CC BY
81
УДК 621.313 ББК 31.261
A.А. АФАНАСЬЕВ, И.И. ИСЛОМОВ,
B. А. ЧИХНЯЕВ, А.М. ДМИТРЕНКО
СТАБИЛИЗАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЯ И ЧАСТОТЫ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С ПОМОЩЬЮ МАГНИТНОГО РЕДУКТОРА
Ключевые слова: синхронная машина с постоянными магнитами, модулятор, преобразователь частоты, ветроколесо, электрогенератор, обратная связь, регулятор, переходные процессы, моделирование.
Рассматривается математическое описание совмещённого электромеханического устройства, обладающего свойствами синхронной машины, подключённой к преобразователю частоты, и магнитного редуктора с переменным коэффициентом редукции. Предлагаются два подхода к математическому описанию устройства: первый базируется на основе баланса мощностей двух механических и одного электрического каналов движения энергий, второй - на основе представления рассматриваемого устройства в виде двух элементарных электрических машин, обладающих по одному воздушному зазору. Получена система дифференциальных уравнений для описания переходных процессов в трех вышеназванных каналах ветроэлектрической установки (ВЭУ). Предлагается аппаратная реализация замкнутой системы, стабилизирующей напряжение и частоту ВЭУ при переменной скорости ветра. На численной математической модели анализируются переходные процессы ВЭУ.
Постановка задачи. Ветроэлектростанции (ВЭС) вносят всё более заметный вклад в производство электроэнергии в нашей стране и за рубежом.
Из-за непостоянства скорости ветра и сравнительно низкой скорости вращения ветроколёс возникают проблемы с обеспечением качества электроэнергии этих станций. Названные проблемы решаются с помощью адаптационного поворота лопастей ветроколёс, применения механических мультипликаторов.
Существенное улучшение технико-экономических показателей ВЭС может достигаться путем применения магнитных редукторов с регулируемой редукцией [3-5].
Магнитный редуктор с регулируемой редукцией. На рис. 1. показана упрощенная конструктивная схема устройства. Редуктор имеет два коакси-ально расположенных ротора.
ПЧ
Рис. 1. Поперечный разрез редуктора
Первый (наружный, тихоходный) ротор 2, называемый часто модулятором, жёстко связан с входным валом. Он имеет угловую скорость вращения Q1 и содержит шихтованные ферромагнитные призматические стержни с числом z.
Магнитное поле статора с числом пар полюсов p1, поступающее на одну сторону модулятора, на другой его стороне будет иметь основную гармонику с небольшим числом пар полюсов, равным разности (z - p{). Это малополюсное магнитное поле взаимодействует с магнитами внутреннего ротора, имеющего то же самое число пар полюсов.
Второй (внутренний, быстроходный) магнитоэлектрический ротор 1 с числом 2(z - p1) разнополярных магнитов вращается с угловой скоростью Q2.
Трехфазная обмотка статора в общем случае может подключаться к сети переменного тока через статический преобразователь регулируемой частоты ю. В результате магнитное поле статора будет перемещаться в пространстве с
угловой скоростью Q = +— (знак минус реализуется преобразователем при
Pi
смене следования фаз).
Скорости вращения роторов и выходная частота статического преобразователя удовлетворяют базовому уравнению редуктора
z ю
Q 2 Qi . (1)
z - Pi z - Pi
Для электромагнитных моментов M1 тихоходного и M2 быстроходного валов справедливы выражения
E E
M1 = 351k51 p1Л'0 sin 01, (2)
ЮХа
-M 2 = 3 D p2kb252 E5Eo Л' sin 02, (3)
D ЮХа
где E0, E5 - ЭДС холостого хода и результирующая трёхфазной обмотки статора, соответственно; 51, k51, p1, p2, k52, 52, D1, D2, 01, 02 - размеры и коэффициенты воздушных зазоров, числа пар полюсов, наружные диаметры, углы нагрузки, соответственно, тихоходного и быстроходного валов; Л'0 - постоянная составляющая сквозной удельной магнитной проводимости двух воздушных зазоров; xa - индуктивное сопротивление взаимоиндукции обмотки статора.
Для ЭДС обмотки статора, наведенной магнитным потоком воздушного зазора, будем иметь
E5 = E' + Ead + Eaq = - jXafFmh - jxjd - jxjq , (4)
где Eo =-jXafFm1 - ЭДС холостого хода обмотки статора; xaf = ю-^НЛтщк^ -
W 2
индуктивное сопротивление взаимоиндукции магнитов ротора с обмоткой статора; Л|т - постоянная составляющая сквозной удельной магнитной про-
• 4
водимости двух воздушных зазоров; FrM1 = — Им HcB - основная гармоника
%
МДС 6^0 / Л (wkw1)2
МДС магнитов ротора; xa =ю-/х1Л0- - индуктивное сопротивле-
%2 p1 ние взаимоиндукции обмотки статора.
Равновесие напряжения обмотки статора будет выражаться равенством
U -1Z = -E5, (5)
где Z = r + jxv; r, xa - активное и индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора, соответственно.
Электромагнитная мощность обмотки статора составит
Рэ = 3E5I cos . (6)
На рис. 2 показана векторная диаграмма цепи статора магнитного редуктора (МР) с током угловой частоты ю, которая содержит рассмотренные ЭДС ¿5, EE ad, Eaq и угол нагрузки 91.
и магнитного редуктора
Возможны два подхода к расчёту рабочего режима магнитного редуктора на переменном токе. Первый подход основан на балансе мощностей, потребляемых каждым энергетическим каналом МР. В основе второго подхода лежит представление о МР как о совокупности двух элементарных электрических машин.
Рассмотрим последовательно эти варианты.
Баланс мощностей в магнитном редукторе. Рассматриваемое электромеханическое совмещенное устройство обладает функциями регулируемого магнитного редуктора и регулируемой электрической машины, работающей двигателем или генератором.
Совмещённая электрическая машина-редуктор (СЭМР) имеет три канала управления: два механических (входной и выходной валы) и электрический (обмотку статора, питаемую через регулируемый статический преобразователь частоты (ПЧ) от сети переменного или постоянного тока).
При работе магнитного редуктора в режиме мультипликатора наружный ротор является входным, а внутренний ротор - выходным.
В режиме, когда СЭМР работает только как редуктор, мощности входного и выходного валов одинаковы:
МА = М202, М2 = (7)
М\ П.2
где М\, М2 - моменты, соответственно, на входном и выходном валах.
В этом режиме ПЧ обеспечивает питание катушек обмотки статора (они расположены на каждом зубце статора) постоянным током (ю = 0).
Физические основы формирования электромагнитных моментов М1 и М2 базируются на взаимодействии независимых магнитных потоков статора и внутреннего ротора. А природа источников этих магнитных потоков (магниты, постоянный или переменный ток) в рассматриваемом процессе несущественна. Поэтому у магнитного редуктора на переменном токе, как и у редукторов с использованием постоянного тока или только постоянных магнитов, соотношение электромагнитных моментов М\ и М2 с учетом различия их в знаках определяется формулой
М1 г
М - ■ (8)
М2 г - р
Следовательно, если известен момент одного из валов, то можно считать известным и момент другого вала. Скорости вращения валов 01 и 02 должны удовлетворять формуле (1)
П 2 = —^^ , (9)
г - р г - р
где ю - угловая частота источника питания обмотки статора.
Умножим левую и правую части равенства (9) на момент М2 и, учитывая соотношение моментов (8), получим
М2П2 = -МА + М 2—Ю— . (10)
г - р1
Разница между мощностями М20,2 и М101 в формуле (10), очевидно, представляет собой электромагнитную мощность синхронной машины Рэ, которой обмотка статора обменивается с питающей сетью
Рэ = Мэ — , (11)
р1
где Мэ - электромагнитный момент синхронной машины.
Следовательно, для второго слагаемого в правой части формулы (10) справедливо равенство
М2^ = МА. (12)
г - Р1 Р1
Полученное выражение (12) с учётом соотношения моментов (8) позволяет установить связь моментов М1 и М2 с электромагнитным моментом Мэ
М1 =-Мэ —, М 2 = М э . (13)
Р1 р
Из полученных выражений (13) следует принципиально важное равенство
М1 + М2 + Мэ = 0, (14)
подтверждающее известный постулат механики, что для равновесия твёрдого тела необходимо, чтобы сумма всех сил, действующих на тело, и сумма моментов этих сил равнялись нулю.
Учитывая, что моменты M1 и M2 на валах редуктора действуют встречно друг к другу, из равенства (14) можно также утверждать, что модуль момента тихоходного вала |M11 равен модулю суммы моментов |M1 + Мэ|
Mi|=|M2 + Мэ|. (15)
Поэтому главные размеры магнитного редуктора на переменном токе, формирующие габариты синхронной машины, будут определяться величиной момента M1 на тихоходном валу, поскольку он будет больше электромагнитного момента M3.
Электромагнитный редуктор как совокупность двух элементарных электрических машин. В соответствии с равенством (1) при z >p1 и ю > 0 (имеем прямое следование фаз обмотки статора при включении ПЧ) направления вращения тихоходного и скоростного валов и магнитного поля статора одинаковы, а направления действия электромагнитных моментов M1, M2 противоположны. Каждый из этих электромагнитных моментов формируется магнитным полем соответствующего воздушного зазора.
По физической сути мы имеем две элементарные синхронные электрические машины с одной общей обмоткой статора1.
Применительно к мультипликаторному режиму первая элементарная машина с воздушным зазором 51 и электромагнитным моментом M1 всегда работает в генераторном режиме с током статора I1, передавая ПЧ мощность M1Q1.
Вторая элементарная машина с воздушным зазором 52 и электромагнитным моментом M2 всегда работает в двигательном режиме с током статора I2 , потребляя от ПЧ мощность M2Q2.
В зависимости от реализации того или иного неравенства
MA <M2Q2, M1Q1 >M2Q2 (16)
результирующий ток статора
I = h +12 (17)
будет двигательным или генераторным. В первом случае имеем
M1Q1 + Рэ = M2Q2, (18)
во втором -
M1Q1 = Рэ + M2Q2, (19)
где
Рэ = 3E51 cos y1 = M3 ю/p1. (20)
Рассмотрим вариант работы СЭМР, при котором внешний момент и скорость вращения входного вала фиксированы (M1Q1 = const).
1 Элементарная машина характеризуется наличием своего воздушного зазора. Если, например, размер первого воздушного зазора будет уменьшен до нуля, то МР становится быстроходной синхронной машиной с числом пар полюсов р2 = г - р1, хотя обмотка статора будет по-прежнему иметь число пар полюсов р1. При отсутствии второго воздушного зазора будем иметь тихоходную синхронную машину с числом пар полюсов р1. В обоих названных вариантах внутренний ротор с магнитами имеет р2 = г - р1 пар полюсов. Эти метаморфозы становятся возможными благодаря модулятору с г ферромагнитными стержнями.
Магнитное поле магнитов внутреннего ротора присутствует одновременно в первом (у статора) и во втором (у внутреннего ротора) воздушных зазорах, причём в первом зазоре оно имеет p1, а во втором - p2 = г - p1 пар полюсов.
Электромагнитные мощности М101 и М20,2 формируются магнитным полем в воздушных зазорах, соответственно, первой и второй элементарных машин и передаются через первый воздушный зазор статору и через второй воздушный зазор - внутреннему ротору. Поскольку скорость вращения магнитного поля статора (ю/р1) отличается от скоростей роторов (01 и 02), электромагнитные моменты статора (Мэ1 и Мэ2) будут отличаться от электромагнитных моментов роторов М1 и М2.
Электромагнитные моменты и мощности связаны с соответствующими токами обмотки статора 11 и 12. Имеем
МА= Мэ1 ю/Р1 =3^51/1008 уь М2^2= Мэ2 ю/Р1 =3Е52/2 008 у2, (21) где у 1 = , /), / = 1,2 - фазовый сдвиг тока и результирующей ЭДС обмотки статора элементарной машины.
Будем полагать, что внешний момент М1вн = -М1, действуя в направлении вращения поля статора, вызывает опережение в зазоре 51 (относительно поля статора) магнитного поля магнитов ротора. В этом случае первая элементарная машина, работая в генераторном режиме, создаёт электромагнитный момент М1, приложенный к стержням модулятора в направлении против его вращения. Обмотка статора будет отдавать ПЧ электромагнитную мощность
Рэ1 = 3Е51/1 008 У1 = М э1 ю/Р1.
Во втором воздушном зазоре будет формироваться электромагнитный момент М2, воздействующий на внутренний ротор в направлении его вращения, а обмотка статора второй элементарной машины, работая в двигательном режиме, будет потреблять от ПЧ мощность
Рэ2 = 3Е52/2 008 у 2 = Мэ2 ю/Р1 .
Справедливо равенство, выражающее баланс мощностей:
М1вн^1 + Мэ ю/Р = М2^2 , (22)
где Мэ = Мэ1 + Мэ2.
Уравнения динамического равновесия механических и электрических каналов магнитного редуктора. В соответствии с равенством (14), выражающим баланс электромагнитных моментов, действующих на валы редуктора, можем записать уравнения механического движения для тихоходного и скоростного валов:
^ ^ = Мвк - М1; J2 ^ = М2 + Мэ - Мэг, (23)
ш ш
где J1, J2 - суммарные моменты инерции, соответственно, ветроколеса с тихоходным валом и ротора электрогенератора с быстроходным валом; Мвк - внешний момент, передаваемый тихоходному валу ветроколесом; электромагнитные моменты валов М1, М2 представлены формулами (2) и (3); Мэг - внешний момент, прикладываемый к быстроходному валу со стороны электрогенератора.
Для электромагнитного момента совмещённой редукторной синхронной машины в соответствии с формулой (12) справедливо
Mэ = M 2-^. (24)
г - ^
Тогда второе уравнение в формуле (23) запишется в таком виде:
dQ.2 г
Jг—L = М2--Мэг. (25)
dt г - р1
Углы нагрузки 91 тихоходного и 92 быстроходного роторов найдём из уравнений
ла 1
(г - Р1Р2 + г^], (26)
d01 1
dt P1
d02 О
dt
-О, --Ю
¿2 "1
z - Pi z - Pi
(27)
в которых значения правых частей уравнении равны разнице скоростей магнитных полей, созданных обмоткой статора и магнитами быстроходного ротора в соответствующих воздушных зазорах.
Уравнения равновесия электрического канала - обмотки статора - могут быть представлены в следующей форме
= -Umi COS б, - %Ю - rImi , (28)
dt
Umisin б, =-Ч>, (29)
4
где ю = -E0m = -xafF™i =-х^—Им HcB - амплитудное значение ЭДС холо-
%
стого хода; = -LqIm1; = - xqIm1; Im1 - амплитуда основной гармоники
тока статора; Um1 = — Еп - амплитуда первой гармоники напряжения син-%
хронной машины (это напряжение противоположно по знаку выходному напряжению первой гармоники преобразователя частоты); Еп - выходное напряжение звена постоянного тока статического преобразователя частоты.
В формулах (28), (29) поперечный ток представлен амплитудой первой гармоники тока статора Ig = Im1, так как система управления преобразователем частоты формирует названную гармонику тока совпадающей по фазе с ЭДС холостого обмотки статора. В этом случае продольный ток статора Id будет равен нулю.
Уравнения (2)-(4), (23)-(29) позволяют описать переходные процессы в рассматриваемой ВЭУ с регулируемым магнитным редуктором при отсутствии обратных связей по скорости и току электрогенератора.
Следует обратить внимание, что формула (5) определяет результирующую ЭДС обмотки статора Es, наведенную магнитным полем воздушного зазора, в установившемся режиме. Для переходных процессов эту ЭДС следует находить по формуле, вытекающей из выражений (28), (29):
Es = JEm-', (30)
z
где Ьщ = Ьд — - индуктивность взаимоиндукции обмотки статора по поперечной оси.
Необходимые параметры этой электромеханической системы представлены в Приложении.
Режим автоматической стабилизации скорости вращения быстроходного вала редуктора. Устройство стабилизации напряжения и частоты ветроэнергетической установки (рис. 3) содержит ветроколесо 1, соединенное с мультипликатором - электромагнитным редуктором 2 (патент ЯИ № 2529422 Н02К16/00, Н02К51/00) с регулируемым коэффициентом редукции, выходной вал 3 которого соединен с валом синхронного генератора 4 с возбуждением от постоянных магнитов, второй конец вала генератора соединён с датчиком скорости 5.
Рис. 3. Принципиальная конструктивная схема устройства стабилизации напряжения и частоты
Обмотка статора электромагнитного редуктора подключёна к выходу преобразователя частоты 6, управляющий вход которого соединён с выходом регулятора 7. Регулятор имеет два входа, первый из которых 9 соединён с выходом датчика скорости, второй вход 8 - с устройством задания скорости вращения вала генератора.
Регулятор состоит из операционного усилителя 10, входных резисторов 11 и 12, резистора 13 и конденсатора 14 в цепи обратной связи усилителя.
Коэффициенты усиления регулятора - отношение резисторов 13 и 11 по первому входу и отношение сопротивлений резисторов 13 и 12 по второму входу.
Интегральная постоянная времени регулятора - произведение сопротивления входного резистора 12 и ёмкости конденсатора 14, а периодическая постоянная времени - произведение сопротивления резистора 13 и ёмкости конденсатора 14.
Выходные параметры стабилизированных значений частоты и напряжения ветроэнергетической установки фиксируются устройством 15, подключённым к выходным зажимам генератора.
Устройство стабилизации напряжения и частоты работает следующим образом. В квазиустановившемся режиме скорость вращения ветроколеса меняется в определённых пределах и зависит от скорости ветра. Требуемая скорость вращения 02 вала синхронного генератора задается сигналом задания. Выходные параметры генератора поддерживаются на определённом, заданном сигналом задания уровне. Поддержание осуществляется согласно зависимости (1).
Если скорость ветра достигает предельного уровня (скорость вращения ветроколеса максимальна, согласно конструкции установки), выходная частота преобразователя ю становится равной нулю.
При уменьшении скорости ветра (и ветроколеса) скорость вращения вала генератора уменьшается, следовательно, уменьшаются сигнал с выхода датчика скорости и входной сигнал регулятора. Сумма входных сигналов регулятора увеличивается, следовательно, возрастает выходной сигнал регулятора, который, в свою очередь, увеличивает выходную частоту ю преобразователя. Выходная скорость редуктора устанавливается на прежнем заданном уровне.
Восстановлению скорости способствует регулятор с его пропорционально-интегральной функцией. Время регулирования будет зависеть от коэффициента усиления по второму входу и постоянных времени регулятора.
Согласно формуле (1): уменьшается (изменяется) первая составляющая правой части уравнения, увеличивается (изменяется) вторая составляющая, а скорость вращения генератора 02 остается на заданном уровне.
На рис. 4 показаны графики неизменной скорости 02, выходной частоты преобразователя ю в функции скорости вращения ветроколеса иллюстрирующие описанный выше процесс стабилизации выходных параметров напряжения генератора.
Рис. 4. График требуемого изменения выходной частоты преобразователя ю в функции скорости ветра V при постоянстве скорости вращения генератора 02
На рис. 5 приведен результат моделирования устройства стабилизации напряжения и частоты ветроэнергетической установки при изменении скорости ветра.
Установившаяся скорость вращения генератора имеет незначительные колебания, которые зависят от настройки регулятора.
160 140
рад/с120
100
во во
40
20 0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 3 10
I С
Рис. 5. Переходный процесс стабилизации скорости вращения генератора стабилизирующим устройством
г
Приложение
Геометрические размеры и параметры магнитной системы редуктора
1. Быстроходный (внутренний) ротор с неодим-железо-боровыми магнитами выполняется на базе ротора вентильного двигателя Чебоксарского электроаппаратного завода 6ДВМ 300, имеющего следующие данные:
Б2 = 122 мм - наружный диаметр; 12 = 150 мм - активная длина; ймаг = 5 мм -высота магнитов.
2. Статорный сердечник магнитного редуктора (МР) взят от асинхронного электродвигателя 4А132 М 6 мощностью 5,5 кВт (Цфн = 220 В; 1н = 12,25 А; 2р = 6; Пэ1 = 526 Вт - электрические потери в обмотке статора; Мн = 54,3 Нм, Мтах = 135,8 Нм -номинальный и максимальный моменты), который имеет [2]:
Бн = 225 мм - наружный диаметр; Б, = 158 мм - диаметр расточки; ¡\ = 160 - активная длина; 1\ = 54 - число пазов.
3. Модулятор (тихоходный ротор МР):
Бмнар = 157 мм - наружный диаметр; Бмвн = 125 мм - внутренний диаметр; г = 23 -число стержней модулятора; /мнар = лБмнар/г = 21,4 мм, = лБмвн/г = 17,1 мм - зуб-цовые шаги модулятора, соответственно, по наружному и внутреннему диаметрам; 81 = 0,5 мм - наружный воздушный зазор модулятора (между модулятором и статором); 52 = 6,5 мм - внутренний немагнитный зазор модулятора (между модулятором и ярмом быстроходного ротора при высоте магнитов Нм = 5 мм); Ьзм = /мвн/2 и 8,5 мм -ширина зубца модулятора; Нзм = (Бмнар - Бмвн)/2 = 16 мм - высота зубца модулятора; Ьпнар = ^мнар - Ьзм = 21,4 - 8,5 = 12,9 мм, ¿пвн = 4внр - Ьзм = 17,1 - 8,5 = 8,6 мм - соответственно, ширина пазов модулятора по его наружному и внутреннему диаметрам.
Л0=71,3 м-1, Л'т =104 м-1 - соответственно, постоянная составляющая и амплитуда переменной удельной магнитной проводимости.
Обмотка статора. Трехфазная зубцовая обмотка статора, имеющая число пар полюсов pi = 21, состоит из 54 катушек, число которых равно числу зубцов z\ = 54 статорного сердечника. Обмотка имеет число пазов на полюс и фазу q = 3/7.
w = Nkpwk / a = 6 • 3 • 90 / 1 = 1620 - число витков в фазе; N = 6 - число катушек в симметричной группе; kp = 3 - число симметричных групп в фазе; wk = 90 - число витков в катушке; a = 1 - число параллельных ветвей в фазе; kw1 = ky1kp1 = = 0,9397 • 0,8312 = 0,7811 - обмоточный коэффициент [1]; ky1 = 0,9397, kP1 = 0,8312 -коэффициенты укорочения и распределения.
R = 0,43 Ом - активное сопротивление; хп = 7,4 Ом - индуктивное сопротивление рассеяния на частоте f = 50 Гц (в пазу находятся катушечные стороны, принадлежащие разным фазам). E0 = 98,3 В; ха = 1,77 Ом - ЭДС холостого хода и индуктивное сопротивление взаимоиндукции обмотки статора на частоте 50 Гц.
Литература
1. АлексееваМ.М. Машинные генераторы повышенной частоты. Л.: Энергия, 1967. 344 с.
2. Асинхронные двигатели серии 4А: справочник / сост.: А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф,
B.И. Афонин, Е.А. Соболенская. М.: Энергоиздат, 1982. 504 с.
3. Афанасьев А.А. Функциональные режимы совмещенного исполнения электрической машины и магнитного редуктора с короткозамкнутым ротором // Электричество. 2015. № 12.
C. 51-58.
4. Афанасьев А.А., Ефимов В.В. Электрическая машина с реактивным редуктором // Электричество. 2015. № 8. С. 27-33.
5. Пат. 2590929 (РФ), МПК F03D 7/00. Устройство стабилизации напряжения и частоты ветроэнергетической установки / Афанасьев А.А., Чихняев В.А.; патентообладатель Чуваш. гос. ун-т; № 2015127387/06, заявл. 07.07.2015 г.; опубл. 10.07.2016 г., Бюл. № 19, 10 с.
АФАНАСЬЕВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры автоматики и управления в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (afan39@mail.ru).
ИСЛОМОВ ИЛЬЁСХОДЖА ИКРОМХОДЖАЕВИЧ - аспирант кафедры автоматики и управления в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (ilyos-friend@mail.ru).
ЧИХНЯЕВ ВИКТОР АЛЕКСАНДРОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры систем автоматического управления электроприводом, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (chih4242@mail.ru).
ДМИТРЕНКО АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры электроснабжения промышленных предприятий имени А. А. Фёдорова, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (dmitrenko_am@mail.ru).
A. AFANASYEV, IISLOMOV, V. CHIHNYAEV, A. DMITRENKO STABILIZATION OF VOLTAGE AND FREQUENCY OF WIND POWER PLANT GENERATOR BY THE USE OF MAGNETIC REDUCER Key words: synchronous machine with permanent magnets, modulator, frequency converter, wind wheel, generator, feedback, controller, transients, modeling. The article considers mathematical description of combined electromechanical device having the properties of a synchronous machine connected to the frequency converter and a magnetic gearbox with a variable reduction coefficient. Two approaches to the mathematical description of the device are proposed: the first one is based on the power balance of two mechanical and one electrical channels of energies flow, the second approach is on the basis of the performance of the considered device in the form of two basic electric machines having one air gap. There is a resulting system of differential equations to describe the transient processes in the
above three channels of a wind power unit (WPU). Hardware implementation of the closed-loop system is proposed, the latter stabilizes the voltage and frequency of the wind turbine at variable wind speed. Transients of wind turbines are analyzed according to the numerical mathematical model.
References
1. Alekseeva M.M. Mashinnye generatory povyshennoi chastity [Engine generators high frequency]. Leningrad, Energiya Publ., 1967, 344 p.
2. Asinkhronnye dvigateli serii 4A: spravochnik [Asynchronous motors series 4A: Reference book]. Moscow, Energoizdat Publ., 1982, 504 p.
3. Afanasyev A.A. Funktsional'nye rezhimy sovmeshchennogo ispolneniya elektricheskoi mashiny i magnitnogo reduktora s korotkozamknutym rotorom [Functional modes of execution combined electrical machine and magnetic gear with squirrel cage rotor]. Elektrichestvo [Electricity], 2015, no. 12, pp. 51-58.
4. Afanasyev A.A., Efimov V.V. Elektricheskaya mashina s reaktivnym reduktorom [Electric machine with reactive reducer]. Elektrichestvo [Electricity], 2015, no. 8, pp. 27-33.
5. Afanasyev A.A., Chikhnyaev V.A. Ustroistvo stabilizatsii napryazheniya i chastoty vetroenerge-ticheskoi ustanovki [The device voltage and frequency of the wind turbine]. Patent RF, no. 2590929, 2016.
AFANASYEV ALEXANDER - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Management and Computer Science in Technical Systems, Chuvash State University, Russia, Cheboksary (afan39@mail.ru).
ISLOMOVILYOSKHOJA - Post-Graduate Student, Department of Automatics and Control in Technical Systems, Chuvash State University, Russia, Cheboksary (ilyos-friend@mail.ru).
CHINAEV VIKTOR - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Automatic Control Systems for Electric Drive, Chuvash State University, Russia, Cheboksary (chih4242@mail.ru).
DMITRENKO ALEKSANDR - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Power Supply of Industrial Enterprises named after A.A. Fedorov, Chuvash State University, Russia, Cheboksary (dmitrenko_am@mail.ru).
Ссылка на статью: Афанасьев А.А., Исломов И.И., Чихняев В.А., Дмитренко А.М. Стабилизация напряжения и частоты электрогенератора ветроэнергетической установки с помощью магнитного редуктора // Вестник Чувашского университета. - 2017. - № 1. - С. 14-25.
