CC BY
18
УДК 303.742
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-494-498
ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК С АСИНХРОННЫМИ ГЕНЕРАТОРАМИ
Д.Р. Абсалямов, Р.Н. Аитов, П.В. Дружинин, А.Ю. Петров
Рассмотрены особенности применения автономного асинхронно-полупроводникового каскада. Проведены теоретические и экспериментальные исследования параллельной работы автономного асинхронно-полупроводникового каскада в дизель-генераторных установках. Обоснована перспективность использования асинхронных генераторов в автономных энергетических установках. Рассмотрены режимы работы дизель-генератора с асинхронным генератором.
Ключевые слова: дизель-генераторная установка, асинхронный генератор, автономная система электроснабжения.
В автономных стационарных, судовых, транспортных энергетических установках мощность потребителей значительно превышает мощность одного дизель-генератора, поэтому в них устанавливают несколько ДГ, и общая нагрузка пропорционально распределяется между ними. Объединение мощности дизелей в этом случае осуществляется через электрические параметры генераторов.
В настоящее время промышленностью выпускаются дизель-генераторные установки с синхронными генераторами. Задача параллельной работы ДЭУ с СГ в значительной мере решена. Однако несмотря на большое количество исследований, проведенных в этой области, параллельная работа ДГ с СГ остается сложной и до конца не решенной задачей, особенно при использовании в ДГ легких быстроходных дизелей. Сложность проблемы обуславливается особенностями объединенных в одном агрегате машин ДВС и СГ.
Параллельная работа синхронных машин при условии постоянства напряжения UH и частоты f = const предполагает «жесткую» синхронность вращения валов ДГ = ш2) и стабильную синфазность в = const. Любые нарушения синхронности приводят к
изменению синфазности в, а изменение в- к перераспределению нагрузки между СГ, так как мощность Рном = f(6). Изменение Рном вызывает изменение момента на валу ДВС и изменение ш в соответствии с регуляторной характеристикой ДВС. Существует как бы жесткая обратная связь в системе ДВС - СГ при параллельной работе ДГ между собой или с сетью.
Известно также [1, 5], что все ДВС в процессе работы создают периодически меняющийся крутящий момент Мкр. Колебания Мкр с учетом податливости вала и возникающих при этом крутильных колебаний вызывают колебания ротора генератора. Поддержание постоянства частоты вращения вала генератора и пропорциональное распределение активных нагрузок между параллельно работающими ДГ возлагаются на регулятор дизеля.
Попытка дизеля увеличить ш приводит к увеличению в СГ, а следовательно, и момента сопротивления Мс, препятствующего изменению ш. Важное условие параллельной работы -идентичность переходных характеристик ДГ в динамических режимах, характеристик систем возбуждения СГ, устройств распределения активной и реактивной нагрузок, которые должны иметь малую постоянную времени и быть устойчивыми в работе.
Вероятность выполнения всех условий при параллельной работе более двух ДГ довольно низка, поэтому устойчивая параллельная работа и пропорциональное распределение активной и реактивной нагрузок - достаточно сложная задача.
В динамических режимах эта задача усложняется еще и тем, что допустимые изменения, гарантирующие устойчивую работу СГ, не превышают 60-70°, т. е. Аш в динамических режимах у всех ДГ, работающих параллельно, должны быть строго одинаковы и не превышать 3 %, в противном случае ДГ выпадают из синхронизма.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования параллельной работы автономного асинхронно-полупроводникового каскада [1, 5] с сетью позволяют утверждать, что новая ЭУ ДГ с асинхронным генератором даст возможность по - новому решить вопросы параллельной работы и изменить подход к проектированию автономных систем электроснабжения. Вопросы параллельной работы агрегатов, у которых в качестве генератора используется АГ, решаются на принципиально новой основе.
Специфика ААПК с точки зрения параллельной работы в том, что у АГ вектор результирующего магнитного поля ротора свободно вращается относительно самого ротора и прямая зависимость между фазовым положением ротора и углом нагрузки 9 отсутствует. В этом основное отличие ААПК от обычного СГ, в котором изменение фазового положения ротора вызывает изменение угла 9 и электромагнитного момента, препятствующего дальнейшему перемещению ротора.
В ААПК при изменении частоты вращения происходит смещение по фазе выходного напряжения АГ относительно фазы управляющих сигналов задатчика частоты в преобразователе частоты, значения которых достигают при больших диапазонах изменения частоты вращения на холостом ходу 190 - 195°. Фаза выходного напряжения изменяется в сторону опережения фазы управляющих сигналов 3Ч при увеличении частоты вращения от шт1П до штах.
Если для регулирования фазы выходного напряжения АГ между ЗЧ и ПЧ включать управляемый фазовращатель, который при параллельной работе ДВС с ААПК будет также исполнительным устройством регулятора угла 9, т. е. регулятора активной мощности ААПК, то в ДВС с ААПК регулирование активной нагрузки при параллельной работе можно осуществлять чисто электрическим путем - изменением угла сдвига фазы сигналов управления ПЧ. Изменение угла 9 при этом будет определяться фазой напряжения, сформированного ПЧ и подведенного к ротору АГ, и углом сдвига фаз между этим напряжением и током ротора и практически будет мало зависеть от работы регулятора ДВС.
Для ААПК
^ААПК = <Рр+<РпЧ. (1)
где <Рр - угол сдвига фаз в роторной цепи АГ; <рПЧ - угол сдвига фаз напряжения, сформированного ПЧ, относительно геометрического положения фаз ротора при синхронной частоте вращения;
Фр = агссоэ-^-, (2)
где Рр и Нр - соответственно активная и полная мощности роторной цепи АГ.
Так как Рр и Нр зависят от скольжения и нагрузки АГ, то фр также зависит от этих величин.
Угол
Фпч = У + 5 + Р, (3)
где у - угол сдвига фазы управляющих сигналов ЗЧ относительно напряжения секционированного синхронного возбудителя; 8 - угол сдвига фазы управляющих первой гармонической сформированного напряжения ПЧ относительно ротора ССВ; Р - угол сдвига фаз напряжения ССВ при |5| >0 относительно напряжения ССВ при 5 = 0.
Общее уравнение для фпч при |5| >0 имеет вид
<РПЧ = у + 8 -2пз, (4)
где 5 - угол скольжения ротора АГ.
Наличие в выражении (4) параметра 5 показывает, что в ААПК угол 9 будет зависеть и от ш вращения вала ДВС.
Окончательно 9аапк при |5| >0 аналитически выражается как
р
9ААПК = агссоз — у +5 — 2лз, (5)
нр
На основании формулы (5) можно сделать следующие выводы:
- с ростом частоты вращения угол 9аапк увеличивается;
- угол $аапк зависит не только от частоты вращения, но и от величины нагрузки и ее коэффициента мощности; любое изменение нагрузки при |5| >0 вызывает изменение соотношения Рр/Нр и, следовательно, приводит к изменению угла $аапк;
- угол зависит от параметров ротора АГ и параметров цепи ротора АГ (Ср,1р);
- изменяя угол у можно получить любое значение угла нагрузки $аапк и следовательно, регулировать распределение нагрузки между параллельно работающими ААПК аналогично тому, как это делается у СГ - изменением вращающего момента дизеля;
- для обеспечения параллельной работы ААПК устройство регулирования фазы выходного напряжения АГ должно допускать регулирование угла у в следующих пределах:
р
у = агссоя — + 5 — 2л б, (6)
нр
Если условие (6) выполняется, то система регулирования ААПК может полностью взять на себя функции регулирования угла 9.
ШШ1111111
Шштштяштштш
Гетра твцш! решим А АПК ( ^ ДЬгвтмпшя&пнЛМк
ЩгЦАШЦ' И' ^'И'И'П Я I. Ч111. к Л|\Гу\..............
.....г ■ г - упраЛясниА
тШшштйшшш
Рис. 1. Перераспределение нагрузки изменением угла а при параллельной работе ААПК -3,5 кВА с сетью (ис - напряжение в сети; 1р - ток ротора; 1Я - ток якоря двигателя;
!ц - ток нагрузки)
1ЛВС
Рис. 2. Схемы параллельной работы ДЭУ с СГ между собой и сетью:
1 - синхронизатор; 2 - сервомотор изменения подачи топлива; 3 - устройство распределения активной нагрузки; 4 - датчик нагрузки; 5 - система возбуждения; АВГ - автомат включения генератора
7 - формирователь сигналов; 8 - переключатель (поз. 1-5 см. на рис. 2); ФРЧВ - функциональный регулятор частоты вращения
Были проведены экспериментальные исследования параллельной работы ААПК. При этом ААПК мощностью 3,5 кВА включался на параллельную работу с сетью и опробовалась возможность регулирования нагрузки ААПК как изменением частоты вращения, так и изменением угла сдвига фазы между управляющими сигналами и напряжением сети (угол а). Результаты этих исследований показали, что параллельная работа ААПК возможна, и также полностью подтвердили основные принципы ее осуществления. На рис. 1 показана осциллограмма, полученная при этих исследованиях.
Если провести сравнительный анализ двух систем электроснабжения, представленных на рис. 2 и 3, то, не вдаваясь в подробности известных способов ввода в параллель ДГ с СГ и учитывая условия параллельной работы ДЭУ с СГ, можно отметить следующее:
- распределение нагрузки в системе ДЭУ с СГ (рис. 2) зависит только от наклона ре-гуляторных характеристик дизеля и может изменяться лишь по следующему каналу: датчик нагрузки 4, устройство распределения активной нагрузки 5, сервомотор изменения подачи топлива 2;
- быстрый прием или сброс нагрузки практически невозможен, так как регулирующее воздействие приложено не к генератору, а к дизелю;
- экономичность работы дизеля изменяется несущественно, так как п = const не зависит от нагрузки.
Рассматривая аналогичную схему электроснабжения только на базе ДЭУ с АГ (рис. 3, а), можно отметить появление нового элемента - ЗЧ 6, который при параллельной работе ДЭУ с АГ должен быть общим, тогда частота f обоих АГ при любых скоростях дизеля будет абсолютно одинаковой.
Главные особенности параллельной работы ДГ с АГ в этом случае будут заключаться в следующем.
- Не требуется «жесткая» синхронность и синфазность вращения роторов АГ (соответственно и дизеля), так как синхронность вращения полей роторов АГ обеспечивается системами возбуждения, объединенными общим ЗЧ, исключающим несинхронность вращения полей. Для АГ геометрическая синфазность никакого значения не имеет, так как вектор магнитного поля ротора может быть повернут по отношению к самому ротору на любой угол путем сдвига фазы напряжения возбуждения ротора.
- Распределение нагрузки совершенно не зависит от регуляторных характеристик ДВС и может изменяться путем сдвига фазы напряжения возбуждения ротора в результате воздействия на систему возбуждения от устройства распределения нагрузок.
- Прием и сброс нагрузки могут осуществляться практически мгновенно, так как постоянная времени канала 4-3-5-АГ (рис. 3, а) на несколько порядков меньше постоянной времени канала 4-3-2-ДВС-СГ (рис. 2). Это исключает влияние на устойчивость параллельной работы крутильных колебаний при динамических изменениях нагрузки.
- Как показано в работе [5], дизели сохраняют независимое функциональное регулирование частоты вращения с помощью ФРЧВ в зависимости от нагрузки, т. е. при изменениях нагрузки работают в оптимальном режиме.
Если ДЭУ с АГ включена параллельно с сетью, то необходимо собственный задатчик отключить, а в качестве ЗЧ должна использоваться сама сеть. Принцип построения схемы такой электросети показан на рис. 3, б. Новые элементы этой схемы - переключатель 8 и формирователь сигналов 7.
При параллельной работе с сетью переключатель 8 обеспечивает управление системой возбуждения 5 от сети через формирователь сигналов управления 7. За счет этого частоты f АГ и сети будут абсолютно одинаковыми независимо от частоты вращения вала дизеля ш.
Заключение. Вышеизложенное позволяет сделать вывод о перспективности использования АГ в ДЭУ автономных систем.
Список литературы
1. Абсалямов Д Р., Литвинов А.А., Теряшов А.И. Применение дизель-генераторных установок с переменной частотой вращения в системах гарантированного электропитания наземных комплексов космического назначения // Современные проблемы создания и эксплуатации вооружения, военной и специальной техники. Труды всероссийской научно-практической конференции. Том 1. СПб.: ВКА имени А.Ф.Можайского, 2012. С. 120124.
2. Абсалямов Д.Р., Авсюкевич Д.А., Курчидис В.А., Резаев И.Р., Сеньченков В.И. Программа управления режимами энергоснабжения специальных технических систем и комплексов при нестабильной нагрузке / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014614449 «Программно-моделирующий комплекс управления энергопотреблением энергосилового оборудования специальных технических систем наземных комплексов» заявка № 2014611787 от 26.02.2014.
3. Елистратов В.В. Энергоснабжение автономных потребителей энергокомплексами на базе возобновляемых источников энергии. Energy efficiency and agricultural engineering. Conference proceedings. Ruse, Bulgaria, 2015. P. 494-502.
4. Елистратов В.В, Конищев М.А. Ветро-дизельные электростанции для автономного энергоснабжения северных территорий России // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (151) 2014. С. 62-70.
5. Путятинский В.А., Орлов А.В., Дружинин П.В. Оптимальное регулирование частоты вращения дизель-электрической установки с асинхронным генератором в зависимости от нагрузки. Двигателестроение, 1981. № 7. С. 30-32.
Абсалямов Дамир Расимович, д-р техн. наук, доцент, начальник кафедры, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Аитов Ренат Наильевич, канд. техн. наук, преподаватель, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Дружинин Петр Владимирович, д-р техн. наук, профессор, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военный институт (инженерно-технический) Военной академии материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В.Хрулёва,
Петров Алексей Юрьевич, начальник отдела, a.y.petrov@adm.gazprom. ru, Россия, Санкт-Петербург, ПАО «Газпром»
PARALLEL OPERATION OF DIESEL GENERATOR SET WITH ASYNCHRONOUS GENERATORS
D.R. Absalyamov, R.N. Aitov, P.V. Druzhinin, A.YU. Petrov
The article discusses the features of the use of an autonomous asynchronous semiconductor cascade. Theoretical and experimental studies of the parallel operation of an autonomous asynchronous-semiconductor cascade in diesel generator sets have been carried out. The prospects of using asynchronous generators in autonomous power plants are substantiated. The operating modes of a diesel generator with an asynchronous generator are considered.
Key words: diesel generator set, asynchronous generator, autonomous power supply
system.
Absalyamov Damir Rasimovich, doctor of technical sciences, docent, head of department, vka@mil.ru, Russia, St. Petersburg, Military-space academy of a name A.F. Mozhayskogo,
Aitov Renat Nailevich, candidate of technical sciences, lecturer, vka@mil. ru, Russia, St. Petersburg, Military-space academy of a name A.F. Mozhayskogo,
Druzhinin Petr Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, vka@mil.ru, Russia, St. Petersburg, Military Engineering Institute of the Military Logistics Academy named after General of the Army A.V. Кhrulyova
Petrov Aleksej YUr'evich, department head, a.y.petrov@,adm.gazprom.ru, Russia, St. Petersburg, PJSC «Gazprom»
