CC BY
35
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УНШЕРСИТЕТУ 2007 р. Вип. №17
УДК 621.361.925.2.007
Бурлака В.В.1, Дьяченко М.Д.2, Федоровская С.А.3, Дьяченко В.М.4
АВТОНОМНАЯ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦНЯ НА БАЗЕ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
Рассмотрена возможность применения асинхронной машины в качестве генератора для автономной ветроэлектростанции, работающей совместно с аккумуляторной батареей. Предложена структурная схема системы и алгоритмы управления преобразователем частоты и зарядным устройством
В связи с увеличением цен на энергоносители наблюдаются неуклонная тенденция перехода на автономное снабжение домов, коттеджей энергией, в том числе электрической. В мире солнечные батареи на крышах домов и мачта ветроэлектростанции (ВЭС) возле дома - не такая уж редкость. И поэтому интеллектуальный потенциал наших вузов не должен оставаться в стороне от этих направлений деятельности и применить свои знания на повышение эффективности автономных источников энергии.
Традиционно автономные ВЭС строятся на основе синхронных генераторах с постоянными магнитами [1 - 3], или обмоткой возбуждения [4]. Существуют так же ВЭС, использующие генераторы постоянного тока, но они не получили большого распространения из-за повышенной изнашиваемости и низкой надежности щеточно-коллекторного узла. В то же время использование асинхронных машин в автономных ВЭС ограничено необходимостью применения силовой электроники управления ими.
Цель работы - создание автономной ветросиловой установки, работающей совместно с аккумуляторной батареей (АКБ), в которой в качестве генератора выступает асинхронная машина (АМ), отличающаяся своей дешевизной, простотой в обслуживании и доступностью.
Электромагнитная мощность 3-фазной АМ приближенно (без учета потерь холостого хода) может быть определена выражением
зи^
О
/
р =- , , (1)
(Х1 + Х2 ^
( V '
Г2
/
* = (2)
где 11ф - фазное напряжение, В;
Г1 - активное сопротивление статора, Ом;
г2' - приведенное активное сопротивление ротора, Ом;
х1 - реактивное сопротивление рассеяния статора, Ом;
х2' - приведенное реактивное сопротивление рассеяния ротора, Ом;
э - скольжение;
п0 - синхронная частота вращения вала, об/мин;
п - текущая частота вращения вала, об/мин.
1 ПГТУ,
2 ПГТУ,
3 ПГТУ,
4 ПГТУ,
аспирант канд. техн. ст. преп. аспирант
наук, доц.
При работе АМ с отрицательным скольжением иногда возникает ситуация, когда Р<0. В этом режиме АМ отдает активную мощность в питающую сеть. При этом реактивная мощность АМ всегда положительна и расходуется на поддержание вращающегося магнитного поля.
Однако введение АМ в генераторный режим в условиях отсутствия внешней сети представляет определенные трудности. Необходимо создать в машине вращающееся поле с частотой, меньшей частоты вращения ротора. Для этого предложено применить схему управления (рис.1), содержащую преобразователь частоты (ПЧ) с промежуточным звеном постоянного тока и датчик скорости (ДС) вращения ротора. При работе в генераторном режиме (с отрицательным скольжением) активная мощность с АМ передается в звено постоянного тока. Это приводит к повышению напряжения на сглаживающем конденсаторе С1. Для "откачки" полезной мощности и недопущения неконтролируемого повышения постоянного напряжения применено зарядное устройство (ЗУ) на элементах УТ1-УТ4, Т1, Б1, Б2, Ь1, представляющее собой мостовой высокочастотный понижающий преобразователь. Отличительной особенностью ЗУ является его нерегулируемость. Ключи моста ЗУ работают со скважностью 50 % и формируют на первичной обмотке трансформатора меандр с амплитудой, равной напряжению звена постоянного тока. На вторичной обмотке трансформатора появляется ЭДС, равная Е2=ипост/К, где ип0ст - напряжение на конденсаторе С1, К -коэффициент трансформации Т1.
При этом, в случае, когда ЭДС Е2 меньше напряжения АКБ 11акб, то диоды выпрямителя 01.02 заперты и ЗУ работает в режиме холостого хода. Ток заряда при этом равен нулю. Как только АМ переходит в генераторный режим и ЭДС Е2 превышает 11акб, диоды выпрямителя попеременно отпираются и во вторичной цепи ЗУ возникнет зарядный ток. Отток мощности в АКБ приведет к ограничению напряжения на С1 на уровне 11акб'К. Таким образом, по мере заряда АКБ напряжение звена постоянного тока будет расти пропорционально 11акб- Ток же заряда АКБ можно регулировать путем изменения режима работы АМ, контролируя величину скольжения.
L2 _ D3
Для управления АМ применен преобразователь частоты, выполненный по классической схеме 6-транзисторного моста VT5-VT10, управляемого методом широтно-импульсной модуляции. Это так называемый VVVF-инвертор (Variable Voltage Variable Frequency -инвертор с изменяемым выходным напряжением и частотой) [5]. Однокристальный микроконтроллер (МК), управляющий инвертором, получает данные о напряжении АКБ, напряжении на конденсаторе С1, токе первичной обмотки ЗУ (который в К раз меньше зарядного тока АКБ), скорости вращения вала АМ и температуре радиаторов ПЧ и ЗУ. Кроме того, МК управляет маломощным преобразователем старта АМ и дает команду на включение ЗУ. Программа управления, записанная в памяти МК, в режиме ожидания производит замеры скорости по сигналам ДС и, как только скорость превысила заданный минимум, включает ПЧ и формирует режим с отрицательным скольжением. После затухания переходных процессов МК дает команду на запуск ЗУ и контролирует ток заряда путем изменения выходной частоты ПЧ. При достижении полного заряда АКБ или при снижении скорости ниже минимального порога
ПЧ и ЗУ отключаются, и система переходит в режим ожидания. При перегреве радиаторов ПЧ и/или ЗУ система снижает отбираемую от AM мощность, а следовательно, и ток заряда. В программе МК зашит закон управления AM вида U/ f = const, что подразумевает постоянство амплитуды магнитного потока в машине (за исключением области низких частот, где эта зависимость нарушается из-за увеличивающегося влияния активного сопротивления статора). Пренебрегая потерей напряжения на комплексном сопротивлении рассеяния статора I = /| + jxj), для основного магнитного потока машины можно записать соотношение
11ф =27^^, (3)
где f - частота питающего напряжения, Гц; Wi - число витков фазы статора; Фм - амплитуда магнитного потока машины, Вб.
Из данного выражения следует, что для максимального использования магнитопровода машины, т.е. стабилизации Фм на максимальном уровне, необходимо напряжение питания увеличивать пропорционально частоте. Можно показать, что закон управления O„=const приводит к постоянству критического момента AM при различных частотах питания.
Отдельно стоит остановиться на преобразователе старта AM, выполненного на элементах VT4, L2, D3. Этого узла нет в традиционных промышленных ПЧ. Задача этого преобразователя - начальная зарядка конденсатора С1 до напряжения, при котором возможен устойчивый старт AM, т.е., возможно начальное создание вращающегося электромагнитного поля.
В установившемся режиме напряжение на С1 поддерживается за счет генерации AM. Мощность преобразователя старта невелика и примерно равна мощности холостого хода AM. Этот преобразователь выполнен по однотактной повышающей автотрансформаторной схеме. При открытом ключе VT4 энергия запасается в магнитном поле автотрансформатора L2 (имеющего ферритовый сердечник с зазором), диод D3 при этом закрыт обратным напряжением. При закрытии ключа энергия из магнитного поля передается через диод в конденсатор С1. Программа МК обеспечивает плавный пуск и защиту этого преобразователя. Дальнейшие усовершенствования предложенной системы заключаются в следующем: упрощение силовой части путем некоторого изменения топологии схемы ПЧ; совмещение функций ПЧ и ЗУ;
оптимизация программы управления по условию максимума КПД AM.
Выводы
Предложена система управления автономной ветросиловой установкой на базе асинхронного генератора. Показано, что с применением современных методов управления и последних достижений импульсной преобразовательной техники позволяет при минимальных затратах реализовать работу асинхронного генератора в режиме отрицательного скольжения. Приведен алгоритм программного обеспечения для управления преобразователем частоты. Показана реализация системы возбуждения асинхронного генератора на основе автономного VVVF-инвертора.
Перечень ссылок
1. http://www.clo.ru/Catalog/Generator/gspm_03 .htm
2. http://www.windelectric.kiev.ua/core.php ?pagename=products_index&language=ru
3. http://www.windside.com/technic/tecnical.htm
4. http://www.ra-publish.com.ua/el/?mag=el0409&text=7588-l .htm
5. Дьяченко М.Д. Опыт применения интеллектуальных силовых модулей фирмы "Mitsubishi" в частотных преобразователях малой мощности. / М.Д.Дъяченко, В.В.Бурлака II Вюник ПДТУ: 36. наук. пр. - Mapiyno.ib. 2005. - Вып. 15,- С. 157-161
Рецензент: В.Н. Кравченко канд. техн. наук, доц., ПГТУ
Статья поступила 18.02.2007
