Робота присвячена дослідженню трифазного електричного генератора, у якого магнітний потік збудження створюється джерелом трифазної напруги та обертається навколо ротора.

Існує проблема забезпечення стабільних параметрів електричної енергії, що здобувається перетворенням енергії механічної від нестабільного її джерела, наприклад, вітряного двигуна. Та ж проблема існує і при роботі від стабільного джерела механічної енергії, але при нестабільному електричному навантаженні. Ефективним способом рішення цієї проблеми є перетворення механічної енергії в електричну асинхронізованими синхронними генераторами (АСГ).

Актуальність дослідження обумовлена можливістю асинхронізованих машин:

• Забезпечення стабільного значення і частоти напруги, що генерується, при нестабільному джерелі механічної енергії.

• Економія енергії від нормалізації частоти: зниження частоти приводить до збільшення струму при передачі енергії і, відповідно, до збільшення втрат.

• Економія енергії від можливості регулювати напругу.

• Економія енергії від можливості управління якістю енергії.

• У деяких випадках для підвищення стійкості, експорту енергії в інші країни виявляється вигідно об'єднувати енергосистеми не жорстко, як це робиться зараз, а «гнучко» - за допомогою керованих зв'язків, що складаються з двигун-генераторних комплексів з асинхронізованими машинами.

Поняття асинхронізований синхронний генератор.

Від синхронних машин АСГ відрізняються тим, що магнітне поле переміщується щодо ротора, який його створює, від асинхронних машин АСГ відрізняється тим, що це переміщення створюється стороннім джерелом і є керованим (рис 1).

Дослідження АСГ на фізичних моделях дорога, трудомістка і енергоємна справа, сучасні технології дослідження пропонують системи комп'ютерної математики, які дозволяють визначати параметри об'єкту без його матеріального втілення. Найефективнішою системою є Matlab.

Одна з найскладніших проблем в моделюванні - підготовка моделі об'єкту дослідження. Вона зручно розв'язується розширенням Matlab Simulink завдяки наявності бібліотеки компонентів у вигляді блоків. Це скасовує складання і рішення систем диференціальних рівнянь і забезпечує візуальний контроль «поведінки» моделі. Бібліотека містить джерела сигналів з будь-якими тимчасовими залежностями, зокрема джерела енергії, перетворювачі з будь-якими передавальними характеристиками, у тому числі і перетворювачі електромеханічні, віртуальні пристрої, щореєструють зміну величини в часі і її значення в цифровому вигляді.

На підставі сказаного зроблений висновок, що дослідження АСГ в системі Simulink є гідним рішенням проблеми.

Мета роботи - представити просту модель асинхронізованого синхронного генератора (структуру і характеристики) для дослідження можливості отримання стабільних напруги і частоти від нестабільного джерела механічної енергії.

Передбачувана новизна:

• вперше створення моделі асинхронізованого синхронного генератора з бібліотечних елементів програми Simulink. Це дає можливість незалежної оцінки адекватності теоретичних моделей (оскільки бібліотечні елементи створені авторами програми, а не теорії);

• вперше виконання аналізу потоків енергії в АСГ при глибокому (±60%) регулюванні частоти збудження. Це дає можливість зробити висновок про доцільність застосування самозбудження для АСГ;

• вперше встановлення залежності ККД від частоти збудження при глибокому її регулюванні. Це дає можливість визначити доцільні області застосування асинхронізованих синхронних генераторів.

Передбачуваний практичний результат:

• зростання стійкості енергетичної системи завдяки можливості регулювання потоку реактивної енергії поміж асинхронізованим генератором і мережею;

• зростання стабільності частоти і напруги вітроагрегата з асинхронізованим генератором завдяки можливості підтримки постійної частоти і напруги при швидкості вітру, що змінюється;

• Забезпечення можливості розв'язання за частотою електричних систем завдяки незалежному регулюванню вихідної частоти генератора.

Теорія і практика асинхронізованих машин починає свій розвиток з робіт по колекторних каскадах, з досліджень В. Зейца, Д. Осанна, Л. Дрейфуса, М. П. Костенко, В. Р. Касьянова. Великий внесок у розвиток цього напряму, у створення сучасної теорії асинхронізованих машин і основ їх використання зробив М. М. Ботвінник, за ініціативою і під керівництвом якого ці роботи були розпочаті у ВНДІЕ в 1955 р.

Асинхронізовані синхронні генератори відносяться до класу машин подвійного живлення «синхронного» принципу дії. Вони володіють стійкістю по куту між векторами полів статора і ротора, що синхронно обертаються [1]. Структурна схема АСГ зображена на рисунку 2.

Для створення кругового поля обмотки ротора не обов'язково повинні складати симетричну систему. На практиці зустрічаються АСГ як з симетричними, так і з несиметричними обмотками.

Обмотку збудження можна живити через трансформатор від мережі (самозбудження) або за допомогою додаткової синхронної машини, що працює на одному валу з АСГ. Найпростішим способом є живлення від мережі через трансформатор. Проте цей спосіб має недоліки: мережа завантажується реактивним струмом, споживаним ПЧ, в неї проникають вищі гармонійні, обумовлені дискретністю роботи ПЧ. Живлення від синхронної машини не має цих недоліків; крім того, шляхом відповідного управління її збудженням може бути поліпшений і гармонійний склад струмів ротора АСГ. Проте живлення від синхронної машини складніше.

ПЧ є силовою ланкою кола збудження АСГ. Його призначення - створювати з потрібною амплітудою, частотою і фазою кругове поле, яке обертається щодо ротора в потрібному напрямі.

ПЧ повинен також забезпечувати вільний обмін енергією між обмотками ротора і мережею через трансформатор або обмотками ротора і валом АСГ через синхронну машину. У якості ПЧ використовують в основному тиристорні ПЧ з безпосереднім зв'язком (циклоконвертери) [2-4], в окремих випадках застосовуються іонні циклоконвертери [2].

Зовнішня реактивність ЗР – це погоджувальний трансформатор і ЛЕМ високої напруги. У мережах низької напруги зовнішня реактивність ЗР може бути відсутня.

Основною ланкою системи управління АСГ є регулятор Р. Он управляє ПЧ і через нього - полем ротора АСГ. Регулятор має два явно або неявно виражених внутрішніх канала управління, в яких формується закон управління полем ротора (оскільки поле може бути представлене у вигляді вектора, що має дві незалежні проекції на осі ротора).

При цьому електромеханічна стійкість АСГ визначається не частотою обертання полів статора і ротора, а їх взаємним положенням, тобто кутом між векторами, що визначають ці поля.

Число виходів регулятора дорівнює числу обмоток ротора.

Основними датчиками, на базі інформації яких регулятор формує закон управління полем ротора, є датчик напруги мережі ДНМ і задатчик частоти ЗЧ. Задатчик частоти є автономним генератором синусоїдальних коливань постійної амплітуди. З його виходу знімається інформація про вектор напруги джерела незалежної частоти. Датчик положення ДП дає інформацію про кутове положення ротора АСГ щодо статора і частоті обертання ротора. Датчик ДНМ дає інформацію про вектор напруги мережі - про його модуль, фазу і частоту. Датчик ДНМ - звичайний вимірювальний трансформатор напруги, ДСМ - вимірювальний трансформатор струму [5].

Складнішим пристроєм є датчик ДСР. Оскільки при вимірюванні струмів ротора АСГ мають справу із струмами низької частоти, то застосування вимірювальних трансформаторів виключене. Використовують схеми з шунтами або датчиками Холла [1,4].

Сьогодні визначена широка і важлива область застосування асинхронізованих машин - в електроенергетичних системах і схемах електроприводів різних механізмів. Наприклад, асинхронізовані генератори і компенсатори можуть знайти застосування в електроенергетичних системах, в яких містяться високовольтні лінії електропередачі. Такі лінії, що мають значну зарядну потужність, вимагають роботи генераторів і компенсаторів в режимах глибокого споживання реактивної потужності в години зниження активних навантажень. Застосування для цієї мети реакторів не завжди ефективне і вимагає значних витрат. Завдяки наявності на роторі не однофазної, а дво- або трифазної обмотки збудження, АСГ можуть використовуватися для випробування генераторів постійного струму методом взаємної індукції. «Шляхом регулювання на цих обмотках струму збудження, можна плавно регулювати кут між вектором потоку збудження і «подовжньою» віссю машини, а отже, і кут навантаження.» [10].

Слід зазначити також, що асинхронізовані турбогенератори є одним з типів сучасних багатофункціональних пристроїв, що забезпечують реалізацію так званої технології FACTS - технології гнучких (керованих) систем електропередачі змінного струму, яка дозволяє комплексно вирішувати проблеми генерації і транспорту електроенергії. [8]

Переваги АСГ дозволяють використовувати їх як автономні генератори, наприклад, у вітроенергетиці. Питанням управління автономною вітроелектричною установкою з АСГ присвячена робота Л.С. Козлітіна. У статті описується функціональна схема вітроелектричної установки, що працює в автоматичному режимі. Розроблена система її управління, яка забезпечує високу якість електроенергії, що виробляється, і ефективне використання потужності вітродвигуна в широкому діапазоні швидкостей вітру [6].

Відома робота Шакаряна Ю.Г., в якій розглядаються варіанти автономного генератора по схемі машини подвійного живлення. У його статті представлена структурна схема автономного АСГ. Запропоноване рішення проблеми підтримки балансу реактивної потужності за допомогою додаткових джерел. Згідно проведеним дослідженням, для варіанту АСГ з класичним НПЧ потрібен наймогутніше джерело реактивної потужності (ДРП), найменш могутнє - для варіанту АСГ з ШІМ-ПЧ. На основі аналізу електромагнітних процесів в АСГ проведена оцінка коефіцієнта нелінійних спотворень. Визначено, що для варіанту АСГ з класичним НПЧ коефіцієнт нелінійних спотворень менше. Це обумовлено тим, що могутнє ДРП виконує функцію фільтру вищих гармонік. На основі коефіцієнта втрат проведена оцінка енергетичних показників [9]. Проте не представлений математичний опис роботи АСГ.

Перетворенню рівнянь електричної машини подвійного живлення присвячена стаття В.А. Дієвського. Представлені математичні рівняння машин подвійного живлення з урахуванням впливу кута навантаження [7].

Моделюванням асинхронізованого генератора займалися також Лоханін Е.К, Лохматов А.П., Маміконянц Л.Г., Скрипник А.І.. Розглянута модель асинхронізованого турбогенераторного комплексу, в якій можливо виконувати аналіз перехідних режимів енергосистем, що містять АСГ. Приведені порівняльні розрахунки перехідних режимів за наявності синхронних і асинхронізованих турбогенераторів. Розрахунки показали переваги асинхронізованих турбогенераторів для підвищення стійкості систем [11].

Завдяки своїм перевагам АСГ сьогодні знаходять широке застосування в промисловості [8].

Перелік невирішених питань.

У існуючих математичних моделях АСГ не досліджені:

• динамічні характеристики;

• перетікання потужності;

• математична модель системи самозбудження АСГ;

• методика проектування серії АСГ для різних умов роботи.

Створення віртуальної моделі

Методика:

• Модель досліджуваної схеми складалася з елементів бібліотеки Simulink;

• Підключалися віртуальні прилади для вимірювання контрольованих параметрів;

• Вводилися електричні параметри елементів схеми (напруги, частоти джерел, опору і індуктивності обмоток), близькі до параметрів реального синхронного турбогенератора;

• Результати вимірювань для кожного набору параметрів вводилися в таблицю Excel, будувалися графіки залежностей.

Модель представлена на рис. 3.

Стенд для визначення характеристик генератора містить асинхронізований синхронний генератор ASG, джерело напруги збудження, навантаження. АСГ прийнята як модель трифазної асинхронної машини з фазним ротором з бібліотеки Simulink. Як джерело збудження - бібліотечне джерело трифазної напруги, навантаження виконане у вигляді резисторів.

Модель працює таким чином. До ротора прикладається момент, створений як різниця між заданим моментом і моментом, пропорційним частоті обертання. Це дає можливість стабілізувати частоту обертання при варіюванні електричного навантаження генератора. До трифазної обмотки ротора прикладається напруга від трифазного джерела, в роторі створюється магнітний потік, що обертається щодо ротора. Цей потік індукує в статорі ЕРС. Значення і частота ЕРС пропорційні сумі частот обертання ротора і обертання магнітного потоку щодо ротора. Під дією ЕРС через обмотки статора і опору навантаження проходить струм, яким енергія передається від генератора в навантаження. Магнітний потік, створений струмом навантаження в обмотці статора, алгебраїчно складається з магнітним потоком ротора, тому ЕРС в статорі створюється потоком сумарним.

Особливість АСГ у тім, що ЕРС наводиться також і у роторі, як різниця від напруги збудження, отже струм збудження проходить під дією цієї різниці, а не тільки джерела збудження, як у синхронному генераторі. Ця особливість вагомо відрізняє цей генератор від генераторів синхронного й асинхронного.

Прототипом для завдання параметрів прийнятий синхронний турбогенератор потужністю 6 МВт, номінальною напругою 6,3 кВ. У процесі дослідження варіювалися напруга і частота збудження, частота обертання, опір резисторів навантаження. Контролювалися струм збудження, обертаючий момент, напруга і струм навантаження.

Визначення характеристик АСГ

Характеристики холостого ходу.

Визначалися при опорі резисторів навантаження на два порядки більшому, ніж номінальний опір, таким чином струм навантаження мав невеликі значення. Частота обертання варіювалася в діапазоні 20 - 80 Гц, частота збудження варіювалася в діапазоні ±30 Гц. Напруга збудження встановлювалася такою, щоб при частоті обертання ротора 50 Гц в обмотці статора наводилася ЕРС 6,3 кВ частотою 50 Гц – при частоті збудження, що дорівнює 0. У процесі дослідження змінювалася частота обертання при нульовій частоті збудження, потім частота збудження при частоті обертання 50 Гц. Результати представлені на рис. 4.

З графіка видно, що напруга генератора однаково змінюється в залежності від частот обертання і збудження з коефіцієнтом dU/df = 50В/Гц. З цього випливає, що бажана частота напруги генератора може бути отримана регулюванням частоти обертання ротора, регулюванням частоти обертання магнітного поля збудження щодо ротора чи їх спільним регулюванням.

Зовнішні характеристики.

Визначалися для частоти генерованої напруги 50 Гц. Частота обертання змінювалася в діапазоні 20 – 80 Гц, частота збудження встановлювалася в діапазоні ±30 Гц так, щоб частота генерованої напруги була 50 Гц. Напруга збудження встановлювалося такою, щоб при номінальному струмі навантаження і частоті генерованої напруги 50 Гц значення генерованої напруги було 6 кВ. Навантаження змінювалося шляхом зміни опору резисторів навантаження. Зовнішні характеристики представлені на рис. 5.

З графіків можна зробити наступні висновки.

• В асинхронізованому режимі характеристики істотно більш тверді, ніж у режимі синхронного генератора.

• При згодному напрямку обертання полів збудження і ротора напруга, що генерується зменшується зі збільшенням струму навантаження. Це обумовлено тим, що ЕРС, наведена струмом навантаження в роторі (реакція якоря), менше напруги джерела збудження, і різниця між ними збільшується зі збільшенням навантаження. Отже, знижується результуючий потік збудження і наведена їм ЕРС якоря (статора).

• При зустрічному напрямку обертання поля і ротора напруга збільшується з ростом струму. Це обумовлено тим, що реакція якоря більше напруги джерела збудження, і різниця між ними збільшується зі збільшенням навантаження. Отже, збільшується результуючий потік збудження та ЕРС якоря, що наводиться цим потоком.

• Чим вище частота, тим жорсткіше характеристики, менше залежність напруги від навантаження. Це обумовлено тим, що зі збільшенням частоти відносне значення спадання напруги в активному опорі кола збудження стає меншим, зростає залежність струму збудження від різниці напруги джерела збудження і ЕРС реакції якоря, відбувається більш повна компенсація реакції якоря.

Енергетичні характеристики.

Визначені як потужність, передана в навантаження, та ККД при різних частотах збудження. На рис. 6 представлені залежності переданої потужності від струму навантаження при різних частотах у діапазоні ±30 Гц при постійній напрузі збудження генератора.

Проаналізувавши графік, можна прийти до наступних висновків.

• При струмі навантаження до півтора номінального в генераторі з постійним збудженням відбувається зрив (різке зниження напруги) генерації, а при перемінній напрузі збудження цього не відбувається. Це обумовлено тим, що при перемінній напрузі збудження дія струму, що розмагнічує, навантаження приводить до зменшення противоЕРС у колі збудження і, отже, до збільшення струму збудження, відбувається автоматична компенсація реакції якоря. При постійній напрузі збудження реакція якоря, що розмагнічує, не компенсується, отже результуючий магнітний потік знижується зі збільшенням струму навантаження.

• При обертанні поля збудження проти обертання ротора має місце перекомпенсація (криві -10 і -30 Гц на рис. 6), а при обертанні поля збудження згідно з ротором реакція якоря декілька недокомпенсована (криві 10 і 30 Гц на рис. 6). Із збільшенням частоти збудження якісна відмінність між характеристиками зменшується (криві -30 і 30 розрізняються менше, ніж -10 і 10 Гц).

Зміна ККД у залежності від частоти збудження представлена на мал. 7.

Видно, що при частоті збудження 0 і вище ККД близьке до 1. У режимах, коли обертання поля збудження спрямовано проти ротора, ККД знижується зі збільшенням частоти поля. Це обумовлено тим, що частина механічної енергії турбіни передається джерелу збудження, а не навантаженню. [12].

По роботі можна зробити наступні висновки.

• Асинхронізований режим роботи синхронного генератора забезпечує більш стійке перетворення механічної енергії в електричну, ніж традиційний синхронний режим.

• Зі збільшенням частоти поля збільшується стабільність генерованої напруги стосовно струму навантаження.

• Та обставина, що потужність збудження складає істотну частину потужності навантаження, вимагає розробки спеціальних схем живлення кола збудження, наприклад, організації генерації енергії із самозбудженням.