Электротехнический портал Элекаб - справочник электрика, энергетика.

О проекте
Авторам
Реклама на портале

 
Главная | Справочник | Схемотека | Нормативы | Форум | Статьи | Новости | Выставки | Пресс-релизы |




Главная >> Обзоры. Статьи. Информация. >> Электротехника. >> Варианты автономного генератора по схеме машины двойного питания с различными типами преобразователей частоты.

Варианты автономного генератора по схеме машины двойного питания с различными типами преобразователей частоты.

Внедрение в производство энергосберегающих технологий и освоение нетрадиционных возобновляемых источников электроэнергии непосредственно связано с исследованием и разработкой генераторных комплексов (ГК) переменного тока. Различные варианты таких ГК на базе асинхронных (АГ) и синхронных (СГ) генераторов работают в составе энергетических систем и характеризуются как переменной, в общем случае, частотой вращения вала генератора, так и меняющейся по величине и характеру нагрузкой (малые ГЭС; судовые валогенераторы, ветроэлектростанции и др.). Требования, предъявляемые к ГК по обеспечению качества вырабатываемой электроэнергии (частоты fc и величины напряжения Uc) должны соблюдаться во всех режимах его работы, среди которых:

  • автономный;
  • работа параллельно с другими ГК;
  • работа на сеть "бесконечной" мощности.

Обеспечить стабилизацию параметров вырабатываемой электроэнергии ГК можно как механическим способом (на основе редукторных передач, дифференциальных механизмов и др.), так и электрическим (например, с помощью статических преобразователей частоты (ПЧ).

Первый способ имеет низкий КПД, обусловленный потерями энергии в самой механической передаче, и в статье не рассматривается. Второй - обеспечивает более высокий КПД генерирования и к тому же имеет лучшие показатели вырабатываемой электроэнергии в динамике [1]. В этом случае ГК может быть построен как на базе АГ с ПЧ в роторе (машина двойного питания (МДП) так и по схеме СГ-ПЧ в статоре.

ГК на базе МДП имеет два канала генерирования мощности - через статор и ротор АГ. При этом ПЧ рассчитан на передачу только энергии скольжения АГ, т. е. его мощность пропорциональна отклонению частоты вращения вала генератора от синхронной.

Вариант ГК по схеме СГ-ПЧ в статоре имеет один канал генерирования энергии - через статор СГ. Поэтому мощность ПЧ в статоре альтернативного ГК на базе СГ рассчитана на передачу всей мощности генератора, что увеличивает капитальные затраты.

В статье рассмотрен вариант автономного ГК по схеме МДП (рис. 1).

Структурная схема автономного МДП-генератора

Рис. 1. Структурная схема автономного МДП-генератора

Для стабилизации параметров вырабатываемой электроэнергии (fc, Uc) ГК, работающего в автономном режиме необходимо обеспечить баланс активной и реактивной мощностей между ГК и нагрузкой. Баланс активной мощности поддерживается в МДП-генераторе с помощью ПЧ. Баланс реактивной мощности обеспечивается как за счет управления ПЧ, так и с помощью дополнительных источников реактивной мощности (ИРМ).

В ГК на основе МДП потребителями реактивной мощности являются АГ (QАГ), ПЧ (QПЧ) и нагрузка (QН). Причем при изменении режима работы автономной системы QАГ остается практически неизменной, а QПЧ и QН изменяются. В связи с этим постоянную составляющую QАГ целесообразно обеспечивать за счет использования нерегулируемых по величине конденсаторных батарей (CВ), а QПЧ и QН обеспечивать регулируемым ИРМ.

На рис. 2 представлены зависимости минимальной требуемой величины ИРМ для работы автономного МДП-генератора с различными типами ПЧ (ШИМ-ПЧ, ТНПЧ и "классический" НПЧ), отличающимися как по возможности фазового регулирования тока (напряжения) в роторе АГ, так и по его гармоническому составу.

Зависимость минимальной требуемой мощности ИРМ от активной мощности нагрузки

Рис.2 Зависимость минимальной требуемой мощности ИРМ от активной мощности нагрузки QИРМ = f(Pн) при работе со скольжением s = 0,25 и cos( j н) = 0,7

Из анализа зависимостей QИРМ = f(Pн) следует, что наибольшие значения ИРМ соответствуют варианту МДП с классическим НПЧ. При этом ИРМ является необходимым звеном ГК во всем диапазоне мощностей нагрузок,когда потребителями реактивной энергии являются как АГ так и преобразователь. В варианте с ШИМ-ПЧ установленная мощность ИРМ имеет минимальное значение, что обусловлено энергетическими и регулировочными показателями преобразователя (cos j пч = 1). Причем в диапазоне мощностей нагрузки от 0 до 80% от Pн при s = 0,25 и cos( j н) = 0,7 МДП-генератор обеспечивает автономный режим работы без ИРМ, т. к. генерирование требуемой реактивной мощности в нагрузку (QН) осуществляется через статор АГ, а ПЧ ее практически не потребляет (QПЧ = 0). Требуемая мощность ИРМ для варианта МДП-генератора с ТНПЧ больше, чем в первом но меньше, чем во втором варианте ГК. Это связано с ограниченными возможностями по регулированию фазы тока (напряжения) в роторе АГ и потреблением реактивной мощности преобразователем частоты в данном варианте ГК.

Оценка коэффициента нелинейных искажений (Кн) в автономной сети проведена на основе анализа электромагнитных процессов в МДП-генераторе. Считаем, что форма тока АГ для варианта МДП с ШИМ-ПЧ - синусоидальная, а для двух рассмотренных вариантов МДП с ТНПЧ и "классическим" НПЧ - несинусоидальная. Гармонический состав тока в роторе АГ зависит как от индуктивного сопротивления сглаживающего дросселя ПЧ (Хdr), так и от режима работы ГК (нагрузки, частоты вращения вала генератора). На рис. 3 представлены зависимости коэффициента нелинейных искажений в автономной сети - Кн от нагрузки.

Зависимости Кн = f(Pн)

Рис. 3. Зависимости Кн = f(Pн)

Наибольшие искажения напряжения соответствуют варианту ГК с ТНПЧ. Вариант автономного МДП-генератора на базе "классического" НПЧ отличается меньшими искажениями, что связано с большей (по сравнению с вариантом на базе ТНПЧ) мощностью ИРМ, выполняющей к тому же функцию фильтра высших гармоник.

Оценка энергетических показателей автономного МДП-генератора проведена на основе коэффициента потерь Кp = Р е /Рн, где:

  • Р е - суммарные электрические потери в МДП;
  • Рн - мощность нагрузки.

Из представленных на рис. 4 зависимостей Кн = f(Pн) следует, что максимальные значения Кн соответствуют варианту МДП-генератора с "классическим" НПЧ. Использование токового НПЧ в составе МДП-генератора приводит к снижению коэффициента Кн. Минимальные потери (Кн) соответствуют варианту с ШИМ-ПЧ. Расчеты проводились с учетом минимально требуемой величины ИРМ для каждого из вариантов МДП. Зависимости Кн = f(Pн) характеризуют не только тепловое состояние МДП, но и используются при выборе мощности движителя МДП-генератора (турбины, дизеля и др.).

Зависимости Кн = f(Pн)

Рис. 4. Зависимости Кн = f(Pн)

Расчеты проводились в математическом приложение Mathcad Plus 6.0 for Windows для АГ с фазным ротором типа 4АНК350М8У3 с номинальной мощностью 160 кВт.

Титов В. Г., Хватов О. С., Ошмарин О. Н.


Бренд Legrand на ЭлектроПрофи

Ждём вас за покупками со скидкой -20% в "АВС-электро" вашего города.

Перейти на сайт