SYNTEZA PRZEKSZTAŁTNIKOWEGO UKŁADU STEROWANIA AUTONOMICZNYM GENERATOREM INDUKCYJNYM. CZĘŚĆ II BADANIA SYMULACYJNE

Transkrypt

1 Prace Naukowe Insttutu Maszn, Napędów i Pomiarów Elektrcznch Nr 66 Politechniki Wrocławskiej Nr 66 Studia i Materiał Nr Błażej JAKUBOWSKI*, Krzsztof PIEŃKOWSKI* autonomiczn generator indukcjn, sterowanie polowo-zorientowane badania smulacjne SYNTEZA PRZEKSZTAŁTNIKOWEGO UKŁADU STEROWANIA AUTONOMICZNYM GENERATOREM INDUKCYJNYM. CZĘŚĆ II BADANIA SYMULACYJNE W artkule przedstawiono wniki badań smulacjnch przekształtnikowego układu sterowania autonomicznm generatorem indukcjnm. Badania smulacjne wkonano dla stanu obciążenia generatora indukcjnego odbiornikiem rezstancjno-indukcjnm rzpadku zmian prędkości kątowej generatora. Przedstawiono przebiegzasowe wielkości elektromagnetcznch oraz wkres wektorowe wbranch zmiennch stanu układu dla rozpatrwanch stanów prac generatora. Otrzmane wniki badań smulacjnch potwierdzają słuszność przjętch założeń i metod sntez układu sterowania autonomicznm generatorem indukcjnm. 1. WSTĘP Obecnie rozwijane są przekształtnikowe układ sterowania autonomicznmi generatorami indukcjnmi [1, 3 6]. W artkule tm rozpatrwan jest przekształtnikow układ sterowania autonomicznm generatorem indukcjnm z zastosowaniem sterowania polowo-zorientowanego. Schemat obwodów sterowania przedstawiono w częścierwszej artkułu [2]. W układzie sterowania zastosowano przekształtnik energoelektroniczn AC/DC, przłączon do generatora przez dławikprzęgające. Przekształtnik AC/DC oraz bateria kondensatorów zapewniają sterowanie moc biernej do wzbudzenia generatora indukcjnego. Obciążenie generatora stanowi trójfazow odbiornik rezstancjno-indukcjn. Artkuł ten stanowi kontnuację prac [2], w której przedstawiono metodę doboru nastaw regulatorów oraz sntezę układu sterowania generatorem. W tej części artkułu przedstawiono wniki analiz i badań smulacjnch przekształtnikowego układu sterowania autonomicznego generatora indukcjnego klatkowego. * Insttut Maszn, Napędów i Pomiarów Elektrcznch, Politechnika Wrocławska, ul. Smoluchowskiego 19, Wrocław, blazej.jakubowski@pwr.wroc.pl, krzsztof.pienkowski@pwr.wroc.pl

2 86 2. BADANIA SYMULACYJNE 2.1. ANALIZA WPŁYWU OBCIĄŻENIA GENERATORA W OBWODZIE PRĄDU PRZEMIENNEGO NA STABLIZACJĘ AMPLITUDY NAPIĘCIA GENERATORA U s W badaniach smulacjnch rozpatrwano różne stan obciążenia generatora tan prac układu sterowania. Przjęto, że generator indukcjn w stanie prac jałowej bł napędzan ze stałą prędkością kątową równą ω m. =,75ω mn i został wzbudzon do stanu prac prz napięciu ustalonm. Następnie w chwili t =,2 s do generatora dołączono smetrczn 3-fazow odbiornik rezstorow o moc równej połowie moc znamionowej generatora (R o = 18 Ω), a w chwili t =,4 s moc tego odbiornika zwiększono do moc znamionowej generatora (R o = 19 Ω). Na rsunku 1a przedstawiono przebieghwilowe napięcia fazowego u SA stojana generatora indukcjnego, napięcia na kondensatorze u d w obwodzie pośredniczącm przekształtnika AC/DC oraz prądu fazowego w odbiorniku obciążenia i oa. Z otrzmanch przebiegów czasowch wnika, że układ sterowania generatora zapewnia stabilizację amplitud napięcia generatora oraz napięcia w obwodzie pośredniczącm przekształtnika prz rozpatrwanch zmianach obciążeń generatora. Transmitancja układu regulacji amplitud napięcia stojana generatora opisana jest wzorem [2]: us 1 H z () s = =. (1) u * 2 T s c1t c2 Tc 2 s + s + 1 K K K K gdzie: K c, K Ru, T c1, T c2 oznaczają odpowiednio współcznniki wzmocnienia oraz stałe czasowe transmitancji H c (s) [2]. Z analiz teoretcznej wnika, że dla danch przjętch do doboru regulatorów (T c1 = 12,2 ms, T c2 = 34,6 ms, K c = 37 V/A, K Ru =,191 A/V) z obliczeń analitcznch otrzmuje się, że czas regulacji napięcia do chwili osiągnięcia stanu ustalonego jest równ t r = 143 ms. Wnikmulacjrzedstawione na rs.1a potwierdzają poprawność przjętch założeń i zgodność czasu regulacji otrzmanego z obliczeń analitcznch i badań smulacjnch. Na podstawie podobnego postępowania wznaczono czas regulacji napięcia u d w obwodzie DC przekształtnika AC/DC. Transmitancja układu regulacji napięcia u d ma następującą postać [2]: ud 1 H zf () s = =. (2) u * d s 8Tzp + s 8Tzp + s4tzp + 1 gdzie: T zp stała czasowa zoptmalizowanego układu regulacjrądu [2]. Dla danch przjętch do doboru regulatorów K Rp = 2,61 V/A, K p = 5 A/V, T p = 25 ms, T zp = T p /(K Rp K p ) = 191 ms obliczon analitcznie czas regulacji napięcia u d Ru c Ru c

3 87 wnosi t r = 254 ms. Wnikmulacjrzedstawione na rs. 1a potwierdzają poprawność przjętch założeń i wznaczenia czasu regulacji. Na rs. 1b i 1c przedstawiono odpowiednio wkres wektorów przestrzennch prądów, napięć trumieni magnetcznch badanego układu dla stanu prac generatora bez obciążenia oraz z obciążeniem znamionowm. Z wkresów tch wnika, że utrzmanie stałej wartości amplitud napięcia na zaciskach generatora po wzroście obciążenia prz stałej prędkości kątowej generatora, wmaga odpowiednio zwiększenia amplitud wektorów strumienprzężonch stojana i wirnika. Po obciążeniu generatora mocą cznną następuje również zmiana wartości kątów międz wektoramtrumienprzężonch (fizcznie odpowiada to przesunięciu osól magnetcznch stojana i wirnika). a) 1 5 u sa u d R o=18 Ω, L o= H, R o =9 Ω, L o = H, u [V] A [A] b) R o =, c) u s t=.15 s u s R o =9 Ω t=,5 s i o i o = Rs. 1. Obciążenie generatora mocą cznną a) przebiegzasowe, b) wkres wektorowe na biegu jałowm c) wkres wektorowe stan obciążenia znamionowego Fig. 1. Load of induction generator with active power a) plots, b) vector diagram no load, c) vector diagram rated load Z analiz wkresu na rs. 1c wnika, że w stanie ustalonm wektor prądu przekształtnika jest opóźnion względem wektora napięcia stojana generatora u s o kąt

4 88 równ 9. Oznacza to, że przekształtnik jest wted źródłem moc biernej indukcjnej wmaganej do prac generatora, a źródłem moc cznnej dostarczanej do odbiornika jest tlko generator. Stan ten potwierdza poprawność działania rozpatrwanego przekształtnikowego układu sterowania. a) 1 5 u sa u d Ro =6 Ω, Lo1=,5 H R o =6 Ω, Lo2=,25 H u [V] A [A] b) R o =6, c) u Lo1=,5 H s t=.3 s i o u s i o R o=6 Ω, L o2 =,25 H t=,5 s Rs. 2. Obciążenie generatora indukcjnego mocą cznną oraz bierną a) przebiegzasowe, wkres wektorowe b) dla obciążenia odbiornikiem R o L o1 c) dla obciążenia odbiornikiem R o L o2 Fig. 2. Load induction generator with active and reactive power a) plots, b) vector diagrams with load R o L o1, c) vector diagrams with load R o L o2 Działanie układu sterowania zapewnia zmniejszenie również wpłwu obciążenia na zmian częstotliwości napięcia na zaciskach stojana generatora indukcjnego. Jest to realizowane przez odpowiednią zmianę amplitud wektora prądu przekształtnika.

5 89 Na rsunku 2a przedstawiono przebieghwilowe napięcia oraz prądu stojana generatora oraz napięcia w obwodzie prądu stałego przekształtnika AC/DC. Rozpatrwano podobn przebieg zmian obciążenia jak dla badań przedstawionch na rs. 1a. Różnica polegała na przjęciu, że przłączan odbiornik miał charakter rezstancjno-indukcjn o następującch parametrach: R o = 6 Ω, L o1 =,5 H, L o2 =,25 H. Z wników badań smulacjnch przedstawionch na rs. 2a wnika, że układ sterowania zapewnia utrzmwanie stałej wartości amplitud wektora napięcia fazowego generatora. Jak widać, nawet prz stosunkowo małm współcznniku moc odbiornika, układ sterowania jest w stanie stabilizować napięcie na zaciskach generatora indukcjnego. Na rsunkach 2b i 2c przedstawiono wkres wektorowe prądów, napięć trumieni sprzężonch dla poszczególnch stanów obciążenia generatora. Wkres te są podobne do otrzmanch z analiz generatora prz obciążeniu rezstorowm generatora ANALIZA WPŁYWU ZMIAN PRĘDKOŚCI KĄTOWEJ GENERATORA NA STABILIZACJĘ NAPIĘCIA GENERATORA U s Przeprowadzono badania smulacjne generatora indukcjnego prz zmiennej prędkości kątowej wirnika tałch parametrach odbiornika obciążającego. Wmuszano liniowe zmian prędkości kątowej wirnika w funkcjzasu w przedziale 75 1%% prędkości znamionowej wirnika. u [V], n [obr/min] U*s u d Δn=25 % u sa n Δu=9 % Rs. 3. Wpłw zmian prędkości kątowej wału generatora na stabilizację napięcia u SA oraz u d Fig. 3. Influence of changes of the angular velocit of the generator into voltage u SA and u d stabilization Przebieghwilowe napięcia stojana generatora u SA oraz napięcia u d w obwodzie pośredniczącm przekształtnika AC/DC prz zmianach prędkości obrotowej n wirnika generatora przedstawiono na rs. 3. Z przebiegów tch wnika, że mimo stosunkowo dużch zmian prędkości wirnika generatora układ sterowania zapewnia utrzmanie

6 9 z wstarczającą praktcznie dokładnością wartości amplitud napięcia generatora równej zadanej. Z rsunku 3 wnika także, że prz zmianach prędkości generatora wstępują nieznaczne zmian częstotliwości napięcia fazowego generatora. Te zmian częstotliwości można weliminować przez odpowiednie sterowanie obciążeniem generatora lub przez oddziałwanie na układ regulacji turbin napędzającej generator [5, 6]. 4. PODSUMOWANIE Zastosowanie przedstawionej metod sterowania przekształtnikowm układem autonomicznego generatora indukcjnego zapewnia stabilizację amplitud napięcia generatora oraz napięcia w obwodzie pośredniczącm przekształtnika AC/DC. Układ sterowania zapewnia utrzmanie amplitud napięcia generatora nawet prz stosunkowo dużch zmianach obciążenia oraz dnamicznch zmianach prędkości generatora. Moc cznną rozpraszaną w układzie oraz pobieraną przez odbiornik dostarcza generator indukcjn. Całkowitą moc bierną pobieraną przez generator indukcjn oraz odbiornik zapewnia dołączona do zacisków generatora bateria kondensatorów wzbudzenia oraz przekształtnik AC/DC. W związku z tm moc pozorna przekształtnika AC/DC musi uwzględniać sumę moc biernej generatora oraz maksmalnej moc pobieranej przez odbiornik i może bć pomniejszona o moc bierną dostarczaną z dołączonch do zacisków generatora baterii kondensatorów. Artkuł opracowano w ramach projektu Przedsiębiorcz doktorant inwestcja w innowacjn rozwój regionu (Program Operacjn Kapitał Ludzki, Priortet VIII Regionalne Kadr Gospodarki, Działanie 8.2 Transfer Wiedz, Poddziałania Regionalne Strategie Innowacji). Projekt współfinansowan ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego. LITERATURA [1] AHMED T., NISHIDA K., NAKAOKA M., Advanced Voltage Control of Induction Generator Using Rotor Field-Oriented Control, Proc. of Industr Application Conference, 25, Vol. 4, [2] JAKUBOWSKI B., PIEŃKOWSKI K., Snteza przekształtnikowego układu sterowania autonomicznm generatorem indukcjnm. Część I Analiza, Prace Naukowe Insttutu Maszn, Napędów i Pomiarów Elektrcznch, Wrocław 212. [3] JAKUBOWSKI B., PIEŃKOWSKI K., Sterowanie autonomicznm generatorem indukcjnm ze wzbudzeniem przekształtnikowm, Zeszt Problemowe Maszn Elektrczne, Komel, 21, Nr 88, [4] JAKUBOWSKI B., PIEŃKOWSKI K., Analiza układów polowo-zorientowanego sterowania autonomicznm generatorem indukcjnm, Przegląd Elektrotechniczn, 211, R. 87, Nr 11, [5] SINGH B., KASAL G.K., Solid State Voltage and Frequenc Controller for a Stand Alone Wind Power Generating Sstem, IEEE Transactions on Energ Conversions, 28, Vol. 23, No. 3,

7 91 [6] YOUSSEF K.H., WAHBA M.A., YOUSEF H.A., SEBAKHY O.A., A New Method for Voltage and Frequenc Control of Stand-Alone Self-Ecited Generator Using PWM Converter with Variable DC Link Voltage, Proc. of American Control Conference, Washington 28, SYNTHESIS OF THE CONVERTER CONTROL SYSTEM OF AUTONOMOUS INDUCTION GENERATOR. PART II SIMULATION STUDIES In the paper the results of simulation studies of a converter control of the autonomous induction generator are presented. The results of investigations in case of loading the generator with active and reactive power and in case of changes of the angular speed of the shaft of the generator are considered. The paper presents the plots and vector diagrams of selected variables of the sstem for different working states of the generator. The simulation results confirm the assumptions used for the snthesis of the control sstem of an autonomous induction generator, shown in the part I of the article.