Регулировочные характеристики двухвходовой генераторной установки

Работа посвящена исследованию двухвходовых генераторных установок (ДГУ) с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

В настоящее время с расширением использования ВИЭ применение традиционных схем предусматривает преобразование световой энергии Солнца в электрическую энергию постоянного тока, которую затем инвертируют в энергию трёхфазного переменного тока. Параллельно с преобразованием световой энергии Солнца кинетическую энергию ветра преобразуют в энергию трёхфазного переменного тока. При использовании преобразования двух видов ВИЭ на одном участке (к примеру, в качестве резервного источника энергии на удалённом объекте АПК) возникает задача согласования этих двух видов ВИЭ [1–7].

На рис. 1 приведена структурная схема при преобразовании энергии Солнца и энергии ветра с использованием классического оборудования (инвертор, электрический генератор).

Применение классической схемы использования ВИЭ предусматривает девять ступеней преобразования энергии, каждая из которых снижает КПД всей электростанции на базе ВИЭ. В этом случае ситуация осложняется ещё и тем, что при этом традиционно используются ШИМ-инверторы, которые негативно влияют на питающую электросеть. Это, в свою очередь, приводит к необходимости применения дорогостоящих фильтров и преобразователей электрической энергии.

При электромеханическом же способе преобразования и сложения энергии от разнородных ВИЭ суммарная энергия преобразуется непосредственно в энергию трёхфазного переменного тока. Это упрощает и удешевляет систему преобразования энергии.

ЭВ – ки н е т и ч еск а я эн е р ги я ве т ра ; ЭС – энергия Солнца; ВТ – ветротурбина;

Г – ге н е р а т о р ; Ф ЭП – фотоэлектрический преобразователь; Н – накопитель;

И – и нве р т о р ; СК – сумматор-контроллер; П – потребитель

Рис. 1. Структурная схема при преобразовании энергии Солнца и энергии ветра с использованием классического оборудования

Fig. 1. Structural diagram for the conversion of solar energy and wind energy using classical equipment

ЭВ – ки н е т и ч еск а я эн е р ги я ве т ра ; ЭС – энергия Солнца; ВТ – ветротурбина; ФЭП – фот оэл ек тр и ческ и й пре о бр аз оват ел ь; Н – накопитель энергии; ДГУ – д ву хвх о д о ва я ге н е р а т о р н а я у ст а н о вк а; Се т ь – внешняя трехфазная сеть переменного тока; П – потребитель

Рис. 2. Структурная схема при преобразовании энергии Солнца и энергии ветра на базе ДГУ Fig. 2. Structural diagram for the conversion of solar energy and wind energy based on DGS

ЭВ – кин етичес кая э нер г и я в етр а ; ЭС – световая энергия Солнца; ВТ – ветротурбина; ФЭП – ф отоэ лектрический преобразователь; Н – накопитель энергии; СДГУ – с ин хр о н и з и р о ва н н а я д ву хвхо д о ва я ге н е р а т о р н а я у ст а н о вк а

Рис. 3. Структурная схема при преобразовании энергии Солнца и энергии ветра на базе СДГУ Fig. 3. Structural diagram for the conversion of solar energy and wind energy based on SDGS

И м е нно для цел е й пре образ ов а ния дву х раз нородных видо в эне рги и в эне ргию трёх фа з ного пе рем е нног о то ка в ФГБОУ ВО «Ку б а нск ий госу да рств е н ны й те хнол ог и чес ки й у ни в е рс и те т » раз р а б отан ы д ву х вх одов ые гене ра торные уста новки (ДГУ), позвол яющ ие в о д н ом эл е ктром е х анич е ском пре обра з ов а те л е эне рг ии сум м иров а ть эне р гию дву х ра зн ородных источни ков ВИЭ д л я в ыр аботки электрической энергии [8].

На рис. 2, 3 приведены ст ру кт у рные схемы при пре обра з ов а н ии э не рги и С олнца и эне рги и ветра с использова н ие м Д Г У и С Д ГУ (с и нх рон и зи ров ан ная дву хв х одов ая ге н е раторн ая у с тановка ) соответственно.

Для исследования параметров и характеристик таких установок создана математическая мо- дель, на основе которой проведен вычислительный эксперимент, что позволило получить представление об исследуемом объекте. Задачей математического моделирования ДГУ являлось получение ее динамических характеристик и, на базе этих характеристик – получение регулировочных характеристик ДГУ, таких как зависимости напряжения и частоты выходного напряжения от внешних факторов и параметров ДГУ. К внешним факторам, влияющим на работу ДГУ, относятся: частота вращения ротора ветроагрегата, зависящая от скорости ветра, и напряжение на выходе фотоэлектрического преобразователя (ФЭП), зависящее от интенсивности солнечного излучения. Параметрами ДГУ, оказывающими влияние на работу установки, являются параметры обмоток отдельных частей ДГУ.

ДГУ является электромеханическим преобразователем энергии с несколькими ступенями преобразования.

Для математического описания свойств ДГУ в динамических режимах использована модель обобщенного электромеханического преобразователя энергии (ОЭМПЭ), позволяющая учитывать все связи в исследуемой ДГУ [8–10].

Использование теории обобщённого электромеханического преобразователя энергии, которая основана на комбинированном подходе, включающем теорию электрических цепей и теорию поля [8–10], позволяет проводить исследование электромеханических преобразователей энергии как в динамических, так и в установившихся режимах.

Для реализации задач по преобразованию (суммированию) двух видов энергии (механической энергии и электрической энергии постоянного тока) в электрическую энергию переменного тока разработаны ДГУ и СДГУ (ДГУ с синхронизатором напряжения).

Электрическая схема СДГУ приведена на рис. 4, а конструкция СДГУ – на рис. 5 [7, 11, 12].

На рис. 4, 5 приняты следующие обозначения: 1 – постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя; 2 – многофазная (девятифазная) обмотка якоря подвозбудителя; 3 – первый многофазный (девятифазный) двухполупериодный выпрямитель; 4 – основная однофазная обмотка возбуждения возбудителя; 5 – контакты для подключения к внешнему ФЭП (солнечным панелям); 6 – дополнительная однофазная обмотка возбуждения возбудителя; 7 – многофазная обмотка якоря возбудителя; 8 – второй многофазный (девятифазный) двухполупериодный выпрямитель; 9 – однофазная обмотка возбуждения основного генерато- ра; 10 – трёхфазная обмотка якоря основного генератора; 11 – магнитопровод подвозбудителя; 12 – магнитопровод возбудителя; 13 – магнитопровод основного генератора; 16 – постоянный магнит; 17 – магнитопровод дополнительной трёхфазной обмотки синхронизатора напряжения; 18 – дополнительная трёхфазная обмотка синхронизатора напряжения. Элементы СДГУ 1, 12, 16 жёстко связаны с валом 15. Конструктивные элементы 7, 8, 9, расположенные на элементах конструкции 1, 12, 16, связаны с валом 15 опосредовано. Вся конструкция СДГУ помещена в корпус 14. Исключение (отсутствие) элементов 16, 17, 18 позволяет из СДГУ получить ДГУ.

Ротор ДГУ приводится во вращение от внешнего источника механической энергии (например, ветра). Вращающий момент, создаваемый ветротурбиной, вызывает вращение постоянного многополюсного магнита 1 индуктора подвозбудителя, жестко закрепленного на валу установки. При вращении постоянного многополюсного магнита 1 индуктора подвозбудителя магнитный поток постоянного многополюсного магнита [7] индуктора подвозбудителя взаимодействует с многофазной обмоткой 2 якоря подвозбудителя, уложенной в пазы неподвижного магнитопровода, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется первым многофазным двухполупериодным выпрямителем 3 и подается на основную однофазную обмотку 4 возбуждения возбудителя, уложенную в пазы неподвижного магнитопровода. При этом в основной однофазной обмотке 4 возбуждения возбудителя создается магнитный поток. Одновременно на входные зажимы 5 дополнительной однофазной обмотки 6 возбуждения возбудителя подается напряжение постоянного тока (световая энергия Солнца, преобразованная в ФЭП в электроэнергию постоянного тока). Протекающий по дополнительной однофазной обмотке 6 возбуждения

Рис. 4. Электрическая схема СДГУ Fig. 4. SDGS electric circuit

Рис. 5. Конструкция СДГУ Fig. 5. SDGS design

возбудителя постоянный ток создаёт магнитный поток, сонаправленный с магнитным потоком, создаваемым током, протекающим в основной однофазной обмотке 4 возбуждения возбудителя. Созданный токами, протекающими в основной 4 и дополнительной 6 однофазных обмотках возбуждения возбудителя, суммарный магнитный поток взаимодействует с многофазной обмоткой 7 якоря подвозбудителя, уложенной в пазы вращающегося магнитопровода, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется вторым многофазным двухполупериодным выпрямителем 8 и подается на однофазную обмотку 9 возбуждения основного генератора, уложенную в пазы вращающегося магнитопровода. Магнитный поток однофазной обмотки 9 возбуждения основного генератора взаимодействует с трёхфазной обмоткой 10 якоря основного генератора, уложенной в пазы неподвижного магнитопровода, и наводит в ней трёхфазную систему ЭДС, которая подаётся потребителям.

На рис. 6 представлена функциональная схема ДГУ.

Функционально ДГУ состоит (см. рис. 6) из отдельных составляющих – блоков I–V, в которых происходит преобразование энергии, а именно:

• •    блок I – ветротурбина, преобразующая кинетическую энергию ветра в механическую энер-

  

  Рис. 6. Функциональная схема двухвходовой генераторной установки Fig. 6. Functional diagram of a two-input generator set

  
  

гию вращения и состоящая из ветроколеса и вала, который соединён с валом ДГУ;

• •    блок II – подвозбудитель, состоящий из постоянного многополюсного магнита 1 индуктора подвозбудителя, многофазной обмотки 2 якоря подвозбудителя, первого выпрямителя 3 . В блоке II происходит преобразование механической энергии вращения, поступающей от блока I, и энергии, поступающей от многополюсного магнита 1 индуктора подвозбудителя, в электрическую энергию постоянного тока;

• •    блок III – внешний источник постоянного напряжения (например, фотоэлектрического преобразователя энергии – ФЭП, где происходит преобразование световой энергии Солнца в электрическую энергию постоянного тока);

• •    блок IV – возбудитель, состоящий из основной однофазной обмотки 4 возбуждения возбудителя, дополнительной однофазной обмотки 6 возбуждения возбудителя, многофазной обмотки 7 якоря возбудителя, второго многофазного двух-полупериодного выпрямителя 8 . В блоке IV происходит преобразование электрической энергии постоянного тока, поступающей от блока III, и электромагнитной энергии, поступающей от блока II, в электрическую энергию переменного тока;

• •    блок V – основной генератор, состоящий из однофазной обмотки 9 возбуждения основного генератора, трёхфазной обмотки 10 якоря основного генератора. В блоке V происходит преобра-

• зование электромагнитной энергии, поступающей от блока IV в электрическую энергию переменного тока.

Математическая модель ДГУ составлена в осях d , q [10]. Пространственные модели блоков II, IV, V ДГУ в осях d и q представлены на рис. 7а, 7b, 7c.

При составлении системы дифференциальных уравнений обмоток 2 , 7, 10 ДГУ представлены уравнениями по двум осям d – q с последующим преобразованием в 9-фазную систему.

Математическая модель ДГУ построена при следующих допущениях:

• –    каждая из частей ДГУ (подвозбудитель, возбудитель, основной генератор) геометрически симметрична, то есть обмотки расположены равномерно по зубцовой зоне магнитопровода;

• –    каждая из частей ДГУ (подвозбудитель, возбудитель, основной генератор) электрически симметрична, то есть активные сопротивления и индуктивности каждой из обмоток по осям d и q одинаковы;

• –    каждая из частей ДГУ (подвозбудитель, возбудитель, основной генератор) имеет синусные обмотки;

• –    коэффициент взаимной индуктивности между обмотками, расположенными по одной оси ( d , q ) пространственных моделей (рис. 7а, 7b, 7c), одинаковы;

• – в листах стали магнитопровода ДГУ нет разъёмов и стыков;

  

  Рис. 7a. Пространственная модель блока II ДГУ по осям d , q Fig. 7a. Spatial model of block II DGS along the axes d , q

  
  
  
  
  

Рис. 7b. Пространственная модель блока IV ДГУ по осям d , q Fig. 7b. Spatial model of block IV of the DGS along the axes d , q

Рис. 7c. Пространственная модель блока V ДГУ по осям d , q

Fig. 7c. Spatial model of block V of the diesel generator set along the axes d , q

– сопротивления многофазных выпрямителей постоянны и не зависят от режима работы машины.

При составлении математической модели преобразование энергии в блоках II, IV, V, ДГУ объединено в единое целое с учетом потокосцеп-лений. Преобразование механической энергии, поступающей на вал ДГУ, учтено в едином уравнении моментов математической модели.

Математическая модель ДГУ приведена к двухфазной модели по осям d , q и построена в виде системы дифференциальных уравнений.

Уравнения (1)–(8) в совокупности представляют собой математическое описание физических процессов двухвходовой генераторной установки.

Скорость ветра в функции времени V _Д ( t ) описывается линейным уравнением

V A ⁽ t ) = A 0 + A 1 ■ sin П ■ « вет ■ t ) + ... + A n ■ sin П п ■ « вет ' t ),                                                        (1)

где A 0 – постоянная составляющая, не допускающая отрицательного значения функции V _Д( t ) ; A 1 , A 2 , A n – амплитудные значение 1-й, 2-й и последующих гармоник; « _вет - угловая скорость ветроколеса; n 1 … n n – номер с 1-й по n -ю гармонику.

Изменение индуцируемой ЭДС е 2 в обмотке 2 якоря подвозбудителя, разложенной по осям d ( e 2.1 ( t )) и q ( e _2.2( t )), которая зависит от магнитной индукции многополюсного магнита и скорости ветра V _Д [13, 14], величины магнитной индукции и изменения среднего значения выпрямленного напряжения на однофазной обмотке 4 возбуждения возбудителя ( U 2.1ср ( t )), зависящего от тока ( i 2.1 ( t ), i 2.2 ( t )), протекающего по обмотке 2 и вызванного ЭДС е 2 , и потокосцепления Ψ 2 (Ψ 2.1 ( t ), Ψ 2.2 ( t )) многофазной обмотки 2 якоря подвозбудителя, которые определяются индуктивностью L 2 обмотки, взаимной индуктивностью М , токами, протекающими по обмоткам, расположенным на соответствующих осях, описывается системой уравнений:

e 2.1 ( t ) = B 1 ■ ¹ кат2 ■ V A ( t ) ■ sin ( « вал ( t ) ' t ) ;

e 2.2 ( t ) = B 1 ■ ¹ кат2 ■ V Д ( t ) ■ sin ( « вал ( t ) ■ t ⁺ 90 ° ) ;

• <                                    d ^2 l( t)

U 2.1 ( t ) = ( R 2.1 + R 3.1 ) ■ i 2.1 ( t ) +      21 ⁽) ;                                                                                  ⁽²⁾

dt

• ^U2.1cp ( t ) = T J T U 21 ( t )| dt ,

где l _кат2 – длина проводника обмотки [8] якоря подвозбудителя; R _3.1 – сопротивление первого многофазного выпрямителя [9] и основной однофазной обмотки возбуждения возбудителя 4 [15]; U _2.1( t ) – значение напряжения на однофазной обмотке 4 возбуждения возбудителя (напряжение на входе выпрямителя).

Изменения напряжения U ₄ на основной однофазной обмотке 4 возбуждения возбудителя, зависящего от U 2.1ср и вызывающего ток i 4 в обмотке, и напряжения U 6 на дополнительной однофазной обмотке 6 возбуждения возбудителя в функции времени, зависящего от освещённости ФЭП и вызывающего ток i 6 в обмотке, можно описать системой уравнений:

K B ■ U 2Лср ( t )

^U 4 ⁽ t )       1 + K П     ;

i ( t ) = U 4( t ) — U^Xt ) ■ e

R 4      R 4

— t

R 4

L 4

;

U 6 ( t ) = C ₀ + C 1 ■ sin ( n 1 ■ « c a^ t ) + ... + C ₇₁ ■ sin ( n ₇ ■ « c a^ t ) ;

i (t )=U6^t)

• ⁶          R 6 ,

где K В , K П – коэффициенты выпрямления и пульсации соответственно (приняты K В = 2,57, K П = 0,75 [16–18]); С ₀ – постоянная составляющая, не допускающая отрицательного значения функции U ₆( t ); С ₁, С ₂, С_n – амплитудные значения 1-й, 2-й и последующих гармоник; « _с - угловая частота изменения напряжения, поступающего от ФЭП.

Изменение индуцируемой ЭДС е 7 в обмотке 7 многофазной обмотки якоря возбудителя, разложенной по осям d ( e 7.1 ( t )) и q ( e 7.2 ( t )), которая зависит от параметров обмотки (активного сопротивления R 7 и индуктивности L ₇), скорости ветра V _Д [13, 14], потокосцепления Ψ₇ (Ψ_7.1( t ), Ψ_7.2( t )) многофазной обмотки якоря возбудителя и средневыпрямленного значение напряжения [16, 17] на однофазной обмотке 9 возбуждения основного генератора ( U 7.1ср ( t )), зависящего от тока i 7 ( i 7.1 ( t ), i 7.2 ( t )), протекающего по обмотке 7 и вызванного ЭДС е 7 , можно определить из системы уравнений:

e 7.1 ( t ) = k ц ■ -W— ■ l кат7 ■ ( i 4 ( t ) ⁺ i 6 ( t ) ) ' V ( t ) ' sin ( ^Ю вал ( t ) ' t ) ;

l серд7

e 7.2 ( t ) = k ц ■ -W- ■ l кат7 ‘ ( i 4 ( t ) ⁺ i 6 ( t ) ) ‘ V ( t ) ■ sin ( ® вал ( t ) ■ t ⁺ 90 ° ) ) ; l серд7

• r x /              x      / x d ^7 1 ( t )

U 7.1 ⁽ t ) = ⁽ R 7.1 ⁺ R 8.1 ) " i 7 A ⁽ t ⁾⁺ d i

1 ^T

U 7.1cp ⁽ t ) = ₇J| U 7.1 ⁽ t )| dt ,

T ₀

где kц - коэффициент магнитной проницаемости; lкат7 - длина проводника многофазной обмотки 7 якоря возбудителя; lсерд7 – длина средней линии сердечника якоря возбудителя; R8.1 – сопротивление второго многофазного двухполупериодного выпрямителя 8 и однофазной обмотки возбуждения основного генератора 9; U7.1ср(t) – средневыпрямленное значение напряжения на однофазной обмотке 9 возбуждения основного генератора (напряжение на входе выпрямителя).

Изменения напряжения U 9 на однофазной обмотке 9 возбуждения основного генератора, зависящего от U 7.1ср и вызывающего ток i 9 в обмотке, описывают уравнения:

U 9 ( t ) =

K B ■ U 7.1ср ⁽ t ) 1 + K п

i9 ( t ) =

U 9 ( t ) U 9 ( t ) - ‘S e

R 9      R 9

Изменение индуцируемой ЭДС е10 в обмотке 10 якоря основного генератора, разложенной по осям d (e10.1(t)) и q (e10.2(t)), которая зависит от параметров обмотки (активного сопротивления R10 и индуктивности L10), скорости ветра VД и потокосцепления Ψ10 (Ψ10.1(t), Ψ10.2(t)) обмотки якоря основного генератора, отражает система уравнений:

^e 10.1 ( t ) = k ц ■ W- ■ l кат10 ■ i 9 ( t ) ■ V ( t ) ■ sin ( ® вал ( t ) ‘ t ) ; l серд10

<

e 10.2 ( t ) = k ц ■ T W ¹⁵- ■ l кат10 ■ i 9 ( t ) ‘ V ( t ) ‘ sin ( ® вал ( t ) ‘ t ^{+ 90} ° ) ; l серд10

d ^    ( ‘ )

^M 10.1 ⁽ t ) = ( R 10.1 ⁺ R нагр ) ■ i 10.1 ⁽ t ⁾⁺ dt ;

d ^in^ft)

W10.2 (t ) = (R10.2 + Rнагр ) ^10.2 (t )+ T , dt где lсерд10 – длина средней линии сердечника катушки якоря основного генератора; lкат10 – длина провод- ника катушки якоря основного генератора; Rнагр – сопротивление нагрузки.

Потокосцепления, описанные в системах уравнений (2), (4), (6) и формирующиеся токами обмотки якоря подвозбудителя, токами обмотки якоря возбудителя и токами обмотки якоря основного генератора, определяются с помощью системы уравнений потокосцеплений:

^ 2.1 = ^L 2 ' i 2.1 ⁺ B 1 ■ 5 *1 ■ cos ( to t ) ;

^ 2.2 = ^L 2 ■ i 2.2 ^;

J7.1 = L 7 ■ i 7.1 + M 47 i i 4 + M 67 i i 6 ;

^ 7.2 = ^L 7 ■ i 7.2 ^;

^ 10.1 = L 10 ■ i 10.1 ^{+ M} 910 ■ i 9 ^;

.^10.2 = L10 ■ i10.2, где L2, L7, L10 – индуктивности обмотки якоря подвозбудителя, обмоток якоря возбудителя и обмоток якоря основного генератора; М47, М67, М910, – взаимные индуктивности между обмотками, 4–7, 6–7, 9–10, соответственно; S1 – площадь сечения постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя 1; В1 – магнитная индукция постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя 1.

Изменения моментов (электромагнитного, сопротивления, синхронизирующих), параметров сети, токов, протекающих по обмоткам ДГУ, описывается системой уравнений:

м (А =а 2 ⁽ V ⁽ t ) ) * K Дгу •

^М вет ⁽ t ) d *                  ;

n ДГУ м    =d2 (v)3 *KДГУ .

М в ном d             ;

n ДГУ

^М син ( t ) = М возм ( t ) = ^М вет ( t ) = ^М вет ( t ) - ^М вет.ном ";

М син.тах ( t ) ; т е ( 0; 5T ) ;

М - ( t ) =           ЭК -cos < ⁰ < ' ) ) ;

• ^{2    п} f X ЭТК

  
  

^М син1расч ( t ) = 3*^-; • ^E ЭТК ^U • ^cos ( 60 ° ) ;

• ²    * ^п * ^f    X ЭТК

^М син1расч ⁽ t ^{) — М} син.тах ⁽ t ) ^М син1расч ⁽ t ) ^;

m

^М ЭМ ( t ) = у * M * [ i 2.2 * ( B 1 * ^cos ( ® t ) * K МГ ) + i 4 * i 7.1 ⁺ i 6 * i 7.1 ⁺ i 10.2 * i 9 ] ;

М сопр ( t ) = М сопр ^ ( t ) ;

• (A _ ¹ .      d ® вал ⁽ t )

^{Д (}^ = pj ^Сис т * dt ’

_ Мвет ( t ) = МЭМ ( t ) + Мсопр ( t ) + МД ( t ) + Мсин ( t ), где Mвет(t) - крутящий момент ветра в функции времени, приведённый к валу ДГУ; ^ - коэффициент использования энергии ветра (принят за 0,5 [14] при числе модулей ветроколеса Z = 7); dвк – диаметр ветро-колеса (dвк = 4,5 м); Mв ном – номинальный крутящий момента ветра (принятый при данных типоразмерах машины и Vв ном = 5,23 м/с); Мсопр(t) = Мсопр.Е (t) — момент сопротивления ДГУ; Mсин(t) = Mвозм(t) - момент «возмущения» от ветра (в функции времени); 0(t) - угол нагрузки (при расчете принят равным 60°); UС -напряжение внешней сети; ХЭТК – индуктивное сопротивление ДГУ; MЭМ(t) – электромагнитный момент, учитывающий процессы электромагнитного взаимодействия, протекающие в подвозбудителе, возбудителе и основном генераторе; nДГУ – частота вращения вала ДГУ (nДГУ = 750 об/мин); KДГУ = 2,28 – коэффициент, учитывающий потери в подшипниках, передачах, мультипликаторе, плотность воздуха, коэффициент использования ветра, переводные коэффициенты в систему СИ; KМГ – коэффициент, учитывающий конструктивные и магнитные характеристики магнита; Mсопр(t) – момент сопротивления установки, учитывающий момент сопротивления ДГУ и сил трения в движущих частях установки; МД(t) – динамический момент ДГУ; jсист – момент инерции ДГУ; Мсин 1 – синхронизирующий момент, развиваемый ДГУ; Мсин 2 – момент, который необходимо создать внешним синхронизатором для работы ДГУ на единую сеть.

На рис. 8 приведён скриншот изменения электромагнитного момента ДГУ.

Рис. 8. График изменения электромагнитного момента ДГУ

Fig. 8. Trend of the change in the electromagnetic moment of the diesel generator set

На ис 9 10 п иве ены зависимости в а аю его и синх онизи ю их моментов ДГУ от азличных внешних факторов, а именно: скорости ветра и напряжения на выходе ФЭП.

^^^^^^м Uфэп=12 В

' Uфэп=18 В

^^^^^^м Uфэп=24 В

• —^ Uфэп=36 В

V,м/с

Рис. 9. Зависимость вращающего момента ДГУ от скорости ветра при изменении напряжения на выходе ФЭП

Fig. 9. Dependence of the torque of the diesel generator set on the wind speed with a change in the voltage at the output of the solar cell

^e— Uфэп=12 В

^— Uфэп=18 В

• — ♦ — Uфэп=24 В

^^ Uфэп=36 В

Рис. 10. Зависимость синхронизирующего момента ДГУ от скорости ветра при изменении напряжения на выходе ФЭП

Fig. 10. Dependence of the synchronizing moment of the diesel generator set on the wind speed with a change in the voltage at the output of the solar cell

По результатам оценки приведённых характеристик можно сделать следующие выводы.

Вращающий момент ДГУ возрастает с возрастанием скорости ветра и зависит от скорости ветра по нелинейному закону. Данное обстоятельство объясняется тем, что момент на валу ДГУ пропорционален мощности на валу ветроколеса и обратно пропорционален скорости ветра ( М ≡ Р/V ). В свою очередь, мощность на валу ветроколеса пропорциональна скорости ветра в кубе ( Р ≡ V ³ ) [19]. В результате вращающий момент ДГУ: М ≡ V ² .

Синхронизирующий момент, создаваемый ДГУ, также увеличивается с увеличением скорости ветра. Синхронизирующий момент, создаваемый ДГУ, зависит от ЭДС, индуктируемой в обмотке 10 якоря основного генератора, напряжения на выходных зажимах обмотки 10 якоря основного генератора, индуктивности обмотки 10 якоря основного генератора.

Синхронизирующий момент, создаваемый исследуемой ДГУ, зависит от напряжения на выходе ФЭП, так как М _син1 ≡ U , E , cos( θ )/ Х , где U – напряжение сети, Е – ЭДС обмотки якоря основного генератора, Х – средневзвешенное индуктивное сопротивление обмоток ДГУ, θ – угол между осями поля якоря и поля ротора машины ( θ принят в диапазоне от 0 до 60°).

Если ДГУ предполагается использовать для работы не только на автономные потребители, но и параллельно с сетью, то необходимо предусмотреть синхронизатор. Тогда структурная схема сис-те хр по

Использование дополнительного синхронизатора позволяет создать в СДГУ синхронизирующий момент ( М син 2 ).

Из рис. 11 видно, что синхронизирующий момент ( М _{син 2}), создаваемый синхронизатором напряжения, изменяет свой знак в зависимости от того, скорость ветра выше или ниже номинальной. Так, при скорости ветра ниже номинальной (5,23 м/с) момент, который необходимо создать внешним синхронизатором для работы СДГУ на единую сеть ( М _{син 2}), имеет положительное значение. При скорости ветра выше номинальной (5,23 м/с) дополнительный момент ( М син 2 ) принимает отрицательные значения.

Момент, который необходимо создать внешним синхронизатором для работы СДГУ на единую сеть ( М син 2 ), зависит от скорости ветра и в меньшей степени от напряжения на выходе ФЭП. Данное обстоятельство объясняется тем, что момент М син 2 определяется как разность между электромагнитным моментом СДГУ, вращающим моментом, синхронизирующим моментом ДГУ ( М син 1 ) и моментом сопротивления СДГУ (учитываются моменты сопротивления СДГУ и всей механической системы). А вращающий момент (как это было отмечено выше) зависит от скорости ветра во второй степени. В связи с тем, что напряжение на выходе ФЭП оказывает влияние на создание и величину МДС только одного каскада (и, как следствие, оказывает влияние только на величину ЭДС одного каскада), а скорость ветра – на ЭДС трёх каскадов, то и, соответственно, влияние скорости е

--

.    .                                                                         син 2

при изменении напряжения на выходе ФЭП

Fig. 11. Dependence of the additional moment М _{син 2} on wind speed when the voltage at the output of the solar cell changes

^—Uфэп=12 В

^^Uфэп=18 В

—*— Uфэп=24 В

^^ Uфэп=36 В ние Мсин 2 (при UФЭП = 24 В) не обращается в «0» (отклонение составляет 1,1 Нм), что объясняется допущениями, сделанными при составлении математической модели, и погрешностью расчёта.

На рис. 12, 13 представлены зависимости выходных параметров СДГУ от входных (скорости ветра и напряжения на выходе ФЭП). Так, частота выход от скорости ве выходе ФЭП, что объясняется известным соотношением ( f ≡ ω, р , где р – число пар полюсов, ω – угловая скорость вала СДГУ). Выходное напряжение зависит от скорости ветра, причём чем выше скорость ветра – тем существенней «рост» величины выходного напряжения. Данное обстоятельство объясняется тем, что выходное напряжение создаётся «наращиванием» «первоначальной» ЭДС (ЭДС обмотки якоря подвозбудителя).

Рис. 12. Зависимость частоты выходного напряжения ДГУ от скорости ветра при изменении напряжения на выходе ФЭП

Fig. 12. Dependence of the frequency of the output voltage of the diesel generator set on wind speed when the voltage at the output of the solar cell changes

—•— Uфэп=12 В

^^ Uфэп=18 В

^^ Uфэп=24 В

^e— Uфэп=36 В

v, м/с

Рис. 13. Зависимость выходного напряжения ДГУ от скорости ветра при изменении напряжения на выходе ФЭП

Fig. 13. Dependence of the output voltage of the diesel generator set on the wind speed with a change in the voltage at the output of the solar cell

Рис. 14. Зависимость напряжения на нагрузке ДГУ от тока нагрузки при изменении напряжения на выходе ФЭП

Fig. 14. Dependence of the voltage on the load of the DGS on the load current when the voltage at the output of the solar cell changes

Uфэп=12 В

Uфэп=18 В

Uфэп=24 В

Uфэп=36 В

Из рис. 12 видно, что на величину выходного напряжения СДГУ (пропорционально ЭДС обмотки 10 якоря основного генератора Е 10 ) наибольшее влияние из входных параметров (скорости ветра и напряжение на выходе ФЭП) оказывает скорость ветра, так как ЭДС, индуцируемое в трехфазной обмотке 10 якоря основного генератора, зависит от входных параметров в следующей пропорции:

U вых - E 10 -

• -    K в ■ K вог ■ K 10 ■ V 2 ■ ( K яв ■ V + K двв U ФЭП ) , (9) где V – скорость ветра; U ФЭП – напряжение на выходе ФЭП; K в , K вог , K 10 , K яв , K двв – коэффициенты, учитывающие параметры обмоток ДГУ (многофазной обмотки 7 якоря возбудителя; однофазной обмотки 9 возбуждения основного генератора; трехфазной обмотки 10 якоря основного генератора; обмотки 2 якоря; дополнительной однофазной обмотки 6 возбуждения возбудителя.

На рис. 14 представлена внешняя характеристика ДГУ при различных значениях напряжения на выходе ФЭП и скорости ветра. Из представленных графиков видна нелинейность характеристик, что объясняется реакцией якоря.

Реакция якоря в ДГУ заключается:

• •    во влиянии магнитного поля, создаваемого многофазной обмоткой 2 якоря подвозбуди-

• теля, на магнитное поле, создаваемое постоянным многополюсным магнитом 1 индуктора подвозбудителя;

• •    влиянии магнитного поля, создаваемого многофазной обмоткой 7 якоря возбудителя, на магнитное поле, создаваемое однофазной обмоткой 4 возбуждения возбудителя и дополнительной однофазной обмоткой 6 возбуждения возбудителя;

• •    влиянии магнитного поля, создаваемого трехфазной обмоткой 10 якоря основного генератора, на магнитное поле, создаваемое однофазной обмоткой 9 возбуждения основного генератора.

Созданная математическая модель двухвходовой генераторной установки и результаты численного эксперимента подтвердили возможность при преобразовании двух видов энергии (механической и электрической) получать на выходе установки электрическую энергию переменного тока. Дополнение двухвходовой генераторной установки синхронизатором напряжения позволяет стабилизировать выходные параметры установки, синхронизируя их с соответствующими параметрам внешней трёхфазной сети.