Книги по разным темам
Pages: | 1 | 2 | 3 | На правах рукописи
ЛЫОНГ ТХУ ФОНГ КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ И ИСКАЖАЮЩЕЙ МОЩНОСТЕЙ В СУДОВЫХ И КОРАБЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ Специальность 05.09.01. "Электромеханика и электрические аппараты"
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
МОСКВА 2009
Работа выполнена в Государственном Образовательном Учреждении Высшего Профессионального Образования Московском Энергетическом Институте (Техническом Университете) на кафедре Электрических и Электронных аппаратов Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Розанов Юрий Константинович Официальный оппонент - доктор технических наук, профессор Дмитриев Борис Федорович кандидат технических наук, доцент Чаплыгин Евгений Евгеньевич Ведущее предприятие - ФГУП НПП ВНИИЭМ
Защита состоится л 15 мая 2009 г.
на заседании диссертационного совета Д 212.157.15 при ГОУВПО МЭИ (ТУ) в аудитории Е205 в 13 час. 00 мин.
по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.13.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО МЭИ (ТУ).
Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, ученый совет при ГОУВПО МЭИ (ТУ).
Автореферат разослан л_ апреля 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.15.
к.т.н., доц. Рябчицкий М.В.
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
Для современных судов и кораблей созданы эффективные системы электродвижения на основе гребных электрических установок (ГЭУ) с винторулевой колонкой (ВРК), в которых двигатель конструктивно объединен с рулевым устройством. Такие ГЭУ называются пропульсивными комплексами. Они обеспечивают высокую маневренность судов и кораблей в различных режимах движения. В целях более эффективного использования элетрооборудования ГЭУ получают электропитание от единой электроэнергетической системы (ЕЭЭС), обеспечивающей электроэнергией другие общесудовые потребители. Управление режимами работы двигателями ГЭУ осуществляется полупроводниковыми преобразователями, существенно ухудшающими качество электроэнергии на общих шинах ЕЭЭС. Основными причинами этого являются уменьшения коэффициента мощности и рост содержания высших гармоник в потребляемом ГЭУ токе.
В результате этого значительно снижается надежность работы потребителей, и увеличиваются потери электроэнергии, потребляемой ГЭУ. Поэтому уменьшение указанных негативных последствий является актуальной задачей.
В связи с этим, в настоящее время большое внимание уделяется вопросам, связанным с изучением и разработкой различных способов и средств обеспечения требуемого качества электроэнергии, потребляемой пропульсивного комплекса с ВРК, увеличения коэффициента мощности и фильтрации высших гармоник тока сети.
Этим вопросам посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов: Вилесова Д.В., Азарьева Д.И., Жежеленко И.В., Акаджи Х., Розанова Ю.К., Чаплыгина Е.Е., Агунов А.В., Рябчицкий М.В. и др. В их работах успешно использованы различные методы для решения задач, связанных с обеспечением качества электроэнергии.
Однако разработка новых средств не может исчерпывать проблемы, т.к. при создании этих устройств не учитываются особенности корабельных и судовых электроэнергетических систем. Поэтому актуальность темы обуславливается поиском новых способов и средств для компенсации реактивной мощности и активной фильтрации высших гармоник токов, обеспечивающих высокое требуемое качество электроэнергии.
Объекты исследования.
Электроэнергетические системы в существующих судах и кораблях с применением пропульсивного комплекса с винторулевой колонкой, а также различные автономные электроэнергетические системы и расчет их основных элементов силовых частей, система управления.
Цель работы и задачи исследования.
Целью работы является исследование и разработка принципов и схемотехнических решений для создания устройств повышения коэффициента мощности и активной фильтрации высших гармоник в ЭЭС существующих судов и кораблей с учетом их особенностей.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Х Выполнить анализ принципов построения и топологии схем компенсаторов неактивной мощности для автономных систем электроснабжения, сочетающих компенсацию реактивной мощности и фильтрацию высших гармоник тока.
Х Разработать методики для расчета элементов силовой части компенсатора неактивной мощности.
Х Разработать алгоритмы для реализации цифровой системы управления на основе микропроцессорных средств.
Х Создать компьютерную и физическую модели устройства, адекватно отражающих электромагнитные процессы при компенсации неактивной мощности.
Методы исследований.
При решении поставленных задач в данной диссертационной работе методологической основой исследований является комплексное применение методов системного анализа нелинейных цепей, анализа импульсных систем, моделирования компьютерных схем и цифрового управления и регулирования процессов.
Достоверность исследований и методов расчета проверялась сопоставлением результатов расчетов по аналитическим выражениям с результатами экспериментальных исследований на физическом макете основных узлов компенсатора реактивной и искажающей мощностей.
Обоснование и достоверность результатов. Справедливость теоретических положений подтверждается использованием апробированных методов анализа электромагнитных процессов в силовых электронных устройствах и корректностью принятых допущений, а также экспериментальными результатами, полученными на физической модели устройства компенсации неактивной мощности для пропульсивного комплекса с винторулевой колонкой.
Научная новизна. В диссертационной работе получены и выносятся на защиту следующие новые научные результаты:
1. Предложен принцип построения компенсаторов неактивной мощности, повышающих эффективность работы пропульсивного комплекса с ВРК за счет разделения силовых частей для компенсации реактивной мощности и фильтрации высших гармоник тока.
2. Разработана методика проектирования компенсатора неактивной мощности.
3. Разработаны принципы построения и алгоритмы функционирования цифровой системы управления.
4. Разработана компьютерная модель для оценки электромагнитных процессов работы устройства компенсации неактивной мощности при питании пропульсивного комплекса с ВРК Рекомендации по использованию полученных результатов (практическая значимость и реализация).
Результаты работы могут быть использованы при разработке устройства компенсации реактивной и искажающей мощностей до 2МВА для автономных, в том числе судовых и корабельных электроэнергетических систем. Кроме этого, их использование возможно в других системах электроснабжения, питающих потребители с низким значением коэффициента мощности и высоким содержанием уровня высших гармоник тока.
Реализация работы.
Полученные результаты работы будут использованы при создании электроэнергетических систем различного назначения, а также при модернизации судовых и корабельных электроэнергетических систем.
Апробация работы. Содержание отдельных разделов, основные результаты и диссертации в целом были доложены на:
1. XIII-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (Москва, 1 - 2 марта 2007);
2. XIV-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (Москва, 28 - 29 февраля 2008);
3. Заседании кафедры Электрических и электронных аппаратов МЭИ (ТУ) (Москва, 25 декабря 2008).
Публикации по теме работы. Основные научные результаты диссертационной работы опубликованы в 4-х научных работах, в том числе:
в одной статьи в журнале Электротехника и в 3-х тезисах докладов на XIIIой и XIV-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 46 наименований и 1 приложений.
Диссертация изложена на 167 страницах машинописного текста, иллюстрации на 7 таблицах и 100 рисунках.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность научно-технической проблемы, связанной с использованием пропульсивного комплекса с ВРК для обеспечения движения современных судов и кораблей, сформулированы задачи, решению которых посвящена диссертация, сформирована цель диссертации, излагаются подход и методы исследования, отмечаются научная новизна, практическая значимость работы, а также апробация работы.
В первой главе на основе аналитического обзора и анализа научно- технических материалов, обобщения имеющегося практического опыта рассмотрены основные направления решения вопросов компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока в судовых и корабельных ЭЭС, создаваемых нелинейными нагрузками. Рассмотрены принципы и выполнен анализ существующих методов улучшения качества электроэнергии, что позволило осуществить выбор перспективных методов при использовании пропульсивного комплекса с ВРК.
Потребность в улучшении качества электроэнергии для обеспечения электродвижения судов и кораблей возрастает. Решение этой проблемы в настоящее время осуществляется установкой пропульсивного комплекса с ВРК. Достоинствами таких комплексов с ВРК является отсутствие валопровода и рулевого устройства и поэтому позволяет повысить КПД, снизить акустические шумы и вибрацию оборудования, улучшить характеристики маневренности судна.
Известно, что в отличие от наземных, судовые и корабельные ЭЭС имеют существенные особенности, в частности, ограничение площадей и объемов размещения электрооборудования, что затрудняет поддержание требуемого качества электроэнергии.
Создание единых электроэнергетических систем, в которых главные генераторы обеспечивают питанием как гребной электродвигатель (ГЭД), так и общесудовые приемники электроэнергии, позволяет существенно улучшить массогабаритные и технико-экономические показатели энергетической установки. Как известно, использование полупроводниковых преобразователей для управления режимами работы ГЭД существенно ухудшает качество электроэнергии на шинах ЭЭС. Как было доказано, что при применении пропульсивного комплекса с ВРК, в различных судах и кораблях номинальное значение коэффициента мощности ГЭД составляет 0,7, а при снижении мощности до 10% от номинальной величины этот показатель составляет 0,2 0,3. Кроме того, коэффициент несинусоидальности напряжения на шинах питания составляет 17 18%, а на шинах собственных нужд - 14 15%. Расчетные величины высших гармоник тока нагрузки изображены в табл. 1, а изменения коэффициента мощности и показателя несинусоидальности тока иллюстрированы на рис. 2.
Рис. 1. Единая электроэнергетическая установка.
Задача повышения качества электроэнергии в настоящий момент осуществляется следующими путями:
Х Повышение коэффициента мощности внутренними средствами, т.е.
путем модификации схемы самого преобразователя и (или) алгоритма переключения входящих в его состав вентилей (ключей).
Х Введение в электрическую сеть дополнительных устройств, подключенных на стороне переменного тока параллельно или последовательно к преобразователю - сетевых фильтров.
Таблица Коэффициента искажения кривой тока Значение Кi, %, при Рном, кВт 5-я гар. 7-я гар. 11-я гар. 13-я гар. 17-я гар. 19-я гар. n-я гар.
14,4 7,8 5,2 3,2 2,8 2,2 1,Значение Кi, %, при 0,2 Рном, кВт 5-я гар. 7-я гар. 11-я гар. 13-я гар. 17-я гар. 19-я гар. n-я гар.
14,8 10,3 4,8 4,0 2,2 1,8 1,Кi р, о. е.
р, о. е.
а) б) Рис. 2. Показатели качества электроэнергии при изменении мощности пропульсивного комплекса с ВРК а - изменение коэффициента мощности, б - изменение уровня высших гармоник тока В настоящее время, вопрос компенсации неактивной мощности разделяется на два направления: компенсация реактивной и искажающей мощностей.
Традиционные подходы решения проблемы компенсации неактивной мощности в данный момент не удовлетворяют современным требованиям, главным образом из-за больших удельных массогабаритных показателей, небольшого диапазона регулирования частоты, низкого КПД и большой степени взрывопожароопасности. Компенсатор реактивной мощности (КРМ) и активный фильтра (АФ) хорошо известны, как наилучший способ, которые могут быть устранены высшими недостатками.
Проведенный анализ существующих технических решений демонстрирует, что оба направления, решающих проблему повышения качества электроэнергии, развивались и продолжают развиваться. Обычно замена существующих устройств ЭЭС с целью повышения качества потребляемой ими электроэнергии представляет огромную сложность. При этом повысить качество электроэнергии применением устройства компенсации, которое можно установить в любой точке ЭЭС, является предпочтительным. В данной работе, проблема компенсации неактивной мощности (КНМ) решается этим способом.
Во второй главе выполнен анализ принципов построения различных видов устройств компенсации реактивной мощности и фильтрации высших гармоник тока. Предложена оптимальная схема компенсационного устройства для судовых и корабельных ЭЭС и дана рекомендация при использовании ключевых элементов, а также предложена инженерная методика расчета и выбор силовых элементов компенсатора неактивной мощности.
Компенсатор реактивной мощности (КРМ) и активный фильтр (АФ) являются базовыми элементами устройства компенсации неактивной мощности для пропульсивного комплекса с ВРК. Принцип работы данного устройства заключается в компенсации реактивной мощности и подавлении высших гармоник тока сети в статическом режиме и в процессе пуска асинхронного двигателя.
Pages: | 1 | 2 | 3 | Книги по разным темам