ШКОЛА MATLAB.
Виртуальные лаборатории устройств силовой электроники и электромеханики в среде Matlab+Simulink.
Урок 38. Гибридная генераторная установка переменного тока с асинхронной короткозамкнутой машиной

Все статьи цикла

Введение

Асинхронные машины с короткозамкнутым ротором, являясь наиболее дешевыми и надежными электрическими машинами, получили широко распространены в промышленности. Эти машины используются в основном как двигатели; в качестве же генераторов переменного тока они применяются крайне редко.

В качестве двигателей их применяют в различных вентиляционных, насосно-компрессорных, кузнечно-прессовых, подъемно-транспортных системах, в устройствах электропривода станков и ручного инструмента, в медицинском оборудовании и бытовых приборах. Широкое применение асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором нашли и в инженерном оборудовании современных зданий, таких как системы вентиляции, насосное оборудование, системы кондиционирования воздуха. Большая часть (примерно 60%) всей вырабатываемой электроэнергии в мире потребляется асинхронными двигателями, что и объясняет их столь высокую популярность.

Электротехническая промышленность выпускает асинхронные машины в большом диапазоне мощностей — от долей ватт до нескольких десятков мегаватт. Электрические машины общего назначения производятся в виде серий, охватывающих определенный диапазон мощностей, частот вращения и напряжений. Машины одной серии обладают общностью конструктивных решений и технологии их изготовления, а также однотипностью применяемых материалов.

В России освоен выпуск асинхронных двигателей серий 4А, 5А, АИ, RA (0,06–400 кВт). В серии 4А предусмотрено 17 габаритов, число ступеней мощности составляет 33, высоты осей вращения достигают 50–355 мм. Кроме основного исполнения, имеется ряд модификаций двигателей с повышенным пусковым моментом, многоскоростные, малошумные и т. д. Применение асинхронных машин с коротко­замкнутым ротором в генераторных установках переменного тока практически отсутствует. В таких установках широко используются асинхронные машины с фазным ротором (АМФР), синхронные машины с электромагнитным возбуждением (СМЭВ) и магнитоэлектрические синхронные машины с редкоземельными магнитами на роторе СММ [6, 8–13].

Функциональная схема генераторной установки

При построении генераторной установки переменного тока с асинхронной короткозамкнутой машиной (АКЗ) приходится решать две основные задачи. Во-первых, необходимо обеспечить возбуждение машины и поддерживать его при изменении ее режима работы. Во-вторых, нужно регулировать скольжение машины при изменении нагрузки. Обе задачи удается решить в системе, функциональная схема которой приведена на рис. 1 и которая содержит:

• двигатель внутреннего сгорания (дизель — D);
• регулятор скорости двигателя внутреннего сгорания (CS_D);
• асинхронный генератор на базе АКЗ (GA);
• активный полупроводниковый преобразователь (АC);
• систему управления (активного полупроводникового преобразователя (CS_AC);
• изменяющуюся нагрузку (Load).

Рис. 1. Функциональная схема генераторной установки с АКЗ

В этой системе поддержание в сети постоянного значения действующего напряжения 220/380 В и постоянной частоты f = 50 Гц обеспечивается активным полупроводниковым преобразователем со схемой управления.

Раздел мощности нагрузки между асинхронной машиной и активным полупроводниковым преобразователем (АПП) осуществляется регулятором скорости дизеля, на входе которого формируется сигнал абсолютного скольжения. Сигнал абсолютного скольжения формируется на выходе регулятора мощности, при котором активные мощности на выходе асинхронного генератора и АПП определяются из уравнений:

P_GA = k×P_L,                  (1)

P_AI = (1 – k)×P_L,          (2)

где P_L, P_GA, P_AI — активные мощности в нагрузке, на выходе АКЗ и АПП.

При таком управлении реактивная мощность в системе при любом скольжении обеспечивается автономным активным полупроводниковым преобразователем, а активная мощность нагрузки разделяется между асинхронной машиной и АПП в зависимости от сигнала на входе регулятора скорости двигателя внутреннего сгорания. Заметим, что при k = 1 вся активная мощность нагрузки поддерживается асинхронной машиной, а АПП генерирует лишь реактивную мощность в сеть и машину. В этом случае в цепи постоянного тока инвертора не требуется источника питания, который может быть заменен конденсатором.

При 0< k< 1 в нагрузку генерирует активную мощность и асинхронная машина, и АПП.

При k > 1 асинхронная машина снабжает активной мощностью как нагрузку, так и звено постоянного тока АПП.

В этом случае активный полупроводниковый преобразователь выполняет функцию активного выпрямителя, рекуперируя избыточную мощность машины в источник питания постоянного тока АПП (аккумулятор, суперконденсатор). Таким образом, изменением коэффициента k осуществляется разделение мощностей между асинхронной машиной и АПП и управление этими мощностями.

Анализ электромагнитных и энергетических процессов в АКЗ

Система уравнений, описывающая электромагнитные процессы асинхронной машины с короткозамкнутым ротором в установившемся режиме и составленная с использованием метода пространственного вектора, имеет вид [3, 9]:

где — первая гармоника пространственного вектора фазного напряжения на нагрузке; — пространственные векторы тока и ЭДС в обмотках статора;  — пространственные векторы приведенных тока и ЭДС в обмотках ротора; — пространственный вектор тока намагничивания; R_s, X_ls = w₁L_ls — активное и индуктивное сопротивление рассеяния статора; R_r, X_lr = w₁L_lr — приведенные активное и индуктивное сопротивление рассеяния ротора; X_m = w₁L_m — индуктивное сопротивление ветви намагничивания;s — скольжение.

Схема замещения приведенной асинхронной машины, составленная по уравнениям (3), показана на рис. 2.

Рис. 2. Схема замещения приведенной асинхронной машины

Для расчета основных характеристик АКЗ уравнения (3) преобразуются к виду:

где X_s = X_ls + X_m — полное индуктивное сопротивление статора; X_r = X_lr + X_m — полное приведенное индуктивное сопротивление ротора.

Из уравнений (4) определяются комплексные токи :

Далее при анализе используется вращающаяся система координат x, y (x — вещественная ось, y — мнимая ось) [2, 4].

Если в уравнениях (5), (6) совместить вектор напряжения с осью x, то вещественные I_1x, I_2x и мнимые I_1y, I_2y составляющие тока статора и ротора определятся из уравнений:

При совмещении вещественной оси с вектором напряжения вещественная составляющая тока является активным током статора, а мнимая составляющая — реактивным током статора.

Активная и реактивная мощности в АКЗ в этом случае рассчитываются после определения токов по уравнениям:

Основным параметром при исследовании асинхронного генератора в установившемся режиме является скольжение:

где w₀ = 2pf — угловая частота напряжения (тока) статора; р — число пар полюсов; w_m — механическая скорость ротора.

Зависимости активной и реактивной мощности в АКЗ от скольжения для номинальных значений напряжения и частоты, рассчитанные по (11), представлены на рис. 3.

Рис. 3. Энергетические характеристики асинхронного генератора

Эти зависимости рассчитаны для асинхронной лабораторной машины 15 кВт, 400 В, 50 Гц 1460 RPM с параметрами: U_AB = 400 В (U_1m = 310 В), f₁ = 50 Гц (w₁ = 314 1/c), R_s = 0,2147 Ом, R_R = 0,2205 Ом, L_s = L_R = 0,06518 Гц, L_m = 0,06419 Гц, p = 2 в диапазоне изменения скольжения –0,5…0.

Из характеристик (рис. 3) видно, что критическое значение скольжения для данной машины приблизительно составляет s_kp = –0,25, а номинальное скольжение равно s_ном ≈ –0,025. Дальнейшие исследования проводятся в диапазоне изменения скольжения, не превышающем s_kp/2, поскольку в этом диапазоне потери в машине не превышают допустимых, а энергетические характеристики всей генераторной установки остаются приемлемыми.

Расчет энергетических характеристик генераторной установки с АКЗ

При расчете энергетических характеристик и последующем моделировании всей генераторной установки необходимо принять правила знаков при определении мощностей. Поскольку общепринятым является отрицательный знак для активной мощности машины, работающей в генераторном режиме, то и для активной мощности АПП отрицательной будем считать мощность, генерируемую АПП в нагрузку. Активную мощность, отдаваемую АПП в источник питания постоянного тока, будем считать положительной. При положительной мощности АПП асинхронная машина отдает мощность как в нагрузку, так и аккумулятор в цепи питания АПП.

Реактивная мощность в системе обеспечивается только активным полупроводниковым преобразователем. С учетом оговоренных условий выражения для расчета энергетических характеристик рассматриваемой генераторной установки с АКЗ примут вид:

Характеристики, представленные на рис. 4, рассчитаны и построены для генераторного режима работы АКЗ по уравнениям (11), (13) с учетом уравнений (7), (8). Эти характеристики рассчитаны для лабораторной установки с постоянной активной и реактивной мощностью в нагрузке, равной P_L = 15 кВт, Q_L = 3 кВ·А_r.

Рис. 4. Энергетические характеристики генераторной установки с АКЗ:
а) P_L = 15 кВт,
б) Q_L = 3 кВ•Аr

При малых (по абсолютной величине) скольжениях (от 0 до приблизительно номинального –0,024) в нагрузке суммируются активные мощности машины и АПП. При s = –0,024 мощность АПП равна нулю и нагрузка снабжается только АКЗ. При больших (по абсолютной величине) скольжениях, превышающих номинальное, машина снабжает энергией нагрузку и цепь постоянного тока АПП (рис. 4а). Реактивная мощность (рис. 4б) при всех скольжениях генерируется активным полупроводниковым преобразователем. Поскольку энергетические характеристики генераторной установки зависят как от скольжения, так и от мощности в нагрузке, то дальнейший анализ осуществляется в трехмерной системе координат.

На рис. 5, 6 построены зависимости активных и реактивных мощностей машины и инвертора от изменения скольжения и мощности в нагрузке при постоянном соотношении Q_L/P_L = 3/15 = 0,2.

Рис. 5. Активные мощности в машине и инверторе генераторной установки

Рис. 6. Реактивные мощности в машине и инверторе генераторной установки

Проекции рассчитываемых величин на основную плоскость показывают зависимость между мощностью в нагрузке и скольжением, при которых рассчитываемая величина постоянна. Активная мощность, генерируемая машиной, не зависит от мощности в нагрузке, а целиком определяется только скольжением АКЗ. При этом, когда мощность, генерируемая машиной, превышает мощность нагрузки, ее разность отдается в цепь питания АПП. Активная мощность АПП, являясь разностью между мощностью машины и мощностью нагрузки, зависит как от мощности в нагрузке, так и от скольжения. Постоянство этой мощности (в том числе и равной нулю) поддерживается при линейной зависимости скольжения от мощности в нагрузке.

Реактивная мощность машины не зависит от мощности нагрузки, а определяется только скольжением. Реактивная мощность АПП нелинейно зависит как от мощности в нагрузке, так и от скольжения. По абсолютной величине эта мощность всегда равна сумме реактивных мощностей в нагрузке и в асинхронной машине.

Модельное исследование генераторной установки с АКЗ

Виртуальная модель генераторной установки с АКЗ приведена на рис. 7.

Рис. 7. Виртуальная модель генераторной установки с АКЗ

Результаты модельного исследования представлены на рис. 8, 9. Энергетические  процессы генераторной установки (рис. 8а, 9а) последовательно представляют:

• активную и реактивную мощности в нагрузке — P_L(Вт), Q_L(ВА_r);
• активную и реактивную мощности в асинхронном генераторе — P_GA(Вт), Q_GA(ВА_r);
• активную и реактивную мощности в активном полупроводниковом преобразователе — P_AI(Вт), Q_AI(ВА_r).

Осциллограммы (рис. 8, 9) демонстрируют перечисленные выше величины при различных значениях коэффициента k в системе. На рис. 8а приведены зависимости мощностей при изменении k от 0 до 1. При k = 0 мощность в нагрузке обеспечивается только АПП, который выполняет функцию инвертора. При этом мощность на выходе машины равна нулю. При переключении k с 0 на 1 вся мощность нагрузки переключается на машину, а активная мощность от АПП уменьшается до нуля. На рис. 9а приведены зависимости при изменении k от 1 до 2. При k = 1 АПП не генерирует активную мощность и нагрузку снабжает только машина. При k = 2 машина снабжает активной мощностью как нагрузку, так и цепь постоянного тока АПП. В этом режиме АПП выполняет функцию активного выпрямителя. Во всех режимах работы реактивную мощность в машине и нагрузке обеспечивает АПП.

Рис. 8. Процессы генераторной установки при переключении k от 0 до 1:
а) энергетические;
б) электромагнитные

Рис. 9. Процессы генераторной установки при переключении k от 1 до 2:
а) энергетические,
б) электромагнитные

На рис. 8б и 9б демонстрируются электромагнитные процессы в системе, при этом приняты следующие обозначения:

• трехфазное напряжение на нагрузке — U_abc;
• трехфазный ток нагрузки — I_L(A);
• трехфазный ток на выходе асинхронного генератора — I_GA(A);
• трехфазный ток на выходе активного полупроводникового преобразователя I_AI(A).

При изменении коэффициента k изменяются амплитуда и фаза тока, потребляемого от машины и от АПП. При этом реактивный ток нагрузки и машины во всех режимах работы является индуктивным, а реактивный ток АПП во всех режимах работы остается емкостным.

Заключение

Исследования генераторной установки с асинхронной коротко­замкнутой машиной показали возможность управляемого разделения активной мощности между электрической машиной и активным полупроводниковым преобразователем при том, что напряжение на нагрузке и реактивная мощность в системе обеспечивается только АПП.