Швидке заряджання конденсатора ланки постійного струму в автономній системі з векторно керованим асинхронним генератором

Abstract

Для системи векторного керування струмами статора асинхронного генератора з непрямою орієнтацією за вектором потокозчеплення ротора запропоновано алгоритм швидкого заряджання конденсатора в ланці постійного струму. Цей алгоритм забезпечує роботу асинхронного генератора з максимальною вихідною потужністю протягом всього часу заряджання конденсатора в ланці постійного струму. Отримана залежність дозволяє визначити завдання для моментної компоненти струму асинхронного генератора, яка забезпечить мінімальний час заряджання конденсатора в ланці постійного струму не порушуючи фізику роботи асинхронного генератора.

Виконано порівняльне дослідження швидкості заряджання конденсатора в ланці постійного струму у разі використання запропонованого та стандартного алгоритмів. В стандартному алгоритмі заряджання конденсатора в ланці постійного струму здійснюється шляхом відпрацювання заданої траєкторії напруги з обмеженою першою похідною. Дослідження виконано методом математичного моделювання з використанням повної динамічної моделі асинхронного генератора за непрямого векторного керування з пропорційно-інтегральний регулятором напруги. Тестування швидкості заряджання виконано для асинхронної машини потужністю 5.5 кВт з номінальною швидкістю 1430 об/хв на двох швидкостях: синхронній швидкості (150 рад/с) і половині синхронної швидкості (75 рад/с).

Результати дослідження показали, що запропонований алгоритм підтримує оптимальне значення моментної компоненти струму асинхронного генератора під час всього процесу заряджання. Цим він забезпечує роботу асинхронного генератора з максимальною потужністю і дозволяє скоротити час заряджання більше ніж на 30 %, у порівнянні зі стандартним алгоритмом, який використовує фіксовану швидкість наростання напруги в ланці постійного струму.

Слід зазначити, що пікові максимальні значення струмів, які виникають підчас всього процесу заряджання, рівні для обох алгоритмів. Впровадження запропонованого алгоритму в системах керування автономного генератора зменшить час запуску резервних енергетичних систем, який є важливою характеристикою таких систем.

Для системы векторного управления токами статора асинхронного генератора с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора предложен алгоритм быстрой зарядки конденсатора в звене постоянного тока. Этот алгоритм обеспечивает работу асинхронного генератора с максимальной выходной мощностью в течение всего времени зарядки конденсатора в звене постоянного тока. Полученная зависимость позволяет определить задание для моментной компоненты тока асинхронного генератора, которая обеспечит минимальное время зарядки конденсатора в звене постоянного тока, не нарушая физику работы асинхронного генератора.

Выполнено сравнительное исследование скорости зарядки конденсатора в звене постоянного тока при использовании предложенного и стандартного алгоритмов. В стандартном алгоритме процесс зарядки конденсатора в звене постоянного тока осуществляется путем отработки заданной траектории напряжения с ограниченной первой производной. Исследование выполнено методом математического моделирования с использованием полной динамической модели асинхронного генератора при косвенном векторном управлении с пропорционально-интегральным регулятором напряжения. Тестирование скорости зарядки выполнено для асинхронной машины мощностью 5.5 кВт с номинальной скоростью 1430 об/мин на двух скоростях: синхронной скорости (150 рад/с) и половине от синхронной скорости (75 рад/с).

Результаты исследования показали, что предложенный алгоритм поддерживает оптимальное значение моментной компоненты тока асинхронного генератора в течение всего процесса зарядки. Этим он обеспечивает работу асинхронного генератора с максимальной мощностью и позволяет сократить время зарядки более чем на 30 % по сравнению со стандартным алгоритмом, который использует фиксированную скорость нарастания напряжения в звене постоянного тока.

Следует отметить, что пиковые максимальные значения токов, которые возникают в процессе зарядки, равны для обоих алгоритмов. Внедрение предложенного алгоритма в системах управления автономным генератором позволит уменьшить время запуска резервных энергетических систем, которое является важной характеристикой таких систем.

The algorithm of fast charging of a capacitor in the DC link for indirect rotor field-oriented vector control system of the induction generator is presented. This algorithm provides the operation of an induction generator with maximum output power over the entire charge time of the capacitor in the DC link. The obtained dependence allows us to determine the reference for torque component of current in the induction generator, which will provide the minimum charge time of the capacitor in the DC link without breaking the physics of induction generator.

There has been performed a comparative study of charge speed of the capacitor in the DC link with implementation of the proposed algorithm and the standard one. In the standard algorithm, the charge of the capacitor in the DC link is carried out by tracking reference voltage trajectory with limited first derivative.

The research was carried out with the method of mathematical modeling using complete dynamic model of induction generator with proportional-integral voltage regulator based on indirect vector control. Comparative tests of charge speed are performed for induction machine with rated power of 5.5 kW and rated speed of 1430 rpm for two speeds: synchronous speed (150 rad/s) and half synchronous speed (75 rad/s).

The results of the research showed that the proposed algorithm provides optimal value of torque component of induction generator current during the entire charge process. By doing this, it provides the operation of an induction generator with maximum power and allows reducing the charge time by more than 30 % comparatively to the standard algorithm that uses voltage reference trajectory with a constant charge rate of the capacitor in the DC link. It should be noted, that the peak maximum values of currents in both algorithms are equal during the whole process of charge. Implementation of the proposed algorithm in control systems of autonomous generator will reduce the start-up time of backup power systems, which is critical for their operation.