Przekształtnikowe układy wytwarzania energii elektrycznej z silnikiem spalinowym o regulowanej prędkości

• Autorzy: Grzesiak L.
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Autonomiczne zespoły wytwarzania energii elektrycznej prądu stałego i przemiennego z silnikami spalinowymi można oceniać biorąc pod uwagę jakość generowanej energii oraz współczynnik zużycia paliwa na jednostkę wyprodukowanej energii. Osiągnięcie niskiego jednostkowego zużycia paliwa oraz dobrej jakości napięcia wyjściowego wymaga zastosowania urządzeń energoelektronicznych i zaawansowanych algorytmów sterowania. W pracy przedstawiono nowe rozwiązania przekształtnikowych układów wytwarzania energii elektrycznej z silnikiem spalinowym o regulowanej prędkości obrotowej. Zaprezentowano oryginalne konfiguracje zespołów jednoźródłowych z silnikiem spalinowym oraz hybrydowych współpracujących z bateriami akumulatorów z w pełni kontrolowanym w stanach statycznych i dynamicznych przepływem energii. Sformułowano zasady sterowania oraz omówiono algorytmy pozwalające dopasowywać prędkość wirowania do aktualnego obciążenia przy równoczesnym kształtowaniu zadanej trajektorii przemieszczania się punktu pracy silnika spalinowego na płaszczyźnie moment-prędkość. Wprowadzając niezbędne uproszczenia, zaproponowano modele matematyczne poszczególnych bloków systemu, które są wykorzystywane do analizy i badań symulacyjnych układów o różnych konfiguracjach. Analizę pracy zespołów przeprowadzono dla stanów statycznych i dynamicznych. Wykazano, że niezależnie od tego czy wyjście jest stało- czy zmiennonapięciowe jedno- lub trójfazowe, można zawsze wyodrębnić podstawowy moduł systemu z wyjściem DC, który po zastosowaniu proponowanych struktur i algorytmów regulacji zapewni pełną kontrolę przepływu energii niezależnie od rodzaju i liczby dołączanych odbiorników. Zaproponowano wykorzystanie sieci neuronowych do adaptacyjngo kształtowania zadanych charakterystyk prądu generatora. Rozważania teoretyczne poparto wszechstronnymi badaniami komputerowymi. Pokazano prototypowe rozwiązanie zespołu wytwarzającego energię elektryczną z wyjściem przemiennonapięciowym jednofazowym o standardowych parametrach 220 V, 50 Hz i mocy maksymalnej 18 kW. Przedstawiono wyniki badań obrazujące właściwości statyczne i dynamiczne urządzenia napędzanego silnikiem wysokoprężnym.

EN

Island AC and DC electricity generating systems can be evaluated according to power quality and specific fuel consumption. Where the aim is to minimize fuel consumption and to achieve high quality of output voltage, power electronics converters and advanced control algorithm must be applied. In this thesis new generator system configurations with an internal combustion engine operated by adjustable speed are presented. The original configurations of a single primary power source as well as the hybrid system with battery and advanced energy flow control under all conditions are presented. The control algorithms are formulated. The basic strategy of engine speed and torque control, which enable the speed to be adapted to the load power demand, are described. A mathematical model of the system is introduced and next used for the computer testing of the static and dynamic behavior of the topology of different generating systems. It was proved that, independently of a systems configuration (AC or DC and single- or 3-phase output), it is possible to separate a basic module (subsystem), which can adjust to appropriate engine speed and torques to adapt to load power demand. A neural network system is used to form generator current characteristic as a function of engine speed, ambient temperature, and ambient pressure. The prototype hybrid load- adaptive adjustable speed electricity generating system with a max power of 18 kW and standard AC voltage 220 V, 50 Hz is presented. The set of laboratory testing results in steady-state and dynamic condition is given.

Słowa kluczowe

PL

wytwarzanie energii elektrycznej; silniki spalinowe; modele matematyczne; układy jednofazowe

EN

electrical energy

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej
• Czasopismo: Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Elektryka
• Rocznik: 2001
• Tom: z. 115
• Strony: 3--74
• Opis fizyczny: Bibliogr. 53 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Grzesiak L.

• Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej Wydział Elektryczny Politechniki Warszawskiej

Bibliografia

• [1] Beliczyński B.: Przyrostowa aproksymacja funkcji za pomocq sieci neuronowych. Prace Naukowe Elektryka z.112. OWPW, Warszawa 2000.
• [2] Beliczyński B., Grzesiak L. M.: Dynamic models and learning. Application of neural approach to estimation of stator and rotor fluxes in an induction motor. In Engineering Application of Neural Networks, Torun 1999.
• [3] Bose B. K.: Power electronics and variable frequency drives. IEEE Press, New Jork 1997.
• [4] Cowan W. D., Borchers M. L., Eberhard A. A., Morris G. J., Purcel C. D. V.: Remote area power supply. Technical Report 1 and 2, EDRC-DMEA Publication.
• [5] Dmowski A.: Układy zasilające DC dla telekomunikacji. WNT, Warszawa 1999.
• [6] Foellinger 0.: Regelungstechnik. Huethig, Heidelberg 1992.
• [7] Frąckowiak L.: Energoelektroniczne układy hamowania odzyskowego silników spalinowych. Wydawnictwa Politechniki Poznańskiej, Poznań 1997.
• [8] Gieras J. F., Wing M.: Permanent magnet motor technology, design and applications. Marcel Dekker,. Inc., 1997. •
• [9] Grzesiak L., Ponte M. D., Koczara W., Pośpiech P., Niedziałkowski A.: Generator hybrydowy. Biuletyn Urzędu Patentowego, A1(21)334193:66, 2000.
• [10] Grzesiak L. M., Beliczyński B.: Simple neural cascade for estimating of ststor and rotor flux vektor. In 8th European Conference on Power Electronics and Applications, EPE, Lausanne 1999.
• [11] Grzesiak L. M., Koczara W.: Układ elektrowni o regulowanej prędkości. Gospodarka Paliwami i Energiq, (10):20-23, 1999.
• [12] Grzesiak L. M., Koczara W., Ponte M. D.: Hybrid load-adaptive variable-speed generating set - new system topology and control strategy. In Penn Well, editor, Power-Gen International, Orlando, Florida USA, December 9-11 1998.
• [13] Grzesiak L. M., Koczara W., Ponte M. D.: Novel hybrid load-adaptive variablespeed generating system. Vol. 1, p. 271-276, Pretoria 1998.
• [14] Grzesiak L. M., Koczara W., Ponte M. D.: Application of a permanent magnet machine in the novel hygen adjustable-speed load-adaptive elekricity generating system. p. 398-400. International Electric Machines and Drives Conference IBMDC’99, IEEE, Seattle 1999.
• [15] Grzesiak L. M., Koczara W., Ponte M. D.: Load-adaptive variable-speed generating system - behaviour analyse of dynamic. In 8th European Conference on Power Electronics and Applications, EPE’99. EPE, EPFL, Lausanne 1999.
• [16] Grzesiak L. M., Koczara W., Ponte M. D.: The steady state and dynamic analyses of a load-adaptive variable-speed electricity generating system. In U. of Patras, editor, Electromotion’99, p. 1043-1048, Patras 1999.
• [17] Grzesiak L. M., Koczara W., Pospiech P.: Autonomiczne zr6dlo energii elektrycznej prądu przemiennego z regulowaną prędkością prądnicy. III Konferencja - Sterowanie w Energoelektronice i Napędzie Elektrycznym, p. 207-213. Łódź-Arturówek 1997.
• [18] Grzesiak L. M., Koczara W., Pospiech P.: Hybrydowe źródło energii elektrycznej o zmiennej, regulowanej w funkcji obciążenia, prędkości wirowania. Biuletyn Energoelektronika, 2(4):4-7, 1998.
• [19] Grzesiak L. M., Koczara W., Pospiech P.: Step load operation of autonomous power supply with variable speed generator system. Zeszyty naukowe Politechniki Łódzkiej, 92(789):205-210, 1998.
• [20] Grzesiak L. M., Koczara W., Pospiech P., Ponte M. D.: Power quality of the hygen autonomous load-adaptive adjustable speed generating system. In Proceedings Fourteenth Annual Applied Power Electronics Conference APEC’99, Dallas 1999.
• [21] Hatz: Diesel Engine Kataloque, 1996.
• [22] Heier S.: Wind energy conversion systems. John Wiley and Sons, Inc., New York 1998.
• [23] Hert A. K. J., Palmer R.: Wstęp do obliczeń neuronowych. WNT, Warszawa 1993.
• [24] Koczara W.: Kaskadowe układy napędowe z przekształtnikami tyrystorowymi. WNT, Warszawa 1978.
• [25] Koczara W., Grzesiak L.: Autonomiczny układ wytwarzania energii elektrycznej. Przeglqd Elektrotechniczny, (6):157-160, 1999.
• [26] Korbicz J., Obuchowicz A., Uciński D.: Sztuczne sieci neuronowe - podstawy i zastosowania. Akademicka Oficyna Wydawnicza PU, Warszawa 1994.
• [27] Langworthy A. P., Costil J.: Household and homestead power supply systems 240/4000 and 240/8000. In RAPS Workshop Australia 1983.
• [28] Latek W.: Zarys maszyn elektrycznych. WNT, Warszawa 1978.
• [29] Moeltgen G.: Netzgefuerte stromrichter mit thyristoren. Siemens AG Berlin, Munchen 1970.
• [30] Mohan N., Underland T. M., Robin W. P.: Power electronics converters, applications and design. Jon Wiley and Sons, New York 1995.
• [31] Nichols N.: Emergency and standby power systems for industrial and commercial applications. IEEE, New York 1995. •
• [32] Niedziałkowski A.: Wytwarzanie napięcia o stałej częstotliwości i amplitudzie w układzie z generatorem o zmiennej prędkości. Politechnika Warszawska (praca doktorska), 1999.
• [33] Nowacki Z.: Modulowanie szerokości impulsów w napędach przekształtnikowych prqdu przemiennego. PWN, Warszawa 1991.
• [34] Nowak M., Barlik R.: Poradnik inżyniera energoelektronika. WNT, Warszawa 1998.
• [35] Nowak M., Barlik R., Grochal P.: Three-phase line converter with optimazing influence on power system. In 6-Th European Conference on Power Electronics, p. 534-539, EPE, Sevilla 1995.
• [36] Omedi T.: Comparative analysis, parametric optimization and research on three-phase unidirectional and bi-directional PWM Converters. PW (praca doktorska), 1998.
• [37] Osenga M.: Generating power at any speed. Diesel Progress - Engines and Drives, Nowy Jork 1995.
• [38] Osowski S.: Sieci neuronowe w ujęciu algorytmicznym. WNT, Warszawa 1996.
• [39] Paciura K., Haneke G. P., Grzesiak L. M., Koczara W., Ponte M. D.: A battery energy storage system for the hygen electricity generator and power supply system. In IEEE, editor, Africon'99, p. 949-954, IEEE, Cape Town 1999.
• [40] Paciura K., Haneke G. P., Grzesiak L. M., Koczara W., Wortmann W. D., Ponte M. D.: Fuel consumption testing of the hygen variable-speed load-adaptive power generating system. In EPEA'99 Workshop. The South African Institute of Electrical Engineers 1999.
• [41] Perkins: Diesel Engine Kataloque, 1995.
• [42] Plahn P., Koenig D., Miller M.: Generator power system and method. United States Patent No 5563802, 1996.
• [43] Plamitzer A.: Maszyny elektryczne. WNT, Warszawa 1986.
• [44] Ritter E.: Governors for diesel in-Line fuel-injection pumps. Robert Bosch GmbH, Stuttgart 1999.
• [45] Salem A. M.: PWM control techniques for three-phase voltage source converters. PW (praca doktorska), 1998.
• [46] Salem A. M., Kaźmierkowski M. P.: Space vector based current regulation techniques
• for four-leg VS-PWM inverters. In SENE, L6dz 1997.
• [47] Salem A. M., Kazmierkowski M. P.: Control of four-leg PWM-VSI. In International Conference PEMC98, Prague 1998.
• [48] Salem A. M., Kaźmierkowski M. P.: Current regulation of four-leg PWM-VSI. In IEEE-ICON98, Aachen 1998.
• [49] Salem A. M., Kaźmierkowski M. P.: PWM voltage and current control for four-leg VSI. In IEEE-ISIE, Pretoria 1998.
• [50] Szumanowski A.: Fundamentals of hybrid vehicle drives. ITEE, Radom 2000.
• [51] Trzynadlowski A. M.: Modern power electronics. Jihn Wiley and Sons, New York 1998.
• [52] Tonia H., Barlik R.: Teoria przeksztaltników. WPW, Warszawa 1992.
• [53] Tonia H., Winiarski B.: Energoelektronika. WNT, Warszawa 1994.