Реферат по теме выпускной работы
Содержание
- Введение
- 1. Актуальность темы
- 2. Обзор существующих разработок
- 3. Цель исследования
- 4. Научная новизна
- 5. Опыт ВТКЗ и обработка данных
- 6. Уточненная математическая модель
- 7. Уточненный алгоритм
- Выводы
- Список источников
Введение
Для надежной работы синхронных электрических машин, т. е. генераторов, двигателей и компенсаторов необходимо знать их точные схемы замещения и параметры этих схем. Это позволяет определить поведение машины при различных возмущениях: короткие замыкания, набросы и сбросы нагрузки, перенапряжения.
Определение параметров синхронных машин является сложной и важной задачей. Для правильной настройки релейной защиты и автоматики необходимо как можно точней знать данные машины: сопротивления статора и ротора по продольной и поперечной осям, сопротивления цепи возбуждения, соответствующие постоянные времени. Эти параметры могут изменяться после ремонтов, перемаркировок, мероприятий по повышению мощности, реконструкции генератора, двигателя или компенсатора. Для определения вышеуказанных параметров проводится комплекс мероприятий, входящий в состав приемо-сдаточных испытаний синхронных машин. Одной из его частей является проведение опыта внезапного трехфазного короткого замыкания синхронной машины для определения синхронного, переходного и сверхпереходного сопротивлений по продольной оси ротора синхронной машины, а также соответствующих постоянных времени.
1. Актуальность темы
Процедура проведения опыта внезапного трехфазного короткого замыкания регламентируется рядом документов: рекомендациями международной электротехнической комиссии IEC 34-4 [1], стандартом США IEEE 115 и действующим в Украине и странах СНГ отраслевым стандартом ГОСТ 10169-77 «Машины электрические синхронные трехфазные. Методы испытаний» [2]. Производственный опыт показывает, что при использовании стандартной методики из ГОСТ существует значительный разброс параметров даже при автоматизированном снятии кривых токов с зажимов машины и обработке экспериментальных данных с помощью компьютерной техники. Эти погрешности проявляются в виде разброса рассчитываемых параметров и затрудняют ответ на вопрос: свидетельствует ли это о некорректности теоретических допущений при разработке алгоритмов расчета, или о невозможности регистрации в опытах необходимых параметров режима с заданной точностью. Поэтому вопросам точности экспериментального определения параметров СМ из опытов ВКЗ посвящено большое количество работ [6], [7], [10].
2. Обзор существующих разработок
В основу стандартной методики положена упрощенная модель синхронной машины, которая учитывает только по одному демпферному контуру по каждой из осей ротора машины. Принимается также допущение о пренебрежении второй гармоникой в токе КЗ и неучете медленного вращения магнитного потока, созданного апериодической составляющей тока статора. Авторы работ [3], [4], [5], анализируя стандартную методику пытаются установить причину ошибки в принятии допущения, связанного с неучетом присутствующей в токе статора при внезапном коротком замыкании составляющей тока второй гармоники. Однако, они не исследуют влияния медленного вращения апериодической составляющей. Автор работ [6] и [7] показывает необходимость уточнения математической модели синхронной машины модели для учета медленного вращения апериодической составляющей и тока двойной частоты. Но, показав необходимость уточнения модели, автор не переходи к ее внедрению, а предлагает ряд мероприятий, направленных на контроль точности проведения экспериментальных измерений и некоторые изменения алгоритма определения параметров из условия максимального приближения к модели, принятой в стандартной методике.
3. Цель исследования
Уточнение стандартной методики определения электромагнитных параметров синхронных машин из опыта внезапного трехфазного короткого замыкания через построение частотных характеристик этих машин.
4. Научная новизна
Научная новизна состоит в разработке уточненного алгоритма определения совокупности электромагнитных параметров синхронных электрических машин путем построения частотных характеристик.
5. Опыт ВТКЗ и обработка данных
Для проведения опыта внезапного трехфазного короткого замыкания необходимо точное соблюдение ряда условий:
1. Машина вращается на холостом ходу.
2. Машина вращается с синхронной скоростью вращения.
3. Возбудитель работает в нормальном режиме.
4. Автомат гашения поля отключен.
5. К выводам машины подключен трехфазный ключ, в открытом положении, с другой стороны на ключе установлена трехфазная закоротка.
6. Через шунты к выводам машины подключены электронные регистраторы сигналов.
Затем в произвольный момент времени замыкается ключ, регистрируются токи в каждой фазе и начинается следующий этап – обработка экспериментальных данных.
Рисунок 1 - Процесс проведения опыта ВКЗ
Анимация (количество кадров:5, количество циклов:5, объем: 18,6 кБ)
Для более точного определения параметров машин необходимо использовать уточненную математическую модель, которая представлена ниже. Эта формула описывает мгновенное значение тока в фазе А обмотки статора при КЗ из режима холостого хода. Аналогичные выражения получаются для двух других фаз (1) [10]:
В этой формуле используются следующие величины:
установившаяся, переходная, сверпереходная и максимально возможная апериодическая составляющие тока статора;
постоянные времени затухания переходных токов;
y0 – угол между осью фазы А (особая фаза) и осью d машины в момент короткого замыкания; w – частота вращения ротора машины; I2m - начальное значение тока двойной частоты; wа – частота вращения апериодической составляющей потока обмотки статора.
При обработке результатов измерений необходимо учитывать бесконечное число демпферных контуров на роторе машины, что не предусмотрено методикой ГОСТ. В зависимости от типа синхронной машины, требуемой точности измерений, используемых приборов в расчет закладывается необходимое и достаточное число контуров.
Воспользуемся для анализа стандартной методики определения частотных характеристик (ЧХ) проводимости СМ со стороны обмотки статора приведенной выше концепцией (2) [9].
Выбор математической модели для определения электромагнитных параметров и ЧХ с учетом многоконтурности ротора дан в [2]. В соответствии с пунктом 25.1 ГОСТ –10169-77 параметры машины по продольной оси следует определять по переходной функции, представляющей изменение огибающей периодического тока якоря в опыте ВКЗ. Эта составляющая определяется как полуразность ординат верхней и нижней огибающих фазного тока. Представляя периодическую составляющую тока суммой экспонент, закон ее изменения во времени может быть описан функцией вида (3)
Где Id - установившееся значение тока КЗ, Idk и Tdk - начальное значение и постоянная времени затухания k-ой экспоненциальной составляющей периодического тока, n – количество экспонент, равное числу учитываемых контуров на роторе по продольной оси [10].
Таким образом, с учетом многоконтурности ротора закон изменения фазного тока статора при ВКЗ имеет вид, аналогичный (1), с той лишь разницей, что периодическая составляющая тока представляется не двумя, а тремя – четырьмя (по рекомендации [2]) экспонентами. В соответствии со стандартной методикой переходной функции соответствуют следующие выражения для определения ЧХ проводимости со стороны обмотки статора по продольной оси ротора yd(js) (4):
или (5)
где adk – коэффициент затухання k-ой экспоненциальной составляющей:
Параметры, входящие в (5), определяются по следующим формулам (6):
Из уравнения (4) видно, что геометрическим местом точек отдельных эквивалентных роторных контуров являются окружности, диаметры которых определяются начальными значениями соответствующих экспоненциальных составляющих, аппроксимирующих периодический ток статора. Тогда на основании частотной характеристики можно дать графическую интерпретацию стандартной методики определения ЭМП из опытов ВКЗ. Соответствующие построения приведены на рис. 2.
Рисунок 2 - Комплексные проводимости эквивалентных роторных контуров
Из рис. 2 следует, что стандартная методика предполагает определение сверхпереходного индуктивного сопротивления, как сопротивления машины со стороны обмотки статора при бесконечно большом скольжении ротора. Это соответствует тому, что начальное значение периодической составляющей тока КЗ определяет проводимость СМ при скольжении равном бесконечности.
На самом деле, эти значения необходимо определять при скольжении s=-1 [10].
Кроме того, стандартная методика предполагает, что периодическая и апериодическая составляющие находятся соответственно как полуразность и полусумма огибающих кривых фазных токов [6], [7]. Аппроксимация периодического тока осуществляется путем последовательного выделения вначале переходной (по заключительной стадии переходного процесса), а затем сверхпереходной (по начальной части переходной функции после вычитания уже найденной переходной) составляющих. Анализ параметров многоконтурных эквивалентных схем замещения ряда промышленных турбогенераторов, указывает на наличие роторных контуров, электромагнитные постоянные времени которых менее полупериода синхронной частоты. Отсюда следует необходимость большей дискретизации экспериментальных данных, что успешно можно выполнить с помощью современных цифровых регистраторов электрических параметров режима, и используя изображающий вектор переходного тока статора синхронной машины. В этом случае будут учтены также экспоненты с постоянными времени, соизмеримыми с временем полупериода промышленной частоты.
Идеализированный эксперимент. В настоящей работе идеализированный эксперимент (ИЭ) – это расчет электромагнитного переходного процесса при внезапном трехфазном КЗ на выводах СМ с помощью математической модели, а не опыт на реальном генераторе. По своей сути такой ИЭ можно рассматривать как метрологическую поверку средств измерений и оценку принципиальной возможности использования стандартной методики для определения ЧХ СМ. Точность определения параметров, в этом случае, может быть оценена путем сопоставления исходных и найденных по результатам расчета характеристик. Исследования проводятся для различных типов синхронных генераторов (явнополюсных, неявнополюсных) [10].
6. Уточненная математическая модель
Воспользуемся математической моделью в виде аналитического соотношения, полученного на основе уточненных связей между частотными характеристиками и составляющими переходного тока. Это выражение представляет собою решение с погрешностью не более 1% полных уравнений Парка-Горєва для ЭМ с незначительными значениями активного сопротивления обмотки статора. По нему можно определять изменение обобщенного вектора тока статора при трехфазных коротких замыканиях или включениях в сеть СМ, вращающейся с произвольной скоростью. Как известно, при КЗ в обмотках статора будут протекать: установившийся, апериодический, ток двойной частоты и переходный периодический токи. Применительно к расчету ВКЗ из режима холостого хода закон изменения изображающего вектора тока статора можно записать в следующем виде [10]:
7. Уточненный алгоритм
Можно предложить следующий алгоритм, уточняющий определение ЧХ. По данным аппроксимации модуля обобщенного вектора тока статора начальные значения и коэффициенты затухания экспоненциальных составляющих периодического тока Ikdan и аkdan, которые представляют собою проекции векторов комплексных проводимостей соответствующих роторных контуров при s=-1 на продольную ось ротора. Предполагая, что значения соответствуют скольжению бесконечность, находятся векторы комплексных проводимостей при s=-1 [10]:
Учитывая, что постоянные времени, найденные по исходным векторам или их проекциям на продольную ось остаются неизменными, рассчитываются истинные значения комплексных проводимостей роторных контуров при скольжении s=-1:
Находятся действительные максимальные значения проводимостей роторных контуров при бесконечном скольжении, являющихся диаметрами окружностей соответствующих частотных характеристик:
По (4) рассчитывается ЧХ проводимости со стороны обмотки статора СМ.
Выводы
Применение нового подхода позволяет снизить погрешность при определении частотных характеристик за счет исключения систематической ошибки, присущей стандартной методике. На основании аналитического описания изменения обобщенного вектора тока статора при трехфазном коротком замыкании на выводах синхронных машин предложен новый подход к экспериментальному определению частотных характеристик проводимостей со стороны обмотки статора, позволяющий уточнить стандартную методику, рекомендуемую ГОСТ 10169-77.
При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2013 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.
Список источников
- 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.
- Машины электрические синхронные трехфазные. Методы испытаний: ГОСТ 10169-77. – М.: Изд-во стандартов, 1984. – 78 с.
- Kamwa I. Phenomenological models of large synchronous machine from short-circuit test during comissioning - A clasical / modern approach / I. Kamwa, P. Viarouge, R. Machfoudi // IEEE Tranc. on Energy Conversion, 1994, V.9, № 1 – P. 85-97.
- Kamwa I. Computer software to automatic graphical analysis of sudden - short - circuit oscillograms of large synchronous machines / I. Kamwa, P. Viarouge, M. Pilote, et al. // IEEE Tranc. on Energy Conversion, 1995, V.10, № 3. – P. 399-406.
- Kamwa I. Experience with computer -aided graphical analysis of sudden - short - circuit oscillograms of large synchronous machines. / I. Kamwa, P. Viarouge // IEEE Tranc. on Energy Conversion, 1995, V.10, № 3. – P. 407-414.
- Харченко В.А. О разбросе значений параметров синхронных машин, находимых из опыта внезапного короткого замыкания / В.А. Харченко // Изв. РАН. Энергетика. – 1996. - № 2. – С. 127-137.
- Харченко В.А. Еще раз о разбросе значений параметров синхронных машин, находимых из опыта внезапного короткого замыкания / В.А. Харченко // Изв. РАН. Энергетика. – 1999. - № 1. – С. 142-151.
- Казовский Е.Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока / Е.Я. Казовский. – М.: Изд-во АН СССР, 1962. – 624 с.
- Грановский В.А. Автоматизация измерений и вопросы методологии измерений / В.А. Грановский, С.Г. Рабинович / В.А. Грановский // Методы и средства автоматизации научного эксперимента. – М.: ЦНИИТТЭИ приборостроения, 1972
- Ларин А.М., Шеина А.А. Новый подход к определению частотных характеристик синхронных машин по данным опытов внезапного трехфазного короткого замыкания // Наукові праці Донецького національного технічного університету № 10(180), 2011