CC BY
25
УДК 621.314.5 ББК 31.261 К 31
Кашин Я.М.
Кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой электротехники и электрических машин Кубанского государственного технологического университета, профессор кафедры авиационного и радиоэлектронного оборудования Краснодарского высшего военного авиационного училища летчиков, Краснодар, email: jlms@mail.ru
Варенов А.Б.
Кандидат технических наук, доцент, преподаватель кафедры авиационного и радиоэлектронного оборудования Краснодарского высшего военного авиационного училища летчиков, Краснодар, e-mail: kupol@inbox.ru Кириллов Г.А.
Кандидат технических наук, доцент кафедры авиационного и радиоэлектронного оборудования Краснодарского высшего военного авиационного училища летчиков, Краснодар, e-mail: kirillov.g.a@yandex.ru
Сравнительный анализ преобразователей повышенной частоты как возможных источников наземного электропитания воздушных судов
(Рецензирована)
Аннотация. Дано сравнение массоэнергетических показателей электромашинных преобразователей повышенной частоты. Показаны преимущества синхронно-асинхронного преобразователя частоты перед другими типами электромашинных преобразователей.
Ключевые слова: сумма расчетных мощностей, коэффициент полезного действия, коэффициент мощности, частота переменного тока на выходе.
Kashin Ya.M.
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Electrical Engineering and Electrical Machines, Kuban State University of Technology, Professor of the Department of Avionics, Krasnodar Air Force Institute for Pilots, Krasnodar, e-mail: jlms@mail.ru
Varenov A.B.
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Lecture of the Department of Avionics, Krasnodar Air Force Institute for Pilots, Krasnodar, e-mail: kupol @inbox.ru
Kirillov G.A.
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Avionics, Krasnodar Air Force Institute for Pilots, Krasnodar, e-mail: kirillov.g.a@yandex.ru
Comparative analysis of high frequency converters as possible sources of land supply of aircrafts
Abstract. The work provides comparison of mass and energy indicators of electric machine converters with increased frequency and shows the benefits of synchronous-asynchronous frequency converter compared to other types of electric machine converters.
Keywords: amount of design capacitance, coefficient of efficiency, power factor, frequency of alternating current at the output.
Мощность основной сети переменного тока современных аэродромов велика. Поэтому экономически наиболее целесообразным является получение электрической энергии повышенной частоты 400 Гц не путем генерирования, а путем преобразования переменного тока с частотой 50 Гц в переменный ток с частотой 400 Гц (а также 400 Гц и 1000 Гц). С этой целью на современных аэродромах для наземного электропитания воздушных судов применяются как статические, так и электромашинные преобразователи повышенной частоты, имеющие свои достоинства и недостатки.
Статические преобразователи представляют собой довольно сложные, имеющие значительный вес и габариты устройства. В тех случаях, когда выходная частота выше входной,
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Администрации Краснодарского края в рамках научного проекта № 16-48-230500 р_а.
они выполняются, как правило, с явно выраженным звеном постоянного тока и состоят из выпрямителя и автономного инвертора [1], у которого падение напряжения может достигать 30%. При этом на крутизну внешней характеристики влияет также наличие фильтров, которые включаются на выход преобразователя для улучшения формы кривой выходного напряжения. В зависимости от типа фильтра расчетная мощность его элементов, конденсаторов и дросселя превышает в 1,5-3 раза мощность нагрузки. В комплекте с инвертором работают специальные устройства стабилизации выходного напряжения, которые имеют также сложную структуру. Кроме того, статические полупроводниковые преобразователи загружают электрические сети значительной реактивной мощностью с высшими гармониками тока. Это приводит к колебаниям сетевого напряжения по амплитуде и к искажениям его формы кривой, к уменьшению пропускной способности сетей, увеличению потерь и отрицательно сказывается на работе приемников электрической энергии, питающихся от этих сетей.
Электромашинные преобразователи частоты могут быть построены по следующим схемам:
- «асинхронный двигатель - синхронный генератор»;
- «синхронный двигатель - синхронный генератор»;
- «синхронный двигатель - асинхронный преобразователь частоты».
В настоящее время для электропитания воздушных судов на аэродромах применяются электромашинные агрегаты типа ВПЛ и ПСЧ [1, 2], построенные по схеме «асинхронный двигатель - синхронный генератор» или асинхронно-синхронные преобразователи частоты (рис. 1), которые имеют принципиальный недостаток: несмотря на то, что частота питающей сети стабильная, частота переменного тока на выходе асинхронно-синхронного преобразователя получается нестандартной и нестабильной. Она изменяется в зависимости от скольжения асинхронного двигателя при изменении нагрузки и напряжения первичной сети:
/2=/грсг(1-?)/рАд , (1)
где рСГ - число пар полюсов синхронного генератора; рАд - число пар полюсов асинхронного двигателя; ^ - скольжение асинхронного двигателя; /1 - частота переменного тока первичной сети; /2 - частота переменного тока на выходе преобразователя.
Уц Ь иг, Ь
О—
Цов
Рис. 1. Асинхронно-синхронный преобразователь частоты: АД - асинхронный двигатель; СГ - синхронный генератор; ОВ - обмотка возбуждения
Расчетная электрическая мощность асинхронного двигателя для привода синхронного генератора определяется по формуле:
5ад=Р2/(ПАД-ПСГ 'СОЪфАц) , (2)
где со$>фАд - коэффициент мощности асинхронного двигателя; щАд - коэффициент полезного действия асинхронного двигателя; щСГ - коэффициент полезного действия синхронного генератора.
Расчетная электрическая мощность синхронного генератора:
5СГ=1,1Р2 . (3)
Сумма расчетных мощностей асинхронно-синхронного преобразователя частоты:
'ESрАС=SАД±ScГ . (4)
Обычно скольжение асинхронного двигателя при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной изменяется примерно от 0,01 до 0,05. Поэтому частота переменного тока на выходе преобразователя понижается даже при неизменной величине напряжения первичной сети. При колебаниях напряжения первичной сети в пределах ±10% от номинального и одновременном изменении нагрузки частота на выходе преобразователя изменяется в пределах 380-420 Гц. Работа с перегрузкой крайне нежелательна, так как скольжение асинхронного двигателя может достигать таких значений, при которых частота на выходе преобразователя не соответствует требованиям ГОСТ.
Преобразователь, построенный по схеме «синхронный двигатель - синхронный генератор» или синхронно-синхронный преобразователь частоты (рис. 2), позволяет получить на выходе стандартную и стабильную частоту переменного тока. При этом находят свое проявление известные преимущества синхронных двигателей над асинхронными двигателями [3, 4].
Рис. 2. Синхронно-синхронный преобразователь частоты: СД- синхронный двигатель; СГ - синхронный генератор; ОВ - обмотка возбуждения
Частота переменного тока на выходе у такого преобразователя получается стандартной, стабильной и определяется по формуле:
/2=/1'РСГ/РСД , (5)
где рСГ - число пар полюсов синхронного генератора; рСд - число пар полюсов синхронного двигателя.
Расчетная электрическая мощность синхронного двигателя для привода синхронного генератора:
£сд=Р2/(ПСД-ПСГС08фсд) , (6)
где соБфед - коэффициент мощности синхронного двигателя; щСд - коэффициент полезного действия синхронного двигателя.
Сумма расчетных мощностей синхронно-синхронного преобразователя частоты:
^рСС^СД^СГ . (7)
Процесс преобразования электрической энергии в преобразователе, построенном по схеме «синхронный двигатель - синхронный генератор» в принципе ничем не отличается от процесса преобразования электрической энергии, в преобразователе, построенном по схеме «асинхронный двигатель - синхронный генератор».
Преобразователь, построенный по схеме «синхронный двигатель - асинхронный преобразователь частоты» или синхронно-асинхронный преобразователь частоты (рис. 3)
также имеет стандартную и стабильную частоту переменного тока на выходе.
Ui, fi Uob Ü2, h
Рис. 3. Синхронно-асинхронный преобразователь частоты: СД - синхронный двигатель; АП - асинхронный преобразователь; ОВ - обмотка возбуждения
В качестве приводного двигателя используется синхронный двигатель обращенной конструкции с индуктором на статоре. Обращенная конструкция обеспечивает минимальное количество контактных колец со щетками - всего три. В случае, когда индуктор синхронного двигателя располагается на роторе, контактных колец со щетками было бы пять. Кроме того, ярмо индуктора такого синхронного двигателя является одновременно и корпусом электрической машины, что снижает массу конструктивных деталей и общую массу преобразователя.
Асинхронная машина имеет трехфазные обмотки на статоре и роторе и работает в режиме преобразователя частоты. Часть электрической энергии из первичной сети передается трансформаторным способом с более высоким коэффициентом полезного действия, чем при генераторном способе. Первичная обмотка асинхронного преобразователя подключается к первичной сети с обратной последовательностью по отношению к последовательности подключения обмотки якоря синхронного двигателя.
Угловая скорость вращения магнитного поля, сцепленного с витками вторичной обмотки асинхронного преобразователя, определяется по формуле:
^2=^1+^0 , (8) где т1 - угловая скорость вращения ротора; а0 - угловая скорость вращающегося магнитного поля, создаваемого первичной обмоткой, относительно ротора.
Частота переменного тока на выходе асинхронного преобразователя частоты:
/2=/1-(РАП/РСД+1) , (9)
где рАП - число пар полюсов асинхронного преобразователя частоты; рСд - число пар полюсов синхронного двигателя.
Скольжение асинхронного преобразователя частоты:
52=(^1+Шо)/^0=1+РАп/рСД . (10)
Процесс преобразования электрической энергии в синхронно-асинхронном преобразователе частоты существенно отличается от процесса преобразования электрической энергии в рассмотренных выше преобразователях.
Крутизна внешней характеристики асинхронного преобразователя частоты больше, чем у синхронного генератора равной мощности. Это происходит потому, что при увеличении нагрузки и неизменном напряжении, приложенном к первичной обмотке, расположенной на роторе, возрастают падения напряжения не только в обмотках статора, но и в обмотках ротора, отделенного воздушным зазором. Поэтому даже при постоянном первичном напряжении изменение выходного напряжения может достигать 30% и более [5].
Активная мощность, передаваемая из первичной сети на выход преобразователя трансформаторным способом [5], определяется так:
РТ=Р2'РСД/(РСД+РАП) (11)
или
Рт=Р2/Ь2 , (12)
где Р2 - активная мощность на выходе; s2 - скольжение асинхронного преобразователя частоты (52>1).
Активная мощность, передаваемая из первичной сети на выход преобразователя генераторным способом:
Рг=Р2РАП/(РСД+РАП)=Р2(/2-/1)//2 (13)
или
Рг=Р2(S2-l)/S2 . (14)
Из формулы (14) видно, что в синхронно-асинхронном преобразователе частоты для получения одной и той же мощности на выходе требуется приводной двигатель меньшей мощности, чем в рассмотренных выше преобразователях. Это позволяет снизить удельную массу преобразователя, что является существенным преимуществом синхронно-асинхронного преобразователя частоты.
Активная мощность, потребляемая асинхронным преобразователем частоты:
РАП=РТ/ЦАП=РАЧШ*2)=Р2'/АЦА1Г/2) , (15)
где щАП - коэффициент полезного действия асинхронного преобразователя частоты. Полная мощность, потребляемая асинхронным преобразователем частоты:
£АП=РАП/СО8ФАП , (16)
где соъфАп - коэффициент мощности асинхронного преобразователя частоты.
Расчетная электрическая мощность асинхронного преобразователя частоты, приведенная к угловой скорости вращения ротора синхронного двигателя:
SАПnр=SАП'PАП/PСД . (17)
Расчетная электрическая мощность синхронного двигателя для привода асинхронного преобразователя частоты:
ScД=Р2tf2-h)/(nСД^ЧАП■/2) . (18)
Сумма расчетных мощностей синхронно-асинхронного преобразователя частоты:
'ESрСА=Scд+SАПnр . (19)
Реактивная мощность асинхронного преобразователя частоты:
QАП=SАП'SinфАП . (20)
Коэффициент мощности синхронно-асинхронного преобразователя частоты:
СО*ФПРСА=(РСД+РАП)/[(РСД+РАП)^АП2]0,5 . (21)
Коэффициент полезного действия синхронно-асинхронного преобразователя частоты:
ППРСА=Р2/(РСД+РАП) . (22)
В таблице 1 приведены оценки коэффициента полезного действия щПр , коэффициента мощности соБфПр и суммы расчетных мощностей , описанных выше электромашинных агрегатов мощностью 30-50 кВ-А по отношению к полезной мощности на выходе, принимаемой за единицу, при условии, что:
- частота напряжения на входе /1=50 Гц, 400 Гц;
- частота напряжения на выходе /2=400 Гц, 1000 Гц;
- коэффициент мощности: асинхронных машин со$>фАд=со$>фАП=0,85,
синхронных машин со$фСг=со$>фСд=1;
- коэффициент полезного действия ЦАД=ЦСГ=ЦСД=ЦАП=0,9.
Из таблицы 1 видно, что для схемы «синхронный двигатель - асинхронный преобразователь частоты» характерно то, что сумма расчетных мощностей Е£р уменьшается с увеличением отношения числа пар полюсов синхронного двигателя рСд к числу пар полюсов асинхронного преобразователя рАП .
Результаты проведенного анализа позволяют сделать следующие выводы:
1. Наилучшими показателями при прочих равных условиях обладает синхронно-асинхронный преобразователь частоты. Такая схема обеспечивает достаточно высокий коэффициент полезного действия щПр , коэффициент мощности со$>фПр , а сумма расчетных мощностей ЪБР , следовательно, и удельная масса, кг/кВ-А, получается меньше.
2. Особенно большие преимущества синхронно-асинхронного преобразователя частоты получаются при повышении частоты в 2-3 раза. В этих случаях мощность, передаваемая трансформаторным способом, составляет около 32% от общей мощности, отдаваемой во вторичную цепь
3. При всех преимуществах применение асинхронного преобразователя частоты проблематично из-за трудностей, с которыми приходится сталкиваться при построении системы стабилизации выходного напряжения.
4. Необходимо применение сравнительно мощного регулятора трехфазного напряжения, подводимого к роторной обмотке или снимаемого со статорной обмотки.
Таблица 1
Результаты расчета массоэнергетических показателей электромашинных агрегатов
№ п/п Тип преобразователя частоты /1=50 Гц; /2=400* Гц /1=400 Гц; /2=1000** Гц
ППр cos^np ISP Ппр cos^np
1. Асинхронно-синхронный 2,55Р2 0,81 0,85 2,55Р2 0,81 0,85
2. Синхронно -синхронный 2,335Р2 0,81 1 2,335Р2 0,81 1
3. Синхронно -асинхронный 2,221Р2 0,821 0,99 1,523Р2 0,845 0,97
Числа пар полюсов: * - Рсд=1; Рап=7; ** - Рсд=2; Рап=3
Примечания:
1. Наземные авиационные источники электроэнергии / В. А. Перегудов, Л.И. Фиолетова, Л.И. Моторный [и др.]. М.: Транспорт, 1980. 135 с.
2. Емельянов И.А., Овчинников И.П. Многоагрегатные передвижные электростанции: справочник. М.: Воениздат, 1987. 104 с.
3. Ипатенко Н.П. Автоматическое регулирование возбуждения синхронных двигателей средней мощности. Брянск: Брянский ин-т транспортного машиностроения, 1974. 148 с.
4. Сыромятников И.А. Режимы работы синхронных и асинхронных двигателей: справочник. М.: Энерго-атомиздат, 1984. 240 с.
5. Красношапка М.М., Красношапка Д.М. Электромашинные преобразователи частоты // Электроустановки повышенной частоты. Кишинев: Штиин-ца, 1978. С. 3-12.
References:
1. Ground aircraft power sources / V.A. Peregudov, L.I. Fioletova, L.I. Motorny [et al.]. M: Transport, 1980. 135 pp.
2. Emelyanov I.A., Ovchinnikov I.P. Multi-component mobile power plants: a handbook. M.: Voenizdat, 1987. 104 pp.
3. Ipatenko N.P. Automatic control of activation of synchronous motors of medium power. Bryansk: Bryansk Institute of Transport Engineering, 1974. 148 pp.
4. Syromyatnikov I.A. Operating modes of synchronous and asynchronous motors: a handbook. M.: Energoa-tomizdat, 1984. 240 pp.
5. Krasnoshapka M.M., Krasnoshapka D.M. Electro-machine frequency converters // Electro-Installations of High Frequency. Kishinev: Shtiintsa, 1978. P. 3-12.
