ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Дослідження електричних параметрів синхронних машин (СМ) є складною науково-технічною задачею, яка визначається загальним напрямком розвитку як електромашинобудування, так і об'єднаних енергосистем. В даний час додаткові витрати на зміну параметрів генераторів сумірні з додатковими витратами в енергетичних системах, включаючи заходи по забезпеченню стійкості. У цих умовах не можна обгрунтовувати вибір параметрів потужних генераторів лише на показниках їх виробництва або вимогах електричної системи. Завдання вибору електромагнітних параметрів може бути вирішене тільки на основі спільного розгляду зазначених факторів. Одним з найважливіших факторів, що визначають можливості питомого використання матеріалів синхронних генераторів, можливості вибору їх основних електромагнітних параметрів, стійку роботу в умовах енергетичних систем при різних збуреннях, є перехідні процеси.

В даний час у світовій практиці визнано використання для досліджень і глибокого вивчення поведінки СМ в нормальних і анормальних режимах їх математичних моделей. Очевидно, що достовірність приречення поведінки СМ в динамічних режимах залежить від точності їх математичного опису, а також від повноти та достовірності інформації, у вигляді електромагнітних параметрів, що відображають реальні фізичні властивості.

В даний час у світовій практиці визнано використання для досліджень і глибокого вивчення поведінки СМ в нормальних і анормальних режимах їх математичних моделей. Очевидно, що достовірність приречення поведінки СМ в динамічних режимах залежить від точності їх математичного опису, а також від повноти та достовірності інформації, у вигляді електромагнітних параметрів, що відображають реальні фізичні властивості. Для вирішення ряду завдань при дослідженні електромеханічних перехідних процесів, що відбуваються при великих змінах швидкості СМ (великі хитання, випадання з синхронізму, усталений асинхронний режим, ресинхронізація та ін), спрощене уявлення електричної машини дискретними значеннями індуктивностей і активних опорів або двоконтурними схемами заміщення для правильного обліку демпфуючих властивостей недостатньо. У цьому випадку потрібно знання сукупності електромагнітних параметрів, що характеризують динамічні властивості та враховують складні конструктивні елементи ротора. Уточнення математичної моделі СМ може бути досягнуто шляхом врахування явищ витіснення струму в масиві ротора і обмотці збудження, а також насичення магнітної системи. Це пояснює підвищений інтерес фахівців у всьому світі до питань ідентифікації та дослідження електромагнітних параметрів синхронних машин.

1. Актуальность темы

В даний час для математичного опису синхронних машин (СМ) найбільшого поширення набула система повних диференціальних або операторних рівнянь електромагнітного стану (рівняння Парка-Горєва). Ці рівняння дозволяють описувати перехідні процеси машин змінного струму з урахуванням впливу необмеженого числа контурів у роторі. Моделювання перехідних процесів передбачає, в цьому випадку, популярність певної сукупності активних та індуктивних опорів, що відображають зв'язок між струмами і потокозчеплення в магнітопов’язаних контурах машини. Така вихідна інформація може надаватися у формі схем заміщення фізично обгрунтованої структури, що мають різну ступінь деталізації.

Диференціальні рівняння, записані щодо змін потокозчеплень в осях ротора d, q не залежать від структури прийнятих для моделювання еквівалентних схем заміщення. Струми, що використовуються в них, визначаються із співвідношень, що зв'язують потокозчеплення з струмами через власні і взаємні індуктивності відповідних гілок схеми заміщення.

Значення власних і взаємних опорів, використовуваних для відображення зв'язку між потокозчепленнями і струмами в магнітопов’язаних контурах, залежать від структури прийнятої в якості математичної моделі еквівалентної схеми заміщення. Отже, для кожної структури схеми заміщення при використанні ПЕОМ потрібне складання відповідної програми розрахунку. Тому актуальною є задача розробки методу перетворення схем заміщення різних структур до одного найбільш простішого вигляду, зручного для моделювання динамічних режимів

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота безпосередньо пов'язана з науковою тематикою кафедри електричних систем ДВНЗ Донецький національний технічний університет. Дослідження, результати яких наведені в роботі, пов'язані з виконанням науково-дослідної роботи Н-11-08 - Удосконалення засобів стабілізації режимів електричних систем.

2. Мета і завдання досліджень

Метою роботи є розробка методу перетворення складних еквівалентних схем різних структур від одного виду до іншого. Це дозволить скласти універсальну програму розрахунку на ЕОМ для дослідження різних видів перехідних процесів.

Для досягнення поставленої мети вирішуються наступні завдання:

  1. Розробка методу перетворення складних еквівалентних схем заміщення до виду, найбільш зручному для математичного моделювання з диференціальних рівнянь типу рівнянь Парка – Горєва, адекватно відображаючих перехідні процеси як в обмотці статора, так і в обмотці збудження.
  2. Перетворення складних еквівалентних схем заміщення промислових турбогенераторів ТГВ – 200М і ТГВ – 300 до найбільш зручного для математичного моделювання з диференціальних рівнянь типу рівнянь Парка – Горєва і за допомогою коефіцієнтів токорозподілу.
  3. Оцінка ефективності математичного моделювання асинхронних режимів і режимів коротких замикань турбогенераторів на основі отриманих у роботі моделей.

Об'єкт дослідження : електромеханічні перехідні процеси в синхронних машинах з боку обмоток статора і збудження.

Предмет дослідження: перетворення складних схем заміщення промислових турбогенераторів та визначення їх параметрів.

Методи дослідження: 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

  • Запропоновано підхід до перетворення складних еквівалентних схем заміщення від одного виду до іншого, а також до виду, найбільш зручному для моделювання перехідних процесів з диференціальних рівнянь Парка – Горєва, який відрізняється врахуванням комплексного коефіцієнта розподілу струму статора в гілці обмотки збудження.
  • Отримані математичні співвідношення для спрощення складних деталізованих еквівалентних схем заміщення турбогенераторів типу ТГВ – 200М і ТГВ – 300 до виду, зручному для математичного моделювання.
  • Показана ефективність математичного моделювання перехідних процесів в синхронних машинах на основі складних заступних схем шляхом їх попереднього перетворення до більш простих на основі адекватності частотних характеристик провідностей з боку обмотки статора та комплексних коефіцієнтів розподілу струму статора в гілці обмотки збудження.

    3.Практичне значення отриманих результатів.

    1. Використання запропонованого в роботі методу перетворення складних еквівалентних схем заміщення до виду, зручному для моделювання, дозволить виконувати дослідження на ПЕОМ різних перехідних процесів на основі єдиної універсальної програми.
    2. Розроблено комплекс програм, в середовищі прикладного пакета MathCAD, що дозволяє здійснювати спрощення складних схем заміщення різних структур і виконувати математичне моделювання електромагнітних перехідних процесів за диференціальними рівняннями Парка – Горєва.
    3. Отримані в роботі математичні моделі турбогенераторів та створені програми розрахунку перехідних процесів доцільно використовувати в проектних та експлуатуючих організаціях для досліджень електромагнітних перехідних процесів при коротких замиканнях. Результати роботи впроваджено також у навчальний процес ДВНЗ Донецький національний технічний університет (май 2010г., Донецк), на Міжнародній науково – практичній конференції Наукові дослідження та їх застосування. Сучасний стан та шляхи розвитку , (2010г., Одесса).
    Cинхронна машина

    Рисунок 1 – Синхронна машина

    4. Аналіз існуючих схем

    Найбільш широко використовуються схеми заміщення, в яких передбачається, що ланцюга обмотки статора, порушення та демпферних контурів мають магнітну зв'язок тільки через основне магнітне поле взаємної реактивністю . В таких схемах заміщення Т – образного типу (рис. 2) обмотка збудження генератора (ОВГ) може представлятися одним контуром або самостійної багатоконтурною ланцюгом [1].

    Останнім часом з'явилися роботи [2,3], присвячені побудови та використання схем заміщення уточненої структури (рис. 3). Вони більш достовірні з фізичної точки зору, оскільки в них враховується різниця взаємної індуктивної магнітної зв'язку між обмотками статора, порушення та еквівалентними контурами демпферної системи.

    Рисунок 2 – Схема заміщенняСМ Т – образного типу

    При використанні для моделювання схем заміщення з різної магнітної зв'язком між контурами, як правило, демпферну систему представляють спрощено у вигляді одного еквівалентного контуру.

    Рисунок 3 - Схема заміщення з урахуванням різної магнітної зв'язку між контурами

    Співробітниками Сибірського НДІ енергетики запропоновані й отримані більш складні структури еквівалентних схем заміщення турбогенераторів, також враховують різну взаімоіндуктівную зв'язок між контурами, розташованими на роторі. Основною відмінною рисою таких схем заміщення є подання демпферної системи машини по поздовжній і поперечній осях ротора у вигляді основного демпферного контуру, що охоплює магнітний потік взаємоіндукції між статором і ротором, і ряду локальних контурів, що охоплюють магнітні потоки розсіяння і обмотки збудження. В цьому випадку обмотка збудження генератора, його демпферна система і взаємна індуктивність між ними характеризуються складними залежностями від ковзання високого порядку (рис. 4).

    Рисунок 4 – Схема заміщення СМ високого порядку

    У наведених схемах заміщення не розглядаються струми в кожному клині та в окремих елементах масиву активної та торцевої зон ротора СМ. В [4] запропоновані складні схеми заміщення турбогенераторів стосовно розрахунку усталених анормальних режимів, пов'язаних з великими ковзаннями (несиметрична навантаження, несиметричні короткі замикання, неповнофазних режими), яка враховує наявність на роторі реальних фізичних контурів.

    При використанні схем заміщення, наведених на рис.1 і 2, процедура знаходження струмів в контурах статора і ротора при дослідженні перехідних процесів не викликає труднощів. Аналіз за допомогою складних еквівалентних схем високого порядку (рис. 4) і запропонованих в [4] викликає принципові складності у визначенні цих струмів. при розрахунку перехідних процесів, наприклад в операторної формі, це призводить до складних операторним викладкам, не завжди дає можливість при практичних розрахунках виконати перехід у тимчасову область. Тому значно зручніше мати схеми заміщення з постійними параметрами виду, показаного на рис 1 і 2.

    Для загального аналізу перехідних процесів з точки зору виявлення екстремальних значень параметрів режиму диференціальні рівняння незручні. Для цих цілей розробляються моделі ЕМ, засновані на аналітичному описі перехідних процесів. В [5] пропонується використання частотного методу розгляду динамічних режимів, який дозволяє вирішувати ряд завдань на основі отримання спільного рішення в аналітичному вигляді.

    Рисунок 5 – Схема заміщення СМ Г – подібного типу

    При частотному методі розрахунку перехідних процесів більш ефективним є аналітичний опис частотних характеристик з допомогою Г – образних схем заміщення з винесеною на затиски джерела гілкою намагнічування (рис. 5). Слід також зазначити, що зазначена форма інформації про сукупність електромагнітних параметрів СМ є найбільш зручною з точки зору зберігання її в пам'яті ЕОМ і подальшого визначення на її основі перехідних функцій.

    Загальний шлях перетворення еквівалентних схем заміщення від однієї структури до іншої полягає в синтезі параметрів схеми заміщення необхідної структури по комплексам частотної характеристики вхідного опору  або провідності  схеми вихідної структури.

    В [6] розроблено спосіб визначення параметрів n паралельних ланцюжків схеми заміщення по n комплексам провідності . На його основі може бути здійснений перехід від схеми заміщення будь-якої структури до схеми заміщення, представленої на мал.4. В цьому випадку при числі контурів у схемі заміщення Г – образного типу, що дорівнює числу контурів у вихідній схемі, відмінність частотних характеристик провідностей або опорів не перевищує заданої точності в процедурі ітераційного розрахунку. Паралельні ланцюжка в схемах, показаних на рис.4, не представляють реальні обмотки або демпферні контура на роторі, а тільки характеризують їх взаємний вплив, оскільки струм в кожній з них являє собою одну зі складових перехідного струму статора, що змінюється з однією постійною часу. З цього випливає, що при використанні схем заміщення з винесеною на затиски джерела гілкою намагнічування, параметри якої розраховуються тільки на основі адекватності частотних характеристик вхідних опорів , або провідностей  спро боку обмотки статора, вирішити задачу визначення струмів в обмотках, розташованих на роторі, не представляється можливим.

    Оскільки струм в кожній з n магнітосвязанних обмоток змінюється з n постійними часу, то в Г – образних еквівалентних схемах заміщення, кожен з реальних контурів на роторі повинен бути представлений самостійної багатоконтурною ланцюгом. Це призведе до збільшення контурів схемою заміщення в n раз. Однак, у більшості завдань дослідження перехідних процесів обмежуються точним визначенням тільки струму в обмотці збудження. Токи в масивних конструктивних елементах ротора враховуються еквівалентно. В цьому випадку схема заміщення, що відображає вплив n контурів на роторі, буде мати 2n паралельних ланцюжків. З них n гілок будуть характеризувати ОЗГ, а інші еквівалентно представляти демпферну систему (рис. 6).

    Рисунок 6 – Г – образна схема заміщення при поданні ОВГ багатоконтурною ланцюгом

    Крім дотримання адекватності частотних характеристик  вихідної і перетвореної схем заміщення синтез останньої необхідно здійснювати при рівності комплексного коефіцієнта розподілу струму статора в галузі ОЗГ () для всех значений скольжений ротора. 

    Основні математичні співвідношення. Розглянемо алгоритм перетворення схем заміщення до Г – образним увазі при поданні ОВГ багатоконтурною ланцюгом (рис. 6).

    Визначивши частотну характеристику комплексного коефіцієнта у вихідній схемі заміщення, розраховуємо частотну характеристику провідності n паралельних контурів, що відбивають вплив обмотки збудження в реформованій схемою , за співвідношенням

    . (1)

    Тоді частотна характеристика провідності контурів, що відбивають вплив демпферної системи синхронної машини, знаходиться наступним чином:

    . (2)

    Застосувавши до лівих частинах виразів (1) і (2) методику, викладену в [6], визначаємо відповідно параметри n контурів, що враховують вплив ОВГ, і стільки ж – демпферної системи. Очевидно, що активні та індуктивні опору деяких з них можуть мати негативні величини.

    Для схеми заміщення, представленої на рис.1, залежність коефіцієнта участі  від частоти визначається в відповідності з наступним співвідношенням:

    , (3)

    где  – залежність від частоти провідності ОЗГ; – частотна характеристика провідності, виміряна щодо затискачів гілки опору взаємоіндукції ,

    . (4)

    Для схем заміщення, наведених на рис. 2 і 3, маємо

    . (5)

    В (5) провідність  відповідно до структурою схем заміщення розраховується відповідно до співвідношення:

    . (6)

    Оцінка ефективності методу перетворення. Перевірка достовірності запропонованої в роботі методики перетворення складних схем заміщення на основі адекватності розподілу струму в обмотці збудження проводилась для синхронних генераторів різних конструкцій та потужностей. Типи досліджуваних генераторів і параметри їх вихідних схем заміщення наведені в таблиці 1. Розглядалося генератор типу СГ – 18.75, не має демпферної системи. Турбогенератор типу ТГВ – 300 представлявся одним еквівалентним демпферним контуром по кожній осі ротора. модельний синхронний генератор типу МТ – 30 характеризувався трьома контурами по кожній з осей симетрії. Для турбогенератора типу ТВВ – 160 – 2 методика перевірялася для схеми заміщення уточненої структури (рис. 2) тільки для поздовжньої осі ротора. схеми заміщення по поперечної осі перетворювалися у всіх випадках до вигляду, представленому на рис. 4.

    Висновок. Запропонований в роботі метод перетворення еквівалентних схем заміщення, заснований на адекватності частотних характеристик провідності з боку обмотки статора і комплексних коефіцієнтів розподілу струму статора в галузі обмотки збудження дозволяє спрощувати складні схеми заміщення високого порядку до простого виду, зручного для моделювання перехідних процесів на основі аналітичного опису електромагнітних перехідних процесів.

    Список літератури

    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.