Процессы и характеристики автономных асинхронных генераторов с полупроводниковыми регуляторами напряжения

• Автор: Гентковски Здзислав
• Шифр специальности: 05.09.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 255 с. : ил.

1. ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Вопрос использования асинхронной машины (АМ) в генераторном режиме в автономных системах питания электроэнергией давно привлекал внимание исследователей. В основном это относилось к АМ с к.з. ротором, конструкционные, технологические, экономические и надежностные достоинства которой хорошо известны [2,57].
Основной проблемой, которая в течение десятилетий затрудняла применение автономных асинхронных генераторов (ААГ), была необходимость сконструирования соответствующего источника реактивной мощности (ИРМ). В случае параллельной работы АГ с сетью необходимая для его работы реактивная мощность потребляется от сети, а в сеть отдается активная мощность. В автономном режиме к АМ необходимо присоединить регулируемый ИРМ, обеспечивающий эту мощность для АМ и для нагрузки.
Известна возможность обеспечения соответствующей реактивной мощности для ААГ путем присоединения к зажимам машины батареи конденсаторов. Несмотря на плохие массо-габаритные показатели и проблемы с коммутацией регулировочных конденсаторов, необходимых для стабилизации выходного напряжения, разработано значительное количество конструкционных решений ААГ с конденсаторным возбуждением. Сравнение этих генераторов с аналогичными синхронными генераторами [126,158] указывает на их преимущество и конкурентоспособность во многих областях, таких как авиационная и химическая промышленности [64,153], так называемая малая гидро- и ветроэнергетика [27,122,130,156], а также другие отрасли [150].
Исследования, проводимые сначала для малых мощностей, постепенно расширялись на АГ средней мощности, а целесообразность включения асинхронных турбогенераторов большой мощности в энергетические системы кажется сегодня бесспорной [66,136], хотя существует еще много нерешенных проблем в этой области.
Существенную роль в расширении применения ААГ с конденсаторным возбуждением сыграло появление полупроводниковых силовых элементов (тиристоры,

симисторы), позволяющих конструировать бесконтактные ключи, обеспечивающие быстрое и без сверхтоков переключение ступеней конденсаторов.
Новые возможности возбуждения ААГ открылись также после сконструирования полупроводниковых источников реактивной мощности с использованием классических элементов типа тиристоров и симисторов. Результатом этого является разработка значительного количества теоретических и практических решений генераторов с таким способом возбуждения [132,149,173]. Однако эти решения отличаются, как правило, высокой степенью сложности, высокой стоимостью и относительно низкой надежностью, что в значительной степени ограничивало их применение и распространение.
Наблюдаемое в последнем десятилетии бурное развитие техники и технологии в области машиностроения, аппаратостроения, силовой полупроводниковой техники, преобразовательной техники и т. п., а также широкий доступ к новейшим достижениям науки в этих областях и современным элементам, создали совершенно новые возможности решения проблем, связанных с разработкой и применением ААГ как с конденсаторным возбуждением, так и с возбуждением с помощью преобразователей.
К основным факторам, определяющим эти новые возможности, следует зачислить:
• развитие методов и алгоритмов проектирования асинхронных машин с требуемыми параметрами, в том числе предназначенных для работы в генераторном режиме, а также возможность выпуска малочисленных серий этих машин,
• появление современных малогабаритных энергетических конденсаторов с полипропиленовым диэлектриком, позволяющих реализовать разные схемные варианты соединений отдельных емкостных модулей в одном корпусе (по заказу) [127],
• появление новых полупроводниковых силовых элементов типа тиристоров GTO или транзисторов IGBT на большие токи и напряжения и интегральных полупроводниковых силовых схем, а также интегральных схем управления этими элементами [12,125],
в появление новых схемных решений ААГ с возбуждением от конденсаторов и преобразователей, а также новых алгоритмов управления [97,124],

• появление новой компьтерной техники, обеспечивающей возможность анализа и синтеза различных вариантов схемных решений ААГ с учетом необходимого для полного исследования анализируемых явлений количества факторов при разумном времени счета.
Создавшаяся ситуация открывает возможность конструирования совершенно новых схемных решений ААГ как с конденсаторным возбуждением, так и возбуждением от полупроводниковых преобразователей. Это, в свою очередь, создает необходимость разработки новых и совершенствования существующих методов проектирования и исследования этих схем с учетом особенностей, совместной работы асинхронной машины, полупроводникового преобразователя и системы управления.
Из вышеизложенного следует, что автономный асинхронный генератор с конденсаторным возбуждением, регулируемым различного рода полупроводниковыми преобразователями в цепи статора, представляет собой сложную электромеханотронную систему, для проектирования и исследования которой необходимо создание новых методов с учетом современных достижений в области компьютерной техники, технологии и математического моделирования электромеханических систем с полупроводниковыми преобразователями.
Решение этой проблемы связано с учетом всех определяющих факторов, в том числе:
• влияния на процессы в электрической машине коммутаций в полупроводниковых преобразователях, подключающих к статору конденсаторы;
• влияния несинусоидальностей в напряжениях и токах на работу полупроводниковых преобразователей;
• возникновения резонансных явлений;
• учета потерь в отдельных элементах электромеханотронной системы;
• влияния величины и вида нагрузки на стабильность работы.
Кроме того, необходимо решение задач синтеза системы автоматического регулирования как необходимое условие обеспечения стабильности работы ААГ.

2.2. Моделирование динамических режимов работы асинхронного генератора с применением модели, основанной на теории ценей
В отечественной литературе число публикаций, касающихся переходных процессов в асинхронном генераторе, невелико, а в относительно богатой мировой литературе преобладают публикации относящиеся к процессу самовозбуждения. Другие переходные процессы представлены довольно скромно.
Общее описание динамических процессов, связанных с самовозбуждением, можно найти в литературе относящейся к классической теории электрических машин.[28,34,56,67,154]. Не рассматривается там, как правило, физическая сторона этого явления, что ограничивает пригодность этих материалов.
Если рассматривать физическую сторону явления самовозбуждения, то можно выделить по крайней мере четыре теории, применяемые для выяснения этого явления. В первой группе публикаций, особенно старших [13,26,106,107,177] преобладает мнение, что самовозбуждение вызывается остаточным магнетизмом ротора и затем процесс лавинообразно усиливается нарастающим емкостным током статора. Однако экспериментальные исследования показали, что в генераторе, обладающим даже относительно большим остаточным магнетизмом, самовозбуждение не происходит, если не выполнены другие условия самовозбуждения, например когда скорость вращения вала меньше критической. Более того, при подходе снизу к критической скорости вращения остаточный магнетизм уменьшается. С другой стороны, возбуждаются генераторы с тщательно размагниченным магнитопроводом, генераторы экранированные от магнитного поля Земли, генераторы с массивным [45] и алюминиевым ротором или с медным полым ротором [47].
Авторы другой группы публикаций считают, что процесс самовозбуждения АГ является результатом параметрического резонанса. Согласно теории параметрического резонанса [46], фактором вызывающим процесс возбуждения колебаний в АГ могут быть произвольные флюктуации, а механизм нарастания амплитуды колебаний объясняется явлением так называемой „динамической явнополюсности” [6,22,46].