Расчет параметров электрогенератора ВЭУ

Задача расчета параметров генератора ветроэнергетической установки является одной из сложнейших электротехнических задач, тесно связанной с механическими и аэродинамическими параметрами установки, а также непосредственно зависимой от параметров системы регулирования мощности. Кроме этого, сложность представляет выбор типа генератора, его габаритных размеров и расчета параметров обмотки. Более того, расчет генератора на практике должен подвергаться проверке на тепловые режимы в различных климатических условиях. Учитывая необходимость высокого уровня подготовки разработчика, предлагаемая задача является поверочным расчетом на основании расчетных данных, полученных с помощью различных методик проектирования электрических машин.

Исходные данные, обусловленные требованиями к габаритным размерам, частоте вращения ротора, магнитам и т.д.

- Тип генератора - синхронный вентильный генератор переменного тока на постоянных магнитах Ne-Fe-B;

- Тип магнитов – трапецеидальный;

- Параметры магнита Lm x Bm x Hm 0, 0740 х 0, 0335 х 0, 0245 х 0, 010 (м).

- Наружный диаметр магнитов OD = 0, 440 м;

- Внутренний диаметр магнитов ID = 0, 250 м;

- Количество пар магнитных полюсов p = 18;

- Количество магнитов на одном основании p₂ = 50;

- Расстояние между поверхностями магнитов = 0, 012 м;

- Количество фаз m = 3;

- Фазовый сдвиг 120 градусов;

- Диаметр провода d = 0, 001м;

- Число витков в секции w_c = 18;

- Частота вращения (номинальная и максимальная) n = 180 об/мин;

- Угол поворота ротора α;

 - Амплитуда производной магнитного потока

Параметры генератора в данном разделе не рассчитываем ввиду сложности решения.

 

5 Выбор типа и разработка регулятора мощности ВЭУ

 

Разработка электронного регулятора мощности ветроэнергетической установки, не имеющей балластного сопротивления, имеет следующие особенности: поддержание максимального Ср регулированием мощности ВЭУ в диапазоне частот вращения ротора в определенном диапазоне; ограничение частоты вращения ротора на номинальной (максимальной) частоте вращения за счет аэродинамических регуляторов; отсутствие балластной нагрузки.

 

Cp

Z

Рис. 5.1. Главная аэродинамическая характеристика ротора ВЭУ (зависимость Ср от Z)

 

Регулятор может быть построен на основе современных электронных компонентов: повышающего импульсного преобразователя; понижающего импульсного преобразователя. Задачей разработки и оптимизации является снижение потерь при преобразовании и максимально полное использование энергии ветра. Для получения максимума мощности при регулировании требуется придерживаться оптимальной быстроходности Z (рис. 5.1), которая и выступает в качестве исходных данных при разработке алгоритма электронного преобразователя энергии.

Разработчик должен выбрать схему регулятора на основе своего опыта, имеющихся на рынке компонентов и требований соответствующего Технического Задания.

Критерием оптимальности при разработке алгоритма работы регулятора является максимум выходной мощности на основе регулирования параметров выхода с отслеживанием располагаемой мощности ротора. Регулирование электрической мощности ВЭУ осуществляется с помощью выбора оптимальных рабочих режимов на основе метода, состоящего из следующих параллельно выполняемых действий: измерение внешних параметров (располагаемой мощности, мощности нагрузки, ток заряда аккумуляторной батареи, частота тока и напряжение в фазе генератора и др.); определение выхода параметров за пределы безопасных режимов и отключение генератора с переводом преобразователя в режим защиты; обеспечение заряда аккумулятора в режиме постоянного напряжения с ограничением тока заряда при условии наличия достаточной генерируемой мощности с предотвращением перезаряда и переразряда аккумулятора.

Типы регуляторов

Линейные стабилизаторы мощности включают помимо силовых регуляторов более или менее сложную маломощную схему управления. Принципиальная трудность создания регуляторов мощности заключается в том, что силовые транзисторы рассеивают значительную мощность. Это резко ухудшает эффективность такого регулятора и приводит к большим потерям на определенных режимах.

В упрощенном виде схема линейного стабили­затора напряжения приведена на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Схема линейного стабили­затора напряжения

 

Схема состоит из операционного усилителя в неинвертирующем включении с отрицательной обратной связью по напряжению, источника опорного напряжения V_REF и регулирующего транзистора VT1, включенного последовательно с нагрузкой.

Выходное напряжение V_out контролируется с помощью цепи отрицательной обратной связи, выполненной на резистивном делителе R1/R2. ОУ играет роль усилителя ошибки, в качестве которой здесь выступает разность между опорным напря­жением V_REF задаваемым источником опорного напряжения (ИОН), и выход­ным напряжением делителя R1/R2

                         (5.1)

Схема работает следующим образом. Пусть по тем или иным причинам (на­пример, из-за уменьшения сопротивления нагрузки или входного нерегулируе­мого напряжения) выходное напряжение стабилизатора V_out уменьшилось. При этом на входе ОУ появится ошибка DV> 0. Выходное напряжение усилите­ля возрастет, что приведет к увеличению тока базы, а, следовательно, и тока эмиттера регулирующего транзистора до значения, при котором выходное на­пряжение возрастет практически до первоначального уровня.

В случае идеального операционного усилителя установившееся значение ошибки, совпадающее с дифференциальным входным напряжением ОУ, близ­ко к нулю. Отсюда следует, что:

                                      (5.2)

Питание операционного усилителя осуществляется от входного нерегу­лируемого однополярного напряжения, в данном случае положительного (при регулирующем транзисторе p-n-p-типа все напряжения в схеме должны быть отрицательными). Это накладывает ограничения на допустимый диапа­зон входных и выходных сигналов, которые в этих условиях должны быть только положительными. В связи с этим тот тип регулятора достаточно простой, но неэффективный.

Импульсные регуляторы напряжения. Принцип действия непрерывных (линейных) стабилизаторов напряжения с последовательным регулирующим элементом состоит в том, что при изменении входного напряжения и/или тока нагрузки выходное напряжение стабилизатора (напряжение на нагрузке) поддерживается постоянным за счет изменения падения напряжения на регулирующем элементе. Разность между входным и выходным напряжениями падает на мощном регулирующем транзисторе и в зависимости от схемы его включения и диапазона изменения входного напряжения может достигать нескольких десятков вольт. Как следствие при протекании тока нагрузки на этом транзисторе рассеивается довольно большая мощность. Это предопределяет относительно невысокий коэффициент полезного действия (КПД) линейного стабилизатора, который в случае низких напряжениях стабилизации может падать даже ниже 50%.

Существенно больших значений КПД можно достичь, если вместо непрерывного регулирующего элемента между входным напряжением и нагрузкой включить импульсный коммутатор (ключ), который циклически (с определенным периодом повторения Т) переключается из разомкнутого (закрытого) состояния в замкнутое (открытое) и обратно. В этом случае среднее значение выходного напряжения на нагрузке будет определяться отношением длительности  его открытого состояния к периоду повторения. Таким образом, меняя относительную длительность открытого состояния ключа, можно в широких пределах регулировать среднее значение напряжения на нагрузке. Если между коммутатором и нагрузкой включить соответствующий фильтр нижних частот, можно сгладить пульсации напряжения на нагрузке до допустимой величины.

Вполне очевидно, что при малом сопротивлении ключа в открытом состоянии (в идеале оно может быть очень близко к нулевому), потери мощности на таком регулирующем элементе весьма малы, и на практике КПД здесь может достигать 95% и более.

Регуляторы мощности с коммутаторами называют импульсными источниками питания, а если они осуществляют стабилизацию выходного напряжения, то импульсными стабилизаторами напряжения. По сравнению с непрерывными стабилизаторами напряжения импульсные источники обладают не только существенно более высоким КПД, но дополнительно позволяют получить:

- выходное напряжение больше входного;

- выходное напряжение, гальванически не связанное с входным;

- стабилизацию выходного напряжения при широком (более 50%) диапазоне изменения входного;

- при выходной мощности в десятки и более ватт — существенно меньшие массу и габариты.

Недостатками импульсных источников являются:

- импульсный характер напряжений и токов в схеме, что обуславливает порой весьма интенсивные помехи в нагрузке, в первичном источнике питания и в окружающем пространстве и требует применения сложных сглаживающих фильтров, тщательного экранирования и детальной проработки конструкции;

- определенные сложности с обеспечением устойчивости импульсных устройств с обратной связью;

- относительно большая (по сравнению с непрерывными устройствами) длительность переходных процессов.

Импульсные регуляторы мощности отличаются большим многообразием принципов построения и схемных решений. Ниже мы рассмотрим наиболее распространенные типы импульсных регуляторов с промежуточными накопителями энергии и без промежуточного накопления энергии.

Для импульсных источников питания с промежуточными накопителями характерна работа в два такта, в одном из которых происходит накопление энергии в индуктивной катушке (дросселе) или конденсаторе, а во втором — передача энергии в нагрузку.

Основные топологии DC/DC преобразователей.

Все существующие топологии преобразователей постоянного напряжения могут быть разделены на две основные части, в зависимости от наличия или отсутствия гальванической развязки между первичным источником и выходной цепью.

Неизолированные преобразователи

В зависимости от положения ключевого элемента и выпрямительного элемента могут быть реализованы следующие основные типы преобразователей:

- понижающий импульсный регулятор с последовательным соединением ключевого элемента и дросселя (buck regulator);

- повышающий импульсный регулятор с параллельным включением ключевого элемента и последовательным включением дросселя (boost regulator);

- повышающий/ понижающий импульсный регулятор с последовательным включением ключевого элемента и параллельным включением дросселя (bust-boost regulator).

Как ключевые элементы в настоящее время широко используются полевые транзисторы различных типов (FET) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

Понижающий импульсный регулятор напряжения

Схема преобразователя, часто называемая чопперной цепью, и основные сигналы приведены на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Понижающий импульсный регулятор напряжения

 

Источник первичного напряжения с помощью ключевого элемента Т переключатся с частотой f = 1/Т, время открытого состояния ключа t_on, таким образом коэффициент заполнения проводящего состояния транзистора δ = t_on/Т. Выходное напряжение источника может быть записано как V_out = V_in · δ.

Повышающий импульсный регулятор напряжения

Схема преобразователя приведена на рис. 5.4.

 

Рис. 5.4. Понижающий импульсный регулятор напряжения

 

При нормальной работе, энергия поступает из индуктивности в нагрузку и затем запасается в выходном конденсаторе. Из-за этого выходной конденсатор находится в значительно более перегруженном состоянии, чем в предыдущем случае. Выходное напряжение для данной цепи определяется как V_out = V_in /(1-δ ).

 

 

 

Повышающий/понижающий импульсный регулятор напряжения

Схема преобразователя приведена на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Повышающий/понижающий импульсный регулятор напряжения

 

Если коэффициент заполнения менее 0.5, то преобразование происходит в понижающем режиме, если более 0.5, то преобразователь работает в повышающем режиме. Выходное напряжение для данной цепи определяется как V_out = V_in δ /(1-δ ).

Изолированные преобразователи

Изолированные конвертеры обычно классифицируются относительно цикла колебаний магнитного поля в сердечнике трансформатора (цикла намагничивания) кривая B – H. Изолированный преобразователь, у которого рабочая кривая намагничивания остается в одном квадранте (см. рисунок ниже) называется ассиметричным, соответственно все остальные называются симметричными.

Кривая гистерезиса для симметричного источника питания приведена на рис. 5.6.

 

Рис. 5.6. Кривая гистерезиса для симметричного источника питания

 

Ассиметричные преобразователи

Автономный обратноходовой преобразователь

Схема преобразователя изображена на рисунке ниже. В течении времени когда ключ находится в проводящем состоянии энергия запасается в первичной обмотке трансформатора L_p, и передается во вторичную обмотку когда ключ находится в выключенном состоянии.

Автономные обратноходовые преобразователи обычно используются в диапазоне выходных мощностей от 30 Вт до 250 Вт. Обратноходовая топология в основном используется для создания недорогих многовыводных импульсных источников питания, поскольку не используется дополнительный индуктивный фильтр на выходе.

Изолированный одноключевой обратноходовой преобразователь приведен на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Изолированный одноключевой обратноходовой преобразователь

 

В случае использования одноключевой обратноходовой схемы, всплески перенапряжения прикладываются к ключу при каждом выключении. Пиковые значения этих бросков определяются временем переключения, емкостью цепи и индуктивностью утечки трансформатора от первичной ко вторичной обмоткам. Таким образом, одноключевая схема практически всегда требует использования снабберной цепи ограничивающей всплески напряжения. Для уменьшения эффекта индуктивности утечки используется двух ключевая обратноходовая схема. Два размагничивающих диода (D1 и D3) ограничивают напряжение на ключах значением входного постоянного напряжения V_in без диссипации энергии. Данное решение позволяет работать на более высоких частотах и соответственно с более высоким КПД. Тем не менее, данная топология требует управления верхним ключом, что осложняет топологию схемы. Данная схема обратноходовая схема также известна как ассиметричный обратноходовой полумостовой преобразователь.

Изолированный двух ключевой обратноходовой преобразователь приведен на рис. 5.8.

 

Рис. 5.8. Изолированный двух ключевой обратноходовой преобразователь

 

Интеллектуальный регулятор

Общие требования, накладываемые на интеллектуальный контроллер ветроэнергетической установки:

- Контроллер должен управлять распределением энергии, получаемой от генератора для заряда аккумулятора и питания нагрузки.

- Контроллер должен выбирать оптимальные рабочие режимы отбора мощности от генератора, основываясь на измерении внешних параметров (располагаемой мощности, мощности нагрузки, ток заряда аккумуляторной батареи и др.).

- Контроллер должен определять выход параметров за пределы безопасных режимов и отключать генератор, переводя преобразователь в режим защиты.

- Контроллер должен обеспечивать заряд аккумулятора в режиме постоянного напряжения с ограничением тока заряда при условии наличия достаточной генерируемой мощности.

- Контроллер должен не допускать переразряда аккумулятора.

- Схема контроллера строится на основе программируемого микроконтроллера. Для настройки, диагностики и программирования контроллер должен иметь интерфейс RS-232.

 

Блок-схема интеллектуального контроллера представлена на рис. 5.9.

 

Рис. 5.9. Блок-схема интеллектуального контроллера

 

Интеллектуальный контроллер может быть построен по схеме понижающего или повышающего (или иного) импульсного регулятора, с несколькими контурами обратной связи.

Измеряемые параметры для обеспечения оптимального алгоритма регулирования:

- Напряжение и ток на аккумуляторной батарее

- Напряжение и ток действующей нагрузки

- Частота тока и напряжение в фазе генератора

Алгоритм регулирования мощности, отбираемой от генератора ветроэнергетической установки:

1. Измерение напряжения и тока в цепи нагрузки, расчет мгновенной потребляемой мощности.

2. Измерение частоты тока в фазе генератора и расчет частоты вращения ротора ветроколеса.

3. Определение располагаемой мощности, используя частоту вращения ротора и таблицу мощностей ротора.

4. Определение максимально допустимой мощности зарядки аккумуляторной батареи, используя максимально допустимый ток зарядки батареи и напряжение на ней.

5. Расчет суммарной требуемой мощности для данного момента времени.

6. Сравнение допустимой и требуемой мощностей и определение минимальной из них.

7. С помощью цифровых потенциометров в цепях обратных связей регулятора задание действующей отбираемой мощности, основываясь на предыдущих расчетах.

 

Проектирование системы управления ВЭУ, называемой также контроллером, регулятором или преобразователем, неразрывно связано с работой ВЭУ в целом, геометрией ротора (ветроколеса), архитектурой (взаимным расположением) компонентов, принципом передачи энергии от механической к электрической части и т.д. В связи с этим электронный контроллер, как правило, не является универсальным, а наоборот, жестко привязан к определенному генератору и типоразмеру ВЭУ. Однако с другой стороны, относительная универсальность контроллера может быть достигнута за счет модульного исполнения его компонентов.

 

 

6 Выбор типа инвертора ВЭУ

 

Выбор инвертора является несложной процедурой, однако имеет множество тонкостей, которые необходимо принимать во внимание. Одни инверторы на выходе вырабатывают чистую синусоиду, как это делают энергетические компании. Отклонение фазы +/- 2%. Стоимость такого прибора достаточно высокая. Другие инверторы могут вырабатывать квази-синусоиду. Они дешевле приборов, вырабатывающих чистую синусоиду в 3-6 раз. В этом случае график тока напоминает трапецию, прямоугольник или синусоиду с паразитными гармониками, искажающими ее. Разница в площади таких фигур и чистой синусоиды является совокупностью тепловых потерь. Эти паразитные гармоники привносят потери тепла, но абсолютно не влияют на большинство бытовых приборов (нагреватели, лампы накаливания, электроприборы с фильтрами и т.п.), однако могут оказать непредсказуемое воздействие на устройства, содержащие электродвигатель (холодильник, стиральная машина, копировальный аппарат, электродрель, вентиляторы и т.д.) в связи с тем, что паразитные гармоники, содержащиеся в синусоиде, нагревают обмотки электродвигателя и могут вызвать перегрев электроприбора.

Для снижения затрат на приобретение мощного синусоидального инвертора вариантом решения может служить распределение различных сетей (синусоидальное напряжение и квази-синусоидальное напряжение) по помещению потребителя с соответствующим включением электроприборов в " свою" сеть.

Выбор типа инвертора ВЭУ

Определить тип инвертора для автономного энергоснабжения объекта.

1. Выясним, какие приборы могут быть запитаны от синусоидального и от квазисинусоидального напряжения. Занесем приборы в таблицу и вычислим их мощность в соответствии с графиком потребления.

1.1. Синусоиодальный (тип выходного напряжения – чистая синусоида, колебания амплитуды +/- 2% ). Этот тип годится для всех без исключения электроприборов соответствующей мощности.

1.2. Квази-синусоиодальный (тип выходного напряжения – близкий к синусоиде в форме трапеции или прямоугольника). Этот тип годится для электроприборов, использующих маломощную электронику без крупных прогнозируемых выделений тепла.

Категорически запрещается использование приборов, содержащих электродвигатели без предварительной фильтрации, электромашин, высокоточных измерительных приборов и т.п.

 

Таблица 6.1

Электроприборы, работающие на любом напряжении (синусоида или квази-синусоида)

ЭЛЕКТРОПРИБОР	МОЩНОСТЬ ПРИБОРА Pi, Вт	МГНОВЕННАЯ ПОТРЕБЛЯЕМАЯ МОЩНОСТЬ Pi, Вт
		УТРО	ДЕНЬ	ВЕЧЕР	НОЧЬ
Телевизор	200	200	0	200	0
Компьютер	100	100	100	100	100
Ноутбук (2 шт.)	100 (200)	200	200	200	100
Плойка	200	200	0	200	0
Аудиосистема	100	0	0	100	0
Электроплита	1500	1500	0	1500	0
Микроволновая печь	1800	1800	0	1800	0
Освещение
1 этаж	100	100	100	100	100
2 этаж	100	100	100	100	100
гараж	50	50	0	50	0
Миксер	200	0	0	0	200
Утюг	1800	0	0	1800	0
Сигнализация	500	50	50	50	50
Другие приборы	1000	0	0	1000	0
ИТОГО в пике PП:	7850	4300	550	7200	650

 

2. Определяем тип инвертора и принимаем решение по использованию обоих типов. Рассчитываем мощность каждого из инверторов.

 

Таблица 6.2

Мощность электроприборов и мгновенная потребляемая мощность приборов, работающих на синусоидальном напряжении

 

ЭЛЕКТРОПРИБОР	МОЩНОСТЬ ПРИБОРА Pi, Вт	МГНОВЕННАЯ ПОТРЕБЛЯЕМАЯ МОЩНОСТЬ Pi, Вт
		УТРО	ДЕНЬ	ВЕЧЕР	НОЧЬ
Стиральная машина	1500	1500	0	0	1500
Посудомоечная машина	500	0	0	500	0
Пылесос	2000	0	2000	0	0
Миксер	200	0	0	0	200
Фен	1000	1000	0	1000	0
ИТОГО в пике PП:	5200	2500	2000	1500	1700

 

Как видно из таблиц, совокупная мощность электроприборов, которые можно питать квазисинусоидальным напряжением, преобладает над приборами, питающимися от синусоидального напряжения. 

Из таблицы 6.1 мощность приборов, работающих на квазисинусоиде, составляет по максимуму в вечернем пике 7, 200 кВт.

Из таблицы 6.2 мощность приборов, работающих на синусоиде, составляет по максимуму в утреннем пике 2, 500 кВт.

Учитывая тот факт, что стоимость квазисинусоидального инвертора составляет 30-50% от синусоидального, выгодно выбрать два типа инверторов с монтажом двух соответствующих сетевых проводок внутри объекта, с небольшим запасом по мощности:

- квазисинусоидальный инвертор – мощность P_И = 8 кВт;

- синусоидальный инвертор – мощность P_И = 3 кВт;

 

7 Расчет емкости аккумуляторных батарей

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: