На правах рукописи
Equation Chapter 1 Section 1
Усков Антон Евгеньевич
АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР, ПОВЫШАЮЩИЙ
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОЛНЕЧНЫХ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ АПК
Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учной степени кандидата технических наук
Краснодар – 2014
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Григораш Олег Владимирович
Официальные оппоненты: Таранов Михаил Алексеевич доктор технических наук, профессор Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО «Донской государственный аграрный университет», кафедра «Эксплуатация энергетического оборудования и электрических машин», заведующий кафедрой Коноплв Евгений Викторович кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет»
кафедра «Применения электрической энергии в сельском хозяйстве», доцент
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» (г. Краснодар)
Защита диссертации состоится «2» июля 2014 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 220.038.08 при ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет»: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина 13, КубГАУ, корпус факультета энергетики и электрификации, ауд. №
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет»
http://kubsau.ru/.
Автореферат разослан «» _ 2014 года и размещен на официальном сайте ВАК при Министерстве образования и науки России http://vak2.ed.gov.ru и на сайте ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» http://kubsau.ru/
Ученый секретарь диссертационного совета, Курасов Владимир Станиславович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Развитие мирового топливно-энергетического комплекса характеризуется ограниченными ресурсами традиционных видов топлива и в связи с этим постоянным ростом их стоимости, а так же ежегодно возрастающими экологическими проблемами, связанные с добычей и переработкой энергетических ресурсов традиционной энергетики.
Перспективным является направление внедрения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в сельскохозяйственное производство, этому способствуют, кроме того, следующие факторы: неограниченность ресурсов возобновляемой энергетики, повсеместная распространнность большинства видов на Земле, отсутствие вредных выбросов, доступность для использования. Перспективным направлением для Краснодарского края является внедрение солнечных фотоэлектрических станций, одним из основных узлов которых являются автономные инверторы (АИ). Эксплуатируемые в настоящее время АИ имеют следующие недостатки: низкие эксплуатационно-технические характеристики, в том числе КПД и небольшой диапазон стабилизации напряжения при несимметричной нагрузке.
В диссертационной работе предлагается одно из направлений, улучшающее эксплуатационно-технические характеристики автономных инверторов – это применение в их конструкции однофазно-трхфазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем (ТВМП).
Диссертационная работа выполнена в соответствии с госбюджетными темами ФГБОУ ВПО «Кубанский ГАУ» на 2006-2010 гг. (ГР 01.2.00606851) и на 2011-2015гг. (ГР 01.2.01153641) Научная гипотеза состоит в том, применение однофазнотрхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем в составе АИ позволяет применять однофазные статические преобразователи и улучшить эксплуатационно-технические характеристики солнечной фотоэлектрической установки (СФЭУ) в комплексе.
Целью диссертационной работы является улучшение эксплуатационно-технических характеристик автономных инверторов солнечных фотоэлектрических станций за счет использования в их конструкции однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.
Для достижения поставленной цели работы сформулированы следующие задачи исследований:
1. Провести анализ эксплуатационно-технических характеристик структурно-схемных решений эксплуатируемых автономных инверторов фотоэлектрических солнечных электростанций.
2. Разработать конструкцию обмоток однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.
3. Разработать функциональную схему автономного инвертора на базе однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем;
4. Провести компьютерное моделирование физических процессов протекающих в силовой схеме автономного инвертора.
5. Провести экспериментальные исследования автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем.
6. Провести расчт экономической эффективности автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным.
Объектом исследования являются функциональные схемы автономных инверторов и их системы управления, физические модели автономных инверторов.
Предметом исследования являются эксплуатационно-технические характеристики автономных инверторов (электрические параметры, КПД, массогабаритные и экономические показатели).
Методы исследования базировались на использовании теории электрических цепей, основ теории статических преобразователей электроэнергии с использованием программного продукта LTSpase, позволяющего моделировать физические процессы в силовых электрических цепях.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается правильностью выбора и корректного использования математического аппарата, а также совпадением результатов теоретических расчетов и экспериментальных исследований.
Научную новизну работы составляют:
1. Функциональные схемы автономных инверторов, выполненных на базе однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем, в них преобразуется напряжение, поступающее от источника постоянного тока на первичную обмотку со средней точкой, в трхфазную симметричную систему напряжений посредством ШИМ-модуляции и конструкции обмоток трансформатора.
2. Формулы и методы расчта, адаптированные для предложенных функциональных схем однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.
3. Компьютерная модель, разработанная на основании математического описания, позволяющая исследовать физические процессы, протекающие во вторичной цепи силовой схемы автономного инвертора.
Практическую значимость работы составляют:
1. Конструкция обмоток однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем для автономного инвертора солнечных фотоэлектрических установок.
2. Принципиальная электрическая схема замещения для компьютерного моделирования физических процессов автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем.
3. Результаты исследования компьютерной модели автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем.
4. Результаты исследования экспериментальной установки автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным 5. Техническая новизна предложенных схемных решений АИ подтверждена 9 патентами РФ.
6. Рекомендации по проектированию автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Функциональная схема автономного инвертора на базе однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.
2. Компьютерная модель, разработанная на основании математического описания, позволяющая исследовать физические процессы, протекающие в силовой схеме автономного инвертора на базе однофазнотрхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.
3. Конструкция обмоток однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.
4. Результаты исследования экспериментальной установки автономного инвертора на базе однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.
5. Результаты исследования компьютерной модели автономного инвертора на базе однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.
6. Результаты расчта экономической эффективности.
Реализация результатов работы.
Материалы по исследованию математической и физической модели переданы в ООО «Солнечный центр» (г. Краснодар). Результаты научных исследований применяются в учебном процессе на кафедре электротехники, теплотехники и возобновляемых источников энергии в Кубанском ГАУ, при изучении дисциплины «Электроника».
Личный вклад автора заключается в предложении новой конструкции магнитной системы однофазно-трхфазного ТВМП и функциональной схемы АИ на ТВМП и компьютерной модели АИ на ТВМП.
Апробация работы. I Международная научно-практическая конференция «Наука и технологии: шаг в будущее» (Белгород, 2006 г.); VIII Региональная научно-практическая конференция молодых учных «Научное обеспечение АПК» (Краснодар, 2006 г); II открытая Всероссийская научнопрактическая конференция молодых учных «Молоджь и наука XXI века»
(Ульяновск, 2007 г.); Международная научно-практическая конференция «Энергосберегающие технологии. Проблемы их использования» (Волгоград, 2007 г.); V Всероссийская научная конференция «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки» (Краснодар, 2007 г.); Международная конференция «Технические и технологические системы» (Краснодар, 2009 г.); Международная научно-практическая конференция «Состояние и перспективы энерго- и ресурсосберегающих технологий в АПК» (Орл, 2009 г.); IV Всероссийская научно-практическая конференция молодых учных «Научное обеспечение АПК» (Краснодар, 2010 г.); V Всероссийская научная конференция «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки» (Краснодар, 2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано: 33 научные работы, в том числе 9 патентов РФ, 2 монографии, 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК.
Общий объм публикаций – 28,05 п. л., из которых 13,7 п. л. принадлежит лично автору.
Структура и объм работы: Диссертация состоит из введения, глав, общих выводов, списка использованных источников, включающего 108 наименований и приложения. Общий объем диссертации: 115 страниц машинописного текста, включая 57 рисунков, 11 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении раскрывается актуальность исследований, сформулированы цель, объект и предмет исследований, научная новизна, практическая значимость и положения, выносимые на защиту.
В первой главе раскрываются перспективы ВИЭ в сельскохозяйственном производстве. Проведн анализ зависимости потребляемой мощности от объма производства сельскохозяйственной продукции. Предложены структурные схемы систем бесперебойного электроснабжения содержащие ВИЭ.
Показано, что Краснодарский край перспективный регион для применения солнечных фотоэлектрических станций. Приведен график среднемесячной облачности по Краснодарскому краю (рисунок 1). На территории края имеется повышенный уровень среднегодового солнечного излучения (1250 – 1450 Втч/м2), среднемесячная облачность в пределах 50при этом около 2500 солнечных часов в год.
Среднемесячная облачность Рисунок 1 – Среднемесячная облачность по Краснодарскому краю Рассмотрены силовые схемы эксплуатируемых АИ и раскрыты особенности их работы и недостатки, основными из которых являются: низкая наджность работы и небольшой диапазон стабилизации напряжения при несимметричных режимах работы.
Сформулированы задачи исследований.
Во второй главе показано, что применение ТВМП в составе АИ позволит улучшить их эксплуатационно-технические характеристики (ЭТХ).
раскрыты недостатки известных технических решений АИ выполненных с использованием ТВМП, основными из которых являются: относительно сложная система управления и защиты, сложная конструкция магнитной системы.
Разработана функциональная схема АИ, с использованием предложенного ТВМП (рисунок 2) и конструкция обмоток однофазнотрхфазного ТВМП (рисунок 3) и, с улучшенными ЭТХ. Предложенная функциональная схема АИ на ТВМП обеспечивает стабилизацию выходного напряжения в несимметричных режимах работы.
Рассмотрены основные аналитические выражения и особенности расчта силовой схемы и выходных фильтров АИ. Рассмотрены, так же формулы и методы адаптированные для расчта предложенной схемы ТВМП. Получено аналитическое выражение для расчта суммарных потерь автономного инвертора (1) где Рмагн – магнитные потери в магнитопроводе; Робмоток – активные потери в обмотках; Рст - мощность статических потерь транзистора; Рдин динамические потери мощности транзистора; m1, m2 – число фаз первичной и вторичной обмотки соответственно; I1, I2 – фазный ток первичной и вторичной обмотки; rк - сопротивление короткого замыкания, r1 r2 – активные сопротивления фазы первичной и вторичной обмоток; Usat – прямое падение напряжения; Isw – ток транзистора; fs – частота преобразования; Etot – суммарная энергия переключения; С22 – выходная мкость транзистора;
V0 – уровень напряжения питания; Qrr – заряд антипараллельного диода.
Для повышения установленной мощности АИ и соответственно, включения на параллельную работу разработана функциональная схема синхронизации работы АИ, выполненная на базе предложенной конструкции ТВМП.
ГПН ФСУ
Рисунок 2 – Функциональная электрическая схема АИ на ТВМП W21 W22 W В третьей главе произведн расчт основных параметров АИ на ТВМП, определено значение параметров элементов Г-образного LC-фильтра для подавления третьей гармоники. Катушку дросселя возможно конструктивно объединить со вторичной обмоткой трансформатора с вращающимся полем.Расчт основных параметров АИ позволил получить ряд зависимостей, основные из которых показаны на рисунках 4 и 5.
На основании схемы замещения ТВМП и с учтом магнитных связей было составлено математическое описание (2) которое определяет показатели качества электроэнергии на выходе АИ и произвести анализ электромагнитных свойств.
Рисунок 4 – Зависимость КПД от Рисунок 5 – Зависимость удельной мощмощности ТВМП ности ТВМП от мощности автономного Для дальнейшего анализа физических процессов (величины тока и напряжения, длительности переходных процессов) был осуществлн переход к компьютерной модели, имеющей параметры аналогичные физической, выполненой с использованием программы LTspice (рисунок 6).
где i1, i2 – токи первичных обмоток W1 и W2, соответственно; iA, iB, iC – токи вторичных обмоток W21, W22, W23, соответственно; R1, R2, RА, RВ, RС – активные сопротивления обмоток W1, W2, W21, W22, W23 соответственно; L1, L2, LА, LВ, LС – реактивные сопротивления обмоток W1, W2, W21, W22, W23 соответственно; RAH, RBH, RCH – активные сопротивления нагрузки; LAH, LBH, LCH – реактивные сопротивления нагрузки; М1 – взаимоиндуктивность между катушками W1 и W2; М2 – взаимоиндуктивность между катушками W1 и W21; М3 – взаимоиндуктивность между катушками W1 и W22; М4 – взаимоиндуктивность между катушками W1 и W23; М5 – взаимоиндуктивность между катушками W2 и W21; М6 – взаимоиндуктивность между катушками W2 и W22; М7 – взаимоиндуктивность между катушками W2 и W23; М8 – взаимоиндуктивность между катушками W21 и W22; М9 – взаимоиндуктивность между катушками W22 и W23; М10 – взаимоиндуктивность между катушками W21 и W23.
Компьютерная модель содержит основные функциональные блоки:
источник постоянного тока (создающий разнополярный сигнал имитирующий работу транзисторных ключей); первичная обмотка; вторичная обмотка, выходной фильтр; активно-индуктивная нагрузка. Компьютерная модель (рисунок 6) позволяет исследовать работу АИ в основных режимах работы.
В результате компьютерного моделирования схемы АИ в нормальных и аварийных режимах получены диаграммы токов (рисунок 7) и напряжений на элементах схемы в основных режимах функционирования:
в номинальном режиме и аварийных режимах (перегрузках, обрывах фаз и коротких замыканиях).
Рисунок 6 – Скрин программы LTSpise Рисунок 7 – Диаграммы токов (ток вторичной обмотки ТВМП – зелный; ток в нагрузке - синий) Используя динамические характеристики получены статические зависимости, некоторые из них приведены на рисунках 8 - 9. Анализ которых позволил разработать рекомендации по проектированию АИ на однофазно-трхфазном ТВМП.
Рисунок 8 – Ток и напряжение фазы А в Рисунок 9 – Нагрузочная характеристика нормальном режиме работы автономного инвертора при различных В четвёртой главе приведены результаты экспериментальных исследований и рассчитаны экономические показатели АИ на ТВМП.
Физическая модель АИ на ТВМП испытывалась в режиме холостого хода и с постепенным увеличением нагрузки до номинальной.
На рисунке 10 показана фотография экспериментальной установки.
Экспериментальные исследования проводились на АИ, мощностью 1 кВт.
При этом, однофазно-трхфазный ТВМП выполнен на базе АД АИР L6. Получены семейства динамических характеристик, с использованием осциллографа марки Tektronix TDS 2024.
Сопоставление результатов компьютерного моделирования и экспериментальных исследований (таблица 1) показало, что относительная погрешность не превышала 8,3%.
1 – ТВМП; 2 – схема управления; 3 – силовые ключи; 4 – источник постоянного тока;
5 – измерительные приборы.
Таблица 1 – Результаты эксперимента (Э) и компьютерного моделирования (ЭВМ)
Э ЭВМ Э ЭВМ Э ЭВМ
Для организации производства по выпуску АИ на ТВМП предложенной конструкции был произведн расчт экономической эффективности, который показал что срок окупаемости проекта составит 2,3 года.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Проведнный анализ эксплуатационно-технических характеристик эксплуатируемых АИ показал, что основными их недостатками являются:низкая наджность работы, небольшой диапазон стабилизации напряжения при несимметричных режимах работы, относительно сложная система управления и защиты, сложная конструкция магнитной системы.
2. Разработана конструкция обмоток однофазно-трхфазного ТВМП и предложены методики, адаптированные для его расчта.
3. Разработана функциональная схема АИ, выполненная на базе ТВМП, особенностью е конструкции является наличие средней точки первичной обмотки. Силовая схема содержит два однофазных инвертора, выполненных на двух транзисторах. Предложенная функциональная схема АИ на ТВМП обеспечивает стабилизацию выходного напряжения в несимметричных режимах работы. Новизна технического решения подтверждена патентами РФ № 2426216, № 4. Разработана компьютерная модель АИ на ТВМП, которая позволила исследовать физические процессы на выходе АИ. Динамические характеристики позволили получить статические зависимости UH = f (cos);
UH = f (IH).
5. Проведены экспериментальные исследования АИ на ТВМП с номинальной мощностью 1 кВт, входное напряжение постоянного тока – В, выходное трхфазное напряжение переменного тока – 220/380 В с частотой 50 Гц. Основные данные статистической обработки результатов показали, что относительная погрешность теоретических и экспериментальных исследований электрических параметров на выходе АИ не превысила 8,3 % и погрешность эксплуатационно-технических параметров менее 5%.
6. Расчт экономической эффективности показал, что капиталовложения в производство составят около 3,5 млн руб., при этом срок окупаемости с учтом выплаты по кредиту на открытие производства составит 2,3 года, ЧДД проекта составит 400 тыс. руб.
Основные положения диссертации опубликованы в монографиях:
Усков А. Е. Статические преобразователи и стабилизаторы автономных систем электроснабжения: монография / О. В. Григораш, Ю. П. Степура, А. Е. Усков. – Краснодар, 2011. – 188 с.
Усков А. Е. Автономные инверторы солнечных электростанций:
монография / А. Е. Усков. – Краснодар: КубГАУ, 2011. – 126 с.
в изданиях, рекомендованных ВАК:
Автоматизированные устройства стабилизации напряжения переменного тока / О. В. Григораш, Ю. Г. Пугачв, А. М. Передистый, А. Е. Усков // Промышленная энергетика. – 2008. – № 5. – С. 17–20.
Возобновляемые источники энергии: термины, определения, достоинства и недостатки / О. В. Григораш, Ю. П. Степура, А. Е. Усков, А. В. Квитко // Труды Кубанского государственного аграрного университета. – Краснодар, 2011. – № 5. – С. 189–192.
Усков А. Е. Выбор оптимальной структуры систем автономного электроснабжения / О. В. Григораш, С. А. Симоненко, А. Е. Усков // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2007. – № 8. – С. 31–33.
В. В. Энговатова // Труды Кубанского государственного аграрного университета. – 2011. – № 3. – С. 248–252.
Усков А. Е. Универсальные статические преобразователи электроэнергии / О. В. Григораш, А. В. Бутенко, А. Е. Усков // Труды Кубанского государственного аграрного университета. – 2008. – № 1. – С. 55–57.
«