Кудрявцев Андрій Михайлович

Факультет: Електротехнічний

Кафедра: Електричні системи

Спеціальність: Електричні системи і мережі

Тема випускної роботи: Моделі елементів електричних схем на основі повної подібності

Науковий керівник: Ковязін В. О.

Вступ

        Всі електротехнічні і радіотехнічні пристрої є електромагнітними пристроями, головні процеси в яких підкоряються загальним законам електромагнетизму. У будь-якому електромагнітному пристрої відбувається рух електричних зарядів, неразривно пов'язаний з тим, що змінюється в часі і просторі електромагнітним полем, двома сторонами якого є електричне і магнітне поля.Електромагнітні процеси супроводяться взаємним перетворенням електромагнітної енергії в інші види енергії. Точний аналіз цих процесів, описуваних системами рівнянь в частних похідних (рівняннями Максвелла) - завдання, важко вирішуване навіть в простих випадках. Але для інженерних розрахунків і проектування пристроїв необхідний кількісний аналіз.Тому виникає потреба в наближених методах аналізу, що дозволяють з достатньою мірою точності вирішувати широкий круг завдань. Такі методи дає теорія електричних ланцюгів, яка для характеристики електромагнітних процесів замість векторних величин теорії поля, залежних від просторових координат і часу, вводить інтегральні скалярні величини - струм і напруга, що є функціями часу.Сполучаючи між собою відповідним чином ці ідеальні елементи, отримують електричний ланцюг, що приблизно відображує електромагнітні процеси в якому-небудь пристрої по відношенню до виводів, що цікавлять.

Мета задачі

        Метою роботи є створення програмного продукту з назвою PowerNet, що містить повні математичні моделі елементів електричних ланцюгів і що дозволяє моделювати стаціонарні і перехідні режими електричних систем в діалоговому режимі.

Актуальність

        Актуальність теми. В даний час існує безліч математичних моделей електричних систем і їх програмних реалізацій, призначених для розрахунку як стаціонарних, так і перехідних режимів. Проте в них, як правило, відсутній зручний для користувача інтерфейс.Зокрема, це може бути або жорстко зашита в програму схема, недоступная для зміни користувачем, або введення схеми в таблиці шляхом вказівки номерів початків і кінців об'єктів. Ці недоліки значно утрудняють розрахунок схем при необхідності зміни їх структури. Тому актуальним є створення програм, що дозволяють виробляти введення схеми і моделювання перехідних процесів в діалоговому режимі під управлінням сучасних операційних систем.

Наукова новизна

        На початку ознайомлення з темою роботи я виробляв аналіз наявних розробок. Аналіз розробок вироблявся шляхом пошуку подібних матеріалів, статей, моделей як в середовищі Internet, так і в друкарських і періодичних виданнях. Після пошуку був зроблений вивід, що розробка даної проблеми актуальна. Всі розрахунки, вироблялися давно, крім того, через відсутність точної техніки, були створені нормативні характеристики, які мали великий запас.У даній роботі передбачається використовувати комп'ютерних методів розрахунку, які відрізняються чисельною точністю. Крім того, в розробці, передбачається використовувати складніші методи розрахунку.

Власні результати

        Результати роботи можна представити у вигляді малюнка. При цьому на малюнку вказуються як кінцевий результат роботи, так окремі вершини виконання роботи.На даному малюнку під терміном «модель генератора, трансформатора і ін.» мається на увазі складання повних диференціальних рівнянь для вказаних елементів «модель дуги змінного струму» - створення такої моделі, яка відображає процеси в дузі.

Рисунок 1 - Власні результати

        У початковій стадії дослідження дуги змінного струму використовую звичайну RL-ланцюг.(мал. 2) Цей ланцюг комутує комутаційний апарат (КА). При відключенні ланцюга в КА запалюється дуга, яка має опір. Опір дуги в початковому наближенні можна представити у вигляді певної залежності (мал. 3).

Рисунок 2 - Досліджуваний ланцюг

Рисунок 3 - Модель дуги

        У момент відключення ланцюга відбувається кидок струму. Цей кидок струму залежить від кута відключення. З часом струм затухає до 0 з постійною часу, яку визначають параметри R і L ланцюги. При цьому напруга мережі залишається незмінною. Можна також простежити за зміною напругу на вимикачі (КА). Напруга на КА до моменту відключення рівно 0. Після розриву ланцюга напруга на КА починає відновлюватися. Денний тренд (характер зміни навантаження), є основним чинником, що впливає на вибір найбільш відповідної схеми компенсації реактивній потужності. На багатьох підприємствах не все устаткування працює одночасно, багато верстатів задіяно всього декілька годин в день. Тому індивідуальна компенсація стає дуже дорогим рішенням, при великій кількості устаткування і відповідно великому числі встановлюваних конденсаторів. Більшість цих конденсаторів не будуть задіяні довгий період часу. Індивідуальна компенсація найбільш ефективна коли велика частина реактивної потужності генерується невеликим числом навантажень, споживаючих найбільшу потужність досить тривалий період часу. Централізована компенсація застосовується там,Вона включає параметри схем заміщення всіх елементів даної моделі, їх каталожні дані, міру завантаження механізмів, склад працюючого устаткування. Всі параметри задаються у відносних одиницях, приведених до базисних величин одного з елементів (в даному випадку генератора Г1). Також задаються вигляд, місце, тривалість короткого замикання. Вона включає параметри схем заміщення всіх елементів даної моделі, їх каталожні дані, міру завантаження механізмів, склад працюючого устаткування. Всі параметри задаються у відносних одиницях, приведених до базисних величин одного з елементів (в даному випадку генератора Г1). Також задаються вигляд, місце, тривалість короткого замикання. У блоці 3 виробляються підготовчі розрахунки коефіцієнтів загасання і коефіцієнтів, що показують участь кожного з контурів в створенні потокосцепленій. Розрахунок сталого доаварійного режиму відбувається в блоці 4, де визначаються початкові значення всіх змінних. Порядок розрахунку доаварійного режиму описується в розділі . П'ятим блоком починається основний цикл програми. Тут формуються матриці лівих і правих частин рівнянь, необхідні для визначення напруги у вузлах схеми. Рівняння для визначення напруги у вузлах записуються на основі першого закону Кирхгофа для похідних струмів в координатах a,b,c для кожного вузла. У шостому блоці методом квадратного коріння спільно вирішується система рівнянь. Метод квадратного коріння був вибраний завдяки його простоті і швидкодії. У блоці 7 формуються праві частини диференціальних рівнянь, вирішуваних в блоці 8 методом Рунге-Кутта четвертого порядку. Гідність цього методу в тому, що він поєднує простоту з досить високою точністю, є одноступінчатою (аби знайти ym+1 потрібна інформація лише про попередню крапку xm, ym), не вимагає обчислення похідних від функції, а лише самій функції f(x,y), хоча обчислювати цю функцію доводиться кілька разів при різних значеннях x і y. Таким чином відносно об'єму обчислень даний метод не є економічним. У блоках 9,10 уточнюються значення напруги в кожному вузлі схеми, після чого в блоці 11 визначаються нові значення струмів і потокосцепленій з врахуванням їх приростів. Далі відбувається повернення на блок 6 і продовжується розрахунок по основному циклу.

Огляд досліджень і розробок по темі

        Дослідженнями даної проблеми займалися на кафедрі "Електричні системи і мережі" її викладачі - Рогозін г.Г., Пятліна н.Г., Лапшина н.С., студенти - Міроненко і.А., Артемчук д.Г. Різін с.Л., Півнів А. В. і Лозіцкий ю.В. Петуховим А. В. І Лозіцким Ю. В. був запропонований спосіб визначення НВЗ за допомогою індукційного датчика розташованого перпендикулярно торцю валу. Зі всіма матеріалами ви можете ознайомитися перейшовши в розділ "заслання" на моєму сайті. Дослідженнями займається також багато дослідників за межами України, особливо дослідженнями, що стосуються спектрального аналізу складових струму двигуна. Особливу увагу привернули статті наступних авторів: Петухов в.С. к.т.н., член IEEE, Центр электромагнітної безпеки, м. Москва; M'hamed Drif and Antonio J. Marques Cardoso is with the University of Coimbra, Department of Electrical and Computer Engineering; Marian Dumitru Negrea and Pedro Jover Rodriguez is with the Laboratory of Electromechanics - Helsinki University of Technology; A. Stavrou is with the Electricity Authority of Cyprus. Із статтями можна ознайомитися в розділі "бібліотека". Що стосується прикладного вживання технологій спектрального аналізу, то цим займається фірма "A& Alpha consulting". Напрям роботи цієї фірми, це комплекс робіт по аудиту стану і умов роботи електричної і механічної частини електродвигунів і пов'язаних з ними механічних пристроїв на основі обробки результатів моніторингу споживаного струму і прикладеної напруги. Виконання моніторингу струму працюючого двигуна протягом короткого інтервалу часу, і подальший спеціальний спектральний аналіз отриманих даних дозволяє визначити наявність пошкоджень.

Виводи і перспективи дослідження

        На даний момент часу реалізована в програмі PowerNet математична модель ЕС дозволяє розраховувати: вектора значень, що діють, і осцилограми фазних струмів, напруги, потужностей, а також швидкостей обертання і моментів, що описують поведінку електричних машин; симетричні КЗ і комутаційні перенапруження; режими пуску, вибігання і самозапуська електричних машин. Реалізовані моделі: асинхронна машина; синхронна машина; двухобмоточний трансформатор.Елементи схем заміщення: ідеальні джерела, резистор, котушка, конденсатор. Надалі планується впровадження моделей останніх агрегатів електричних станцій і систем.

Список використаної літератури

       
1. Сивокобиленко в.Ф., Меженкова м.А. Математичне моделювання електромеханічних перехідних процесів на електричних станціях. - Електрічеськтво. - 2001. - №4.

2. Сивокобиленко в.Ф., Меженкова м.А. Метод визначення миттєвих значень симетричних складових струмів і напруги в перехідних режимах. - Вісник Нац. унів-ту "Львівська політехніка".- Львів: Львівська політехника. - 2000. - №403. - С.

3. Веников в.А., Теорія подібності і моделювання(стосовно завдань електро енергетики). - М.:Высшая школа1976.

4. Демерчан к.С. Моделювання магнітних полів. - С-П.:Энергия 1974

5. Перехідні процеси в многомашинних системах електропостачання електричних станций:уч. посібник/Сивокобиленко в.Ф. – Донецьк: ДПІ 1984.-116 с.

6. Рощин г.В. Матіматічеськоє моделювання рівнянь електромагнітних перехідних процесів в еллектрічеських машинах змінного струму. - Анссср,енергетіка і транспорт1971,№4.

7. Міжнародний Електротехнічний Стандарт Комісії (МІЖНАРОДНА ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНА КОМІСІЯ). Обертання Електричних Машин. Частина 4: Методи для визначення величин синхронних машин від критеріїв. Видання 34-4. Женева 1985. — 175 p.

8. Стаття на сайті компанії "Вібро-центр" http://www.vibrocenter.ru/tdm.htm