ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Исследование электрических параметров синхронных машин (СМ) является сложной научно-технической задачей, которая определяется общим направлением развития как электромашиностроения, так и объединенных энергосистем. В настоящее время дополнительные затраты на изменение параметров генераторов соизмеримы с дополнительными затратами в энергетических системах, включая меры по обеспечению устойчивости. В этих условиях нельзя обосновывать выбор параметров мощных генераторов только на показателях их производства или требованиям электрической системы. Задача выбора электромагнитных параметров может быть решен только на основе совместного рассмотрения указанных факторов. Одним из важнейших факторов, определяющих возможности удельного использовании материалов синхронных генераторов, возможности выбора их основных электромагнитных параметров, устойчивую работу в условиях энергетических систем при различных возмущениях, есть переходные процессы.

В настоящее время в мировой практике признано использование для исследований и глубокого изучения поведения СМ в нормальных и ненормальных режимах их математических моделей. Очевидно, что достоверность предопределения поведения СМ в динамических режимах зависит от точности их математического описания, а также от полноты и достоверности информации, в виде электромагнитных параметров, отражающих реальные физические свойства.

Для решения ряда задач при исследовании электромеханических переходных процессов, происходящих при больших изменениях скорости СМ (большие колебания, выпадение из синхронизма, установившийся асинхронный режим, ресинхронизация и др.), упрощенное представление электрической машины дискретными значениями индуктивностей и активных сопротивлений или двухконтурными схемам замещения для правильного учета демпфирующих свойств недостаточно. В этом случае требуется знание совокупности электромагнитных параметров, характеризующих динамические свойства и учитывают сложные конструктивные элементы ротора. Уточнение математической модели СМ может быть достигнуто путем учета явлений вытеснения тока в массиве ротора и обмотке возбуждения, а также насыщения магнитной системы. Это объясняет повышенный интерес специалистов во всем мире к вопросам идентификации и исследования электромагнитных параметров синхронных машин.

1. Актуальность темы

В настоящее время для математического описания синхронных машин (СМ) наибольшее распространение получила система полных дифференциальных или операторных уравнений электромагнитного состояния (уравнение Парка – Горева). Эти уравнения позволяют описывать переходные процессы машин переменного тока с учетом влияния неограниченного числа контуров в роторе. Моделирование переходных процессов предполагает, в этом случае, популярность определенной совокупности активных и индуктивных сопротивлений, отражающих связь между токами и потокосцепления в магнитоповьязаних контурах машины. Такова исходная информация может предоставляться в форме схем замещения физически обоснованной структуры, имеющие разную степень детализации.

Дифференциальные уравнения, записанные относительно изменений потокосцеплений в осях ротора d, q не зависят от структуры принятых для моделирования эквивалентных схем замещения. Токи, используемые в них, определяются из соотношений, связывающих потокосцепления с токами через собственные и взаимные индуктивности соответствующих ветвей схемы

Значение собственных и взаимных сопротивлений, используемых для отображения связи между потокосцепления и токами в магнитоповьязаних контурах, зависят от структуры принятой в качестве математической модели эквивалентной схемы замещения. Итак, для каждой структуры схемы замещения при использовании ПЭВМ требуется составление соответствующей программы расчета. Поэтому актуальной является задача разработки метода преобразования схем замещения различных структур к другу наиболее простому виду, удобному для моделирования динамических режимов.

Связь работы с научными программами, планами, темами.Работа непосредственно связана с научной тематикой кафедры электрических систем ГВУЗ Донецкий национальный технический университет. Исследования, результаты которых приведены в работе, связанные с выполнением научно – исследовательской работы Н – 11 – 08 – Совершенствование средств стабилизации режимов электрических систем.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью работы является разработка метода преобразования сложных эквивалентных схем различных структур от одного вида к другому. Это позволит составить универсальную программу расчета на ЭВМ для исследования различных видов переходных процессов.

Основные задачи исследования:

  1. Разработка метода преобразования сложных эквивалентных схем замещения в виду, наиболее удобному для математического моделирования с дифференциальных уравнений типа уравнений Парка-Горева, адекватно отражающих переходные процессы как в обмотке статора, так и в обмотке возбуждения.
  2. Преобразование сложных эквивалентных схем замещения промышленных турбогенераторов ТГВ – 200М и ТГВ – 300 в наиболее удобной для математического моделирования с дифференциальных уравнений типа уравнений Парка – Горева и с помощью коэффициентов токорозподилу.
  3. Оценка эффективности математического моделирования асинхронных режимов и режимов коротких замыканий турбогенераторов на основе полученных в работе моделей.

Объект исследования: электромеханические переходные процессы в синхронных машинах со стороны обмоток статора и возбуждения. Предмет исследования – превращение сложных схем замещения промышленных турбогенераторов и определение их параметров.

Методы исследования.: Для уточнения математических связей между переходными процессами в СМ и их частотными характеристиками (ЧХ), а также для разработки математических моделей использовались методы, основанные на теории комплексно операторного описания переходных процессов и методы математического анализа, основанные на свойствах преобразования Лапласа и интеграла Фурье. Для определения параметров эквивалентных схем замещения использовались методы теории синтеза линейных электрических цепей. Для оценки достоверности полученных результатов осуществлялось сопоставление результатов расчетов переходных процессов на основе полученных схем замещения с данными опытов

  • Предложен подход к преобразованию сложных эквивалентных схем замещения от одного вида к другому, а также в виду, наиболее удобному для моделирования переходных процессов по дифференциальным уравнениям Парка – Горева, который отличается учетом комплексного коэффициента распределения тока статора в ветви обмотки возбуждения.
  • Полученные математические соотношения для упрощения сложных детализированных эквивалентных схем замещения турбогенераторов типа ТГВ – 200М и ТГВ – 300 к виду, удобному для математического моделирования.
  • Показана эффективность математического моделирования переходных процессов в синхронных машинах на основе сложных схем замещения путем их предварительного преобразования в более простых на основе адекватности частотных характеристик проводимостей со стороны обмотки статора и комплексных коэффициентов распределения тока статора в ветви обмотки возбуждения.

    3.Практическое значение полученных результатов.

    1. Использование предложенного в работе метода преобразования сложных эквивалентных схем замещения к виду, удобному для моделирования, позволит проводить исследования на ПЭВМ различных переходных процессов на основе единой универсальной программе.
    2. Разработан комплекс программ, в среде прикладного пакета MathCAD, что позволяет осуществлять упрощение сложных схем замещения различных структур и выполнять математическое моделирование электромагнитных переходных процессов с дифференциальными уравнениями Парка – Горева. Полученные в работе математические модели турбогенераторов и созданы программы расчета переходных процессов целесообразно использовать в проектных и эксплуатирующих организациях для исследований электромагнитных переходных процессов при коротких замыканиях. Результаты работы внедрены также в учебный процесс ГВУЗ Донецкий национальный технический университет. Апробация результатов магистерской работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались: на Дне науки ГВУЗ Донецкий национальный технический университет (май 2010г., Донецк), на
      Международной научно – практической конференции Научные исследования и их применения. Современное состояние и пути развития, 2010 , (2010г., Одесса).
    Cинхронная машина

    Рисунок 1 –Cинхронная машина

    4. Анализ существующих схем

    Наиболее широко используются схемы замещения, в которых предполагается, что цепи обмотки статора, возбуждения и демпферных контуров имеют магнитную связь только через основное магнитное поле взаимной реактивностью . В таких схемах замещения Т – образного типа (рис. 2) обмотка возбуждения генератора (ОВГ) может представляться одним контуром или самостоятельной многоконтурной цепью [1].

    В последнее время появились работы [2,3], посвященные построению и использованию схем замещения уточненной структуры (рис. 3). Они более достоверны с физической точки зрения, поскольку в них учитывается различие взаимной индуктивной магнитной связи между обмотками статора, возбуждения и эквивалентными контурами демпферной системы.

    Рисунок 2 – Схема замещения СМ Т – образного типа

    При использовании для моделирования схем замещения с различной магнитной связью между контурами, как правило, демпферную систему представляют упрощенно в виде одного эквивалентного контура.

    Рисунок 3 – Схема замещения с учетом различной магнитной связи между контурами

    Сотрудниками Сибирского НИИ энергетики предложены и получены более сложные структуры эквивалентных схем замещения турбогенераторов, также учитывающих различную взаимоиндуктивную связь между контурами, расположенными на роторе. Основной отличительной особенностью таких схем замещения является представление демпферной системы машины по продольной и поперечной осям ротора в виде основного демпферного контура, охватывающего магнитный поток взаимоиндукции между статором и ротором, и ряда локальных контуров, охватывающих магнитные потоки рассеяния и обмотки возбуждения. В этом случае обмотка возбуждения генератора, его демпферная система и взаимная индуктивность между ними характеризуются сложными зависимостями от скольжения высокого порядка (рис. 4).

    Рисунок 4 – Схема замещения СМ высокого порядка

    В приведенных схемах замещения не рассматриваются токи в каждом клине и в отдельных элементах массива активной и торцевой зон ротора СМ. В [4] предложены сложные схемы замещения турбогенераторов применительно к расчету установившихся анормальных режимов, связанных с большими скольжениями (несимметричная нагрузка, несимметричные короткие замыкания, неполнофазные режимы), которая учитывает наличие на роторе реальных физических контуров.

    При использовании схем замещения, приведенных на рис.1 и 2, процедура нахождения токов в контурах статора и ротора при исследовании переходных процессов не вызывает трудностей. Анализ с помощью сложных эквивалентных схем высокого порядка (рис. 3) и предложенных в [4] вызывает принципиальные сложности в определении этих токов. При расчете переходных процессов, например в операторной форме, это приводит к сложным операторным выкладкам, не всегда дающим возможность при практических расчетах выполнить переход во временную область. Поэтому значительно удобнее иметь схемы замещения с постоянными параметрами вида, показанного на рис 1 и 2.

    Для общего анализа переходных процессов с точки зрения выявления экстремальных значений параметров режима дифференциальные уравнения неудобны. Для этих целей разрабатываются модели ЭМ, основанные на аналитическом описании переходных процессов. В [5] предлагается использование частотного метода рассмотрения динамических режимов, который позволяет решать ряд задач на основе получения общего решения в аналитическом виде.

    Рисунок 5 – Схема замещения СМ Г – образного типа

    При частотном методе расчета переходных процессов более эффективным является аналитическое описание частотных характеристик с помощью Г-образных схем замещения с вынесенной на зажимы источника ветвью намагничивания (рис.5). Следует также отметить, что указанная форма информации о совокупности электромагнитных параметров СМ является наиболее удобной с точки зрения хранения ее в памяти ЭВМ и последующего определения на ее основе переходных функций.

    Общий путь преобразования эквивалентных схем замещения от одной структуры к другой заключается в синтезе параметров схемы замещения необходимой структуры по комплексам частотной характеристики входного сопротивления  или проводимости  схемы исходной структуры.

    В [6] разработан способ определения параметров n параллельных цепочек схемы замещения по n комплексам проводимости . На его основе может быть осуществлен переход от схемы замещения любой структуры к схеме замещения, представленной на рис.5. В этом случае при числе контуров в схеме замещения Г – образного типа, равном числу контуров в исходной схеме, отличие частотных характеристик проводимостей или сопротивлений не превышает заданной точности в процедуре итерационного расчета. Параллельные цепочки в схемах, показанных на рис.5, не представляют реальные обмотки или демпферные контура на роторе, а только характеризуют их взаимное влияние, поскольку ток в каждой из них представляет собой одну из составляющих переходного тока статора, изменяющегося с одной постоянной времени. Из этого следует, что при использовании схем замещения с вынесенной на зажимы источника ветвью намагничивания, параметры которой рассчитываются только на основе адекватности частотных характеристик входных сопротивлений , или проводимостей  со стороны обмотки статора, решить задачу определения токов в обмотках, расположенных на роторе, не представляется возможным.

                    Поскольку ток в каждой из n магнитосвязанных обмоток изменяется с n постоянными времени, то в Г – образных эквивалентных схемах замещения, каждый из реальных контуров на роторе должен быть представлен самостоятельной многоконтурной цепью. Это приведет к увеличению контуров схеме замещения в n раз. Однако, в большинстве задач исследования переходных процессов ограничиваются точным определением только тока в обмотке возбуждения. Токи в массивных конструктивных элементах ротора учитываются эквивалентно. В этом случае схема замещения, отражающая влияние n контуров на роторе, будет иметь 2n параллельных цепочек. Из них n ветвей будут характеризовать ОВГ, а остальные эквивалентно представлять демпферную систему (рис. 6).

    Рисунок 6 – Г – образная схема замещения при представлении ОВГ многоконтурной цепью

    Кроме соблюдения адекватности частотных характеристик  исходной и преобразованной схем замещения синтез последней необходимо осуществлять при равенстве комплексного коэффициента распределения тока статора в ветви ОВГ () для всех значений скольжений ротора. 

    Основные математические соотношения. Рассмотрим алгоритм преобразования схем замещения к Г – образному виду при представлении ОВГ многоконтурной цепью (рис. 6).

    Определив частотную характеристику комплексного коэффициента в исходной схеме замещения, рассчитываем частотную характеристику проводимости n параллельных контуров, отражающих влияние обмотки возбуждения в преобразованной схеме , по соотношению

    . (1)

    Тогда частотная характеристика проводимости контуров, отражающих влияние демпферной системы синхронной машины , находится следующим образом:

    . (2)

    Применив к левым частям выражений (1) и (2) методику, изложенную в [6], определяем соответственно параметры n контуров, учитывающих влияние ОВГ, и столько же - демпферной системы. Очевидно, что активные и индуктивные сопротивления некоторых из них могут иметь отрицательные величины.

    Для схемы замещения, представленной на рис.1, зависимость коэффициента участия  от частоты определяется в соответствии со следующим соотношением:

    , (3)

    где  – зависимость от частоты проводимости ОВГ; – частотная характеристика проводимости, измеренная относительно зажимов ветви сопротивления взаимоиндукции ,

    . (4)

    Для схем замещения, приведенных на рис. 2 и 3, имеем

    . (5)

    В (5) проводимость  в соответствии со структурой схем замещения рассчитывается в соответствии с соотношением:

    . (6)

    Оценка эффективности метода преобразования. Проверка достоверности предложенной в работе методики преобразования сложных схем замещения на основе адекватности распределения тока в обмотке возбуждения проводилась для синхронных генераторов различных конструкций и мощностей. Типы исследуемых генераторов и параметры их исходных схем замещения приведены в таблице 1. Рассматривался генератор типа СГ –18.75, не имеющий демпферной системы. Турбогенератор типа ТГВ – 300 представлялся одним эквивалентным демпферным контуром по каждой оси ротора. Модельный синхронный генератор типа МТ –30 характеризовался тремя контурами по каждой из осей симметрии. Для турбогенератора типа ТВВ – 160 – 2 методика проверялась для схемы замещения уточненной структуры (рис. 2) только для продольной оси ротора. Схемы замещения по поперечной оси преобразовывались во всех случаях к виду, представленному на рис. 4.

    Вывод. Предложенный в работе метод преобразования эквивалентных схем замещения, основанный на адекватности частотных характеристик проводимости со стороны обмотки статора и комплексных коэффициентов распределения тока статора в ветви обмотки возбуждения позволяет упрощать сложные схемы замещения высокого порядка к простому виду, удобному для моделирования переходных процессов на основе аналитического описания электромагнитных переходных процессов.

    Список литературы

    1. Сидельников А.В. Синтез схемы замещения синхронной машины при представлении обмотки возбуждения многоконтурной цепью // Электротехника. – 1983. – №7. – С. 25 – 28.

    2. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Гармаш В.С. Идентификация параметров синхронных и асинхронных машин по данным измерений на неподвижной машине // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. – 1989. – №4. – С.49 – 57.

    3. Escarela – Perez R., Campero – Littlewood E., Niewierowicz T., Hernandez-Anaya. Unique Determination of One – Damper D – Axis Circuits of Synchronous Machines Using Finite – Element Simulations // IEEE Transactions on Energy Conversion. – 2005. – Vol. – 16, No 2. – P. 137 – 142.

    4. Шапиро А.С. Схема замещения турбогенератора при больших скольжениях с учетом клиньев и торцевого эффекта // Турбо – и гидрогенераторы большой мощности и перспективы их развития. – Л.: Наука, 1969. – С. 153 – 167.

    5. Larin A. Lamary A. Computer simulation of the transient in AC machines at short – circuits and connections to a network on the basis of the experimental frequency – response characteristics // 9th International Symposium on Short – circuit currents in power systems, SCC'2000, Cracow, October 11 – 13, 2000. – P. 39 – 45.

    6. Рогозин Г.Г., Ларин А.М. Расчет параметров эквивалентных роторных контуров синхронных машин по их экспериментальным частотным характеристикам // Электричество. – 1974. – № 6. – С.10 – 13.

    7. Рогозин Г.Г., Ларин А.М. Расчет параметров эквивалентных роторных контуров синхронных машин по их экспериментальным частотным характеристикам // Электричество. – 1974. – № 6. – С.10–13.

    8. Гуедиди Фаузи Бен Килани ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СЛОЖНЫХ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ СХЕМ ЗАМЕЩЕНИЯ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ К ВИДУ, УДОБНОМУ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ// Вісник Східноукраїнського національного університету – 2007. – №11(117), ч. 1. – стор. 108 – 115.

    9. Шапиро А.С. Схема замещения турбогенератора при больших скольжения с учетом клиньев и торцевого эффекта / / Турбо – и гидрогенераторы большой мощности и перспективы их развития. – Л.: Наука, 1969. – С. 153–167.

    10. Переходные электромеханические процессы в электрических системах: Учеб. для электроэнергет. спец. вузов. – 2 – е изд, перераб. и доп. В. А. Венников / М.: Высш. шк, 1970. – 472 с, ил.