CC BY
98
УДК 621.314:621.382:621.314.572
КПД МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
С.А. Харитонов, А.Г. Гарганеев*
Новосибирский государственный технический университет *Томский политехнический университет E-mail: [email protected]; [email protected]
Приведены результаты расчета КПД системы генерирования постоянного тока на базе магнитоэлектрического синхронного генератора и полупроводникового преобразователя (выпрямителя). Пример расчета приведен для системы генерирования электрической энергии мощностью 250 кВт, разработанной для ветроэнергетической установки с переменной частотой вращения вала ветровой турбины.
Ключевые слова:
КПД, мехатронная система, синхронный генератор с постоянными магнитами, полупроводниковый преобразователь, переменная частота вращения вала, ветроэнергетическая установка.
Key words:
Efficiency, mechatronic system, the synchronous generator with permanent magnets, the semiconductor converter, variable frequency of rotation of a shaft, wind power installation.
Как показано в [1], расчет активных потерь в элементах систем генерирования электрической энергии (СГЭЭ) и КПД системы в целом является актуальной задачей, так как такие системы находят широкое применение в возобновляемой энергетике, а также в системах электроснабжения автономных объектов, в частности, летательных аппаратов (ЛА).
В данной статье приводится пример расчета активных потерь и КПД в СГЭЭ постоянного тока с использованием методики, предложенной в [1]. Предполагается, что СГЭЭ является частью ветроэнергетической установки (ВЭУ) с переменной частотой вращения п вала ветровой турбины.
При расчете КПД основное внимание уделяется анализу активных потерь, прежде всего в синхронном генераторе (СГ), при этом учитывается несинусоидальный характер тока и напряжения, обусловленный работой генератора на полупроводниковый преобразователь - ПП (в данной статье это управляемый выпрямитель), подключенный к противоЭДС.
В примере используются данные одного канала СГЭЭ в составе ВЭУ «Радуга- 1А» [2], в которой применен модульный принцип построения системы генерирования, в каждом из каналов используется СГ с постоянными магнитами типа ГСВ-260, номинальная мощность генератора составляет 260 кВт (разработка ОАО НПО «ЭЛСИБ»).
На рис. 1 по результатам расчета приведены потери в СГ в составе системы «СГ (МЭГ) - трехфазный мостовой выпрямитель - противоЭДС». При этом номинальные обороты приняты равными п]|ом=3,51, а добротности элементов системы [1] определялись для генератора типа ГСВ-260 [2] и имели следующие значения: 0001=27,78, 00^=37,95, 0СГмех1=4,56.103, бСГмей=1,26.103, 0СГдоб=178. На рис. 1, а, в, д, ж, для раз-
личных значений q, равного 2-—, и угла регу-
А ^
лирования а показана зависимость от частоты вращения составляющих потерь в СГ, отнесенных к мощности нагрузки, т. е. дР/=ЛруРн*, а на рис. 2, б, г, е, з, для тех же значений q и а показана зависимость от п КПД генератора пСГ.
Из анализа составляющих потерь в генераторе следует, что на их величину существенным образом влияют режимы работы ПП, приводя главным образом к уменьшению потерь в стали за счет снижения результирующего потока в зазоре с ростом оборотов в режиме непрерывного тока генератора. Это нетрудно увидеть из сопоставления потерь в стали в режиме холостого хода дР,*^ и аналогичных потерь под нагрузкой дР*СГ.
Расчеты показывают, что учет высокочастотных составляющих в потоке зазора при а=0 вносит изменения в уровень потерь в стали не более, чем на 2...3 %.
На малых частотах вращения в связи с незначительным уровнем генерируемой мощности определяющими являются потери в стали, причем их величина, очевидно, приближается к стальным потерям в режиме холостого хода. Эта тенденция отчетливо проявляется с увеличением угла регулирования (рис. 1, д, е).
С ростом величины q происходит увеличение относительного значения генерируемой мощности (т. к. уменьшается базовая величина 36), при этом возрастают потери в стали СГ, приближаясь по величине к дР,*1СГхх. При q>7 для оценки дР‘аСГ можно пользоваться значением относительных потерь в стали в режиме холостого хода. Изменение q от 0 до 7 в рассматриваемом примере приводит к уменьшению КПД с 0,94 до 0,92, т. е. темп увели-
1 В качестве относительных единиц используются величины, предложенные в [1], д=1429 об/мин.
Рис. 1.
сг
1
0.94
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
5Р*
д = 0, а = О
5 р* СГстхх /Х
у / У / У ЬР\ /
_ — -" 8Р* - СГмех ./ УЬР* ШГГітгЛ
5р* СГм СГст
0.94
0.5
1.5 2 2.5
б
Лег
3.5
1.5
2.5
3.5
8Р’
д = 1,а = 0
Лег
8Р* У / стхх ^ У У / У
У У ^с’гст * Г.Г мех /
^СГдоб ^
6р" т СГм
0.94
0.5
1.5
2.5
3.5
8Р'
д = 0,а = 0
8 ^СГстхх / ^
У У У У У ЬР\ /
У У ЪР* ' СГмех / УъР* Ш СГДПб
ЪР* СГм • ^ СГст
1
1
0.94
0.6
0.5
Лег
3.5
ЛІ/1
іЖ/
1.5 2 2.5 3
Потери в синхронном генераторе системы «МЭГ - трехфазный мостовой выпрямитель», при номинальных оборотах п’ном=3,5 и различных значениях параметра д и угла регулирования а
чения генерируемой мощности с ростом д (рис. 2) значительно выше, нежели рост относительных потерь в стали. При этом данная тенденция сохраняется до д, равного 2...3. Относительные потери в меди в данной конструкции СГ не являются определяющими; в режимах, близких к номинальному, они примерно равны потерям в стали и имеют тенденцию снижения с уменьшением и*.
Работа генератора на высоких частотах приводит к тому, что становятся весьма значимыми механические потери, которые быстро растут с оборотами и становятся практически определяющими.
На рис. 2 в качестве примера представлены расчетные энергетические характеристики МЭГ (его добротности соответствуют генератору ГСВ-260) в составе системы генерирования постоянного тока, работающей на противоЭДС. Первичным источником энергии является ветровая турбина. По-
лупроводниковый преобразователь выполнен по трехфазной мостовой схеме с д, равным 1. Расчетная частота вращения вала СГ ир=5000 об/мин, Ищ1п=2500 об/мин и рабочая точка выбрана таким образом, что ир*=3,5. Мощность нагрузки при и*<ир* изменяется пропорционально (и*)3, при ир*<и*<ир* мощность нагрузки увеличивается пропорционально частоте вращения до и,*ом=3,5 (рис. 2, а).
Зависимость КПД генератора от частоты вращения приведена на рис. 2, б, а составляющих активных потерь - на рис. 2, в, г. Отличие данных характеристик от ранее приведенных заключается в том, что в схемы включены регуляторы мощности, которые автоматически изменяют угол а с изменением частоты вращения. Учитывая, что к весьма слабо зависит от частоты вращения [1], полагая его постоянным, можно получить следующее обобщенное выражение для активных потерь в системе
AP* = a(r*) P* + b(r*),
где a(n) и ¿(и*) - полиномиальные функции от относительного значения частоты вращения:
ar* = а0 + а^«*)1'5 + а2(«*)2, br* = b0 + b1r* + b2 (r*)1'5 + b3 (r* )2 + b4 (r* )3.
Введем следующие величины: n*pmin=npmill/nmin -минимальная рабочая частота вращения вала; np*=np/nmin - расчетная (номинальная) частота вращения вала; Dp=np/npmin - рабочий диапазон частот, Ршш=ус(иpminDp)i - номинальная (расчетная) мощность системы; коэффициент Z равен 3 для ВЭУ и 1 для ЛА. С учетом этих величин для расчетной точки получим
SPp =
AP*
a(npminDp ) Yc (npminDp )
^cp =
+ b(np min Dp)Yc(np min Dp)"5 1 + a(npminDp ) Yc (npminDp )? + + b(«pmin Dp)Yc(«p‘min Dp)
+?a(«pmin Dp)Yc(«p*min Dp)" +
+ [¿1 + 1,5Й2(«pmi„Dp)0'5 + 2*3«^Dp + 3b4(n*minDp Л -
SP‘ • =
Ppmin
AP'
= a(ntJDp)Yc(nJDp)i +b( n'/ Dp)Yc( «‘/A)-
p p
= [1 + a(np/Dp)Yc(np/Dp)i + b(np‘/Dp)Yc( np‘/Dp)
-л-1
Данный вывод весьма важен при построении СгЭэ для ВЭУ, где £=3 и $р=2...4. В системах этого типа по указанной причине предпочтительнее применение модульного принципа построения СГЭЭ с разбиением рабочего диапазона на поддиапазоны в соответствии с мощностью одного модуля. При такой структуре системы с ростом частоты вращения происходит наращивание генерируемой мощности за счет увеличения числа параллельно включенных модулей.
Так, если обозначить через Ыш общее количество модулей, при расчетной мощности модуля Рмр=РнЖ, а через И3 - количество работающих модулей при и^, то, полагая все модули одинаковыми, получим следующее выражение для расчетного диапазона одного модуля:
D1p = Dp
_N_
N
Отсюда следует, что с увеличением рабочего диапазона происходит значительный рост механических и добавочных потерь в генераторе, их роль становится преобладающей.
Полученные соотношения полезны при анализе зависимости потерь и КПД от рабочего диапазона Бр конкретной системы, а также при параметрической оптимизации на стадии проектирования. В частности, функциональную связь между параметрами системы, обеспечивающую максимальное значение КПД в расчетной точке при заданном диапазоне и минимальной частоте вращения, позволяет определить соотношение
[1,5а1( ирт;п £р)0’5 + 2а2 ир*т;п £>р]7с( «*тт £>р)" +
Под расчетным диапазоном Б1р понимается величина, удовлетворяющая соотношению
Р* = («* • £1
Р мр \пршт1р / *
На рис. 3 для системы СГЭЭ ветроэнергетической установки на базе ГСВ-260 приводится зависимость КПД на минимальных оборотах от диапазона работы одного модуля и их количества. Отсюда вытекает, что для данного типа систем (Пср-Псршп)/Пср^0,01 при
N>4.
Отметим, что задача параметрической оптимизации с критерием максимизации КПД при варьировании величины параметра д и коэффициентов й; и Ь в полученном ранее соотношении [1] и ограничениях вида
*
^min 5
x}, kr„ < kr„
-?Ь(«*т1п АЖКттА )= 0
Для минимальной частоты вращения рабочего диапазона относительные потери и КПД находятся по формуле
Отсюда вытекает, что относительный уровень потерь при снижении оборотов возрастает пропорционально Б^, причем, как это следует из рис. 1 и 3, преобладающими становятся потери в стали генератора и реактора.
М е {Мт.(и’), Мтах(и*)}
для систем МЭГ НПЧ с ЕК приводит к решению д=дшт при любых значениях величин щ и Ь. Здесь дтп определяется из [1] Ркт(п) - заданный характер изменения мощности нагрузки от частоты вращения; кА зад - требуемое значение коэффициента гармоник тока нагрузки. При этом проблема параметрической оптимизации сводится к решению стандартной задачи линейного программирования, где искомый результат лежит на границе допустимых параметров и определяется системой уравнений
(Птт ) = РЕ1зад (Птт ), р (Птах ) = -^"зад (Птах )•
Данное условие обеспечивает также максимальное значение коэффициента мощности СГ в начале и конце рабочего диапазона.
Выводы
Приведены результаты расчета КПД системы генерирования постоянного тока на базе магнитоэлектрического синхронного генератора и полупроводникового преобразователя (выпрямителя). Показано, что:
Г 0.96 0.94 0.92 0.88 Рис. 3 N,=1,0 сршіп Р “2 г 0.96 0.94 0.92 0.88 0.86 т. ... сршіп
К,
V и.64 “ 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 2 4 6 8 Зависимости КПД СГЭЭ для ВЭУ на минимальных частотах вращения вала ветровой турбины отдиапазона работы одного модуля (при Ыз=1, йр=2) и количества модулей
1. На величину и соотношение потерь в генераторе существенное влияние оказывают тип полупроводникового преобразователя и режимы его работы. Применение нулевых схем преобразователей приводит к повышенным потерям в меди. Режим прерывистого тока в фазах генератора обусловлен увеличением удельных потерь в стали, к росту которых также приводит увеличение угла регулирования (или уменьшение глубины модуляции в случае циклоконвертора).
2. Расширение рабочего диапазона частот вращения приводит к значительному росту активных потерь и изменению их соотношения. В системе генерирования для ветроэнергетических
установок они изменяются пропорционально пятой степени диапазона частот вращения, а в системах для летательных аппаратов пропорционально третьей.
3. Проблема повышения КПД при увеличении диапазона частот вращения для ветроэнергетических установок может быть решена за счет применения модульного принципа построения системы генерирования.
Работа выполнена по государственному контракту №13.036.31.0010 от 22.10.2010г. на тему: «Исследование, разработка и организация промышленного производства меха-нотронных систем для энергосберегающих технологий двойного назначения».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Харитонов С.А., Гарганеев А.Г Методика расчета коэффициента полезного действия мехатронной системы генерирования электрической энергии постоянного тока // Известия Томского политехнического университета. - 2011. - Т 319. - № 4. - С. 135-138.
2. Харитонов С.А., Грабовецкий Г.В., Лучкин В.Ф. Система генерирования типа «синхронный генератор с РЗМ - преобразова-
тель частоты» для ВЭУ мощностью 1000 кВт «Радуга-1» // Актуальные проблемы электронного приборостроения: Труды III Междунар. научно-техн. конф. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1996. - Т. 8. - С. 29-33.
Поступила 02.04.2011 г.
