Методика расчета КПД мехатронной системы генерирования электрической энергии постоянного тока Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Романовский ГФ. Плазменное воспламенение и сжигание топлив в судовых установках. - Л.: Судостроение, 1986. - 88 с.

2. Жуков М.Ф., Коротеев В.А., Урюков Б.А. Прикладная динамика термической плазмы. - Новосибирск: Наука, 1975. - 299 с.

3. Воронов А.Ю., Герасимов В.А. Электрическая дуга в канале плазматрона при случайных газодинамических возмущениях // Вологдинские чтения: Матер. научно-техн. конф. - Владивосток: ДВГТУ, 2009. - С. 95.

4. Достовалов В.А. Газодинамическое управление термической плазмой. - Владивосток: ДВГТУ, 2004. - 230 с.

5. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. -М.: Техносфера, 2006. - 632 с.

6. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического правления. - СПб.: Профессия, 2003. - 747 с.

7. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Теория автоматического управления техническими системами. - М.: МГТУ, 1993. - 492 с.

8. Катханов М.Н. Теория судовых автоматических систем. - Л.: Судостроение, 1985. - 374 с.

Поступила 29.03.2011 г.

УДК 621.314:621.382:621.314.572

МЕТОДИКА РАСЧЕТА КПД МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

С.А. Харитонов, А.Г. Гарганеев*

Новосибирский государственный технический университет *Томский политехнический университет E-mail: [email protected]; [email protected]

Предложена методика расчета активных потерь в элементах системы генерирования постоянного тока на базе магнитоэлектрического синхронного генератора и полупроводникового преобразователя. Особое внимание уделено анализу электрических потерь в синхронном генераторе: учитываются как искажения формы тока и напряжения синхронного генератора, так и изменение частоты вращения его вала, что позволяет повысить точность расчетов и качество проектирования отдельных элементов системы.

Ключевые слова:

КПД, мехатронная система, синхронный генератор с постоянными магнитами, полупроводниковый преобразователь, переменная частота, ветроэнергетическая установка.

Key words:

Efficiency, mechatronic system, synchronous generator with permanent magnets, semiconductor converter, variable frequency, wind power installation.

Разработка методики расчета КПД и расчет активных потерь в элементах систем генерирования электрической энергии (СГЭЭ), в которых механическая энергия вращающегося с переменной скоростью вала синхронного генератора с постоянными магнитами (далее по тексту магнитоэлектрический генератор - МЭГ), преобразуется в электрическую энергию постоянного или переменного тока является задачей актуальной, так как такие системы находят широкое применение в возобновляемой энергетике, а также в системах электроснабжения автономных объектов, в частности летательных аппаратов. Проблеме анализа энергетических процессов в системах «синхронный генератор - полупроводниковый преобразователь» посвящен ряд работ научных школ МАИ, МЭИ, ТПУ, ВНИИЭ и др. Однако, анализ таких систем с магнитоэлектрическим генератором при переменной скорости вращения вала в составе систем генерирования электрической энергии впервые проведен в научной школе профессора Г.В. Грабовецкого из Новосибирского государственного технического университета (ныне НГТУ).

Ниже рассматривается мехатронная СГЭЭ постоянного тока, в состав которой входят (рисунок): т-фазный синхронный генератор (СГ) - МЭГ, полупроводниковый преобразователь (ПП) с естественной коммутацией (ЕК), реактор Ь, моделирующий индуктивность фидера между СГ и ПП, или специально установленный [1].

Предполагается, что данная система является частью ветроэнергетической установки с переменной частотой вращения вала ветровой турбины. В СГЭЭ электрическая энергия переменного на выходе МЭГ преобразуется в электрическую энергию постоянного тока с помощью ПП с ЕК, например, на основе управляемого выпрямителя. Выпрямитель работает на противоЭДС постоянного тока ес [1]. Подобная система может применяться самостоятельно, либо, например, являться источником напряжения в звене постоянного тока преобразователя частоты с инвертором напряжения.

При расчете КПД основное внимание уделяется анализу активных потерь, прежде всего в СГ, при учете несинусоидального характера тока и напряжения в сечении (рисунок). Отличительными осо-

бенностями работы СГ в системе «МЭГ - ПП» являются относительно высокая и переменная частота вращения вала п и частота выходного напряжения СГ; широкий диапазон изменения величины и частоты токов и напряжений при существенно несинусоидальной их форме; необходимость отбора предельной мощности в режимах минимальных и максимальных оборотов; повышенные требования к массе, габаритам и надежности функционирования; экстремальные условия эксплуатации. Целью анализа является определение соотношений для расчета активных потерь в системе, учитывающих специфику режимов работы агрегатов системы и их взаимное влияние, а также основных тенденций изменения КПД в функции частоты вращения вала.

При анализе полагалось, что СГ имеет демпферные контуры по продольной и поперечной осям. Кроме этого были использован]- следующие относительные единицы [1]: П6=ЕС/^3; Ес - величина противоЭДС; п^п^, птП - минимальная частота вращения вала СГ, при которой иб=ЕСГм; ЕСГм - амплитуда ЭДС СГ; со=юшш=2пп^60; Х= ф б [ Ь+(Ь" + Ь" )/2] = ю б (д + 1)(Ь" + Ц )/2; д=Ь(Ь"+Ь")/2; Ь, Ь" - сверхпереходные индуктивности СГ; 1=ЩХ6; Б=1би=Щ/Х6.

В общем случае потери активной мощности АР=АР/Б6 в рассматриваемой системе содержат три составляющие:

АР = Арш + АРСГ + А Рц,

где АРПП, АР(*Г, АР* - потери в ПП, СГ и реакторе (потери на аппаратуру управления включены в Ар пп).

КПД системы может быть определен с помощью соотношения

п = ^пп^сг^ь/,

где пПП, ПСГ, Пу - КПД соответственно ПП, СГ и реактора, причем

ппп

П/

Р + Ар

РГ+АР

пп

ПСГ

р;+арПп +арЬ/ р;+арп п +Ар/

Р+АРП п + Ар/ + АРСг

Здесь Рн* - относительное значение активной мощности, потребляемой цепью с противоЭДС.

Потери активной мощности в ПП можно представить в виде

Арпп = АрШст + АРппдин + АрШдоп ,

здесь АРПпст, АРПпдин, АРПпдоп - статические, динамические и дополнительные потери.

При определении статических потерь воспользуемся общепринятой схемой замещения вентиля [2] в виде источника напряжения АЦ* и динамиче-

ского сопротивления гд, в результате чего для мостовых схем ПП получим

АРтст = 2т[/*Ср А и; + (/**) гД ] =

2

*

г.

' Д '

При определении динамических потерь будем полагать, что параллельно каждому вентилю включена демпфирующая ЛС-цепочка, которая полностью снимает динамические потери с вентилей. В этом случае под динамическими потерями в вентильном преобразователе будем понимать потери в ЛС-цепях. С учетом вышеизложенного имеем

АРп’пди; = 2т(и* )2[1 + (С)2 1

Ж (1))

ХГ =■

юСХй

&с =

1

1

®6С(Л+*С) *е5с +

где Л и С - резистор и конденсатор ЛС-цепи; Щ -дифференциальный коэффициент гармоник первого порядка [3] напряжения на вентиле; <2К -добротность ЛС-цепи; ЛС - активное сопротивление конденсатора при последовательной схеме его замещения; иц1) - относительное действующее значение основной гармоники напряжения на вентиле.

Дополнительные потери в ПП АРППдоп определяются потерями в аппаратуре управления и системе охлаждения. При принятии специальных мер в первом приближении они могут считаться постоянными и равными АРППдоп<(0,005...0,01)Рн* [2].

Потери в реакторе определяются активными потерями в меди и стали:

АРь/ = Ар/М + АР/..

При этом потери в меди вычисляются по соотношению

АРь/м = т

д 1

■(/Сг)2 =

д 1

(

Яш = ф^ =

Ь/м

1

-Ь/м

РГк

2

V Е; У

Л/ г§5ь/

где Л; - активное сопротивление дросселя; (}ЬМ -добротность реактора по «медным» потерям; ^5^-коэффициент потерь реактора; Ес*, 1*Г - относительные действующие значения противоЭДС и тока СГ, при выбранных относительных единицах

/;

к, = т- среднее значение тока цепи с про-

/нср

тивоЭДС.

Потери в стали реактора определяются выражением

п = уаг

Рисунок. Структурная схема системы генерирования

ЛР/,т = т-^—(и* )1,5 X (^) )2 к1'5,

і/ст

1+ч й

і/сг

йі/ст

^і/ст ТЗ*

і/ тіп

Р* - Р к

Рі/ тіп Р0 к7

К)0'5

7

/ с'

(2я- 400)' цц0

где Р0 - удельные потери в стали при ,/=400 Гц и индукции 1 Тл; кт - технологический коэффициент [4]; 7с1 - удельный вес стали; /л, щ- магнитная проницаемости стали и магнитная постоянная.

Оценка потерь в стали реактора может быть произведена посредством соотношения

ЛР/ < т

(Ц/ )2

^і/сг

ние вращающихся частей о воздух, плюс потери на вентилятор.

На основании проведенного анализа систем и с учетом рекомендаций, изложенных в [4] и ряде других работ, получим следующие выражения для остальных составляющих потерь в СГ:

где Щ- действующее значение напряжения на индуктивности Ц.

Необходимо учесть, что для принятых относительных единиц при ,<1 выполняется соотношение и/х^п', т. е. ДР/^и* [1]. С увеличением величины , действующее значение напряжения на реакторе становится пропорциональным частоте вращения, а потери в стали соответственно ЛР^Ци*)2.

Обратимся к рассмотрению потерь в СГ Полные потери активной мощности определяются соотношением [4]

ЛРСГ = ЛРСГм + ЛРСГд + ЛРСГ г + ЛРСГуа + ЛРСГпов +

+ ЛРСГпул + ЛРСГдоб + ЛРСГмех ,

где ЛР/ - составляющие потерь, соответственно, ЛРСГм - в меди статора; ЛРСГд - в демпферных контурах; ЛР(Гг - в стали зубцов; ЛР- в стали спинки якоря; ЛР¿Гпов - поверхностные в полюсных башмаках; ЛРСГпул - пульсационные в зубцах статора и ротора (имеют место при наличии открытых или полузакрытых пазов для укладки стержней демпферной клетки; ввиду их отсутствия далее эта составляющая потерь не учитывается); ЛР¿Гдоб -добавочные, возникающие при нагрузке; ЛР¿Гмех -механические на трение в подшипниках и на тре-

ЛРСГм + ЛРСГд

1 + ч

(1Сг)2

т к// к/ч

-----------1----------1------

йСГм йи йч )

1 Г Р*к, Ї т +4 + к/ч

1 + ч 1 1 ^ Г Рн*к, I2 ч йСГм йЫ йч у 1

1+ч ч Ес ) йсГмЕ

ЛР* - ЛР* + ЛР* . + ЛРГ

СГ ст СГ г СГуа СГпов

2 1'5

(и )

йСГдоб________/Ш* \2 т1'5

/1 чл X (*<5а( к)) к ' (1 + ч)йсГст 'к-!

ЛР*

ЛР

и

(и* )2

^СГдоб

йСГмех1 2

(и* )2

ЛР

(и * )2

СГдоб ^ (IСг)2 -■

ЙСГдоб

^ СГдоб ^СГдоб

где к=иГсг, кк=Гк/1¿Г, /к,, 1м - относительные действующие значения приведенных токов демпферных контуров по поперечной и продольной осям;

Тп \ Т'г I г"

^ _ Юб 4 ^ _ Юб А/ + 4

ИСГм = _ , ИМ = _ ,

Йв -

Т н . Т п

А* + А

где гСГм, гы, г, - активные сопротивления обмотки фазы статора и приведенных демпферных контуров;

і = m + +_kq_

0сГмЕ 0сГм Ö/Ы ökq

і

P* = P

СГстшт P E

Swct

і

2^ 400

(й6)0'5,

где Р. - технологическая величина, определяемая геометрией СГ и характеристиками стали статора; £ и wCI - площадь полюса и число витков обмотки статора; ^м, бсгмей, бегдоб - эквивалентные добротности, определяются конструктивным исполнением генератора; - относительное действующее значение к-й гармоники потокосцепле-ния в воздушном зазоре СГ

При расчете поверхностных потерь в роторе с учетом искажений формы поля в зазоре вместо формулы Рюденберга [5], в которой потери про-

от

порциональны множителю X (^ (к ))2( к ± 1)1'5

использован множитель вида « X ОР*(к))2к1,5, что

к=2

не вносит ощутимой погрешности ввиду относи-

тельно высокой степени синусоидальности потока в зазоре и при к>1.

При анализе приведенных выше соотношений необходимо иметь в виду, что в случае сохранения постоянного реактанса в цепи тока генератора и изменении величины , значения произведения (1 +,) 0 остаются постоянными.

Выводы

Получены аналитические соотношения, позволяющие рассчитать КПД и определить активные потери в элементах мехатронной системы генерирования электрической энергии, в которой механическая энергия вращающегося с переменной частотой вала синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов преобразуется в электрическую энергию постоянного тока. Методика позволяет учесть особенности работы синхронного генератора на управляемый выпрямитель при переменной частоте вращения вала генератора, что дает возможность повысить точность расчетов и качество проектирования отдельных элементов систем генерирования электрической энергии.

Работа выполнена по государственному контракту №13.036.31.0010 от 22.10.2010г. на тему: «Исследование, разработка и организация промышленного производства меха-нотронных систем для энергосберегающих технологий двойного назначения».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Харитонов С.А. Электромагнитные процессы в системе генерирования постоянного тока типа «магнитоэлектрический генератор - шестифазный нулевой выпрямитель» при переменной частоте вращения вала генератора. Ч. 1 // Известия вузов. Электромеханика. - 2000. - № 2. - С. 71-83.

2. Грабовецкий Г.В., Куклин О.Г., Харитонов С.А. Непосредственные преобразователи частоты с естественной коммутацией для электромеханических систем. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009. - 320 с.

3. Зиновьев Г.С. Прямые методы расчета энергетических показателей вентильных преобразователей. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1990. - 220 с.

4. Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока. - М.: Высшая школа, 1982. - 272 с.

5. Лютер Р.А. Расчет синхронных машин. - Л.: Энергия, 1979. -272 с.

Поступила 02.04.2011 г.