автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Элементы систем управления синхронных генераторов с гармоническим возбуждением

ГБ ОД - 8 ДЬК 1998

На правах рукописи

БОВТРИКОВА Елена Владиславовна

ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С ГАРМОНИЧЕСКИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Специальности 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

УФА 1998

Работа выполнена на кафедре "Электромеханика"

Уфимского государственного авиационного технического университета

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

заслуженный деятель науки РБ

И.Х.Хайруллин

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент

Г.Н.Утляков

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

М.А.Ураксеев кандидат технических наук, доцент К.М.Фатгахов

Ведущее предприятие: ГП УАПО, г.Уфа

Защита состоится " декабря 1998 г. В часов на заседании

диссертационного совета Д-063.17.02 в Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа-центр, ул. К.МарксаД2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.

Автореферат разослан "¿хУ 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д-063.17.02 канд. техн. наук, доцент ,

Г.Н.Утляков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для повышения качества вырабатываемой электрической энергии необходима разработка элементов систем управления (СУ) с улучшенными характеристиками. Для систем электроснабжения синхронный генератор (СГ) является управляемым объектом управления - элементом системы автоматического управления. Перспективным направлением развития элементов СУ является разработка СГ с гармоническим возбуждением.

В последние годы возрос интерес к использованию энергии высших гармонических магнитного поля для возбуждения и регулирования напряжения СГ. Известны СГ с возбуждением от третьей гармоники магнитного поля, они имеют улучшенные показатели по массе, габаритам, себестоимости и надежности по сравнению с системой фазового компаундирования, позволяют получать эффект саморегулирования, так как при изменении нагрузки обеспечивается характер изменения тока возбуждения, близкий к регулировочным характеристикам СГ.

Основной трудностью на пути создания элементов СУ СГ с гармоническим возбуждением является определение возмущений, для чего используются косвенные методы, например режимные координаты, сильно зависящие от возмущений. Для анализа целесообразности применения тех или иных элементов в системе управления необходимо провести выбор и обоснование режимных координат СУ с элементами гармонического возбуждения.

В качестве элементов СУ СГ с гармоническим возбуждением могут бьгть использованы СГ с переменным коэффициентом полюсного перекрытия (а). Основное достоинство таких элементов - высокая надежность. Они легко выдерживают высокие температуры перегрева, допускают высокие окружные скорости, имеют малый расход меди на обмотку возбуждения. Для использования СГ с переменным а в качестве элементов СУ с гармоническим возбуждением необходима методика расчета режимных координат СУ. Необходимо оценить

возможность применения СГ с переменным (а) в качестве элементов СУ с гармоническим возбуждением. Для оценки качества стабилизации напряжения на этапе проектирования нужны математические модели элементов СУ с постоянным и регулируемым потоком.

При проектировании СГ основным требованием является соблюдение ГОСТа по качеству электроэнергии в установившихся и переходных режимах работы, необходимо разрабатывать элементы с улучшенными техническими характеристиками, с меньшей массой и габаритами. Поэтому разработка методик расчета и совершенствование существующих элементов СУ СГ, а также разработка методов оценки применимости элементов с гармоническим возбуждением для систем управления является актуальной научно-технической задачей.

Актуальность темы подтверждается тем, что диссертационная работа проводилась в соответствие с протоколом о намерениях между УАПО и УГАТУ, и с договорами АП-ЭМ-64 ОЗ за 1995-1997 г., НЧ-НЧ-91-98 ОЗ.

Целью данной работы является разработка методик расчета, математических моделей и методов оценки применимости различных элементов системы управления синхронных генераторов с гармоническим возбуждением, и их техническая реализация.

Для достижения указанной цели решены следующие задачи:

1. Разработка математических моделей и методик расчета элементов СУ с гармоническим возбуждением.

2. Анализ возможности применения различных типов элементов СУ с гармоническим возбуждением.

3. Выбор и обоснование режимных координат СУ и анализ возможности применения режимных координат кроме третьей гармоники магнитного поля.

4. Разработка методики расчета режимных координат СУ СГ для элементов гармонического возбуждения с переменным коэффициентом полюсного перекрытия.

5. Разработка чувствительных элементов гармонического возбуждения.

6. Техническая реализация элементов СУ СГ с гармоническим возбуждением, экспериментальные исследования, сравнение расчетов с экспериментами.

Методы исследований. Теоретические и численные исследования проведены с использованием метода конформных отображений, аналитического метода расчета магнитных полей, метода суперпозиции. При разработке программного обеспечения и моделирования на ЭВМ использованы вычислительные комплексы "Matchad 7.0 Professional", "Mathematica 2.2".

Научная новизна результатов работы заключается в следующем.

1. Разработана математическая модель элементов с гармоническим возбуждением при постоянном и регулируемом потоке.

2. Впервые предложена методика выбора режимных координат СУ СГ с элементами гармонического возбуждения, в которой учитывается изменение коэффициента полюсного перекрытия элементов.

3. Установлено, что в известной ранее СУ возможно использование в качестве режимной координаты не только третьей, но и пятой гармоники магнитного потока.

4. Предложены элементы с бигармоническим возбуждением.

5. Обоснованы условия и способы применения известных ранее элементов с гармоническим возбуждением в качестве элементов с бигармоническим возбуждением.

Практическую ценность имеют:

1. Разработанная математическая модель элементов СУ с гармоническим возбуждением при постоянстве потока возбуждения для проектирования бензо-и электроагрегатов;

2. методика выбора режимных координат СУ для элементов с переменным коэффициентом полюсного перекрытия;

3. методика определения статической ошибки регулирования СУ СГ с элементами гармонического возбуждения;

4. применение элементов с бигармоническим возбуждением при постоянном и регулируемом потоке возбуждения в составе автономных источников питания средней мощности;

5. условия и способы применения известных ранее элементов с гармоническим возбуждением в качестве элементов с бигармоническим возбуждением.

Реализация результатов работы. Материалы и результаты диссертационной работы используются государственным предприятием Уфимским агрегатным производственным объединением при разработке и изготовлении на предприятии бензоагрегатов и элекгроагрегатов, а также Сарапульским электрогенераторным заводом для анализа выходного напряжения при проектировании на предприятии синхронных генераторов различных модификаций (с вращающимися выпрямителями, смешанного возбуждения). На защиту выносятся:

1. методика определения режимных координат СУ СГ с элементами гармонического возбуждения;

2. методика определения режимных координат СУ с элементами гармонического возбуждения при переменном коэффициенте полюсного перекрытия;

3. математические модели элементов с гармоническим возбуждением при постоянном и регулируемом потоке, при нагрузке с различными коэффициентами мощности.

4. принципы построения и конструкции чувствительных элементов гармонического возбуждения, рассчитанные на третью и пятую гармонику, бигармониче-ского возбуждения для различных типов СГ;

5. результаты экспериментальных исследований элементов с гармоническим возбуждением.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной докладывались и обсуждались на научно-технической конференции с международным участием (Суздаль, 1995 г.), на 3 международной конференции New Energy Systems And Conversions (Казань, 1997), а также на Всероссийской моло-

дежной научно-технической конференции "Информационные и кибернетические системы управления и их элементы"(Уфа, УГАТУ, 1997).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, из них 1 монография, 2 научно-технических отчета.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 61 наименования и 3 приложений. Основная часть диссертации содержит 149 страниц и включает в себя 69 рисунков и 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы основные цели исследований, дана краткая характеристика работы, ее научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе дана характеристика СГ как объекта управления и элемента СУ. Рассмотрен СГ как элемент СУ по отклонению, по возмущению и комбинированной системы автоматического управления. Обоснована перспективность применения элементов СУ СГ с гармоническим возбуждением.

Отмечена основная трудность реализации элементов СУ с гармоническим возбуждением, которой является измерение главных возмущений. Обоснована необходимость использования косвенных методов измерения возмущений, в частности с помощью режимных координат, сильно'зависящих от возмущений. В качестве режимных координат используется в основном третья гармоника магнитного потока. Для анализа применимости различных элементов СУ СГ с гармоническим возбуждением необходимо провести анализ возможности применения других режимных координат.

В качестве элементов СУ с гармоническим возбуждением могут быть использованы СГ с переменным коэффициентом полюсного перекрытия (а). Для таких элементов необходима методика расчета режимных координат.

В СУ СГ с элементами гармонического возбуждения роль чувствительного элемента (ЧЭ) выполняет обмотка гармонического возбуждения. Не полно-

стью разработаны ЧЭ применительно к различным СГ: с вращающимися выпрямителями и а<0.7, типа "сексин".

Во второй главе впервые проведен выбор режимных координат СУ СГ с элементами гармонического возбуждения на основании расчетов поля полюсов и поля в межполюсном пространстве при холостом Коде и симметричной трехфазной нагрузке с различными коэффициентами мощности. Исходными требованиями при проектировании СГ с гармоническим возбуждением являются соблюдение ГОСТов как по перегрузочной способности так и по коэффициенту искажения формы кривой выходного напряжения выходного напряжения, а также обеспечение минимума массы СГ с СУ. Расчеты проводились на основании общего аналитического метода определения высших гармоник СГ при симметричной трехфазной нагрузке. При расчетах приняты следующие допущения: поле однородное, плоскопараллельное, влияние пазов и насыщения не учитывается.

Стабилизация напряжения осуществляется, когда V- я гармоника поля полюсов противоположна по знаку первой гармонике, что обеспечивает положительную обратную связь по возмущению при изменении величины и коэффициента мощности нагрузки.

1.5 1.2

0.9 0.6

0.3

0

-0.3

Ву

/ в,

/у я?

/

/

чУ

а

0.2 0.4 0.6 0.8 Рис.1 Поле под полюсом при равномерном воздушном зазоре

Амплитуда третьей гармоники поля отрицательна при а>0.667 и равномерном зазоре, ее можно использовать в качестве режимной координаты для СУ с элементами при а>0.667, пятая гармоника поля полюсов отрицательна в диапазоне а=0.4-г0.8 и может быть использована в качестве режимной координаты для СГ с 0.667(рис.1). Профилирование полюсов незначительно изменяет численные значения параметров, и режимные координаты можно выбирать при равномерном воздушном зазоре.

Используя впервые предложенную в работе методику, выполнены расчеты для элементов с переменным а. Необходимость проведеши таких расчетов обусловлена тем, что для ряда СГ коэффициент полюсного перекрытия а переменный и изменяется от сут у вершины до Оцмх у корня полюса (рис.2).

Ранее для таких элементов расчет амплитуды первой гармоники проводился по среднему значению а: а-ты +а»мх

аСР ="

(1)

где а = — ,Ь -величина полюсной дуги, г

Рис.2 Развертка поверхности СГ с переменным а

Однако такой подход дает погрешность даже при расчете первой гармоники и не подходит для расчета высших гармонических, амплитуда которых при изменении а изменяется не только по амплитуде, но и по знаку.

В данной работе впервые предложено для элементов системы управления такого типа определять значение амплитуды первой и высших гармонических составляющих на основании теоремы о среднем значении.

"ОТДХ

|В(а)Лх = ВтШ • (а^ -а^),

(2)

где Вш -среднее значение индукции на интервале;

В(а) - из выражений для первой II высших гармоник поля 1фи различных соотношениях зазоров под центром и краем полюсного наконечника.

В частности, для трапецеидального полюса относительное значение индукции при равномерном воздушном зазоре равно

V

V ;

8

тШ («шах "«пил)

СОБ-

- СОБ

' Т~У(3)

Для треугольного полюса

М'а^ 2 )

(4)

-и М аш«4 2 Результаты расчетов для элементов СУ СГ с переменным коэффициентом полюсного перекрытия и различных отношений зазоров под краем полюса 5с к зазору под центром 8о: 8*=5с/5о приведены на рис.3-5. 1

-0.4

0.2 0.4 0.6 0.8

Рис.3 Поле под полюсом при 5*<1 и переменном а

0.15

0.1 0.06

0 -0.06

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Рис.4 Поле в межполюсном пространстве при 8*=1 и переменном а

1.5 1

0.5 0

-0.5 -1

0.2 0.4 0.6 0.8

Рис.5 Поле реакции якоря при 5*<1 и переменном а

На основании проведенных исследований определено, что для СУ СГ с элементами гармонического возбуждения в качестве режимных координат воз-

мохсно использование третьей и пятой гармонических составляющих магнитного потока. Предложено бигармоническое возбуждение для элементов с электромагнитным возбуждением и а<0.667, и использованием в качестве режимных координат третьей и пятой гармоник магнитного потока, начальное возбуждение обеспечивается с помощью пятой гармоники, затем используется энергия третьей гармоники. Подтверждено, что при использовании элементов с гармоническим возбуждением с а>0.667 в качестве режимной координаты необходимо использовать третью гармонику магнитного потока. . Предложено применение бигармонического и гармонического возбуждения для элементов с постоянным и регулируемым потоком.

В третьей главе разработаны математические модели элементов СУ СГ с гармоническим возбуждением с постоянным потоком и регулируемым потоком.

Для элементов СУ СГ с гармоническим возбуждением относительное содержание у-ой гармоники поля при нагрузке равно:

Ещ _ [4 + *//(■»£ + %)] + + %) _*,(*, + %) Дц/

к-и.

В,

(5)

тжК=1¥г'Кнт, Щ -Кт *

В к!- амплитуда V- й гармоники реакции якоря по продольной оси,

Вамплитуда V- й гармоники поля полюсов,

Гц, хн - активные и реактивные сопротивления нагрузки,

хд - синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси.

Первый член уравнения показывает необходимое изменение возбуждения для компенсации реакции якоря по первой гармонике при постоянстве напряжения, при индуктивной нагрузке происходит увеличение тока возбуждения, а при емкостной - снижение, чтобы скомпенсировать размагничивающую в первом случае и намагничивающую во втором случае реакцию якоря. Второй член уравнения определяет действие режимной координаты СУ. При этом реакция

якоря по высшим гармоникам зависит от знаков коэффициентов поля полюсов и реакции якоря.

При чисто активной нагрузке: Е1

гп № + Для чисто индуктивной нагрузки: Еу _хд+хн В^ з хч в«

В1 2 9 В,

(6)

(7)

К-их хн В, 2 хн В, Для элемента СУ СГ с гармоническим возбуждением и постоянным потоком относительное содержание V- й гармоники поля при нагрузке равно: _ ДУ/ , ХЧ{ХЧ+ХН) В^д

(8)

С помощью математической модели впервые определена статическая ошибка регулирования СУ СГ с элементами гармонического возбуждения. Для элементов стабилизированной частоты вращения £2=0, статическая ошибка регулирования определяется только активной и реактивной составляющими нагрузки:

и.= - (Рз+Р5)рн -(Оз +<25)Хн, (9)

где Рз, ,<2з ,05 - коэффициенты компаундирования по активной и реактивной составляющей нагрузки для третьей и пятой гармоник соответственно;

Получено, что статическая ошибка определяется различием воздействия реакции якоря по первой и высшим гармоникам. Данная СУ значительно снижает воздействие возмущений на выходное напряжение СГ.

В четвертой главе рассмотрены основы проектирования и расчета ЧЭ СУ с гармоническим возбуждением. Роль ЧЭ выполняют обмотки гармонического возбуждения, обеспечивающие получение полезного сигнала, пропорционального возмущающему воздействию. Основной особенностью ЧЭ гармонического возбуждения является выделение сигнала режимной координаты из общего

магнитного потока, обмотка выполняется с числом пазов на полюс и фаз; Ъ 2

2ф|Ш, 2ргтг

, которое может быть меньше единицы, угол между двум:

соседними пазами у2„ =

2лур,

.Сформулированы основные принципы по

строения ЧЭ гармонического возбуждения:

1) обмотку гармонического возбуждения необходимо выполнять с обмоточны* коэффициентом для основной гармоники Кцч=0 и максимальным для выделяе мой: КцтУ=тах.

2) Расчеты обмоточных коэффициентов, особенно с Ц[<\ и дробным числом па зов на полюс и фазу, лучше всего могут быть проведены на основе построениз звезды пазовых ЭДС. Обмоточный коэффициент обмотки гармонического воз буждения для V- й гармошки поля равен:

1

^юту ~~г

|;(±1п)5ш(п-1)у2

_п-1

Пп\

л-1

для основной гармоники потока

¿(±1п)со5(п-1)у2

(10)

К,

1

Вп|

Е(±1п)8ш(п-1)уи

2 г +

¿(±1п)со<п-1)у2|

(И)

На основании этих принципов разработана методика расчета, а также рассчитано распределение проводников обмотки гармонического возбуждения на третью и пятую гармоники, а также совмещенная обмотка бигармонического возбуждения.

В пятой главе описаны разработанные и изготовленные макеты элементов СУ СГ с гармоническим возбуждением, приведены результаты экспериментальных исследований элементов с постоянным потоком и регулируемым потоком. Для проверки математических моделей элементов с постоянным потоком изготовлен макет на базе преобразователя ПТ-500Ц с постоянными магнитам* и постоянным коэффициентом полюсного перекрытия без полюсных наконеч

+

п»1

ников. Математическая модель СГ с переменным а экспериментальна проверена на макете с постоянным потоком возбуждения и переменным коэффициентом полюсного перекрытия ПТО-300/500КС.

Экспериментальная проверка математической модели элемента СУ с гармоническим возбуждением с регулируемым потоком и переменным а проводились на макете системы управления, созданном на базе преобразователя ГГГ-1500 ("сексин").

На основании экспериментальных исследований при регулируемом потоке и переменном а при работе на нагрузку с индуктивным и емкостным коэффициентом мощности определены знаки высших гармоник относительно первой. Реакция якоря по третьей гармонике при индуктивной нагрузке намагничивающая и размагничивающая при емкостной. По пятой гармонике реакция якоря совпадает по знаку с реакцией якоря по первой гармонике, то есть размагничивающая при индуктивной и намагничивающая при емкостной нагрузке. Для бигармонического возбуждения результат определяется совместным действием двух гармоник.

Практически реализованы различные типы ЧЭ СУ: обмотки гармонического возбуждения, рассчитанные на третью, пятую гармонику, исследованы обмотки бигармонического возбуждения.

Экспериментально подтверждено, что для элементов с переменным а содержание гармоник в поле определяется средним значением для всего диапазона изменения коэффициента полюсного перекрытия.

Экспериментально подтверждено, что для СУ с элементами гармонического возбуждения и а>0.667 в качестве режимной координаты необходимо использовать третью гармонику магнитного потока, а для элементов с а<0.667 предложено бигармоническое возбуждение, с использованием в качестве режимных координат третьей и пятой гармоник магнитного потока. Предложено также для элементов смешанного возбуждения применение бигармонического и

гармонического возбуждения, с использованием в качестве режимных координат третьей и пятой гармоник.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Обоснована перспективность применения элементов СУ с гармоническим возбуждением.

2. Проведены выбор и обоснование режимных координат СУ и установлено, что для элементов с а>0.667 в качестве режимной координаты может быть использована третья гармоника магнитного потока, а для элементов с а<0.667 и постоянным и регулируемым потоком предложено бигармоническое возбуждение, с использованием в качестве режимных координат третьей и пятой гармоник.

3. Установлено, что для расчета режимных координат СУ СГ с элементами гармонического возбуждения при переменном коэффициенте полюсного перекрытия может быть использована разработанная методика расчета.

4. Разработаны математические модели элементов СУ СГ с гармоническим возбуждением при постоянном и регулируемом потоке, позволяющие проводить исследования при работе на нагрузку с различными коэффициентами мощности и определить статическую ошибку риулирования.

5. Предложено применение элементов с бигармоническим возбуждением для создания автономных источников питания.

6. Разработаны различные типы чувствительных элементов гармонического возбуждения, рассчитанные на третью и пятую гармонику, бигармониче-ского возбуждения для различных типов СГ.

7. В результате экспериментальных исследований подтверждена достоверность разработанных математических моделей и установлено, что применение элементов СУ СГ с гармоническим возбуждением позволяет создать автономные источники питания для питания нагрузок различной величины и коэффициента мощности.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Исследование комбинированных систем регулирования синхронных генераторов. Исследование косвенных методов измерения возмущений.Ч.1: ' Отчет о НИР (промежуточ.)/ ВНТИЦентр; Руководитель Куляпин В.М.- № ГР 01940008015; Инв. № 2960002933.-М., 1995.-50с.: ил. (разработка методического обеспечения, проведение расчетов).

2. Утляков Г.Н., Бовтрикова Е.В. Статика и динамика комбинированных систем регулирования напряжения авиационных генераторов // Электротехнические системы транспортных средств и их роботизированных производств: Тезисы докл. научн.-техн. конф. с междунар. участием - Суздаль, 1995-С.50-51.(разработка математической модели элементов систем).

3. Утляков Г.Н., Куляпин В.М., Бовтрикова Е.В. Комбинированные системы регулирования авиационных синхронных генераторов // Теория и проектирование систем автоматического управления и их элементов: Межвузовский научный сборник/ Уфимск.гос.авиац.техн.ун-т.-Уфа,1996.-С.128-131.

4. Utlyakov G.N., Bovtrikova E.V. Autonomous Supply Sources with Compound Harmonic Control Systems// On The Third International Conference New Energy Systems And Conversions.-Kazan, Rossia, September, 1997. P.I69-172.

5. Бовтрикова E.B. Системы гармонического управления синхронных генераторов // Информационные и кибернетические системы управления и их элементы: Тезисы докл. науч.-техн. конф. Уфа: УГАТУ, 1997.-С.300.

6. Исследование комбинированных систем регулирования напряжения синхронных генераторов. 4.1: Отчет о НИР (заключит.)/ВНТИЦешр; Руководитель Куляпин В.М.-№ГР 01940008015; Инв.№ 2960002933.-М., 1997.-58с.: ил.(проведение и автоматизация экспериментальных исследований, сравнение расчета и эксперимента).

7. Утляков Г.Н., Куляпин В.М., Бовтрикова Е.В. Комбинированные системы регулирования напряжения синхронных генераторов. -М.: МАИ, 1998.-223 с.



УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

БОВТРИКОВА Елена Владиславовна

ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С ГАРМОНИЧЕСКИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Специальности 05.13.05 - элементы и устройства

вычислительной техники

и систем управления 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы, включая их управление и

регулирование

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор И.Х.Хайруллин Научный консультант кандидат технических наук, доцент Г.Н.Утляков

УФА 1998

ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С ГАРМОНИЧЕСКИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 7

ГЛАВА 1. ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО

УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ 11

1.1 Элементы систем автоматического управления синхронных генераторов 11

1.1.1 Элементы системы автоматического управления

по отклонению ц 11

1.1.2 Синхронный генератор как элемент системы автоматического управления по возмущению 14

1.1.3 Особенности комбинированных систем

автоматического управления 16

1.1.4 Математическая модель синхронного генератора

как элемента системы автоматического управления 18

1.2 Элементы систем управления

с гармоническим возбуждением 24

1.2.1 Обзор публикаций 24

1.2.2 Синхронный генератор как элемент системы

управления с гармоническим возбуждением 31

1.3 Особенности применения различных типов

элементов с гармоническим возбуждением 34

1.3.1 Генераторы с вращающимися выпрямителями 35

1.3.2 Генераторы с внутризамкнутым магнитопроводом 38

1.3.3 Генераторы смешанного возбуждения 41

1.4 Цели и задачи исследований 42

ВЫВОДЫ 44 ГЛАВА 2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМНЫХ КООРДИНАТ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С ЭЛЕМЕНТАМИ ГАРМОНИЧЕСКОГО

ВОЗБУЖДЕНИЯ 45

2 Л Реализация принципа гармонического возбуждения 45

2.2 Расчет магнитного поля под полюсом при любой геометрии воздушного зазора

2.3 Расчет магнитных полей в синхронных генераторах

с переменным коэффициентом полюсного перекрытия 49

2.4 Поле под полюсом 51

2.5 Поле в межполюсном пространстве 57

2.6 Поле реакции якоря 59

2.7 Поле реакции якоря в межполюсном пространстве 64 2.8 Режимные координаты систем управления синхронных генераторов

для различных элементов с гармоническим возбуждением 66

2.8.1 Генераторы с вращающимися выпрямителями 66

2.8.2 Генераторы типа "сексин" 67

2.8.3 Генераторы смешанного возбуждения 67 ВЫВОДЫ 68 ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭЛЕМЕНТОВ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

С ГАРМОНИЧЕСКИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ 70

3.1 Математическая модель синхронного генератора 71

3.2 Математическая модель обмотки гармонического возбуждения 83

3.3 Статическая ошибка регулирования 89 3.3.1 Расчет статической ошибки регулирования 93

3.4 Условия инвариантности системы управления 99

ВЫВОДЫ 102 ГЛАВА 4. ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

С ГАРМОНИЧЕСКИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ 103

4.1 Общие положения 103

4.2 Варианты реализации систем управления с

элементами гармонического возбуждения 104

4.2.1 Элементы с гармоническим возбуждением 105

4.2.2 Элементы с раздельным бигармоническим возбуждением 105

4.3.3 Элементы с бигармоническим совмещенным возбуждением 106

4.2.4 Элементы с вращающимся полем 106

4.3 Элементы с гармоническим возбуждением 107

4.4 Методика расчета чувствительных элементов 109

4.5 Расчет обмоток гармонического возбуждения 113 ВЫВОДЫ 115 ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ЭЛЕМЕНТОВ С ГАРМОНИЧЕСКИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ 116

5.1 Описание макетов элементов 117

5.2 Постоянный коэффициент полюсного

перекрытия без полюсных наконечников 118

5.3 Переменный коэффициент полюсного

перекрытия, когтеобразные полюса 124

5.4 Тип "сексин" 130

5.5 Постоянный и регулируемый поток 141 ВЫВОДЫ 142 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 143 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 144 ПРИЛОЖЕНИЯ 150

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Основные величины

А - плотность тока линейная, В - индукция магнитная, cos ф - коэффициент мощности, F - магнитодвижущая сила, / - частота колебаний, Не - сила коэрцитивная, / - ток,

М - индуктивность взаимная,

т - число фаз,

р - число пар полюсов,

Р - мощность активная,

Q - мощность реактивная,

R, r - сопротивление активное,

S - мощность полная,

Т - постоянная времени,

U - напряжение электрическое,

W- энергия электромагнитная,

w - энергия электромагнитная удельная,

х - сопротивление реактивное,

8 - воздушный зазор,

s - проницаемость диэлектрическая,

0 - угол между продольной осью ротора и осью фазы А,

¡л - проницаемость магнитная,

Хн - относительное изменение реактивного сопротивления,

рн - относительное изменение активного сопротивления, Ф - магнитный поток,

Ф - угол сдвига фаз между напряжением и током, ¥ - угол сдвига тока относительно продольной оси ротора. К ¡у - обмоточный коэффициент

Нижний индекс

а - для обозначения контура якоря,

А,В,С,Ы - фазы первая, вторая, третья, нейтральный провод, <1,ц - продольная и поперечная оси, /- для обозначения контура возбуждения, к - короткого замыкания, т - амплитудное значение, N - номинальный, о - холостого хода,

0,1,2 - нулевая, прямая и обратные составляющие, 1,2,3,,..,у - номера гармоник, Г - обмотка гармонического возбуждения,

Верхний индекс

' - переходные величины, " - сверхпереходные величины,

(1), (2), (3) - однофазное, двухфазное и трехфазное короткое замыкание.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Повышение требований к качеству вырабатываемой электрической энергии приводит к необходимости разработки новых элементов систем управления (СУ) с улучшенными характеристиками. Для систем электроснабжения синхронный генератор (СГ) является объектом управления -элементом системы автоматического управления. Перспективным направлением развития элементов СУ является разработка СГ с гармоническим возбуждением.

В последние годы возрос интерес к использованию энергии высших гармонических магнитного поля для возбуждения и регулирования напряжения СГ. Известны СГ с возбуждением от третьей гармоники магнитного поля, они имеют улучшенные показатели по массе, габаритам, себестоимости и надежности по сравнению с системой фазового компаундирования, позволяют получать эффект саморегулирования, так как при изменении нагрузки обеспечивается характер изменения тока возбуждения, близкий к регулировочным характеристикам СГ.

Основной трудностью на пути создания элементов СУ СГ с гармоническим возбуждением является определение возмущений, для чего используются косвенные методы, например, режимные координаты, сильно зависящие от возмущений. Для анализа целесообразности применения тех или иных элементов в системе управления необходимо провести выбор и обоснование режимных координат СУ с элементами гармонического возбуждения.

В качестве элементов СУ СГ с гармоническим возбуждением могут быть использованы СГ с переменным коэффициентом полюсного перекрытия (а). Основное достоинство таких элементов - высокая надежность. Они легко выдерживают высокие температуры перегрева, допускают высокие окружные скорости, имеют малый расход меди на обмотку возбуждения. Для использования СГ с переменным а в качестве элементов СУ с гармоническим возбуждением необходима методика расчета режимных координат СУ. Необходимо оценить

возможность применения СГ с переменным (а) в качестве элементов СУ с гармоническим возбуждением. Для оценки качества стабилизации напряжения уже на этапе проектирования нужны математические модели элементов СУ с постоянным и регулируемым потоком.

При проектировании СГ основным требованием является соблюдение ГОСТа по качеству электроэнергии в установившихся и переходных режимах работы, необходимо разрабатывать элементы с улучшенными техническими характеристиками, с меньшей массой и габаритами. Поэтому разработка методик расчета и совершенствование существующих элементов СУ СГ, а также разработка методов оценки применимости элементов с гармоническим возбуждением для систем управления является актуальной научно-технической задачей.

Актуальность темы подтверждается тем, что диссертационная работа проводилась в соответствие с протоколом о намерениях между УАПО и УГАТУ, и с договорами АП-ЭМ-64 ОЗ за 1995-1997 г., НЧ-НЧ-91-98 ОЗ.

Целью данной работы является разработка методик расчета, математических моделей и методов оценки применимости различных элементов системы управления синхронных генераторов с гармоническим возбуждением, и их техническая реализация.

Для достижения указанной цели решены следующие задачи:

1. Разработка математических моделей и методик расчета элементов СУ с гармоническим возбуждением.

2. Анализ возможности применения различных типов элементов СУ с гармоническим возбуждением.

3. Выбор и обоснование режимных координат СУ и анализ возможности применения режимных координат, кроме третьей гармоники магнитного поля.

4. Разработка методики расчета режимных координат СУ СГ для элементов гармонического возбуждения с переменным коэффициентом полюсного перекрытия.

6. Разработка чувствительных элементов гармонического возбуждения.

7. Техническая реализация элементов СУ СГ с гармоническим возбуждением, экспериментальные исследования, сравнение расчетов с экспериментами.

Методы исследований. Теоретические и численные исследования проведены с использованием метода конформных отображений, аналитического метода расчета магнитных полей, метода суперпозиции. При разработке программного обеспечения и моделирования на ЭВМ использованы вычислительные комплексы "Matchad 7.0 Professional", "Mathematica 2.2".

Научная новизна результатов работы заключается в следующем.

1. Разработана математическая модель элементов с гармоническим возбуждением при постоянном и регулируемом потоке.

2. Впервые предложена методика выбора режимных координат СУ СГ с элементами гармонического возбуждения, в которой учитывается изменение коэффициента полюсного перекрытия элементов.

3. Установлено, что в известной ранее СУ возможно использование в качестве режимной координаты не только третьей, но и пятой гармоники магнитного потока.

4. Предложены элементы с бигармоническим возбуждением.

5. Обоснованы условия и способы применения известных ранее элементов с гармоническим возбуждением в качестве элементов с бигармоническим возбуждением.

Практическую ценность имеют:

1. Разработанная математическая модель элементов СУ с гармоническим возбуждением при постоянстве потока возбуждения для проектирования автономных источников электропитания;

2. Методика выбора режимных координат СУ для элементов с переменным коэффициентом полюсного перекрытия;

3. Методика определения статической ошибки регулирования СУ СГ с элементами гармонического возбуждения;

4. Применение элементов с бигармоническим возбуждением при постоянном и регулируемом потоке возбуждения в составе автономных источников питания средней мощности;

5. Условия и способы применения известных ранее элементов с гармоническим возбуждением в качестве элементов с бигармоническим возбуждением.

Реализация результатов работы. Материалы и результаты диссертационной работы используются Сарапульским электрогенераторным заводом для анализа выходного напряжения при проектировании на предприятии синхронных генераторов различных модификаций (с вращающимися выпрямителями, смешанного возбуждения), а также государственным предприятием Уфимским агрегатным производственным объединением при разработке и изготовлении на предприятии бензоагрегатов и электроагрегатов. На защиту выносятся:

1. Методика определения режимных координат СУ СГ с элементами гармонического возбуждения;

2. Методика определения режимных координат СУ с элементами гармонического возбуждения при переменном коэффициенте полюсного перекрытия;

3. Математические модели элементов с гармоническим возбуждением при постоянном и регулируемом потоке, при нагрузке с различными коэффициентами мощности;

4. Принципы построения и конструкции чувствительных элементов гармонического возбуждения, рассчитанные на третью и пятую гармонику, бигармонического возбуждения для различных типов СГ;

5. Результаты экспериментальных исследований элементов с гармоническим возбуждением.

ГЛАВА 1. ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

В настоящей главе на основании проведенного анализа существующих элементов систем автоматического управления синхронных генераторов и выделения особенностей синхронного генератора как элемента системы управления формулируются цели и задачи исследований.

1Л Элементы систем автоматического управления синхронных генераторов 1ЛЛ Элементы систем автоматического управления по отклонению

Одной из основных составляющих дальнейшего развития систем управления является изыскание новых принципов физической реализации её элементов [1].

Для энергетических систем элементом системы автоматического управления - управляемым объектом является синхронный генератор (СГ)[2].

Для выработки командной информации в виде выходного электрического сигнала, изменяющегося во времени по тому или иному закону регулирования и предназначенного для воздействия на процесс, предназначены электрические регулирующие устройства [1]. Выходными величинами являются токи и напряжения генератора [2].

Системы автоматического управления по отклонению представляют собой замкнутый контур, образованный объектом и управляющим устройством [3]. При этом управляющее устройство создает обратную связь вокруг объекта, связывая его выход со входом. Замкнутые САУ называются поэтому системами с обратной связью или системами управления по отклонению. Эти системы могут обеспечить принципиально неограниченную точность управления и представляют собой основной тип САУ.

Примером элемента системы автоматического управления по отклонению является бесконтактный СГ с вращающимися выпрямителями (рис. 1.1) [4].

Рис. 1.1 Синхронный генератор как элемент системы управления по отклонению

СГ с вращающимися выпрямителями представляет собой каскадную систему, состоящую из трех электрических машин : основного генератора | с вращающимся явнополюсным индуктором классического типа, синхронного возбудителя П с вращающимся якорем и с полюсами (когтеобразного или радиального типа) на статоре, трехфазного магнитоэлектрического подвозбудителя Щ. Роторы всех трех машин находятся на одном валу. Питание обмотки возбуждения основного генератора происходит от трехфазного возбудителя через вращающийся выпрямитель. Регулирование напряжения производится с помощью регулятора в цепи обмотки возбуждения возбудителя. Обмотка возбуждения возбудителя питается от подвозбудителя через выпрямитель [4].

Возбудитель П - шестифазный СГ со встроенным однополупериодным выпрямителем [5]. Обмотка возбуждения кольцевая, заключена в магнитную систему, состоящую из двух литых магнитопроводов с когтеобразными полюсами, число полюсов 12. Для обеспечения линейной характеристики системы регулирования возбудитель выполняется ненасыщенным, с линейной характеристикой холостого хода. Это приводит к увеличению массы возбудителя. Кроме того на габаритную мощность возбудителя оказывает влияние и схема выпрямления вращающихся выпрямителей.

Подвозбудитель Ш представляет собой трехфазный магнитоэлектрический генератор с ротором типа "звездочка". Трехфазная обмотка расположена на статоре. Переменное напряжение 40 В частотой 800 Гц подается на блок регулирования напряжения (БРН) и через выпрямитель на обмотку возбуждения возбудителя [5].

Генераторы с вращающимися выпрямителями характеризуются высоким использованием материалов, имеют малый вес и габариты, обладают большой перегрузочной способностью, позволяют обеспечить хорошую форму кривой напряжения [4]. Использование магнитоэлектрического подвозбудителя обеспечивает надежность возбуждения СГ. Применяемая система возбуждения обеспечивает хорошие условия регулирования напряжения. Мощность управления мала. Возможность выбора высокой частоты для подвозбудителя (1600 Гц) и возбудителя позволяет значительно уменьшить вес регулятора напряжения и обеспечить быстрое протекание переходных процессов [4].

К недостаткам СГ с вращающимися выпрямителями можно отнести сложность конструкции, наличие вращающихся кремниевых выпрямителей, а также большую постоянную времени системы регулирования напряжения [5].

Принципиальным препятствием улучшения качества управления этим элементом САУ является большая постоянная времени обмоток возбуждения. Применение быстродействующих транзисторных регуляторов не уменьшает

существенно длительность переходных процессов, так как качество переходных процессов определяется уже постоянными времени обмотки возбуждения возбудителя и гене