В автономных системах электроснабжения в качестве источника электрической энергии чаще всего используются дизель электростанции (ДЭС), которые обычно выполняются по схеме, представленной на рис.1.
В такой схеме, по сути дела, представлены две системы автоматического управления: система автоматического управления частотой вращения дизеля и система автоматического управления напряжением генератора. Назначение первой автоматической системы – стабилизация частоты вращения дизеля, назначение второй автоматической системы – стабилизация напряжения генератора.
Дизель приводит во вращение ротор генератора. Частота напряжения на выходе генератора пропорциональна частоте вращения ротора, а значение напряжения пропорционально току возбуждения генератора. Регулятор частоты вращения определяет частоту выходного напряжения и, воздействуя на органы управления дизеля, поддерживает постоянной частоту вращения вала дизеля, обеспечивая тем самым стабилизацию частоты выходного напряжения во всех режимах работы. Регулятор напряжения путем воздействия на ток возбуждения генератора поддерживает значение выходного напряжения близким к заданному при всех допустимых нагрузках. Благодаря относительной простоте подобные установки нашли широкое применение как в России, так и за рубежом.
Однако представленная схема имеет два принципиальных недостатка:
- необходимость работы при постоянной частоте вращения, требуемой для стабилизации частоты выходного напряжения, вынуждает отказываться от режимов, обеспечивающих уменьшение расхода топлива и увеличивающих срок службы дизеля. При нагрузке менее 20% от номинальной при сохранении постоянной частоты вращения дизеля длительно эксплуатировать ДЭС нельзя, так как при этом происходит закоксовывание цилиндров;
- при резких изменениях электрической нагрузки в начальный момент происходит значительное изменение напряжения генератора (до 20% от номинального), которое не может быть парировано системой автоматического управления напряжением генератора. Это связано с внутренними характеристиками генератора и практически не устраняется автоматической системой.
Для устранения отмеченных недостатков, присущих традиционной схеме построения дизель электростанции, необходимо решить следующие задачи:
- создать источник электроэнергии, вырабатывающий напряжение постоянной частоты и постоянной величины (естественно, с допустимой погрешностью) с лучшими динамическими характеристиками при условии допустимости переменной частоты вращения дизеля;
- создать автоматическую систему оптимизации частоты вращения дизеля по минимуму расхода топлива.
Решить первую задачу можно, используя генератор любого типа (синхронный генератор, синхронный генератор с постоянными магнитами, асинхронный генератор, генератор постоянного тока) с подключением к нему электронного блока, преобразующего напряжение генератора в трехфазное напряжение требуемой величины и частоты. В данной статье мы рассмотрим способы решения этой задачи с использованием асинхронного генератора и синхронного генератора с постоянными магнитами. Решение второй задачи может быть достигнуто использованием вычислительной техники с соответствующим программным обеспечением.
 |
| Рис. 1 Классическая схема дизель-электростанции |
 |
| Рис. 2 Схема электрогенераторного агрегата на базе асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором |
- АГ – асинхронный генератор с короткозамкнутым ротором;
- И-С – инвертор-стабилизатор;
- С – блок конденсаторов;
- И – выходной инвертор;
- Ф – выходной фильтр;
- ТР – силовой трансформатор.
 |
| Рис. 3 Функциональная схема электрогенераторного агрегата с АГ КЗР |
- И1 – входной инвертор;
- И2 – выходной инвертор;
- Ф – выходной фильтр;
- С – конденсаторная батарея;
- ДТ1, ДТ2 – датчики тока фаз АМ;
- ДН – датчик напряжения;
- РТ – регулятор тока;
- РН1, РН2 – регуляторы напряжения;
- ВП – вычислитель потока;
- ПК – преобразователь координат.
Возможность использования асинхронной короткозамкнутой машины в режиме генератора обоснована еще в начале ХХ века. По своей физической сути, это тот же режим, который кратковременно возникает в электроприводах при электродинамическом торможении двигателя. Однако практическая реализация таких режимов стала возможной только с развитием силовой полупроводниковой техники.
В 90-х годах прошлого века появились достаточно надежные и мощные полупроводниковые силовые преобразователи, позволяющие обеспечить стабилизацию амплитуды и частоты электрогенераторного агрегата с использованием асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором (АГ КЗР). Силовой преобразователь, необходимый для создания такого агрегата, должен обеспечивать двунаправленное преобразование энергии, синусоидальность выходных токов и напряжений.
Привлекательность использования АГ КЗР в качестве генератора переменного тока объясняется прежде всего простотой его конструкции, надежностью и более низкой стоимостью.
Однако АГ КЗР до настоящего времени не получили широкого применения. Одной из причин этого являются трудности по созданию автоматических регуляторов напряжения. Многие авторы предлагают при использовании асинхронного генератора в качестве источника электроэнергии преобразовывать его выходное напряжение в постоянное, а затем в переменное требуемой частоты и величины. В нашей стране больших успехов в создании электрогенераторного агрегата на базе использования АГ КЗР достигли в ЗАО «Сигна» (г. Ковров Владимирской области), материалы отчета которого использованы в данной статье.
Для использования асинхронного генератора в качестве источника электроэнергии была предложена схема, представленная на рис. 2.
Первым звеном этой структуры является собственно АГ КЗР. Инвертор-стабилизатор выполняет две функции: управляет возбуждением генератора и преобразует переменное напряжение генератора в постоянное. Второе звено этой структуры – преобразователь постоянного напряжения в выходное трехфазное напряжение переменного тока. Эти звенья объединены между собой звеном постоянного тока, в состав которого входит батарея конденсаторов, сглаживающих пульсацию тока инвертора И-С и играющих роль накопителя энергии.
Разработанная в ЗАО «Сигна» функциональная схема системы управления установки на базе АГ КЗР представлена на рис. 3.
Использование накопителя энергии в виде конденсаторов позволяет существенно уменьшить провал напряжения генератора, возникающий при подключении электрической нагрузки (в экспериментальном образце провал напряжения уменьшился с 20% до 10%).
В последнее время большое внимание уделяется применению генераторов с возбуждением от постоянных магнитов. Интерес к этому классу генераторов обусловлен их лучшими по сравнению с другими массоэнергетическими показателями, простотой конструкции, большим сроком службы, надежностью, способностью работать при высоких частотах вращения в тяжелых условиях эксплуатации. Электрические машины с постоянными магнитами появились в 30-е годы прошлого столетия. Однако невысокие удельные характеристики постоянных магнитов ограничивали их использование в электрических машинах. С разработкой в 50-60-е годы постоянных магнитов из новых материалов электрические машины с постоянными магнитами начали применяться в электрооборудовании автономных систем электроснабжения и других областях техники.
Новый импульс развитию дало использование высококоэрцитивных магнитов на основе интерметаллических соединений кобальта с редкоземельными элементами. Опыт проектирования, разработки, производства и эксплуатации электрических машин с высококоэрцитивными постоянными магнитами показал их высокие технико-экономические характеристики, обоснованность и целесообразность их применения в системах электроснабжения и электроприводах различного назначения. Особенностями параметров редкоземельных магнитов являются низкое значение магнитной проницаемости, которая незначительно превышает магнитную проницаемость воздуха, высокое значение коэрцитивной силы по намагниченности от напряженности магнитного поля.
Как показала практика, попытки использования магнитов из редкоземельных элементов в традиционных конструкциях электрических машин, как правило, не дают желаемого эффекта – снижения массы и габаритных размеров, увеличения КПД. Их эффективное использование возможно только при специальных конструкциях как ротора, так и статора электрической машины.
Проведенные теоретические исследования, а также опыт применения машин с высококоэрцитивными магнитами показали существенное отличие характеристик этих машин от машин с традиционными магнитами. Особенности конструктивного исполнения и характеристик магнитов требуют не только особого подхода к проектированию, но и тщательного анализа их работы в системах электроснабжения и в электроприводах. Большой вклад в развитие теории электрических машин с постоянными магнитами внесли В.А. Балагуров, Ф.Ф. Галтеев, Д.А. Бут, А.Н.Ледовский [1, 2, 3].
Опыт разработок синхронных генераторов с постоянными магнитами (СГПМ) показал, что наибольший эффект достигается у генераторов с большими частотами вращения. Поэтому не случайно они находят применение в авиации с приводом от авиационных двигателей.
В ряде случаев конструкторы отказываются от изготовления генератора в виде самостоятельного агрегата и поэлементно размещают его внутри первичной силовой установки, например в турбине, с применением внутриканального охлаждения. Такая схема была разработана, например, в ОАО «Новая Эра». При этом вес собственно генератора при частоте вращения 72000 об/мин и мощности 100 кВт составил всего 15 кг. Такие высокие показатели были достигнуты при использовании мощного водяного охлаждения. Для стабилизации напряжения и частоты на выходе генератора подключается специальный электронный блок.
Одной из наиболее сложных проблем, возникающих при применении генераторов с высококоэрцитивными постоянными магнитами, является регулирование и стабилизация напряжения, для чего применяются специальные методы, присущие только этому классу электрических машин:
- выбор и изменение внутренних параметров генератора (параметрическая стабилизация), применение магнитных шунтов, дополнительное насыщение частей магнитопровода, использование специальных стабилизирующих обмоток, механическое перемещение частей магнитопровода относительно друг друга;
- включение внешних стабилизирующих и регулирующих элементов (конденсаторов и дросселей насыщения);
- включение на выходе генератора полупроводниковых ключей, периодически разрывающих внешнюю цепь генератора или периодически закорачивающих его якорную обмотку;
- комбинированное возбуждение от постоянных магнитов и дополнительных обмоток возбуждения (в этом случае классический магнитоэлектрический генератор перерождается в новый класс электрических машин – генераторы комбинированного возбуждения);
- включение на выходе генератора стабилизированного по напряжению и частоте полупроводникового статического преобразователя.
Более полного использования положительных свойств СГПМ можно достичь, применяя для регулирования напряжения электронные блоки, подключаемые к выходу генератора.
Схема электрогенераторной установки на базе синхронного генератора с постоянными магнитами (ЭГА СГПМ) приведена на рис. 4.
Первым звеном этой схемы является собственно генератор и управляющий им инвертор. Выходным параметром первого звена является постоянное напряжение. Второе звено – преобразователь постоянного напряжения в выходное трехфазное напряжение переменного тока. Эти звенья объединены между собой звеном постоянного тока, в состав которого входит батарея конденсаторов, сглаживающих пульсацию тока инвертора и выполняющих роль накопителя энергии.
Такое структурное построение установки позволяет за счет большего количества независимо регулируемых параметров снизить динамические требования к контурам стабилизации каждого из этих параметров и обеспечить высокое качество выходного напряжения. Кроме того, обеспечивается многовариантность исполнения установки за счет различного исполнения преобразователя второго звена. Одновременно с одним генератором могут работать преобразователи постоянного напряжения в переменное +27 В (или другое), преобразователи частоты для управления скоростью вращения электродвигателя переменного тока, преобразователи напряжения для питания нагревательных устройств различного вида и т.д.
По подобным схемам изготавливают электроагрегаты многие зарубежные производители, в том числе французская фирма SDMO и компания Newage AVK SEG (Stamford, США).
Из опыта работы
Анализ применения ЭГА с СГПМ показал следующее:
1. Использование генератора с постоянными магнитами значительно уменьшает вес генератора – почти в два раза. Для ориентировки приведем таблицу с весовыми характеристиками генераторов с постоянными магнитами различной мощности (табл. 1).
 |
| Рис. 4 Схема электрогенераторной установки с синхронным генератором с постоянными магнитами |
- СГПМ – синхронный генератор с постоянными магнитами;
- И1 – инвертор, преобразующий переменный ток в постоянный;
- С – блок конденсаторов;
- И2 – выходной инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный;
- Ф – выходной фильтр;
- РН – регулятор напряжения.
| Мощнсть, кВА |
Вес, кг |
| 5 |
17 |
| 10 |
23,5 |
| 14 |
27 |
| 20 |
28,5 |
| 25 |
61 |
| 30 |
63 |
| 40 |
64 |
| 50 |
69,5 |
| 75 |
116 |
| 100 |
124 |
Таблица 1
Весовые характеристики генераторов с постоянными магнитами различной мощности |
Для сравнения: вес бесщеточного синхронного генератора типа БГ-30-4У2 – 250 кг, асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором типа RA200L4 мощностью 30 кВт, который может быть использован в качестве генератора, – 200 кг.
Применение дизеля с высокой частотой вращения (например, 3000 об/мин) и генератора с высокой частотой напряжения (например, f = 400 Гц при частоте вращения ротора 3000 об/мин) позволяет создать электроагрегат с лучшими массогабаритными характеристиками по сравнению с электроагрегатом, построенным по традиционной схеме.
2. Освобождение дизеля от работы с постоянной частотой вращения позволило улучшить технические характеристики дизеля (уменьшить вес, сократить расход топлива на 30%, увеличить время работы при малых нагрузках и др.).
3. Применение электронного блока позволило улучшить характеристики регулятора напряжения (точность регулирования, характеристики переходного процесса и др.).
На основании вышесказанного считаем необходимым провести в России:
а) разработку электрогенераторных агрегатов по схеме «генератор + электронный блок». Причем в качестве генератора могут быть использованы не только синхронные генераторы с постоянными магнитами;
б) исследования по управлению работой дизеля, допускающего изменение частоты вращения, и возможности создания соответствующего регулятора, минимизирующего расход топлива;
в) разработку электронного блока, преобразующего напряжение генератора в требуемое напряжение.
В нашей стране синхронные генераторы с постоянными магнитами нашли применение в ветроэнергетике, автотранспорте, в авиации, но при этом практически не используются в различных системах автономного электроснабжения. Не ведутся работы по проектированию и изготовлению синхронных генераторов с постоянными магнитами на мощности более 2 кВт. Приятным исключением является лишь электроагрегат ОАО «Новая Эра», который, правда, может быть использован только в исключительных случаях. В мощных синхронных генераторах зарубежные фирмы используют генераторы с постоянными магнитами в основном как подвозбудитель для питания регулятора напряжения. Такая схема обеспечивает лучшие характеристики при пуске мощных асинхронных двигателей и быстрое восстановление напряжения, позволяет добиться 300-процентной стойкости к коротким замыканиям. Отметим, что в рекламных проспектах зарубежные фирмы часто необоснованно называют подобные системы синхронными генераторами с постоянными магнитами. На самом деле у таких генераторов система возбуждения электромагнитная, а синхронный генератор с постоянными магнитами используется лишь как подвозбудитель.
Мы считаем перспективным направлением разработку электрогенераторных агрегатов с синхронным генератором с постоянными магнитами и с выходным электронным блоком, как имеющих лучшие массогабаритные характеристики, более высокий КПД, динамические характеристики, позволяющие приводному агрегату работать при различных частотах вращения.
Однако в связи с тем, что прошло мало времени после создания подобных электрогенераторных агрегатов, а магниты из редкоземельных материалов стоят дорого, цена подобных электроагрегатов выше цены синхронных генераторов обычного исполнения.
Но при длительной эксплуатации, за счет уменьшения расхода топлива и масла, увеличения срока службы, применение таких электроагрегатов может быть экономически выгодно.
Александр Герасимов, д.т.н., профессор, ведущий специалист
Владимир Толмачев, д.т.н., зам. технического директора старший научный сотрудник
Константин Уткин, технический директор ОАО «Звезда», г. Санкт-Петербург
Литература
1. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. – М.: Энергоатомиздат, 1988.
2. Ледовский А.Н. Электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами. – М.: Энергоатомиздат,1985.
3. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. – М.: Высшая школа,1999.
www.energoholding.ru
