ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОВОКУПНОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ С УЧЕТОМ НАСЫЩЕНИЯ ПРИ ПРЕДСТАВЛЕНИИ ОБМОТКИ ВОЗБУЖДЕНИЯ МНОГОКОНТУРНОЙ ЦЕПЬЮ

Авторы: А. Ларин, И. Ларина 

            Перевод: Е.В. Сытник    

Источник: The Advanced Science Journal - Multi-Disciplinary Open Access Journal - United States, China, European Union

Аннотация 

Изложены основные положения метода экспериментального определения параметров эквивалентных схем замещения синхронных машин с учетом влияния насыщения магнитных цепей, в которых обмотка возбуждения представлена многоконтурной цепью. Метод основан на данных одновременной регистрации токов в обмотках статора и возбуждения при внезапных трехфазных коротких замыканиях на выводах электрической машины. Приводятся результаты исследований для промышленного турбогенератора ТВВ-160. 

Введение 

Повышение точности исследования переходных процессов в мощных турбогенераторах может быть достигнуто только в том случае, если их математические модели будут с достаточной полнотой отражать реальные электромагнитные связи между контурами, а также учитывать сложные явления магнитного насыщения и вытеснения тока в обмотках и массивных конструктивных элементах ротора. 

Одна из областей теории электрических машин (ЭМ) – исследование процессов в различных режимах работы – основывается на использовании схем замещения, отражающих связь между токами и потокосцеплениями в магнитносвязанных контурах машины [1-4]. Такой подход обеспечивает необходимую достоверность расчетов только при достаточно точном определении параметров схем замещения электрической машины. Наиболее универсальным является расчетное определение параметров схем замещения, основанное на теории электромагнитного поля. Однако, с одной стороны, определение параметров таких схем замещения в условиях эксплуатации электрических машин крайне затруднительно, а с другой - получаемые в этом случае точные схемы замещения имеют достаточно сложные структуры и неудобны для моделирования переходных процессов во времени. Вместе с тем имеется широкий круг задач, когда достаточно только точно определить распределения токов в контуре обмотки возбуждения и эквивалентно в конструктивных элементах ротора, отражающих демпфирующие свойства. Использование общепринятых многоконтурных схем замещения, предполагающих равенство взаимоиндукции между всеми контурами, синхронной машины (СМ) (рис.1) обеспечивает достаточно высокий уровень точности при исследовании переходных процессов в обмотке статора, но не исключает существенных погрешностей при определении тока в обмотке возбуждения СМ. Это свидетельствует о неправильном отображении свойств обмотки возбуждения (ОВ) при ее представлении в схемах замещения одним контуром. 

Поэтому целесообразна постановка задачи структурной детализации ротора при синтезе схем замещения путем выделения ветви ОВ, представленной в виде ряда параллельно включенных контуров с постоянными, независящими от частоты параметрами. При этом, для исследования переходных режимов турбогенераторов по дифференциальным уравнениям важно установить характер зависимостей параметров электрической машины от насыщения магнитных цепей по путям основного магнитного потока и потоков рассеяния. 

Цель исследования 

Разработка метода экспериментального определения параметров роторных контуров турбогенераторов в эквивалентных схемах замещения различных структур, в которых обмотка возбуждения представлена многоконтурной цепью, а также установление аналитических зависимостей параметров таких схем замещения в функции начального значения периодической составляющей тока внезапного трехфазного короткого замыкания. 

Материалы и методы 

Метод экспериментального определения параметров эквивалентных схем замещения при представлении обмотки возбуждения многоконтурной цепью основан на данных опытов внезапного трехфазного короткого замыкания. Процедура анализа токов при таком виде экспериментов регламентируется рекомендациями международной электротехнической комиссии (IES 34-4) [5], а также действующим в странах СНГ отраслевым стандартом на испытания синхронных машин [6]. Для уточненного выделения обмотки возбуждения предлагается использование частотной характеристики комплексного коэффициента распределения продольной составляющей тока статора в ветви обмотки возбуждения Cf (js). 

Такой подход при определении ненасыщенных значений параметров рассматривался в [7,8]. В соответствии с [5] указанная характеристика определяется по данным обработки токов статора и ротора в опыте внезапного трехфазного короткого замыкания на выводах синхронного генератора, работающего на холостом ходу, следующим образом: 

(1)

          В (1) частотная характеристика проводимости со стороны обмотки статора по продольной оси ротора  определяется по параметрам экспоненциальных составляющих, аппроксимирующих периодическую слагаемую тока статора, в соответствии с рекомендациями ГОСТ 10169-77. Частотная характеристика проводимости ветви ОВГ рассчитывается по параметрам экспонент, аппроксимирующих апериодическую составляющую тока в обмотке возбуждения: 

(2)

             По значениям частотной характеристики может быть синтезирована любая из приведенных эквивалентных схем замещения. Применяемые для этого методы основаны на условии адекватности только исходной характеристики и характеристики, рассчитываемой по параметрам схемы замещения, т.е .

В этом случае обмотка возбуждения при представлении ее одним контуром, в большинстве случаев отражается неверно. Для более точного определения параметров схем замещения, учитывающих влияние ОВГ, необходимо, чтобы в них характеристика также соответствовала исходной, полученной в опыте трехфазного короткого замыкания.
   
            Следовательно, зная комплексные значения проводимости   и коэффициента токораспределения Cf (js), можно определить необходимую зависимость от частоты результируещей проводимости ОВГ. Выполним это следующим образом:

(3)

           Такому действию соответствует эквивалентная схема замещения с вынесенной на зажимы источника ветвью намагничивания (Г – образная схема), приведенная на рис. 2. Представим ветвь обмотки возбуждения в виде ряда параллельно включенных активно-индуктивных цепочек. Тогда результирующая проводимость, найденна по (3) может быть рассчитана по параметрам схемы замещения следующим образом:

(4)

       Таким образом, зная резульрующую проводимость ветви ОВГ  можно определить параметры отдельных контуров. Для этого можно использовать известные алгоритмы, а также процедуры минимизации универсальных прикладных пакетов для ПЭВМ. Результирующая проводимость контуров, эквивалентирующих демпферную систему , в соответствии с рис. 2 определяется следующим соотношением:

(5)

            Представляя демпферную систему как и ОВГ многоконтурной цепью, можно получить параметры отдельных ее контуров на основании равенства

(6) 

Схема замещения вида, приведенного на рис.4, удобна при использовании частотного метода расчета для аналитического описания электромагнитных переходных процессов. Она может быть также использована и при исследованиах, основанных на решении полных дифференциальных уравнений Парка-Горева. 

Для синтеза параметров схемы замещения, Т – образного вида, (рис. 1), при представлении ОВГ многоконтурной цепью результирующая проводимость должна определяться с учетом известного индуктивного сопротивления рассеяния обмотки статора: