Электромагнитные процессы генерирования электроэнергии в мехатронной системе с асинхронной машиной

Актуальность темы исследования. Ежегодное увеличение потребителей электроэнергии, рост производства и расширение парка автономных объектов, в частности электрифицированных транспортных средств, приводят к необходимости рассмотрения вопросов увеличения мощности автономных систем генерирования электроэнергии (СГЭЭ) и оптимизации их энергетических, массогабаритных и стоимостных показателей. Особое значение при рассмотрении вопросов генерирования электроэнергии имеет тип электромеханического преобразователя, используемый в качестве генератора. В настоящее время наибольшее распространение получили генераторы, построенные на базе синхронных машин и машин постоянного тока. Системы генерирования электроэнергии, построенные на электрических машинах этого типа, обладая рядом неоспоримых достоинств, имеют и недостатки, ограничивающее их использование в условиях повышенной пожаро- и взрывоопасности, аварийных ситуациях при коротких замыканиях, условиях вибраций, разряженной атмосферы и т.п., в том числе для автономных объектов. Наиболее распространенной и широко применяемой электрической машиной является асинхронная машина. Несмотря на простоту конструкции и технического обслуживания, наилучшую эксплуатационную надежность, отсутствие щеточно-коллекторного узла данный тип преобразователей не получил широкого применения в генераторных установках. Причиной, сдерживающей использование асинхронных машин, служили следующие факторы:
 необходимость дорогостоящего и громоздкого источника емкостной реактивной энергии;
 сложные схемы регулирования и стабилизации параметров генерируемого напряжения.
Частично вопрос удешевления и уменьшения источника реактивной энергии был решен в начале XXI века, когда в России и за рубежом были созданы высокоэффективные пленочные самовосстанавливающиеся конденсаторы серий
5
К78-98, СВВ 60, массогабаритные показатели которых были значительно лучше показателей предыдущих серий. Развитие элементной базы и схемотехники управления полупроводниковыми устройствами силовой электроники позволяет полностью решить вопросы, ограничивающие использование асинхронной машины в качестве генератора. Теоретический и практический интерес представляет СГЭЭ типа “асинхронная машина – автономный инвертор напряжения” (АМ – АИН), в которой автономный инвертор напряжения выступает в качестве регулируемого источника реактивного тока для асинхронной машины, работающей в генераторном режиме. Источником реактивного тока является конденсатор в цепи постоянного тока инвертора, а сам инвертор работает в режиме широтно-импульсной модуляции выходного напряжения.
Существующее разногласие в понимании теоретических трактовок явления самовозбуждения асинхронного генератора (АГ) не позволяет однозначно дать рекомендации, гарантирующие надежное возбуждение системы типа “АМ – АИН”. Работа асинхронной машины, как и прочих электромеханических преобразователей, основана на законах электродинамики, что дает возможность говорить об общности процесса генерации в машинах постоянного и переменного тока. Классические методы изучения электромеханических систем позволяют определить как различные факторы и степень влияния параметров СГЭЭ на переходный процесс самовозбуждения, так и работу СГЭЭ в динамическом и статическом режиме с целью выявления рекомендаций по выбору и оптимизации параметров системы. Таким образом, исследование электромагнитных процессов, условий работы и функционирования мехатронной системы генерирования с асинхронной машиной в переходных, статических и динамических режимах работы является актуальным, так как потенциально позволяет обеспечить стабильную работу и высокое качество генерируемого напряжения.
Степень разработанности темы исследования. Большой вклад в развитие теоретических и экспериментальных исследований АГ внесли отечественные и зарубежные ученые: И.И. Алиев, А-З.Р. Джендубаев, Ю.Д. Зубков, С.И. Кицис, М.Л. Костырев, А.В. Нетушил, Г. А. Сипайлов, А.И. Скороспешкин,

6
З. Гентковски и многие другие. В их работах поднимаются вопросы трактовки явления самовозбуждения [12, 13, 26, 28, 37, 49-55, 58, 64-67, 97, 99, 119]; математического описания переходного [36, 38, 61-63, 71-72] и стационарного [9-11, 66, 73-75, 116] режимов работы асинхронного генератора; определения условий и границ самовозбуждения [27, 50, 76, 97]; стабилизации амплитуды и частоты генерируемого напряжения [7, 105-109], оценки необходимого значения фазной емкости [64, 76, 81, 98], возбуждения от полупроводниковых преобразователей [2-5, 8, 43].
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является комплексный анализ электромагнитных процессов в мехатронной системе генерирования (МСГ) “асинхронная машина – автономный инвертор напряжения” в части условий самовозбуждения системы и ее функционирования в рабочем и аварийном режимах.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Выполнить обзор существующих трактовок возбуждения АГ для раскрытия причины и условий возникновения явления самовозбуждения в МСГ типа
“АМ – АИН”.
2. Определить условия самовозбуждения АГ с конденсаторным возбуждением
и в составе МСГ.
3. Сформулировать рекомендации по проектированию МСГ электроэнергии на
основе асинхронной машины в части реализации условий самовозбуждения и оптимальных режимов работы.
4. Разработать математическую и имитационную модели АГ с конденсаторным и инверторным возбуждением для изучения особенностей функционирования МСГ “АМ – АИН” в рабочем и аварийном режимах.
5.Провести экспериментальные исследования для проверки теоретических положений.

7
Объектом исследования является мехатронная система генерирования электроэнергии, состоящая из асинхронной машины и автономного инвертора напряжения, как источника реактивного тока.
Предметом исследования являются электромагнитные процессы мехатронной системы генерирования “АМ – АИН”, включая режим самовозбуждения системы и генерации электроэнергии в статическом и динамическом режиме работы.
Научная новизна работы:
1. С применением математического аппарата теории автоматического управления доказана физическая общность и аналогичность процессов самовозбуждения в электрических машинах различных типов.
2. Показано, что в МСГ “АМ – АИН” конструктивные особенности зубцовой зоны АМ и периодическая коммутация ключей инвертора, способствует реализации параметрического резонанса как причины самовозбуждения МСГ.
3. Получены математические условия самовозбуждения электрических машин- генераторов переменного и постоянного тока при работе на ХХ и нагрузку. Получено выражение необходимой реактивной мощности для возникновения режима самовозбуждения АГ.
4. Разработана имитационная модель регулируемой мехатронной системы генерирования на базе асинхронной машины и автономного инвертора напряжения для анализа переходных, статических, динамических и аварийных режимов работы.
Теоретическая значимость работы заключается в обосновании явления самовозбуждения асинхронного генератора как следствия параметрического резонанса в контуре «асинхронная машина – автономный инвертор – конденсатор», доказательстве общности и аналогичности процессов самовозбуждения в генераторах переменного и постоянного тока, а также в выявлении механизма регулирования параметров выходного напряжения в замкнутой мехатронной системе.

8
Практическая значимость работы:
1.Разработаны структурные схемы СГЭЭ на основе электрических машин различного типа, позволяющие исследовать их динамические режимы работы и процесс самовозбуждения.
2. Предложена методика определения частоты генерируемого напряжения, основанная на частотном анализе передаточной функции и полного сопротивления СГЭЭ с асинхронной машиной.
3. Получено математическое выражение для расчета реактивной мощности, необходимой для существования режима генерирования электроэнергии в системе типа “АМ – АИН”.
4. Разработана модель мехатронной СГЭЭ типа “АМ – АИН”, позволяющая исследовать режимы самовозбуждения, штатного функционирования, короткого замыкания и параллельной работы нескольких асинхронных генераторов.
Методология диссертационного исследования. Методологической основой диссертационного исследования послужили направления, концепции и системы научного знания отечественных и зарубежных ученных в области разработки и проектирования электромеханических систем генерирования электроэнергии.
Методы диссертационного исследования. Для решения поставленных задач по исследованию явления возбуждения и режимов МСГ типа “АМ – АИН” в диссертационной работе использовались методы теории автоматического управления, математический метод описания с помощью систем дифференциальных уравнений, метод визуального имитационного моделирования.
В проведенных исследованиях использованы следующие программные продукты: Matlab R2016a, Simulink, Mathcad 15, Elcut 5.1.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
1.Модуляция индуктивности асинхронной машины за счет пульсации индукции в воздушном зазоре и периодическая коммутация ключей автономного инвертора обеспечивают возникновение самовозбуждения в системе типа «АМ – АИН» на основе явления параметрического резонанса.

9
2. Математические выражения, определяющие условия существования режима самовозбуждения в генераторах постоянного и переменного тока в зависимости от их параметров и внешней нагрузки.
3. Условие возбуждения мехатронной СГЭЭ типа «АМ – АИН», определяющее необходимое количество реактивной мощности, поставляемой конденсатором звена постоянного тока автономного инвертора.
4. Результаты экспериментального исследования, подтверждающие адекватность математической и имитационной моделей регулируемой автономной СГЭЭ типа «АМ – АИН», позволяющие оценить рабочие характеристики.
Степень достоверности и апробация результатов исследования.
Достоверность полученных результатов определяется корректным использованием научно-обоснованных методов исследований, сходимостью экспериментальных и расчетных данных. Результаты, полученные при проведении экспериментальных испытаний, подтверждают справедливость научных положений и применимость предложенных методов, технических решений и выводов.
Апробация работы и публикации. Основные материалы исследования и отдельные положения докладывались и получили одобрение на следующих конференциях и научно-технических форумах: VIII Международная научно- практическая конференция “Электронные средства и системы управления” г. Томск: ТУСУР – 2012 г.; 14th International Conference “Micro/Nanotechnologies and Electron Devices”, г. Новосибирск: НГТУ – 2013 г.; 15th International Conference “Micro/Nanotechnologies and Electron Devices”, г. Новосибирск: НГТУ – 2014 г.; Международная конференция “Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит”, г. Харьков: ХПИ – 2013 г.; XX международная научно-практическая конференция “Современные техника и технологии”, г. Томск: ТПУ – 2014 г.; III российская научная школа-конференция “Энергетика, электромеханика и энергоэффективность глазами молодежи”, г. Томск: ТПУ – 2015 г.; III Международный молодежный форум “Интеллектуальные энергосистемы”, г. Томск: ТПУ – 2015 г.; VII международная научно-техническая конференция “Электромеханические преобразователи энергии”, г. Томск: ТПУ – 2015 г.;

10
17th International Conference “Micro/Nanotechnologies and Electron Devices”, г. Новосибирск: НГТУ – 2016 г.
По теме диссертационной работы опубликовано 14 работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК при Министерстве образования и науки Российской Федерации для соискателей ученых степеней, 3 публикации, входящих в международную базу SCOPUS.
Внедрение результатов исследований.
Результаты диссертационной работы были использованы на предприятии ООО «Трамис-Арм», г. Новочеркасск при проектировании автономной системы генерирования электроэнергии на основе асинхронного генератора с безредукторным приводом для железнодорожных вагонов, а также в учебном процессе кафедры Электротехнических комплексов и материалов Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета при подготовке бакалавров по направлению 13.03.02 и магистров по направлению 13.04.02 (Электроэнергетика и электротехника) по профилям «Электрооборудование летательных аппаратов» и «Электротехнические комплексы автономных объектов».