Электромагнитные процессы в системах генерирования электрической энергии для автономных объектов


Серия и монографии НГТУ

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ СЕРИИ «МОНОГРАФИИ НГТУ»

      д-р техн, наук, проф. (председатель) Н.В. Пустовой д-р техн. наук, проф. (зам. председателя) АТ Вострецов д-р техн. наук, проф. (отв. секретарь) В.Н Васюков

      д-р техн. наук, проф. А. С. Востриков
      д-р техн. наук, проф. А.А. Воевода
      д-р техн. наук, проф. А.А. Батаев
      д-р техн. наук, проф. В.В. Губарев
      д-р техн. наук, проф. В.И. Денисов
      д-р физ.-мат. наук, проф. ВТ. Дубровский
      д-р филос. наук, проф. В.И. Игнатьев
      д-р техн. наук, проф. АТ. Фишов
      д-р филос. наук, проф. В.В. Крюков
      д-р физ.-мат. наук, проф. А.К Дмитриев
      д-р техн. наук, проф. ГИ Расторгуев
      д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Селезнев
      д-р техн. наук, проф. ЮТ. Соловейчик
      д-р техн. наук, проф. А.А. Спектор
      д-р экон. наук, проф. В.А. Титова
      д-р техн. наук, проф. ГМ. Шумский
      д-р техн. наук, проф. А. Ф. Шевченко

С.А. ХАРИТОНОВ



ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В СИСТЕМАХ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ АВТОНОМНЫХ ОБЪЕКТОВ











НОВОСИБИРСК
2011

УДК 621.314.5
X 207

Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. В.Ю. Нейман, канд. техн. наук А.П. Усачев


     Харитонов С.А.
X 207 Электромагнитные процессы в системах генерирования электрической энергии для автономных объектов: монография / С.А. Харитонов. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. - 536 с. (Серия «Монографии НГТУ»).


         ISBN 978-5-7782-1553-5


           Дан анализ электромагнитных процессов в системах генерирования электрической энергии типа «магнитоэлектрический генератор с переменной частотой вращения вала - полупроводниковый преобразователь».
           Рассмотрены системы генерирования постоянного и переменного токов с тиристорными и транзисторными преобразователями частоты.
           Проведен анализ и синтез основных параметров систем генерирования электрической энергии для летательных аппаратов и ветроэнергетических установок при переменной частоте вращения вала синхронного генератора; рассмотрены законы управления выпрямителями, непосредственными преобразователями частоты с естественной коммутацией и инверторами напряжения при работе в составе СГЭЭ постоянного и переменного тока. Обосновано преимущество использования модульного принципа построения мощных преобразователей частоты для систем генерирования электрической энергии летательных аппаратов и ветроэнергетических установок.
           Адресована специалистам, занимающимся разработкой систем электропитания для автономных объектов, а также студентам и аспирантам, специализирующимся в области силовой электроники и электрооборудования транспортных средств и летательных аппаратов.









УДК 621.314.5


© Харитонов С.А., 2011
© Новосибирский государственный


технический университет, 2011


ISBN 978-5-7782-1553-5

Ministry ofEducation and Science of the Russian Federation
NOVOSIBIRSK STATE TECHNICAL UNIVERSITY






S.A. KHARITONOV



ELECTROMAGNETIC PROCESSES IN POWER GENERATING SYSTEMS FOR STAND-ALONE UNITS



Monograph












NOVOSIBIRSK
2011

UDC 621.314.5
     Kh207




Reviewers:
Prof. V.Yu. Neyman; D. Sc. (Eng.) A.P. Usachev, PhD (Eng.)


       Kharitonov S.A.
Kh 207 Electromagnetic Processes in Power Generating Systems for Stand-Alone Units: monograph / S.A. Kharitonov. - Novosibirsk: NSTU Publisher, 2011. - 536 pp. («NSTU Monographs» series).
          ISBN 978-5-7782-1553-5
          An analysis of electromagnetic processes in power generating systems of the «magnetoelectric generator (MEG) with a variable shaft rotation frequency semiconductor converter» type is given in the monograph.
          Alternating current and direct current generating systems with thyristor and transistor frequency converters are considered.
          The analysis and synthesis of the basic parameters of power generating systems for aircraft and wind-driven power plants with a variable shaft rotation frequency of a synchronous generator are presented. The laws of rectifier control by direct selfswitching frequency converters (DSSFC) and by voltage inverters in AC/DC power generating systems are covered. The advantage of using a modular principle for designing powerful frequency converters for power generating systems of aircraft and wind-driven power plants is revealed.
          The monograph is intended for designers of power supply systems for standalone units as well as for undergraduate, graduate and postgraduate students majoring in power electronics and electric equipment of transport vehicles and aircraft.











UDC 621.314.5

                                                          © KharitonovS.A., 2011
                                                          © Novosibirsk State Technical
University, 2011


ISBN 978-5-7782-1553-5

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ


   СГЭЭ - система генерирования электрической энергии.
   СЭС - система электроснабжения.
   ВЭУ - ветроэнергетическая установка.
   СГ - синхронный генератор.
   МЭГ - магнитоэлектрический генератор.
   ЭМГ - электромагнитный генератор.
   СГПЧ - «синхронный генератор -преобразователь частоты».
   НПЧ с ЕК - непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией.
   ПСПЧ - «переменная скорость - постоянная частота».
   ПП - полупроводниковый преобразователь.
   ИН - инвертор напряжения.
   УВ - управляемый выпрямитель.
   БПФ - быстрое преобразование Фурье.
   RLCVE - электрическая цепь, содержащая резистор (R), катушку индуктивности (L), конденсатор (С), полупроводниковый элемент (V) и источник ЭДС (E).
   ВК - вентильный комплект.

   АВ - активный выпрямитель
         1 2л
  /ср = — j i (Д)dД - среднее значение величины i (Д) пространст         ²л о


BaL 2[0,2л]

    i=iᵣₘₛ = li (Д)||

  1 ²л    2
  — j [i(Д)] dД - действующие значения (мо-²л о

дуль) периодической величины i пространства L₂[0,2л].

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

    eoj (Я), eoj - функция пространства С[0,2л] с еоу (Я) = 1 и ассоциированный с ней базисный вектор единичной длины в пространстве R⁴.
    и (Я), и - функция пространства L₂[0,2л] и ассоциированный с ней вектор в пространстве R⁴.
    U, I - векторы напряжений и токов элементов электрической цепи размерностью [тх1].
   п - скорость вращения вала СГ.
   п* = — - относительная величина, ng - базовая величина.
        пб
   V , а - угол вынужденного «зажигания» и длительность протека

ния тока через вентиль выпрямителя.
    пГр - граничное значение скорости вращения вала СГ, при которой происходит изменение режима работы выпрямителя.
             1 2л
   (Ui, и') = — j Ui (Я) и '(Я)d Я - скалярное произведение функций
             ²л о

Ui (Я) и и2(Я) в пространстве L₂[0,2л].
    Z, R, X - тензоры полного, активного и неактивного сопротивлений цепи.
   Fj (Я) - переключающая функция j'-ro вентиля.
   Т - потокосцепление.
   /ар -величина/в аР осях.
   S, Р, Q - полная, активная и неактивная мощности электрической цепи.
    St, Qt - обобщенные тензоры полной и неактивной мощности электрической цепи.
   а - кратность частот.
   М - глубина модуляции.
   THD - (total harmonic distortion) коэффициент гармоник.
   SPWM - синусоидальная ШИМ.
   SVPWM - пространственно-векторная ШИМ.

ПРЕДИСЛОВИЕ

   Последние десятилетия характеризуются революционными изменениями в области конструкционных материалов, информатики, телекоммуникаций, нано-, микро- и силовой электроники, электромеханики, а также в теории управления сложными техническими системами.
   В настоящее время практически все отрасли промышленности связывают долгосрочные перспективы своего развития прежде всего с переходом на инновационный путь развития, т.е. с внедрением последних достижений науки и передового опыта. Не случайно главным достижением XX века наряду с ядерной энергией, компьютеризацией была названа и инновационная система США. Это главнейшее завоевание человечества минувшего столетия - считает большинство видных экспертов.
   Рост экономики в любой стране связан с увеличением потребления электроэнергии, что является одной из основных тенденций развития мировой экономики. С каждым годом все более значительным становится вклад в мировой энергетический баланс возобновляемых источников электрической энергии. При построении подобных энергетических объектов возникает задача преобразования механической энергии вращающегося с переменной скоростью вала в электрическую энергию постоянного и переменного тока.
   Последние годы происходит значительное увеличение энергоемкости автономных подвижных объектов (летательных аппаратов, речных и морских судов, всех видов автомобильного и железнодорожного транспорта). Эта тенденция объясняется возрастающими функциональными возможностями транспортных средств, а также желанием пользователей сохранить свойственный им в стационарных условиях уровень комфорта и информированности. При создании систем электроснабжения таких подвижных объектов возникает проблема повышения эффективности преобразования механической энергии вра

ПРЕДИСЛОВИЕ

щающегося с переменной скоростью вала в электрическую энергию постоянного и переменного тока постоянной частоты.
   Указанная задача и возникающие при этом проблемы решаются при построении систем генерирования электрической энергии (СГЭЭ) на базе синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов и полупроводниковых преобразователей. Несмотря на различие областей применения, технические решения при построении СГЭЭ могут быть на структурном и параметрическом уровнях одинаковыми.
   Такая система генерирования может реализовать полный набор опций, требуемых от СГЭЭ. К ним, в частности, можно отнести следующие: режим генерирования при работе на нелинейную, несимметричную и нестационарную нагрузки, включая возможность утилизации электрической энергии в режиме авторотации (например, летательного аппарата), режим электростартерного запуска первичного двигателя, синфазную и параллельную работу каналов генерирования, включая возможность параллельной работы с другими источниками электрической энергии.
   В монографии отражены результаты теоретических исследований указанных систем, полученные автором при совместной работе с коллективом кафедры промышленной электроники Новосибирского государственного технического университета (ранее НЭТИ) под руководством специалистов ОАО «АКБ «ЯКОРЬ» (г. Москва) в течение трех десятилетий.
   Автор выражает благодарность своим учителям профессорам Г.В. Грабовецкому, Е.А. Подъякову и Г.С. Зиновьеву, а также коллегам по работе и ученикам.