ШКОЛА MATLAB.
Урок 31. Энергосберегающая установка для испытания электрической машины ветрогенератора

Все статьи цикла

Введение

Создание эффективных средств экспериментальных исследований электрических машин является актуальной научно-технической и производственной задачей, обычно реализуемой с помощью стендового испытательного оборудования, которое должно обеспечивать:

• возможность комплексных испытаний электрических машин в широком диапазоне статических и динамических режимов, в том числе режимов наработки (выработки ресурса) и контроля технического состояния;
• требуемую точность и стабильность воспроизведения режимов испытаний;
• точность измерения контролируемых параметров и определения оценок показателей технического состояния и надежности.

Наряду с автоматизацией технологического процесса испытаний, включающей измерение, визуализацию, сбор, хранение и обработку экспериментальных данных, воспроизведение различных тестовых и эксплуатационных режимов и многое другое, эти стенды характеризуются двумя принципиальными особенностями:

1. Имеется замкнутый электромеханический контур, состоящий из двух электромеханических систем и позволяющий обеспечивать передачу энергии между ними, при этом одна из электромеханических систем обеспечивает прямую передачу энергии (работает в двигательном режиме), а вторая передает энергию в противоположном направлении (работает в генераторном режиме) [2, 4]. Тем самым создается взаимное нагружение испытуемых систем.
2. Благодаря искусственно организованной энергетической связи между двумя отмеченными системами мощность от внешнего источника энергии расходуется только на компенсацию потерь, и ее потребление минимально. Таким образом, достигается значительная экономия энергии, что особенно актуально для мощных приводов в процессе длительных ресурсных испытаний [2, 3].

В статье идея построения испытательной установки с замкнутым энергетическим контуром для взаимного нагружения электромеханических систем рассмотрена применительно к электрической машине ветрогенератора фирмы JMB Wind Engineering, выпускающей небольшие ветрогенераторы с вертикальной осью вращения [17].

Цель данной публикации — продемонстрировать возможности построения такой установки и оценить ее энергоэффективность, для чего и были решены следующие задачи:

• аналитическое описание и расчет энергетических характеристик установки;
• разработка виртуальной модели установки и осуществление модельного исследования;
• сравнение результатов аналитического расчета и моделирования, проверка адекватности разработанных моделей;
• расчет и построение энергетических характеристик, исследование энергетической эффективности установки и выработка рекомендаций ее практического построения.

 

Конструкция генератора

Фото электрической машины ветрогенератора фирмы JMB Wind Engineering приведено на рис. 1а. Машина содержит две секции, каждая из которых представляет собой трехфазную синхронную магнитоэлектрическую машину (СММ) с 12 парами полюсов. Конструкция статора одной фазы машины показана на фотографии (рис. 1б). По данным изготовителя, вся машина спроектирована на максимальную мощность 22 кВт с 24 парами полюсов (11 кВт и 12 пар полюсов на каждую секцию).

 

Структурная схема испытательной установки

В основу разработки нагрузочной установки для исследования электрической машины ветрогенератора положены отмеченные особенности ее конструкции. Функциональная схема такой установки приведена на рис. 2. Она имеет две отдельные электромеханические системы, чьи электрические машины связаны общим валом. Синхронная магнитоэлектрическая машина (СММ1) с автономным инвертором (АИ) и его системой управления (СУАИ) образует электропривод, в котором регулятором скорости (РС) поддерживается заданная скорость (w*_m) вращения общего вала.

Синхронная магнитоэлектрическая машина (СММ2) с активным выпрямителем (АВ) и его системой управления (СУАВ) работает в генераторном режиме, где регулятором тока (РТ) поддерживается заданный момент (T*_e = c_TpI*_q) на общем валу машины.

Датчик положения ротора (ДПР) обеспечивает синхронизацию угла поворота вала с фазой управления преобразователями (АИ, АВ) и ориентацию управляющего сигнала по оси, перпендикулярной полю ротора СММ2.

Автономный инвертор и активный выпрямитель запитываются от одного источника постоянного напряжения, которым может служить выпрямитель с фильтром, аккумулятор или суперконденсатор.

 

Аналитический расчет энергетических характеристик установки

В стабилизированном режиме работы всей установки при одинаковых параметрах электрических машин электромагнитные процессы в них описываются уравнениями:

в которых, вследствие наличия общего механического вала, следует принять:

Векторная диаграмма, построенная по уравнениям (1), (2), представлена на рис. 3.

Геометрические соотношения векторной диаграммы позволяют рассчитать электромагнитные и энергетические характеристики системы:

1. Токи и напряжения в каждой машине:

2. Активную и реактивную мощность в каждой машине:

P₁ = U₁I₁cosd₁ = (E_q + rI_q)I_q,

Q₁ = U₁I₁sind₁ = xI²_q,

P₂ = U₂I₂cosd₂ = (E_q + rI_q)I_q,

Q₂ = U₂I₂sind₂ = –xI²_q,                 (4)

где углы нагрузки определяются из уравнений:

3. Мощность, потребляемая системой от источника питания постоянного тока, рассчитывается по уравнению:

P_dc = P₁ – P₂ = 2rI²_q.                                       (6)

Энергетические характеристики системы, рассчитанные по уравнениям (4), (6) и представляющие собой зависимости активных мощностей от скорости и момента, приведены на рис. 4 и 6.

Энергетическая эффективность применения установки, обозначенная К_р, оценивается как отношение суммарной электрической мощности машин СММ1 и СММ2 к мощности, потребляемой от источника постоянного напряжения, она представлена на рис. 5 и 7. При изменении скорости вращения вала машины и постоянном моменте энергетическая эффективность растет. При изменении момента и постоянной скорости энергетическая эффективность падает.

Для оценки совместного влияния заданного режима работы в электроприводе (w*_m), реализованном на машине СММ1, и заданного режима работы генератора (I*_q), реализованного на машине СММ2, на рис. 8–10 представлены энергетические характеристики всех блоков установки в пространственных координатах. Проекции рассчитанных поверхностей на основную плоскость представляют собой зависимости между управляющими сигналами, при которых рассчитываемая мощность остается постоянной. Так, для мощностей в электроприводе (Р₁) и генераторе (Р₂) эти зависимости близки к параболической, а мощность в источнике питания (Р_dc) практически не зависит от скорости и определяется только моментом на общем валу.

Энергетическая эффективность всей установки представлена на рис. 11. Зависимость между управляющими сигналами, при которых К_р постоянен, здесь является линейной и поддерживается в ограниченном диапазоне изменения момента и скорости. Увеличение К_р приводит к сокращению диапазона изменения скорости и момента, при которых К_р постоянен. Для разработчика системы управления установкой эта характеристика позволяет оценить требуемую мощность источника питания и определить соответствующий диапазон изменения момента и скорости установки. Например, для машины в 20 кВт и К_р = 20 мощность источника должна быть не менее 1 кВт, момент не должен превышать 200 Н·м, а скорость должна быть не менее 6 рад/с. При постоянном К_р реализация в действующей установке линейной зависимости управляющих сигналов скорости и момента осуществляется достаточно просто.

 

Результаты моделирования испытательной установки

Модель установки для исследования энергетических характеристик системы, построенная в соответствии с функциональной схемой (рис. 2) в пакете SimPower System, представлена на рис. 12.

Модель содержит две синхронные магнитоэлектрические машины со своими системами управления и измерительную часть.

Энергетические характеристики, полученные на модели (рис. 13 и 14), достаточно точно совпадают с вычисленными ранее при анализе (рис. 4, 6), что служит подтверждением адекватности проведенных исследований.

Переходные электромеханические и электромагнитные процессы установки представлены на рис. 15. Качество переходных процессов определяется параметрами регулятора скорости и может изменяться в зависимости от задач, решаемых при проведении испытаний.

 

Заключение

В статье предложена и подтверждена возможность построения энергоэффективной установки для испытания синхронных магнитоэлектрических машин. Проведенные исследования показали, что потребляемая от источника мощность расходуется только на компенсацию электрических и механических потерь в замкнутом электромеханическом контуре. Результаты, полученные при исследовании, могут быть рекомендованы разработчику ветрогенератора для построения реальной испытательной установки и методики проведения ее испытаний.

В установках с подобной конфигурацией реализуется энергетическая обратная связь с рекуперацией энергии в сеть. Поэтому исследование энергетических и электромагнитных характеристик электрических машин может осуществляться без использования мощных источников питания, в том числе в лабораторных условиях. Указанная особенность таких установок может быть весьма эффективно использована при проведении энергоемких ресурсных испытаний.

Кроме того, применение двух однотипных электрических машин, имеющих раздельные каналы управления, позволяет реализовывать произвольную программу испытаний, обеспечивая тестирование машин при различных скоростях и моментах, как в двигательных, так и в генераторных режимах работы. Результаты расчетов подтверждают возможность и целесообразность создания нагрузочных установок подобной конфигурации для повышения эффективности комплексных, в том числе ресурсных, испытаний электрических машин и мехатронных систем на их основе.