Стабилизатор напряжения бесконтактных генераторов автономных систем электроснабжения
На правах рукописи
Олешко Александр Сергеевич
СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
БЕСКОНТАКТНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
специальность: 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Краснодар – 2010
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Кубанский государственный аграрный университет»
(ФГОУ ВПО КубГАУ)
Научный руководитель:
доктор технических наук,
профессор Григораш Олег Владимирович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук,
профессор Атрощенко Валерий Александрович,
кандидат технических наук,
доцент Богатырёв Николай Иванович
Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Пятигорский государственный технологический университет»
Защита диссертации состоится «8» Февраля 2011г., в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.100.06
при ФГОУ ВПО Кубанском государственном технологическом университете по адресу: 350058, г. Краснодар, ул. Старокубанская, 88/4, аудитория № 410.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет».
Автореферат разослан «6» января 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.100.06
кандидат технических наук,
доцент Л.Е.Копелевич
оБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследований. Как известно, высокие темпы развития производства, ведут к непрерывному повышению потребления электроэнергии. Рост нагрузок в населённых пунктах и на производстве ухудшает качество электроэнергии. Кроме того, в настоящее время интенсивно развиваются компьютерные системы связи и обработки информации, автоматические системы управления технологическими процессами и производственными комплексами. При несоответствии качества потребляемой электроэнергии и перерывов в электроснабжении таких систем могут привести не только к сбоям в работе, но и к аварийным ситуациям, последствиями которых может быть значительный ущерб.
Известно также, что потребители электроэнергии рассчитаны работать при номинальных значениях параметров, обеспечивающие высокие значения их КПД, показателей надежности, а также длительное время работы (ресурс).
Таким образом, динамика развития производства предъявляет повышенные требования к показателям качества электроэнергии и надёжности электроснабжения.
Одним из эффективных способов повышения надёжности электроснабжения является применение в составе систем электроснабжения (СЭС) автономных систем электроснабжения, выполненных на базе дизельных электростанций и возобновляемых источников электроэнергии (ВИЭ). Основным функциональным узлом таких систем является автономный генератор, качество вырабатываемой электроэнергии которого зависит от способа стабилизации напряжения.
Применяемые в настоящее время стабилизаторы напряжения автономных генераторов не отвечают современным требованиям по быстродействию, надежности работы и электромагнитной совместимости.
Диссертационная работа посвящена разработке стабилизаторов напряжения бесконтактных генераторов автономных источников электроэнергии.
Целью диссертационной работы является улучшение эксплуатационно-технических характеристик стабилизаторов напряжения бесконтактных генераторов автономных систем электроснабжения.
Задачи исследования:
1. Провести анализ современного состояния систем автономного электроснабжения (САЭ) и причин изменения показателей качества электроэнергии.
2. Провести анализ перспективных автономных источников электроэнергии и устройств стабилизации напряжения.
3. Разработать функциональную схему трёхфазного стабилизатора напряжения с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками для бесконтактных генераторов электроэнергии.
4. Разработать методику упрощенного расчёта основных критериев эффективности трехфазного стабилизатора напряжения (массогабаритных показателей, КПД и показателей надёжности).
5. Исследовать гармонический состав и разработать рекомендации по улучшению качества выходного напряжения стабилизатора.
6. Разработать схему замещения, методику расчёта её параметров и математическую модель системы «Генератор – стабилизатор – нагрузка », а также исследовать её работу.
7. Разработать рекомендации по проектированию трехфазного стабилизатора на оптосимисторах.
Объектом исследования является трехфазный стабилизатор напряжения автономных бесконтактных генераторов.
Предметом исследования являются математическая модель трёхфазного полупроводникового стабилизатора, показатели его эффективности, которыми являются качество напряжения, надежность, массогабаритные показатели и КПД.
Методы исследования базируются на использовании теории электрических цепей, основ теории статических стабилизаторов и преобразователей электроэнергии, рядов Фурье, метода Рунге-Кутта, применяемого для решения системы дифференциальных уравнений.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается правильностью выбора и корректного использования математического аппарата, внедрению в теорию результатов исследований.
На защиту выносится:
1. Функциональная схема трёхфазного стабилизатора напряжения, выполненного на оптосимисторах.
2. Методика упрощенного расчёта показателей эффективности стабилизатора напряжения.
3. Методика расчета параметров схемы замещения автономного источника электроэнергии выполненного на бесконтактном генераторе, трёхфазном стабилизаторе с подключённой нагрузкой.
4. Математическая модель системы «Генератор-стабилизатор-нагрузка» и результаты её исследования.
Научную новизну работы составляют:
1. Методика упрощенного расчета показателей эффективности статического стабилизатора напряжения (массогабаритных показателей, КПД и показателей надежности).
2. Методика расчета параметров схемы замещения АИЭ выполненного на бесконтактном генераторе, трёхфазном стабилизаторе с подключённой нагрузкой.
3. Математическая модель системы «Генератор-стабилизатор-нагрузка» новизна технического решения стабилизатора подтверждена патентом.
Практическую значимость работы составляют:
1. Функциональная схема стабилизатора напряжения, выполненного на оптосимисторах.
2. Результаты исследования математических моделей системы «Генератор-стабилизатор-нагрузка.
3. Рекомендации по проектированию трёхфазного стабилизатора напряжения на оптосимисторах.
Реализация результатов работы:
1. Методика оценки эффективности стабилизаторов напряжения переменного тока передана в ООО «ЗИП-Партнер».
2. Математическая модель стабилизатора напряжения, выполненного на НПЧ и результаты её исследований переданы в ОАО «Научно-произ-водственная компания “РИТМ”, г. Краснодара.
3. Результаты научных исследований применяются в учебном процессе на кафедре Электротехники, теплотехники и ВИЭ в КубГАУ (г. Краснодар) при изучении дисциплины «Электротехника и электроника».
Личный вклад автора заключается в формулировке общей идеи и цели работы, предложении новой конструкции стабилизатора напряжения, в разработке математической модели системы «Генератор-стабилизатор-нагрузка» и методики упрощенного расчёта основных критериев эффективности стабилизатора»
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 6 научных и научно-практических конференциях, в том числе: на I-й Международной НПК «Наука и технологии: шаг в будущее» в г. Белгороде (2006 г.); на V Всероссийской научной конференции «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки» в г. Краснодаре (2007 г.); на II-й открытой Всемирной НПК молодых учёных «Модель и наука XXI века» в г. Ульяновске (2007 г.); на международной НПК «Энергосберегеющие технологии. Проблемы и эффективность использования» в г.Волгограде (2007 г.); на НПК «Физико-технические проблемы создания новых технологий в АПК» в г.Ставрополе (2007 г.); на Российской НПК молодых учёных «Научное обеспечение АПК» в г.Краснодаре (2007 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано: 16 научных работ, включая 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 патент РФ. Общий объём публикаций составляет 4,1 п.л., из которых 2,0 п.л. принадлежит лично автору.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников, включающего 123 наименований и приложения. Общий объем диссертации 120 страницы машинописного текста, включая 32 рисунка.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении раскрывается актуальность темы, сформулированы цель работы, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения об апробации, реализации результатов исследований и личном вкладе автора.
В первой главе раскрыты причины изменения и способы улучшения показателей качества выходного напряжения систем автономного электроснабжения (САЭ) сельскохозяйственных потребителей. Показано также, что изменение параметров электроэнергии приводит к нарушениям нормальных режимов работы потребителей и значительным ущербам в сельскохозяйственном производстве, а одним из эффективных способов улучшения показателей качества электроэнергии является применение в сельскохозяйственном производстве систем бесперебойного электроснабжения (СБЭ), выполненных с использованием возобновляемых источников электроэнергии (ВИЭ).
Проведён анализ перспектив развития автономных генераторов электроэнергии. Показано, что широкие возможности раскрываются перед бесконтактными синхронными генераторами с постоянными магнитами (СГПМ) и асинхронными генераторами с конденсаторным возбуждением (АГ).
Принципы и технические решения стабилизаторов напряжения АГ и СГПМ аналогичны, т.е. стабилизация напряжения осуществляется за счет регулирования реактивной мощности, поступающей в генераторы от конденсаторов.
Проведён анализ технических решений трёхфазных стабилизаторов, раскрыты их особенности работы и недостатки.
Сформулированы задачи исследований.
Во второй главе для улучшения эксплуатационно-технических характеристик бесконтактных АИЭ, предложено техническое решение функциональной схемы трехфазного стабилизатора напряжения, выполненного на оптосимисторах, при этом, статорные обмотки генератора имеют по два ответвления (рис.1).
Трехфазный стабилизатор напряжения содержит два трехфазных блока конденсаторов возбуждения БКВ1 и БКВ2, три блока стабилизации напряжения БСН1, БСН2, БСН3, блок питания БП. Каждая из статорных обмоток генераторов АГ имеют по два вывода, к которым подключены трёхфазные блоки конденсаторов возбуждения БКВ1 и БКВ2. Система управления блоков БСН, содержит нуль орган (НО), генератор пилообразного напряжения (ГПН), компаратор (К) и формирователи импульсов (ФИ1 и ФИ2). Стабилизация напряжения осуществляется за счёт изменения углов управления оптосимисторов. Первый оптосимистор (VS5) пропускает напряжение большей амплитуды генерируемого напряжения, а во второй (VS6) - малой.
Рисунок 1 – Функциональная схема трёхфазного
стабилизатора напряжения
Основные преимущества разработанной схемы: стабилизация напряжения осуществляется внесимметричных режимах работы; повышается быстродействие системы управления; обеспечивается гальваническая развязка между силовой частью стабилизатора и его системой управления.
Предложена методика упрощенного расчёта массогабаритных показателей, КПД и показателей надёжности стабилизатора. Исходными данными для расчета являются параметры электрической энергии генерируемой бесконтактными генераторами, параметры нагрузки и интенсивности отказа элементов силовой схемы.
Как известно, основные трудности при разработке САЭ, в составе которых используется несколько АИЭ и соответственно стабилизаторов параметров электроэнергии, связаны с определением диапазона оптимальных значений критериев её эффективности. Предложены методики оптимизации по основным критериям эффективности. Одна из которых основана на применении многопараметрической (глобальной) оптимизации используя обобщенный критерий вида
(1)
где X, Y, Z – критерии эффективности; Ax, By, Cz – весовые коэффициенты, определяющие значимость частных критериев.
Минимизация функции F обеспечивается за счёт всех критериев эффективности (X, Y, Z, …).
В третьей главе рассмотрены особенности математического моделирования статических стабилизаторов. Разработка схемы замещения трехфазного стабилизатора напряжения (рис.2) и предложена методика расчёт параметров её элементов.
Разработана математическая модель (система дифференциальных и алгебраических уравнений) для схемы замещения системы «Генератор – стабилизатор – нагрузка» (2).
Для анализа физических процессов, протекающих в трёхфазном стабилизаторе, применялась программа MATLAB версии R2008а, в которой использовался один из перспективных прикладных пакетов визуального моделирования Simulink.
Целью исследований являлось определить значения напряжений и тока на элементах схемы замещения и длительность переходных процессов системы «Генератор – стабилизатор – нагрузка» в основных режимах работы:
- номинальный режим;
- режим изменения величины и характера нагрузки;
- режим изменения напряжения источника питания;
- аварийные режимы (обрыв фазы, однофазное КЗ, межфазное КЗ).
Рисунок 2 – Принципиальная электрическая схема замещения системы «Генератор – стабилизатор – нагрузка»
На основании, полученных временных диаграмм токов и напряжений на элементах схемы замещения, получены нагрузочные и регулировочные характеристики стабилизатора, а также разработаны рекомендации по проектированию системы управления трёхфазного и защиты стабилизатора.
Поскольку кривые выходных напряжений стабилизатора являются периодическими функциями, то рассмотрение гармонического состава выходного напряжения предложено с использованием ряда Фурье. Качество выходного напряжения стабилизатора оценивалось значением коэффициента искажения синусоидальности кривой (коэффициентом несинусоидальности КН).
По результатам исследования матической модели системы «Генератор – стабилизатор – нагрузка» получен гармонический ряд выходного напряжения стабилизатора при изменении угла управления оптосимисторами величины и характера нагрузки (пример на рис.3). Получены зависимости коэффициента несинусоидальности КН от величины угла управления симисторами и коэффициента мощности нагрузки (рис.4).
Рисунок 3 – Гармонический ряд выходного напряжения стабилизатора при угле управления = 450
Рисунок 4 – Зависимость КН=f() при изменении
коэффициента мощности нагрузки при отношении минимального и максимального напряжения 190-250 В
В четвёртой главе рассмотрены особенности параллельной работы АИЭ при использовании разработанного технического решения стабилизатора, при необходимости наращивания установленной мощности автономной системы. Был сделан вывод о том, что для обеспечения параллельной работы АИЭ необходимо регулировать амплитуду выходных напряжений и обеспечивать их синхронность и синфазность.
Показано, что цена нарушений нормальных режимов работы ответственных потребителей (потребителей первой категории), связанных с отклонением показателей качества электроэнергии, чрезвычайно высока и неуклонно возрастает. Кроме того, уровень ущерба в значительной степени зависит от вида предприятия и его размеров.
Для обеспечения бесперебойного электроснабжения и требуемого качества выходного напряжения проведён расчёт чисто дисконтированного дохода (ЧДД) для двух вариантов автономных систем электроснабжения (АСЭ). В первом варианте потребители электроэнергии получают питание от внешней сети через ВЛЭП 0,4 кВ и ветроэнергетическую установку (ВЭУ), а во втором варианте от дизельной электростанции (ДЭС) и ВЭУ.
Показано, что первый вариант АСЭ экономически выгодно применять если расстояние от централизованной системы электроснабжения не превышает 10 км, поскольку при больших расстояний стоимость СЭС, выполненной с использованием ВЭУ и ДЭС ниже.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты исследований содержащихся в диссертационной работе представляют собой разработку теоретических положений совокупность которых, позволит создавать трехфазные стабилизаторы напряжения с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками для бесконтактных генераторов автономных систем электроснабжения.
Научно-исследовательская работа позволила получить необходимые результаты и сделать следующие выводы:
1. На основании проведенного анализа современного состояния САЭ можно сделать следующий вывод, что динамика развития и в особенности современных технологий требуют высокое качество электроэнергии, что обеспечивается разработкой и внедрением новых технических решений стабилизаторов параметров электроэнергии.
2. Установлены причины изменения показателей качества электроэнергии. Одним из эффективных способов повышения качества электроэнергии и надёжности электроснабжения является применение в производстве систем бесперебойного электроснабжения традиционных и возобновляемы источников энергии выполненные на базе.
3. Обоснована необходимость применения в составе АСЭ бесконтактных генераторов АГ или СГПМ, которые на 5-10% имеют выше показатели КПД и ресурс работы превышающий в 1,5-2 раза ресурс работы контактных генераторов.
4. Разработана функциональная схема трёхфазного стабилизатора напряжения, выполненного на оптосимисторах, позволяющая улучшить эксплуатационно-технические характеристики АИЭ в комплексе.
5. Разработанная методика упрощенного расчёта основных критериев эффективности трехфазного стабилизатора, которыми являются массогабаритные показатели КПД и показатели надежности. Так при мощности АИЭ 50 кВт КПД трёхфазного стабилизатора находится в пределах 0,96-0,97, его масса с системой управления не превышает 12 кг (без массы конденсаторов возбуждения и компенсации реактивной мощности), а наработка до первого отказа превышает 23 тыс.час. Методика позволит повысить эффективность предпроектных работ по созданию высокоэффективных стабилизаторов напряжения.
6. Разработанная схема замещения, методика расчёта её параметров и математическая модель системы «Генератор-стабилизатор-нагрузка», позволяющая исследовать работу стабилизатора напряжения во всех режимах функционирования АИЭ, в том числе. Результаты исследования матмодели показали, что длительность переходных процессов в нормальных режимах работы при изменении угла управления оптосимисторами стабилизатора от 450 до 1800 не превышает 0,55 мс.
7. Проведено исследование гармонического состава выходного напряжения стабилизатора с использованием ряда Фурье. Разработаны рекомендации по улучшению качества выходного напряжения на основании полученных значений коэффициента несинусоидальности (искажения) и коэффициента отклонения напряжений в различных режимах. На основании анализа гармонического ряда сделаны следующие выводы: при изменении угла управления изменяющегося в пределах = 00 350 и при значениях коэффициента мощности соs = 0,6 0,8, коэффициент несинусоидальности (искажения) имеет нормально допустимые значения, т.е. КН = 3%; значения коэффициента несинусоидальности не превышает предельно допустимые значения (КН = 12%), при изменениях угла управления в пределах = 001800, если диапазон регулирования не превышает 60 В, т.е. когда нижний уровень равен 190 В, а верхний – 250 В.
8. Разработаны рекомендации по проектированию и трёхфазного стабилизатора на оптосимисторах, что повысит эффективность расчетно-конструкторских работ по созданию стабилизаторов напряжения.
9. Проведен расчёт экономической эффективности АИЭ, выполненных на базе бесконтактных генераторов и предложенного технического решения трёхфазного стабилизатора. Экономический расчёт показал целесообразность применения ВЭУ в составе САЭ в двух вариантах. Для мощности потребителей 50 кВт и удалённости от централизованных сетей не более 9 км, необходимо чтобы питание осуществлялось от ВЭУ и ВЛЭП, поскольку капиталовложения и эксплуатационные затраты не превышают 12 млн.руб. При расстояниях 9 км. и более экономически выгодно использовать в качестве источников электроэнергии ВЭУ и ДЭС.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Олешко А.С. Асинхронные генераторы в системах автономного электроснабжения / А.С. Олешко, А.М. Передистый, В.М. Семенов - Энергосберегающие технологии, оборудование и источники электроэнергии для АПК – Вып. 421 (151). Краснодар, КубГАУ 2005, с. 215 - 217.
2. Олешко А.С. Оценка эффективности бесконтактных генераторов электроэнергии / Ю.Г. Пугачев, А.С. Олешко, А.Е. Усков – Энергосберегающие технологии, оборудование и источники электроэнергии для АПК – Вып. 421 (151) – Краснодар, КубГАУ, 2005 с.238-240.
3. Олешко А. С. Модульное агрегатирование систем гарантийного электроснабжения / В. В. Энговатова, А. С. Олешко, Д. В. Военцов – Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки. Материалы V Всероссийской НК, Краснодар, КВВАУЛ, 2007,Т.1, с. 157 – 160.
4. Олешко А. С. Электромагнитные помехи и способы борьбы с ними / О.В. Григораш, А.С. Олешко, Ю.Г. Пугачев - Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки. Материалы V Всероссийской научной конференции, Т.1, - Краснодар, КВВАУЛ, 2007 с. 217- 221.
5. Олешко А. С. Особенности проектирования бесконтактных генераторов / В.В. Энговатова, А.Е. Усков, А.С. Олешко и др. - Материалы I Международной научно-практической конференции «Наука и технологии: шаг в будущее - 2006», Т.14, Технологии науки. – Белгород, Руснаучкнига, 2006 с. 76-78.
6. Олешко А.С. К вопросу выбора оптимальной структуры системы автономного электроснабжения / С.М. Пятикопов, А.А. Хамула, О.В. Новокрещенов, А.С. Олешко - Материалы I Международной научно-практической конференции «Наука и технологии: шаг в будущее - 2006», Т. 14, Технологии науки. – Белгород, Руснаучкнига, 2006 с. 87-89.
7. Олешко А.С. Способы уменьшения электромагнитных помех статических преобразователей / А.С. Олешко - Модель и наука XXI века. Материалы II-й открытой Всемирной научно-практической конференции молодых ученых. 4.2. – Ульяновск, УГСХА, 2007 с. 190 - 193.
8. Олешко А.С. Способы защиты статических преобразователей в аварийных режимах работы / А.С. Олешко - Научное обеспечение АПК, материалы российской научно-практической конференции молодых ученых – Краснодар, КубГАУ, 2007 с. 322 - 324.
9. Олешко А.С. Универсальные выходные фильтры статических преобразователей / В.М. Семенов, А.С. Олешко, Ю.Г. Пугачев - Материалы Международной научно-практической конференции, Энергосберегающие технологии. Проблемы их эффективного использования – Волгоград, ИПК ФГОУ ВПО ВГСХА «Нива» 2007 с. 223-225.
10. Олешко А.С. Метод упрощенного расчета асинхронного генератора / В.В. Энговатова, А.С. Олешко, Д.В. Военцов - Материалы Международной научно-практической конференции, Энергосберегающие технологии. Проблемы их эффективного использования – Волгоград, ИПК ФГОУ ВПО ВГСХА «Нива» 2007 с. 289- 294.
11. Олешко А.С. Трехфазный стабилизатор напряжения переменного тока / С.А. Симоненко, А.Н. Трубин, А.Е. Усков, А.С. Олешко - Механизация и электрификация, № 8, 2007 с. 25-26.
12. Олешко А.С. Модульное агрегатирование систем автономного электроснабжения / А.С. Олешко, Д.В. Военцов, А.С. Чесовской - Физико-технические проблемы создания новых технологий в АПК, сб. науч. пер..- № Российская НПК. – Ставрополь: АПРУС, 2007 с. 32 - 35.
13. Олешко А.С. Способы защиты статических преобразователей в аварийных режимах работы / А.С. Олешко, Д.А. Столбчатый - Научное обеспечение АПК: Материалы I-й Всеросийской научно-практической конференции молодых ученых.– Краснодар, КубГАУ, 2007 с. 322-324.
14. Олешко А.С. Особенности работы статических преобразователей от первичных источников соизмеримой мощности / А.С. Олешко, Д.А. Столбчатый - Методы и технологии средства повышения применения электрической энергии в с.х., – Ставрополь, АГРУС, 2007. с. 187-188.
15. Олешко А.С. К вопросу стабилизации напряжения и частоты бесконтактных автономных генераторов / О.В. Григораш, О.В. Новокрещенов, А.А. Хамула, Д.А. Столбчатый, А.С. Олешко - Труды КубГАУ. Выпуск № 2. – 2008, с. 227-232.
16. Патент №2366072 RU, МПК Н02Р 9/46. Устройство для стабилизации напряжения бесконтактных генераторов переменного тока / О.В. Григораш, А.А. Хамула, А.С. Олешко // Заявлено 28.07.2008; опубл. 27.08.2009. Бюл. № 24.
