Katika mitambo huru ya kuzalisha umeme, jenereta sinkroni kadhaa zinapolisha mzigo wa pamoja, jenereta zinahitaji kudumisha si tu volteji na masafa nominella, bali pia kugawana mzigo kwa uthabiti na kuweka mitetemo ya nguvu za kielektromekanika kati yao ndani ya mipaka. Utafiti huu unaunda modeli katika mazingira ya MATLAB/Simulink ya uendeshaji sambamba wa jenereta sinkroni mbili zenye vilima huru vya msisimko kwenye mhimili wa longitudinali d na mhimili wa transversali q, pamoja na viendeshi vyake vya dizeli, vidhibiti vya kasi na volteji, na mzigo wa pamoja wa resistansi na induktansi.

Modeli ya kihisabati ya jenereta imeundwa kwa milinganyo ya diferenshali ya Park–Gorev katika mfumo wa koordinati wa dq unaozunguka pamoja na rota. Badala ya kutumia momenti ya wastani ya kimakanika pekee, modeli ya kiendeshi cha dizeli inajumuisha mkunjo usio wa mstari wa momenti ya kuzungusha ya injini ya mwako wa ndani yenye silinda nne, unaotegemea pembe ya krenkshafti. Modeli pia inaweza kuwakilisha hali zisizo za kawaida za kiendeshi, kama vile silinda moja kuacha kufanya kazi, na nafasi tupu ya kimakanika katika kidhibiti cha kasi.

Kulingana na matokeo ya uigaji wa kompyuta, mzigo kamili ulipowekwa kwa hatua, kasi ya pembe ya jenereta ilipotoka kati ya takribani −%2,2 na +%0,8 na ikakaribia tena kiwango cha rejea katika takribani sekunde 3–3,5. Wakati jenereta mbili ziligawana mzigo karibu kwa usawa katika uendeshaji wa kawaida, mitetemo ya ubadilishanaji wa nguvu tendaji kati yao ilitokea kwa kiwango cha %9,5 ya nguvu ya jenereta. Silinda moja ya kundi la pili la dizeli ilipozimwa, amplitudo ya mtetemo huo iliongezeka hadi %32,2 na mtetemo ukatokea kwa masafa ya takribani 2,47 Hz.

Matokeo haya si jaribio la uwanjani la mtambo halisi au kundi la jenereta za meli; yamepatikana kutoka katika modeli ya kihisabati ya MATLAB/Simulink. Mchango mkuu wa utafiti ni kuunganisha jenereta sinkroni zenye msisimko wa mihimili miwili, momenti isiyo ya mstari ya kiendeshi cha dizeli, vidhibiti vya kasi na volteji, na mzigo wa pamoja katika mazingira moja ya uigaji wa kompyuta yenye vigezo vinavyoweza kubadilishwa.

Maelezo ya kina

Jenereta sinkroni yenye msisimko wa longitudinali na transversali ni nini?

Jenereta sinkroni yenye msisimko wa longitudinali na transversali ni mashine sinkroni yenye njia mbili huru za msisimko kwenye mihimili ya d na q ya rota. Katika jenereta sinkroni ya kawaida yenye msisimko wa mhimili mmoja, udhibiti mkuu hufanywa kupitia kilima cha uga kwenye mhimili wa d; katika muundo wa mihimili miwili, kuwepo kwa kilima cha ziada cha msisimko kwenye mhimili wa q hutoa uhuru wa ziada wa udhibiti ili kusimamia mitetemo ya kielektromagnetiki na kielektromekanika.

Katika utafiti, kilima cha ziada kwenye mhimili wa q kinachukuliwa kuwa kimehamishwa kwa pembe ya kielektriki ya π/2 kutoka kwenye mhimili mkuu wa msisimko. Mbinu kuu ya waandishi ni kutumia msisimko wa mhimili wa d kudumisha volteji ya vituo vya jenereta, na msisimko wa mhimili wa q kupunguza mwendo wa pembe na mitetemo ya kimakanika ya rota.

Kwa nini modeli haikuundwa kwa bloku ya kawaida ya jenereta ya Simulink?

Chanzo kinaeleza kwamba modeli za kawaida za mashine sinkroni za Simscape/Simulink zimeandaliwa hasa kwa mashine za kawaida zenye msisimko wa mhimili mmoja au sumaku za kudumu. Ili kuwakilisha kikamilifu michakato ya kielektromagnetiki ya mashine yenye kilima huru cha msisimko kwenye mhimili wa q, modeli ya kihisabati iliundwa upya kwa bloku za msingi za Simulink.

Ubadilishaji wa Park–Gorev hurahisishaje modeli ya jenereta?

Ubadilishaji wa Park–Gorev huwakilisha vilima vitatu vya awamu vilivyotulia kwenye stator kwa sakiti mbili sawa za umeme kwenye mihimili ya d na q inayozunguka pamoja na rota. Kwa njia hii, uchanganuzi wa kiasi cha awamu tatu kinachotegemea muda unaweza kufanywa kwa milinganyo ya diferenshali iliyopangwa kwa urahisi zaidi katika koordinati za rota.

Dhana kuu zilizotumiwa katika chanzo

• Mashine ina ncha mbili na ina ulinganifu wa kisumaku/kielektriki.
• Kujaa kwa sumaku hakujazingatiwa.
• Uhusiano kati ya MMF na fluksi ya sumaku umechukuliwa kuwa wa mstari.
• Mgawanyo wa uga na MMF umechukuliwa kuwa wa sinusoidali, na harmoniki za juu hazijazingatiwa.
• Mfumo una usawaziko na kijenzi cha sifuri ni sifuri.

Milinganyo ya diferenshali ya Park–Gorev

Chanzo huwakilisha miunganiko ya fluksi ya vilima vya stator, msisimko na dempa kwenye mihimili ya d na q kwa milinganyo ya diferenshali yenye muundo ufuatao:

\[ \frac{d\Psi_d}{dt} = u_d-r_ai_d-\omega\Psi_q \]

\[ \frac{d\Psi_q}{dt} = -u_q-r_ai_q+\omega\Psi_d \]

\[ \frac{d\Psi_{fd}}{dt} = \frac{u_{fd}}{T_{0d}} - \frac{i_{fd}}{T_{0d}} \]

\[ \frac{d\Psi_{fq}}{dt} = \frac{u_{fq}}{T_{0q}} - \frac{i_{fq}}{T_{0q}} \]

\[ \frac{d\Psi_{1d}}{dt} = -\frac{i_{1d}}{T_{1d}}, \qquad \frac{d\Psi_{1q}}{dt} = -\frac{i_{1q}}{T_{1q}} \]

Hapa d na q huonyesha mihimili ya rota, Ψ muunganiko wa fluksi, u volteji, i mkondo, r_a resistansi tendaji ya stator, T₀ thabiti za muda za kilima cha msisimko, na T₁ thabiti za muda za kilima cha dempa.

Chanzo pia huonyesha milinganyo ya diferenshali na milinganyo ya muunganiko wa fluksi katika umbo la matriki:

\[ \left[\frac{d\Psi}{dt}\right] = [u]-[RT][i]+[\omega][\Psi] \]

\[ [\Psi]=[KX][i] \]

Matriki ya mkondo inapoondolewa kutoka katika mlinganyo wa pili, modeli ya umeme huletwa katika umbo:

\[ \left[\frac{d\Psi}{dt}\right] = [u] - \left( [RT][KX]^{-1} - [\omega] \right)[\Psi] \tag{3} \]

hili. Modeli ya jenereta ya Simulink katika Kielelezo 1 cha chanzo imeundwa moja kwa moja kutokana na muundo huu.

Viingilio na matokeo ya bloku ya jenereta ya Simulink

Modeli imeundwa kama chanzo cha mkondo kwa mtazamo wa umeme. Safu ya volteji na masafa ya pembe ya rota huwekwa katika viingilio vyake, huku momenti ya kielektromagnetiki na mikondo sawa ya stator kwenye mihimili ya d na q, i_d na i_q, ikipatikana katika matokeo yake.

Kwa nini momenti isiyo ya mstari ya kuzungusha ya kiendeshi cha dizeli ilijumuishwa katika modeli?

Injini ya mwako wa ndani yenye pistoni haitoi momenti ya kuzungusha iliyo thabiti. Kutokana na shinikizo la silinda, jiometria ya mekanizimu ya krenki na fimbo ya kuunganisha, na nguvu za inersia za sehemu zinazosogea, momenti ya papo hapo ya kuzungusha kwenye krenkshafti hubadilika kwa vipindi kulingana na pembe ya shafti. Kwa kuwa mabadiliko haya yanaweza kuathiri mitetemo ya nguvu za kielektromekanika kati ya jenereta zinazofanya kazi sambamba, utafiti hauwakilishi injini ya dizeli kwa momenti ya wastani ya kuzungusha pekee.

Modeli ya kimakanika ya misa moja

Inersia zote za kuzunguka za injini ya dizeli, rota ya jenereta, shafti na kiunganishi zimeunganishwa katika neno moja la inersia sawa. Usawaziko wa kimakanika unaonyeshwa kwa Mlinganyo 4 kama:

\[ M_{MECH} - M_{EM} - T_J\frac{d\omega}{dt} - M_{BT} = 0 \tag{4} \]

ifuatavyo.

Hapa M_MECH ni momenti ya injini ya dizeli, M_EM ni momenti ya kielektromagnetiki ya jenereta, T_J ni thabiti ya muda ya inersia yote ya kuzunguka, na M_BT ni momenti ya msuguano wa mnato inayowakilisha hasara za kimakanika.

Katika chanzo, msuguano wa mnato huundwa kama:

\[ M_{BT}=B\omega \]

ifuatavyo.

Modeli ya injini ya dizeli yenye silinda 4

Kielelezo 2 cha chanzo kinaonyesha mabadiliko ya momenti ya papo hapo ya kuzungusha ya injini ya dizeli yenye silinda nne katika pembe ya krenkshafti ya 0–4π. Kipindi cha 4π ni mzunguko mmoja kamili wa kufanya kazi wa injini ya mapigo manne, unaojumuisha mizunguko miwili ya krenkshafti.

Katika modeli, mkunjo huu wa momenti ya kuzungusha umehamishiwa kwenye bloku ya Lookup Table, na pembe halisi ya shafti imetumiwa kama ingizo. Kwa hiyo, momenti ya kimakanika ya kuzungusha katika Simulink hubadilika kulingana na nafasi halisi ya injini ndani ya mzunguko wake wa kufanya kazi.

Hitilafu ya silinda huundwaje katika modeli?

Katika Kielelezo 2, mkunjo wa pili wa momenti ya kuzungusha huwakilisha hali ambayo silinda ya kwanza haifanyi kazi. Kupotea kwa mpigo wa nguvu unaohusika husababisha kushuka kunakoonekana wazi katika mkunjo wa momenti ya kuzungusha, na pia hupunguza momenti ya wastani ya kimakanika ya injini.

Baadaye hitilafu hii ilitumika kwa kiendeshi cha DG2 katika modeli ya mtambo wenye jenereta mbili ili kuchunguza jinsi ugawanaji wa nguvu tendaji unavyobadilika.

Mbinu na matokeo ya utafiti

Udhibiti wa msisimko wa mihimili miwili hufanyaje kazi?

Katika utafiti, misisimko ya mihimili ya d na q ya jenereta hudhibitiwa kwa njia mbili huru za udhibiti. Udhibiti wa mhimili wa d hufanya kazi kulingana na mkengeuko wa volteji ya vituo kutoka katika thamani ya rejea, kwa namna inayofanana na udhibiti wa kawaida wa kiotomatiki wa volteji. Udhibiti wa mhimili wa q hulenga kuweka mkengeuko wa pembe ya rota karibu na sifuri.

Katika Kielelezo 4 cha chanzo, njia zote mbili za udhibiti zina vipengele vya PID, Saturation na Transfer Function ya daraja la kwanza. T_d na T_q huwakilisha thabiti za muda za mienendo ya vidhibiti.

Mhimili wa d

Amplitudo ya volteji ya stator hukokotolewa kutoka katika volteji za d na q zinazopatikana kutokana na kiasi cha awamu tatu, kisha hulinganishwa na U_ref. Hitilafu inayopatikana hudhibiti msisimko wa mhimili wa d.

Mhimili wa q

Udhibiti wa mhimili wa q huzalisha kijenzi cha msisimko kinacholeta mkengeuko wa pembe ya rota karibu na sifuri. Lengo la chanzo ni kutoa upunguzaji wa ziada wa mitetemo ya kimakanika kupitia njia hii.

Mipaka ya kidhibiti

Katika chanzo, kigezo cha Saturation cha kidhibiti cha kiotomatiki cha kasi kimewekwa kuwa 2,5. Kwa kidhibiti cha msisimko, mpaka wa juu umeamuliwa usizidi 7 kulingana na uwezo wa mfumo wa msisimko wa jenereta kufanya kazi katika hali ya msisimko ulioimarishwa.

Dizeli-jenereta mbili huundwaje katika modeli zikiwa na mzigo wa pamoja?

Kielelezo 5 cha chanzo kinaonyesha modeli kamili ya mtambo ambamo makundi mawili yanayofanana ya dizeli-jenereta yameunganishwa sambamba kwenye mzigo wa pamoja wa resistansi na induktansi. Kila kundi linajumuisha modeli ya jenereta ya d-q, mfumo wa msisimko wa mihimili miwili, na modeli ya kiendeshi cha dizeli.

Mzigo wa pamoja umeundwa kwa resistansi na induktansi zilizounganishwa mfululizo:

\[ U = R_{load}i + L_{load}\frac{di}{dt} \]

Ubadilishaji wa Park na ubadilishaji wa kinyume wa Park hufanywa kwa bloku za kawaida za Simulink.

Kwa sababu modeli ya jenereta imeundwa kama chanzo cha mkondo, chanzo hakiwezi kuunda moja kwa moja modeli ya hali halisi ya kufanya kazi bila mzigo. Kwa sababu hiyo, mzigo wa mwanzo umechaguliwa kuwa %10 ya nguvu nominella ya mtambo.

Vigezo vya jenereta vilivyotumiwa katika chanzo

Chanzo huonyesha muda wa modeli kwa radiani katika baadhi ya grafu na vigezo. Kwa kuwa masafa ya pembe ya jenereta ni 314 rad/s, katika utafiti 314 rad hulingana na takribani sekunde 1, na 628 rad na takribani sekunde 2. Thamani za “rad” zilizotolewa katika chanzo zinapaswa kutafsiriwa pamoja na msingi huu wa muda wa uigaji wa kompyuta.

Kasi ya pembe ilibadilikaje mzigo kamili ulipowekwa kwa hatua?

Kielelezo 6 kinaonyesha kasi ya pembe ya jenereta katika senario tofauti ya jaribio baada ya kuunganisha mzigo wa %100 wa mtambo katika muda wa 628 rad, yaani takribani sekunde 2.

Mzigo unapoongezeka kwa hatua, kasi ya rota kwanza hushuka kwa kiasi kinachoonekana wazi, kisha huvuka thamani ya rejea kutokana na hatua ya kidhibiti, na baada ya mitetemo inayofifia hurudi kwenye kiwango cha takribani 1 p.u.

Mtetemo wa nguvu kati ya jenereta hubadilikaje silinda moja ya dizeli inapoharibika?

Senario iliyotumiwa kwa Kielelezo 7 ni tofauti na ya Kielelezo 6. Hapa, wakati jenereta mbili zilikuwa zikilisha mzigo wa pamoja, mzigo uliongezwa kwanza, kisha hitilafu ya silinda moja ikawekwa katika injini ya pili ya dizeli.

Ugawanaji wa nguvu katika hali ya kawaida

Jenereta mbili zinazofanana hugawana mzigo wote karibu kwa usawa katika hali ya kawaida. Hata hivyo, nguvu tendaji si thabiti kabisa; ubadilishanaji wa nguvu unaotetemeka hutokea kati ya mashine hizo mbili.

Chanzo kinatoa amplitudo ya mtetemo huu wa ubadilishanaji wa nguvu tendaji katika hali ya kawaida kuwa takribani %9,5 ya nguvu nominella ya jenereta.

Baada ya hitilafu ya silinda

Silinda ya kwanza ya DG2 inapozimwa, kiwango cha wastani na umbo la mzunguko wa momenti ya kiendeshi vyote hubadilika. Kwa sababu hiyo, jenereta zinapogawana upya mzigo, amplitudo ya mitetemo ya ubadilishanaji wa nguvu tendaji huongezeka hadi kiwango cha takribani %32,2.

Masafa ya mtetemo yameripotiwa kuwa takribani:

\[ f \approx 2,47\ \text{Hz} \]

kama ilivyoonyeshwa.

Thamani hii ya %32,2 haimaanishi kwamba %32,2 ya nguvu ya mtambo imepotea. Inawakilisha amplitudo ya mtetemo wa ubadilishanaji wa nguvu tendaji kati ya jenereta.

Waandishi wanapendekeza kuboresha nini katika mfumo wa udhibiti?

Ingawa udhibiti uliopo wa msisimko wa mhimili wa q hujaribu kuweka pembe ya rota karibu na sifuri, imeonekana kwamba mitetemo ya ubadilishanaji haijazimwa kabisa. Chanzo kinapendekeza kwamba katika siku zijazo sheria ya udhibiti wa mhimili wa q iongezwe njia za ziada za mrejesho zinazotumia mtetemo wa ubadilishanaji wa nguvu tendaji na/au mkengeuko wa masafa ya pembe.

Hitimisho linaloungwa mkono na utafiti

Utafiti unaonyesha kwamba kwa bloku za msingi za Simulink inawezekana kuunda modeli ya mtambo huru yenye vigezo vinavyoweza kubadilishwa, inayojumuisha jenereta sinkroni yenye msisimko wa mihimili miwili, kiendeshi kisicho cha mstari cha dizeli, vidhibiti vya kasi na volteji, na mzigo wa pamoja wa RL.

Katika modeli ya chanzo, visumbufu kama mabadiliko ya mzigo na hitilafu ya kiendeshi cha dizeli husababisha michakato ya mpito inayoweza kupimwa katika kasi ya pembe ya jenereta na ugawanaji wa nguvu tendaji. Hususan, kuzingatia mabadiliko ya momenti ya papo hapo ya kuzungusha ya injini ya pistoni huwezesha uchunguzi wa kina zaidi wa mienendo ya mtambo kuliko modeli rahisi zaidi ya kiendeshi inayotegemea momenti ya wastani ya kuzungusha.

Ujumlishaji usioungwa mkono na utafiti

Matokeo ya chanzo si majaribio ya kimwili ya meli halisi au mtambo huru wa nchi kavu. Thamani za %9,5, %32,2 na 2,47 Hz zinahusu vigezo vya modeli na mipangilio ya udhibiti iliyotumiwa.

Utafiti hauonyeshi kwamba msisimko wa mihimili miwili utaleta kiotomatiki ongezeko la uthabiti kwa asilimia fulani katika mitambo yote. Aidha, matumizi ya mafuta, utendaji wa joto, uchakavu halisi wa kimakanika, upotoshaji wa harmoniki, viwango vya hitilafu vinavyoruhusiwa katika utengenezaji, au uaminifu wa uendeshaji uwanjani havijachanganuliwa.

Dokezo kuhusu chanzo na mbinu

Modeli ya umeme ya utafiti inategemea dhana ya mashine sinkroni ya kinadharia yenye ncha mbili, iliyo na usawaziko na isiyofikia kujaa kwa sumaku. Harmoniki za juu na kijenzi cha mfuatano wa sifuri havijajumuishwa katika modeli.

Sehemu ya kimakanika ya dizeli-jenereta imeundwa kama mfumo sawa wa misa moja. Inersia nyingi, modi za msokoto na mienendo ya kiunganishi katika laini halisi ya shafti ya injini-jenereta hazijatatuliwa kwa viwango tofauti vya uhuru wa mwendo; athari zake za jumla zimerahisishwa kuwa vigezo vya T_J, Backlash na msuguano wa mnato.

Kwa kuwa mbinu ya chanzo cha mkondo ya modeli haiwezi kuwakilisha moja kwa moja uendeshaji halisi wa jenereta bila mzigo, mzigo tendaji wa %10 umetumiwa mwanzoni. Kwa hiyo, matokeo ya modeli yanapaswa kutathminiwa kwa kuzingatia sharti hili la mwanzo.

Kielelezo 6 na Kielelezo 7 si jaribio lilelile. Kielelezo 6 kinaonyesha mwitikio wa kasi ya pembe kwa hatua ya mzigo kamili, na Kielelezo 7 kinaonyesha ugawanaji wa nguvu tendaji wakati wa mzigo wa mwanzo wa %10, kuunganishwa kwa mzigo wa 2/3, na kisha hitilafu ya silinda ya DG2.