Н.В. Клиначев

Стартер-генератор газотурбинной энергоустановки

Описан образец составления технического задания на разработку автономных инвертеров напряжения (частотных преобразователей) для стартер-генератора газотурбинной энергоустановки на основе синхронной машины с возбуждением от постоянных магнитов, чей паспорт задан. Для подтверждения технических требований представлена совокупность интерактивных моделей.

Ключевые слова: стартер-генератор, газотурбинная энергоустановка, синхронный, векторный, реверсивный, выпрямитель, электропривод, АИН, АВН, СДПМ, PMSM, PMSG, моделирование в Jigrein4WEB.

Существуют разные способы запуска газоперекачивающих турбин. В том числе с помощью электродвигателей. Например, применялись асинхронные машины. Теперь, в связи с развитием силовой преобразовательной электроники, появилась возможность использовать синхронную машину. В процессе технического совершенствования стартер-генераторного агрегата паспортные данные непосредственно электрической машины уже сформированы. И необходимо уточнить требования к силовой электронике.

Стартер-генератор газотурбинной установки – это высокоскоростная синхронная машина с возбуждением от постоянных магнитов. Для запуска турбины стартер должен разогнать ее до 40000 об/мин. за 4 секунды и поддерживать эту частоту вращения. После запуска турбины стартер переходит в режим генератора. Турбина крутит его с максимальной частотой 65000 об/мин. Для запуска используется векторная система управления. Которая, в генераторном режиме, переходит в режим синхронно-векторного выпрямителя. Желательно, чтобы оба режима обслуживал один силовой мост.

Паспорт машины. Технические требования

Рабочие файлы: [Эквивалентный ДПТ]

Паспортные данные имеющегося стартер-генератора приведены в таблице 1. Их анализ, с точки зрения постановки ТЗ на разработку силовой электроники, позволяет выявить два сдерживающих технических параметра. Во-первых, частота токов статора высокая (1100 Гц). Придется формировать ее ШИ-модулятором с высокой (для силовых биполярных транзисторов с затвором) частотой. Производители рекомендуют от 2 до 10 кГц. А в данном случае, по минимуму, требуется 20..30 кГц. Во-вторых, индуктивное сопротивление обмотки статора очень большое. В номинальном режиме падение напряжения на ней будет соизмеримо с величиной противо-ЭДС (1.3 Ом на 100..200 А). Что исключит простые технические решения.

                                                                 Таблица 1
+------------------+---+----+--------+-------+----------+----------------+
|     Тип СДПМ     | m | Zp |   Ke   |   J   | L_ф  R_ф | I_фm  Mн   Pн  |
|                  | Y        В/рад/с  kg*m^2   uH  mOm     A   Nm   kW  |
|    Спец.проект   | 3   1    0.0645   64e-4   190   6    ---  ---  100  |
+------------------+---+----+--------+-------+----------+----------------+
Kt = 1.5 * Ke,   Mн = I_фm * Kt,   omega_н = Pн / Mн,   Eфm = omega_н * Ke

Генераторный режим:     65000 об/мин == 6800 рад/с == 1082 Гц
Стартерный   режим:     40000 об/мин == 4189 рад/с ==  667 Гц
Скорость   разгона:    (10000 об/мин == 1047 рад/с) за секунду

С целью уточнения максимального момента, который может развить данный стартер на заданной частоте вращения, построим семейство естественных механических характеристик синхронного двигателя для разных углов коммутации (см. чертеж 2). Запустите вычислительный процесс. С помощью мыши увеличьте фрагмент механической характеристики вблизи вертикальной оси скорости. Зафиксируйте результат. При угле коммутации равном от -50 до -80 градусов и при частоте вращения 4200 рад/с, машина может создать момент от 24 до 36 Н·м.

Модель для расчета естественной
механической характеристики СДПМ

Стартерный режим. Векторная система управления

Рабочие файлы: [Настройки регуляторов]

Вычислим момент, необходимый для разгона приведенного момента инерции всех вращающихся масс с заданным темпом:

$M = J dω/dt = 0.0064 · 1047 / 1 = 6.7$, Н·м

Ток секций статора, который обеспечит требуемый момент (амплитудное значение):

$I_m = M / K_t = 6.7 / 0.0645 / 1.5 = 70$, А

Ниже на чертеже представлена векторная система управления для стартера. Приведенный момент инерции уменьшен для понижения требований к вычислительным ресурсам (чтобы моделирование не затягивалось). Интегрирующий канал в регуляторе скорости отключен. Пропорциональный коэффициент в регуляторах тока увеличен.

Линейная непрерывная динамическая модель
векторного электропривода на СДПМ

Анализ осциллограмм показывает, что для питания стартера необходимо фазное напряжение с максимальной амплитудой 282 В. Линейное амплитудное – 488 В. Следовательно, при использовании пространственно-векторной модуляции, напряжение dc-шины питания силового моста должно составлять 488 В. Составим паспорт инвертера для питания стартера, см. табл. 2.

                                                    Таблица 2

           Паспорт инвертера для питания стартера

Номинальное напряжение dc-шины                      488 В
Номинальный ток стойки моста (амплитуда)             70 А
Номинальная частота тока инвертера                  670 Гц
Тип управления                                      векторный
Тип модуляции                                       SV-PWM
Период дискретизаци наблюдателя потокосцепления     80 мкс

Согласованный режим работы синхронного генератора и нагрузки подключенной через диодный мост

Рабочие файлы: [ERK11 DERK12 DERK11]

Если подключить к синхронному генератору симметричную нагрузку с активным характером сопротивления, то максимальную мощность можно снять в согласованном режиме работы. Когда внутреннее сопротивление генератора и нагрузки равны (по модулю). В связи с особенностью назначения, в генераторном режиме машина вырабатывает ток высокой частоты. Поэтому её внутреннее сопротивление почти полностью определяется индуктивной составляющей, $X_L = ω·L = 6800·0.00019 = 1.29$ Ом. Такой же должна быть и активная нагрузка – 1.3 Ом. Угол между током и ЭДС генератора составит 45 градусов. Мощность, которую можно снять с генератора, можно рассчитать по формуле:

$P_m = 3 × E_m·0.707 × E_m·0.707 / X_L · 0.707 × \cos(3.14/4) = 3 × E_m·E_m/X_L/4 = 111$, кВт,

где $E_m = K_e·ω = 0.0645·6800 = 439$ В.

Если машина нагружена на диодный мост, то с помощью численного эксперимента можно показать, что снимаемая с машины мощность будет той же величины. Ниже по тексту на чертеже 3 представлена соответствующая модель. Структура модели следующая. Вал генератора крутит идеальный источник угловой скорости. К генератору подключен трехфазный диодный мост, нагрузкой для которого является программируемое активное сопротивление. В зависимости от времени симуляции номинал нагрузки меняется в логарифмическом масштабе. В результате выполняется построение внешней характеристики, осциллограмм напряжения, тока, мощности первичного источника угловой скорости и передаваемой в нагрузку. В иерархических подуровнях чертежа можно ознакомиться с осциллограммами токов фаз, момента, падений напряжения на диодах и на фазах генератора. Осциллограммы мощности выводятся через фильтры скользящего среднего с длинной окна равной периоду частоты тока статора.

Модель к уточнению внешней характеристики синхронного
генератора с трехфазным выпрямительным мостом и генерируемой
мощности в согласованном режиме работы

По причине функционирования синхронного генератора на диодный мост и наличия у секций статора сопротивления индуктивного характера падения напряжения на них существенно несинусоидальные. При этом модель генератора на входе и выходе имеет преобразователи Кларка (преобразователи числа фаз). В результате несинусоидальная трехфазная последовательность напряжений преобразуется к ассиметричной ортогональной системе напряжений в осях alpha-beta и далее – к d-q. Однако движение внешних координат системы генератор-мост-нагрузка адекватное.

Примечание. При уменьшении постоянной времени статора, а так же на пониженной частоте вращения генератора, в данной модели могут наблюдаться колебания в движении координат вызванные особенностью разностной схемы вычисления интеграла по методу трапеций (DERK12). Этот метод используется, поскольку при большом шаге позволяет точно вычислить мощности и оценить потери. Если колебания проявиться, то измените метод интегрирования у двух интеграторов в alpha-beta-модели синхронного генератора на обратный метод Эйлера (DERK11). И, если требуется точная оценка потерь, уменьшите в 10 раз шаг симуляции.

Генераторный режим. Синхронно-векторный выпрямитель

Рабочие файлы: [АВН: θ = arcsin(i)] [ЦСУ 4 DC/DC]

Система управления реверсивного синхронно-векторного (активного) выпрямителя при изменении нагрузки, как в статике, так и в динамике удерживает ток генератора либо в противофазе с ЭДС, либо в фазе. В результате падение напряжения на индуктивном сопротивлении обмотки статора не уменьшает, а увеличивает напряжение генератора (которое, в данном случае, является гипотенузой в треугольнике напряжений). Таким образом синхронно-векторный выпрямитель позволяет снять с генератора активную мощность большей величины.

Цель экспериментов с моделью синхронно-векторного выпрямителя (см. чертёж 4) состоит в том, чтобы за несколько попыток при заданной мощности нагрузки уточнить максимальные ток и напряжение фазы в динамике, пересчитать последнее в минимальное выпрямленное напряжение dc-шины и составить паспорт с параметрами силового моста.

Линейная непрерывная динамическая модель
реверсивного синхронно-векторного выпрямителя с ККМ
(Bidirectional three-phase synchronous rectifier with PFC)

Турбина представлена эквивалентным генератором с внутренним сопротивлением. Частота вращения изменяется в соответствии с некоторой программой. Приведенный момент инерции занижен. Емкость конденсатора фильтра идеализирована. Конденсаторы для силовой электроники с полипропиленовой пленкой имеют существенно меньшую емкость (до 470 мкФ). При уточнении модели конденсатор следует разделить на два (пленочный – 470 мкФ, 4 мОм и электролитический – 4000 мкФ, 0.5 Ом). Динамика будет чуть хуже, но таков компромисс.

Расчетную мощность в генераторном режиме можно достичь при амплитудной величине токов фаз 170 А. При этом максимальное напряжение на секции статора (560 В) возникает в переходном процессе при реверсе энергии, когда поступает команда на понижение напряжения dc-шины. Заряженный конденсатор отдает энергию, генератор переходит в режим двигателя и разгоняет турбину. Синхронно-векторный выпрямитель в своей основе является повышающим преобразователем (boost-converter). Поэтому, при использовании пространственно-векторной модуляции, минимальное напряжение на dc-шине составит 560 · 1.73 = 970 В. Составим паспорт инвертера для синхронно-векторного выпрямителя, см. табл. 3.

                                                Таблица 3

            Паспорт инвертера для генератора

Минимальное напряжение dc-шины                  970 В
Номинальный ток стойки моста (амплитуда)        170 А
Номинальная частота тока инвертера              1100 Гц
Тип управления                                  векторный
Тип модуляции                                   SV-PWM
Максимальный интервал дискретизаци ЦСУ          50 мкс

Можно убедиться в том, что с помощью синхронно-векторного выпрямителя можно снять с синхронного генератора активную мощность большую, чем в согласованном режиме работы на активную нагрузку. Уменьшите номинал активного сопротивления на шине постоянного тока в два раза и увеличьте в два раза уставку для тока статора по оси q. Подправьте параметры трех блоков ограничения сигналов в регуляторах. Приращение для периодического изменения скорости вала турбины сделайте равным нулю. Запустите вычислительный процесс. Проконтролируйте, отсутствие просадки напряжения на шине постоянного тока.

Дискретно-импульсная модель реверсивного синхронно-векторного выпрямителя с ККМ. В качестве генератора используется СДПМ, чей вал крутит нестабилизированный источник угловой скорости (газотурбинная энергоустановка). Недопустимое снижение угловой скорости движителя сопровождается ограничением тока

Выводы

  1. Функционирование стартер-генератора газотурбинной установки может обеспечить один силовой мост. Но, трехкратное различие в мощности – это типовой критерий для создания следующего технического устройства в ряду однотипных. Для принятия решения необходим дополнительный анализ первичного источника и потребителей.
  2. Для изготовления силового моста синхронно-векторного выпрямителя можно выбрать биполярные транзисторы с затвором М2ТКИ-300-12Ч, с рекомендуемой частотой коммутации 15-35 кГц.
  3. При полезной мощности нагрузки синхронно-векторного выпрямителя 100 кВт, полная мощность, которая прокачивается через силовой мост, в статике составляет 111 кВт, в динамике – 147 кВт и более (если не ограничить уставку тока).
  4. Область безопасной работы ультрабыстрых биполярных транзисторов с затвором (М2ТКИ-300-12Ч) будет использована лучше, если для газотурбинной установки с заданными параметрами спроектировать стартер-генератор с меньшей по величине константой противо-ЭДС равной 0.046, В / (рад/с). В результате минимальное напряжение на dc-шине составит не 970, а 800 В (плюс 300 В на колебательный процесс на шинах).

Литература

  1. Как выбрать IGBT модуль / [Руководство пользователя], Rev.: 2016-03-03 // Web-сайт ОАО Электровыпрямитель. – URL: http://www.elvpr.ru/poluprovodnikprib/IGBT_SFRD1/poisk.pdf. Дата обращения: 3.03.2016.
  2. D. Krähenbühl, C Zwyssig, K. Bitterli, M. Imhof and J. W. Kolar. Evaluation of ultra-compact rectifiers for low power, high-speed, permanent-magnet generators. // Industrial Electronics, 2009. IECON '09. 35th Annual Conference of IEEE. – URL: https://www.pes.ee.ethz.ch/ uploads/tx_ethpublications/ kraehenbuehl_IECON09_FINAL_PID968294_01.pdf. Дата обращения: 8.03.2016.
  3. Vilathgamuwa, D. Mahinda & Jayasinghe, S.D. Gamini. Rectifier systems for variable speed wind generation: a review. // In 2012 IEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), IEEE, Hangzhou, China, pp. 1058-1065. – URL: http://eprints.qut.edu.au/74813/. Дата обращения: 8.03.2016.

Приложение. Схема замещения нагрузки для стартера газовой турбины

Электрический стартер, запускающий газотурбинную энергоустановку, преодолевает момент механического сопротивления, который имеет несколько составляющих. Прежде всего, турбина – это устройство которое имеет крыльчатку и прокачивает во время запуска газ / воздух. Момент, который создает такое устройство, пропорционален квадрату скорости. Т.е. в схеме замещения это нелинейное активное сопротивление (на чертеже 6 – программируемый источник момента). Турбина так же является маховиком, в котором можно запасти, а потом использовать кинетическую энергию. В схеме замещения маховик – конденсатор. В стартере, который запускает турбину, так же существуют потери увеличивающие потребление тока от частотного преобразователя. Часть этих потерь непосредственно механические – в подшипниках. Потери в стали можно привести к эквивалентным механическим. В первом приближении, чем больше частота вращения вала, тем больше потери в стали и в подшипниках. Вся эта совокупность потерь, а она создает меньшую нагрузку, чем крыльчатка и маховик, учитывается в схеме замещения активным сопротивлением.

Схема замещения и механическая характеристика вентиляторной
нагрузки. Напряжения эквивалентны скорости. Токи – моментам.
Скорость крыльчатки в квадрате определяет момент

Метод синтеза данных паспорта синхронного генератора оптимизированного по критерию максимальной мощности для движителей с высокой скоростью вращения вала

Рабочие файлы: [DC-bus = L + C] [СД: Угол коммутации]

К решению задачи синтеза данных паспорта синхронного генератора с высокоскоростным приводным движителем можно порекомендовать следующую методику. На первом этапе необходимо выбрать IGBT-транзисторы для силового моста. Существуют 5..6 технологических процессов их производства. Но лишь один допускает сравнительно высокую частоту коммутации не 1..2 кГц, а 15..35 кГц. В результате резко сокращается номенклатура выбора. И сразу можно оценить количество уровней в инверторе, необходимых для достижения заданной мощности энергоустановки, используя такие паспортные данные как $U_{кэ~max}$ и $I_{кэ~max}$.

Выбор IGBT-транзистора по критерию максимального напряжения на коллекторе ($U_{кэ~max}$) имеет особенность. Производитель рекомендует напряжение для dc-шины на 40% ниже. Причина в том, что участки dc-шины, соединяющие стойки моста, имеют паразитную индуктивность, которая накапливает большое количество энергии при коммутации рабочих токов от 100 до 500 А, а снабберные конденсаторы дополняют высокодобротные колебательные контуры.

Векторная диаграмма к синтезу паспорта синхронного генератора оптимизированного по критерию максимальной мощности для движителей с высокой скоростью вращения вала

Рис. 1. Векторная диаграмма к синтезу паспорта СГ
(для линейных амплитудных значений)

На рис. 1 представлены две векторные диаграммы синхронной машины, движение координат которой определяет цифровая система управления реверсивного синхронно-векторного выпрямителя. Первая (справа) соответствует прямому потоку энергии (от турбины к электрической нагрузке). Вторая – обратному (стартерный режим). Таким образом, руководствуясь паспортом транзистора, векторной диаграммой и смирившись (в процентном отношении) с количеством реактивной мощности, которая через стойки моста выпрямителя будет перекачиваться в номинальном режиме из одной секции обмотки статора в другую, можно определиться с номинальным напряжением генератора, ЭДС и величиной падения напряжения на индуктивной составляющей сопротивления статора.

$U_{кэ~max}$ => $U_г$

$U_г$ и $P/S$ => $E$ и $X_s I_г$

Имя рекомендации производителя по току коллектора транзисторов, $I_{кэ~max}$, можно определить ток генератора и активную мощность, передачу которой в нагрузку выдержит мост.

$I_{кэ~max}$ и $E$ => $I_г$ и $P$

Руководствуясь максимальной частотой коммутации IGBT-транзисторов и минимальным количеством выборок на периоде синтезируемой инвертором синусоиды (20 шт.) можно оценить максимальную частоту тока генератора и скорость приводной турбины.

$f_{~PWM~max}$ => $ω$

Зная частоту тока можно вычислить индуктивность обмотки статора.

$ω$ и $X_s I_г$ => $L_s$

Электромагнитная постоянная времени у всех машин не выходит за пределы одной декады. У мощных машин равна 10..20 мс.

$T_я$ и $L_s$ => $R_s$

И последний оцениваемый, но важнейший параметр машины – константа противо-ЭДС.

$E$ и $ω$ => $K_e$

27.02.2016