Simulink модель асинхронизированного синхронного генератора

Аннотация

Работа посвящена исследованию трехфазного электрического генератора, у которого магнитный поток возбуждения создается источником трехфазного напряжения и перемещается относительно ротора. Актуальность исследования обусловлена способностью такой машины обеспечить стабильные значение и частоту генерируемого напряжения при нестабильном источнике механической энергии.

Ключевые слова: Компьютерная модель, синхронный генератор, магнитный поток, генерируемая частота.

Постановка проблемы

Существует проблема обеспечения стабильных параметров электрической энергии, получаемой преобразованием энергии механической от нестабильного ее источника, например, ветряного двигателя. Та же проблема существует и при работе от стабильного источника механической энергии, но при нестабильной нагрузке электрической. Эффективным способом решения этой проблемы является преобразование механической энергии в электрическую асинхронизированными синхронными генераторами (АСГ). От синхронных машин АСГ отличаются тем, что магнитное поле перемещается относительно ротора, который его создает, от асинхронных машин АСГ отличается тем, что это перемещение создается посторонним источником и является управляемым.

Исследование АСГ на физических моделях дорого, трудоемко и энергоемко, современные технологии исследования предлагают системы компьютерной математики, позволяющие определять параметры объекта без его материального воплощения. Наиболее эффективной системой, по мнению авторов, является Matlab.

Одна из самых сложных проблем в моделировании – подготовка модели объекта исследования. Она удобно решается расширением Matlab Simulink благодаря наличию библиотеки компонентов в виде блоков. Это упраздняет составление и решение систем алгебраических и дифференциальных уравнений и обеспечивает визуальный контроль поведения» модели. Библиотека содержит источники сигналов с любыми временными зависимостями, в том числе источники энергии, преобразователи с любыми передаточными характеристиками, в том числе и преобразователи электромеханические, виртуальные устройства, регистрирующие изменение величины во времени и ее значение в цифровом виде.

На основании сказанного сделан вывод, что исследование АСГ в системе Simulink является достойной решения проблемой.

Цель исследования

Представить простую модель асинхронизированного синхронного генератора (структуру и характеристики) для исследования возможности получения стабильных напряжения и частоты от нестабильного источника механической энергии.

Содержание исследования

Методика:

• Составлялась виртуальная модель исследуемой схемы из элементов библиотеки Simulink;
• Подключались виртуальные приборы для измерения контролируемых параметров;
• Вводились параметры электрические элементов схемы (напряжения, частоты источников, сопротивления и индуктивности обмоток), близкие к параметрам реального синхронного турбогенератора;
• Результаты измерений для каждого набора параметров вводились в таблицу Excel, строились графики зависимостей.

Стенд для определения характеристик генератора содержит асинхронизированный синхронный генератор ASG, источник напряжения возбуждения, нагрузку. В качестве АСГ принята модель трехфазной асинхронной машины с фазным ротором из библиотеки Simulink. В качестве источника возбуждения – библиотечный источник трехфазного напряжения, нагрузка выполнена в виде резисторов.

Модель работает следующим образом. К ротору прикладывается момент, полученный как разность между заданным моментом и моментом, пропорциональным частоте вращения. Это дает возможность стабилизировать частоту вращения при варьировании электрической нагрузки генератора. К трехфазной обмотке ротора прикладывается напряжение от трехфазного источника, так что в роторе создается вращающийся относительно ротора магнитный поток, который индуктирует в статоре ЭДС. Значение и частота ЭДС пропорциональны алгебраической сумме частот вращения ротора и вращения магнитного потока относительно ротора. Под действием ЭДС через обмотки статора и сопротивления нагрузки проходит ток, которым энергия передается от генератора в нагрузку. Магнитный поток, созданный током нагрузки в обмотке статора, алгебраически складывается с магнитным потоком ротора, так что ЭДС в статоре создается потоком суммарным.

Особенность АСГ в том, что ЭДС индуктируется и в роторе, вычитаясь из напряжения возбуждения, так что ток возбуждения проходит под действием этой разности, а не только источника возбуждения, как в синхронном генераторе. Эта особенность сообщает генератору существенные отличия от генераторов синхронного и асинхронного.

Прототипом для задания параметров принят синхронный турбогенератор мощностью 6 МВт, номинальным напряжением 6,3 кВ. В процессе исследования варьировались напряжение и частота возбуждения, частота вращения, сопротивления резисторов нагрузки. Контролировались ток возбуждения, вращающий момент, напряжение и ток нагрузки.

Характеристики холостого хода

Определялись при сопротивлении резисторов нагрузки на два порядка большем, чем номинальное сопротивление, так что ток нагрузки имел незначимые значения. Частота вращения варьировалась в диапазоне 20-80 Гц, частота возбуждения варьировалась в диапазоне ±30 Гц. Напряжение возбуждения устанавливалось таким, чтобы при частоте вращения ротора 50 Гц в обмотке статора индуктировалась ЭДС 6,3 кВ частотой 50 Гц – при частоте возбуждения, равной 0. В процессе исследования изменялась частота вращения при нулевой частоте возбуждения, затем частота возбуждения при частоте вращения 50 Гц. Результаты представлены на рис. 2.

Из графика видно, что напряжение генератора одинаково изменяется в зависимости от частот вращения и возбуждения с коэффициентом dU/df = 50В/Гц. Из этого следует, что желаемая частота напряжения генератора может быть получена регулированием частоты вращения ротора, регулированием частоты вращения магнитного поля возбуждения относительно ротора или их совместным регулированием.

Внешние характеристики

Определялись для частоты генерируемого напряжения 50 Гц. Частота вращения изменялась в диапазоне 20-80 Гц, частота возбуждения устанавливалась в диапазоне ±30 Гц так, чтобы частота генерируемого напряжения была 50 Гц. Напряжение возбуждения устанавливалось таким, чтобы при номинальном токе нагрузки и частоте генерируемого напряжения 50 Гц значение генерируемого напряжения было 6 кВ. Нагрузка изменялась изменением сопротивления резисторов нагрузки. Внешние характеристики представлены на рис. 3.

Из графиков видно, что:

• В асинхронизированном режиме характеристики существенно более жесткие, чем в режиме синхронного генератора.
• При согласном направлении вращения поля возбуждения и ротора генерируемое напряжение уменьшается с увеличением тока нагрузки. Это объясняется тем, что ЭДС, индуктированная током нагрузки в роторе (реакция якоря), меньше напряжения источника возбуждения, и разница между ними увеличивается с увеличением нагрузки. Следовательно, снижается результирующий поток возбуждения и индуктируемая им ЭДС якоря (статора).
• При встречном направлении вращений поля и ротора напряжение увеличивается с ростом тока. Это объясняется тем, что реакция якоря больше напряжения источника возбуждения, и разница между ними увеличивается с увеличением нагрузки. Следовательно, увеличивается результирующий поток возбуждения и индуктируемая им ЭДС якоря.
• Чем выше частота, тем жестче характеристики, меньше зависимость напряжения от нагрузки. Это объясняется тем, что с увеличением частоты меньше относительное значение падения напряжения в активном сопротивлении цепи возбуждения, ток возбуждения во все большей мере зависит от разности напряжения источника возбуждения и ЭДС реакции якоря, происходит все боле полная компенсация реакции якоря.

Энергетические характеристики

Определенны как мощность, переданная в нагрузку, и КПД при различных частотах возбуждения. На рис. 4 представлены зависимости переданной мощности от тока нагрузки при различных частотах в диапазоне ±30 Гц при постоянном напряжении возбуждения генератора.

Из графиков видно, что:

• При токе нагрузки до полутора номинального у генератора с постоянным возбуждением происходит срыв (резкое снижение напряжения) генерации, а при переменном напряжении возбуждения этого не происходит. Это объясняется тем, что при переменном напряжении возбуждения размагничивающее действие тока нагрузки приводит к уменьшению противоЭДС в цепи возбуждения и, следовательно, к увеличению тока возбуждения, происходит автоматическая компенсация реакции якоря. При постоянном напряжении возбуждения размагничивающая реакция якоря не компенсируется, так что результирующий магнитный поток снижается с увеличением тока нагрузки.
• При вращении поля возбуждения против вращения ротора имеет место перекомпенсация (кривые -10 и -30 Гц на рис. 4), а при вращении поля возбуждения согласно с ротором реакция якоря несколько недокомпенсирована (кривые 10 и 30 Гц на рис. 4). С увеличением частоты возбуждения качественное различие между характеристиками уменьшается (кривые -30 и 30 различаются меньше, чем -10 и 10 Гц).

Изменение КПД в зависимости от частоты возбуждения представлено на рис. 5.

Видно, что при частоте возбуждения 0 и выше КПД близко к 1. В режимах, когда вращение поля возбуждения направлено против ротора, КПД снижается с увеличением частоты поля. Это объясняется тем, что часть механической энергии турбины передается источнику возбуждения, а не нагрузке.

Выводы

• Асинхронизированный режим работы синхронного генератора обеспечивает более устойчивое преобразование механической энергии в электрическую, чем традиционный синхронный режим.
• С увеличением частоты поля увеличивается стабильность генерированного напряжения по отношению к току нагрузки.
• То обстоятельство, что мощность возбуждения составляет существенную часть мощности нагрузки, требует разработки специальных схем питания цепи возбуждения, например, организации генерации энергии с самовозбуждением.