автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Разработка маховичного вентильного автономного генератора

:ическш институт

На правах рукописи

Ширинскиа Сергее Владимирович

РАЗРАБОТКА МАХОВИЧНОГО ВЕНТИЛЬНОГО АВТОНОМНОГО ГЕНЕРАТОРА

пэциалъностъ 06.09.01 - "Электрические машины"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой . степени капдацата технических наук

Москва 1993

Работа вшолвена па кафедре Элэктрсмеханики Московского энергетического института

Научные руководитель - доютр технических наук,

профессор КУЗНЕЦОВ В.А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор БУТ Д.А. - кандидат технических наук ПАПС P.P.

Ведущее предприятие - ГОКБ "Горизонт" (г. Москза)

Защита диссертации состоится "fS" 1993 года i

аудитории в YС? час. Ос> мин. на заседани

спзцизлкзиро ванного совета К 053. I 8.04 , Московской

энергетического института

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверению течатью организации, просим направлять по адресу: 105835, ГСП, Москва, Е-250, Красноказарменная ул., д. 14, Ученыа Совет МЭИ.

С диссертационной работой иокно ознакомиться в научное библиотеке института.

Автореферат разослан и^и-у J993 r.

Ученья секретарь /

специализированного совета '¿Уф^ — И.М. Бе седин

. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ~ ---------------

Астуальность работы. В настоящее время электромеханические инерционные накогоггели энергии находят широкое и все возрастайте применение в технике и промышвэнноз технологии. Они применяются для аварийного обеспечения электроэнергией ответственных потребителей, в частности, вычислительных цзнтров, летательных аппаратов, аэропортов и медицинских учреждения. Кроме того, подобные накопители энергии находят примопопиа в электросистемах с явкопирачвшшм импульсным характером злоктропотребления дяя покрытия пиковых нагрузок.

Накопление энергии в электромеханическом накопителе происходи- в роторах-маховиках. Разгон ротора-маховика и ого торможение осуществляется при помощи электрической машины. Для получения высокой эффективности преобразования энергии и повышения надежности агрегата в электромеханических накопителях энергии применяют бесконтактные электрические машины, работающие через вентильный преобразователь. Одним из часто использускых вариантов бесконтактно?, электрической машины является синхронная машина с копьеобразным ротором.

Такио машины обладают рядом существенных качеств: способностью нормального Функционирования э условиях повышенных температур и пониженных давлений окружающая среда, в вакууме», при больших динамических перегрузках, в присутствии химически активных и взрывоопасных тащоств.

Разработка электрических машин для накопитолой энергии, поиск метода определения их основных параметров и расчета рабочих характеристик являются важной и актуальной задачей и сопряямпы с решением целого комплекса проблем: учет переменной частота вращения, исслэдованда машины в совокупности с выпрямителем и нагрузкой как единой энергетической системы, обеспечение непродолжительного временя расчета при достаточно высокой точности.

Существующие методики подобных расчетов характеризуются невысокой точностью И, как правило, рассчитаны на узкий класс мазин. Они не позволяют также рассматривать совместную работу машины с сетью конечной мощности. Новые же разработки.

- * -

гарзоткруптз высокую точность результатов, тробупг бмишх устшга го своему пркиакеша и пэрэдогйе.'ВШ к коакрзтному т шу олэктричоскоя магшны, 8 тага» значительных затрат кавшшого

ВрОЙЗНИ.

Цэдь работы закияавтся в исследовании ' злоктрич-эской нежны как узла злэктромеханичоского пакотпхзлп энергии, создании математической мололи и разработке вэтодики определения ©о внутренних параметров и основных робочиж характеристик с учетом оо совквстной работы с вентильным прообра зовзтэлои и с учетоа горемекяоа частоты врзэддия маховика.

Для дестивания поставленной шли в работе решены след/тсда задачи:

- выбор конструкции электрической машины в соответствии с требованидаи, накладываемыми' условиями и режимами работы агрогата, а также с требованиями к качеству выходной элвктроэноргиш

- разработка математической кодели совмэстно работающих зязетрическов машины, выпрямительного преобразователя и нагрузки при горошнноа скорости врадаяия>

- учет влияния вихревых токов, возншеащих в массивных полюсах, ва магнитное поле машины*

- оцэнка теплового состояния электрической иашшы в стационарных и нестационарных режимах работы >

- создайте алгоритма реализации ва ЭОД разработанной математическое модели и создание пакета прикладных программ

- провор« адекватности математической подели реальному объекту на основе комплексных теоретичес1ШХ и экспериментальных исследования опытного образца.

Метода исошювзеия. При выполнении работа использовались метода математического и физического моделирования. Для моделирования магнитного поля использован универсальные катод электромагнитного расчета. Исследование гореходных продоссов произведено численными катодами на ГОШ. Адекватность разработанной модели реальному объекту проверена при экспериментальном исследовании работы опытного образца веягткшгаго генератора. Достоверность методов исследования подтверждается хорошей согласованностью результатов

- г -

гксгоргашггалышх исслэдованиа с полученными теоретичоатаз< 'расчетами. ______________- - —

К зашито гтродстэешны слштатаэ полоявния:

маггематачоская иодоль электромеханического прзобразовяния энергии в система синхронный генератор -шнтилыша преобразователь - нагрузка!

- алгоритм расчета элзктрогдэханичвскиж продассов в этоа скстека при переменной скорости вращения маховика»

способ кардинального сокращения времени расчета переходных прошссов путем разделения во врегяжн чнсдшого интегрирования систокы дифференциальных уравнения я расчета каадого квазиустановившегося состояния магнитно» штц

- расчетная математическая модель электромеханического преобразователя энергии, реализованная на ЭВМ в вида пакета прикладных программ.

1. Разработана математическая модель электромеханического преобразователя энергии, включающая уравнения элнгтричоскоа кажташ, вентилъпого прэобразсвэтеля и нагрузки в терминах мгновенных значений.

2. В математической модели учтена пзрокаиная скорость врзвония маховика и шрэходнш процессы, обусловлэнниэ коммутацией вептагаа, а таю» реальное насьицан® частой магнитопровода машины.

3. Виюсто традиционных индуктивных сопротивлений в иатеиатическоа модели электрическое машины использованы нолваш зависимости потокосцешвниа контуров от токов этих контуров,что делает эту модель одинаково точноя во всех режимах работы, в том числа и при глубоких насыщениях.

4. При применении метода проводимосте« зубцовых контуров (универсального метода) для расчета магнитно« цепи электрической машины использована имитация взаимного перемещения сердечников втсто их реального перемещения.

5. Осуществлено разделение во времени ироцэссов численного интегрирования системы дифференциальных уравнения и расчета каждого квазиустановившегося состояния магнитно» цепи

- в -

синхронного генератора.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Разработанная математическая модель позволяет исследовать работу автономной энергосистемы, совэркзшеа совкостно работающие электрическую машину, венташшя преобразователь к нагрузку с учетом как быстрых переходных процессов, обусловленных коммутацией вентиле я. та;, и сущэстшннэ более медленных пэроходшх процессов, обусловленных тормоюниам ротора-маховика.

Подготовленные алгоритм расчета и соответствующий пакет прикладных программ для ПЭВМ являются промежуточным звеном САПР электромеханических накопителей зноргии. С их помощью учитываются динамические процессы в устройстве на стадии ого проектирования. Полностью САПР разрабатывается в ГОКБ "Горизонт-.

Апробация работы. Основные полокания диссертационной работы докладывались, обсувдались и получили одобрение на Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы электромеханики (к 100-летию изобретения трехфазного асинхронного двигателя)" г. Москва, 1989 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 научных работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоэт ип введшая, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация содержит 142 страгг.иЩ основного текста и 34 рисунка на 27 страницах. Список литературы на 13 страницах включает 119 наименовании.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность томатоси диссертации, определена основная цель и поставлены задачи, которые необходимо ронять для ее достижения.

В первой главе обоснован выбор конкретной структуры электромеханического прообразователя энергии и приводена оценка современного уровня теэрэтичоска: разработок кешжно вентильных систем.

В качестве рабочего варианта электрической машины рассматривается _синхронный генератор с каплеобразным ротором с внешнезамкнутьм магнитопроводом (рис. I) номинальной мощностью 5+15 кВт. Такие машины отличаются относительной простотой конструкции, обладают высокой надежностью, пониженной чувствительностью к внешним воздействиям, имеют предельные частоты вращения в случае заварки межполюсного пространства ротора немагнитной сталью свыше 20 ООО об/мин. Такие генераторы надежно работают в условиях высота температур (до 550"С) и пониженных давлений окружающей среды.

При выбора схемы выпрямления были учтены следующие критерии: расчетная мощность одного силового элемента, коэффициент использования генератора и уровень пульсации выходного напряжения. Первые два критерия обуславливают применение трехфазной мостовоа схемы выпрямления, гарантирующей наилучшее использование как выпрямителя, так и генератора. Для получения высокого качества выходного выпрямленного напряжения, необходимого потребителям • электроэнергии, использована параллельная работа нескольких выпрямительных мостов на общую нагрузку. Причем, оптимальное число параллельных мостов равно трем. Каждый мост соединен с. соответствующей трехфазной датлевоа обмоткой с числом пазов на полюс и фазу q 1.

Во второй главе предложено при рассмотрении совместно работающих генератора, выпрямителя и нагрузки для каждого из этих элементов применять независимые математические модели с собственной системой координат и собственным уровнем детализации. Решения, полученные по каждой модели, следует "сшивать" между собой в точках естественного взаимодействия элементов, т.е. на выходных зажимах генератора и выпрямителя. Граничными переменными при этом выступают токи и напряжения. В этой же главе подробно рассмотрено математическое моделирование электромагнитных и тепловых процессов в электрической машине.

В качестве основы для создания математической модели приняты классические уравнения равновесия напряжения контуров, записанные в терминах мгновенных значении, а также уравнение движения.

Для того, чтобы сократить число уравнений и избежать переменных коэффициентов в уравнениях, осуществлен пороход к

Рис. I. Синхронный генератор с когтеобразныы ротором и внешнезаыхнутны магнитоироводок.

I I I 1 I I I Г I 1 I I I | I Т I М Т I I I I I И I I I I I I м I Г П I I I I I I I I I I I I И М 1 М I I

1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50

Рис. 2.

Зависимость тотокосцэплокия «<г

и. с V ч ' Ч

г. ¿,=о.з, < =0; з. I, =о. а - 1 =-1, б - < =о, Б - 1 «л.

1*4 I ч я ч

осям При этом исходная система уравнения принимает вид

уравнений Парка - Горева, записанных для даух контуров статора - по ~ осям а и ч, обмотки возбуждения г и двух эквивалентных контуров демпрерноя обмотки на роторе ка и

Следует учесть, что переход к осям а,ч означает исключение из дальнейшего рассмотрения всех пространственных гармоник.

Система уравнений Парка - Горева содержит трансформаторную ЭДС и ЭДС вращения. Трансформаторная ЭДС может быть представлена как производная сложной функции потокосцепления, зависящего от токов всех контуров: а ♦ ТТ"

а ^ г

(I)

я * а < а ■Р <1 4. а * а 1

к л к к (

А ч. а •„ ' Я а «. + с! Ъ

4 ч г

Л ♦ а а * а 1

к к<1 к кЧ

Л 4 а Ъ а 1 А 1

к<1 кч

или в матричном виде: а

г

а ь

<1 «ч

а ь

а

Л t

а * кЛ

а с

а * кч

а t

а *.

а

а

« « ч • Л V ч а * ч * V а * ч * а ф ч * ч кч а ф ч

* О 1 ч о а а а * А Г ~ кч О 4>(

6 < л о к<Л д 1 ч а <ь 14 * 4. * "'ко * Ч. а 4 кч а * кЛ

д 4 а * кч а » ч а ф кЧ * V а * кч а * кч а 4 кч а * кЧ

"ЭТТ

с1 4

_ч

с1 1

Л I

~агт~

кч

~згхг

(2)

Матрица частных производных пота ко с цз шю низ по токам контуров представляет собой матрицу дифференциальных индуктивностей 11-Л1 • Анализ литературы позволил несколько

упростить матрицу Г 1_Л1 . Так в работах некоторых исследователей показано, что дифференциальные индуктивности, связанные с потокосцеплвниями демпферных контуров, могут быть заменены статическими ивдуктивностями, а некоторыми из них можно полностью пренебречь. При этом матрица г 1_д) принимает вид:

X

- га -

1Ц.1 =

0 Ф <3 в » в ф " 1

в ^ д * Ч а 1 ч О * ч 1 в * I ч 1

в 0 4 ч 0 1 - 1

'и а 4 _ а ч 'ка г

. (3)

а ы а кч

^Ч к<1 ^ кч

'г « 0

'.а М

0

Оставшиеся девять индуктивностоя упростить но удается ввиду их явно нелинейной зависимости от насыщения. На рис. 2 показано наиболее характерное семейство зависимостей потокосцэплэния обмотки возбуждения от тока при различных токах * ш, (в относительных единицах).

ч '

Поело подстановки выражения (2) в систему уравнения Парка - Горева, предварительно записанную в матричном виде, подучено следующее матричное уравнение:

и = СЯ] * + ГЦ] • где [К] = <и»д [Е.к,к,.кка.ккч] .

а I «1 с

Г о)

+ [О] ■*,

О -и Ы О

~ о]"

(4)

| (01 I

[0]

Дополнив (4) уравнением движения и уравнением связи между электрическими и геометрическими величинами, получают полную систему уравнений электрической машины. Входными величинами в неп служат напряжения на зажимах машины (напряжения демп1)ерных контуров равны нулю), а выходными величинами - токи обмоток.

Слодует отметить, что в рассмотренной математической модели элзкгрической машины отсутствуют традиционные параметры - индуктивные сопротивления. Вместо них использованы неявные зависимости потокосцзпления контуров от токов этих контуров, определяемые непосредственно из расчета магнитной дапи машины, а также сами потокосдапления (в ЭДС вращения). Это позволяет весьма точно воспроизводить электромагнитное состояние машины во всех режимах работы.

- н -

В процессе работы когтеобразкого генератора в стали его массивных когтеобразных полюсов возникает вихревые., токи. — которые -оказывают -демп$ирушэе'~ действие на магнитное поле машины. Здесь следует различать две проблемы.

1) Вихревые токи, порождаемые пространственными гармониками, заметно сникают магнитное поле дифференциального рассеяния. Для учета этого снижения достаточно провести два контрольных расчета магнитного поля машины в номинальном режима работы с учетом и без учета ветреных токов. В кавдок случае находят индуктивность дифференциального рассеяния, а их разность даст величину погрешности, котируя надо учесть в уравнениях при последующих расчетах без учета этих вихревых токов.

2) При работе генератора на вентильную нагрузку в машине возникают временные гармоники, которые также порождаю, вихревые токи в стали полюсов. Трехфазный мостовой выпрямитель создает наиболее существенные 5-ю и 7-е гармоники, которые имеют одинаковую частоту относительно вращающегося ротора, равную в-<" . Для учета наводимых вихревых токов можно ввести фиктивную демпферную обмотку, "стержнями" которой будут являться участки массивного полюса. Ширина этих участков должна определяться 0X81 :<а замещения магнитной цепи, а высота - глубиноя гтроттаовопия электромагнитной болы с чзстотог в-г .

Для расчета мэгштюя цепи синхронного копьеобразного генератора использован, так называемый, универеальный метод з-жпегромагаитного расчета (метод проводимостея зубцовьгх контуров). В качестве упрощения магнитная цепь рассматривается па протяжении лишь двух полюсных делений и, кроме того, препебрегаэтея перемещением сердечников друг относительно друга. Последнее справедливо только для машин со слабой зависимостью индуктивности само- и взаимоиндукции коптурюв по осям <1, ч от угла поворота ротора, что должно проверяться в каждом случае. Имитация перемещения сердечников осуществляется благодаря перемещению результирующих векторов тока и потокосдаплэния.

Ввиду сложности пространственного распределения магнитного поля копьеобразной машины его эквивалентная схема замещения состоит из двух частей, соответствующих продольному ¡1

подаречному сечению машины. Схема замещения содержит 242 ветви и 107 узлов. При этом стальные участки магнитопровода моделируются нелинейными . элементами с соответствующей характеристикой намагничивания, что позволяет учесть реальное насыщение отдельных элементов.

Для оценки теплового состояния генератора использован метод эквивалентных тепловых схем замещения. Для конкретного синхронного когтеобразного генератора с кольцевыми охлавдающими каналами разработана оригинальная тепловая схема замещения. Составлена программа расчета как установившихся, так и переходных процессов нагрева синхронного генератора.

В третьей главе осуществлен выбор способа моделирования вентильного элемента, составлена соответствующая математическая модель всего вентильного преобразователя и нагрузки.

В работе использовано моделирование полупроводникового вентильного элемента функциональным резистором, вольт -амперная характеристика которого содержит два прямолинейных участка, характеризующих открытое и закрытое состояния вентиля. Управление функциональным резистором осуществляется напряжением на нем.

• Система уравнений трехфазного мостового выпрямителя, использующая выбранный способ моделирования вентиля, имеет вид:

I 0 0 -I 0 0 0 0 0 1 4 *

0 I 0 I 0 I -I 0 0 1 I 0

0 0 I 0 0 -I 0 0 0 4 ■ 1 я

I 0 I 0 I 0 -I 0 0 4 0

-к, 0 -й- 0 0 0 0 X £ э = 0

0 -я, 0 -я, 0 0 0 1 о 0

К 0 0 0 -я, 0 0 -2 -I н 0

0 0 К. 0 -к. 0 0 -I -2 и * 0

0 0 0 0 0 0 'о и в -и н

Эта система уравнений имеет гибридную матрицу коэффициентов, содержащую как размерные, так и безразмерные коэффициенты. Входными величинами для решения системы уравнений

(5) являются мгновенные значения фазных токов генератора и напряжения на нагрузке, а выходными - напряжения на зажимах генераторами, ток нагрузки. Уравнения (5) записаны для случая соединения обмоток генератора в "звезду" и должны быть дополнены уравнениями связи с электрическими величинами математической модели генератора, записанной в осях ¿>ч> для организации "сшивки" получаемых решения.

Для обеспечения независимости математических моделей электрической машины, выпрямителя и нагрузки необходимо ггри рскейии системы уравнений (5) задаваться в общем случае произвольным напряжением на выходных зажимах выпрямителя и„. При отсм напряжении и известных фазпыг токах находят расчетное зпачзнш тока нагрузки Рассчитав при том же ин = и„ нагрузку машинно - вентильной системы получают реальное значение тока ¿н. Очевидно, что при правильном выборе ии должно соблюдаться неравенство <-н~1н < гдз с - допустимая

погрешность.

Таким образом, необходимым условием правильного определения напряжений на зажимах генератора является решение нелинейного уравнения

'«О = 0 <в>

с заданной погрешностью г. При этом будут получены и хггоросуюшио то'си в вентилях и в нагрузке. Решение нелинейного уравнения, данй и с неявной зависимостью Л1 от ин, является распространенной задачей и яе составляет труда.

Нагрузка кашинно -• вентильной системы моедт содержать несколько линейных и нелинейных элементов. В данной работа схема замещения нагрузки представлена одной эквивалентной ветвью, к которой приложено напряжение им. Наиболее распространенной активно - индуктивной нагрузке соответствует слодуюпдао урашюггке:

В четвертой главе предлотена методика совместного решения уравнений электрической машины, вентильного прообразоватоля и нагрузки, обоснован выбор конкретных методов численного и.гготркроьаикя систем дифференциальных уравнений и методов пешогтия систем пелиногкнх алгебраических уравнений, л тага®

- г г, -

рассмотрена программная реализация предложенной методики.

Полная система уравнении электромеханического преобразователя энергии представляет собой систему алгебро -дифференциальных уравнений. Поскольку аналитически решить такую систему уравнений невозможно, следует применять хорошо разработанные в послзднее время численные метода расчета.

Большинство методов численного интегрирования дифференциальных уравнений предполагает разбиение всего периода интегрирования на небольшие шаги, число которых может достигать нескольких тысяч, и расчет на каадом шаге правой части системы уравнений, записанной в нормальной форме Коши. Для этого приходится проводить расчет магнитной цэпи, а также расчет выпрямителя и нагрузки. Наиболее сложным звеном здесь является расчет магнитной цепи, требующий немало машинного времени. И он оказывается встроен в наиболее часто повторяющуюся часть алгоритма численного интегрирования. При этом длительность машинного расчета всего -переходного процесса может достигать десятков часов.

Для, кардинального сокращения времени расчета использовано разделение во времени процессов расчета квазиустановившегося состояния магнитной цепи на каждом шаге интервала интегрирования и процесса численного интегрирования системы дифференциальных уравнений. Это означает, что -предварительно для всех возможных комбинаций токов обмоток один раз рассчитывается магнитная цэпь и соответствующие потокосцепления обмоток, т.е. производится табуляция неявной функции готокосшпления от тока. Это относится к контурам статора по осям ч и ч и к обмотке возбуждения, поскольку потокосцеплвния демп1»рных контуров могут быть найдены через соответствующие ■статические индуктивности. Для получения упорядоченной табуляции предложено использовать три вложенных цикла, в каадом из которых происходит изменение соответствующего тока от - минимального значения до максимального <с учетом знака) с некоторым постоянным шагом. В самый внутренний цикл вложена программа расчета магнитной цэпи для заданных токов контуров и определения потокосцепления этих контуров. Результаты расчетов потокоешпюния удобно хранить в трехмерных матрицах, координаты которых соответствуют токам контуров. При выполнении

численного интегрирования вместо расчета магнитной допи для конкретных величин токов обмоток достаточно извлечь соответствующие значения иотокосдаплеиил из трехмерных матриц. ---------

что достигеотсп трехмерной интерполяцией.

Формула трехмерной интерполяции

Г(*,г/,2) = А.х + В V + С г + [)■* V + £ уг + Гг» +

+ о + тдпь(м^,му.Нг) , (8)

где иг. Н^. - номера отрезков, на которых лежит искомая точка, позволяет одновременно найти частные производные по '¡ром координатам:

* г] г4'-^ = л о у + г-г + о У г .

- в + э-г + Е-г + о-г-г, (9)

Д = С + Е у + Г + 0-5-у .

Поскольку частная производная потокосцэшюния по току контура есть дифференциальная индуктивность, то использование трехмерных матриц потокосдаплений позволяет заполнять матрицу дифференциальных индуктивностей с без использования

"з:ап-жзо дополнительных допущения и вспомогательных расчетов.

Традиционный методе м решения системы дифференциальных уравнений является метод Рунге-Куттз 4-го порядка. Однако этот метод неэкономно использует ресурсы компьютера. Колье прадоочпггельш-ми является многошаговые погода лдамса Бэиферта и лдамса - Маултона. С учетом местности рассматриваемой системы уравнений па практике £ л иеппльзован таю,-о многошаговый метод Гира в сочетании с алгоритмом автоматического изменения порядна метода и шага интегрирования.

Для расчета схемы замещения магнитной цепи принят метод узлоглтт потстталсв. При учете насыщения частая магнитопровода уравнения становятся нелинейными. Поскольку матрица коо^идаентов системы уравнений, записанной для схемы замещения магнитной цепи по универсальному методу, отличается высокой обусловленностью, то для решения системы уравнения применен мен »топ, тп~!;т:г ехглыидея нитод простой «ггэраиив.

''равно!!®? шляется оильно риз^даннея ¡¡¿трэда .проводимое 1 ей. в ней лишь 3% ЗЛйМЛНТОЯ явл.тктсп

до нулэ вши. Для сокращения занимаемой памяти иаанвы н исквочения операций с пуло вши элементами применены стциольвда способы гранения и обработки рвзрешшшх матриц. В результате время расчета одной схемы замещения удалось сократить в 30 раз.

Разработанные с использование» всех пэре численных катодов программные комплекс содержит вспомогательные подпрограмм я две основные программы: расчет табличное зависимости потокосцэплэниа от токов контуров и расчет переходных процессов. Последняя использовалась для определения рабочих характеристик вентильного генератора.

В пятой главе приведены результаты проверки адекватности разработанной математическое модели реальному объекту на основе сравнения теоретических и экспериментальных исследований опытного образца.

В качестве опытного образца использован синхронны» вентильный генератор с когтеобразным ротором, созданный на ка$. ЭЗЛА Московского энергетического института. Он полностью соответствует рассматриваемое в работе модели за исключение« маховика. Опытные генератор мощностью 240 Вт приводился во вращение'внешним двигателем с постоянное частотой вращения 3000 об/мин.

Дня сравнения были выбраны внутреншю параметры генератора, т.е. индуктивности само- и взаимоиндукции статорпых обмоток и обмотки возбуждения, а также характеристики: холостого хода, внешняя и регулировочная. Последние две характеристики вместе с экспериментальными значениями приведены на рис. 3. Сравнение результатов показало хорошее совпадение расчетных и экспериментальных значений.

Было проведено несколько расчетов переходного процессе при включении вентильного генератора на активную нагрузку при различных значениях сопротивления нагрузки н кинетического моменте инерции роторе - маховика. Не рис. 4 показан такой процесс, принявший колебательный характер.

Было проведено также качественное сравнение осциллограмм токов и напряжений генератора и нагрузки. Оно показало, что расчетные кривые получаются более гладов«, что связано, очевидно, с исключением «I рассмотрения пространственных гармоник при расчете магнитной из пи.

- r?-

Рис. 3,. Bramow и регулировочная характеристики опытного генератора,

¿.А

Рис. 4. Включение вентильного генератор • на активную нагрузку.

ЗАКЛОЧЕНИЕ

1. На основании результатов анализа бесконтактных ало ¡прически! машин постоянного тока обоснован рациональный вариант структуры электромеханического преобразователя энергии с повышенным качеством выходной электроэнергии на базе многофазных электрических машин с коггеобразным ротором и внешнезамкнутым магнитопроводом.

2. Разработана математическая модель агрегата, включающая уравнения электрической машины, вентильного преобразователя и нагрузки в терминах мгновенных значений.' Удалось совместить исследование машины совместно с сетью с высокой точностью представления самой машины.

3. Математическая модель электромеханического накопителя энергии учитывает переменную скорость вращения маховика и гороходоые процессы, обусловленные коммутацией вентилей. Математическая модель учитывает реальное насыщение частей магнигопровода.

4. В математической модели синхронной машины отсутствуют традиционные индуктивные сопротивления х^ и Хч- Вместо них использованы неявные зависимости потокосцзплений контуров от токов этих контуров в трехмерной системе координат Это позволяет исследовать с помощью данной математической модели различные режимы, в том числе и с глубоким насыщением.

5. Для расчета магнитной цепи машины использован универсальный метод электромагнитного расчета. Кроме того, практически осуществлено два упрощения ' этого метода, заключающихся в сокращении зоны расчета и имитации взаимного . поремещения сердечников вместо их реального перемещения.

в. Предложены пути учета влияния вихревых токов в массивных когтеобразных полюсах на магнитное поле синхронной машины.

7. Предложено и впервые осуществлено на практике разделение во времени процэссов численного интегрирования системы дифференциальных уравнений и расчета каждого КБозиустановившегося состояния магнитной цепи синхронного когтеобразного генератора. Это привело к принципиальному сокращению времени расчета переходного процесса.

- Î9-

8. Подготовлены алгоритм и прогрз^а одаккй теплового -состояния синхронного генератора с коггеобразным ротором с использсвзгйкм оригинальной тепловой схемы замещения.

9. На базе предложенной модели разработав алгоритм расчёта электромеханических процессов в преобразователе энергии, реализованная в пакете программ для персонального компыотера.

10. При численной реализации алгоритма расчета использованы эффективные алгоритмы кодирования и обработки разреженных матриц, способствую®© значительному сокрадапию времени расчета.

11. Осуществлен? проверка здоквзтноети разработанной: матензптаскоа модели реальному объекту иа основании сравнения теоретических и экспериментальных исследований опытного образца как по внутренним параметрам, так и го основным рабочим характеристикам. Получено хорошее совпадение результатов.

Основные положения диссертации опубликованы а следующих работах;

1. Новикова Е.Л.. Ширинския C.B. Расчет синхронпого генератора с когтеобразными полюсами цепным методом с учетом насыщения стали. // Всесоюзная конференция "Современные проблемы электромеханики <к lQO-лзтоа изобретения трехфазного асинхронного двигателя)": Тезисы докладов - И.: МЭИ. - 1989. -C.I92.

2. Кузнецов В.А.. Ширинсюи C.B. Расчет установившихся режимов электрических машин на основе универсального катода в проекциях яз оси i к ч. // Межвузовский сборник язучных трудаз. Иваново. - 1990. - С.44-49.

3. Кузнецов В,Л., Ширинскиа C.B. Математическое модэлфованиз и машинный расчет переходных процессов синхронных машин. // Труды МЭИ. - 1992. - Вып. 658. - C.II-I7.

4. Кузнецов В.А., Ииринский C.B. Моделирование переходных процессов в синхронных машинах с использованием универсального метода расчета полей и процессов и особенности ого численноя реализации. // Межвузовский сборник научных трудов. Иваново. -1992. - С.гв-31.

П-.,,.,,,^,,,,, Л^ jC0__Сj

l'u I т|>»||чн Ч:->|| M