CC BY
2
Zagidullin Ramil Ravilevich, candidate of technical sciences, docent, leading researcher, [email protected]. Russia, Kazan, Kazan Federal University
УДК 62-523.2
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-4-390-391 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С УПРАВЛЕНИЕМ ПО ЦЕПИ РОТОРА
В.А. Соловьев, М.Е. Дубовик
Представлены результаты моделирования электропривода переменного тока на базе машины двойного питания с замкнутой обратной связью при управлении по каналу ротора. Приводится ряд наиболее перспективных областей, где могут быть использованы электроприводы данного типа. Раскрыты основные преимущества рассматриваемого электропривода и показаны особенности управления машиной двойного питания по каналу ротора. Предложены возможные способы расширения функциональных возможностей электропривода за счет использования нестандартных многофазных преобразователей переменного тока. Приведено математическое описание трансформатора с вращающимся магнитным полем, машины двойного питания, показан принцип работы многофазного преобразователя частоты. Приведена имитационная модель системы электропривода с замкнутой обратной связью. Представлена методика расчета параметров регулятора и обоснован выбор типа регулятора при скалярном способе управления. По полученным результатам моделирования проведен сравнительный анализ системы электропривода. Выявлены основные моменты и особенности регулирования скоростью электропривода на базе машины двойного питания при скалярном способе управления. По результатам исследования получены выводы о том, как влияет введение в роторную цепь преобразователя частоты с непосредственной связью на рабочие характеристики электропривода и какие преимущества дает данное техническое решение.
Ключевые слова: машина двойного питания, непосредственный преобразователь частоты, пропорционально-интегральный регулятор, трансформатор с вращающимся магнитным полем, скалярный способ управления.
Введение. В электроприводах с асинхронными двигателями небольшой мощности (до 100 кВт) и в электроприводах с повышенными требованиями к диапазону регулирования широко используются преобразователи частоты (ПЧ) с промежуточным звеном постоянного тока. Однако с увеличением мощности двигателя в целях экономии меди и уменьшениях массогабаритных показателей, такие двигатели изготавливают на высокое напряжение (от 6 кВ)[1]. Как следствие, в электроприводах на базе подобных двигателей, используются ПЧ высокого напряжения. В настоящий момент высоковольтные преобразователи частоты в основном конструируются по двухтрансфор-маторной схеме (понижающий трансформатор - низковольтный ПЧ - повышающий трансформатор)[2]. Некоторые высоковольтные ПЧ могут быть построены из нескольких таких каскадов. ПЧ, сконструированные по подобным схемам, обладают большими массогабаритными показателями по сравнению с низковольтными ПЧ и более высокой стоимостью.
Альтернативное решение заключается в том, что в электроприводе в качестве двигателя предлагается использовать машину двойного питания (МДП). Наличие второго канала регулирования, а именно канала управления по роторной цепи позволяет расширить функциональные возможности при регулировании скорости двигателя.
В общем случае МДП может быть реализована по двум каналам управления. В таком случае зависимость диапазона регулирования представляется функцией от двух переменных (сигналов управления), и функциональные возможности по регулированию скоростью существенно расширяются. В тех случаях, когда к системе регулируемого электропривода не предъявляется строгое требование по диапазону регулирования, то реализация его на базе МДП может быть построена при использовании одного канала регулирования. Определенный интерес представляет рассмотрение системы электропривода на основе МДП, в которой функция регулирования возлагается на канал управления со стороны ротора, а на канал регулирования статорной цепи возлагается возбуждение машины.
На сегодняшний день известные электроприводы на базе МДП в канале ротора содержат в качестве ПЧ преобразователь с промежуточным звеном постоянного тока на основе автономного инвертора напряжения или автономного инвертора тока [3,4,5]. Широкое использование таких ПЧ связано с тем, что они обладают широким диапазоном регулирования и высоким качеством кривой выходного напряжения, близкой к синусоидальной форме с минимальными отклонениями.
В электроприводах, где отсутствуют жесткие требования к диапазону регулирования в области высоких частот, в качестве ПЧ предлагается использовать непосредственный преобразователь частоты (НПЧ). Данное техническое решение обусловлено наличием у НПЧ следующих достоинств [6]:
- высокий КПД за счет однократного преобразования энергии;
- высокая стабильность работы и широкий диапазон регулирования в области низких частот;
- свободный обмен энергии с сетью.
Данные преимущества позволяют повысить энергоэффективность электроприводов, использующих подобные преобразователи, поэтому разработка систем с использованием НПЧ является на сегодняшний день актуальной.
Канал управления МДП со стороны роторной цепи. Несмотря на вышеперечисленные достоинства, применение НПЧ весьма ограничено и основной сферой их использования являются электроприводы на базе асинхронных и синхронных двигателей большой и средней мощности. Это связано с наличием у классических трехфазных НПЧ таких недостатков как - низкий диапазон регулирования и аппроксимированная форма кривой выходного напряжения, что отражается на высоком значении коэффициента гармоник. Это приводит к дополнительным потерям и снижению энергоэффективности электропривода.
Для ослабления данных недостатков предлагается использовать вместо трехфазного НПЧ многофазный НПЧ, имеющий произвольное количество входных п и т выходных фаз. Он представляет собой структуру из нескольких многофазно-однофазных НПЧ, количество которых будет зависеть от т числа выходных фаз многофазного НПЧ.
В качестве примера многофазного НПЧ рассмотрим пятифазно-трехфазный НПЧ, где п = 5, т = 3. В состав пятифазно-трехфазного НПЧ входят три пятифазно-однофазных НПЧ (рисунок 1), каждый из которых формирует синусоидальное однофазное напряжение с межфазовым сдвигом 120°.
Рис. 1. Электрическая схема пятифазно-трехфазного НПЧ
Таким образом, на выходе пятифазно-трехфазного НПЧ формируется трехфазное напряжение. В общем случае для п-т-фазного НПЧ фазовый
сдвиг между выходными напряжениями будет равен ф = 360°/т. Электрическая схема пятифазно-однофазного НПЧ представлена на рисунке 2. Здесь управляемые ключи 1-10 образуют катодную группу, а ключи 11-20 анодную группу. Для общего случая количество входных фаз А, В, С, D, Е равно п.
Л Л Л Л Л ,Л '1 "1 1
1 .X 1 1 1 "1
Рис. 2. Электрическая схема пятифазно-однофазного НПЧ
На выходах А+ и А- формируется переменное напряжение, частота которого задается сигналом управления, подаваемого на управляющий вход НПЧ. В качестве ключей могут быть как полуправляемые (тиристоры) или полностью управляемые (ЮВТ-транзисторы). Поскольку НПЧ целесообразно использовать в приводах большой мощности с невысоким диапазоном регулирования, то использование НПЧ на базе транзисторов ограничено.
Для согласования работы многофазного НПЧ с питающей сетью, использование классического пульсирующего трансформатора возможно только на определенное количество фаз. Например, для получения шестифазно-го напряжения можно использовать специальный трансформатор, первичная обмотка которого соединена звездой, а вторичная двойной звездой. Одним из недостатков подобных пульсирующих трансформаторов является то, что количество фаз, которое можно получить при их использовании от трехфазной сети путем комбинирования соединений «звезда», «треугольник», «двойная звезда», «зиг-заг» ограничено и равно 6, 12, 24, 48 и так далее. Помимо этого известно, что гармонический состав выходного напряжения зависит от числа фаз трансформатора и воздействие на уровень гармоник определенного порядка по отношению к гармоникам других порядков в таких схемах соединений ограничено[7,8]. Кроме того, электропитающая сеть не обязательно может трехфазной или переменного напряжения, в некоторых системах электроснабжения сеть может
быть однофазной или постоянного напряжения, в результате чего использование таких трансформаторов в подобных случаях невозможно.
Согласовать работу многофазного НПЧ с питающей сетью можно, если вместо пульсирующего трансформатора использовать многофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем (ТВМП). ТВМП представляет собой магнитопроводящий сердечник круговой формы, на котором определенным образом расположены первичная и вторичная системы обмоток. Количество первичных обмоток в ТВМП может быть в пределах п1 = {2, 3, 4, 5, 6...}. Количество вторичных обмоток может быть любым п2 = {1, 2, 3, 4, 5, 6...}.
Принцип работы ТВМП заключается в следующем. На первичные обмотки подается фазное переменное напряжение с фазовым сдвигом, равным ф1 = 360°/ П1. Следует отметить, что для системы первичных обмоток с количеством П1 = 2 фазовый сдвиг равен 90°. В результате этого в сердечнике ТВМП возникает вращающееся магнитное поле, частота вращения fм.п которого зависит от числа пар полюсов первичных обмоток рп и частоты входного напряжения & по формуле:
/м.п = /с / Рп. (1)
Это поле в свою очередь создает фазное переменное напряжение во вторичных обмотках ТВМП с фазовым сдвигом, равным ф1 = 360°/ т. Математически ТВМП можно представить следующей системой уравнений (2) Система уравнений (2), отражающая основные электрофизические процессы в ТВМП основывается на уравнениях электрического баланса напряжений в контурах первичных и вторичных обмоток трансформатора.
Здесь обозначены величины: Ь'и,...,Ь'22 - взаимные индуктивности между первичными обмотками, здесь цифрами в индексе указаны номера соответствующих первичных обмоток, причем Ь'12 = Ь'21 и т.д.; Мп,...,М25 -взаимные индуктивности между первичными и вторичными обмотками, здесь первая цифра в индексе - номер первичной обмотки, а вторая цифра - номер вторичной обмотки, поэтому М12ФМ2Г, Ь''п,...,Ь''55 - взаимные индуктивности между вторичными обмотками, причем Ь''12 = Ь''21, Ь''23 = Ь''з2 и т.д.; VI, и2 - напряжения, прикладываемые к первичным обмоткам; г'1,г'2,г''1,...,г''з - активные сопротивления первичных и вторичных обмоток соответственно; Я1,...,Яз - активные сопротивления нагрузки на вторичных обмотках. г'УУ!...,(''5 - токи первичных и вторичных обмоток соответственно.
Таким образом, при помощи ТВМП, можно получить систему многофазного напряжения, число фаз которой будет равно числу вторичных обмоток ТВМП. При этом работу ТВМП можно согласовать с сетью с любым количеством фаз напряжения или с сетью постоянного напряжения, если на входе ТВМП использовать дополнительные преобразовательные устройства. Следует отметить, что в настоящее время известны как россий ские варианты исполнения ТВМП [9,10] так и зарубежные [11,12].
и± — г+ Ь'и—^ + и12—2 + Мц^- + Мг 2
<И
+М13—ГЛ + Мл
<и\
<И"3
'23ЧГ
-Я1У \ — Г\У \ + V <И'\
и 2 — Т 2^ 2 + ^ 2
+М2
+ и2
+ М-
<и
йУ4
4 м
сИ'2
<и'
+ м1
<и ' аг
+ м-
аи-
21
24 л
<И'\
<и
4 ^5
- + М25~!Т
+ м2
<и
(И'
+
<и
■ +
+1"
■ + и
11 л
+1'' _± + ¡г' _3 +
^ Ь 12 , -Г Ь 13 ,, -I-
15 "
<И
2 — Г 2' 2 + Ь 21
(И
<И"
+ М-
<и
<и\
<и
11
+Ь"
<и
<и
4 + ,,' '5
" +1 25ЧГ ау\
<и
1 йУ'
1 + I'' _
+1 22 лг
<и\
+ м2
аг
■ + V'
йУ
<и
К31' '3 — г" 3^-" 3 + Ч '31 Н1''
+и + V '
<и
<и
ЛУ'5 аг ау
+ М-
■ + И '32 + М13
12 л <Н''2
+ М2
: аг
(2)
+ Ь"33^Л +
<и
(И\ йГ2
<и
. 4 4 4 ■ - 41 44 ^ ^ ь 45
<и
1 аи'
1 + ' 42~<
+ м2
<и
■ + V '
йи
<и
<и
гН"
+и '54 ~~тг~ + V '
<И'\ <И''5
+ м:
■+ Ь"52 + М15
14 аь <Н''2
+ М2.
¿У2 ' Л
+ V 53^ +
<И
- + м2 2
Л
Л 55 <и 15 м 25 м
В качестве примера рассмотрим схему канала управления ротором МДП, при питании от сети постоянного напряжения. Для преобразования постоянного напряжения сети в переменное, можно использовать многофазный инвертор напряжения, количество выходных фаз инвертора будет зависеть от количества первичных обмоток ТВМП. Для образца, возьмем ТВМП с двумя первичными обмотками, таким образом, инвертор будет двухфазным (рисунок 3).
И1
О!
И2
1
02
Рис. 3. Схема двухфазного инвертора напряжения
392
2
3
4
Двухфазный инвертор состоит из двух однофазных инверторов И1 и И2, каждый из которых формирует переменное напряжение с фазовым сдвигом 90°. Постоянное напряжение, подаваемое на входы 5 и 6, преобразуется в переменное за счет переключения ключей 1-4 и 1'-4'. Управление ключами может быть осуществлено методом широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Выходное напряжение И1 и И2 подается на первичные обмотки ТВМП -О1 и О2 соответственно. Отметим, что при помощи инвертора можно регулировать частоту напряжения на входе ТВМП, частоту вращения магнитного поля ТВМП, и, следовательно, частоту выходного напряжения ТВМП, которое подается на вход многофазного НПЧ. Таким образом, верхнюю границу частоты выходного напряжения многофазного НПЧ можно регулировать управляющим сигналом, подаваемым на инвертор.
ТВМП
При питании МДП по цепи ротора от сети постоянного напряжения, схема канала управления ротора МДП примет следующий вид (рисунок 4). В общем случае при такой схеме подключения ТВМП может иметь на выходе произвольное количество обмоток (т).
Концы обмоток подключаются к входам многофазно-трехфазного НПЧ, количество которых равно т. Выходы НПЧ подключаются к обмоткам ротора МДП. Входы Б1, Б2 двухфазного инвертора. И подключаются к источнику постоянного напряжения, выходы инвертора подключаются к концам первичных обмоток ТВМП.
В случае, когда источник переменного напряжения представлен одной фазой, например как в электросети электровоза, то для получения двух фаз напряжения из одной фазы можно использовать фазосдвигающее устройство (ФСУ), например, в виде емкости и резистора (рисунок 5). Отметим, что ФСУ можно исполнить и другими методами, представленными в источниках[9,10]. На рисунках магнитопровод ТВМП обозначен МП.
твмп
Если сеть является трехфазной, то в таком случае можно использовать трехфазно-многофазный ТВМП, количество первичных обмоток которого будет равно трём (рисунок 6).
ТВМП
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что использование многофазного НПЧ на базе многофазного ТВМП в канале управления ротора МДП позволяет расширить функциональные возможности электропривода. Кроме того, возможность выбора количества фаз выходного напряжения ТВМП может позволить расширить диапазон изменения частоты выходного напряжения НПЧ.
Модель машины двойного питания. Основу математического описания МДП составляют уравнения электрического баланса асинхронной машины с фазным ротором, где на обмотку последнего подается напряжение по заранее определенному закону регулирования.
% = 1 • ?1 + V + } • Рп • ^ • щ = г2 • 12 + V
Ч/1 = Ь111 + 2; (3)
4*2 = L-m.ll + ¿212; ]Е • р • Ы = Мэ-Мс
{ Мэ = ^•^•П)-
Полная система уравнений (3) включает в себя уравнение динамического равновесия и выражение для определения электромагнитного момента. Здесь 11, ~12 - вектора токов статора и ротора соответственно; Ч/1, Ч/2 - вектора потокосцеплений статора и ротора соответственно; г1, г2' - активное сопротивление фазы статора и приведенное активное сопротивление фазы ротора соответственно; 11, И2 - индуктивность фазы статора и приведенная индуктивность фазы ротора соответственно; 1т - взаимная индуктивность статора и ротора; - суммарный момент инерции привода; Мэ, Мс - электромагнитный момент МДП и момент нагрузки; т - число фаз статора; рп - число пар полюсов статора;
Для исследования динамических режимов работы МДП в БтиНпк была построена имитационная модель (рисунок 7).
Следует отметить, что исследование рабочих режимов МДП на основе данной модели проходило с учетом следующих допущений:
- влияние МДП (как нагрузки) на питающую сеть и не учитываются;
- подаваемое на статор напряжения принимает форму чистой синусоиды;
Так же следует отметить, что все параметры и расчеты выполнены в относительных единицах. За базовый момент - выбран номинальный момент, за базовую скорость выбрана синхронная скорость ю = 2яй.
Имитационная модель электропривода. При выборе способа управления скоростью МДП следует учитывать следующие факторы:
- зависимости токов ротора и статора представляют собой нелинейный характер и содержат множество различных переменных, включая входные напряжения, производные токов и напряжений, а также скорость двигателя;
- представленная зависимость между скоростью вращения ротора и частотами входных напряжений (3) применима только для установившегося режима;
- соотношение между амплитудой напряжения ротора и его частотой - нелинейное и имеет свои границы при разных частотах напряжения ротора [13].
Рис. 8. Функциональная схема электропривода
Учет вышеперечисленных факторов при разработке системы регулирования приводом, базирующимся на векторном принципе, потребует учитывать множество переменных и использовать компенсирующие связи, что усложнит систему. Поэтому в первом варианте рассмотрим скалярный способ управления, как наиболее простой в технической реализации. Функциональная схема электропривода МДП при скалярном способе управления представлена на рисунке 8. Здесь РС - пропорционально-интегральный регулятор скорости, ТГ - тахогенератор, £гз -сигнал задания частоты напряжения ротора, £2 - частота напряжения ротора, кг - коэффициент соотношения амплитуды напряжения ротора к его частоте, кДс - коэффициент датчика скорости.
Построение структурной схемы (рисунок 9) на основе функциональной схемы принято с рядом следующих допущений.
1. Магнитная система статора насыщенная, напряжения и ток статора постоянные и не зависят от тока и напряжения ротора;
2. Контур регулирования содержит большое инерционное звено, обусловленное только индуктивным и активным сопротивлениями роторной цепи;
3. Частота тока статора - постоянная;
4. Влияние скорости вращения на электромагнитный момент пренебрегаем, т.е. К = 0 (рисунок 9)
Ж
Рис S. Структурная схема электропривода
При построении модели электропривода была выбрана схема управления, приведенная на рисунке 4 с использованием двухфазного инвертора напряжения. Особенностью данной схемы является то, что при создании вращающегося магнитного поля ТВМП используются две фазы модулированного выходного напряжения инвертора. Следовательно, возникает вопрос, каким будет гармонический состав выходного напряжения ТВМП и НПЧ, учитывая данные обстоятельства. Исследование данного вопроса, результаты которого представлены в источнике [5], показало, что качество выходного напряжения значительно выше по сравнению с формой выходного напряжения преобразователей с системами, содержащие классические трехфазные НПЧ.
Имитационная модель замкнутого электропривода (рисунок 10) содержит: И - двухфазный инвертор; ТВМП - двухфазно-пятифазный трансформатор с вращающимся магнитным полем; НПЧ - непосредственный преобразователь частоты; МДП - машину двойного питания; регулятор скорости; РС - регулятор скорости. Блок U / f обеспечивает постоянное соотношение между амплитудой и частотой напряжения. Более подробное описание и исследование моделей вышеперечисленных элементов электропривода изложено в источнике [13].
Рис. 10. Имитационная модель электропривода
Известно, что в установившемся режиме для МДП характерно соотношение (3) [14]. Из него следует, что чем выше частота напряжения на роторе, тем ниже установившаяся скорость ротора МДП и наоборот. Данную особенность необходимо учитывать при настройке в электроприводе обратной связи по скорости.
Ю = Ю1 - Ю2 (3)
При построении замкнутой системы регулирования ориентируемся на ПИ-закон управления для исключения статической ошибки. В связи с этим параметры регулятора скорости определяются по стандартной формуле:
Гр = Т2- Кр = ■ (4)
где Т2 = ¿2 / К'2 - постоянная времени контура тока роторной цепи; К12 - коэффициент пропорциональности между электромагнитным моментом и током ротора.
Следует отметить, что в зависимости от желаемых регулировочных свойств вместо ПИ-регулятора возможно использовать П, ПИД- регуляторы или апериодический 1-го порядка.
Результаты моделирования. Для оценки влияния гармоник высшего порядка в составе выходного напряжения НПЧ на параметры электропривода был проведен гармонический анализ скорости и тока ротора в установившемся режиме без использования фильтрующих элементов на выходе инвертора, ТВМП и НПЧ. Пуск двигателя осуществлялся путем подачи на вход регулятора ступенчатого сигнала управления. В установившемся режиме к валу двигателя была приложена статическая нагрузка, равная номинальному моменту.
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
О 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Рис. 11. Скорость ротора МДП при пуске без использования регулятора
На рисунках 11, 13 скорость ротора отображена в электрических градусах. На рисунке 12, а) приведены осциллограммы выходного напряжения НПЧ. Анализ приведенных осциллограмм показывает на значительную зашумленность напряжения питания (рис.12, а), которая обусловлена коммутацией ключей инвертора. Результат анализа показал, что высокочастотная модуляция напряжения не оказывает значительного влияния на форму токов.
На рисунках 13, 14 приведены результаты моделирования с использованием регулятора скорости. Для сравнительной оценки влияния модуляции (рисунок 12) на токи ротора, на выход ТВМП были поставлены фильтрующие элементы с постоянной времени, составляющей 5% от периода при базовой частоте 50 Гц.
а)
500
и, 13 о
500
б) 200 Л Л 100
о
'100
Рис. 12. Осциллограммы токов и напряжений ротора МДП разомкнутого электропривода
Наблюдаемые колебания скорости (рис. 11) с внедрением ПИ-регулятора практически устранились, динамическая ошибка при подаче нагрузки так же снизилась приблизительно на 50-60%.
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Рис. 13. Скорость ротора МДП при пуске с использования регулятора
396
.......
\ \ \ \ 1
Введение фильтрующих элементов устраняет высокочастотные колебания в кривой выходного напряжения НПЧ (рис. 14, а), обусловленные модуляцией. Кроме того, существенно снижаются искажения, наблюдаемые ранее в кривых тока (рис. 14, б).
-500_Е_с___■_I_\_■_\_I_I__
1.21 1 22 1.23 1.24 1.25 1.26 1.27 1.28 1.29, 13
Рис. 14. Осциллограммы токов и напряжений ротора МДП замкнутого электропривода
Анализ результатов моделирования. Для количественной оценки кривых напряжений и токов на выходе НПЧ в разомкнутой и замкнутой системах регулирования с фильтрующими элементами и без, проведен сравнительный гармонический анализ.
В таблицах 1, 2 отображены результаты анализа для кривых напряжения и тока (рис. 11, а), а в таблицах 3, 4 - результаты, полученные при моделировании замкнутой системы.
Таблица 1
Результаты гармонического анализа кривой выходного напряжения Ша пятифазного НПЧ_
№ гармоники Частота гармоники, Гц Уровень гармоники по отношению к базовой, % Фазовый сдвиг, °
0 0 0,02 90,0
1 2,5 100,00 -87,7
2 5 0,30 89,3
3 7,5 16,05 -75,4
4 10 0,14 206,3
5 12,5 10,06 225,4
6 15 0,05 225,6
7 17,5 7,20 174,1
8 20 0,37 -5,3
9 22,5 6,39 119,5
10 25 0,29 88,0
Результаты гармонического анализа кривой выходного тока 1а пятифазного НПЧ
Таблица 2
№ гармоники Частота гармоники, Гц Уровень гармоники по отношению к базовой, % Фазовый сдвиг, °
0 0 1,89 90,0
1 2,5 100,00 183,6
2 5 0,15 182,7
3 7,5 5,36 195,2
4 10 0,04 149,6
5 12,5 2,01 135,5
6 15 0,02 229,6
7 17,5 1,02 83,9
8 20 0,04 265,6
9 22,5 0,71 30,2
10 25 0,02 -18,2
Согласно вышеприведенным результатам анализа коэффициент гармоник кривой напряжения составил 2,126%, коэффициент гармоник тока - 0,616%.
Таблица 3
Результаты гармонического анализа кривой выходного напряжения Ша пятифазного НПЧ
№ гармоники Частота гармоники, Гц Уровень гармоники по отношению к базовой, % Фазовый сдвиг, °
0 0 0,09 270
1 2,5 100,00 108,2
2 5 0,15 -59,2
3 7,5 0,33 24,0
4 10 0,16 3,0
5 12,5 0,38 51,7
6 15 0,20 23,0
7 17,5 0,24 88,8
8 20 0,22 87,6
9 22,5 0,22 119,2
10 25 0,24 130,7
Таблица 4
Результаты гармонического анализа кривой выходного тока Ia пятифазного НПЧ_
№ гармоники Частота гармоники, Гц Уровень гармоники по отношению к базовой, % Фазовый сдвиг, °
0 0 1,12 270,0
1 2,5 100,00 19,7
2 5 0,01 148,7
3 7,5 0,12 -40,6
4 10 0,03 -78,6
5 12,5 0,09 -16,4
6 15 0,04 -32,9
7 17,5 0,05 -9,5
8 20 0,03 8,0
9 22,5 0,03 39,8
10 25 0,02 42,2
Расчеты, проведенные по результатам анализа (таблицы 3 и 4) показывают, что коэффициент гармоник кривой напряжения составил 0,075%, коэффициент гармоник тока - 0,113%. Таким образом, использование фильтров снижает коэффициент гармоник кривой напряжения на 96%, а коэффициент гармоник кривой тока на 82%.
Заключение. На основании вышеизложенного можно утверждать следующее:
- за счет увеличения рабочей частоты вращающегося магнитного поля снижаются объемы стали в трансформаторе;
- использование ТВМП на базе НПЧ позволяет заменить сложные каскадные схемы управления высоковольтных приводов и существенно расширить функциональные возможности и снизить массогабаритные показатели;
- многофазный НПЧ имеет более широкий диапазон частоты выходного напряжения, что расширяет регулировочные свойства электропривода МДП - НПЧ;
- отсутствие фильтрующих емкостных элементов на выходе ТВМП не приводит к значительным искажениям кривой выходного тока НПЧ, что положительно сказывается на надежности системы управления в случае аварийного сбоя этих элементов;
Список литературы
1. Каталог «ООО ПромСнабКомплект» Электродвигатели трехфазные асинхронные крановые серии МТН, 4МТ, 4МТМ. [Электронный ресурс] URL: https://kpsk.ru/pdf/el-dvig-catalog-n-s.pdf (дата обращения: 10.02.2024).
2. Воронцов А.Г., Глушаков В.В., Пронин М.В. Гибридные каскадные преобразователи частоты и особенности их управления // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2019. № 8. С. 75-84.
3. Григорьев А.В., Хватов О.С. Судовая валогенераторная установка на базе машины двойного питания // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2009. № 4. С. 182-187
4. Хватов О.С., Тарпанов И.А., Кобяков Д.С. Дизель-генераторная электростанция с вентильным генератором по схеме машины двойного питания // Вестник Астраханского государственного технического университета. Морская техника и технология. 2020. № 3. С. 82-90.
5. Харитонычев М.Ю. Автономная судовая валогенераторная установка на основе машины двойного питания: дис. ... канд. техн. наук. 05.09.03 / Харитонычев Михаил Юрьевич. Нижний Новгород, 2007.
6. Фираго Б.И., Готовский Б.С., Лисс З.А. Тиристорные циклоконверторы. Москва: Наука и техника, 1973.
296 с
7. Климов В.П., Москалев А.Д., Проблемы высших гармоник в современных системах электропитания // Энергетические технологии. Статья взята с сайта [Электронный ресурс] URL: https://www.tensy.ru (дата обращения: 10.02.2024).
8. Yacamini R. Power System Harmonics. Part 3 - Problems caused by distorted supplies // Power Engineering Jounal. 1995. № 10. С. 233-238.
9. Пат. 233562 Российская Федерация, МПК H 01 F 30/14, H 02 M 5/14. Однофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем / Коробейников Б.А., Сидоров Д.И.; заявитель Кубанский государственный технологический университет. № 2007120825/09, заявл. 04.06.2007, опубл. 10.09.2008.
10. Пат. 2335027 Российская Федерация, МПК H 01 F 30/14, H 02 M 5/14. Однофазно-трехфазный трансформатор с вращающимся магнитным полем / Богатырев Н.И., Григораш О.В., Темников В.Н., Пугачев Ю.Г., Усков А.Е.; заявитель Кубанский государственный аграрный университет. № 2007124664/09, заявл. 29.06.2007, опубл. 27.09.2008.
11. Y. Yueliang, Y. Zhou, pat. CN104103412A, IPC H01F27/08, H01F27/28; "Polyphase transformer adopting rotating magnetic field principle", Shanghai wind new energy technology co ltd, applic. 01.04.13, public. 15.10.14. P. 5.
12. B. Jiancheng, S. Leitao, W. Caixia, Z. Miao, pat. CN108987080A, IPC H01F27/29; H01F38/18; "Rotating magnetic field power transformer", Zhang Miao, applic. 30.07.18, public. 11.12.18, pp 7.
13. Соловьев В.А., Дубовик М.Е. Электропривод на базе машины двойного питания с улучшенными энергетическими характеристиками // Электротехнические системы и комплексы. 2022. № 2(55). С. 4-9. DOI: 10.18503/2311-8318-2022-2(55)-4-9.
14. Шакарян Ю.Г. Асинхронизированные синхронные машины. М.: Энергоатомиздат, 1984. 192 с.
Дубовик Михаил Евгеньевич, старший преподаватель, [email protected], Россия, Комсомольский-на-Амуре, Комсомольский-на-Амуре государственный университет,
Соловьев Вячеслав Алексеевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Комсомольский-на-Амуре, Комсомольский-на-Амуре государственный университет
398
STUDY OF AC ELECTRIC DRIVE WITH ROTOR CIRCUIT CONTROL V.A. Solov 'yev, M.E. Dubovik
One of the priority directions in the development of en-ergy is to increase energy efficiency in electrical systems, in particular in AC electric drives. An increase in the effi-ciency coefficient, as well as a decrease in the weight and size indicators of high-power electric drive systems, leads to a significant reduction in capital costs. To date, a lot of research and development of energy-efficient electric drive systems is underway. The article suggests an alternative method of implementing an alternating current electric drive based on a dual-power machine (DPM) with a direct frequency converter (DFC). The article describes the main elements of the electric drive under consideration, justifies the decision to use an alternative implementation of a frequency converter based on an DFC and a PWM converter with an intermediate link. The authors of the article proposed and considered the possibility of using a transformer with a rotating magnetic field (RMF). The article describes the main elements of the electric drive under consideration, justifies the decision to use an alternative implementation of a frequency converter based on an DFC and a PS converter with an intermediate link. The authors of the article proposed and considered the possibility of using a transformer with a rotating magnetic field (RMF) as such an intermediate. A functional diagram of such an electric drive is presented, on the basis of which a simulation model is built in Simulink. For a comparative analysis, a simulation of a control system with a three-phase DFC and a system with a DFC based on RMF was performed. Based on the simulation results, a harmonic analysis of the output voltage of the frequency converter was carried out. In conclusion, the main advantages of such an electric drive over classical variants are presented.
Key words: dual power machine, amplitude of the rotor voltage vector, dynamic mode, dual power machine stability.
Dubovik Mikhail Evgenevich, senior lecturer, mihail. dubovik@bk. ru, Russia, Komsomolsk-on-Amur, Komso-molsk-on-Amur State Technical University,
Solov'yev Vyacheslav Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, epapu@knastu. ru, Russia, Komso-molsk-on-Amur, Komsomolsk-on-Amur State Technical University
УДК 621.3
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-4-399-400
ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ ДЕТАНДЕРОВ ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ
ДЛЯ ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Н.А. Кузнецов, И.М. Богачков, Р.Н. Хамитов
Малые распределенные источники электроэнергии являются важной составляющей для снабжения нефтегазовых месторождений, которые находятся на удаленных территориях. На данных месторождениях в качестве источников электроэнергии стали применять возобновляемые и альтернативные источники электроэнергии (ВИЭ, АИЭ). Перспективным АИЭ является использование потенциальной энергии газа, получаемой за счет его расширения. Для расширения и получения энергии используются расширительные машины (детандеры). Статья посвящена использованию расширительных машин с целью генерации электроэнергии на газовых месторождениях. Целью данной работы является обзор конструкций расширительных машин и исследование возможности использования детандер-генераторной установки с целью генерации электроэнергии. Для достижения поставленной цели в работе решен ряд задач. На первом этапе анализа, были рассмотрены: особенности Ачимовских залежей и опыт использования детандер-генераторных установок в отечественной и зарубежной промышленности. На втором этапе, были изучены конструкции детандеров и выполнен сравнительный анализ основных видов детандеров - тур-бодетандер, поршневой, спиральный, ротационный и винтовой; предложен оптимальный тип детандера для применения в детандер-генераторной установке на кустах газовых месторождений Ачимовских залежей; рассчитано возможное количество генерируемой электрической энергии. Полученные результаты показывают актуальность применения винтовых расширительных машин на кустах газовых месторождений Ачимовских залежей.
Ключевые слова: детандер, генератор, расширительная машина, потенциальная энергия газа, альтернативная энергетика, газовые месторождения, Ачимовские отложения.
Подключение месторождений, которые находятся на удаленных территориях, к Единой Энергосистеме является затруднительным и экономически невыгодным. В связи с этим месторождения на данных территориях снабжаются с помощью малых распределенных источников энергии:
паросиловые установки;
газотурбинные установки (ГТЭС);
газодизельные установки;
комбинированные установки на основе газодизелей и ГТЭС [1].
С развитием возобновляемых источников энергии (ВИЭ), они стали применяться в качестве малых распределенных источников энергии. На данный момент самыми развитыми направлениями использования ВИЭ являются ветрогенерация и применение фотоэлементов для преобразования солнечного излучения в электроэнергию [2].
В последние годы становится очевидным, что нефтегазовой промышленности необходимо разрабатывать более сложные пласты. По прогнозным ресурсам НГК Западной Сибири, на ачимовский комплекс приходится 18% нефти, 10% газа и 36% конденсата от начальных суммарных ресурсов региона [3].
Ресурсный потенциал ачимовской толщи Западно-Сибирского нефтегазоносного бассейна оценивается в 66 млрд тонн нефтяного эквивалента. Геологические запасы - в 5 млрд тонн нефти, 4,8 трлн м3 газа и 1 млрд тонн газового конденсата [4].
