CC BY
4
УДК 621.313.33:62-83-52
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО НАГРУЖЕНИЯ РЕЗЕРВНЫХ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОВ НА ОСНОВЕ СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
М. Н. ПОГУЛЯЕВ
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого», Республика Беларусь
Предложена схема устройства нагружения резервных синхронных электрогенераторов, выполненного с использованием статических преобразователей. Показано, что такое устройство в отличие от известных является энергосберегающим и позволяет регулировать коэффициент мощности и величину нагрузки генератора. Численным моделированием установлены диапазоны регулирования коэффициента мощности (0,5-0,9) и уровня нагрузки 10-110 % от номинальной мощности электрогенератора.
Ключевые слова: устройство нагружения, резервный электрогенератор, управляемый выпрямитель, ведомый инвертор, тиристорный преобразователь.
ENERGY SAVING DEVICE
LOADING OF BACKUP ELECTRIC GENERATORS BASED ON STATIC CONVERTERS
M. N. POGULYAEV
Educational institution "Sukhoi State Technical University of Gomel", the Republic of Belarus
The present invention proposes a loading device for backup synchronous electric generators using static converters. It has been shown that such a device, unlike the known ones, is energy-saving and allows adjusting the power factor and the magnitude of the generator load. Numerical modeling sets ranges ofpower factor control (0.5-0.9) and load level of 10-110 % of rated power of electric generator.
Keywords: loading device, backup electric generator, controlled rectifier, driven inverter, thyristor converter.
Введение
Зависимость современного мира от электроэнергии настолько велика, что даже незначительные перебои с ее обеспечением от систем энергоснабжения могут привести к большим потерям на производстве, выходу из строя технологического оборудования, социальным потрясениям и даже привести к человеческим жертвам. Избежать таких последствий позволяет электропитание наиболее ответственных потребителей от резервных электрогенераторов (РЭГ). Такие генераторы длительно находятся в холодном резерве, и поэтому должны периодически подвергаться испытаниям под нагрузкой с целью определения основных технических характеристик, выявления технических неисправностей и проведения их наладки.
Требования к проведению таких испытаний определяются соответствующими ГОСТами [1] и техническими условиями эксплуатации РЭГ. Испытания проводятся как в установившихся, так и в переходных режимах работы в виде сброса-наброса нагрузки. На практике испытания под нагрузкой в настоящее время проводятс в основном двумя способами [2], [3]:
- нагружение на параллельную работу РЭГ с сетью;
- нагружение РЭГ на специальное нагрузочное устройство.
Прямое подключение генератора к сети хотя и обеспечивает энергосберегающий режим работы, но с точки зрения диагностики не всегда эффективно, поскольку в этом случае можно получить только статические £/-образные и угловые характеристики и по ним лишь косвенно оценивать работу систем управления и функционирование элементов резервного электрогенератора. При этом для получения £/-образных характеристик необходимо вмешательство в систему управления генератора и приводного двигателя, что не всегда возможно (многие производители не допускают такое вмешательство). Кроме того, сеть в сравнении с испытуемым генератором является источником большой мощности с постоянными параметрами напряжения и частоты. В этом случае указанные параметры генератора также будут неизменны, что не позволяет оценить качество функционирования систем стабилизации в динамических режимах.
Во втором случае к выходу РЭГ подключается нагрузочное устройство модульного типа с набором резистивных и реактивных элементов, выполненных на определенную мощность. Данные нагрузочные устройства энергозатратны. Вся выработанная в процессе испытания активная энергия преобразуется в тепло на резисторах и рассеивается в окружающем пространстве.
Таким образом, перечисленные способы нагружения РЭГ имеют серьезные недостатки, и в связи с этим актуальной задачей становится поиск новых решений в этом направлении.
Целью работы является разработка энергосберегающего устройства нагружения резервных электрогенераторов на основе статических преобразователей, позволяющего регулировать нагрузку как по величине, так и по характеру.
Основная часть
Резервные электрогенераторные установки построены в основном по схеме: приводной бензиновый или дизельный двигатель внутреннего сгорания, синхронный электрогенератор и система управления. Согласно требованиям стандартов и технических условий устройство нагружения (УН) должно создавать нагрузку в пределах от 10 до 110 % номинальной мощности генератора при номинальном коэффициенте мощности 0,8 [1], а также обеспечивать возможность его регулирования в диапозоне 0,5-0,9. Исходя из данных требований, а также необходимости рекуперации вырабатываемой в процессе испытаний электроэнергии в сеть, предложено устройство на-гружения резервных электрогенераторов на основе статических преобразователей (рис. 1). При исследовании и анализе работы нагружающего устройства использовались методы теории электрических цепей, электрических машин, преобразовательной техники, имитационное моделирование.
Устройство нагружения (рис. 1) представляет собой выпрямительно-инверторный агрегат. В его состав входят управляемый выпрямитель, присоединенный к обмоткам статора испытуемого синхронного электрогенератора, ведомый сетью инвертор, подключенный к сети через согласующий трансформатор. Для сглаживания пульсаций напряжения и тока применен сглаживающий фильтр. Управление преобразователями осуществляется системой управления выпрямителем и системой управления ведомым инвертором.
Рис. 1. Функциональная схема устройства нагружения на основе статических преобразователей: РЭГ - резервный электрогенератор; ДВС - двигатель внутреннего сгорания; СГ- синхронный генератор; УВ - управляемый выпрямитель; ВИ - ведомый инвертор; ЬС - сглаживающий фильтр; Т - согласующий трансформатор; СУ УВ - система управления выпрямителем; СУ ВИ - система управления ведомым инвертором
Управляемый выпрямитель и ведомый инвертор представляют собой трехфазные тиристорные преобразователи (ТП), выполненные по мостовым схемам. Главным достоинством тиристорных преобразователей является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия.
Управляемый выпрямитель преобразует входное синусоидальное напряжение генератора в регулируемое постоянное, а ведомый инвертор затем вновь преобразует в переменное. Использование ведомого инвертора позволяет передавать энергию из цепи постоянного тока в промышленную сеть, т. е. обеспечить рекуперацию электроэнергии, вырабатываемой генератором в процессе испытаний.
Сглаживающий реактор в цепи постоянного тока преобразователя сглаживает пульсации выпрямленного тока, уменьшает зону прерывистых токов и ограничивает скорость нарастания аварийного тока через тиристоры при коротком замыкании на стороне выпрямленного тока.
Принцип действия устройства нагружения основан на особенностях работы ти-ристорных преобразователей.
Известно, что в ТП первая гармоника тока /1(1) отстает по фазе от напряжения на угол ф1 [4]:
Ф =а1 +y, (1)
где а1 - угол управления тиристоров УВ; у1 - угол коммутации [4]:
у1 = агссоБ
( 2 X г I, Л
соБ а,--р^-
V ^ 0
(2)
где Хг - индуктивное сопротивление генератора в режиме коммутации; 1а - выпрямленный ток; иг - выходное линейное напряжение генератора [5]:
Xг » 0,25 (зХ„ + Х9),
где Xй, Х"ч - сверхпереходные индуктивные сопротивления обмотки статора.
Выходное напряжение генератора системой управления РЭГ, как правило, стабилизируется и поддерживается на уровне номинального значения.
При работе на управляемый выпрямитель коэффициент мощности нагрузки генератора Км, согласно формуле (1), будет приблизительно равен:
При увеличении угла регулирования a1 первая гармоническая составляющая тока все более отстает по фазе от напряжения генератора, вследствие чего возрастает размагничивающее действие реакции якоря, что соответствует работе генератора на реальную активно-индуктивную нагрузку.
Ориентировочно, оценим диапазон регулирования коэффициента мощности. При номинальных токах нагрузки угол коммутации обычно не превышает 18-20°, а угол управления для уменьшения пульсаций и содержания высших гармонических составляющих ограничим на уровне 50°. Тогда минимальное значение коэффициента мощности составит:
Максимальное значение коэффициента мощности при минимальном угле управления 15° будет равно
Таким образом, изменяя угол управления а1 первого преобразователя в пределах от 15 до 50°, диапазон регулирования коэффициента мощности составит 0,5-0,9.
Принцип регулирования тока нагрузки основан на введении в контур протекания тока источника напряжения, создаваемого ведомым инвертором иаВИ, и действующего встречно выпрямленному напряжению генератора ил УВ (рис. 2).
(3)
УВ
-^др Ij Хдр
—1_¿Lrw-\
ВИ - h
/г
-Иг
Рис. 2. Схема замещения силовой части энергосберегающего устройства нагружения
Напряжение на выходе управляемого выпрямителя без учета прямого падения напряжения на открытых тиристорах [4]:
Ud УВ = kcxUr cos a!-{^X + R , (4)
где kсх - схемный коэффициент преобразователя; p - пульсность преобразователя;
Rr - активное сопротивление обмотки фазы синхронного генератора. Напряжение, формируемое ведомым инвертором [4]:
(pL { 2p
Ud ВИ = kCxU2 cos в 2 +1 ^ + R2T I Id, (5)
где р2 = п - а 2 - угол опережения тиристоров ВИ; а 2 - угол управления тиристоров ВИ; Х2т, Ъ2т - индуктивное и активное сопротивления трансформатора, приведенные к вторичной стороне.
Среднее значение выпрямленного тока определяется разностью напряжений ийУВ - ийВИ и активным сопротивлением дросселя Ъдр (рис. 2):
т ил УВ - ил ВИ ил УВ - ^сх2и2 С°8 Р 2 ,
=-Ъ-=-РX— • (6)
^ Ъдр + Ът + ^
Действующее значение тока генератора 1г и среднее значение выпрямленного тока связаны между собой зависимостью
1г = к11а, (7)
где к - схемный коэффициент по току. В частности, для трехфазной мостовой схемы [4]:
1' = Л1'■
Уравнения (6) и (7) показывают, что ток нагрузки генератора можно задавать углом опережения р2. Из выражения (4) видно, что при регулировании коэффициента мощности (угла управления а1) напряжение ил УВ изменяется, и для поддержания
значения тока нагрузки постоянным следует соответствующим образом изменять угол опережения р2 с тем, чтобы разность напряжений в числителе выражения (6) оставалась неизменной. В устройстве нагружения эту функцию выполняет система управления инвертором СУ ВИ.
При регулировании тока нагрузки, как следует из формулы (2), будет изменяться угол коммутации у1, и для поддержания коэффициента мощности неизменным необходимо изменять угол управления а1. В УН эту функцию выполняет система управления выпрямителем СУ УВ.
Для верификации предложенной схемной реализации УН было применено имитационное моделирование в программной среде МаШЬ с использованием пакетов расширения SimPowerSystems и БтиНпк [6]. С помощью имитационной модели (рис. 3) было проведено численное моделирование работы устройства нагружения с трехфазным синхронным генератором с параметрами: £ном = 8,1 кВА; ином = 400 В; ^фном = 0,8; Ином = 1500 об/мин; /ном = 50 Гц.
0.8
Задание коэффиц. мощное™
Угол управления выпрямителем
Continuous
Система powergui
регулирования Км
1.0
Скорость W
ü Г
ивоэб
Зад. Ucr [гзо|
Задание
AVabc labe В а
alpha Имп.1
Block
Имп.д
abc
СИФУ1
V-I Measurement!
Регулятор Увозб
RMS +
Измеритель Км.сг, Scr, Per, Qcr
cos fier ia.cr
Per Ua.cr
Ua2 J
lacr(t)
Uacr(t)
1)фаз.сг1
Задание Ток СГ т<жа cr
alpha
Угол управления инвертором
g
ь 7 \
Л
Система регулирования током генератора
Rflp Up
Id Meani
¡d(t)
i-Q
1
T
ш
ud(t)
Mean2 Ud
alpha
g
' N / А \ „
Л г С
b-c
P2,Q2 labe
THD
THDÍ4 Ku.seti
RMS
RMS11 Use«
Измеритель 2 S2
Km2, S2, P2, Q2
А
Ь ^ г с
г
Yn n2 Yn N
г
Ua Useti(t)
Ö
V-I Measurement?
Iseti(t)
THDÍ3 Ki.sei
RMS10 iseti
1 Ö
Рис. 3. Имитационная модель устройства нагружения на тиристорных преобразователях
Представленная имитационная модель позволяет производить исследование статических и динамических режимов работы устройства нагружения, анализировать параметры токов, напряжений, осуществлять визуализацию результатов, снимать и строить необходимые характеристики. В ее состав (рис. 3) входят следующие основные блоки: синхронный генератор SG, полупроводниковые преобразователи И21 и И22, системы импульсно-фазового управления СИФУ1 и СИФУ2, согласующий трансформатор, системы регулирования коэффициента мощности и тока нагрузки генератора, а также необходимые задающие и измерительные элементы.
Более подробное описание имитационной модели и анализ всех полученных результатов выходят за рамки данной статьи, и будут представлены в последующих работах. Здесь же укажем, что проведенные на модели исследования подтверждают работоспособность предложенной схемной реализации УН. В частности, были получены зависимости коэффициента мощности Км от угла управления первым преобразователем и тока нагрузки генератора от угла опережения второго преобразователя. Установлено, что, изменяя угол управления в пределах 12-60°, можно задавать коэффициент мощности в диапазоне 0,5-0,9, а изменяя угол опережения в диапазоне 20-75°, можно задавать ток нагрузки генератора в пределах 0,1-1,1 номинального значения. Также мы установили, что при номинальных значениях коэффициента мощности и тока нагрузки в сеть возвращается до 82 % электроэнергии, вырабатываемой генератором в процессе испытаний. Таким образом, численным моделированием подтверждается правильность предварительно сделанных расчетов и выводов.
Единственный недостаток предложенного УН на основе тиристорных преобразователях состоит в том, что его выходной ток имеет практически прямоугольную форму, т. е. является источником высших гармоник. Наличие высших гармоник тока может приводить к искажению питающего синусоидального напряжения. При достаточно мощной сети эти искажения будут незначительными. При соизмеримых мощностях сети и испытуемого генератора для уменьшения влияния высших гармоник требуется применение фильтрокомпенсирующих устройств.
Заключение
Проведенные исследования устройства нагружения на основе тиристорных преобразователей показали, что его можно успешно применять для испытания резервных электрогенераторов под нагрузкой, также оно позволяет:
- обеспечить номинальный коэффициент мощности генератора, равный 0,8, с возможностью бесступенчатого регулирования в пределах 0,5-0,9;
- устанавливать ток нагрузки в пределах от 10 до 110 % номинальной мощности генератора;
- функционировать в энергосберегающем режиме (около 75-85 % вырабатываемой в процессе испытаний энергии рекуперируется в сеть);
- проверять работу испытуемого генератора как в статических, так и динамических режимах.
Литература
1. ГОСТ Р53178-2008. Установки электрогенераторные с бензиновыми, дизельными и газовыми двигателями внутреннего сгорания. Методы испытаний. - Введ. 01.01.10. - М. : Стандартинформ, 2009. - 27 с.
2. Энергосберегающие электромеханические стенды для испытания дизельных генераторов / М. Н. Погуляев [и др.] // Чрезвычайные ситуации: образование и наука. - 2013. - Т. 8, № 4. - С. 106-110.
3. Энергоэффективные испытательные стенды / М. Н. Погуляев [и др.] // Энергоэффективность. - 2018. - № 9. - С. 26-30.
4. Попков, О. З. Основы преобразовательной техники : учеб. пособие для вузов / О. З. Попков. - М. : МЭИ, 2007. - 200 с.
5. Брускин, Д. Э. Электрические машины и микромашины : учеб. для электротехн. специальностей вузов / Д. Э. Брускин, А. Е. Зохорович, В. С. Хвостов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Высш. шк., 1990. - 528 с.
6. Черных, И. В. Моделирование электротехнических устройств в МЛТЬЛВ, SimPowerSistems и Simulink / И. В. Черных. - М. : ДМК Пресс ; СПб. : Питер, 2008. - 288 с.
Получено 01.08.2022
