Желанова ЕВ Определение параметров схем замещения Автореферат

Автобиография | БИБЛИОТЕКА | Отчет о поиске в сети Internet | ССЫЛКИ | Индивидуальное задание

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Электротехнический факультет

Кафедра "Электрические системы"

Желанова Е.В.

Автореферат выпускной работы магистра

Тема: "Разработка метода экспериментального определения параметров схем замещения турбогенераторов с учетом насыщения"

научный руководитель: к.т.н., доц. Ларин А.М.

     Машина переменного тока является довольно сложной системой с совокупностью электрических и магнитных полей. Явление вытеснения тока, сложное распределение магнитных полей в пазах статора и ротора, в воздушном зазоре, которые меняются во времени при вращении машины, все это значительно затрудняет создание точного математического представления электромагнитного поля в машине.
     На практике в большинстве случаев используют упрощенную картину магнитных и электрических полей в машине, лишь приблизительно учитывая влияние насыщения, вытеснение тока и т.д. Это позволяет определять поведение машин в переходных режимах, однако при условии, что должным образом вычислены или измерены электромагнитные параметры машины.
     Под электромагнитными параметрами СМ в данном случае понимается совокупность активных и индуктивных сопротивлений обмоток и эквивалентных контуров машины в форме ЧХ, которые отражают сложные явления вытеснения тока в активных материалах машины и влияние насыщения ее магнитных цепей. Определение ЧХ путем определения соответствующих опытов предусмотрено в государственных стандартах, а также в рекомендациях Международной электротехнической комиссии.

Актуальность. Частотная характеристика проводимости со стороны обмотки статора СМ представляет собой зависимость установившегося тока статора от частоты (или скольжения) тока в роторе при неизменной амплитуде питающего напряжения 1 ⁄ X(js).

ЧХ СМ отображают совокупность сложных взаимосвязей элементов генераторов, явление вытеснения тока в активных материалах машины, влияние насыщения ее магнитных цепей и т.д. Используя точную ЧХ можно с помощью графоаналитического способа рассчитать переходные процессы в машинах. Преимуществами этого способа являются: простота, точность, отсутствие необходимости решать дифференциальные уравнения. Последнее достоинство весьма существенно, поскольку уравнения Парка-Горева хотя и являются мощным математическим аппаратом, но все же в виду их сложности, решение связано с определенными затруднениями. Применение графоаналитического способа значительно расширилось по мере распространения ЭВМ, которые облегчили обработку данных. При моделировании на ЭВМ могут быть использованы ЧХ, которые отображают процессы в широком диапазоне изменения параметров, что позволяет достаточно точно учесть все особенности машины, как при электромагнитных, так и при электромеханических процессах. Таким образом, точная экспериментальная ЧХ машины позволяет получить достоверную оценку режимов работы машины в условиях ее эксплуатации. Точный способ экспериментального определения ЧХ также важен, поскольку позволяет уточнить расчетные методики определения ЧХ.

Обзор существующих исследований и разработок. Процедура нахождения значений параметров синхронных машин (СМ) из опытов внезапного короткого замыкания (ВКЗ) регламентирована рекомендациями международной электротехнической комиссии [1] и действующим в Украине и странах СНГ ГОСТ 10169-77 [2]. Однако найденные по стандартной методике из опытов ВКЗ значения электромагнитных параметров имеют существенный разброс даже при обработке исходных данных с помощью ЭВМ. Вопросам точности экспериментального определения параметров из опытов ВКЗ посвящено достаточное количество работ [6, 7]. В качестве причин разброса выявлено влияние допущений, связанных с пренебрежением медленным вращением апериодической составляющей и неучетом второй гармоники тока ВКЗ. Сформулированы предложения по уточнению стандартной методики путем контроля точности проведения экспериментов и определения параметров отдельно по значениям токов в каждой фазе. Во всех рассматриваемых случаях предполагается, что СМ кроме обмотки возбуждения (ОВ) имеет только по одному демпферному контуру по каждой оси несимметрии ротора.
При этом не оценивается влияние параметров СМ по поперечной оси на токи в фазах при ВКЗ. Как показано в [3], такое влияние всегда имеет место даже при КЗ из режима холостого хода (ХХ). Это обусловлено влиянием активных сопротивлений роторных контуров.

Целью данной магистерской работы является усовершенствование методики определения ЧХ из опытов ВКЗ на выводах СМ.

     Научная новизна.Состоит в том, что в контексте дальнейшего развития теории связи ЧХ с переходными процессами предлагается ряд уточнений, которые позволяют повысить точность определения совокупности электромагнитных параметров СМ, поскольку учитываются следующие аспекты:

   а) отличия постоянных времени для отдельных составляющих периодического тока статора в соответствии со схемой замещения Г-образного вида;

   б) влияние параметров по поперечной оси ротора q на периодическую составляющую переходного тока статора при КЗ;

   в) определение тока в обмотке возбуждения СМ с учетом насыщения.

     Практическая ценность работы.

   1) Предложен метод обработки исходных данных, которые получаются из опытов ВКЗ машин переменного тока, позволяющий уточнить электромагнитные параметры электрических машин.

   2) Полученные в ходе выполнения работы результаты позволят при проведении дальнейших исследований обосновать необходимость внесения изменений в ГОСТ 10169-77.

Математическая модель синхронной машины для расчета трехфазных коротких замыканий с учетом многоконтурности и электромагнитной несимметрии ротора.

     Апробация работы.

   По данной работе имеются публикации в сборниках:

   1. Электротехнические и электромеханические системы: Материалы Всеукраинской студенческой научно-технической конференции г. Севастополь, 11-14 апреля 2005г. — Севастополь: Издательство СевНТУ, 2005. — 76 с.

   2. Третя всеукраїнскька науково-технічна конференція молодих вчених і спеціалістів, Тези наукових доповідей. — Кременчук: КДПУ, 2005. — 128 с.

Определение составляющих тока в обмотках статора

     Алгоритм расчета токов в обмотках статора основан на непосредственном определении изображающего вектора тока и последующим получением фазных токов.
     Известными являются: частотные характеристики Y_d(js) и Y_q(js), начальный угол δ₀ между поперечной осью ротора и вектором напряжения сети, угол γ₀между вектором напряжения и осью фазы А обмотки статора, сопротивление обмотки статора постоянному току R_s0.
     Расчет ведется для отдельных составляющих изображающего вектора тока статора I_s в такой последовательности:
     Определяется установившееся значение тока с учетом различия параметров по осям d и q ротора

,
где

Определяется апериодическая составляющая и периодический ток частоты близкой к двойной

,
где

Собственная частота вращения апериодического тока ω_c и постоянная времени его затухания определяются по значению среднего комплекса проводимости Y_cp(js) для скольжения S=1.

Начальное значение переходного периодического тока синхронной частоты I_s2 рассчитывается из условия

В общем случае начальное значение вектора тока I_s2(t)_t=0 не совпадает с продольной осью ротора (даже при КЗ из режима холостого хода), что соответствует возникновению апериодических токов в контурах ротора по обеим осям его магнитной симметрии. Следовательно, закон изменения периодического затухающего тока во времени будет таким:

.
где I_{s2 dk}, T_dk, I_{s2 qk}, T_qk — начальные значения и постоянные времени экспоненциальных составляющих, аппроксимирующих огибающие периодических токов по продольной и поперечной осям соответственно; N — количество контуров на роторе по продольной оси; M — количество контуров на роторе по поперечной оси.
Значения параметров указанных периодических составляющих тока I_s2 в условиях дискретного задания частотных характеристик целесообразно рассчитывать с использованием эквивалентных схем замещения, приведенных на рис.2 Параллельные цепочки таких схем не замещают реальные обмотки на роторе, а только характеризуют их эквивалентное влияние. Параметры таких схем замещения с вынесенной ветвью намагничивания позволяют непосредственно определять начальные значения и постоянные времени затухания составляющих переходного тока статора по продольной и поперечной осям магнитной симметрии ротора. Синтез таких схем замещения может быть выполнен по известным методикам при принятии условия, что X_σ=0, X_ad(q)=X_d(q) . В этом случае в отличие от синтеза схемы замещения общепринятого типа, приведенной на рис.1, исключается необходимость в знании индуктивных сопротивлений рассеяния статора и ротора, которые, чаще всего определяются со значительными погрешностям.

.
При совпадении вектора тока I_s2(t)_t=0 с продольной или поперечной осью ротора его затухание будет определяться только параметрами соответствующей схемы замещения:

.
В общем случае начальные значения продольных и поперечных составляющих тока I_s2 должны пересчитываться пропорционально проекциям полного вектора указанного тока на продольную (I_s2d) и поперечную (I_s2q) оси ротора.

.
где φ - аргумент вектора тока I_s2(t)_t=0 (угол между вектором тока и осью действительных чисел комплексной плоскости).

.
Полный вектор изображающего тока статора представляет собой векторную сумму отдельных составляющих:

.
где U — напряжение на выводах статора в момент КЗ или напряжение сети в опыте включения невозбужденного синхронно вращающегося генератора в сеть.
Мгновенные значения фазных токов определяются как проекции изображающего вектора на неподвижные оси времени соответствующих фаз:

.
где α(t) — аргумент полного изображающего вектора тока статора, зависящий от времени.
При расчете переходного процесса при включении невозбужденной машины, вращающейся со скольжением s=0, в сеть знаки токов в должны быть изменены на противоположные.

Определение тока в обмотке возбуждения

Определение апериодического тока в обмотке возбуждения целесообразно производить по такой же методике, что и расчет токов в обмотках статора. Необходимо иметь для этого частотную характеристику для операторного коэффициента распределения тока статора в ветви обмотки возбуждения C_f(js). Тогда частотная характеристика тока в обмотке возбуждения будет определяться в соответствии с выражением:

.
Характеристика C_f(js) может быть получена непосредственными измерениями при питании обмотки возбуждения токами разной частоты, а также по данным опытов затухания постоянного тока в обмотке статора неподвижной СМ, ударного возбуждения или гашения электромагнитного поля при короткозамкнутом статоре синхронно вращающейся СМ, внезапного трехфазного КЗ. В каждом из перечисленных опытов необходимо регистрировать токи в обмотках статора и ОВ. После перехода в частотную область получим:

.
Переход из частотной области во временную при дискретно заданных частотных характеристиках удобно осуществить также как и для обмотки статора путем предварительного синтеза по частотной характеристике i_f(js) эквивалентной схемы замещения, подобной изображенной на рис.1. В случае наличия на роторе успокоительных контуров некоторые параметры полученной схемы замещения могут иметь отрицательные значения, что физически означает наличие в апериодическом токе ОВ отрицательных составляющих.
Изменение апериодического тока ОВ во времени будет подчинено следующему закону

.
   где x_fk(js), r_fk(js) — индуктивное и активное сопротивление k-го контура синтезированной схемы замещения; N — количество контуров.
     Следует отметить, что теоретически количество контуров в схемах замещения, соответствующих частотным характеристикам i_f(js) и Y_d(js) должно быть равным. При этом их соответствующие постоянные времени также будут одинаковыми. Поэтому в опытах определения C_f(js) по переходным функциям токов в обмотках статора и ротора аппроксимацию их необходимо производить одинаковым числом экспоненциальных составляющих, имеющих одинаковые постоянные времени.
     Начальное значение периодической составляющей тока в ОВ определяется из условия:

.
Поскольку причиной возникновения периодического тока в ОВ является апериодический ток статора, то закон его изменения будет таким:

.
Для полного тока в цепи обмотки возбуждения имеем:

. где i_f0 — значение установившегося тока возбуждения в исходном, предшествующем короткому замыканию, режиме.

Рисунок 3 (анимированный) — Определение начальных значений переходных токов статора

ВЫВОДЫ

     Во время выполнения работы было произведено уточнение методики определения совокупности электромагнитных параметров электрических машин переменного тока по данным опытам внезапного трехфазного короткого замыкания

     В результате разрешены следующие задачи:

     1. Проанализирована и усовершенствована методика определения совокупности активных и индуктивных сопротивлений обмоток и эквивалентных контуров машины в виде частотных характеристик из опытов ВКЗ.

     2. Исследовано влияние параметров машины по поперечной оси ротора q на периодическую составляющую переходного тока статора из режима холостого хода, что физически связано с наличием апериодической составляющей тока.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

     1. International Electrotechnical Commission (IEC) Standard. Rotating Electrical Machines. Part 4: Methods for determining synchronous machines quantities from tests. Publication 34-4. Geneva, 1985. — 175 p.
     2. Машины электрические синхронные трехфазные. Методы испытания. ГОСТ 10169-77. М.:Госкомстандарт СМ СССР, 1977.
     3. Казовский Е.Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока. — М.: Изд-во АН СССР, 1962. — 624 с.
     4. Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин. Л.Энергоатомиздат, 1984.
     5. Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин. Л.Энергоатомиздат, 1984. C. 314-325.
     6. Харченко В.А. О разбросе значений параметров синхронной машины, находимых из опыта внезапного короткого замыкания. // Изв. РАН. Энергетика. 1996. №2. С. 127-137.
     7. Харченко В.А. Еще раз о разбросе значений параметров синхронной машины, находимых из опыта внезапного короткого замыкания. // Изв. РАН. Энергетика. 1999. №1. С. 142-151
     8. Ларин А.М., Рогозин Г.Г. Синтез параметров эквивалентной схемы замещения массивного ротора турбогенератора градиентным методом. / Электричество, 1976, № 11. С.10-13.

Автобиография | БИБЛИОТЕКА | Отчет о поиске в сети Internet | ССЫЛКИ | Индивидуальное задание

ДонНТУ | Магистры ДонНТУ