автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Автономный асинхронный генератор с двумя обмотками статора и конденсаторным самовозбуждением

Введение

I. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1. "Область применения автономных асинхронных генераторов

1.2. Обзор трудов и выполненых исследований АГ

1.3. Особенности работы асинхронного генератора с самовозбуждением в режиме короткого замыкания на зажимах нагрузки

1.4. Содержание и задачи исследования.

II. Вывод основных уравнений асинхронного генератора с двумя обмотками статора. Статические режимы

2.1. Математическая модель и дифференциальные уравнения асинхронного генератора

2.2. Уравнения генератора в установившемя режиме

2. 3. Схемы замещения и векторные диаграммы АГДОС

2. 4. Расчет магнитной цепи АГДОС

2. 5. Влияние параметров АГДОС на установившиеся режимы

III. Границы самовозбуждения АГДОС

3.1. Определение границ самовозбуждения АГДОС в режиме холостого хода и КЗ

3.2. Влияние нагрузки на границы самовозбуждения

IV. Динамические режимы АГДОС

4.1. Программа расчета

4.2. Самовозбуждение

4.2. КЗ

4.3 Наброс нагрузки

Актуальность темы.

Асинхронные генераторы (АГ) с емкостным самовозбуждением находят разнообразное применение в промышленности. Их используют в качестве источников питания автономных систем автоматики и телемеханики, для питания ручного электроинструмента со встроенным электроприводом повышенной частоты . АГ находят применение в электроэнергетических установках транспортных систем ,а также в автономных возобновляемых источниках электроэнергии на базе ВЭУ и мини ГЭС. Однако,наряду с известными достоинствами, которые отличают АГ от других генераторов: простота конструкции, высокая надежность, отсутствие электрических контактов, наилучшие массо-габаритные и стоимос тные показатели, АГ имеют и существенные недостатки: значитель ное снижение напряжения при увеличении нагрузки и развозбуждение при КЗ.

Экспериментальные исследования показали, что эти недостатки отсутствуют в асинхронном генераторе, который имеет разветвленную магнитную систему и две статорные обмотки (АГДОС). Такой генератор обеспечивает требуемый уровень напряжения на нагрузке без дополнительных внешних стабилизирующих устройств.

Устойчивая работа генератора в режиме КЗ позволяет использовать его в качестве источника для питания устройств руч ной дуговой электросварки, а при эксплуатации генератора в автономных системах электроснабжения - значительно повысить их надежность, поскольку наличие установившегося тока КЗ обеспечивает срабатывание устройств защиты и селективное отключение поврежденного участка сети. Однако, отсутствие теоретических исследований АГДОС и методики его проектирования являются причинами несоответствия практического применения генератора и его потенциальных возможностей.

Поэтому разработка методики расчета АГДОС является назревшей задачей.

Цель работы. Создание основ методики расчета переходных и установившихся режимов, выявление существенно новых областей технического применения АГДОС.

Задачи исследования.

1. Создание математической модели. Вывод основных уравнений динамики и статики.

2. Составление схем замещения, построение векторных диаграмм для различных режимов работы. Анализ на их основе особенностей работы генератора.

3. Выявление новых областей применения АГДОС.

4. Определение границ области самовозбуждения.

5. Создание алгоритмов и программ расчета динамических и статических режимов.

6. Сравнение экспериментальных и теоретических исследований.

Методы исследования.

При решении системы дифференциальных уравнений использован численный метод Кутта-Мерсона. Параметры намагничивающих контуров определялись из расчета магнитной цепи методом Ньюто-на-Рафсона на каждом шаге итерации, а остальные - по результатам экспериментальных исследований опытного образца. Система нелинейных уравнений статики, включающая электрическую и магнитную цепь АГДОС, также решалась методом Ньютона-Рафсона. Для выполнения расчетов на IBM-совместимой ПЭВМ использовался алгоритмический язык FORTRAN-7?.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель, эквивалентные схемы замещения и векторные диаграммы, на основе которых выявлены особенности работы генератора и показана взаимосвязь параметров и характеристик АГДОС.

2. Созданы основы методики расчета установившихся режи-мов работы и определены границы области самовозбуждения генератора в режиме холостого хода, под нагрузкой, и в режиме КЗ. Разработаны алгоритмы и программы расчета внешних и рабочих характеристик генератора.

3. Разработаны основы методики, включающие в себя математические модели, алгоритмы и программы расчета на ПЭВМ следующих динамических режимов: самовозбуждение на холостом ходу, когда в цепь двух статорных обмоток включены конденсаторы возбуждения, и в режиме, когда генераторная обмотка статора замкнута накоротко (режим КЗ); наброс и сброс нагрузки; внезапное КЗ.

Практическая ценность работы. Применение разработанных методик позволяет провести расчет стационарных и динамических режимов с учетом всех основных факторов (изменения частоты вращения, насыщения и потерь в стали, изменения параметров ге нератора).

Внедрение.

Научные результаты использованы при разработке и изготов лении опытного образца АГДОС в Ставропольском краевом производственно-коммерческом объединении 'ЭКСОМ'.

Автор защищает.

1. Эквивалентные схемы замещения, векторные диаграммы, методику расчета установившихся режимов.

2. Методику расчета границ области самовозбуждения АГДОС.

3. Основы методики расчета динамических режимов.

Апробация.

Основные положении диссертации докладывались и обсуждались: на Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы электромеханики (к 100-летию изобретения трехфазного асинхронного двигателя)"(Москва,1989 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Динамические режимы рабо-ты электрических машин и электроприводов'Ч г. Бишкек, 1991 г.), на итоговых научно-технических конференциях Ставропольского политехнического института (1987-1991 г.),на заседании кафедры "Электромеханики" МЭИ (1991г.), на научном семинаре при кафедре "Электроснабжения" Карачаево-Черкесского технологического института (1991г.).

Публикации. Общее количество публикаций по теме диссер-тации-10, включая 3 авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и прило-жений. Общий объем работы - 141 страниц, включая 29 страниц иллюстраций и 38 страниц приложений.

Выводы:

1. Время самовозбуждения при замкнутой накоротко генераторной обмотке значительно меньше по сравнению о режимом, когда в цепь этой обмотки включена емкость. 2. При определенных (больших) значениях емкости в цепи генераторной и конденсаторной обмотки, причем ^С/2 » возникает эффект "прокрутки", когда частота генерируемых колебаний в генераторной обмотке отлична от частоты в конденсаторной обмотке. При увеличении емкости в цепи статорных обмоток, причем ^ = , проявляется эффект "елочного самовозбуждения", когда с определенной последовательностью генератор возбуждается и развозбуждается. 3. При КЗ, набросе и сбросе нагрузки генератор работает устойчиво.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Создана математическая модель, на основе которой получены основные уравнения динамики и статики. Составлены схемы замещения и построены векторные диаграммы для различных режимов работы генератора. Разработана схема замещения магнитной цепи АГДОС,

2. Получены выражения, которые позволяют построить границы области самовозбуждения генератора, работающего в режиме XX. Разработана методика определения границ области самовозбуждения АГДОС с учетом нагрузки, включающая алгоритм и программу расчета на ПЭВМ.

3. Создан алгоритм и программа расчета внешних характеристик генератора. Погрешность расчета не превышает 10 % .

4. Разработан алгоритм и программа расчета на ПЭВМ динамических режимов генератора. Погрешность расчета не превышает 20 % .

5. Выявлены особенности работы АГДОС, которые необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации генератора:

- уменьшение емкости в цепи генераторной обмотки и увеличение емкости в цепи конденсаторной обмотки повышает перегрузочную способность и улучшает жесткость внешней характеристики;

- на характеристики генератора существенное влияние оказывает магнитная связь между конденсаторной и генераторной обмоткой. Эту связь необходимо улучшать;

- независимо от величины и характера нагрузки область самовозбуждения АГДОС всегда определена;

- время самовозбуждения при замкнутой накоротко генераторной обмотке значительно меньше по сравнению с режимом, ког да в цепь этой обмотки включена емкость.

6. Показано, что использование АГДОС позволяет повысить надежность автономной системы электроснабжения, поскольку генератор не разэозбуждается при КЗ, что позволяет отключать поврежденный участок сети.

7. Экспериментально установлено, что АГДОС может быть использован в качестве источника питания дуговой электросварки. При переходе -на частоту 400 Гц и частоты вращения 6000. 8000 об/мин он будет в 1,6, .2,5 раза легче существующих бесконтактных высокочастотных сварочных генераторов индукторного типа.

8. Результаты диссертации послужили основой для постанов ки вопроса о выпуске небольшой партии асинхронных сварочных генераторов.

О 1 2 5

Рис. 4.3

--опыт, С(д = 68 шф, - 32 мкФ;

--- расчет, = 68 мкФ, С2Л ' 32 мкФ;

----- расчет, - 88 мкФ, = 32 мкФ

755,3В

Рис. 4.4. С44 = С2Л - 44 мк®

0,5 с

Рис, 4.5. Ciá = 88 мкФ; = 40 мкф

OÛ

U2 g 0

0>5c, л

Рис.4.6. Ciù = 68 мкФ; Cza = 32 L I и, a

0,5 c

Рис. 4.7. См ä 68 ^ Ca4 =

32 мкф

1. Адати Е. Явление торможения трехфазного индукционного двигателя с параллельно подключенными конденсаторами// Дэнки гаккай,1961. -N12. -С. 2001-2010.

2. Балагуров Е А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока. -М.: Высшая школа, 1982. -270с.

3. Балагуров Е А., Кецарис А. А., Лохнина Е Е , Построение внешних характеристик асинхронного генератора -Электротехника, 1974, N2, С. 24-26.

4. Бохян С. К. Емкостное самовозбуждение асинхронного генератора. -Изв. АНСССР. Энергетика и транспорт, 1977, N2,0.39-47.

5. Веников Е А. , Анисимова Е Д. , Долгинов А. И. , Федоров Д. А. Самовозбуждение и самораскачивание в электрических системах. -М.: Высшая школа, 1964. -198с.

6. Веников Е А. Переходные электромеханические процессы в электричеких системах. -М-Л.: Энергия, 1964. -379с.

7. Влах И., Сингхал К. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем.-М.; "Радио и связь",1988.-560с.

8. Джендубаев 3. Р. Основные уравнения трехфазного асинхронного двигателя с управляющей обмоткой//Электромеханика. -1988. -N2. -С. 30-34.

9. Джендубаев 3. Р. Основные уравнения асинхронного двигателя с двумя статорными обмотками//Электричество. -1990. -N1.-С. 71-74.

10. Джендубаев 3. Р.} Шапиро Л Я Схемы замещения асинхронной машины с двумя статорными обмотками//Злектромеханика. -1990.- N8. -С. 71-74.

11. Джендубаев 3. Р., Шапиро Л Я Исследование работы асинхронного генератора в режиме короткого замыкания// Электромеханша. -1990.- N10. -С. 66-69.

12. Джендубаев 3- Р. Асинхронный сварочный генератор// Автоматическая сварка. -1992. N1.

13. Долгинов А. И. Резонанс в электрических цепях и системах. -М-Л.: Госэнергоиздат, 1957. -328с.

14. Домбровский ЕВ., Зайчик ЕМ. Асинхронные машины: Теория, расчет,элементы проектирования. -Л.: Знергоатомиздат,1990. -368с.

15. Жалис В. А., Кулакаускас А. К., Маразас С. Ю. Формирование характеристик асинхронного генератора//Динамическиу режимы работы электрических машин и электроприводов: Тез. докл. V Всесоюз. научно-техн. конф. 6-8 сентября 1988 г. -Каунас.

16. Же рве Г. К. Промышленные испытания электрических машин. -Л : Энергоатомиздат,1984. -408с.

17. Зубков Ю. Д. Асинхронные генераторы с конденсаторным возбуждением. -Алма-Ата: Шд-ъо АН Каз. ССР, 1949, -112с.

18. Иванов А. А. Асинхронные генераторы для гидроэлкетрических станций небольшой мощности. -М.: Госэнергоиздат, 1948. -139с.

19. Иванов А. А., Пулатов В. Б. Аналитический расчет характеристик асинхронного генератора//Электромашиностроение и электрооборудование. -1966. -N3.

20. Иванов А. А., Пулатов Е Б., Тищенко А. А. Электростанции с асинхронными генераторами. -Киев: Техника, 1967. -158с.

21. Иванов-Смоле некий А. В. Электрические машины. М.: Энергия, 1980. -928с.

22. Казовский Е. Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока. -М.-Л.: йзд-во АН СССР,1962.-624с.

23. Кимкетов М. Д. Разработка и исследование злектрофицирован-ного переносного агрегата для обрезки виноградной лозы с использованием автономных асинхронных генераторов: Автор, дис. . канд. техн. наук. Тбилиси,. 1981. -22с.

24. Китаев А. В. , Орлов И. Е 0 физическом механизме самовозбуждения асинхронной машины. -Электричество Л978,N4,С. 47-51.

25. Кицис С. И. Об одной форме записи уравнений асинхронной машины с параллельно включенными конденсаторами. -Изв. вузов. Энергетика,1971,N2,С. 35-41.

26. Кицис С. И. Переходные процессы емкостного самовозбуждения асинхронного генератора под нагрузкой. -Изв. АНСОСР. Энергетика и транспорт,1977,N4,С. 27-43.

27. Кицис С, И. Особенности конструирования и расчета погружных асинхронных самовозбуждающихся генераторов//Электро-техника. 1986. -N11. -с. 36-37.

28. Кицис С. И. Асинхронный самовозбуждающийся генератор в системе защиты детандера от разноса/Электротехника.-1980. -N12. -С. 18-20.

29. Кицис С. И. , Амброс Ф. М. Расчет стационарных режимов асинхронного генератора с обмоткой подмагничивания, присоединенной к выводам обмотки етатора//Электричество.-1978.-N5. -С. 28-31.

30. Колдербзнк В. Программирование на фортране (фортран-66, фортран-77).-М.: "Радио и связь",1986.-172с.

31. Копылов И. П. Электромеханические преобразователи энергии. -М.: Энергия,1973. -400с.

32. Копылов И. П. Математическое моделирование электрических машин. -М.: Высшая школа, 1987. -248с.

33. Копылов И. П. , Мамедов Ф. А., Беспалов В. Я Математическое моделирование асинхронных машин. -М.: Энергия, 1969. -96с.

34. Копылов И. П. Самовозбуждаемый асинхронный генератор-усилитель переменного тока//Электромеханика. -1964. -N10.1. С. 1220-1224.

35. Костырев М. Л. Асинхронные генераторы с вентильным возбуждением: Автор, дис. . д-ра техн. наук. -Куйбышев, 1084. -32с.

36. Кунцевич П. А. Асинхронный генератор как автоперестраивае-мая автоколебательная система//Электричество. -1988. -N6. -С. 38-45.

37. Кюрегян С, Г. , Ткаченко А. М. Расчет рабочих характеристик автономного асинхронного генератора//Элетротехника,1966.-N11. -С. 20-22.

38. Лайон В. Анализ переходных процессов в электрических машинах переменного тока.-M-JL : ГЭИ,1958.

39. Лесник Е А. , Лищенко А. И. , Фаренюк А. П. Дифференциальные уравнения и рачет переходных процессов асинхронного генератора с учетом насьпцения//Техническая электродинамика. -1984.-N1.-С. 59-65.

40. Мандельштам Л. И., Папалекси И. Д. О параметрическом возбуждении элетрических колебаний//Журнал теоретич. физики. -1934. -Т. 4, -вып. 1. -С. 5-29.

41. Мильчюс Э. П., Микша В. Я., Глячис С. Ю. Исследование процесса самовозбуждения геофизических скважных приборов-Каунас, 1987.-13с.-Деп. в ЛитНИИНГИ 04.12. 87,N1995.

42. Нетушил А. В. К расчету режима самовозбуждения автономного асинхронного генератора//Электричество. -1978. -N4. -с. 18-21.

43. Не тушил А. К , Лист вин В. С. Автономный асинхронныый генератор как нелинейная автоколебательная система//Изв. вузов. Электромеханика. -1977. -N5. -с. 500-505,

44. Новиков А. В., Кюрегян С. Г. Емкостное самовозбуждение асинхронного генератора//Изв. вузов. Электромеханика. -1967. -N2. -с. 173-179.

45. Нетушил А. В., Бояр-Сазонович С. П., Китаев А. К Самовозбуждение асинхронного генератора. -Изв. вузов Электромеханика. -1981. -N6. -С. 618-621,

46. Оборудование для дуговой сварки: Справочное пособие/ Под ред. В. Е Смиронова. Л: Энергоатомиздат, 1986. -656 с.

47. Постников И. Е Обобщенная теория и переходные процессы электрическмх машин. -2-е изд. , пере раб. и доп. -М.: Высшая школа, 1975. -319с.

48. Прохорова Г. А. Математическое моделирование процессов самовозбуждения асинхронных генераторов. Автор, дис. . канд. техн. наук. -Новочеркасск,1985. -16с.

49. Проектирование электрических машин. И. П. Копылов, Ф. А. Го-ряинов, Б. К. Клоков и др.: Под ред. И. П. Копылова. -М.: энергия, 1980.-496с.

50. Радин В. И., Брускин Д. Э., Зорохович А. Е. Электрические машины: Асинхронные машины. -М.: Высшая школа, 1988. -328 с.

51. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Рэгсдел К. Оптимизация в технике: В 2-х кн. Кн. 1.-М.: Мир, 1986.-349с.

52. Рюденберг 3. Явления неустановившегося режима в электрических установках. -ГИЗ, 1930.

53. Сипайлов Г. А., Лоос А. Е Математическое моделированиеэлектрических машин.-М.: Высшая школа, 1980. -176с. Г'тдпгчгёигор. А. Клттпгтотт!^ 2< Я, Хо^Ь к, Д Электрические машины (специальный курс).-2-е изд. ,перераб. и доп.-М.: Высшая школа, 1987. -237с.

54. Теория и методы расчета асинхронных турбогенераторов.

55. П Постников, А. В. Новиков, Ю. А. Прокофьев и др.: Под ред. И. П. Постникова. Киев: Наукова думка, 1977. -176с.

56. Торопцев Е Д. Авиационные асинхронные генераторы. -М.: Транспорт, 1970. -203с.

57. Фаренюк А. П. Установившиеся и переходные режимы асинхронного генератора с емкостным возбуждением для автономных энергоустановок. Автор, дис. .канд. техн. наук.-Киев, 1984. -23с.

58. Фильц Р. Б. Математические основы теории электромеханических преобразователей. -Киев: Наука, думка, 1979, -202с.

59. Фришман В. С. Вопросы применения самовозбуждающихся асинхронных генераторов в сельском хозяйстве. Труды Кубанского сельскохозяйственного института, 1970, вып. 39(67),о. 3-13.

60. Фришман В. С. , Прохорова Г. А. Об использовании двухобмоточ-ных генераторов для питания ручного сельскохозяйственного инструмента. Труды Кубанского сельскохозяйственного института. Вып. 154(182)Краснодар, 1977,с. 15-28.

61. Чабан В. И. , Фильц Р. В. Алгоритм расчета на ЦВМ симметричных электромеханических переходных процессов насыщенной по явно полюс ной асинхронной машины//Из в. вузов. Энергетика, 1971. -N10. -С. 114-117.

62. Чернышев А. С. Разработка источника бесперебойного питания на базе асинхронной машины с инерционным накопителем энергии: Автор, дис. .канд. техн. наук. ~М. , 1988.-20с.

63. Щумов Ю. Н. К расчету внешних характеристик автономного асинхронного генератора. -Изв. вузов. Элетромеханика/1978, N7,С. 787-789.

64. Щедрин Н. Я. К вопросу о емкостном самовозбуждении синхронных и асинхронных машин//Труды ин-та энергетики и автоматики АН УзССР.-1958.-вып. N11. -с. 125-131.

65. Эвентов С.3. Исследование и разработка электрофидированнего агрегата для сбора чайного листа: Автор, дие. . канд. техн. наук. М,. 1983.-16с.

66. А. с. 980971 СССР, МКИЗ В23К 9/00. Источник питания сварочной дуги/В. С. Фришман, В. К. Капленко, С. 3. Эвентов (СССР). -Опубл. 02.12.82. Бюл. N46.-2с. ил.

67. А, е. 1197014 СССР, МКИЗ Н02К 17/12. Асинхронный трехфазный электродвигатель/3. Р. Джендубаев (СССР).-Опубл. 07.12.85. Бюл. N45. -2с. ил.

68. A.c. 1390719 СССР, МКИЗ Н02К 17/12. Асинхронный трехфазный электродвигатель/ 3. Р. Джендубаев (СССР). Опубл.23. 04. 88. Бюл. N1. -2с. ил.

69. А. С. 1697204 СССР, Н 02 К 17/00; Н 02 Р 09/46. Треуфаяяый асинхронный генератор/ 3. Р. Джендубаев, Шапиро Л. Я. (СССР).-N 4732140/24-07; Заявл. 28.08.89; Опубл. 10.12.91. Бюл. N45. -2 с.

70. А.с. 904875 СССР, МКИЗ Н02К 17/2 Асинхронный трехфазный электродвигатель/В. Д. Лущик( СССР). Опубл. 04.03.81. Бюл. N37. -Зе. ил.

71. A. с. 289481 СССР, МКИЗ Н02К 17/00 Асинхронный электродвигатель/В. Д. Лущик(СССР). Опубл. 26. 01. 71. Бюл. N1. -2с. ил.

72. A self-excited single-phase asynchronous generator feedin dynamic loads. "Int. Conf. Evol. and Mod. Aspects Induct. Mach., Turin,July 8-11,1986. Proc". Borgo San Dalmazzo;1. Cuneo, 1986, g. 558-561.

73. Observations on the selection of generators for wmdtur-bmes. De Zeeuw W. L " Proc. Int. Conf. Elec. Mach. , Budapest, 5-9 Sept., 1982. Pt 3" Budapest, s. a. , 788-791.

74. Analysis of the behaviour of asynchronous generator for small power wind-driven generating stations. Ciaffi M. , Honorât i 0. "Proc. MELEC0N"83: 2nd Mediterr. Electrotechn. Conf. , Athens, 24-25 May, 1983, Vol. 2".

75. Recent application of induction generators. Yamanichi Yuji, Ito Taketora, Oasuga Takashi. " Meiden Rev. Int. Ed.", 1985,N3,35-41.

76. The effect of rotational direction in single-phase induction generators. Boardman E. С. , ¥епк?Л S. S. . Bi.it -1er W. G. "IEEE Trans. Power Appar. and Syst.," 1984, 103, N8,2222-2228 Discuss. f 229.

77. An iron free asynchronous pulsed generator for the production of pulsed high magnetic fields. Suitamen F. , Blei j s O.A., Poste 1 S., Askenasy S., Marquer J. "J. Phys" (Fr. ) ,1984,45,N1,a 67-70.

78. Characteristics arid interest, of iron-free asynchronous generators and motors. Rioux C., Rioux-Damidau F. , Sul-tanem F. , "Int. Conf. Evol. and Mod. Aspects Induct. Mach. , Turin,July 8-11,1986. Proc". Borgo San Dalinazzo; Cuneo, 1986,c. 475-480.

79. La tyrbo-detendeur integre ACEC avec alternateur haute frequence. Van Gucht A., Caldens F. "ACEC rev", 1986, N2, о. 11-15.

80. Oil field induction generator system. Quarles M. H. , Bo-linW. D. : Пат. 4730118,США, заявл. 11.08.87, N85257, опубл. 08.03.38, ШШ Н02Р 9/04, НКИ 290/40R.