Е., Родькин Д.И., Солтус А.П. К вопросу создания формируемых источников аварийного электропитания // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету, вып.1. Кременчук, 2001, C. 114-120.

Системы оптимального управления прецизионными электроприводами /СадовойєА.В., Сухинин Б.В., Сохина Ю.В.: Под ред. А.В.Садового. К.: ИСИМО, 1996. 298 с.

Вишневский Л.В., Пасс А.Е. Системы управления асинхронными генераторными комплексами. Киев-Одесса: Лыбидь при Киевском ун-те. 1990. 168 с.

Гарнов В.К., Рабинович В.Б., ВишневецкийєЛ.М. Унифицированные системы автоуправления электроприводами в металлургии. М.: Металлургия, 1971. 216 с.

Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. Л: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. 392 с.

Размещено на Allbest.ru