Асинхронні генератори з вентильним та вентильно-ємнісним збудженням для автономних енергоустановок

При підключенні на затискачі АГ несиметричного активного навантаження, яке з'єднане у зірку, опори фаз якого співвідносяться як rнN : 2rнN : 4rнN (rнN - опори у номінальному режимі), а також при підключенні на лінійну напругу опору навантаження значенням 2rнN практично забезпечується симетрія лінійних напруг. При цьому струми у фазах не перевищують номінального значення, а їх різниця складає 10... 15%.

В АГ з фазовим та частотним принципом управління при однакових умовах експерименту (досліджувався звичайний АГ з ВП, який мав кут провідності тиристорів 120?) електромагнітні процеси протікають ідентично: отримані практично однакові результати дослідження кривих напруг та струмів, навантаження струмом вентилів, режимів генератора з відключеним Сф та однофазного режиму.

У четвертому розділі наведено результати дослідження перехідних режимів АГ з ВЗ. Основна увага приділяється процесам при початковому збудженні та накиді-скиді навантаження АГ. Відмічаються деякі особливості їх протікання при раптових коротких замиканнях у контурах навантаження змінного та постійного струмів.

У результаті проведеного аналізу традиційного способу управління генераторами при збудженні, коли частота імпульсів управління знижується від значення вище синхронного доти, поки генератор не збудиться, виявлені недоліки, які має цей спосіб при збудженні АГ від залишкового потоку ротора, від попередньо зарядженого конденсатора і додаткового джерела енергії у колі постійного струму ВП. Ці недоліки насамперед пов'язані з необхідністю вирішувати при збудженні АГ задачі вибору темпу зниження частоти імпульсів управління (зниження ковзання), погодження значення частоти, яке вище синхронного значення, з темпом її зниження, збудження при змінній частоті обертання приводного двигуна. Запропоновано проводити збудження АГ з ВЗ при початковій фіксованій частоті імпульсів управління (фіксованому від'ємному ковзанні) з розімкнутим ЗЗ по напрузі, який вмикається тільки при досягненні генератором заданої напруги. Це дозволяє запобігти недоліків традиційного способу управління частотою при збудженні.

При дослідженні електромагнітних процесів збудження АГ з фіксованим ковзанням при вказаних вище підходах до створення початкового запасу електромагнітної енергії для збудження виявлено характер зміни фазних напруг та струмів, напруги у колі постійного струму та середнього ковзання, вивчено особливості фізичних явищ.

Встановлено, що самозбудження АГ з ВЗ від попередньо зарядженої ємності належить проводити при фіксованому від'ємному ковзанні, яке по модулю не перевищує його номінального значення sN (діапазон зміни номінальних ковзань АГ з ВЗ лежить у межах 0,01...0,04 в.о., де менші значення відносяться до АГ більшої потужності). При значеннях |s| > |sN| зростають втрати в АГ і конденсатор Сф повинен бути попередньо заряджений до значно більшої напруги, ніж коли |s| = |sN|, що не завжди можливо із-за відсутності відповідного джерела напруги.

Аналіз результатів дослідження процесів самозбудження АГ з ВЗ від залишкового потоку при фіксованому від'ємному s дозволив запропонувати наступні необхідні та достатні умови їх здійснення: необхідно мати початковий запас магнітної енергії, який забезпечує залишкова намагніченість ротора АГ ; значення фіксованого від'ємного s не повинно перевищувати по модулю 0,25... 0,35 sN при значеннях залишкової ЕРС, які характерні для АМ; контури самозбудження повинні мати достатню провідність для проходження струмів від малих залишкових ЕРС; основна гармоніка поля збудження повинна знаходитись в області самозбудження не менше того часу, на протязі якого потокозчеплення збільшаться до величин, які визначають задану напругу генератора. Цей час визначається сумарною постійною часу контурів самозбудження; перетворювач СЗ, коло постійного струму якого має двосторонню провідність, повинен забезпечувати потрібну частоту та зсув основних гармонік струму статора АГ. При |s| > |0,25... 0,35sN| АГ з ВЗ із залишковою ЕРС, яка становить декілька відсотків від номінального значення, може не самозбуджуватися, тому що зростають втрати у генераторі і залишкова намагніченість не сприяє розвитку процесу самозбудження. Мінімальне по модулю s повинно забезпечити напругу АГ, яка дорівнює заданій.

Дослідження впливу параметрів АГ з ВЗ на динаміку процесу самозбудження від залишкового потоку при фіксованому s показало, що на час самозбудження tз найбільше впливає опір ротора r2 та дещо менше значення ємності конденсатора Сф. Причому на відміну від ємнісного самозбудження, при якому збільшення значення r2 приводить до скорочення вказаного часу, при вентильному самозбудженні залежність часу tз від значення r2 неоднозначна. На час самозбудження АГ з ВЗ не впливає ступінь його насичення. Індуктивності розсіювання генератора впливають тільки на величину струмів статора і ротора після закінчення процесу самозбудження. Зміна r1 (так само як і r2) приводить до зміни s у квазістаціонарному режимі.

При дослідженні особливостей протікання електромагнітних процесів при збудженні від додаткового джерела енергії в якості останнього використовувалась акумуляторна батарея (АБ). Дослідження проведено при відомих умовах: 1) процес збудження розвивається з підключенням до АГ батареї при вже поданих імпульсах управління на перетворювач СЗ; 2) процес збудження розвивається з подачею імпульсів управління на ВП при вже підключеній АБ. Встановлено, що збудження доцільно проводити при початкових умовах по п.1 та фіксованому від'ємному s, яке по модулю менше 0,35... 0,4 sN. У цьому випадку струми при збудженні -мінімальні.

Дослідження динамічних показників якості електроенергії АГ при накиді-скиді навантаження постійної та змінної напруги показали, що наявність в АГ з ВЗ зворотних зв'язків по частоті обертання, напрузі та струму навантаження дозволяє отримати вказані показники цих генераторів, які перевищують аналогічні показники автономних СГ: у випадку приблизно однакових перехідних відхилень напруги при накиді-скиді номінального навантаження (приблизно 20%) час відновлювання напруги АГ на порядок менше аналогічного часу СГ, який встановлюється відповідними стандартами (2...3 с).

При трифазному короткому замиканні у колах статора звичайного АГ з ВЗ та при короткому замиканні на його шинах постійного струму (ці аварійні режими можна умовно віднести до процесів накиду навантажень з гранично малими активними та індуктивними опорами) вплив параметрів генератора та насичення на час його розбудження несуттєвий. Час розбудження АГ приблизно дорівнює 4... 5 періодам частоти збудження. Для підтримки в автономних ЕУ протягом заданого часу струму, встановленої величини для спрацювання захисту, запропоновано підключати на затискачі постійного струму АГ акумуляторну батарею через діод.

Дослідження перехідних процесів АГ з ВЗ на математичних моделях продемонстрували адекватність процесів, які отримано розрахунковим шляхом, дослідним даним.

У п'ятому розділі наведені результати дослідження АГ з симетричним і несиметричним ВЄЗ, перетворювачі СЗ яких виконані за схемами АІН та випрямляча. Причому у генераторах з ВП, які виконано за схемами АІН, реалізована нова технічна ідея, згідно якій ВЄЗ здійснюється при частотному регулюванні напруги.

При дослідженні квазістаціонарних режимів АГ з двома роздільними статорними обмотками та симетричним ВЄЗ виявлено загальні закономірності зміни вентильного та ємнісного струмів, коефіцієнтів корисної дії та потужності зі зміною навантаження та частоти обертання, встановлено співвідношення між реактивними потужностями, які генеруються вентильною та ємнісною частинами СЗ для отримання вихідної напруги, близької до синусоїдної.

Показано, що співвідношення значень вентильного та ємнісного струмів АГ з ВЄЗ визначається значенням ємності батареї конденсаторів (БК), частотою обертання та величиною навантаження генератора. При порівнянні ККД генераторів з ВЗ і ВЄЗ однакової потужності встановлено, що цей показник в АГ з ВЄЗ більше, тому що частина реактивної потужності поставляється БК і струм через ВП знижується. Однак це приводить до зниження коефіцієнта потужності робочої обмотки АГ. Наприклад, за умови, що значення ємності фази БК експериментального зразка триобмоткового АГ з ВЄЗ дорівнює 0,6 Со (Со - значення ємності фази БК початкового збудження), а частота обертання та навантаження змінюються відповідно у діапазонах nN ± 25% та 0,2... 1,0 РN2 (РN2 - номінальна потужність робочої обмотки), коефіцієнт потужності вказаної обмотки дорівнює 0,4... 0,94. Для АГ з ВЗ при тих самих умовах (БК відсутня) - 0,97... 0,98 При цьому ККД генератора з ВЄЗ в залежності від значення навантаження - на 1... 5% більше ККД генератора з ВЗ.

Для отримання вихідної напруги, близької до синусоїдної, ємнісна частина СЗ виконується регульованою. Отримана залежність коефіцієнтів несинусоїдності напруг кн генератора у функції значень ємності конденсаторів СЗ і показано, що у генераторі може бути отримано кн не більше 0,05. У цьому випадку основна частка реактивної потужності надходить від БК, а перетворювач, працюючи в якості блоку плавного регулювання, поставляє лише 5... 10% потужності, яку споживає АГ. Як показують дослідження триобмоткового АГ з ВЄЗ при з'єднанні статорних обмоток по автотрансформаторній схемі та звичайного АГ з ВЄЗ, для отримання кн0,05 частка реактивної потужності, яка генерується ВП, повинна бути такою ж як для АГ з роздільними статорними обмотками.

При вентильно-ємнісному збудженні забезпечується зниження як струму ВП, так і його розрахункової потужності при заданій потужності АГ. Дослідження показали, що при значенні ємності БК всього 0,4 Со струми обмотки з ВП АГ з ВЄЗ на 20... 60% менше струмів АГ з ВЗ такої ж потужності у діапазоні частот обертання 1:2 при холостому ході.

Показано, що крива миттєвих значень ковзання АГ з ВЄЗ має змінну складову, яка відсутня при ємнісному самозбудженні, коли на ВП не подаються імпульси управління.

Досліджені перехідні режими АГ з симетричним ВЄЗ (ВП виконано по схемі АІН) та визначені умови подачі імпульсів управління на ВП після етапу ємнісного самозбудження і динамічні показники якості електроенергії.

Згідно визначеним умовам подачу імпульсів належить здійснювати у момент збігання по фазі напруг генератора та напруг, які формуються безпосередньо на затискачах ВП (у звичайного АГ перетворювач підключається до машини через дроселі у кожній з фаз). Це дозволяє уникнути можливих перевантажень по струму вентилів, якщо не прийняті для цього інші заходи. На практиці умова подачі імпульсів простіше реалізується при фазовому регулюванні напруги, тому що імпульси управління ВП погоджені з відповідними напругами АГ.

Динамічні показники якості електроенергії (перехідні відхилення напруги та час її відновлювання) АГ з ВЄЗ при частотному та фазовому регулюванні напруги приблизно ті самі, які має АГ з ВЗ. Значення кутів управління при фазовому регулюванні напруги у значній мірі залежить від величини втрат у ВП. В АГ з ВП, який виконано по схемі тиристорного АІН з примусовою комутацією вентилів, кут управління регулювався від -30? до +60? відносно переходу через нуль кривої напруги фази А генератора з області від'ємних в область позитивних значень.

Показана доцільність створення однофазних генераторів на основі звичайних трифазних АГ із з'єднанням фаз статорних обмоток у трикутник та несиметричним ВЄЗ. Визначено характер зміни втрат у трифазному АГ при роботі в однофазному режимі при різних схемах включення нерегульованої БК, яку вибрано з умов початкового самозбудження генератора до заданої напруги, та регульованої частини СЗ на фази статорної обмотки. Це дозволило оцінити використання габариту машини при допустимих втратах та несиметрії струмів у фазах. Встановлено, що при активному навантаженні та активно-індуктивному навантаженні з коефіцієнтом потужності не менш 0,9 нерегульовану БК належить включати на робочу фазу обмотки генератора, а ВП, який виконано по схемі однофазного АІН - на ту, яка відстає від робочої. При активному навантаженні для отримання більш рівномірного розподілу струмів генератора по фазам частину БК можна включати паралельно ВП. Однак у цьому випадку ВП підключається до АГ через дросель. Значення кн робочої фази залежить від значень ємності БК, індуктивності дроселя, який може включатися між ВП і машиною, від форми кривої напруги безпосередньо перетворювача.

Коефіцієнт кн робочої фази не перевищує 0,05, а коефіцієнт використання габариту трифазної машини в однофазному режимі - не менше 0,7 за умови, що БК та ВП включені відповідно на робочу та відстаючу фази, кн безпосередньо на затискачах ВП - не більше 0,3... 0,33, значення ємності БК вибране з умов початкового збудження, а значення індуктивності - 0,1...0,25 в.о.

При теоретичному аналізі характеристик компенсаційного випрямляча (імпульси управління на вентилі подаються раніше моменту звичайної комутації), який працює спільно з АГ (збуджується від нерегульованої БК), отримані вирази для визначення вихідної напруги випрямляча і для розрахунку його параметрів з урахуванням навантаження Rн на виході. Показано, що у схемі заміщення генератора КВ може бути представлений еквівалентним навантаженням у вигляді комплексного опору Z1=р2Rн /18 cosц , де ц - кут управління вентилями. Активна складова вказаного опору залежить від опору навантаження у колі постійного струму КВ, а реактивна - як від цього опору, так і кута управління ц: r1=р2 Rн /18, x1=р2 Rн tg ц/18.

Теоретичні та експериментальні дослідження АГ з СЗ на основі КВ дозволили встановити, що оптимальним є діапазон зміни кутів управління -20... -30?. У цьому випадку відхилення вихідної напруги від номінального значення не перевищує 5... 8% (в залежності від насичення магнітного кола) при зміні навантаження від холостого ходу до номінального. Це значно кращий показник у порівнянні з АГ, в якому використовується некерований випрямляч.

Дослідження звичайного АГ з ВЄЗ, в якому ВП виконано по схемі керованого випрямляча з дроселем у колі постійного струму (імпульси управління подаються на вентилі пізніше моменту звичайної комутації), дозволили визначити діапазон зміни кутів ц відкриття тиристорів (80... 90?), вплив на цей діапазон активного опору дроселя (із збільшенням опору діапазон кутів ц розширюється), дослідити зовнішні характеристики генератора та їх залежність від прийнятого закону управління кутом ц, статичні показники якості електроенергії (у номінальному режимі відхилення напруги - до 2%, вміст гармонік - не перевищує 5%).

У шостому розділі розглянуто нові та удосконалені схемотехнічні рішення АГ з ВП у колах статора та визначені області раціонального застосування АГ з ВЗ і ВЄЗ.

Наведено схемотехнічні рішення генераторів, в яких використовуються такі нові технічні ідеї, як їх збудження при фіксованому від'ємному ковзанні, ВЄЗ при частотному регулюванні напруги, а також застосовуються принцип ШІМ вихідної напруги, кодо-імпульсна обробка інформації, полюсоперемикаючі обмотки, різні з'єднання двох статорних обмоток. Ці схемотехнічні рішення забезпечують надійне збудження генераторів, отримання стандартних за величиною напруг постійного та змінного струмів (АГ з двома статорними обмотками - розділені або з'єднані по автотрансформаторній схемі, АГ з ШІМ), розширення діапазону частот обертання (АГ з полюсоперемикаючою обмоткою статора, АГ з ШІМ), отримання вихідних напруг з поліпшеним гармонічним складом (АГ з ШІМ, АГ з несиметричним ВЗ і ВЄЗ), розвантаження ВП по струму при частотному регулюванні (АГ з ВЄЗ та двома роздільними обмотками статора, АГ з ШІМ).

Асинхронні генератори з ВЗ і ВЄЗ (значення ємності БК менше Со), керовані по алгоритмам однократного перемикання вентилів, найбільш доцільно використовувати в якості стартер-генераторів постійного струму, генераторів змінного струму для навантажень, які не вимагають синусоїдної форми напруги (нагрівальні та освітлювальні пристрої, асинхронні двигуни, обмотки електромагнітів, реле, тощо), а також генераторів, які працюють у діапазоні частот обертання 1:4 (транспортні ЕУ, автономні гідро- та вітроенергетичні установки). В останньому випадку навантаження, яким необхідна синусоїдна напруга постійної частоти, живляться від допоміжного АІН, підключеного на затискачі постійного струму АГ.

При постійній частоті обертання первинного двигуна для живлення трифазних навантажень, яким потрібна синусоїдна напруга, найбільш доцільно використовувати АГ з ШІМ вихідної напруги, а для живлення таких однофазних навантажень - АГ з несиметричним ВЗ і ВЄЗ.

Виконано порівняльний аналіз техніко-економічних та експлуатаційних показників автономних багатопостових ДЖЗД. Показана доцільність використання АГ у ДЖЗД. Запропоновані та реалізовані нові схемотехнічні рішення ДЖЗД на основі АГ.

Дослідження експериментальних зразків ДЖЗД на основі АГ з ВП та конденсаторами у колі статора дозволили встановити наступне: автономне багатопостове ДЖЗД доцільно виконувати на основі АГ з паралельно увімкненими конденсаторами збудження, який працює на випрямлячі (безпосередньо або через трансформатор); якщо магнітні системи АГ та понижуючого трансформатора (при його увімкненні безпосередньо на затискачі АГ) багатопостового ДЖЗД мають середнє насичення (м =1,3...1,4), то, незалежно від того застосовується для формування зварювальних характеристик інвертор високої частоти (ІВЧ) або керований випрямляч, генератор необхідно виконувати з СЗ, яка має як нерегульовану, так і регульовану БК. Інакше через зниження напруги АГ вплив зварювальних постів один на одного буде значним; при створенні багатопостових ДЖЗД на основі АГ підвищеної або промислової частоти струму статора з нерегульованою БК необхідно виконувати електричну машину з підвищеним насиченням магнітного кола (км= 2,0...2,3), а для формування зварювальних характеристик використовувати ІВЧ. У цьому випадку у зварювальних режимах відхилення напруги АГ від номінального значення буде незначним і вплив зварювальних постів один на одного знижується; АГ підвищеної частоти (200...400 Гц) найбільш перспективні для застосування в автономних зварювальних агрегатах з частотою обертання приводних двигунів, яка перевищує 3000 об/хв. У цьому випадку забезпечуються найкращі масогабаритні показники ДЖЗД (особливо при використанні ІВЧ).

При використанні у ДЖЗД генератора з ВЗ, який працює на ІВЧ, машину належить виконувати з таким насиченням, при якому км = 1,3.

На відміну від АГ підвищеної частоти, які вимагають спеціального виконання, генератори промислової частоти для ДЖЗД виконуються на основі серійних двигунів. Це може сприяти швидкому та широкому впровадженню автономних зварювальних агрегатів на основі АГ.

Сьомий розділ присвячений питанням проектування АГ з ВЗ і ВЄЗ.

Розглянуто важливіші специфічні питання проектування звичайних АГ з ВЗ (ВП виконано за схемою АІН) з частотним регулюванням напруги та однократним переключенням вентилів, до яких відносяться: визначення розрахункової потужності, вибір головних розмірів та параметрів електричної машини, вибір силових напівпровідникових елементів, параметрів та частоти імпульсів керування ВП системи збудження. Визначені та систематизовані характерні особливості проектування таких генераторів, які вказують на наступне: при визначенні розрахункової потужності Р' генератора необхідно враховувати її підвищення із-за наявності вищих гармонік за допомогою коефіцієнта кр.У випадку спектра гармонік напруги та струму, який має місце при алгоритмах однократного перемикання вентилів та всипних котушкових обмотках, кр дорівнює 1,04... 1,06. Тому при навантаженні змінного струму вираз для визначення Р' має вигляд: Р' = m1U1N I1N кЕ кр, де кЕ = Е1N / U1N, I1N ˜ IнNcosцн кВП /cosц (IнN , cosцн - номінальний струм та коефіцієнт потужності навантаження; ц ˜ 150 - кут зсуву між напругою та струмом АГ при номінальному навантаженні; кВП = 1,05...1,15 - коефіцієнт, який враховує збільшення струму через втрати у ВП); у випадку навантаження постійного струму у виразі для визначення Р' запроваджуються коефіцієнти ки=U1N / UdN=0,47…0,48 та кi=I1N /IdN =1,08… 1,15, які визначають співвідношення між випрямленими (UdN , IdN) та змінними (U1N , I1N ) напругами та струмами у номінальному режимі (Р' = m1UdN IdN кЕ кр кu кi ); при виборі головних розмірів рекомендується виходити з того, що задано діаметр або довжину машини з умови її розміщення. Попередні значення електромагнітних навантажень та відповідних коефіцієнтів, які входять у вираз машинної сталої, вибираються на основі рекомендацій для АМ (форма кривої поля АГ близька до синусоїдної). Вибір головних розмірів АГ зі змінною частотою обертання необхідно здійснювати при найменшій частоті з діапазону її зміни; при виборі параметрів АГ необхідно враховувати вплив опору ротора r2 на час та межі області самозбудження. Час самозбудження мало залежить від r2 при його значеннях 0,01... 0,04 в.о.; коефіцієнт насичення магнітного кола АГ при постійній та змінній частоті обертання рекомендується вибирати відповідно 1,1... 1,2 та 1,2... 1,4 (для мінімальної частоти обертання із діапазону її зміни 1:2); у випадку АГ постійного струму тиристори та діоди перетворювача СЗ вибираються на струми Iт=0,125 Iсркп кз, ID =0,375 Iсркп кз , де Iср=I1N /кф (кф=1,19... 1,22), кп=1,25... 1,35, кз=1,2... 1,3, а транзистори - на струм Iтр =I1N ка кп кз , де ка=1,53... 1,63; у випадку АГ змінного струму тиристори та діоди вибираються на струми Iт = ID = 0,25 Iпср кп кз , де Iпср=IпN /кф (IпN - діюче значення струму фази ВП, яке визначається за допомогою схеми заміщення АГ з ВЗ), а транзистори - на струм Iтр = IпN ка кп кз, де ка=2,1... 2,2; при проектуванні АГ з ВЗ для живлення навантаження змінного та постійного струмів вибір силових вентилів належить здійснювати для режиму живлення навантаження змінної напруги; тиристорні ВП доцільно виконувати з кутом провідності 90...120? (можуть використовуватися прості вузли примусової комутації вентилів). Тривалість імпульсів управління транзисторів у квазістаціонарних режимах також належить вибирати 90... 120? (при протіканні інверсних струмів та самозбудженні від залишкового потоку ротора - тривалості імпульсів близькі до 180?); частоту імпульсів у перший момент збудження необхідно встановлювати відповідно рекомендаціям розділу 4.

Наведені рекомендації по збільшенню провідності контурів самозбудження АГ з ВЗ.

Триобмоткові АГ з ВЗ. Розрахункова потужність АГ з двома роздільними статорними обмотками дорівнює Р' = m11U11N I11N кЕ11 кр11+ m11U12N I12N кЕ12 кр12, де кЕ11= кЕ12 ˜ 1, кр11= кр12=1,04... 1,06. Струм I12N робочої обмотки дорівнює номінальному струму навантаження. Оскільки коефіцієнт потужності номінального навантаження Р12N робочої обмотки звичайно становить 0,85... 1,0, то реактивна потужність QN, яка необхідна для збудження АГ, приблизно дорівнює активній потужності навантаження (QN ?Р12N). Якщо ВП замінити еквівалентною БК, то тоді струм обмотки з ВП визначається з виразу I11N =U11N щ?ф11, де Сф11= [1/2р f U11N 2]Р12N /3 (конденсатори з'єднані у зірку).

Для розрахунку струмів вентилів СЗ використовуються ті самі вирази, що і для звичайного АГ з навантаженням на затискачах змінної напруги.

Триобмоткові АГ з ВЄЗ. При виборі ємності нерегульованої БК з умов самозбудження на холостому ході та при її меншому значенні генератори проектуються як АГ з ВЗ, але з різною ступінню насичення магнітного кола (відповідно км= 1,25... 1,35 та км =1,1...1,2). При цьому враховується розвантаження ВП від струмів та перерозподіл струмів між обмотками АГ.

Інші модифікації АГ з ВЗ та ВЄЗ. Наведено стислі рекомендації по проектуванню АГ з ШІМ напруги (по вибору співвідношення між несучою та вихідною (50 Гц) частотами, коефіцієнта кр, по розрахунку втрат у ВП). При проектуванні генераторів з фазовим регулюванням напруги рекомендується використовувати однакові з частотним регулюванням теоретичні передумови.

У додатках наведено номінальні дані і параметри АГ та двигунів, які використовувались у генераторному режимі, а також документи, які підтверджують впровадження результатів роботи.

ВИСНОВКИ

Розроблений у дисертаційній роботі теоретичний метод аналізу електромагнітних процесів та розрахунку робочих характеристик асинхронних генераторів з вентильним та вентильно-ємнісним збудженням як сукупність математичних моделей, методик, алгоритмів і комп'ютерних програм, а також результати досліджень, схемотехнічні рішення та рекомендації по проектуванню генераторів цього типу вирішують важливу науково-прикладну проблему створення конкурентноспроможних генераторів нового типу для автономних ЕУ змінного та постійного струму підвищеної надійності та економічності.

1. Використання СГ в автономних ЕУ загальнопромислового та спеціального призначення не сприяє подальшому підвищенню їх якості електроенергії, надійності та економічності. Використання АГ дозволяє вдосконалити ЕУ. Асинхронна машина у конструктивному відношенні значно простіша і надійніша синхронної машини. Безконтактність виконання, простота вмикання на паралельну роботу, висока якість динамічних процесів, безпека короткого замикання роблять проблему впровадження АГ з ВЗ і ВЄЗ в автономних ЕУ актуальною. Однак недостатня розробка теоретичних питань електромеханічного перетворення енергії, здійснення несиметричного ВЗ і ВЄЗ трифазних АГ при роботі в однофазному режимі, формування напруг з поліпшеним гармонічним складом, початкового збудження АГ з ВЗ, проектування АГ як системи, недостатня вивченість режимів АГ з ШІМ напруги та симетричним ВЄЗ, відсутність простих та перспективних схемотехнічних рішень стримує їх широке впровадження.

2. Розроблено комплекс математичних моделей, алгоритмів та програм для розрахунку режимів звичайних та триобмоткових АГ у фазній та змішаній системах координат, які є спільними для генераторів з ВЗ та ВЄЗ. Моделі дозволяють дослідити режими генераторів на новому якісному рівні з малими втратами розрахункового часу як при частотному, так і при фазовому регулюванні напруги з однократним та багатократним переключенням вентилів СЗ. Це стало можливим завдяки використанню ефективних підходів до об'єднання структурних елементів генераторів та до визначення стану вентилів СЗ, введенню у моделі нових виразів для визначення частоти обертання магнітного поля, насичення по основному потоку взаємоіндукції, модулів напруг, струмів та потокозчеплень, які отримані при теоретичному аналізі АГ.

Дослідження квазістаціонарних та перехідних режимів АГ продемонстрували адекватність результатів дослідження, отриманих розрахунковим шляхом на математичних моделях, результатам, які отримані на експериментальних зразках..

3. Розроблена ефективна методика розрахунку робочих характеристик звичайного АГ з ВЗ при навантаженні на затискачах постійного та змінного струму. В її основу покладено запропоновані еквівалентні схеми заміщення АГ з ВЗ з урахуванням всіх складових втрат у АМ і ВП, а також отримані з них аналітичні вирази для визначення балансу активної потужності та сумарної активної провідності навантаження та перетворювача, рівняння, яке встановлює зв'язок між напругою та ЕРС генератора. Розбіжність розрахункових та експериментальних робочих характеристик не перевищує 6... 8%.

4. Для визначення впливу параметрів, величини навантаження та частоти обертання АГ з ВЗ на граничні значення ковзань його області самозбудження виконано еквівалентне перетворення запропонованої схеми заміщення генератора при навантаженні на затискачах постійного струму. Отримано рівняння для визначення вказаних ковзань. Розбіжність розрахункових та експериментальних значень ковзань не більше 10 %.

5. Комплекс досліджень режимів роботи АГ з ВЗ і ВЄЗ, проведених за допомогою розробленого методу аналізу електромагнітних процесів і розрахунку робочих характеристик та фізичного моделювання, дозволив отримати ряд нових наукових і практичних результатів:

* встановлено, що процеси електромеханічного перетворення енергії в АГ з ВЗ і ВЄЗ протікають при коливаннях вектора результуючого поля відносно ротора та наявності пульсаційних моментів, які утворені при взаємодії вищих гармонік струму ротора з магнітним потоком основної гармоніки. Тому ковзання та електромагнітний момент АГ здійснюють коливання відносно свого середнього значення. Частоту коливань визначають вищі гармоніки напруги, які близькі до основної;

* результати спектрального аналізу кривих напруги АГ з ШІМ при незмінній несучій частоті та різних коефіцієнтах модуляції дозволили обґрунтувати доцільність використання таких генераторів для отримання напруги, в якій зменшені по амплітуді або зовсім відсутні вищі гармоніки, близькі до першої;

* теоретично та експериментально обґрунтована можливість одержання у трифазних АГ з несиметричним ВЗ однофазної напруги, близької до синусоїдної, та створення на їх основі однофазних генераторів. Коефіцієнт несинусоїдності напруги робочої фази обмотки, яка з'єднана у зірку, не перевищує 0,05 при максимально можливому навантаженні 0,43РN та напрузі на затискачах ВП, в якій відсутні парні гармоніки та гармоніки кратні трьом;

* з'ясовано, що для забезпечення надійного початкового збудження АГ від ЕРС залишкового потоку, попередньо зарядженого конденсатора та додаткового джерела енергії у колі постійного струму ВП при змінній частоті обертання збудження доцільно проводити при фіксованому від'ємному ковзанні. Встановлено, що збудження АГ з ВЗ від попередньо зарядженого конденсатора та додаткового джерела енергії найбільш доцільно проводити відповідно при початкових фіксованих від'ємних ковзаннях |s| = |sN| та |s| < | 0,35… 0,4 sN| ;

* сформульовано необхідні та достатні умови самозбудження АГ з ВЗ від ЕРС залишкового потоку. Ці умови визначають значення оптимальних фіксованих ковзань, які не перевищують по модулю 0,25... 0,35sN, при значеннях залишкової намагніченості ротора, характерних для АМ, достатніх провідності контурів самозбудження та часу, необхідному для самозбудження, при відповідних структурі силового кола ВП та алгоритму переключення його вентилів. Досліджено вплив параметрів АГ на динаміку самозбудження, що дозволило встановити неоднозначну залежність часу самозбудження від величини опору ротора та його незалежність від ступеня насичення магнітного кола генератора;

* показано можливість використання в АГ з ВЄЗ частотного принципу регулювання напруги. З'ясовано, що при такому регулюванні, для того щоб уникнути перевантаження по струму вентилів під час початкового збудження АГ, імпульси управління на ВП необхідно подавати у момент збігання по фазі напруг АГ і ВП після ємнісного самозбудження генератора. При однакових частоті обертання і навантаженні ККД генератора з ВЄЗ більший ККД генератора з ВЗ аналогічної потужності (в залежності від величини навантаження і значення ємності БК - на 1...5%). Визначено, що для отримання напруги, коефіцієнт несинусоїдності якої не перевищує 0,05, вентильна частина СЗ триобмоткового АГ з різним з'єднанням статорних обмоток та звичайного генератора повинна генерувати 5...10% реактивної потужності, яка споживається електричною машиною;

* показано, що звичайні та триобмоткові АГ з ВЗ і ВЄЗ зі зворотними зв'язками по частоті обертання, напрузі та струму навантаження мають ККД не нижчий за ККД синхронних генераторів аналогічної потужності. При однакових значеннях перехідних відхилень напруги при накиді-скиді навантаження у СГ і АГ час відновлювання напруги в останніх на порядок менший. У генераторах забезпечується висока статична перевантаженість у діапазоні частот обертання, який перевищує 1:2. Відхилення напруги від номінальних значень менше 2% при номінальному навантаженні у діапазоні частот обертання 1:2;

* науково обгрунтовано доцільність використання трифазних АГ зі з'єднанням статорної обмотки у трикутник та несиметричним ВЄЗ в якості однофазних генераторів. Встановлено, що коефіцієнт несинусоїдності напруги (кн) робочої фази не перевищує 0,05, а коефіцієнт використання габариту машини - не менше 0,7, при допустимих втратах та несиметрії струмів, за умови включення БК, яка вибрана з умов початкового ємнісного самозбудження, на робочу фазу, ВП, кн напруги якого не перевищує 0,31... 0,33 - на відстаючу, дроселя з індуктивністю 0,1... 0,25 в.о. - між АГ та ВП.

6. Теоретичні та експериментальні дослідження АГ з ВЄЗ на основі КВ виявили, що такий генератор має більш жорсткі зовнішні характеристики у порівнянні з АГ, в якому використовується некерований випрямляч. Встановлено, що при зміні кутів управління КВ у діапазоні -20... -30? відхилення напруги від номінального значення не перевищує 5...8% при зміні навантаження від холостого ходу до номінального.

7. Розроблено базові схемотехнічні рішення АГ з ВЗ і ВЄЗ, в яких використовуються такі нові технічні ідеї., як збудження при фіксованому від'ємному ковзанні, вентильно-ємнісне збудження при частотному регулюванні напруги, несиметричні ВЗ і ВЄЗ, застосовуються принцип ШІМ вихідної напруги, кодо-імпульсна обробка інформації, полюсоперемикаючі обмотки, різне з'єднання двох статорних обмоток. Схеми АГ забезпечують надійне початкове збудження при змінній частоті обертання, генерування енергії, якість якої задовольняє споживачів, роботу у діапазоні частот обертання, який перевищує 1:2, розвантаження вентилів С3 від струму у робочих режимах.

8. Проведено порівняльний аналіз автономних багатопостових ДЖЗД і показано доцільність їх побудови на основі АГ. Запропоновано та досліджено нові схемотехнічні рішення ДЖЗД на основі АГ. Експериментально обґрунтовано можливість використання АГ з некерованим збудженням, але з визначеною ступінню насичення магнітного кола (км = 2,0... 2,3) в автономних багатопостових ДЖЗД, які виконані з некерованим випрямлячем та високочастотним інвертором, який забезпечує роботу зварювальних постів з необхідною якістю робочих характеристик без суттєвого впливу один на одного (вплив постів не перевищує 5%).

9. Розглянуто питання визначення розрахункової потужності, вибору головних розмірів та параметрів електричної машини, силових вентилів, параметрів імпульсів управління ВП при проектуванні звичайних АГ з ВЗ, триобмоткових АГ з ВЗ і ВЄЗ та деяких інших модифікацій генераторів.

При цьому для визначення розрахункової потужності звичайного АГ при навантаженні змінної та постійної напруги, для вибору вентилів СЗ запропоновано залежності, які мають відповідні коефіцієнти, характерні для генераторів такого типу. Запропоновано підхід до визначення номінального струму та розрахункової потужності обмотки з ВП триобмоткового АГ з ВЗ (ВП замінюється БК). Відомі методики проектування АМ, доповнені рекомендаціями, розрахунковими співвідношеннями та дослідними даними, які відбивають особливості проектування АГ з ВЗ і ВЄЗ, дозволяють проектувати останні з необхідними характеристиками у робочих режимах.

10. Результати досліджень та розробок використано на Дослідно-експериментальному заводі №20 Цивільної авіації (м. Київ), у ПДІ ЗІТ “Нафтогазбудізоляція” (м. Київ), в АНТК ім. Антонова (м. Київ). У 2001 - 2002 р.р. передбачається провести впровадження ДЖЗД на основі АГ.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Лищенко А.И., Мазуренко Л.И.Уравнения трехобмоточного асинхронного генератора с емкостным возбуждением в фазных координатах статора // Техн. электродинамика. - 1995. - №5. - С.40 - 45.

2. Лищенко А.И., Мазуренко Л.И., Елизаренко И.М., Джура А.В. Асинхронные вентильные генераторы для энергоустановок транспортных объектов // Техн. электродинамика. - 1996. - №3. - С.44 - 48.

3. Лищенко А.И., Мазуренко Л.И., Елизаренко И.М., Джура А.В. Вентильно-емкостное возбуждение автономных асинхронных генераторов // Техн. электродинамика. - 1996. - №6. - С.45 - 49.

4. Лищенко А.И., Мазуренко Л.И. Математическое моделирование асинхронных генераторов с вентильным возбуждением в фазных координатах статора // Техн. электродинамика. - 1997. - №6. - С.31 - 36.

5. Мазуренко Л.И. Асинхронные генераторы с возбуждением от вентильных преобразователей в цепях статора // Техн. электродинамика. - 1998. - №4. - С.66 - 70.

6. Лищенко А.И., Мазуренко Л.И. Общие принципы разработки математических моделей машинно-вентильных систем автономных энергоустановок // Техн. электродинамика.- Спец. выпуск 2. - 1998. - Том 2. - С.129 - 132.

7. Лищенко А.И., Мазуренко Л.И. Методика расчета рабочих характеристик асинхронного генератора с вентильным возбуждением по схемам замещения // Техн. електродинаміка. - 1999. - №2. - С.28 - 32.

8. Мазуренко Л.И. Анализ электромагнитных процессов при самовозбуждении асинхронного вентильного генератора // Техн. електродинаміка. - 1999. - №4. - С.57 - 60.

9. Лісник В.Я., Мазуренко Л.І. Характеристики та еквівалентні параметри компенсаційного випрямляча в блоці з асинхронним генератором // Новини енергетики. - 1999. - №10. - С.46 - 49.

10. Ліщенко А.І., Лісник В.Я., Мазуренко Л.І. Ефективні способи поліпшення гармонічного складу напруги асинхронних генераторів з вентильними системами збудження // Новини енергетики. - 1999. - №12. - С.42 - 45.

11. Лищенко А.И., Лесник В.А.., Мазуренко Л.И., Джура А.В. Асинхронный вентильный генератор с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения // Техн. електродинаміка. - Тематичний випуск. Моделювання електронних, енергетичних та технологічних систем. - 1999. - Частина 2. - С.13 - 17.

12. Мазуренко Л.И. Законы управления асинхронным вентильным генератором при самовозбуждении // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України. Електроенергетика.- К.: Ін-т електродинаміки НАН України. - 1999. - С.103 - 111.

13. Мазуренко Л.И. Полюсопереключаемый асинхронный вентильный генератор // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України. Електротехніка. - К.: Ін-т електродинаміки НАН України. - 1999. - С.105 - 111.

14. Мазуренко Л.И. Электромагнитные процессы в асинхронном генераторе с вентильным возбуждением // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України. - К.: Ін-т електродинаміки НАН України. - 1999. - Вип.1. - С.88 - 96.

15. Мазуренко Л.И. Анализ переходных процессов возбуждения асинхронного вентильного генератора с аккумуляторной батареей // Техн. електродинаміка. - 2000. - №1. - С.49 - 52.

16. Лісник В.Я., Мазуренко Л.І. Автономні генератори з поліпшеними показниками якості енергії у перехідних режимах // Новини енергетики. - 2000. - №1 - 2 . - С.46 - 49.

17. Лесник В.А., Мазуренко Л.И., Джура А.В. Однофазный режим работы трехфазных асинхронных генераторов с несимметричным возбуждением // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України. Електроенергетика - К.: Ін-т електродинаміки НАН України. - 2000. - С.134 - 141.

18. Шидловский А.К., Лищенко А.И. Резцов В.Ф., Мазуренко Л.И. Проблемы преобразования энергии ветроэнергетических установок // Техн. электродинамика. - 1993. - №3. - С.41 - 45.

19. Мазуренко Л.И., Елизаренко И.М., Джура А.В. Система емкостного возбуждения асинхронного генератора малой мощности // Регулируемые асинхронные двигатели. - К.: Ин-т электродинамики НАН Украины. - 1997. - С.164 - 170.

20. Лищенко А.И., Лесник В.А., Мазуренко Л.И. Автономные источники питания сварочной дуги с асинхронными генераторами // Техн. електродинаміка. - 1999. - №6. - С.51 - 55.

21. Лесник В.А., Мазуренко Л.И. Многопостовые источники питания сварочной дуги на основе асинхронных генераторов // Техн. електродинаміка. - Тематичний випуск. Проблеми сучасної електромеханіки. - 2000. - Частина 2. - С.76 - 82.

22. Лесник В.А., Мазуренко Л.И. Особенности проектирования асинхронных генераторов с вентильным возбуждением // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України. Електродинаміка. - К.: Ін-т електродинаміки НАН України. - 2000. - С.103 - 111.

23. Мазуренко Л.И. Определение состояния полупроводниковых элементов преобразователя асинхронного генератора с вентильным возбуждением // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України. Енергоефективність. - К.: Ін-т електродинаміки НАН України. - 2000. - С.18 - 25.

АНОТАЦІЇ

Мазуренко Л.І. Асинхронні генератори з вентильним та вентильно-ємнісним збудженням для автономних енергоустановок.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.01 - електричні машини і апарати. - Інститут електродинаміки НАН України, м. Київ, 2001.

Дисертація присвячена розробці математичних моделей, методик, алгоритмів та комп'ютерних програм як методу аналізу електромагнітних процесів і розрахунку робочих характеристик, дослідженню квазістаціонарних і динамічних режимів, розробці схемних рішень та рекомендацій по проектуванню асинхронних генераторів з вентильним та вентильно-ємнісним збудженням (АГ з ВЗ і ВЄЗ). Розроблений метод, фізичне моделювання АГ з ВЗ і ВЄЗ (перетворювач АГ виконано по схемі автономного інвертора напруги) дозволили провести широке дослідження їх режимів і отримати нові наукові і практичні результати: з'ясовані особливості процесів електромеханічного перетворення енергії в АГ; обгрунтована можливість одержання в АГ з ВЗ синусоїдної напруги, доцільність використання АГ з широтно-імпульсною модуляцією напруги і АГ зі з'єднанням статорної обмотки у трикутник та несиметричним ВЄЗ; визначено доцільні фіксовані від'ємні ковзання для проведення збудження АГ з ВЗ; сформульовано необхідні та достатні умови самозбудження АГ з ВЗ від залишкової ЕРС; визначено умови одержання синусоїдної напруги в АГ з ВЄЗ. Наведено теоретичні результати дослідження АГ з ВЄЗ на основі компенсаційного випрямляча. Розроблено базові схемотехнічні рішення АГ з ВЗ і ВЄЗ та джерел живлення зварювальної дуги на основі АГ. Розвинуто системний підхід до проектування АГ. Основні результати роботи використано при розробці генераторів автономних енергоустановок.

Ключові слова: автономний асинхронний генератор, вентильне та вентильно-ємнісне збудження, дослідження, схеми, проектування.

Mazurenko L.I. Induction generators with rectifier and rectifier-capacitor excitation for autonomous power plants. - Manuscript.

Thesis for obtaining a degree of Doctor of Technical Sciences in speciality - 05.09.01 - electric machines and apparatuses. - Institute of Electrodynamics of the NAS of Ukraine, Kyiv, 2001.

The thesis is devoted to the development of mathematical models, techniques, algorithms and computer programs as methods for analysing electromagnetic processes and calculating operating characteristics, investigating quasi-steady and dynamic conditions, developing circuit designs and recommendations for designing of induction generators with rectifier and rectifier-capacitor excitation (IGs with RE and RCE). The method developed and the physical modelling of IGs with RE and RCE (the converter of IG is an autonomous voltage inverter) enabled to carry out a wide study of their conditions and obtain new scientific and practical results: peculiarities of processes of electromechanical energy conversion in IGs are found out; a possibility of obtaining sinusoidal voltage in IG with RE and expedience of using IG with pulse-width modulation of voltage and IG with a “triangle” connection of the stator winding and asymmetrical RCE are substantiated; expedient fixed negative slips for carrying out excitation in IG with RE are determined; necessary and sufficient conditions for self-excitation of IG with RE from residual e.m.f. are formulated; conditions for obtaining sinusoidal voltage in IG with RCE are determined. The theoretical investigation results in IG with RCE based on a compensatory rectifier are presented. The base circuit designs of IG with RE and RCE and arc welding power sources based on IG are developed. A system approach to designing of IG is developed. The fundamental results of the thesis have been used when developing generators for autonomous power plants.

Key words: autonomous induction generator, rectifier and rectifier-capacitor excitation, study, circuit designs, designing.

Мазуренко Л.И. Асинхронные генераторы с вентильным и вентильно-емкостным возбуждением для автономных энергоустановок.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.01 - электрические машины и аппараты. - Институт электродинамики НАН Украины, г. Киев, 2001.

Диссертация посвящена разработке математических моделей, методик, алгоритмов и компьютерных программ как метода анализа электромагнитных процессов и расчета рабочих характеристик, исследованию квазиустановившихся и динамических режимов, разработке схемотехнических решений и рекомендаций по проектированию автономных асинхронных генераторов с вентильным и вентильно-емкостным возбуждением (АГ с ВВ и ВЕВ) с улучшенными рабочими и переходными характеристиками.

Предложена классификация АГ с вентильными преобразователями (АГ с ВП) в цепях статора. Проведен анализ известных технических решений, методов математического моделирования, математических моделей и научных работ по исследованию АГ с ВВ и ВЕВ.

Разработаны новые математические модели для расчета режимов АГ с одной и двумя статорными обмотками (обычные и трехобмоточные АГ) в фазных и смешанных системах координат, которые являются общими для АГ с ВВ и ВЕВ. Они ориентированы на расчет режимов АГ с частотным и фазовым регулированием напряжения, с однократным и многократным переключением вентилей систем возбуждения (СВ). В моделях используются новые выражения для объединения структурных элементов АГ, учета насыщения и определения модулей токов, напряжений, потокосцеплений генератора, получил развитие метод определения состояния вентилей, который базируется на представлении параллельных управляемого элемента и диода одним двухполюсником. Разработаны алгоритм и комплекс программ для расчета режимов АГ.

Разработана методика расчета рабочих характеристик АГ с ВВ при нагрузке на зажимах постоянного и переменного напряжений. В ее основу положены предложенные схемы замещения АГ с ВВ и полученные из них выражения для определения баланса активной мощности, суммарной активной проводимости нагрузки и ВП, уравнение, устанавливающее связь между ЭДС и напряжением генератора. Одна из предложенных схем замещения позволила получить уравнение для определения границ области самовозбуждения АГ с ВВ в квазиустановившихся режимах.

Проведено широкое расчетное и экспериментальное исследование режимов работы АГ с ВВ и ВЕВ (ВП выполнен по схеме автономного инвертора напряжения). Установлены особенности протекания процессов электромеханического преобразования энергии в АГ с ВВ и ВЕВ. При алгоритмах многократного переключения вентилей ВП изучены электромагнитные процессы в АГ с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) напряжения по синусоидальному закону и показана целесообразность использования таких генераторов в автономных энергоустановках. Научно обоснована возможность создания на основе трехфазных АГ с несимметричным ВВ однофазных генераторов с синусоидальным напряжением. Проведен анализ режимов работы СВ. Получены новые результаты исследования влияния конденсатора ВП на электромагнитные процессы АГ. Проанализированы рабочие характеристики трехобмоточного АГ при изменении частоты вращения и нагрузки.

Осуществлен новый подход к обеспечению начального возбуждения АГ с ВВ, реализуемый при фиксированном отрицательном скольжении, и проведен анализ переходных процессов возбуждения с различными способами создания начального запаса электромагнитной энергии в генераторе. Установлены особенности физических явлений, характер изменения токов и напряжений, значения целесообразных скольжений при возбуждении. Сформулированы необходимые и достаточные условия самовозбуждения АГ с ВВ от ЭДС остаточного потока, уточнены известные результаты исследования влияния параметров АГ на динамику процесса самовозбуждения.

Предложено использовать в АГ с ВЕВ частотный принцип регулирования напряжения. В трехобмоточном АГ с симметричным ВЕВ и таким принципом регулирования исследованы динамические и квазиустановившиеся режимы.

Выполнено исследование трехфазного АГ с несимметричным ВЕВ. Разработаны рекомендации по включению вентильной и емкостной частей СВ на фазы статорной обмотки, соединенной в треугольник, по выбору параметров СВ, обеспечивающие максимальное использование габарита машины и синусоидальную форму напряжения на рабочей фазе.

Проведен теоретический анализ компенсационного выпрямителя (КВ) АГ с ВЕВ. Получены выражения для определения его параметров, которые используются в схеме замещения АГ. Установлен диапазон оптимальных углов управления КВ.

Разработаны базовые схемотехнические решения АГ с ВВ и ВЕВ, которые обеспечивают надежное возбуждение, приемлемое качество электроэнергии и работу генераторов в широком диапазоне частот вращения, а также многопостовых источников питания сварочной дуги на основе АГ, позволяющие получить необходимое качество рабочих характеристик сварочных постов.