авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Стабилизаторы параметров электроэнергии автономных систем электроснабжения с улучшенными техническими характеристиками

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЭНГОВАТОВА Валентина Витальевна

СТАБИЛИЗАТОРЫ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

С УЛУЧШЕННЫМИ ТЕХНИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Краснодар – 2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО

«Кубанский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Григораш Олег Владимирович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Атрощенко Валерий Александрович
кандидат технических наук, доцент
Кашин Яков Михайлович
Ведущая организация: ОАО «Научно-производственная
компания “РИТМ”», г. Краснодар

Защита диссертации состоится 9 июня 2009 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.100.06 в Кубанском государствен-ном технологическом университете по адресу: 350058, г. Краснодар,

ул. Старокубанская, 88/4, ауд. 410.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского госу-дарственного технологического университета.

Автореферат разослан 7 мая 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

канд. техн. наук, доцент Л. Е. Копелевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Как известно, электроэнергия, используемая во всех сферах жизнедея-тельности человека, обладает совокупностью специальных свойств и непос-редственно участвует в создании других видов продукции, влияя на их ка-чество. Известно также, что потребители электроэнергии рассчитаны рабо-тать на номинальные значения параметров, обеспечивающих их высокие значения КПД, показателей надёжности, а также длительное время работы (ресурс).

В настоящее время мировое развитие компьютерных систем связи, об-работки информации, а также автоматических систем управления техноло-гическими процессами и производственными комплексами, предъявляют повышенные требования не только к надёжности электроснабжения, но и к качеству электроэнергии. С каждым годом ущерб от перерывов в электроснабжении ответственных потребителей электроэнергии (I категории) и снижения показателей качества электроэнергии неуклонно возрастает. Уровень ущерба, в значительной степени, зависит от вида предприятия и потребляемой им мощности.

Динамика развития требует поиска и разработки новых способов и уст-ройств, способствующих улучшению показателей качества электроэнергии и надёжности электроснабжения.



Перспективным направлением, является разработка систем бесперебой-

ного электроснабжения (СБЭ), включающие в себя, кроме источника внеш-ней сети, автономные источники электроэнергии (АИЭ), в том числе, авто-номные источники, выполненные с применением возобновляемой энергети-ки.

Одним из основных узлов таких систем являются стабилизаторы пара-метров электроэнергии. Применяемые в настоящее время стабилизаторы АИЭ не отвечают современным требованиям по быстродействию, надёжнос-

ти работы и электромагнитной совместимости.

Диссертационная работа посвящена разработке стабилизаторов пара-метров электроэнергии с улучшенными техническими характеристиками для автономних систем электроснабжения (АСЭ).

Цель диссертационной работы: улучшение технических характеристик стабилизаторов параметров электроэнергии источников автономных систем электроснабжения.

Для достижения поставленной цели работы сформулированы следую-щие задачи исследований:

1. Разработать функциональные схемы стабилизаторов напряжения и частоты для генераторов АСЭ.

2. Исследовать способы борьбы с электромагнитными помехами.

3. Провести расчёт показателей качества выходного напряжения стаби-лизатора, выполненного на непосредственном преобразователе частоты (НПЧ).

4. Разработать и исследовать математическую модель системы «Гене-ратор - НПЧ».

5. Разработать и исследовать математическую модель стабилизатора напряжения, выполненного на оптосимисторах.

6. Разработать методику упрощённого расчёта массогабаритных пока-зателей, КПД и показателей надёжности стабилизаторов.

Объектом исследования являются стабилизаторы напряжения и час-тоты, а также их системы управления.

Предметом исследования являются математические модели стабили-заторов, показатели их эффективности, а именно - показатели качества элект-роэнергии, надёжности, массогабаритные показатели и КПД.

Методы исследования базируются на использовании теории электри-ческих цепей, основ теории статических стабилизаторов и преобразователей электроэнергии, рядов Фурье, теории графов, метода Рунге - Кутта для ре-

шения системы дифференциальных уравнений.

На защиту выносится:

1. Функциональная схема стабилизатора напряжения на оптосимис-торах.

2. Функциональная схема стабилизатора напряжения и частоты, выпол-ненного на НПЧ.

3. Математическая модель системы «Генератор - НПЧ» и результаты её исследования.

4. Математическая модель стабилизатора напряжения на оптосимисто-

рах и результат её исследования.

5. Методика упрощенного расчёта показателей эффективности статис-тических стабилизаторов напряжения.

Научную новизну работы составляют:

1. Математическая модель системы «Генератор - НПЧ».

2. Математическая модель стабилизатора напряжения на оптосимисто-рах.

3. Методика упрощённого расчёта показателей эффективности стати-ческого стабилизатора параметров электроэнергии, выполненного на НПЧ.

Практическую значимость работы представляют:

1. Функциональные схемы стабилизатора напряжения на оптосимисто-рах и стабилизатора напряжения и частоты на НПЧ.

2. Результаты исследования математических моделей системы «Генера-тор - НПЧ» и стабилизатора напряжения на оптосимисторах.

Реализация результатов работы:

1. Математическая модель стабилизатора напряжения, выполненного на НПЧ и результаты её исследований переданы в ОАО «Научно-произ-водственная компания “РИТМ”», г. Краснодара.

2. Методика расчёта показателей эффективности (показателей надёж-ности, КПД и массогабаритных показателей) статических стабилизаторов используется в учебном процессе на факультете энергетики и электрифи-кации Кубанского государственного аграрного университета.

3. Результаты научных исследований применяются в учебном процессе на кафедре вычислительной техники и информационных технологий Инсти-тута современных технологий и экономики, при изучении дисциплины «Электротехника и электроника».

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладыва-лись и обсуждались на 8 научных и научно-практических конференциях, в том числе: IV Южно-Российской НК «ЮНРК-05».

г.Краснодар, КВВАУЛ, (2005г.); на III Российской НПК « Физико - технические проблемы создания новых технологий в АПК» г. Ставрополь СтГАУ (2005г.); в III Российской НПК «Электрические технологии и электрооборудование в с/х производс-тве», ФГОУ ВПО АЧГАА г. Зеленоград (2005г.); в НПК «Энергосберегаю-щие технологии и установки» факультетов КубГАУ, г. Краснодар (2005г.); на I Международной НПК «Наука и технологии: шаг в будущее - 2006», г.Бел-город (2006г.); на V Всероссийской НК «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки», Краснодар (2007г.); на Международной НПК «Энергосберегающие технологии. Проблемы их эффективного использо-вания» ФГОУ ВПО ВГСХА г. Волгоград (2007г.); на IV Российской НПК «Физико-технологические проблемы создания новых технологий в АПК» г. Ставрополь (2007г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 научные работы, включая 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 патента РФ, и 2 по-ложительных решения по заявке на изобретение.

Общий объем публикаций составляет 6,5 п.л. из которых 1,93 п.л. при-надлежит только автору.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 120 наименований и приложения. Общий объем диссертации: 149 страниц машинописного текста.

Во введении раскрываются актуальность темы исследований, сформу-лированы цель работы, научная новизна и практическая значимость, а также раскрыты вопросы, выносимые на защиту. Приведены сведения об апроба-ции и реализации результатов исследований.

В первой главе «Стабилизация параметров электроэнергии в автоном-ных системах электроснабжения и задачи исследования» проведён анализ современного состояния АСЭ и СБЭ, приведены их обобщённые схемы, включающие традиционные источники (дизельные и газотурбинные элект-ростанции) и возобновляемые источники электроэнергии (ВИЭ): ветро-энергетические установки, мини- гидроэлектростанции.

Раскрыты причины изменения показателей качества выходного нап-ряжения источников электроэнергии АСЭ. Проводится анализ перспектив-ных автономных генераторов электроэнергии, где раскрыты особенности работы, в том числе, достоинства и недостатки асинхронизированных синх-ронных генераторов (СГ), синхронных генераторов с вращающимися выпря-мителями, асинхронных генераторов с конденсаторным возбуждением (АГ) и синхронных генераторов с постоянными магнитами (СГПМ). Показано, что целесообразно в АСЭ применять бесконтактные электрические машины АГ и СГПМ эксплуатационно-технические характеристики которых, в последнее время, значительно улучшились.

Раскрыты особенности работы АГ и их преимущества в сравнении с синхронными генераторами.

Показано, что устройства, в которых применяются механические спо-собы стабилизации частоты тока (на основе редукторных передач, диффе-ренциальных механизмов и др.), имеют низкие показатели надёжности, КПД, а также низкие массогабаритные показатели.

Применение статических стабилизаторов параметров электрэнергии, выполненных на силовых полупроводниковых приборах, выглядят предпоч-тительнее в сравнении с механическими устройствами стабилизации.

Приведены технические решения стабилизаторов параметров электро-энергии на статических преобразователях, применяемых в настоящее время в АСЭ. Раскрыты особенности их работы и недостатки.

Для достижения цели исследования, с учётом рассмотренных недостат-ков стабилизаторов параметров электроэнергии, применяемых в АСЭ, сфор-мулированы задачи исследований.

Во второй главе «Разработка стабилизаторов параметров электроэнер-гии для бесконтактных генераторов» разработана функциональная схема ста-билизатора напряжения, выполненного на оптосимисторах (рис.1), новизна которой, подтверждена патентом РФ. Каждая фаза генератора имеет по два вывода (А1 и А2, В1 и В2, С1 и С2), которые подключены к блокам стабили-зации напряжения (БСН), выполненных на оптосимисторах VS1 и VS2.

Стабилизация напряжения осуществляется за счёт изменения угла уп-

А

В

С

Рисунок 1 – Функциональная схема трёхфазного стабилизатора напряжения автономного генератора электроэнергии

равления оптосимисторами. Для стабилизации частоты и напряжения разра-ботана схема, выполненная на НПЧ, новизна технического решения которого также подтверждена патентом РФ (рис.2). Применение в составе системы уп-равления НПЧ однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся маг-нитным полем (ТВМП) и дросселя с управляющей обмоткой (ДУ), повышает эффективность его работы в несимметричных режимах и колебаниях напря-жения автономного генератора.





Рисунок 2 – Стабилизатор напряжения и частоты на НПЧ

Работа блока косинусной синхронизации (БКС), являющимся источ-ником опорного сигнала, синхронизирована с одной фазой напряжения ис-точника питания через ТВМП, а дроссель с управляющей обмоткой ДУ обес-печивает его стабильное значение в случаях колебания напряжения авто-номного источника электроэнергии. Опорный и ведущий сигналы сину-соидальной формы (с выхода задающего генератора) стабильной частоты поступают на входы сумматора, на вход которого поступает сигнал с выход-ного устройства ВУ, пропорциональный величине выходного напряжения, через систему управления СУ. Сигнал рассогласования эталонного напряже-ния с выходным поступает в систему управления, где формируются уп-равляющие импульсы, поступающие на управляющие электроды тиристоров силовых блоков СБ1, СБ2 и СБ3. Изменение углов управления тиристорами силовых блоков обеспечивает стабилизацию напряжения и частоты на вы-ходных выводах А2, В2 и С2.

Как известно, принцип действия полупроводниковых приборов, осно-ванный на переключении нелинейных элементов и скачкообразном измене-нии тока и напряжения, вызывает появление электромагнитных помех, ко-торые не только искажают форму напряжения источника питания, но и ока-зывают влияние на работу систем управления не только самого стабилиза-тора, но и на системы управления других устройств АСЭ. Предложен один из способов, позволяющий уменьшить уровень электромагнитных помех за счёт применения в силовых схемах стабилизаторов однофазно-трёхфазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем. Это позволит умень-шить количество силовых полупроводниковых приборов стабилизаторов – источников электромагнитных помех.

В третьей главе «Оценка качества выходного напряжения и математи-

ческое моделирование физических процессов в силовых схемах стабилизато-ров» рассматриваются особенности расчёта гармонического состава выход-ного напряжения стабилизаторов, где применяются ряды Фурье. Анализ гармонического состава напряжения позволяет оценивать его качество при изменении величины и характера нагрузки. Для уменьшения влияния выс-ших гармоник на качество выходного напряжения предложено использовать универсальные выходные фильтры, предназначенные для совместной работы разного типа стабилизаторов. Конструктивно они содержат встречно-парал-лельно включённые силовые полупроводниковые приборы, подключённые последовательно с конденсаторами.

Рассмотрены особенности математического моделирования физических

процессов в силовых схемах стабилизаторов. Разработана математическая модель системы «Генератор - НПЧ», представленная системой уравнений (1).

При этом, были приняты допущения, что коммутация полупроводнико-вых приборов происходит мгновенно, поэтому их схема замещения содер-жала резисторы с двумя значениями сопротивления для открытого и закры-того состояния, кроме того, реактивные элементы схемы замещения генера-тора, фильтра и нагрузки имели линейные характеристики. Исследования математической модели «Генератор - НПЧ» позволили сделать ряд выводов, основными из которых являются:

- длительность переходных процессов на выходе НПЧ в основном зави-сит от значения коэффициента мощности нагрузки (рис.3);

- при естественной коммутации силовых приборов, НПЧ для генерато-ра является активно-индуктивной нагрузкой;

- параметры выходных фильтров НПЧ изменяются пропорционально

мощности и зависят от кратности входной частоты к выходной.

Рисунок 3 - Зависимости длительности переходного процесса на выходе НПЧ от коэффициента мощности нагрузки при подключённом выходном фильтре (1) и без него (2)

Разработана принципиальная схема замещения однофазного стабилиза-тора напряжения на оптосимисторах (рис. 4).

  Компьютерная модель-9

Рисунок 4 – Компьютерная модель однофазного стабилизатора напряжения на оптосимисторах

Для этого применялась программа MATLAB версии R2007а, в кото-рой использовался один из перспективных прикладных пакетов визуального моделирования Simulink. Среда MATLAB – Simulink представляет разные

возможности, начиная от структурного математического и заканчивая маке-тированием системы в реальном времени физического моделирования электротехнических устройств. Математическая модель – система уравнений, описывающих систему замещения стабилизатора напряжения на оптосимис-торах имеет вид (2).

При исследовании модели стабилизатора в различных режимах, изме-няя, при этом, величину и характер нагрузки, получены ряд динамических характеристик, описывающих форму тока и напряжения на симисторах и наг-рузке. Пример одной из характеристик приведён на рис.5.

Используя временные диаграммы, были построены нагрузочные и ре-гулировочные характеристики стабилизатора напряжения. Кроме того, ре-зультаты исследований позволили сделать следующие выводы.

1. Нагрузочная характеристика имеет небольшие отклонения. При из-

менениях тока нагрузки Iн на ± 10% от номинального значения, система уп-равления стабилизатором обеспечивает стабильность напряжения на нагруз-ке Uн = ± 3% от номинального значения.

2. Регулировочная характеристика имеет линейный характер. Диапазон

изменения угла управления оптосимистора стабилизатора необходимо опре-

делять после оценки качества выходного напряжения.

  Форма тока и напряжения на-11

Рисунок 5 – Форма тока и напряжения на симисторах

3. Длительность переходных процессов при изменении угла управления оптосимисторами стабилизатора от 0 до 1800 не превышает 0,55 мс.

4. При изменении угла управления в пределах =0 – 350 и изменении

коэффициента мощности cos = 0,6 – 0,8 коэффициент несинусоидальности

имеет нормально допустимые значения, т.е. КН < 3%.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.