Способ управления дизель-генераторной установкой при включении асинхронного двигателя
METHOD OF CONTROLLING A DIESEL GENERATOR SET WHEN AN ASYNCHRONOUS MOTOR IS TURNED ON

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в автономных энергетических установках, обеспечивающих электропитание приводных систем технологических агрегатов, имеющих соизмеримую с источником мощность.
Известны способы управления дизель-генераторной установкой при включении асинхронного двигателя, при которых измеряют частоту ƒ вращения дизельного двигателя, напряжение генератора U и ток I нагрузки, при изменении частоты изменяют напряжение генератора пропорционально частоте в соответствии с соотношением U/ƒ=const путем регулирования тока возбуждения генератора (Патент РФ №2597248, МПК H02P 9/30; B60K 6/26; B60K 6/28; B60W 20/00, 2016; Патент РФ №34845 на полезную модель, МПК F02D 1/12, 2004 г.; Патент РФ №34817 на полезную модель, МПК H02J 3/46, 2003 г.; Leroy-Somer. Electric Power Generation. R450. Регуляторы. Установка и обслуживание, с. 12-13).
Известные способы обеспечивают стабилизацию частоты вращения дизельного двигателя и напряжения на выходе генератора при установившемся режиме работы дизель-генераторной установки и плавное увеличение частоты при ее снижении, вызванном включением мощной нагрузки. Подключение мощных асинхронных двигателей к дизель-генераторным станциям регламентировано ГОСТ 33105-2014 (Межгосударственный стандарт). Установки электрогенераторные с двигателями внутреннего сгорания Общие технические требования. М.: Стандартинформ, 2015. - 39 с. Согласно этому документу электрогенераторные установки трехфазного переменного тока частотой 50 Гц в ненагруженном состоянии должны обеспечивать возможность пуска асинхронных короткозамкнутых электродвигателей с пусковым током кратностью до 7 номинального значения и мощностью (в процентах от мощности электрогенераторной установки), не менее: 70 при мощности электрогенераторной установки до 60 кВт; 60 при мощности электрогенераторной установки до 100 кВт; 50 при мощности электрогенераторной установки до 500 кВт; 35 при мощности электрогенераторной установки до 1000 кВт. При увеличении мощности подключаемого двигателя или наличии на его валу механической нагрузки пуск двигателя не гарантируется.
Таким образом, недостаток известных способов управления дизель-генераторной станции при включении асинхронного двигателя состоит в низкой надежности работы дизель-генераторной установки при пуске асинхронного двигателя.
Из известных способов наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ управления дизель-генераторной установкой при включении асинхронного двигателя, при котором измеряют частоту ƒ вращения дизельного двигателя, напряжение генератора U и ток I нагрузки, при изменении частоты изменяют напряжение генератора пропорционально частоте в соответствии с соотношением U/ƒ=const путем регулирования тока возбуждения генератора (Патент РФ №2597248, МПК H02P 9/30).
При реализации известного способа обеспечивается стабилизация частоты вращения дизельного двигателя и напряжения на выходе генератора при установившемся режиме работы дизель-генераторной установки и плавное увеличение частоты при ее снижении, вызванном включением мощной нагрузки.
При включении мощного асинхронного двигателя в результате действия большого пускового тока происходит снижение напряжения на выходе генератора. При низком напряжении питающей сети электромагнитный момент, развиваемый двигателем, может быть не достаточным для пуска двигателя. Момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату действующего значения напряжения. Например, при снижении напряжения на 30% электромагнитный момент двигателя уменьшается в 2 раза.
Таким образом, недостаток известного способа управления дизель-генераторной установкой при включении асинхронного двигателя состоит в низкой надежности работы дизель-генераторной установки при пуске асинхронного двигателя.
Цель предлагаемого изобретения - повышение надежности работы дизель-генераторной установки при пуске асинхронного двигателя.
п
п1
п
п1
нƒ
н
п2
н
н
п2
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе управления дизель-генераторной установкой при включении асинхронного двигателя, при котором измеряют частоту ƒ вращения дизельного двигателя, напряжение генератора U и ток I нагрузки, при изменении частоты изменяют напряжение генератора пропорционально частоте в соответствии с соотношением U/ƒ=const путем регулирования тока возбуждения генератора, дополнительно сравнивают напряжение генератора и ток нагрузки с пороговыми уровнями соответственно U и I, и при одновременном выполнении условий U<U и I>I уменьшают частоту вращения дизельного двигателя до заданного уровня, стабилизируют эту частоту до момента времени, при котором одновременно выполняются условия U≥αU/ƒ и I≤I, где U и ƒ- номинальные напряжение генератора и частота вращения дизельного двигателя; α - коэффициент пропорциональности; I - второй пороговый уровень, после которого увеличивают частоту вращения дизельного двигателя с заданной интенсивностью до номинального значения.
По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемый способ имеет следующие новые признаки:
n
п1
- сравнивают напряжение генератора и ток нагрузки с пороговыми уровнями соответственно U и I;
п
п1
- при одновременном выполнении условий U<U и I>Iуменьшают частоту вращения дизельного двигателя до заданного уровня;
н
н
п2
н
н
- стабилизируют частоту вращения дизельного двигателя до момента времени, при котором одновременно выполняются условия U≥αUƒ/ƒ и I≤I, где U и ƒ - номинальные напряжение генератора и частота вращения дизельного двигателя; α - коэффициент пропорциональности;
н
н
п2
- после момента времени, при котором одновременно выполняются условия U≥αUƒ/ƒ и I≤I, увеличивают частоту вращения дизельного двигателя с заданной интенсивностью до номинального значения.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».
По каждому из отличительных признаков проведен поиск известных технических решений в области электротехники, электропривода и автоматики.
н
н
п2
Операция: «увеличивают частоту вращения дизельного двигателя с заданной интенсивностью до номинального значения», используется при управлении дизель-генераторной установкой, например, в регуляторе частоты вращения дизель-генератора (Патент РФ №34845 на полезную модель, МПК F02D 1/12, 2004 г.; Leroy-Somer. Electric Power Generation. R450. Регуляторы. Установка и обслуживание, с. 12-13). При этом в известных способах увеличение частоты вращения дизель-генератора производится после ее снижения, вызванного включением нагрузки. В предлагаемом способе увеличение частоты вращения дизель-генератора производится после момента времени, при котором одновременно выполняются условия U≥αUƒ/ƒ и I.
Операции:
n
п1
- сравнивают напряжение генератора и ток нагрузки с пороговыми уровнями соответственно U иI;
п
п1
- при одновременном выполнении условий U<U и I>Iуменьшают частоту вращения дизельного двигателя до заданного уровня;
н
н
п2
н
н
п2
- стабилизируют частоту вращения дизельного двигателя до момента времени, при котором одновременно выполняются условия U≥αUƒ/ƒ и I≤I, где U и ƒ - номинальные напряжение генератора и частота вращения дизельного двигателя; α - коэффициент пропорциональности; I - второй пороговый уровень,
в технических решениях аналогичного назначения не обнаружены.
Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».
При реализации предлагаемого технического решения обеспечивается повышение надежности работы дизель-генераторной установки при пуске асинхронного двигателя. При пуске асинхронного двигателя происходит увеличение тока и снижение выходного напряжения синхронного генератора. В случае одновременного превышения током и отклонением напряжения заданных пороговых уровней регулятор частоты вращения дизельного двигателя снижает частоту вращения дизель-генераторной установки до установленного значения и стабилизирует ее до завершения пуска асинхронного двигателя при пониженной частоте. После снижения тока и уменьшения отклонения напряжения до заданных уровней регулятор дизельного двигателя плавно увеличивает частоту вращения до номинального значения. Напряжение синхронного генератора также увеличивается до номинального значения. Таким образом, происходит частотный пуск двигателя при ограниченном токе.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показана упрощенная схема устройства, реализующего предлагаемый способ управления дизель-генераторной установкой при включении асинхронного двигателя. На фиг. 2 приведена осциллограмма процессов при пуске асинхронного двигателя, иллюстрирующая работу устройства. На фиг. 1 обозначено: 1 - регулятор частоты вращения дизельного двигателя; 2 - блок задания; 3 - дизельный двигатель; 4 - синхронный генератор; 5 - преобразователь возбуждения синхронного генератора; 6 - регулятор тока возбуждения синхронного генератора; 7 - контроллер; 8 - датчик тока; 9 - измерительный преобразователь действующего значения тока; 10 - датчик напряжения; 11 - измерительный преобразователь действующего значения напряжения; 12 - выключатель; 13 - нагрузка; 14 - асинхронный двигатель.
Устройство, реализующее предлагаемый способ управления дизель-генераторной установкой при включении асинхронного двигателя, содержит дизельный двигатель 3, вал которого соединен с ротором синхронного генератора 4, выход которого подключен к нагрузке 13 и через выключатель 12 к статорным обмоткам асинхронного двигателя 14, возбудитель синхронного двигателя 5, подключенный выходом к обмотке возбуждения синхронного двигателя 4, управляющий вход возбудителя 5 подключен к выходу регулятора тока возбуждения, суммирующий вход которого соединен с выходом блока задания, а вычитающий вход соединен с выходом измерительного преобразователя действующего значения напряжения И, датчики тока 8 и напряжения 10, выходы которых подключены к входам соответственно измерительного преобразователя действующего значения тока 9 и измерительного преобразователя действующего значения напряжения 11, выходы которых соединены с входами контроллера 7, выход которого подключен к входу регулятора 1 частоты вращения дизельного двигателя 3.
Устройство управления выполняет регулирование тока возбуждения синхронного генератора 4 и частоты вращения дизельного двигателя 3. Регулирование тока возбуждения синхронного генератора 4 производится по алгоритму стабилизации выходного напряжения с помощью возбудителя 5 и регулятора тока возбуждения 6. Задание выходного напряжения синхронного генератора 4 формируется с помощью блока задания 2, выходной сигнал которого действует на суммирующем входе регулятора тока возбуждения 6 синхронного генератора 4. Вычитающий вход регулятора тока возбуждения 6 синхронного генератора 4 подключен к выходу измерительного преобразователя действующего значения напряжения 11. Регулятор тока возбуждения 6 синхронного генератора выполняет сравнение заданного значения и текущего значения выходного напряжения синхронного генератора 4, преобразование сигнала рассогласования в соответствии с пропорциональным (или пропорционально-интегральным) законом регулирования и формирование сигнала управления для возбудителя 5. В регуляторе тока возбуждения 6 синхронного двигателя 4 предусмотрено ограничение выходного сигнала, обусловленное техническими возможностями обмотки возбуждения синхронного генератора 4. Регулирование частоты вращения дизельного двигателя 3 производится с помощью регулятора 1 в соответствии с сигналом, формируемым контроллером 7.
Контроллер 7 выполняет следующие функции:
п1
п2
- сравнение действующего значения тока с пороговыми уровнями I и I;
п
п2
н
н
- сравнение действующего значения напряжения с пороговыми уровнями U и U=αUƒ/ƒ;
- формирование сигнала задания для регулятора 1 частоты вращения дизельного двигателя 3.
1
н
н
Работа устройства управления дизель-генераторной установкой при включении асинхронного двигателя 14 происходит следующим образом. В исходном состоянии (интервал времени 0…t) выключатель 12 разомкнут.Контроллер 7 формирует сигнал для регулятора, соответствующий поддержанию номинальной частоты ƒ вращения вала дизельного двигателя 3. При этом выходное напряжение синхронного генератора 4 с помощью регулятора тока возбуждения 6 стабилизируется на уровне номинального значения U. Ток синхронного генератора 4 имеет величину, обусловленную дополнительной нагрузкой 13, подключенной к его статорным обмоткам.
1
2
п
п1
2
м
3
3
м
г
м
г
г
3
4
4
д
г
д
д
н
н
п2
н
4
5
5
н
В момент времени t происходит включение двигательной нагрузки путем замыкания выключателя 12. В результате включения асинхронного двигателя 14 происходит резкое увеличение тока нагрузки и снижение выходного напряжения синхронного генератора 4. В момент времени tимеет место одновременное выполнение условий: U<U и I>I. Выполнение этих условий фиксируется контроллером 7. В момент времени t контроллер 7 формирует сигнал управления для регулятора 1 частоты вращения дизельного двигателя 3, приводящий к быстрому снижению частоты до значения ƒ (момент времени t). Начиная с момента времени t, регулятор 1 стабилизирует частоту вращения дизельного двигателя 3 на уровне ƒ. Частота выходного напряжения синхронного генератора 4 при этом равна ƒ=ƒp, где р- число пар полюсов генератора. В результате происходит пуск асинхронного двигателя 14 при пониженных напряжении и частоте (интервал времени t - t). К моменту времени t частота вращения асинхронного двигателя 14 достигает значения ƒ≈ƒ/р, где р - число пар полюсов асинхронного двигателя 14. В конце пуска асинхронного двигателя 14 происходит снижение тока и увеличение выходного напряжения синхронного генератора 4. При выполнении условий U≥αUƒ/ƒ и I≤I контроллер 7 формирует сигнал для регулятора частоты вращения 1, приводящий к плавному увеличению частоты вращения вала дизельного двигателя 3 до номинальной частоты ƒ (интервал времени t - t). В результате этого происходит плавное увеличение частоты вращения асинхронного двигателя 14 при токе, не превышающем номинального значения. В конце пуска (момент времени t) частота вращения вала дизельного двигателя 3 с помощью регулятора 1 устанавливается и далее стабилизируется на номинальном уровне ƒ. Выходное напряжение синхронного генератора 4 также поддерживается на заданном уровне с помощью регулятора тока возбуждения 6.
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает частотный пуск асинхронного двигателя при ограниченной мощности дизель-генераторной установки. В результате этого обеспечивается повышение надежности работы дизель-генераторной установки при пуске асинхронного двигателя.
С целью подтверждения положительного эффекта, достигаемого при использовании предлагаемого технического решения, было выполнено моделирование работы дизель-генераторной установки при включении асинхронного двигателя, мощность которого соизмерима с мощностью генератора, с помощью MATLAB. При моделировании использовались:
- дизельный двигатель 12M26G1000/5 с параметрами: мощность 820 кВт; номинальная частота 1500 об/мин;
2
- синхронный генератор СГ2-750/6,3-4У3 с параметрами: номинальная мощность 750 кВт; номинальное напряжение 6300 В; номинальный ток 86 А; КПД 94,3%; частота вращения 1500 об/мин; момент инерции ротора 44 кг⋅м;
2
- асинхронный двигатель А4-450Х-4МУ3 с параметрами: номинальная мощность 800 кВт; номинальное напряжение 6000 В; номинальный ток статора 72,5 А; синхронная частота вращения 1450 об/мин; КПД 94,3%; отношение максимального момента к номинальному 2,3; кратность пускового тока 5,5; маховый момент ротора 84 кг⋅м.
п
п1
п2
м
в.н
в.н
д
=
2
В Simulink-модели, составленной в соответствии со схемой, изображенной на фиг. 1, установлены пороговые уровни: U=4,5 кВ; I=110A; I65А. Коэффициент α=0,85. Частота ƒ=600 об/мин. Напряжение возбуждения синхронного генератора 4 ограничено значением, равным 2,6U, где U - номинальное напряжение возбуждения синхронного генератора 4. Механический момент нагрузки двигателя зависит от угловой скорости Ω асинхронного двигателя 14 в соответствии с уравнением М=0,1Ω.
На фиг. 3 показаны осциллограммы для действующего значения тока I; действующего значения линейного напряжения U на выходе синхронного генератора 4; угловой скорости Ω асинхронного двигателя 14; частоты ƒ вращения дизельного двигателя 3.
1
п
п1
2
м
3
3
м
3
4
4
н
н
п2
н
4
5
5
н
При пуске асинхронного двигателя 14 в момент времени t=10 с происходит резкое увеличение тока нагрузки и снижение выходного напряжения синхронного генератора 4. В момент времени t2≈10,5 с имеет место одновременное выполнение условий: U<U и I>I. В момент времени t контроллер 7 формирует сигнал управления для регулятора 1 частоты вращения дизельного двигателя 3, приводящий к быстрому снижению частоты до значения ƒ=600 об/мин (момент времени t). Начиная с момента времени t регулятор 1 стабилизирует частоту вращения дизельного двигателя 3 на уровне ƒ. В результате происходит пуск асинхронного двигателя 14 при пониженных напряжении и частоте (интервал времени t -t). В конце первого этапа пуска асинхронного двигателя 14 при пониженной частоте (момент времени t≈30 с) происходит снижение тока и увеличение выходного напряжения синхронного генератора 4. При выполнении условий U≥αUƒ/ƒ и I≤I контроллер 7 формирует сигнал для регулятора частоты вращения 1, приводящий к плавному увеличению частоты вращения вала дизельного двигателя 3 до номинальной частоты ƒ=1500 об/мин (интервал времени t -t: 30 с - 50 с). В результате этого происходит плавное увеличение частоты вращения асинхронного двигателя 14 при токе, не превышающем номинального значения. В конце пуска (момент времени t≈50 с) частота вращения вала дизельного двигателя 3 с помощью регулятора 1 устанавливается и далее стабилизируется на номинальном уровне ƒ=1500 об/мин. Выходное напряжение синхронного генератора 4 также поддерживается на заданном уровне 6 кВ с помощью регулятора тока возбуждения 6.
1
2
Общее время пуска составляет 40 с. Работа дизель-генераторной установки с перегрузкой по току синхронного генератора имеет место в интервале времени t-t в течение 17 с. При этом в токе нагрузки преобладает реактивная составляющая.
Прямой пуск асинхронного двигателя, а также пуск при плавном увеличении напряжения с помощью софт-стартера, при рассмотренных условиях невозможны.
п
п1
п
п1
н
н
п2
н
н
п2
Следовательно, использование в известном способе управления дизель-генераторной установкой при включении асинхронного двигателя, при котором измеряют частоту ƒ вращения дизельного двигателя, напряжение генератора U и ток I нагрузки, при изменении частоты изменяют напряжение генератора пропорционально частоте в соответствии с соотношением U/ƒ=const путем регулирования тока возбуждения генератора, дополнительно сравнения напряжения генератора и тока нагрузки с пороговыми уровнями соответственно U и I, и при одновременном выполнении условий U<U и I>I уменьшение частоты вращения дизельного двигателя до заданного уровня, стабилизации этой частоты до момента времени, при котором одновременно выполняются условия U≥αUƒ/ƒ и I≤I, где U и ƒ - номинальные напряжение генератора и частота вращения дизельного двигателя; а - коэффициент пропорциональности; I - второй пороговый уровень, и после этого момента увеличения частоты вращения дизельного двигателя с заданной интенсивностью до номинального значения, повышает надежность работы дизель-генераторной установки при пуске асинхронного двигателя.
Использование предлагаемого способа в промышленных системах электроприводов с автономными системами электроснабжения будет способствовать повышению энергетической эффективности, надежности и качества работы электрооборудования.