БЕСКОНТАКТНАЯ МАШИННО-ЭЛЕКТРОННАЯ ГЕНЕРИРУЮЩАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ И АКТИВНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Асинхронные машины (АМ), работающие в генераторном режиме – АГС, в настоящее время получают все возрастающие интерес и применение в автономных системах электроснабжения, ветроэнергетике, малых ГЭС [1÷10]. Этому способствуют не только свойство их самовозбуждения, и такие показатели, как простота конструкции, меньшая масса, бесконтактность и относительно низкая цена [1], но и новые достижения в области силовой электроники и преобразовательной техники.

Традиционно, для самовозбуждения АГС применяют батареи конденсаторов (рис.1). Первопричиной его самовозбуждения являются колебания, возникающие в системе с отрицательным сопротивлением на частотах, соответствующих балансу амплитуд и фаз реактивных и активных мощностей основной гармонической составляющей автоколебаний в нелинейной системе [2]. В большинстве случаев для самовозбуждения АГС не требуется внешнее энергетическое воздействие на колебательный контур с такой физической природой. С целью обратить внимание на эту особенность такой режим самовозбуждения в [2] получил название мягкого. АГС редко применяются непосредственно для получения переменного тока, так как при изменении нагрузки генератора в некоторых пределах изменяется частота выходного напряжения из-за изменения скольжения АМ. Поэтому АГС чаще всего применяются или в качестве вентильных генераторов постоянного тока (рис.2а,б), или совместно с преобразователем частоты, выполняемым, например, в виде структуры по рис.2, дополненной инвертором напряжения с выходным фильтром [6]. Учитывая возможную многовариантность реализации таких генерирующих структур с целью их обобщения и разграничения, АГС первого типа целесообразно обозначать как машинно-электронные генерирующие системы первого типа – МЭГС-1, а АГС второго типа – как МЭГС-2. Применение автономных АГС требует решения проблемы стабилизации выходного напряжения, которое изменяется с изменением нагрузки и частоты вращения вала. Для ее решения применяют различные схемы регулирования емкости системы возбуждения, например, переключаемые батареи конденсаторов, конденсаторы переменной емкости (вариконды), компаундное включение конденсаторов. Используются также схемы возбуждения с тиристорно-конденсаторными и тиристорно-реакторными группами.

Перспективным для возбуждения АМ является использование активных выпрямителей – АВ, представляющих собой, по существу, инверторные схемы, которые, как известно, могут работать не только в традиционном инверторном режиме, но и при соответствующем управлении в

Рис. 2. Варианты использования АМ в режиме вентильного генератора: а) – с конденсаторным самовозбуждением; б) – с применением трехфазного активного выпрямителя – ТАВ, L_a, L_b, L_c сопрягающие индуктивности.

обращенном режиме – выпрямления, управляемого реактивного сопротивления и в комбинированных режимах [7÷9].

В технической литературе мало уделено внимания рассмотрению физических процессов в МЭГС-1 на базе ТАВ и модельному описанию взаимосвязей между их управляющими воздействиями и теми параметрами, которые при возмущающих воздействиях требуется поддерживать неизменными. Такое положение объясняется достаточной сложностью процессов в таких системах и трудностями их модельного описания в виде, приемлемом для инженерной практики. Это может быть одной из первопричин, сдерживающих более широкое их применение. Решить с приемлемой точностью эту проблему применительно только к ТАВ удалось в работах [7÷10] на основе использования метода основной гармоники.

Целью настоящей статьи является некоторое обобщение ранее полученных результатов и изложение некоторых осо
бенностей решения поставленной задачи в системе АГС на базе АМ и ТАВ.

Возможны два способа подключения АВ (в данном случае трехфазного АВ – ТАВ) в МЭГС-1:

1) параллельно с нагрузкой – в этом случае схема применяется в режиме управляемого реактивного (емкостного) сопротивления по схеме рис.2а (вместо конденсаторов);

2) последовательно с нагрузкой – здесь схема применяется в комбинированном активно-емкостном режиме и используется одновременно
как генератор реактивной мощности для возбуждения АМ и как выпрямитель с малым искажением формы кривой потребляемого активно-емкостного тока – рис.2б.

Второй вариант включения преобразователя (АВ) представляется наиболее перспективным, так как для возбуждения АГС, выпрямления и стабилизации напряжения используется одно общее устройство. В такой схеме через ТАВ проходит полная мощность АМ, что обуславливает повышенные требования к его энергетической эффективности.

АМ и ТАВ являются явно выраженными нелинейными системами, и исследование совместной их работы в составе МЭГС-1 аналитическими методами весьма трудоемко и мало эффективно. Данная задача решена здесь на основе использования имитационного компьютерного моделирования (ИКМ).

Для контроля адекватности результатов исследования и создания предпосылок к практической реализации МЭГС-1 было проведено исследование физических свойств ее двух силовых звеньев АМ и ТАВ порознь, а затем при совместной их работе. На этой основе получено информационно-методическое обеспечение, необходимое для практической реализации такой АГС. В [6÷9] найдены необходимые параметрические взаимосвязи между исходными, задаваемыми параметрами – U_d0, P_d0, параметрами АМ, ТАВ и параметрами управления (θ и μ – угол нагрузки и глубина модуляции – параметры регулирования противо-ЭДС ТАВ). В частности, в [7, 8] показано, что фазовый угол θ между алгоритмами переключения ключей ТАВ и напряжением АМ долженен определяться следующим образом:

где – амплитуда активной составляющей первой гармоники потребляемого от АМ тока; φ₁₍₁₎ – угол между основными гармониками фазовых напряжения U_1m и тока I_1(1)m АМ; I_1(1)am – активная составляющая этого тока; ω₁ – частота напряжения АМ, L – индуктивность сопрягающего дросселя индуктивности ТАВ – рис.2б.

На первом этапе исследования на основе ИКМ процессов в ТАВ в варианте питания его от сети переменного тока получены осциллограммы его работы (рис.3) и регулировочные характеристики (рис.4), которые подтвердили

правильность проектного замысла и найденных взаимосвязей, необходимых для проектирования.

На втором этапе исследования модель сети была заменена моделью АМ. При этом принципиальной особенностью модели АМ является учет нелинейности её магнитопровода [10], без чего не могло бы быть получено условие самовозбуждения, представленное на рис.1б. Результаты ИКМ приведены на рис.5. Искажения напряжения на зажимах АМ (нарис.5а) вызваны индуктивностями рассеяния ее якорных обмоток. Для их снижения к зажимам АМ подключались дополнительные конденсаторы небольшой емкости. Результаты ИКМ представлены на рис.6. Таким образом, для улучшения условий работы ЭМ (уменьшения искажений напряжения и тока и снижения потерь в ней) к ее якорной обмотке целесообразно подключать батарею конденсаторов постоянной небольшой емкости.

Выводы

1. Представлены результаты исследования перспективного варианта машинно-электронной генерирующей системы 1-го типа МЭГС-1 (с выходом постоянного тока), выполненной в виде бесконтактного трехфазного асинхронного генератора (АМ) с самовозбуждением (АГС) и трехфазного активного выпрямителя (ТАВ). ТАВ выполняет две функции: функцию управляемого компенсатора реактивной мощности и управляемого малоискажающего выпрямителя.

2. Сформирована имитационная компьютерная модель МЭГС-1 и на её основе получено информационно-методического обеспечение, создающее необходимые предпосылки для проектирования такого типа МЭГС-1 и практической её реализации.

3. Физическая непротиворечивость полученных на основе ИКМ результатов исследования (и их адекватность проектному замыслу) подтверждены методикой двухэтапного исследования звеньев системы – вначале порознь, а затем совместно с контролем результатов на каждом этапе по критерию энергетического баланса [10, 11].

Литература

1. Торопцев Н.Д. Асинхронные генераторы автономных систем. – М.: Знак, 1997.

2. Нетушил А.В. К расчету режима самовозбуждения автономного асинхронного генератора // Электричество №4, 1978 г. – С.52-54.

3. Bhim Singh, S.S. Murthy, Sushma Gupta. STATCOM-Based Voltage Regulator for Self-Excited Induction Generator Feeding Nonlinear Loads // IEEE trans. on Ind. Electronics, vol. 53, no. 5, oct. 2006, p. 1437-1451.

4. B. Venkatesa Perumal, J.K. Chatterjee. Analysis of a Self Excited Induction Generator with STATCOM/Battery Energy Storage System // Power India Conference. IEEE, 2006.

5. A. Sikorski, A. Kuźma. Cooperation of induction squirrel-cage generator with grid connected AC/DC/AC converter // Bulletin of the Polish Academy of sciences. Technical sciences. Vol. 57, No. 4, 2009, p. 317-322.

6. Виноградов А.Б., Изосимов Д.Б., Флоренцев С.Н., Коротков А.А. Управление станцией автономного электроснабжения в составе транспортного средства. Электричество №9, 2009. – С.49÷55.

7. Горякин Д.В., Мыцык Г.С. Функциональные свойства трехфазной мостовой инверторной схемы // Электричество №5, 2012 г. – М.: Знак. С.23-31.

8. Горякин Д.В., Мыцык Г.С. Вентильный генератор на базе асинхронной машины с управляемым самовозбуждением. Н\т-й сборник «Известия ВА РВСН им. Петра Великого», №251, 2012. – 758с., С.216÷224.

9. Горякин Д.В., Мыцык Г.С. Машинно-электронная генерирующая система для малой энергетики на базе асинхронной машины с самовозбуждением. Х Международная ежегодная конференция «Возобновляемая и малая энергетика 2013». Сборник трудов. – М.: Комитет ВИЭ Рос-СНИО. – С.102÷107.

10. Горякин Д.В. Исследование новых возможностей совершенствования машинно-электронных генерирующих систем для малой энергетики и автономных объектов. Автореферат дис.-и на соиск. уч.ст. к.т.н. – М: НИУ «МЭИ», 2013. – 20 с.

11. Мыцык Г.С. О структурировании процедуры проектирования новой техники и о контроле результатов проектирования на адекватность. Н-т/ журнал «Практическая силовая электроника», №4(52)/2013.– С.12÷16.