автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Синхронные и асинхронизированные генераторы автономных систем электроснабжения (системы возбуждения, разработка и применение)

//гб

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ '

РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ /У^

На правах рукописи

ЧИТЕЧЯН ВИГЕН ИВАНОВИЧ

УДК 621.313.32

СИНХРОННЫЕ И АСИНХРОНИЗИРОВАННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ (системы возбуждения, разработка и применение)

Специальность 05.09.01 - Электрические машины

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

кГ сччо С

с-с

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ЧИТЕЧЯН ВИГЕН ИВАНОВИЧ

УДК 621.313.32

СИНХРОННЫЕ И АСИНХР0НИЗИР0ВАННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ (системы возбуждения, разработка и применение)

Специальность 05.09.01 - Электрические машины

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

Работа выполнена в Ереванском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте им. К.Маркса и в Армянском научно-производственном электромашиностроительном объединении НПО "Армэлектромаш".

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие

доктор технических наук, профессор ИВАНОВ-СМОЛЕНСКИЙ A.B.

член-корреспондент Академии Наук СССР, доктор технических наук, профессор ДАНИЛЕВИЧ Я.Б.

лауреат Государственных премий СССР, доктор технических наук, профессор РАДИН В.И.

- Всесоюзный научно-исследовательский институт электромеханики (г.Москва)

Задаа состоится "__ 1990 г. в_час. ;_

мин. на заседании специализированного совета Д.053.16.05 при Московском ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетическом институте по адресу: г.Москва, Красноказарменная ул. 17, ауд. _.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 105835, ГСП, Москва, Е-250, ул. Красноказарменная, й, совет МЭИ.

Автореферат разослан

1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета Д.053.16.05,к.т.н.,доц.

.Н. Сергеенков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОШ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Автономные системы электроснабжения (АСЭ) широко применяются в народном хозяйстве страны. АСЭ общепромышленного применения используются в сельском хозяйстве, связи, дорожном строительств'е, автомобильном транспорте и незаменимы для потребителей, расположенных вдали от центральных энергосистем. Передвижная автономная энергетика является составной частью энергетической базы оборонного потенциала страны. Велика ее роль в создании мобилизационных ресурсов на особый период, при проведении восстановительных работ после стихийных бедствий.

Составной частью большинства АСЭ является электрический генератор. Характерные эксплуатационные и производственные требования и связанные с этим существенные особенности расчетно-теоретического характера выделили эти генераторы в отдельный класс электрических машин электрические генераторы автономных систем электроснабжения.

Ускорение научно-технического прогресса, развитие средств автоматизации, всеобщая комцьютеризация и электронизация промышленности, применение возобновляемых и нетрадиционных источников электроэнергии и связанные с ними расширение областей использования генераторов АСЭ общего применения вццвигают задачу как резкого увеличения производства серийных генераторов для указанных систем, так и разработки новых комплексов, содержащих системы возбуждения с современными электронными компонентами. В го же время отсутствие общей концепции и научно-методических тринципов в разработке и производстве генераторов АСЭ общего 1рименения приводит к необоснованному расширению номенклатуры генераторов, тормозит темпы роста их производства и промышлен-ios внедрение новых средств автономной энергетики.

Все это в условиях, когда производимая АСЭ электроэнергия эавна энергии вырабатываемой всеми гидрогенераторами страны, согда большая часть вырабатываемого в стране жвдкого топлива по-"ребляется средствами автономной энергетики, а единичная мощ-юсть генераторов колеблется от единиц до нескольких тысяч ки-[оватт, наносит значительный урон народному хозяйству страны, ¡следствие изложенного, развитие единого подхода к разработке i серийному производству генераторов АСЭ, создание научных ос-юв исследования и проектирования, а также повышение технико-

-экономических показателей и обеспечение условий для их промышленного освоения является актуальной научной проблемой, имеющей ватное народнохозяйственное значение.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Целью диссертационной работы является разработка научно-методических основ исследования и проектирования генераторов автономных систем электроснабжения с новыми электрическими схемами и конструкциями в системах возбуждения, в полной мере удовлетворяющих требованиям эксплуатации АСЭ, а также решение комплекса вопросов по их практической реализации и промышленному внедрению.

На основе этого определяются следующие главные задачи, решаемые в диссертации:

I. Анализ современного состояния и определение тенденций развития генераторов для АСЭ. Исследование и разработка эффективных конструктивных и схемных решений для генераторов с новыми системами возбувдения.

Z. Разработка теории и определение основных технических характеристик асинхронизированных генераторов применительно к их работе в АСЭ, разработка научных основ их проектирования.

3. Разработка методов расчета статических и динамических характеристик генераторов с новыми системами возбуждения.

4. Комплексная разработка системы математического обеспечения проектных работ с полной или частичной оптимизацией и расчетные исследования на ее основе.

5. Создание лабораторной базы, разработка методов экспериментального исследования. Разработка и исследование опытных образцов и промышленное внедрение генераторов с новыми системами возбуждения.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Новизна научных результатов диссертации заключается в следующем:

1. Созданы единые научно-методические основы исследования и проектирования синхронных и асинхронизированных генераторов АСЭ с новыми структурами систем возбуждения.

2. Разработана теория асинхронизированных генераторов АСЭ и обосновано научное направление по их использованию.

3. Получено математическое описание динамических режимов АСГ с векторным управлением при постоянной и переменной частотах вращения, синтезированы соответствующие законы управления.

4. Разработан метод оценки фильтрационных свойств генератора на форму кривой напряжения АСГ, работающего с переменной

частотой вращения.

5. Разработаны модели для анализа качества электроэнергии и типовых переходных процессов асинхронизированных генераторов АСЗ в заданном диапазоне изменения частоты вращения при различных законах управления и структурах регуляторов.

6. Показана эффективность использования метода проводимос-лей зубцовых контуров для анализа магнитного поля и параметров совмещенных электрических машин автономной энергетики.

7. Синтезированы основные законы управления самовозбуждаю-дихся АСГ автономных систем электроснабжения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Проведенные исследования позволили разработать:

1. Новые электрические схемы и способы возбуждения для синхронных и асинхронизированных генераторов автономных систем электроснабжения, защищенные патентами и авторскими свидетельствами.

2. Комплекс методик поверочных и оптимизационных электромагнитных расчетов синхронных и асинхронизированных генераторов и их систем возбуждения.

3. Рекомендации по выбору рациональных систем возбуждения СГ и АСГ автономных систем электроснабжения в зависимости от условий эксплуатации и других ограничивающих факторов.

Новые схемно-технические решения, обеспечивающие получение заданной- формы кривой выходного напряжения АСГ, работающего о переменной частотой вращения.

■ 5. Эффективные ускоряющие процедуры для численных расчетов магнитного поля в активной зоне СГ и АСГ. .

Полученные результаты были использованы при проектировании и разработке новых опытных и серийных образцов генераторов для АСЭ, а также применяются в учебном процессе Ереванс^гополи-техничесюго института в лекционных курсах и при выполнении дипломного проектирования.

Итогом этой многолетней работы явилось становление и развитие в Армении научно-технического направления по управляемым ма-шиновентильныы системам.

.РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Решение поставленных в работе задач позволило:

- разработать и внедрить в производство НПО "Армэлектро-маш" (г.Ереван) новую бесконтактную серию синхронных генераторов ОСБ с использованием вращающегося трансформатора;

- совместно с Московским электромеханическим заводом имени Владимира Ильича'разработать опытные образцы бесконтактных генераторов новой серии с вращающимися трансформаторами;

-.в содружестве с ЛВВИСУ (г.Ленинград), БЭМЗ (г.Баранча), заводом "Трансмаш" (г.Барнаул) разработать, изготовить и испытать опытно-промышленный образец асинхронизированного генератора мощностью 160 кВт;

- в содружестве с ЛВВИСУ (г.Ленинград), ПО "Звезда" (г.Ленинград), ВНИИЭ (г.Москва), ЛПЭО "Электросила" (г.Ленинград) разработав рабочий проект системы гарантированного питания с асинхронизированным генератором мощностью 630 кВт.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, методики электромагнитного расчета, алгоритмы и программы расчета использованы ВНИИКЭ, ВНИИЭ, ПО "Уралэлектротяжмаш", ЛВВИСУ в исследованиях и разработках синхронных и асинхронизированных автономных генераторов, а также в учебном процессе при подготовке студентов и аспирантов кафедры электрических машин ЕрПИ.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и материалы работы докладывались и обсуждались на 29 международных, всесоюзных, республиканских и вузовских конференциях, НТС и секциях технико-экономических советов Минэлектротехпрома.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения и результаты работы опубликованы в учебном пособии, 68 печатных работах, 23 отчетах НИР и защищены 18 авторскими свидетельствами, двумя патентами. Опытные и промышленные образцы генераторов демонстрировались на международных, всесоюзных и республиканских выставках: "Наука, техника и экономика Армянской ССР" (г.Хельсинки), Международная ярмарка (г.Будапешт), ВДНХ СССР и ВДНХ Армянской ССР.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Настоящий доклад является обобщением результатов комплекса НИР и ОКР, выполненных в 1972-1989 гг и направленных на обеспечение научно-технического прогресса в области электрических машин, используемых в автономных системах электроснабжения.

I. СИНХРОННЫЕ И АСИНХР0НИЗИР0ВАННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ДЛЯ АСЭ

1.1. Области применения и направления развития /1-4,7/

В развитие электрических машин систем автономного электроснабжения большой вклад внесли советские ученые Н.Я.Альпер,

В.В.Апсит, В.А.Балагуров, А.И.Бертинов, Д.Э.Брускин, Д.А.Бут,

B.А.Винокуров, А.Г.Иосифьян, М.М.Красношапка, Б.Н. Калугин ,

C.Р.Мизюрин, В.И.Радин, Л.М.Паластин, И.С.Сиднеев, А.А.Федосеев и др. Большинство исследований посвящено созданию различных типов электрических машин автономных систем электроснабжения специального назначения, для которых характерны малый объем выпуска и особые условия производства. В последнее время все более широкое применение находят автономные системы электроснабжения общего применения. Указанные системы используются почти во всех отраслях народного хозяйства, их крупнейшими потребителями являются агропромышленный и машиностроительный комплексы страны. Области применения таких генераторов охватывают электроагрегаты (стационарные, судовые, передвижные) и управляемые электромеханические системы (строительно-дорожные, транспортные и самоходные машины, ветроэнергетические установки и малые ГЭС, генераторы, работающие на статические преобразователи частоты и электро-машинно-разделительные агрегаты), системы бесперебойного питания ответственных потребителей,-в том числе современные вычислительные комплексы.

В автономных системах электроснабжения общего применения наиболее распространены синхронные генераторы нормальной конструкции. В последние годы стали применяться асинхронизированные генераторы, которые позволяют расширить функциональные возможности АСЭ. 'Анализ показывает, что потребность народного хозяйства в генераторах переменного тока для автономных систем электроснабжения к 2005 году удвоится и достигнет уровня 250 - 300 тыс. шт. в год.

Требования, предъявляемые к генераторам АСЭ, в основном определяются условиями их применения и являются весьма разнообразными и противоречивыми. Так, для генераторов передвижной энергетики характерны жесткие ограничения по массогабаритным показателям, а также высокие требования по сроку службы и обеспечению надежной работы в широком диапазоне климатических условий и повышенных механических нагрузок. Для генераторов, используемых в современных вычислительных комплексах и в специальных автономных системах, определяющим является требование к качеству электроэнергии. В ряде случаев условия эксплуатации исключают использование контактно-щеточного узла; Сложившаяся практика, при которой для каждого нового потребителя разрабатываются специально предназначенные для него генераторы, а их промышленное

освоение не приводит к полной замене устаревших, обусловила тенденцию постоянного расширения номенклатуры генераторов переменного тока. В результате в настоящее время имеются 32 серии синхронных генераторов, что технико-экономически совершенно неоправданно. В то же время в условиях постоянного расширения областей -применения существующее положение не позволяет создать единую серию генераторов АСЭ, одновременно удовлетворяющих всему многообразию потребительских требований.

Разработка генераторов с новыми электрическими схемами и конструкциями в их системах возбуждения позволяет предложить новый подход к разработке и выпуску в серийном производстве генераторов АСЭ, при котором широкий спектр требований реализуется на одном базовом исполнении генератора путем его комплектования соответствующими структурами системы возбуждения, оснащенными современными электронными компонентами. ■

1.2. Системы возбуждения /1-7/

Технический уровень генераторов АСЭ на всех этапах развития определялся выбором системы возбуждения. На основе классификации и анализа существующих вентильных систем возбуждения рассмотрены области применения их разновидностей. Отмечено, что большинство серийно выпускаемых отечественных синхронных генераторов используют принцип самовозбуждения и имеют контактно-щеточный узел (КК) (рис. I). Выявлено, что самовозбуждающиеся синхронные генераторы (ССГ), обладая высокими динамическими показателями, преимуществами в компоновке системы возбуждения и меньшими трудозатратами, уступают системам с независимым возбуждением по-массо-габаритным показателям. Переход в ССГ от систем возбуждения, использующих энергию основной гармоники поля, к системам с третьей гармоникой поля (генераторы серии ОС) позволил уменьшить общий вес системы на 10 - 15 Для потребителей, у которых применение контактно-щеточного узла неприемлемо, обоснована /1,3/ технико-экономическая эффективность создания бесщеточной модификации самовозбуждающегося СГ с использованием вращающегося трансформатора (ВТ) и вращающихся выпрямителей (ВВ) (рис. 2). Показано, что применением нетрадиционных методов электрического и магнитного совмещения, в частности использованием непосредственно на роторе энергии зубцовых гармоник магнитного поля /I/»можно дополнительно (на 15 - 20 %) снизить затраты активных

Рис./

рис. г

1 «

Рис.5

материалов в бесщеточном исполнении генератора.

Одновременно установлено /2-4/. что традиционные системы возбуждения синхронных генераторов не могут обеспечить возрастающие требования потребителей (нормальное функционирование дизель-генераторных установок на долевых режимах работы, работу при переменной частоте вращения, повышение требования к динамическим показателям и др.). В этих условиях развитие системы возбуждения синхронного генератора за счет изменения конструктивного исполнения обмотки ротора, введение в ее цепь регулируемого преобразователя частоты (ПЧ) (рис. 3) и обращение тем самым синхронного генератора в асинхронизированный (АСГ) позволяют обеспечить изменение переменного тока возбуждения генератора по трем параметрам - амплитуде, частоте и фазе. Изменение тока ротора по частоте позволяет получить в АСГ стабильные выходные параметры электроэнергии при переменной частоте вращения, а изменение фазы тока возбуждения позволяет управлять фазой вектора ЭДС генератора, тем самым реализовать векторное управление. В дизель-генераторной установке применение АСГ позволяет перевести дизель в транспортный режим и обеспечить тем самым, значительное уменьшение расхода топлива, существенное увеличение моторесурса, качественно новое решение вопросов параллельной работы агрегатов, улучшение динамических показателей. Использование АСГ в системах бесперебойного питания позволяет уменьшить маховик за счет более глубокого выбега маховых масс. Рассмотрена эффективность применения АСГ в ветроэнергетических установках и малых ГЭС.

1.3. Новые конструктивные и схемные решения для

основных силовых элементов системы возбуздения

Для реализации нового подхода в производстве генераторов АСЭ и предоставления потребителю большого выбора вариантов систем возбуздения в зависимости от условий эксплуатации предложен ряд новых схемно-конструктивных решений этих систем.

1.3.1. Бесщеточные самовозбувдающиеся синхронные генераторы с вращающимся трансформатором. Исключение контактно-щеточного узла в самовозбувдаицихся синхронных генераторах связано с разработкой пристраиваемых устройств бесконтактной передачи.мощности (УБЛМ) с якорной обмотки генератора в обмотку возбузедения. Сохранение основных эксплуатационных качеств самовозбуждающейся системы при этом возможно лишь при использовании в ка-

гастве УБПМ вращающегося трансформатора. Несмотря на очевидную гростоту принципиальной схемы и высокие динамические показате-ш, несовершенство существующих конструкций ВТ, сложность тех-юлогии их изготовления, низкие энергетические показатели при-юли к тому, что при сравнительном анализе УБПМ вращающиеся ¡рансформаторы обычно не рассматривались. Предложена новая кон-¡трукция ВТ /8/, названная веерной с радиальными воздушными за-юрами и торцевым расположением обмоток (рис. 4). Магнитопровод ¡татора I с уложенной в кольцевой паз обмоткой 3 конструктивно ¡вязывается с подшипниковым щитом базовой машины. Магнитопровод ютора 2 совместно с его обмоткой насаживается на вал генера-:ора и вращается вместе с ним. Оба магнитопровода шихтуются в задиальном направлении из штампованных пластин электротехнически стали и армируются в виде неразборных конструкций соответ-¡твенно в корпусе статора 5 и ступице б.

Благодаря большой осевой длине радиальных зазоров 6, 8 значительно повышена их магнитная проводимость. Это приводит к уменьшению намагничивающего тока трансформатора в 2,5-3 раза по ¡равнению с известными конструкциями ВТ. В результате уменьшайся расход активных материалов, заметно повышаются КПД и коэффициент мощности. Размер торцевых зазоров 9 и 10 в несколько заз больше радиальных зазоров и малые осевые перемещения ротора ЗТ практически не влияют на значения параметров трансформатора. 1овая конструкция ВТ позволила заметно упростить технологию их 13Г0Т0ВЛ6ния, обеспечить высокие энергетические показатели, ¡табильность параметров при серийном производстве, высокую эк-гплуатационную надежность. Дальнейшие резервы в технологичности сонструкции ВТ - использование спеченных железоникелевых спла-юв /28,33/.

1.3.2. Бесщеточные системы возбуждения синхронных

генераторов с возбуждением от зубцовых гармоник поля

В бесщеточных ССГ, где требования по массогабаритньш пока-¡ателям (в частности, при жестких ограничениях в отношении дли-ш генератора) и простота в эксплуатации преобладают над каче-:твом вырабатываемой электроэнергии, перспективно применение :истем возбуждения, использующих энергию гармонических состав-[яющих магнитного поля, К таким системам относится бесщеточная

овмещенная система возбуждения, использующая энергию зубцовых " армоник магнитного поля (рис. 5). На статоре размещена трехфаз-:ая якорная обмотка (ОЯ), на роторе две обмотки: обмотка возбуж-ения (ОВ) с основной полюсностью /V и дополнительная обмотка ДО) с полюсностью Рж . Шаг катушки ДО определяется шагом зуб-,ового деления статора. При вращении в дополнительной обмотке вдуцируется ЭДС частотыЪубцовых гармоник магнитного поля, обу-!Ловяенных зубчатостью статора. Через блок вращающихся выпрями-'елей (ВВ) дополнительная обмотка замкнута на ОВ. Высокая час-•ота тока цепи ДО обуславливает необходимость включения в ее (епь компенсирующей емкости, что позволяет в определенной мере »беспечить регулировочные свойства системы. Преимущества указан-шх систем достаточно известны в совмещенных подвозбудительных устройствах крупных синхронных машин.

Использование энергии зубцовых гармоник магнитного поля фиводит к необходимости особого подхода к проектированию и кон-:труированию совмещенных возбудительных устройств. В /П-15/ 1редложены схемные решения по замене двух раздельных обмоток ротора с различными полюсностями на одну обмотку совмещенного ти-1а, что позволяет уменьшить затраты активных материалов и упростить конструкцию в целом.

1.3.3. Системы возбуждения асинхронизированных генераторов

АСЭ

Как и в синхронном генераторе, в АСГ реализуются оба принципа возбуждения. При независимом возбуждении для возбуждения основного генератора (ГО) энергия отбирается с вала первичного цвигателя, а источником питания преобразователя частоты является вспомогательная машина (ВМ) переменного тока - возбудитель. Дри самовозбулодении - энергия для возбуждения отбирается с якорной цепи ГО, а источником питания 114 является либо дополнительная обмотка на якоре, либо согласующий трансформатор. В обоих случаях система возбуждения АСГ должна обеспечить: изменение частоты на выходе ЯЧ по закону (¿¿»з^ ,(гдео1, - частота генератора; & —сО) Г - скольжение) ;ввдачу постоянного тока при нулевом скольжении; изменение порядка чередования фаз при переходе через нулевое скольжение; возможность изменения фазы напряжения на обмотке возбуждения ГО; возможность реверса мощности с ротора ГО начмл или в обмотку якоря генератора и глубокое ре-

гулирование напряжения на выходе ПЧ. К характерным особенностям относятся работа системы возбуждения в зоне нулевого скольжения при низких значениях напряжения, а также выбор частоты источника питания. Для.АСГ бесщеточного исполнения определяющим является выбор структуры и типа вращающегося ПЧ. Во всех случаях важной задачей является обеспечение требуемой формы выходного напряжения.

Решение указанных задач требует детального анализа различных структур систем возбуждения АСГ, совершенствования существующих и разработки новых схемотехнических решений. Нами предложены /18-24/,новые схемные решения для АСГ, в том числе бесщеточные системы. В ряде схем в качестве устройства бесконтактной передачи мощности предложено использовать вращающийся трансформатор. Дана оценка массогабаритных и энергетических показателей, качества -выходного напряжения системы.

2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

2.1. Параметры и характеристики синхронных генераторов с новыми структурами систем возбуждения /29-4^/

Традиционные системы возбуждения синхронных машин и их основные характеристики хорошо изучены. Их исследованию и методам расчета посвящено большое количество работ. Значителен вклад в развитие этих исследований советских ученых й.А.Глебова, Я.Б.Да-нилевича, Д.А.Завалипшна, С.И.Логинова, А.И.Лищенко, И.П.Копыло-ва и др. Однако при разработке систем возбуждения с новыми схемными и конструктивными решениями возникает необходимость в развитии существующих методов и проведении новых исследований.

2.1.1. Бесщеточная синхронная машина с кольцевым трансформатором

Создание бесщеточной модификации синхронных генераторов с использованием новой конструкции вращающегося трансформатора (ВТ) поставило задачу исследования электромагнитных процессов как в ВТ, так и во всей системе, а также разработку методики расчета индуктивных параметров ВТ.

В работах /32,65/ предложен приближенный метод для расчета проводимостей основных воздушных зазоров и путей потоков рассеяния, индуктивных.сопротивлений взаимоиндукции и рассеяния обмоток ВТ. Для этого воздушный зазор сложной конфигурации ВТ (рис. 5)

триводится к эквивалентному гладкому зазору введением расчетных коэффициентов и К^85 соответственно для продольного и

поперечного сечений. При этом, если ку - относительно простая функция продольных геометрических размеров трансформатора, то определение к^ в общем случае проводится численно методом проводимости зубцовых контуров, а для приближенных расчетов предлагается достаточно точная аппроксимация. С помощью коэффициентов к^5 и определяется полная магнитная проводимость воздушного зазора и соответственно индуктивное сопротивление взаимной индукции

где з „ ~ эквивалентная

длина выпрямленного зазора; ц^ - коэффициент формы кривой напряжения.

Определение индуктивных сопротивлений рассеяния обиоток ВТ проводится с использованием метода среднегеометрических расстояний

х.-Г.^Ц*.^). е>

где - среднегеометрические расстояния между сечениями обмоток, а 3„ и - сечений обмоток от самих себя. В /32/ получены все необходимые" выражения для расчета величин, входящих в выражения (I) и (2). Показана хорошая сходимость расчетных и экспериментальных данных.

2.1.2. Бесщеточная синхронная машина с совмещенным индукторным возбудителем

Исследование новых совмещенных возбудительных устройств /29,30/ определило необходимость детального изучения магнитного поля в зубцовой зоне. В работах /34-44-/ приведены результаты, полученные на разных этапах исследования магнитных полей в активной зоне электричесних машин методами гармонических проводи-' мостей, конечных разностей, проводимостей зубцовых контуров и дискретно-аналогового моделирования. Каждый из ■этих методов имеет свои преимущества, однако, как показал анализ, для рассматриваемого класса задач наиболее предпочтительны метод конечных разностей (МКР) и метод проводимостей зубцовых контур (МПЗК), разработанный в МЭИ А.В.Ивановым-Смоленским. Для наиболее общего случая расчета магнитного поля в зубцовой зоне с учетом двухсто-

ронней зубчатости, насыщения и взаимного перемещения дискретных обмоток применение МКР проводилось на основе разработанных нами эффективных ускоряющих процедур /40-42/. Показано преимущество вертикальной прогонки в сравнении с известным методом горизонтальной прогонки при расчете магнитного поля в активной зоне электрических машин. Доказано, что широко применяемый способ сшивания сеток расчетной области при определении магнитного напряжения в полосе сшивания сеток статора и ротора не обеспечивает однозначности решения и приводит к значительным погрешностям. Для обеспечения заданной точности расчета требуется резкое уве-линение числа узлов сетки. Предложен метод сшивания сеток генерацией дополнительных вертикалей, позволивший заметно уменьшить число узлов, что, в свою очередь, привело к существенному сокращению времени расчета. Разработанные алгоритмы расчета позволили создать пакет программ для расчета магнитного поля электрической машины с двухсторонней зубчатостью. Полученные результаты носят общий характер и могут применяться при расчете магнитного, поля электрических машин различных типов.

Применение МПЗК позволило наиболее эффективно решить задачу по расчету зубцовых гармоник поля воздушного зазора, используемых в качестве поля возбуждения совмещенного возбудительного устройства /29-31/. Рассмотрена область (рис. 5), образованная зубчатыми поверхностями сердечников. На одном из них в 21л пазах уложена трехфазная якорная обмотка, на другом размещены две обмотки - обмотка возбуждения, занимающая пазов, и дополнительная обмотка с шагом, равным зубцовому делению, уложенная в ( пазах. Решена задача расчетного определения ЭДС до-

полнительной обмотки вк и выполнено исследование влияния размеров зубцовой зоны на величину и форму кривой 6* . Реализован следующий алгоритм. Для принятой схемы обмоток по заданным токам параллельных ветвей ' определяются в матричной форме токи зубцовых контуров с точностью до постоянной

где - матрица, описывающая схему соединений обмоток;^ы]

- специальная квадратная матрица ранга ( + Для однозначного определения контурных токов и* к полученным значениям добавляются величины А 1м и д1Кг для токов статора и ротора соответственно /31/. Далее определяется матрица-столбец магнитного потока зубцовых контуров

Матрица магнитной проводимости

Л, • • •

записывается как

Здесь т - проводимость для потока взаимоиндукции между контуром к статора и контуром т ротора. Она определяется из расчета магнитного поля зубцового контура методом конечных разностей для различных взаимных положений сердечников при особых граничных условиях: ^и ~ проводимости пазового

рассеяния; Л* к. - собственная проводимость контура, равная

^ Л ь,гя . __—

< Потокосцепление дополнительной обмотки Ч^^сЗФ , где [с] - матрица, определяющая количество эффективных проводников, охватывающих зубцовый контур, входящий в данную ветвь. ЭДС параллельной ветви ДО определяется дифференцированием соответствующих потокосцеплений.

Многочисленные расчеты и анализ результатов, выполненный в критериальной форме, позволили дать рекомендации по выбору геометрических соотношений зубцовой зоны для получения необходимых-значений ЭДС дополнительной обмотки /30/.

2.2. Параметры и характеристики асинхронизированных генераторов АСЭ и основных элементов систем возбуждения

Основными элементами систем возбуждения АСГ (рис. 3) являют ся источник питания и статический преобразователь частоты, преоб разующий переменный ток источника питания в ток частоты скольжения. В отличие от синхронных машин, структурно более сложным системам возбуждения АСГ посвящено небольшое число исследований. Поэтому потребовалось выполнить комплекс теоретических работ по математическому описанию электромагнитных процессов как отдельных элементов комплекса АСГ, так и системы в целом, позволяющий

восполнить этот пробел и подготовить базу для разработки методов проектно-сопоставительных расчетов ACT с разными системами возбуждения А5-63/. В основу этих исследований легли основополагающие работы М.М.Ботвинника, Ю.Г.Шакаряна, В.И.Радина, Ä.E. Загорского, Н.Д.Торопцева, А.В.Орлова, В.Г.Еременко и других.

2.2.1. Электромеханические характеристики в установившемся режиме

Основные характеристики автономной системы электроснабжения при использовании в ней АСГ должны быть дополнены новыми зависимостями, названными электромеханическими и определяющими электромагнитные и энергетические процессы в системе при изменении частоты вращения ротора или скольжения. К ним предложено отнести зависимости напряжения Цц. , тока и коэффициента мощности cos^fjj. роторной цепи основного генератора, напряжения и+ь и тока источника питания, а также КПД всей системы от скольжения S • При этом скольжение может быть как независимой переменной, так и зависимой от активной нагрузки генератора (функциональное регулирование) /4-7/. Исследованы обе разновидности систем возбуждения (независимое и самовозбуждение), реализация которых возможна с применением различных типов преой разователей частоты (ПЧ1. Работы, выполненные во ВНШЗ и ЛВВИСУ, определили основные положения по выбору преобразователей частоты в системах ACT. Рекомендованы два вида ПЧ на базе циклокоммутатора с различным числом секций (ЦКП) и ПЧ на базе циклоконвертора, выполненного по мостовой схеме. В наших работа /3-6Л5-47,53/ рассматривается только первый вариант, к определяющим преимуществам которого относится инверсирование реактивной энергии и автоматическое изменение фазы напряжения возбуждения при переходе через синхронную скорость вращения , структурные схемы которого представлены на рис. б и 7.

Система независимого возбуждения (рис. б) состоит из основной машины (ГО) с симметричной трехфазной системой обмоток на статоре и на роторе, работающей в режиме генератора и вспомогательной синхронной машины (ВМ) с числом полюсов, совпадающим с числом полюсов основного генератора, работающей в режиме возбудителя. Расщепленная обмотка статора вспомогательной машины с помощью тиристорного коммутатора нулей (ТК), переключаясь в определенной последовательности, формирует на выходных тинах напряжение, основная гармоника которого совпадает по частоте с

vo

Рис.6

Рис. 7

частотой скольжения /4/. Рассмотрен вариант циклокоммутаторного преобразователя частоты, относящийся к классу ПЧ с непосредственной связью и искусственной коммутацией (Ш1ЧИ). Тиристорный коммутатор может быть выполнен на различное число пульсаций (2,3,6). В данной структуре выходная частота преобразователя получается автоматически равной частоте скольжения, при этом исключается канал регулятора частоты в системе.

Самовозбуждающаяся система возбуждения (рис. 7) включает в себя основной генератор (ГО), секционированный трансформатор (ТС), полупроводниковый преобразователь частоты циклокоммутаторного типа (ТК) и датчик положения ротора (ДП).

Математическая модель электромагнитных процессов АСГ включает описание процессов, протекающих как в отдельных элементах системы (ГО, ПЧ, ВМ, ТС), так и в системе в целом. При математическом описании установившихся процессов системы для основного генератора используются известные из теории асинхронизированной машины уравнения. Показано, что работа вспомогательной машины при независимом возбуждении и согласующего секционированного трансформатора при самовозбуждении в рассматриваемой схеме имеет ряд характерных особенностей. Точный расчет характеристик и парамет- . ров ВМ или СГ с учетом этих особенностей должен базироваться на фундаментальных исследованиях электромагнитных процессов в элек-тромашинно-вентильных системах и в общем случае приводит к сложным и громоздким вычислениям. Для проведения проектно-сопостави-тельных расчетов предложен упрощенный метод, заключающийся в том, что в системах независимого возбуждения вспомогательная машина с переменной частотой выходного напряжения (И - О приводится к машине с неизменяемой частотой включением на зажимы статора ВМ дополнительного сопротивления -^г . Расщепленная трехфазная обмотка статора ВМ, каждая фаза которой разделена на з*. отдельных частей с прерывистым несинусоидальным током ^ , эквивалентируется обмоткой с приведенным синусоидальным расчетным током . Принимается, что секции находятся в одинаковых условиях, а реакция якоря создается только первой гармоникой фазного тока якоря ВМ - Хм . В системах с самовозбуждением секционированный трансформатор приводится к обычному двух-обмоточному. При этом величины эквивалентной обмотки выражаются через исходные в соответствии с принципом инвариантности мощностей.

В обоих случаях уравнения основного генератора и источника

питания дополняются уравнениями, характеризующими их взаимные связи через преобразователь частоты. Для самовозбуждающихся систем вводятся дополнительные связи между системой возбуждения и статорной обмоткой основного генератора.

Полная система уравнений, характеризующих как отдельные силовые элементы АСГ, так и их взаимные связи, в нормальном установившемся режиме для первых гармонических составляющих токов и напряжений имеет вид

Основной генератор: ' -

, (з)

- О»

(5)

(6)

Система возбуждения:

Независимое возбуждение ^Цг = хг21ч')

, (7)

где оС, = 0 при <*} < о!,, и „Сц =3г при ,

' (II)

0^=2.(^-4^) при (л)<<й, и <Лх=гО при •

Самовозбуждение ( й, =. 1)г = I,ги ,Зг=.Хч-*1,)

чг.

к.- гсоь($ +

I = -—- р »

26 к, **

р^Ергссо^Г-—^

I. £

(18)

У

В уравнениях (3)-(19) величинам общепринятого обозначения, относящимся к статорной цепи основного генератора, присвоен индекс г , для роторных цепей ,- , а для аналогичных цепей -ЫЛ или ТС - ь • Индексом н обозначаются параметры нагрузки; ^^

- активное и индуктивное сопротивления каждой группы катушек секционированной обмотки; ~ приведенные к статорной обмотке основного генератора ток намагничивания и токи возбуждения основного генератора и вспомогательной машины; в*.- число пульсности преобразователя частоты; р*.- фазовый угол сдвига между напряжениями 1)г и Ц|. ; р* - угол пассивного состояния ключей при стабилизации выходного напряжения генератора методом широтно-импульсной модуляции.

С помощью системы приведенных уравнений определяются все расчетные величины, характеризующие электромагнитные процессы в асийхронизированнои генераторе. Аналитические выражения для электромеханических характеристик в системе независимого возбуждения получены в работе /3/. Для системы с самовозбуждением

основные законы управления по частоте коммутации получены в зависимости от углов сдвига и /45/.

2.2.2. Векторное управление и переходные процессы /48-50, 54-57/

В отличие от СГ, где регулируется лишь амплитуда напряжения возбуждения (скалярное управление), в АСГ возможно регулирование амплитуды и фазы напряжения возбуждения - векторное управление. Нами детально исследованы переходные процессы в системе с АСГ при векторном управлении Д8-50/. Дано математическое описание динамических режимов АСГ при векторном управлении для заданного диапазона измерения частоты вращения. Для анализа принята структура автономного АСГ с системой возбуждения, показанная на рис. 8. Здесь ИУТ - импульсный усилитель тока или преобразователь чаототы, работающий по принципу ШИМа; СИО - система информационного обеспечения, включающая датчик положения ротора (ДПР), дополнительную сигнальную обмотку на статоре генератора (ДСО), за-датчик частоты (34); РВУ - регулятор векторного управления, состоящий из трех преобразователей координат (ПК1-ПКЗ), четырех интеграторов ( ^ ), трех сумматоров и четырех динамических звеньев ( VI (р) ), формирующих основной закон векторного управления. Источником питания ИУТ может служить как вспомогательная машина на валу (независимое возбуждение), так и согласующий трансформатор (система с самовозбуждением).

Полная система уравнений для рассматриваемой структуры при общепринятых допущениях и обозначениях в системе координатных осей вращающихся в пространстве с произвольной частотой О», имеет вид:

, (20)

^^чЧх^Ч^-С^-^Т; , (22)

V = + ^ V (25)

rae tXr+i+x 3 tf, = ^irx+X4i4x .

%3= * * Ч3 , -ьХцНа •

Up¿ ) 4« cosS - СЧ^-Ч^' )VJ3 binT, (26)

ирр^-^Л^х^^-^-^^со^, (27)

• (28)

да ^«eHisTn^i+H'pCo^^i »

= Vj.coa - ^ V.h ЛД ,

Здесь ^»ijEp и^,^ - ЭДС и потокосцепления статора в :истеме неподвижных координатных осей и р> ; £ - величина ггла поворота ротора во времени; Мех ^»«j ~ Функции динамичес-сих звеньев по соответствующим каналам управления; ¡еличины уставок по потокосцеплениям и напряжению обратной связи; JpA и - сигналы, формируемые на выходе регулятора в сис-

теме координат d и ; Y - изменяющийся во времени угол час-юты скольжения; - коэффициент усиления импульсного усили-

теля тока.

Разработанная модель позволяет рассчитать переходные провесы системы при различных частотах вращения и различных струк-■урах регулятора, варьировать типы динамических звеньев. Как подзывает анализ, выполненный с помощью годографов векторов тока L к Lj и напряжений U и Up при векторном управлении удает-!Я довести фазовый сдвиг выходного напряжения генератора при пе-юходных процессах до минимума, а в некоторых случаях и полночью исключить, чем обеспечивается значительное улучшение дина-[ических показателей АСГ. Показано, что показатели качества пе->еходных процессов ACT существенно превосходят СГ. При этом для мучения одинаковых показателей в АСГ требуются в 1,8-1,4 раза еньше значения коэффициента форсировки напряжения возбуждения.

Разработанный алгоритм и программа расчета позволяют провести функциональный и параметрический анализ генератора и системы возбуждения, оценить эффективность векторного управления по отношению к скалярному управлению как при постоянной, так и при переменной частоте вращения.

2.2.3. Фильтрационные свойства и анализ формы кривой напряжения АСГ

Наличие в цепи возбуждения АСГ импульсного преобразователя в виде ПЧ непосредственно влияет на форму кривой выходного напряжения генератора. В работе /ъу нами рассмотрено влияние искаженных от ПЧ форм кривых входных напряжений Ц^Ю и тока обмотки возбуждения на выходные напряжение Уф и ток ¡Л4Л автономных АСГ. Проводится качественный анализ и выявляются границы, в пределах которых АСГ способен фильтровать или, напротив, усиливать входные искажения. Совместным решение:: уравнений генератора и нагрузки получены выражения для напряжений, токов, нагрузки и возбуждения генератора в зависимости от скольжения, номера гармоники напряжения (тока) возбуждения, характера нагрузки. Выявлено, что влияние параметров генератора на фильтрующие способности автономного АСГ с увеличением скольжения заметно ослабевает, а начиная с определенного значения, вообще не проявляется. Однако в рабочем интервале изменения скольжения (Лй14о.г.) эта зависимость явно выражена и позволяет в определенной мере влиять на форму выходного напряжения генератора соответствующим изменением параметров при проектировании. Установлено также, что с увеличением скольжения фильтрующие способности по напряжению ухудшаются, а по току остаются практически неизменными.

В дальнейшей работе исследовались пути улучшения гармонического состава кривых Ц^СО как путем использования электрических фильтров, так и за счет повышения выходной частоты источника питания. Проведена оценка различных законов при формировании 1)д. с использованием ШИМ. Предложены новые структурные схемы для АСГ /21-23/ с повышенными значениями выходной частоты источника питания. Для математического описания кривых напряжения отдельных элементов системы использовался метод переключающих функций кУО Выражение напряжения АСГ в относительных единицах в режиме холостого хода имеет вид

С-О^^п^^а^-^^ + Сгг-Ю^-^ } (29) где I] ^ть

и™,о м11

Здесь: 1 - номер фазы; Д^эЛ^ - относительная частота управления; - начальная фаза основной и высших гар-

моник. Знаки "1" определяют принадлежность величин к системам напряжения прямого и обратного порядка чередования фаз. Получены и в общем случае исследованы выражения для коэффициента искажения синусоидальности и коэффициента режекции гармоник.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ /30,32,45,49-55/

Основная задача экспериментальных исследований состояла в создании опытных образцов синхронных и асинхронизированных генераторов с рассматриваемыми системами возбуждения, в проверке принятых конструкторских, схемных и технологических решений, оценке допустимости принятых расчетно-теоретических положений, точности полученных расчетных выражений.

Простая и технологичная конструкция ВТ позволила разработать и выпустить партию опытно-промышленных образцов бесконтактной модификации синхронных генераторов серии ОС мощностью 4,8, 16,30 кВт. Испытания и эксплуатационная проверка показали дос-таторчно хорошее совпадение параметров ВТ с расчетами и работо-

способность системы возбуждения в установившемся режиме и при переходных процессах.

Экрпериментальные исследования на макетном образце синхронного генератора мощностью 5 кВт с бесконтактной совмещенной системой возбуждения, использующей энергию зубцовых гармоник магнитного поля, показали, что разработанная математическая модель адекватно отражает электромагнитные процессы и позволяет рассчитывать их с необходимой точностью.

В лаборатории управляемых машинно-вентильных систем ЕрПИ на основе выполненного комплекса расчетно-теоретических исследований была создана экспериментальная база, позволяющая проводить исследования автономных АСГ с различными системами возбуждения, в широком диапазоне изменения частоты вращения, с различными типами статических преобразователей и регуляторов напряжения. В лаборатории по разработанным программам и методикам были выполнены исследования автономных АСГ с независимым возбуждением на базе синхронных возбудителей с тиристорным циклокоммутатором. При анализе векторного управления использовался ПЧ с регулируемым током и со звеном постоянного напряжения, работающий по принципу широтно-импульсной модуляции. В системах самовозбуждения использовался шестисекционный трехфазный трансформатор и разработанный ше'стипульсный транзисторный преобразователь часто-. ты циклокоммутаторного типа. Мощность макетных образцов - от 2 до 5 кВт. Часть исследований проводилась на разработанных ЛВВИСУ установках мощностью 12 и 100 кВт, а также на опытно-промышленной установке завода "Трансмаш" (г.Барнаул) мощностью 160 кВт.

Экспериментальные исследования подтвердили работоспособность предложенных схемно-конструкторских решений. Они показали-хорошую сходимость расчетных значений с опытными данными.

.ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ "И РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ /59"68/

Проведение сопоставительных расчетов различных систем возбуждения, определение рациональной области их применения и исследование путей практической реализации рассматриваемых систем, возбуждения требует наличия методик проектирования, построенных на единой методологической основе с учетом специальных режимных и конструктивных особенностей и ограничений, выявленных на различных этапах теоретических и экспериментальных исследований.

Нами получены /61,62,66,67/ основные соотношения для проектирования ВТ с учетом характерных особенностей при его функ-

ционировании в системе возбуждения генератора. Сформулированы •требования и даны рекомендации по выбору электромагнитных нагру-1 зок, даны решения по согласованию параметров дополнительной обмотки и обмотки возбуждения. На основе полученных зависимостей и рекомендаций разработана методика электромагнитного расчета ВТ.

Методика электромагнитного расчета СГ с системой возбуждения, использующей энергию зубцовых гармоник магнитного поля /64/, отражает основные особенности, связанные с выбором зубцо-вой зоны статора, размещением дополнительной обмотки на роторе и определением ее параметров в режиме холостого хода и номинальной нагрузки. Методика позволяет проектировать систему с заданными регулировочными свойствами.

Электромагнитный расчет АСГ включает электромагнитные расчеты входящих в систему электрических машин (основного генератора и вспомогательной машины) и выбор силовых элементов преобразователя частоты» Основной генератор по конструктивному исполнению представляет собой асинхронную машину с фазным ротором, а по своим выходным характеристикам и режимным показателям - синхронный генератор. Эти качественные отличия требуют новых решений в методах проектирования АСГ и приводят к количественным изменениям при формировании ограничений. Так, проведенные нами исследования показали /51/, что для обеспечения значений плотности тока в обмотках якоря и возбуждения на уровне, предусмотренном заданным исполнением машины и системой охлаждения, поперечные размеры машины должны быть увеличены. Электромагнитные нагрузки могут быть выбраны такими же как и в'современных высокоиспользуемых асинхронных двигателях, а величину воздушного зазора необходимо выбрать средней между рекомендуемыми для асинхронных двигателей и синхронных генераторов той же выходной мощности и полюсности. Проектирование обмотки возбуждения осложнено необходимостью выполнения противоречивого требования по значениям напряжений в синхронном режиме и режиме максимального скольжения /58-59/; При проектировании источника питания обмотки возбуждения необходимо иметь в виду, что мощность возбуждения пропорциональна скольжению и существенно выше мощности возбуждения синхронного генератора. Напряжение и коэффициент мощности ВМ изменяются в широких пределах в зависимости от скольжения. При этом характер коэффициента мощности (индуктивный или емкостный) зависит от закона управления циклокоммугатора и меняется при переходе через синхронную скорость вращения. Секционирование обмотки статора вспо-

могательной машины приводит к увеличению расчетного тока секции. В самовозбуждающихся системах сложности аналитического характера требуют проведения итерационных расчетов; на первом этапе - при независимом питании трансформатора, а на втором - в режиме самовозбуждения.

Указанные особенности рассматриваемых систем возбуждения реализованы в разработанном комплекса расчетных методик, включающем методику электромагнитного расчета бесконтактной системы возбуждения синхронного генератора с использованием вращающегося трансформатора, энергии зубцовых гармоник магнитного поля, асин-хронизированных генераторов с независимым возбуждением и самовозбуждением и заложены в основу действующей системы математического обеспечения для проектирования синхронных и асинхронизи-рованных генераторов. Разработанный комплекс методик и алгоритмов электромагнитного расчета составлен таким образом, что позволяет проводить как поверочные расчеты на базе серийно выпускаемых машин переменного тока, так и оптимизационные расчеты при подключении соответствующих поисковых программ о полной или частичной оптимизацией.

Расчетные исследования /59,61-68/ проводились как для автономных синхронных генераторов, так и для асинхронизированных.

Для бесконтактных систем возбуждения с вращающимся трансформатором проведен анализ массогабаритных и энергетических показателей трансформатора в зависимости от частоты питающего напряжения и частоты вращения. Сравнительный анализ бесконтактных систем возбуждения с вращающимся трансформатором, синхронным и асинхронными возбудителями определил рациональную область применения ВТ в автономных энергетических установках. Доказано, что для бесконтактных синхронных машин мощностью до 100 кВт с частотой вращения 1000, 3000 и 12000 об/мин при частоте питания соответственно 50, 150 и 400 Гц устройство бесконтактной передачи мощности в виде кольцевого трансформатора имеет лучшие массога-баритные показатели по сравнению с оинхронным и асинхронным возбудителями.

Для систем возбуждения, использующих энергию зубцовых гармоник поля, радход активных материалов меньше на 12-15'^, чем в системе, использующей третью гармонику поля.

Расчетные исследования при проектировании автономно работающих асинхронизированных генераторов характеризуют два подхода: проектирование АСГ путем использования серийно выпускаемых про-

иышленностью электрических машин и разработка АСГ без привязки к существующим серийным машинам. Первый подход реализует принцип модульности, зависит от характера производства и его технологии; второй - оправдан при значительных объемах выпуска, при зоздании новых производственных мощностей. Рассматривались АСГ з независимой системой возбуждения и самовозбуждающиеся'генераторы. В обоих случаях принимался характерный для дизель-генера-горных установок диапазон изменения скольжения а = -0,2 и ли-яейный закон функционального регулирования.

Проектирование АСГ на базе серийных машин (мощностью от 8 50 630 кВт) показало, что при использовании в качестве базовой машины для основного генератора серийного асинхронного двигате-1Я с фазным ротором не требуется конструктивных переработок (в некоторых случаях изменению подвергается роторная обмотка, которая согласуется по напряжению с питающим ее ПЧ). Однако при этом имеет место недоиспользование габаритной мощности машины в 1ределах от 32 до 55 Малый воздушный зазор и конструкции обмоток асинхронного двигателя в ряде случаев обуславливают не-1риемлемое искажение формы выходного напряжения генератора. Применение в качестве базовой машины синхронного генератора приво-цит к меньшим потерям габаритной мощности (от 18 до 30 %). Геометрические соотношения его поперечного сечения более соответст-зуют режиму отдачи реактивной мощности, у них лучшая форма выгодного напряжения /55,64/. В то же время применение серийного ¡инхронного генератора для АСГ требует изготовления нового ин-1уктора. В системах с независимым возбуждением использование У1Я вспомогательной машины серийных синхронных генераторов связано с перепроектированием статорной обмотки, при этом недоис-юльзование габаритной мощности достигаот 20-35 % в зависимости >т числа секций статора и коэффициента фороировки системы воз-¡уждения. В целом, удельная масса электрических машин, входящих ! АСГ, при таком подходе в зависимости от мощности составляет: У1Я основного генератора - от 5,1 до 18 кг/кВт, для вспомога-:ельной мащины - от 6,2 до 22 кг/кВт.

Проектирование АСГ без привязки к существующим серийным шшнам показало, что массогабаритные показатели основного гене-)атора уступают показателям высокоиспользованных асинхронных ыа-ган на 6-10 %. Удельная масса оптимально спроектированных ВМ из-юняется в пределах от 5 до 16 кг/кВт. .Этот показатель сущест-1енно зависит от Б*, и при переходе от 2 к = 6 увели-

чивается в 1,3-1,8 раз.

Как показали расчетные исследования, в АСЭ, работающих при переменной частоте вращения, удельная масса АСГ в.1,4-1,7 раз, а удельный объем в 2-2,5 раза меньше, чем у синхронного генератора со.статическим преобразователем частоты (СГ + ПЧ). При этом суммарная масса электрических машин АСГ, спроектированных на базе серийных машин, на 10-12 % выше, а при свободном проектировании на 28-27 % меньше массы СГ, работающего на СПЧ. Преобразователи частоты в АСГ имеют в 1,6-2,3 раза лучшие мас-согабаритные показатели. Самовозбуждающиеся АСГ по удельной массе уступают (до 40 % при малых мощностях) системе с независимым возбуждением. В то же время свобода в компоновке элементов системы возбуждения позволяет сократить конструктивную длину агрегата в 1,5-1,8 раз, а отсутствие машинного возбудителя в 1,8-2,1 раз уменьшить длительность переходного процесса.

Заключение

Представленные в докладе теоретическое обобщение и анализ результатов работ автора направлены на создание высокоэффективных электрических генераторов автономных систем электроснабжения.

Основные научные и .практические результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований могут быть сформулированы следующим образом.

1. Разработаны научные основы исследования и проектирования синхронных и асинхронизированных генераторов автономных систем электроснабжения, позволяющие на единых принципах рассматривать различные схемы и способы возбуждения, определять. рациональную область их применения в зависимости от условий эксплуатации и типа производства.

2. Предложен новый подход к разработке и производству генераторов автономных систем электроснабжения, при котором широкий спектр эксплуатационных требований реализуется на одном базовом исполнении генератора путем пристраивания различных структур возбуждения, оснащенных современными электронными компонентами. Такой подход соответствует более эффективному использованию производственных мощностей и материальных.ресурсов, позволяет получить значительный народнохозяйственный эффект.

3. Разработаны новые электрические схемы и способы возбуждений синхронных и асинхронизированных генераторов АСЭ, в пол-

яой мере удовлетворяющие требованиям эксплуатации. Предложено в качестве устройств бесконтактной передачи мощности в генераторах АСЭ использовать новую конструкцию кольцевого вращающегося трансформатора с высокими технико-экономическими показателями.

4. Получено расширенное математическое описание установившихся и переходных процессов генераторов с различными системами возбуждения, на основе которого разработаны методики расчета параметров вращающегося трансформатора новой конструкции, совмещенного возбудительного устройства, электромеханических характеристик и динамических показателей асинхронизированных генераторов, работающих при переменной частоте вращения.

5. Разработана цифровая модель асинхронизированного генератора АСЭ с векторным управлением для заданной структуры регулятора напряжения, позволившая провести параметрический и структурный анализ отдельных элементов и системы в целом.

6. Предложен метод оценки фильтрационных свойств и анализа формы кривой напряжения асинхронизированного генератора АСЭ, позволяющий определить влияние структуры, схемы, способов формирования тока системы возбуждения, а также схемы и способа управления преобразователя частоты на качество вырабатываемой электроэнергии.

7. Осуществлен синтез основных законов управления самовозбуждающихся асинхронизированных генераторов, работающих при переменной частоте вращения. Получены законы управления по частоте коммутации преобразователя частоты, фазовому углу сдвига между напряжениями отдельных элементов системы.

8. Выполнена комплексная разработка системы математического обеспечения проектных работ. Проведены расчетные исследования на этой основе, которые позволяют сделать следующие основные выводы:

- устройства бесконтактной передачи мощности в виде вращающегося трансформатора новой конструкции в синхронных машинах при частотах вращения 1000 и 3000 об/мин и соответствующих частотах питания 50 и 150 Гц имеют при одинаковых энергетических показателях лучшие массогабаритные показатели;

- применение в АСЭ асинхронизированных генератороз мощностью Р„ 60 кВт, работающих с переменной частотой вращения <■

( ^«м/Пц!., = 1|5), вместо синхронных генераторов со статическими преобразователями частоты позволяет в 1,4-1,7 раз уменьшить относительную массу и в 2,0-2,5 раз удельные объемы элек-

трической части системы; 1>

- переход в АСГ к саыовозбухдаюциися системам позволяет i 1,5-1,8 раз уменьшить длину агрегата при одновременном ухудшении удельных показателей до 40 %;

- реализация векторного управления в АСГ уменьшает длительность переходного процесса в 1,8-2,1 раз во всем рассматриваемом диапазоне изменения частоты; при одинаковых с СГ динамических показателях в АСГ требуется в 1,4-1,8 раз меньший запас для форсировки возбуждения;

- на форму кривой выходного напряжения АСГ определяющим образом влияет величина скольжения - s , пульсность циклоком-мутаторного преобразователя частоты - s,. ; при этом коэффициент искажения синусоидальности прямо пропорционален S и обратно пропорционален St •

9. Полученные в работе научные результаты и выводы подтверждены экспериментально на различных макетах, опытно-промышленных и промышленных установках. Результаты экспериментальных исследований подтвердили корректность принятых допущений и достоверность разработанных методов и методик.

10. В результате проведенных исследований на НПО "Арм-электромаш" внедрена новая серия бесконтактных синхронных генераторов ОСБ. В разных стадиях разработки и промышленного освоения находятся серия бесконтактных генераторов для бензоаг-регатов, асинхронизированные генераторы для дизель-генераторных установок мощностью 160-315 кВт, асинхронизированные генераторы для систем гарантийного питания мощностью 630 кВт.

Основные положения диссертации опубликованы в работах

1. Читечян В.И., Оганян У.А., Гаспарян K.P. Некоторые схемы бесконтактного возбуждения автономных электромеханических систем // Промышленность Армении.-1983.-№7.-С. 35-38.

2. Читечян В.И., Орлов A.B. Выбор оптимальной структуры электромеханического преобразователя дизель-электрической установки И Автономные источники электроэнергии и их применение в народном хозяйстве: Тез. докл. Респуб. науч.-техн. конф. -Ереван, 1984. -С. 5.

3. Читечян В.И. Электромеханические характеристики асинхрони-зированной машины с независимым возбуждением // Электричество. -1988. - № 8. -С. 61-65.

4. Читечян В.И. Системы возбуждения автономных асинхронизиро-ванных генераторов J J Тр.-ин-та / ВНИИЭ. - 1988. - С. 74-79.

5. Читечян В.И., Бурвазян В.Г., Виксман A.C. Эффективность использования векторного управления для АСГ до 1000 кВт // Промышленность Армении. - 1987. - й 5. - С. 45-47.

5. Читечян В.И., Шакарян Ю.Г., Сафарян A.A. Машины двойного питания в автономных электромеханических системах // Электрические машины: Международная конференция. - Лозанна, 1984. - С. I068-I07I.

7. Читечян В.И., Дружинин П.В., Орлов A.B. Особенности преобразования энергии-В дизель-электрических установках и перспективы их совершенствования при использовании машин двойного питания // Автономные источники электроэнергии и их применение в народном хозяйстве: Тез. докл. Респуб. науч.-техн. конф. -Ереван, 1984. -С. 10.

J. A.c. 1146751 (СССР). Однофазный кольцевой вращающийся трансформатор /Читечян В.И., Оганян У.А., Демирчян Г.Г., Арутюн-ян B.C. - Опубл. в Б.И., 1985, № II.

». Патент 242953 (ГДР). Однофазный кольцевой вращающийся трансформатор / Читечян В.-И., Попов В.И., Гаспарян K.P., Гаспарян В.Р. - Опубл. в Б.И., 1987, № 31.

0.Патент 379706 (Австрия) / Читечян В.И., Оганян У.А., Демирчян Г.Г., Арутюнян B.C.- 1986.

1.A.с. 1264266 (СССР). Однофазная электромашинная совмещенная обмотка / Читечян В.И., Попов В.И., Гаспарян K.P. - Опубл. в Б.И., 1986, № 38.

2.А.с. 1279018 (СССР). Совмещенная обмотка электрической машины переменного тока / Читечян В.И., Попов В.И., Гаспарян K.P., Гаспарян В.Р. - Опубл. в Б.И., 1986, № 47.

3.А.с. 1332462 (СССР). Совмещенная обмотка бесконтактной электрической машины / Читечян В.И., Попов В.И., Гаспарян K.P., Гаспарян В.Р. - Опубл. в Б.И., 1987, № 31.

^.А.с. 1332463 (СССР). Совмещенная обмотка бесконтактной электрической машины / Читечян В.И., Попов В.И., Гаспарян K.P., Гаспарян В.Р. - Опубл. в Б.И., 1987, № 31.

5.А.с. 1332464 (СССР). Совмещенная обмотка бесконтактной электрической машины / Читечян В.И., Попов В.И., Гаспарян K.P., Гаспарян В.Р. - Опубл. в Б.И., 1987, № 31.

5.А.С. II7I952 (СССР). Автономный источник стабилизированной частоты / Читечян В.И., Орлов A.B., Дружинин П.В., Булат В.А.,

Шакарян Ю.Г., Хачатрян Н.Р. - Опубл. в Б.И., 1985, fe-29.

17. A.c. 1236579 ((¡¡ССР). Электромашинная однофазная совмещенная обмотка J Читечян В.И., Попов В.И., Гаспарян K.P.,

' Гаспарян В.Р. - Опубл. в Б.И., 1986, № 21.

18. A.c. 1257802 (СССР). Бесконтактный автономный источник стабильной частоты / Читечян В.И., Айрапетян A.C., Хачатрян Н.Р. - Опубл. в Б.И., 1986, № 34.

19. A.c. 1259467 (СССР). Асинхрониэированный синхронный генератор / Читечян В.И., Блоцкий H.H., Горнштейн В.Л., Кра-совский А.К., Плотникова Т.В., Ратников Д.С., Солодухо Я.Ю., Стрю'цков В.К., Хачатрян Н.Р., Шакарян Ю.Г. - Опубл. в Б.И., 1986, № 35. ■

20. A.c. 1283938 (СССР). Бесконтактная автономная система электропитания / Читечян В.И., Айрапетян A.C., Сафарян A.A., Хачатрян Н.Р. - Опубл. в Б.И., 1987., № 2.

21. A.c. I3I9229 (СССР). Бесконтактная автономная система электропитания / Читечян В.И., Айрапетян A.C., Сафарян A.A., Хачатрян Н.Р. - Опубл. в Б.И., 1987, № 23.

22. А.с.1319230 (СССР). Бесконтактный автономный электромеханический источник стабильной частоты / Читечян В.И., Айрапетян A.C., Галустян K.M., Сафарян A.A., Хачатрян Н.Р. -Опубл. в Б.И., 1987, № 23.

23. A.c. 1379937 (СССР). Автономная система электропитания / Читечян В.И., Шакарян Ю.Г., Айрапетян A.C. - Опубл. в Б.И. 1988, № 9.

24. A.c. 1032581 (СССР). Устройство для управления асинхронной машиной с фазным ротором / Читечян В.И., Бродовский A.C., Иванов EJ.C., Туровский В.Я., Хачатрян Н.Р., Шакарян Ю.Г. - Опубл. в Б.И., 1983, Иг 28.

25. A.c. I436I9I (СССР). Трехфазно-однофазная совмещенная электромашинная обмотка / Читечян В.И., Попов В.И., Попов С.В., Дошоян С.А. - Опубл. в Б.И., 1988, » 41.

26. A.c. I436I92 (СССР). Трехфазно-однофазная электромашинная совмещенная обмотка / Читечян В.И., Попов В.И., Попов С.В. Дошоян С.А. - Опубл. в Б.И., 1988, № 41.

27. A.c. 1476568 (СССР). Трехфазно-однофазная совмещенная электромашинная обмотка / Читечян В.И., Попов В.И., Попов С.В., Дошоян С.А. - Опубл. в Б.И., 1989, № 16.

28. Читечян В.И., Алиханян К.А., Арутюнян Ю.К. Рекомендации по проектированию магнитопровода из спеченных материалов // Состояние и перспективы совершенствования разработки и производства асинхронных двигателей: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. -М., 1985. - С. 38.

29. Читечян В.И., Гаспарян K.P., Айвазян-P.E. Синхронный генератор с совмещенным индукторным возбудителем // Электрические машины: Межвуз. сб. научн. тр. / Ереван, политех, ин-т, 1984. - С. 25-29.

30. Читечян В.И., Гаспарян K.P. Расчет ЭДС дополнительной обмотки бесконтактной синхронной машины с совмещенным индукторным возбуждением // Электротехника. - 1983. - № 8.

- С. 24-26.

31. Читечян В.И., Гаспарян K.P. Применение метода проводимос-тей зубцовых контуров к расчету бесконтактной синхронной машины с возбуждением от высших гармоник магнитного поля

/Др. ин-та / ВНИИКЭ - 1983. -'Т. 13. - С. 99-105.

32. Читечян В.И., Оганян У.А. Определение индуктивных параметров вращающегося трансформатора для бесщеточного возбуждения синхронного генератора // Электричество. - 1986. -

№ 10. - С. 17-20.

33. Исследование магнитных и электрических свойств железно-фосфорных сплавов методом планирования эксперимента / В.И. Читечяц К.А.Алиханян, Ю.К.Арутюнян и др. // Известия АН АрмССР. - 1987. - № 5. - С. 10-13.

34. Читечян В.И., Галустян K.M., Аджемян Э.Х. Гармонический анализ магнитного поля асинхронной машины при гладком зазоре // Тр. ин-та / Ереван, политех, ин-т - 1976. - Сер. Электротехника. - С. 65-69.

35. Читечян В.И., Мнацаканян М.С., Хачатрян Н.Р. Статическая модель магнитного поля в прямоугольной области зубец - паз электрической машины // Тр. ин-та / Ереван, политех, ин-т.

- 1974. - Т. 37. - С. 143-147.

36. Структурное математическое моделирование синхронных генераторов автономных систем электроснабжения / В.И.Читечян, Э.С.Фрнджбашян, М.С.Галстян и др. ^/Моделирование элек- . троэнергетических систем: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. - Баку, 1982. - С. 74-75.

37. Читечян В.И., Бояджян С.С. Эффективные ускоряющие процедуры для решения конечно-разностных уравнений // Автоматизация проектирования электротехнических устройств и

систем: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. -М., 1983.,

- С. 18-21.

38. Читечян В.И., Бояджян С.Г., Бояджян С.С. Исследование эффективности метода вертикальной прогонки при расчетах магнитных полей электрических машин // Электромеханика. -1984. - № И. - С. 19-23.

39. Читечян В.И., Бояджян С.Г., Бояджян С.С. К применению метода конечных разностей для расчета магнитных полей в ак-

• тивных зонах электрических машин // Электричество. - 1985. -tel. - С. 65-66.

40. Читечян В.И., Галустян K.M. Учет насыщения в процессе преобразования дифференциальных уравнений электрических машин с равномерным зазором // Тр. ин-та / Ереван, политех, ин-т.

- 1985. - Серия Электрические машины. - С. 45-50.

41. Читечян В.И., Фрнджибашян Э.С., Сафарян A.A. Дискретно-аналоговое моделирующее устройство для исследования магнитных полей в электромеханических системах // Проблемы нелинейной электротехники: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. - Киев, 1988. - С. 59-62.

42. Читечян В.И., Фрнджибашян Э.С. Моделирующие устройства для расчета нелинейных магнитных полей электрических машин // Проблемы нелинейной электротехники: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. -Щацк, 1984. - С. 31-33.

43.. Читечян В.И., Фрнджибашян Э.С., Галстян М.С. Структурное моделирование автономных электромеханических систем // Известия АН АрмССР. - 1988. - № 6. - С. 12-16.

44. Читечян В.И., Фрнджибашян Э.С. Аналогово-цифровое моделирование электромагнитных процессов в электрических машинах // Проблемы вибрационных систем и их автоматизация: Тез. докл. Республ. науч.-техн. конф. -Ташкент, 1983.

- С. 18.

45. Законы управления автономного асинхронизированного генератора со статической системой возбуждения / В.И.Читечян, С.А.Парунакян, K.M.Галустян и др. //Электричество - 1989.

- №> 9. - С. 80-84.

46. Читечян В.И., Галустян K.M., Айрапетян A.C. Автономные асиихронизированные генераторы // Современные проблемы электромеханики: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф.

- Москва, 1989. - С. НО.

47. Читечян В.И., Бурназян В.Г., Григорян А.О., Парунакян С.А.

Особенности электромагнитных процессов автономных асинхро-низированных генераторов JJ Известия АН АрмССР - 1988. -К» I. - С. 29-34.

В. Векторное управление динамическими режимами автономного асинхронизированного генератора / В.И.Читечян, В.Г.Бурназ-ян, К.М.Галустян и др. // Электротехника. - 1986. - tö II.

- С. 44-47.

Э. Переходные процессы электрических машин автономной энергетики: Учебное пособие / В.И.Читечян, В.Г.Бурназян, K.M. Галустян и др. - 1986. -Ереван. -132 с.

). Читечян В.И. Динамические режимы работы автономных асин-хронизированных синхронных генераторов // Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. -Днепродзержинск, 1985.

- С. 153.

[. Читечян В.И., Хачатрян Н.Р., Шакарян Ю.Г. Вопросы проектирования автономных асинхронизированных генераторов совместно с системой возбуждения // Опыт проектирования и производства электрических машин автономных электрических систем: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. -Ереван, 1985. - С. 97.

!. Читечян В.И., Шакарян Ю.Г., Арутюнян М.В. Автономный асин-хронизированный синхронный генератор с возбуждением от источника с высшими гармоническими ЭДС // Электричество. -1985. - № 9. - С. 28-32.

i. Читечян В.И., Арутюнян М.В., Шакарян Ю.Г. Влияние высших гармонических ЭДС цепи возбуждения на кривую напряжения ai тономного асинхронизированного синхронного генератора // Автономные источники электроэнергии и их применение в народном хозяйстве: Тез. докл. Республ. науч.-техн. конф. -Ереван, 1984. - С. 13.

. Читечян В.Й., Матевосян A.A., Сафарян A.A. Динамические показатели автономных асинхронизированных синхронных генераторов // Расчет и конструирование электрических машин и аппаратов: Межвуз. сб. научн. тр. / Ереван, политех, ин-т. -Ереван. 1984. -С. 68-73.

. Читечян В.И., Сафарян A.A., Матевосян A.A. Переходные режимы автономного асинхронизированного генератора с секционированным синхронным возбудителем // Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов: Тез. докл.

Всесоюзн. науч.-техн. конф. -Каунас, 1988. ГС. 54.

56. Читечян В.И., Загорский А.Е., Галустян K.M. Оптимальное проектирование асинхронных двигателей с заданными динамическими и энергетическими показателями // Автоматизированное проектирование электротехнических устройств и комплексов в автономной электроэнергетике: Тез. докл. Всесоюз. науч,-техн. конф. -Челябинск, 1981. С. 63.

57. Читечян В.И., Галустян K.M. Формирование оптимальных динамических режимов в частотно-управляемых асинхронных электроприводах с повышенным быстродействием // Проблемы оптимизации работы автоматизированных электроприводов: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. -Ленинград, 1986. - С.44-45

58. Читечян В.И., Айрапетян A.C., Хачатрян Н.Р. К анализу бесконтактных автономных асинхронизированных генераторов // Тр. ин-та J ВНИИЭ. - 1988. - С. 14-21.

59. Читечян В.И., Бурназян В.Г., Галустян K.M. Уменьшение пределов форсировки и массо-габаритных показателей системы возбуждения асинхронизированных генераторов // Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов: Тез. докл Всесоюз. науч.-техн. конф. -Каунас, 1988. - С. 25.

60. Читечян В.И., Григорян А.О., Айрапетян A.C. Электромеханическое преобразование энергии в автономных асинхронизированных генераторах // Электротехника. - 1989. - № 3. - С.21 -24.

61. Система возбуждения бесконтактных генераторов на базе генераторов ОС / В.И.Читечян, Г.Г.Демирчян, В.М.Давтян и др. // Опыт проектирования и производства электрических машин автономных электрических систем: Тез. докл. Всесоюз. науч,--техн. конф. -Ереван, 1985. - С. 83.

62. Читечян В.И., Оганян У.А. Определение параметров добавочной обмотки генераторов серии ОС при проектировании кольцевого трансформатора // Электрический транспорт: Межвуз. сб. на-учн. тр. / Ереван, политехи, ин-т. -Ереван,. 1984. -С. 126-130.

63. Читечян В.И., Айрапетян A.C., Хачатрян Н.Р. Бесконтактные системы возбуждения асинхронизированных генераторов на базе вращающихся кольцевых трансформаторов // Опыт проектирования и производства электрических машин автономных электрических машин автономных электрических систем: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. -Ереван, 1985. - С. 98.

.64. Читечян В.И., Гаспарян K.P. Проектирование дополнительной

обмотки бесконтактного синхронного генератора с совмещенным индукторным возбудителем // Автономные источники электроэнергии и их применение в народной хозяйстве: Тез. докл. Республ. науч.-техн. конф. -Ереван, 1984. -С. 130.

5. Читечян В.И., Оганян У¿к. Определение индуктивных параметров кольцевого трансформатора для системы бесконтактного возбуждения автономного генератора // Автономные источники электроэнергии и их применение в народном хозяйстве: Тез. докл. Республ. науч.-техн. конф. -Ереван, 1985. - С. 35.

6. Читечян В.И., Оганян У.А. Аналитический метод определения коэффициентов относительной геометрии кольцевого трансформатора заданного габарита // Электрический транспорт: Швл-вуз. сб. научн. тр. / Ереван, политех, ин-т. -Ереван, 1983. - С. 63-68.

;?. Читечян В.И., Оганян У.А. О выборе электромагнитных нагрузок кольцевого трансформатора, проектируемого для работы в системе бесконтактного возбуждения электрических машин // Электрический транспорт: Межвуз. сб. научн. тр. / Ереван, политех, ин-т. -Ереван, 1983. - С. 57-62.

¡8. Читечян В.И., Парунакян С.А., Сафарян A.A. Автономный асин-хроиизированный генератор со статической системой возбуждения Ц Электромеханические комплексы в транспорте и автономной энергетике: Межвуэ. сб. научн. тр. / Ереван, политех. ин-т. -Ереван. 1989. - С. II0-II4.