Математическая модель асинхронного генератора и регулятора напряжения

температур и мощностей по фазам сетевой обмотки во времени в графической и табличной формах с выделением суточного, месячного и годового интервалов представления информации;

• экспорт графической и табличной информации в офисные программные комплексы;

• использование картографической информации для выбора дистанции электроснабжения (ЭЧ) и тяговой подстанции с возможностью использования любой географической карты в формате BMP и ее настройкой на границы ЭЧ и ТП (рис. 7);

• ведение локальной базы данных по расходам электроэнергии, температурам и износам изоляции.

Библиографический список

1. Программно-аппаратный контроль остаточного ресурса 1999. С. 207-208 тяговых трансформаторов / В.Д.Бардушко [и др.] // Комплексная система содержания инфраструктуры ОАО "РЖД". Инфраструктура 2009. М.: Интекст, 2009. С. 104-106.

2. Алексеев Б.А. Обследование состояния силовых трансформаторов // Электрические станции. 2003. №5. С. 74-80.

3. Бочев А.С., Костюков А.В., Щурская Т.В. Диагностика состояния обмоток тяговых трансформаторов // Локомотив. 1997. № 11. С. 37-39.

4. Бочев А.С., Щурская Т. В. О концепции построения комплексной системы управления техническим состоянием трансформаторов тяговых подстанций // Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте. М., 2001. С. VII-7.

5. Щурская Т.В. Комплексная система технического обслуживания силовых трансформаторов тяговых подстанций электрических железных дорог // Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта. Ростов-на-Дону,

Окно ввода паспортных параметров трансформатора показано на рис. 8. На рис. 9 представлен пример расчета текущего износа.

Вывод. На основе данных об электропотреблении, получаемых из автоматизированной системы учета электроэнергии, возможен непрерывный мониторинг износа силовых трансформаторов. Разработанная программно-аппаратная система позволяет производить пофазный контроль износа с учетом несимметрии и различий нагрузок тяговых плеч питания по данным электропотребления на тягу поездов и расходам электроэнергии нетяговыми потребителями.

6. Береговских А.В., Сазыкин В.Г. Экспресс-диагностика и мониторинг состояния трансформаторного электрооборудования газодобывающих комплексов // Проблемы энергетики. 2006. № 7-8. С. 93-96.

7. Воропай Н.И. Надежность систем электроснабжения. Новосибирск: Наука, 2006. 205 с.

8. Ершевич В.В., Зейлигер А.Н., Илларионов Г.А. [и др.]. Справочник по проектированию электроэнергетических систем. М.: Энергоатомиздат, 1985. 352 с.

9. Марквардт, К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1982. 528 с.

10. Непрерывный контроль остаточного ресурса тягового трансформатора / В.Д.Бардушко [и др.]. // Контроль. Диагностика. 2008. № 8. С. 23-28.

11. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Имитационное моделирование систем тягового электроснабжения. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2007. 124 с.

УДК 621.311

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА И РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

В.А.Пионкевич1

Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрен вопрос разработки математической модели асинхронного генератора и регулятора напряжения на базе пакетов расширения Simulink и SimPowerSystems программы MATLAB. Представлены схема регулятора напряжения на основе встречно-параллельно включенных тиристоров, коммутирующих емкости возбуждения асинхронного генератора. Приведено описание по настройке параметров моделирования асинхронного генератора и регулятора напряжения. Ил. 7. Библиогр. 3 назв.

Ключевые слова: асинхронный генератор; регулятор напряжения; источник реактивной мощности.

MATHEMATICAL MODEL OF ASYNCHRONOUS GENERATOR AND VOLTAGE REGULATOR V.A. Pionkevich

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The author deals with the question of developing a mathematical model of the asynchronous generator and voltage regulator on the basis of Simulink and SimPowerSystems expansion packages of the MATLAB program. He presents the circuit for the voltage regulator on the basis of the counter-parallel-connected thyristors, switching the excitation capacities of the asynchronous generator. The description of modeling parameters setting of the asynchronous generator and voltage regulator is given. 7 figures. 3 sources.

Key words: asynchronous generator; voltage regulator; source of reactive power.

1Пионкевич Владимир Андреевич, аспирант, тел.: (3952) 405749, e-mail: pionkevichva@istu.edu Pionkevich Vladimir Andreevich, postgraduate student, tel.: (3952) 405749, e-mail: pionkevichva@istu.edu

Асинхронные генераторы (АГ) находят широкое применение в качестве источников электрической энергии, особенно в нетрадиционной энергетике (микро-ГЭС, ветроэнергетические установки). Их преимущества по сравнению с синхронными генераторами: лучшие массо-габаритные показатели; лучшие показатели устойчивости параллельной работы между источниками энергии с АГ и с внешней сетью; бесконтактное исполнение (при короткозамкнутой роторной обмотке); больший кпд; меньший состав высших гармонических в кривой напряжения и др. [1].

Недостатки асинхронного генератора: возбуждение АГ обеспечивается подключением к шинам статора конденсаторных батарей (такой способ возбуждения является основным в действующих электроустановках с АГ). При изменении режима работы АГ его возбуждение регулируется, как правило, включением или отключением части конденсаторных батарей, что предопределяет дискретность процесса регулирования напряжения АГ, увеличение массогабаритных показателей источников энергии с АГ.

Как путь улучшения свойств источников энергии с АГ предлагается использование современных полупроводниковых приборов, включаемых по схеме генерации реактивной мощности в статорной цепи АГ [1]. Такие схемы позволяют регулировать напряжение с дискретностью, определяемой частотой коммутации полупроводниковых приборов, которая составляет от 10 до 100 кГц.

Предлагается решение данной задачи методом математического моделирования с использованием системы MATLAB.

Математическая модель асинхронного генератора. Задача решалась на примере серийной асинхронной машины с короткозамкнутым ротором марки АИР180М4 с номинальной мощностью 30 кВт, номинальным напряжением 380 В, ооБф = 0,86, n0 = 1500 об/мин. Расчёт параметров схемы замещения производился с помощью прикладной программы MS Excel на основе методики, изложенной в [2]. Рассчитанные параметры схемы замещения были внесены в диалоговое окно параметров модели асинхронного генератора в относительных единицах.

Схема модели асинхронного генератора приведена на рис. 1.

Для работы асинхронной машины в генераторном режиме необходимо выполнение следующих условий:

1. Необходимо вращать вал ротора так, чтобы число оборотов ротора было больше синхронной скорости вращения магнитного поля статора и скольжение стало бы отрицательным [3].

2. Необходимо подключение к каждой фазе статорной обмотки конденсаторных батарей для обеспечения процесса самовозбуждения асинхронной машины [3].

Реактивная мощность, создаваемая конденсаторами возбуждения, идёт на создание магнитных полей генератора и компенсирует реактивную мощность нагрузки.

Для данного асинхронного генератора использовали конденсаторные батареи ёмкостью 115 мкФ, со-

единённые в треугольник. Данная ёмкость является минимальной для работы асинхронной машины на холостом ходу. Последовательно с конденсаторами включены резисторы для обеспечения требуемых показателей качества вырабатываемого напряжения. Для обеспечения форсированного возбуждения генератора при пуске на время до 1 с дополнительно подключаются конденсаторные батареи ёмкостью 150 мкФ. После пуска генератора подключается активная нагрузка мощностью 15 кВт. Под нагрузкой к асинхронному генератору должна подключаться дополнительная рабочая ёмкость, величина которой зависит от мощности генератора и величины нагрузки.

Для стабилизации напряжения асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором необходимо к обмоткам статора подключить регулируемый источник реактивного (емкостного) тока. В данной задаче применяется дискретное (тиристорное) устройство управления ёмкостью возбуждения асинхронного генератора.

Математическая модель регулятора напряжения асинхронного генератора. Силовая часть регулятора содержит силовой (тиристорный) блок для коммутации емкостей возбуждения. Схема силового блока представлена на рис. 2. В каждую фазу встречно включены тиристоры, что позволяет дискретно управлять емкостью возбуждения генератора. Величина ёмкости, подключаемой к обмотке каждой фазы составляет 60 мкФ. Управляющие сигналы G для открытия тиристоров формируются специальным блоком Discrete Synchronized 6-Pulse Generator (дискретный 6-ти пульсный генератор импульсов), который вырабатывает одновременно шесть импульсов для управления тиристорами всех фаз асинхронного генератора. Модель блока представлена на рис. 3. Для работы блока на его вход необходимо подать следующие сигналы: 1) угол открытия тиристора (Alpha, deg); 2) междуфазные напряжения статорной обмотки генератора (Uab, Ubc, Uca); 3) частоту напряжения, Гц.

Скважность вырабатываемых импульсов равна 25%.

Управляющие импульсы подаются на тиристоры соответствующих фаз: тиристоры фазы A - импульсы 1, 4; тиристоры фазы B - импульсы 3, 6; тиристоры фазы C - импульсы 2, 5.

Угол открытия тиристора (Alpha, deg) рассчитывается подсистемой ПИ-регулятора напряжения с обратной связью. Модель подсистемы ПИ-регулятора напряжения представлена на рис. 4.

На вход подсистемы подается сигнал заданного напряжения Ud ref - 1 о.е.; обобщенный вектор трёхфазного напряжения, вырабатываемого асинхронным генератором U, о.е. После сравнения заданного напряжения с напряжением генератора в блоке осциллографа Scope1 формируется ошибка регулирования. При изменении величины напряжения генератора ПИ-регулятор изменяет величину угла открытия тиристора (Alpha, deg) в пределах от 1 до 155° и тем самым управляет моментом времени открытия тиристоров нужной фазы и поддерживает напряжение генератора на заданном уровне.

M

го m

0 н

1

s

^

s

T3

IO

w

Cù M

о

Voltage order

и-

Alfa fix

Forded Delay Timer

un

Lid ret (mil

alpha

Forced_alpha

alpha_fix

Scope3

Voltage Pl-controIIer

[jT|-Ei»i

alpha_deg

AB

ВС pulses

CA _

Freq

Block

Scope4

Discrete Synchronizer 6-Pulse Generator

Рис. 1. Математическая модель асинхронного генератора с ПИ-регулятором напряжения в системе MATLAB

Рис. 2. Силовой блок тиристорного регулятора напряжения

Scope4

Discrete Synchronized G-Pulse Generator

Рис. 3. Модель и схема подключения блока Discrete Synchronized 6-Pulse Generator

[Vojtag^^ontrolleJ Puc. 4. Модель подсистемы ПИ-регулятора напряжения

В данной модели используется блок РсмегдЫ -графический интерфейс пользователя для работы с электрическими схемами. Блок рассчитывает начальные условия для запуска генератора, задаёт время дискретизации модели Тб, производит анализ фазо-частотных и амплитудно-частотных характеристик отдельных ветвей схемы для оценки показателей ка-

чества вырабатываемой генератором электрической энергии.

Регулятор скорости асинхронного генератора.

Модель регулятора скорости реализована на основе ПИД-регулятора с обратной связью по частоте вращения ротора генератора. Модель регулятора представлена на рис. 5.

Asynchronous Machine pu Units

Рис. 5. Модель ПИД-регулятора скорости в системе MATLAB

Напряжение фазы А генератора в режиме холостого кода, В

Напряжение фазы А генератора при активной нагрузке 15 кВт, В

7.84 7.85 7.88 7.87 7.88 Km в режиме холостого кода, p.и

5.73 5.74 5.75 5.7G 5.77

Km при активной нагрузке 15 кВт, р.и.

2.27 2.28 2.29 2.3 2.31 2.32 2.33 2.34 2.35 2.3G 2.37 Угол открытия тиристора Alpha в режиме холостого хода, град.

2.4 2.45 2.5 2.55 2.8

Угол открытия тиристора Alpha при активной нагрузке 15 кВт, град.

G.25 G.3 6.35 G.4 6.45 6.5 G.55 6.G G.65

Рис. 6. Осциллограммы асинхронного генератора при активной нагрузке 15 кВт, в режиме холостого хода

Рис. 7. Осциллограммы асинхронного генератора при подключении нагрузки 2,5 кВт

Дополнительные блоки и измерительные системы. Для измерения основных величин генератора, регулятора напряжения используются стандартные блоки библиотеки средств измерений Measurements: измерители тока и напряжения. Для измерения параметров асинхронной машины используется измерительная система Machines Measurement Demux, которая подключается непосредственно к генератору. Блок осциллографа (Scope) используется для вывода осциллограмм токов и напряжений. Блок Discrete Total Harmonic Distortion используется для контроля качества вырабатываемого напряжения. Блоки 5_Discrete Fourier, 7_Discrete Fourier выполняют разложение тока фазы А генератора на 5-ю и 7-ю гармонические со-

ставляющие. Блок RMS используется для преобразования мгновенного значения напряжения в действующее значение.

Результаты моделирования. После завершения моделирования можно просмотреть результаты в виде осциллограмм (рис. 6, 7).

Выводы. Разработанная математическая модель позволяет выполнять анализ работы регулятора напряжения асинхронного генератора, дает возможность анализировать работу генератора при различных режимах работы: сброс и наброс нагрузки, параллельная работа нескольких асинхронных генераторов, совместная работа с энергосистемой, моделирование режима короткого замыкания на нагрузке.

Библиографический список

1. Вишневский Л. В., Пасс А. Е. Системы управления асинхронными генераторными комплексами: монография. Киев; Одесса: Лыбидь, 1990. 168 с.

2. Сыромятников И. А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей. М.: Энергоатомиздат, 1984. 240 с.

3. Зубков Ю. Д. Асинхронные генераторы с конденсаторным возбуждением. Алма-Ата: Изд-во Академии наук Казахской ССР, 1949. 113 с.