Кудрявцев Андрей Михайлович

Факультет: Электротехнический

Кафедра: Электрических систем

Специальность: Электрические Cистемы и Cети

Тема выпускной работы: Модели элементов электрических схем на основе полного подобия

Научный руководитель: Ковязин В. А.

Введение

        Все электротехнические и радиотехнические устройства представляют собой электромагнитные устройства, главные процессы в которых подчиняются общим законам электромагнетизма. В любом электромагнитном устройстве происходит движение электрических зарядов, неразрывно связанное с изменяющимся во времени и пространстве электромагнитным полем, двумя сторонами которого являются электрическое и магнитное поля. Электромагнитные процессы сопровождаются взаимным преобразованием электромагнитной энергии в другие виды энергии. Точный анализ этих процессов, описываемых системами уравнений в частных производных (уравнениями Максвелла), - задача, трудно разрешимая даже в простейших случаях. Но для инженерных расчетов и проектирования устройств необходим количественный анализ. Поэтому возникает потребность в приближенных методах анализа, позволяющих с достаточной степенью точности решать широкий круг задач. Такие методы дает теория электрических цепей, которая для характеристики электромагнитных процессов вместо векторных величин теории поля, зависящих от пространственных координат и времени, вводит интегральные скалярные величины - ток и напряжение, являющиеся функциями времени. Соединяя между собой соответствующим образом эти идеальные элементы, получают электрическую цепь, приближенно отображающую электромагнитные процессы в каком-либо устройстве по отношению к интересующим выводам.

Цели и задачи

        Целью работы является создание программного продукта с названием PowerNet, содержащего полные математические модели элементов электрических цепей и позволяющего моделировать стационарные и переходные режимы электрических систем в диалоговом режиме.

Актуальность

        Актуальность темы. В настоящее время существует множество математических моделей электрических систем и их программных реализаций, предназначенных для расчета как стационарных, так и переходных режимов. Однако в них, как правило, отсутствует удобный для пользователя интерфейс. В частности, это может быть или жестко зашитая в программу схема, недоступная для изменения пользователем, или ввод схемы в таблице путем указания номеров начал и концов объектов. Эти недостатки значительно затрудняют расчет схем при необходимости изменения их структуры. Поэтому актуальным является создание программ, позволяющих производить ввод схемы и моделирование переходных процессов в диалоговом режиме под управлением современных операционных систем.

Научная новизна

        В начале ознакомления с темой работы я производил анализ имеющихся разработок. Анализ разработок производился путем поиска подобных материалов, статей, моделей как в среде Internet, так и в печатных и периодических изданиях. После поиска был сделан вывод, что разработка данной проблемы актуальна. Все расчеты, производились давно, кроме того, из-за отсутствия точной техники, были созданы нормативные характеристики, которые имели большой запас. В данной работе предполагается использовать компьютерных методов расчета, которые отличаются численной точностью. Кроме того, в разработке, предполагается использовать более сложные методы расчета.

Собственные результаты

        Результаты работы можно представить в виде рисунка. При этом на рисунке указываются как конечный результат работы, так отдельные вершины выполнения работы.
        На данном рисунке под термином «модель генератора, трансформатора и др.» подразумевается составление полных дифференциальных уравнений для указанных элементов, «модель дуги переменного тока» - создание такой модели, которая отражает процессы в дуге.

Рисунок 1 - Собственные результаты

        В начальной стадии исследования дуги переменного тока использую обычную RL-цепь.(рис. 2) Эту цепь коммутирует коммутационный аппарат (КА). При отключении цепи в КА зажигается дуга, которая имеет сопротивление. Сопротивление дуги в начальном приближении можно представить в виде определенной зависимости (рис. 3).

Рисунок 2 - Исследуемая цепь

Рисунок 3 - Модель дуги

        В момент отключения цепи происходит бросок тока. Этот бросок тока зависит от угла отключения. С течением времени ток затухает до 0 с постоянной времени, которую определяют параметры R и L цепи. При этом напряжение сети остается неизменным. Можно также проследить за изменением напряжения на выключателе (КА). Напряжение на КА до момента отключения равно 0. После разрыва цепи напряжение на КА начинает восстанавливаться. Дневной тренд (характер изменения нагрузки), является основным фактором, влияющим на выбор наиболее подходящей схемы компенсации реактивной мощности. На многих предприятиях не все оборудование работает одновременно, многие станки задействованы всего несколько часов в день. Поэтому индивидуальная компенсация становится очень дорогим решением, при большом количестве оборудования и соответственно большом числе устанавливаемых конденсаторов. Большинство этих конденсаторов не будут задействованы долгий период времени. Индивидуальная компенсация наиболее эффективна, когда большая часть реактивной мощности генерируется небольшим числом нагрузок, потребляющих наибольшую мощность достаточно длительный период времени. Централизованная компенсация применяется там, где нагрузка флюктуирует (перемещается) между разными потребителями в течение дня. При этом потребление реактивной мощности в течение дня меняется, поэтому использование автоматических конденсаторных установок предпочтительнее, чем нерегулируемых.Для исследования переходных процессов в рассматриваемой системе по описываемому в настоящем разделе алгоритму составлена FORTRAN-программа. Исходная информация задаётся во втором блоке. Она включает в себя параметры схем замещения всех элементов данной модели, их каталожные данные, степень загрузки механизмов, состав работающего оборудования. Все параметры задаются в относительных единицах, приведенных к базисным величинам одного из элементов (в данном случае генератора Г1). Также задаются вид, место, продолжительность короткого замыкания. В блоке 3 производятся подготовительные расчёты коэффициентов затухания и коэффициентов, показывающих участие каждого из контуров в создании потокосцеплений. Расчёт установившегося доаварийного режима происходит в блоке 4, где определяются начальные значения всех переменных. Порядок расчета доаварийного режима описывается в разделе . Пятым блоком начинается основной цикл программы. Здесь формируются матрицы левых и правых частей уравнений, необходимые для определения напряжений в узлах схемы. Уравнения для определения напряжений в узлах записываются на основе первого закона Кирхгофа для производных токов в координатах a,b,c для каждого узла. В шестом блоке методом квадратных корней совместно решается система уравнений. Метод квадратных корней был выбран благодаря его простоте и быстродействию. В блоке 7 формируются правые части дифференциальных уравнений, решаемых в блоке 8 методом Рунге-Кутта четвертого порядка. Достоинство этого метода в том, что он сочетает простоту с достаточно высокой точностью, является одноступенчатым (чтобы найти ym+1 нужна информация только о предыдущей точке xm, ym), не требует вычисления производных от функции, а только самой функции f(x,y), хотя вычислять эту функцию приходится несколько раз при различных значениях x и y. Таким образом в отношении объёма вычислений данный метод не является экономичным. В блоках 9,10 уточняются значения напряжений в каждом узле схемы, после чего в блоке 11 определяются новые значения токов и потокосцеплений с учетом их приращений. Далее происходит возврат на блок 6 и продолжается расчет по основному циклу.

Обзор исследований и разработок по теме

        Исследованиями данной проблемы занимались на кафедре "Электрические системы и сети" ее преподаватели - Рогозин Г.Г., Пятлина Н.Г., Лапшина Н.С., студенты - Мироненко И.А., Артемчук Д.Г. Ризин С.Л., Петухов А. В. и Лозицкий Ю.В. Петуховым А. В. И Лозицким Ю. В. был предложен способ определения НВЗ при помощи индукционного датчика расположенного перпендикулярно торцу вала. Со всеми материалами вы можете ознакомиться перейдя в раздел "ссылки" на моем сайте. Исследованиями занимается также многие исследователи за пределами Украины, особенно исследованиями, касающимися спектрального анализа составляющих тока двигателя. Особое внимание привлекли статьи следующих авторов: Петухов В.С. к.т.н., член IEEE, Центр электромагнитной безопасности, г. 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. Со статьями можно ознакомиться в разделе "библиотека". Что касается прикладного применения технологий спектрального анализа, то этим занимается фирма "A& Alpha consulting". Направление работы этой фирмы, это комплекс работ по аудиту состояния и условий работы электрической и механической части электродвигателей и связанных с ними механических устройств на основе обработки результатов мониторинга потребляемого тока и приложенного напряжения. Выполнение мониторинга тока работающего двигателя в течение короткого интервала времени, и последующий специальный спектральный анализ полученных данных позволяет определить наличие повреждений:

Выводы и перспективы исследования

        На данный момент времени реализованная в программе PowerNet математическая модель ЭС позволяет рассчитывать: вектора действующих значений и осциллограммы фазных токов, напряжений, мощностей , а также скоростей вращения и моментов, описывающих поведение электрических машин; симметричные КЗ и коммутационные перенапряжения; режимы пуска, выбега и самозапуска электрических машин. Реализованные модели: асинхронная машина; синхронная машина; двухобмоточный трансформатор. Элементы схем замещения: идеальные источники, резистор, катушка, конденсатор. В дальнейшем планируется внедрение моделей остальных агрегатов электрических станций и систем.

Список использованной литературы

       
1. Сивокобыленко В.Ф., Меженкова М.А. Математическое моделирование электромеханических переходных процессов на электрических станциях. - Электрическтво. - 2001. - №4.

2. Сивокобыленко В.Ф., Меженкова М.А. Метод определения мгновенных значений симметричных составляющих токов и напряжений в переходных режимах. - Вісник Нац. унів-ту "Львівська політехніка".- Львів: Львівська політехника. - 2000. - №403. - С.

3. Веников В.А., Теория подобия и моделирования(применительно к задачам электро энергетики). - М.:Высшая школа,1976.

4. Демерчан К.С. Моделирование магнитных полей. - С-П.:Энергия 1974

5. Переходные процессы в многомашинных системах электроснабжения электрических станций:Уч. пособие/Сивокобыленко В.Ф. – Донецк: ДПИ, 1984.-116 с.

6. Рощин Г.В. Матиматическое моделирование уравнений электромагнитных переходных процессов в эллектрических машинах переменного тока. - АНСССР,Энергетика и транспорт,1971,№4.

7. 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.

8.Статья на сайте компании "Вибро-центр" http://www.vibrocenter.ru/tdm.htm