автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Усовершенствование устройств распределения реактивных нагрузок судовых синхронных генераторов

На правах рукописи

МАЗАЛЕВА НАТАЛЬЯ НИКОЛАЕВНА

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УСТРОЙСТВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕАКТИВНЫХ НАГРУЗОК СУДОВЫХ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Специальность: 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток 2006

Работа выполнена на кафедре «Электрооборудование и автоматика транспорта» Дальневосточного государственного технического университета

Научный руководитель — заслуженный энергетик РФ,

доктор технических наук, профессор Г. Е. Кувшинов

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор В. Ф. Веревкин, кандидат технических наук, профессор В. А. Попов

Ведущая организация: Тихоокеанский военный морской институт

имени С. О. Макарова

Защита состоится « » 2006 г. в /^часов

на заседании диссертационного совета К 212.055.03 Дальневосточного государственного технического университета по адресу: 690600, Владивосток, Аксаковский переулок, 3 ауд. Б - 107

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного технического университета.

Автореферат разослан «_» _2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент К). М. Горбенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При совместной работе синхронных генераторов (СГ) их реактивные токи должны распределяться пропорционально номинальным мощностям, а при одинаковых номинальных мощностях — поровну. В судовых электроэнергетических системах (СЭЭС) распределение реактивных токов осуществляется, чаще всего, с помощью устройств токовой стабилизации (УТС). Эти устройства обеспечивают статизм внешней характеристики СГ по реактивному току. Из-за наличия зоны нечувствительности корректоров или регуляторов напряжения (РН) СГ и отличия уставок напряжений холостого хода, имеется погрешность распределения реактивных токов. Эта погрешность тем меньше, чем больше статизм внешней характеристики.

Допустимое отклонение напряжения на общих шинах электростанции (ЭС) не должно превосходить 2,5% от номинального значения. Поэтому снижение напряжения СГ при реактивном токе, имеющем номинальное значение, принимают от 2% до 3% от номинального напряжения. При таком небольшом статизме, как правило, не удаётся обеспечить допустимое отклонение реактивных токов СГ (±10% от номинального тока) от среднего значения.

К 60-м годам прошлого века относятся попытки использования УТС, которые обеспечивали астатическую внешнюю характеристику СГ при номинальном коэффициенте мощности нагрузки СГ. В таких УТС положительный статизм по реактивному току компенсировался отрицательным статизмом по активному току. Эти УТС не нашли широкого применения и в современных СЭЭС не используются. Выполненные в настоящей работе исследования показали, что эти УТС распределяют токи так, что генератор, имеющий больший активный ток, перегружается и по реактивному току. А УТС с традиционными внешними характеристиками сильнее нагружают реактивным током те СГ, которые недогружены по активному току, что выглядит предпочтительнее.

В это же время появились и до сих пор применяются с СГ отечественного производства УТС, которые могут создавать как статическую внешнюю характеристику каждого СГ и всей судовой ЭС, так и астатическое регулирование напряжения на шинах ЭС. При этом реактивные токи распределяются между СГ равномерно. Тот факт, что подобные УТС не применяются в зарубежном судостроении, свидетельствует о наличии недостатков этого способа распределения реактивных токов. Один из недостатков — это необходимость использования уравнительных соединений между цепями УТС всех СГ, находящихся в работе. Такие УТС могут обеспечивать астатическое регулирование напряжения СГ, расположенных близко друг к другу, в пределах одной ЭС (как и устройства для группового управления возбуждением СГ береговых ЭС). Другой недостаток - использование в подобных УТС так называемых трансформаторов параллельной работы, которые разделяют ток вторичной обмотки входящего в УТС трансформатора тока (ТТ) на два равных тока. Наличие этих трансформаторов вместе с резисторами, по которым проходят указанные токи, приводит к существенному увеличению габаритов и массы УТС. Тем самым усугубляется общий недостаток всех известных УТС — применение в них громоздких ТТ.

Для сокращения числа ТТ и исключения трансформатора напряжения, обеспечивающего сдвиг между напряжениями СГ и ТТ на 90*, в судовых ЭС устанавливают преимущественно УТС и РН, к которым подводятся только одно линейное напряжение и один фазный ток СГ. РН, измеряющий одно из трёх линейных напряжений, обладает двумя недостатками: не учитывается несимметричность нагрузки и напряжений СГ, быстродействие таких РН ниже, чем у РН с трёхфазным входом.

Ещё один недостаток УТС традиционного исполнения относится исключительно к СЭЭС. Наблюдается неудовлетворительное распределение токов между СГ, если в их токах преобладает трапецеидальная, а не синусоидальная, составляющая. Такая ситуация возникает, когда ЭС нагружена на тиристорный преобразователь, питающий двигатель постоянного тока, соизмеримый по мощности с ЭС.

В последнее время в электротехнике наблюдается нарастающий процесс замены ТТ дифференцирующими индукционными измерительными преобразователями (ДИПТ), известными также под названиями: трансреакторы или катушки Роговского. ДИПТ отличаются от ТТ тем, что они работают в режиме, близком к холостому ходу. Это отличие обеспечивает снижение их массы в сотни и тысячи раз по сравнению с массой ТТ, измеряющих такие же токи при таком же выходном напряжении.

Замена ТТ на ДИПТ, которая направлена на уменьшение указанных недостатков, не может быть произведена механически, с сохранением электрических цепей УТС. При разработке УТС с ДИПТ необходимо учитывать, что последние измеряют не сами токи, а их производные. Такая особенность ДИПТ проявляется в том, что при измерении одного и того же синусоидального тока с помощью ТТ и ДИПТ, напряжение последнего опережает выходное напряжение ТТ на 90°. Кроме того, внутреннее сопротивление ДИПТ соизмеримо с входным сопротивлением РН, а сопротивление резистора, на который нагружен ТТ, пренебрежимо мало. Поэтому необходимо учитывать, что при включении ДИПТ во входную цепь РН напряжение холостого хода СГ возрастает и становится зависимым от частоты. Необходимо выбирать такие параметры ДИПТ, чтобы сделать эти отрицательные проявления практически незаметными.

Объектом данных исследований являются устройства для распределения реактивных токов между параллельно работающими СГ. Предмет исследований — способы распределения реактивных токов; анализ и синтез УТС с ТТ и ДИПТ; форма тока и напряжения и внешние характеристики СГ при нагрузке синусоидальными, прямоугольными и трапецеидальными токами; аналоговая и цифровая фильтрация напряжений СГ, ТТ и ДИПТ, искажённых высшими гармониками.

Целью диссертационной работы является разработка таких способов и устройств распределения реактивных токов между синхронными генераторами, которые путём замены входящих в эти устройства трансформаторов тока на дифференцирующие индукционные преобразователи тока обеспечивают повышение точности и снижение массогабаритных показателей этих устройств.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач.

1. Разработка способов и устройств распределения реактивной мощности (УРРМ) СГ с использованием ДИПТ:

однофазных и трёхфазных УТС с разным числом ДИПТ, со статическими и астатическими (при номинальном коэффициенте мощности нагрузки) внешними характеристиками СГ;

УРРМ, реализующих новый способ распределения реактивной мощности — метод ведущего генератора.

2. Создание методик для выбора таких параметров ДИПТ, которые обеспечивают достижение минимума массы ДИПТ и практически не влияют на уставку напряжения РН при отклонении частоты СГ от номинальной.

3. Исследование влияния на точность УРРМ следующих факторов: зоны нечувствительности регуляторов напряжения СГ, сопротивления линий от СГ до главного распределительного щита, активной нагрузки СГ и разновидности УРРМ.

4. Создание методик и программ для компьютерного моделирования формы электрических величин и внешних характеристик СГ с различными УРРМ при нагрузке ЭС прямоугольными и трапецеидальными токами, потребляемыми управляемыми вентильными преобразователями. Разработка аналоговых и цифровых фильтров, улучшающих распределение трапецеидальных токов между СГ.

5. Экспериментальная проверка характеристик предлагаемых УРРМ и результатов компьютерного моделирования.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы положения теоретической электротехники, теорий электроники, электрических машин, автоматики электроэнергетических систем, методы численного анализа и математической обработки результатов, аппроксимации и синтеза аналитических функций, методы цифровой обработки сигналов, а также натурные эксперименты. Математическое моделирование выполнено с помощью пакета Maple 9.5.

Научная новизна. 1. Впервые предложено использовать ДИПТ в качестве измерительных преобразователей, входящих в УРРМ. Разработана методика определения основного параметра ДИПТ — взаимной индуктивности катушки и проводника с измеряемым током СГ — в зависимости от следующих факторов: числа фаз УТС; числа и места установки ДИПТ; наличия фазосдвигающих трансформаторов; значения статизма внешней характеристики СГ при нулевом и номинальном значениях коэффициента мощности. Созданы методики, позволившие выявить лучшие, по минимуму установленной мощности элементов УТС, из 15 предложенных и исследованных основных вариантов.

2. Впервые предложен способ распределения реактивных токов — способ ведущего СГ - и выполнена разработка устройства для его реализации на базе ДИПТ. Этот способ обеспечивает большую точность распределения реактивных токов, чем применение УТС, и постоянство напряжения на шинах ЭС.

3. Найдены (для основных из предложенных УРРМ) зависимости расчётных напряжений ДИПТ от параметра т — отношения индуктивного сопротивления катушки ДИПТ к входному сопротивлению РН. Установлено, что с ростом т масса ДИПТ, сечение его сердечника и толщина воздушного зазора сердечника снижаются, а число витков катушки ДИПТ и отклонение напряжения холостого хода СГ при изменении его частоты увеличиваются. - •

4. Получены выражения, которые определяют функцию отклонения реактивного тока СГ от среднего для ЭС значения, учитывающую не только традиционные факторы: зону нечувствительности РН и статизм УТС, ко и ранее не рассматриваемые факторы: сопротивление генераторных фидеров и неравномерность активных нагрузок СГ. Оказалось, что влияние двух последних факторов не менее существенно, чем двух первых.

5. Найдены, с помощью преобразования Лапласа, компактные выражения, которые моделируют на неограниченном интервале времени такие переменные величины, как прямоугольные и трапецеидальные токи, импульсы напряжений ДИПТ и напряжения СГ, искажённые коммутацией тока вентилями преобразователя, соизмеримого с СГ по мощности и подключенного к его зажимам. Для того, чтобы получить, с помощью обратного преобразования Лапласа, аналитическое выражение бесконечной последовательности импульсов, ограниченных отрезками синусоиды, предложено их аппроксимировать отрезками прямых или парабол.

6. Обнаружено, что внешние характеристики СГ при его нагрузке трапецеидальными токами имеют нелинейный характер, а зависимость статизма внешней характеристики от фазы первой гармоники тока нагрузки определяется не синусоидой, а ступенчатой функцией с протяженными участками постоянного значения. Эти явления значительно ухудшают распределение нагрузок между СГ.

7. Разработаны методики: синтеза такого фильтра для выделения высших гармоник напряжения, подводимого к входу РН, который обеспечивает практическую инвариантность результата фильтрации от отклонения частоты СГ в допустимых пределах; реализации передаточной функции фильтра как в аналоговом, так и в цифровом виде. Проверка действия фильтра выполнена с помощью цифрового импульсного моделирования.

Практическая ценность. 1 .Предлагаемые УТС с ДИПТ позволяют значительно снизить суммарную массу УТС, так как ток катушки ДИПТ в сотни раз меньше чем ток вторичной обмотки ТТ. Кроме того, ДИПТ не нуждается в нагрузочном резисторе.

2. Применение ДИПТ упрощает переход к трёхфазным УТС, так как при этом в УТС не нужно устанавливать фазосдвигающий трансформатор.

3. Предложенный метод ведущего генератора превосходит другие методы распределения реактивных нагрузок СГ судовых ЭС, так как он обеспечивает постоянство напряжения на шинах ЭС, увеличивает точность распределения реактивных токов и уменьшает влияние неравномерной нагрузки СГ активными токами.

4. Для расчёта ДИПТ создана методика, по которой можно определить наиболее целесообразное значение параметра т, число витков катушки ДИПТ, сечение и толщину воздушного зазора магнитного сердечника ДИПТ.

5. Найденные выражения, описывающие во временной области переменные величины, имеющие вид знакопеременных импульсов прямоугольной или трапецеидальной формы, могут найти широкое применение для исследований переходных процессов в электротехнике, электронике и в других областях техники.

6. Предложенные передаточные функции фильтров, которые подавляют высшие гармоники в напряжениях СГ, ТТ и ДИПТ и мало чувствительны к небольшим отклонениям частоты первой гармоник, можно рекомендовать для применения и в других теоретических и экспериментальных исследованиях.

Лостоверность основных положений и рекомендаций диссертации подтверждается результатами экспериментальных исследований.

В ходе выполнения диссертации изготовлены установки, которые используются для изучения ДИПТ, УТС и вентильных преобразователей студентами и магистрантами при выполнении лабораторных работ на кафедре электрооборудования и автоматики транспорта и при подготовке магистерской диссертации, в которой продолжаются настоящие исследования.

Апробация результатов научных исследований. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на следующих конференциях:

1. Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов», Благовещенск, 2003, 2005;

2. Международной научной конференции « Рыбохозяйственные исследования Мирового океана», Владивосток, 2005;

3. Научных конференциях «Вологдинские чтения», Владивосток, 2001 - 2005.

Публикации по теме диссертации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, в том числе получены патент РФ на изобретение и свидетельство на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка, включающего 133 наименования. Работа изложена на 275 страницах, содержит 133 рисунка и 21 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цели и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе произведен обзор существующих разновидностей УРРМ СГ, выявлены их достоинства и недостатки применительно к рассматриваемой задаче.

Рассмотрены УТС с положительным статизмом по реактивному току, в которых составляющие, пропорциональные напряжению СГ и его току складываются как электрическим, так и электромагнитным способом. Выполнен анализ также тех УТС, в которых указанный статизм при номинальном коэффициенте мощности компенсируется отрицательным статизмом по активному току. Показано, что известное подобное устройство, содержащее три ТТ, можно упростить, исключив один ТТ и включив два оставшихся по предлагаемой схеме. При этом обеспечивается астатическая внешняя характеристика СГ при коэффициенте мощности, близком к номинальному.

Предложен новый способ функционирования УТС — метод ведущего генератора. Один из источников, ведущий, поддерживает напряжение на общих шинах неизменным, не зависящим от нагрузки. К входу РН ведомого источника подводится сигнал, являющийся суммой трех составляющих, пропорциональных следующим величинам: напряжению источника, реактивному току этого источника и реактивному току ведущего источника. При этом ЭДС всех одновременно работающих источников напряжения, кроме одного, ведущего, регулируются в функции отклонения их реактивных токов от реактивного тока ведущего СГ. Такое

УТС, обеспечивающее равномерное распределение реактивных токов, может быть реализовано в нескольких вариантах.

Показано, что целесообразно использовать УТС в трехфазном, а не однофазном исполнении. В этом случае можно уменьшить запаздывание сигнала обрат-.ной связи по напряжению источника, которое создает фильтр нижних частот РН. Тем самым обеспечивается повышение быстродействия системы автоматического регулирования напряжения.

В существующих разновидностях УТС входят ТТ, обладающие рядом недостатков: увеличенная масса; недостаточная точность, особенно в переходных режимах; использование в качестве нагрузки резисторов, которые обладают большой, по сравнению с РН, массой и значительным выделением тепла. Поэтому рассматривается возможность замены ТТ на другие измерительные преобразователи тока.

Во второй главе показано, что измерительные преобразователи тока (ИПТ), выполненные на основе трансформаторного эффекта, значительно проще и надежнее, чем на основе других, и могут обеспечить значительно более высокую точность. При решении проблемы создания дешевых и совершенных ИПТ для измерения переменного тока исследования проводятся в двух направлениях:

1. изменение характера передаваемого с высокого потенциала сигнала;

2. совершенствование конструкции ИПТ на трансформаторном эффекте.

Анализ ИПТ, применяемых для измерения больших токов в настоящее время

показал, что ДИПТ обладают рядом преимуществ, по сравнению с ТТ и другими преобразователями, и в будущем постепенно вытеснят ТТ. К этим преимуществам относятся следующие: ДИПТ могут измерять токи в широком диапазоне; не требуют увеличения размеров при увеличении измеряемых токов; имеют большую ширину пропускания частот (это дает возможность измерять и воспроизводить форму очень быстро изменяющегося сигнала); не допускают магнитного насыщения сердечника; обеспечивают гальваническую развязку между токопрово-дом и измерительной цепью; могут измерять импульсные токи; позволяют проводить измерения без разрыва токопровода; пиковые токи, возникающие во время переходного процесса, не наносят ущерба ДИПТ; могут проводить измерения в температурном диапазоне от -90^80° С; имеют низкое потребление мощности, небольшую массу и стоимость.

В третье главе проводился анализ трехфазных и однофазных УТС, обеспечивающих статические внешние характеристики СГ. Предлагается в известном трехфазном УТС заменить ТТ и установочные реостаты на ДИПТ (рис. 1), что приводит к снижению массы и габаритов УТС. При этом ток катушки ДИПТ, равный входному току РН, в сотни раз меньше, чем ток вторичной обмотки ТГ.

К преимуществам данного УТС относится также и то, что нет необходимости использовать трансформатор напряжения, осуществ

ляющий сдвиг напряжения СГ на 90°, что приводит к дополнительному снижению суммарной массы УТС. При симметричной нагрузке СГ синусоидальными токами I достаточно рассматривать нижеследующее уравнение для одной фазы:

йрн=(и + ]Хм-1)-К или иРН=(и + Хм-1зт<р)-К , (1)

где

К =

RB

-X 1

—— exp (-/£);

и - напряжение, изменяющееся по синусоидальному закону; Ярн — входное сопротивление РН; число витков во вторичной обмотке; Xм — Х/л^2 — сопротивление взаимной индукции ДИПТ; X^ - индуктивное сопротивление намагничивающего контура ДИПТ; = агс1ап(Х^

Напряжение СГ растет с увеличением частоты / и тем сильнее, чем больше параметр т = X¡¿/Крн

Vl + {а-т?

= 1 + 5и,

(2)

лД + т"

где а =f/f„ — относительная частота; - номинальная частота; 8и - относительное значение отклонения напряжения СГ.

Напряжение вторичной обмотки ДИПТ растёт с увеличением параметра т и зависит как от тока нагрузки, так и от угла (р

{¿20. _ 1 ин \

т2 +

8\ -2

т 8 cos (р

\ + т

(3)

где 8 - статизм внешней характеристики СГ, {/„ - номинальное напряжение СГ.

В однофазном УТС ДИПТ устанавливаются в фазы А и С. Напряжения вторичных обмоток ДИПТ и д и и с также зависят от параметра т. Относительные значения этих напряжений определяются по следующим формулам:

иА_\

2 т 8 8

т--j=- + —

л/3 3

(l-V3 т + т2)

и»

Чс и„

"го)

2 + V3 J

т

л/1 + 4т2 ' U« л/Г+4

Для ДИПТ, установленного в фазе С, наблюдается непрерывный рост относительного напряжения при увеличении параметра т, а для ДИПТ, установленного в фазе А, при малых значения параметра т относительное напряжение сначала падает, а потом увеличивается. Максимальное напряжение катушки ДИПТ в фазе А имеет место при номинальном значении тока нагрузки с cos (р = 0. Причем при всех значениях т>О расчетная мощность ДИПТ фазы А существенно меньше, чем ДИПТ фазы С. При небольшом объеме производства ДИПТ рассматриваемого назначения, целесообразно использовать одинаковые ДИПТ для обеих фаз. При

•(4)

большом объеме производства, для сокращения расхода материалов на изготовление ДИГГГ, выгоднее выполнять катушки ДИГГГ различными, так как расчетное напряжение (и, следовательно, масса) ДИГТТ, установленного в фазе А, меньше.

Размеры и масса ДИГГГ снижаются с увеличением m, что показывает зависимость конструктивного параметра сердечника Y от этого параметра,

Г = 4=--, (5)

Ст ° ^1 + ш2 1 4,44 fHKcmK0RpH

где Scm — сечение стали сердечника ДИПТ; Sq — сечение окна сердечника; Кст — коэффициент заполнения стали; Kq — коэффициент заполнения окна; qM — сечение шины с током. Причем для уменьшения размеров ДИПТ следует выбирать число витков катушки ДИПТ таким, чтобы значение m было близко к 0,44 для трехфазных УТС, и 0,22 — для однофазных УТС.

Неравномерность распределения реактивных токов Iрj и Iр2 между двумя

СГ определялась в зависимости от разброса уставок РН и статизма S внешних характеристик по реактивному току с учетом сопротивления генераторного фидера, соединяющего СГ с общими шинами. В известной литературе такой анализ не производился. Распределение реактивной нагрузки между СГ определяется следующей системой уравнений

г/ = 1 + Д-/01 -r-Ipi-x-Ipi ■8 ■■U = l-A-Ia2-r-Ip2-x-Ip2-ô, (6)

/р =Ip\+I р2

Iaj и Ia2 — активные токи первого и второго СГ соответственно; г и х — активное и реактивное сопротивление фидера; ± А — разброс напряжений холостого хода.

Оказалось, что значение падения напряжения в фидере СГ практически не влияет на распределение реактивных токов при одинаковой активной нагрузке обоих СГ. Из (6) находятся выражения для снижения напряжения на общих шинах ди и отклонения реактивных токов от среднего значения при изменении напряжения в фидере от номинального тока на 1 %, 1а\ =/я2> Iр = 1>2, г = 0,0105,

х = 0,00263

ди = -А - 0,6и Bip = ofa '. + ■ (7)

у 2{x + ô) x + S

Графики этих зависимостей приведены на рис. 2.

Следовательно, для обеспечения допустимого разброса реактивных нагрузок параллельно работающих СГ необходимо добиваться равномерного распределения их активных нагрузок и настроить УТС на S = 0,05. То есть статизм должен быть на порядок больше возможного отклонения напряжения холостого хода СГ, что приводит к значительному снижению напряжения на общих шинах с ростом ■- тока нагрузки. В этом проявляется недостаток УТС, обеспечивающих статизм внешней характеристики источника по реактивному току.

и

Рис. 2. Графики зависимостей: а - dlp = f{5): 1, 2, 3, 4, 5 - при 1а = {- 0,8; - 0,4; 0; 0,4; 0,8} соответственно; б - dU = f(5)

В четвертой главе проведен анализ УТС, обеспечивающих астатические внешние характеристики СГ. Рассмотрены три варианта УТС, в которых сумма векторов напряжений ДИГГГ при cos (р = 0,8 перпендикулярна вектору фазного напряжения генератора Ur:

1) помимо ДИПТ, измеряющего ток той же фазы, включён дополнительный ДИГГГ другой фазы;

2) включён трехфазный трансформатор, трансформирующий напряжение СГ, первичная или вторичная обмотка трансформатора соединяется в зигзаг (при этом напряжение источника сдвигается на угол <рн по часовой стрелке);

3) включён трехфазный трансформатор, трансформирующий напряжение ДИГГГ, первичная или вторичная обмотка трансформатора соединена в зигзаг (при этом Цципт сдвигается на угол д>„ против часовой стрелки).

В каждом варианте предложено к рассмотрению по три подварианта УТС., Расчеты по предложенной методике позволили выявить лучший вариант по минимуму установленной мощности элементов УТС. Оказалось, что УТС, схема которого представлена на рис.3, а, обладает существенными преимуществами по массогабаритным показателям по сравнению с другими вариантами. Было установлено соотношение между реактивными сопротивлениями Xqq и Xqc, определяемыми взаимной индуктивностью шина — катушка ДИПТ по фазам В и С соответственно

хдВ ~ 0,6547 XQC и хдС ~ 0,866 5 . (8)

■"н

Такое УТС можно рекомендовать к дальнейшему исследованию при разработке новых судовых систем распределения реактивных нагрузок.

А ,В <,С

да

кРН

'А [В ¡•С

к РН

С

кСГ с

кСГ кСГ

а б

Рис. 3. Схемы УТС, обеспечивающие астатические внешние характеристики СГ: а — трехфазное; б, в — однофазные

Определено, что в однофазных УТС с двумя ДИПТ наилучшим по суммарной мощности является УТС с расположением ДИПТ в фазах АиВ (рис. 3, б).

Однофазное УТС с одним ДИПТ показано на рис. 3, в. В нём при <р= <ри ста-тизм оказался меньше, чем у известных в 4,34 раза, а при угле <р = я/6 статизм равен нулю. Таким образом, напряжение СГ остается практически постоянным при изменении его тока нагрузки в широких пределах, если коэффициент мощности этого тока близок к номинальному.

Распределение реактивных токов СГ для УТС с астатической характеристикой (сое (3 = 0,8) более чувствительно к неравномерности нагрузки СГ активными токами по сравнению с УТС со статическими характеристиками. Если СГ, имеющий меньшее напряжение холостого хода, недогружен по активному току, то отличие реактивных токов двух СГ превосходит допустимые нормы даже при д = 0,05. В частности, при б • 1а = -0,8 и 5 = 0,05 отклонение реактивных токов от среднего значения 8 - 1ро составляет 0,35, что в 3,5 раза выше допустимого

значения. УТС с астатическими характеристиками может применяться только при равномерном распределении активных нагрузок, прецизионной настройке уставок РН и стабильности их характеристик.

Предложено УТС, выполненное на основе ДИПТ, которое обеспечивает распределение реактивных нагрузок методом ведущего генератора. Графики зависимостей отклонения реактивных токов СГ от статизма д и разности активных токов СГ такие же, как и показанные на рис. 2, а. Так как напряжение на общих шинах не меняется, можно значительно увеличить статизм <5, достигая пренебрежимо малого отличия реактивных токов у ведущего и ведомых СГ.

В пятой главе рассмотрено влияние формы тока нагрузки СГ на его внешние характеристики. Наибольшее влияние на форму напряжений и токов СГ оказывает управляемый вентильный преобразователь (УВП), соизмеримый по мощности с СГ и подключенный к нему напрямую, без трансформатора. При подключении

нагрузки к СГ происходит искажение формы кривой напряжения СГ, выходящее за допустимые пределы (рис. 4). Поэтому другие потребители приходится подключать через преобразователи электроэнергии. Для уменьшения мощности преобразователя было предложено поддерживать постоянным действующее значение первой гармоники напряжения СГ, что позволит подключать асинхронные двигатели непосредственно к СГ. Для определения влияния процесса коммутации на внешнюю характеристику СГ был введен ряд допущений: учитывалась только индуктивная составляющая внутреннего сопротивления источника; пренебрегалось сопротивлением проводов; считалось, что токоограничивающие реакторы отсутствуют. Внешние

характеристики СГ, подключенного на УВП, при трехфазном и однофазном входах РН одинаковы. На рис. 5, а показаны графики отклонения действующего значения напряжения и действующего значения первой гармоники напряжения (толстая линия) от напряжения СГ при холостом ходе в зависимости от угла управления а. На рис. 5, б показаны отклонения от действующего значения напряжения и действующего значения первой гармоники напряжения (толстая линия) от напряжения СГ при холостом ходе в зависимости от угла между первыми гармониками тока и напряжения.

Сделаны следующие выводы относительно напряжения СГ при его работе на УВП соизмеримой мощности: искажение формы кривой напряжения выходит за допустимые для потребителей электроэнергии СЭЭС пределы — коэффициента формы Кф = 1,11±0,022 и коэффициента искажений Киск £0,95; отклонения как действующего значения напряжения, так и действующего значения его первой гармоники выходит за допустимые пределы ±2,5 % . Столь значительное превышение допустимых для напряжения норм при работе СГ на мощный УВП препятствует прямому подключению других потребителей непосредственно к шинам СГ. Эти потребители питают через преобразователи электрической энергии. В судовой электротехнике в качестве такого преобразователя предпочитают использовать электромашинный преобразователь (АД-СГ), который превосходит трансформатор по качеству электроэнергии на выходе преобразователя.

Рис. 5. Отклонения действующего значения напряжения и действующего значения первой гармоники напряжения при изменении угла управления (а) и при изменении угла между первыми гармониками тока и напряжения (б)

Можно в несколько раз уменьшить мощность такого преобразователя и избавиться от трансформатора 400/230 В, если от преобразователя питать только сеть освещения. Остальные потребители электроэнергии (асинхронные двигатели) можно подключать непосредственно к шинам СГ. Однако при этом необходимо обеспечить постоянство действующего значения первой гармоники напряжения СГ. Для этого между выходом УТС и входом РН следует установить фильтр, выделяющий первые гармоники выходных напряжений УТС.

Предложен способ математического описания бесконечной последовательности знакопеременных прямоугольных импульсов, служащей основой определения токов СГ и напряжений ТТ прямоугольной формы, а также аппроксимации напряжения ДИПТ при нагрузке СГ токами трапецеидальной формы. Для получения данного аналитического выражения предложено аппроксимировать бесконечную последовательность импульсов, ограниченную отрезками синусоиды на отрезками прямых или парабол. Получено следующее выражение для изображения производной трапецеидального тока в нормированном виде

; и )_е и Ч_е и )+е и г)_

(1л Л (1п \ (Пя Л (1Ъг "I

_е"5ЬН+вЧт+в+^+е-\-т+а) __е-\-т+а+г)

(10)

у

где а — угол управления, у— угол коммутации, 5 — аргумент изображения функций времени с помощью преобразования Лапласа.

Деление на 5 позволяет найти изображение трапецеидального тока в нормированном виде. Оригиналы этих выражений находятся с помощью обратного пре-

образования Лапласа. Выражения трапецеидального тока и его производной громоздки и здесь не приводятся.

Выявлено, что внешние характеристики СГ, снабженного УТС с ДИПТ, при его нагрузке трапецеидальными токами имеют явно выраженный нелинейный

характер. Статизм внешней характеристики не зависит от числа фаз на входе РН и имеет два протяженных горизонтальных участка (рис.б).

Такой характер этих зависимостей не может обеспечить равномерное распределение нагрузок между СГ.

Для устранения этого недостатка предлагается перед входами РН устанавливать фильтры, выделяющие первую гармонику выходных напряжений Рис. 6. Графики зависимостей УТС, снабженных ДИПТ.

отклонения напряжения СГ для УТС с ДИПТ

Установлено, что целесообразно использовать фильтр второго порядка, так как фильтр первого порядка не отвечает поставленной цели из-за ряда недостатков.

Передаточная функция такого фильтра в общем виде определяется выражением

/ ч

о

где Ъ

1 + + Я2 ' 5

0 , д1 и «2 - коэффициенты передаточной функции фильтра. Амплитудная частотная функция, полученная из (11), имеет вид

(И)

«2

■^¡1 + а2 -а>4 -2а|

(12)

со

Был выбран фильтр с параметрами а^ = 3/4, а\ — д/3/8 и ^ = -/7/4, так как у него отклонение напряжения СГ будет составлять не более 0,7 % при изменении частоты в пределах ±5% от номинальной. Время переходного процесса 5Ту

также вполне приемлемо. Оно несколько меньше двух периодов сигналов, изменяющихся с частотой СГ. Тогда, амплитудная частотная функция

КН = "7—4г=г- 03)

■18 ф2+9Ю4

Напряжение на выходе фильтра отстает от входного. Это фазовое запаздывание изменяется в пределах от нуля до я. При номинальной частоте СГ фазовое запаздывание составляет — 1,183 рад или 67,8°. , '.

В связи с тем, что для аналоговых фильтров характерны погрешности, вызываемые температурным дрейфом операционных усилителей, разбросом намина-

лов элементов, входящих в цепи этих усилителен, и неточностью настройки нулей операционных усилителей, был произведена реализация передаточной функции и ■ в цифровом виде.

Проводилось компьютерное моделирование цифрового фильтра с помощью методики синтеза системной функции дискретного фильтра по передаточной функции аналогового фильтра — прототипа. Был использован наиболее простой

2(1 -г~1)

метод билинейного Ъ-преобразования. В (13) подставили я = —\-¡Д и полу-

Т 1 + 2~11

чили системную функцию цифрового фильтра

«О + щ ■ 2 + П2 • X

где т0 = -ЛТ2-, т1=г-41Т2-, т2 = л/7Г2; п0 =4Г2 +2л/бГ + 12;

щ = 8Г2 - 24; «2 = 4Г2 - 2л/б Т +12.

Графики напряжений на входе (тонкая линия) и выходе (утолщённая линия) . цифрового фильтра при номинальном действующем значении тока нагрузки при" ведены на рис. 7, а, /3 - номер отсчета. На рис. 7, б показано отличие выходного напряжения фильтра от его первой гармоники при а = я/2.

а б

Рис. 7. Напряжения на входе и выходе цифрового фильтра для номинального действующего тока нагрузки при а = я-/2 (а); Отличие выходного напряжения фильтра от его первой гармоники при а = яг/2 (б)

Из рис. 7,6 видно, что отличие мгновенных значений выходного напряжения СГ от синусоиды при а = я/2 не превосходит - 2 % .Это позволяет считать, что фильтр выделяет первую гармонику идеально с практической точки зрения. Повышать порядок фильтра не требуется.

Таким образом, применение ДИПТ в УТС позволяет значительно уменьшить массу измерительных преобразователей тока, а в сочетании с фильтром, улучшить распределение реактивных токов между СГ.

Шестая глава посвящена описанию экспериментов, которые проводились с использованием двух СГ типа МС 82-4 (номинальная мощность 18 кВт), снабжённых управляемыми системами прямого фазового компаундирования с РН ти-

па КН-2. Исследованы внешние характеристики и распределение реактивных токов для УТС с ТТ, а также с одним и двумя ДИГГГ, которые рассмотрены в третьей и четвёртой главах. Нашли подтверждение преимущества предложенного метода ведущего СГ. А именно, при астатической внешней характеристике погрешность равномерного распределения реактивных токов оказалась на порядок меньше, чем при работе СГ на статических внешних характеристиках.

Выполнены экспериментальные исследования формы тока и напряжения СГ и ДИГГГ при работе СГ на тиристорный преобразователь. Получены также внешние характеристики СГ при двух значениях угла управления этим преобразователем.

Таким образом, экспериментальные данные подтвердили достоверность основных теоретических положений и выводов диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертации изложены научно обоснованные технические разработки, имеющие существенное значение для совершенствования судовых электроэнергетических систем. Основные выводы работы заключаются в следующем.

1. На основании анализа существующих способов и устройств распределения реактивных мощностей и обзора измерительных преобразователей тока установлены преимущества УРРМ, выполненных на основании РН с трёхфазным входом, и недостатки, обусловленные использованием ТТ в УРРМ: эти устройства громоздки и имеют большую массу по сравнению с РН; в трёхфазные УРРМ необходимо вводить трансформаторы, включённые по схеме звезда-треугольник, для обеспечения нужных фазовых соотношений между напряжениями СГ и ТТ.

2. Разработку новых систем автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности ЭС, как судовых, так и береговых, следует проводить с применением УРРМ СГ, выполненных на основе ДИГГГ, с учётом предлагаемых рекомендаций по выбору наиболее целесообразных вариантов схемных реализаций УТС. УРРМ судовых ЭС должны работать по методу ведущего генератора. Эти рекомендации приведут к повышению точности поддержания напряжения и равномерного распределения реактивных токов СГ, а также к многократному снижению массы УРРМ.

3. УТС, обеспечивающие астатическое регулирование напряжения при номинальном коэффициенте мощности нагрузки, не имеют заметных преимуществ по точности распределения реактивных токов перед традиционными УТС, которые создают астатические внешние характеристики при чисто активной нагрузке.

4. Выбор параметров ДИПТ следует производить по предлагаемым методикам, добиваясь минимизации их массы и обеспечивая практическую нечувствительность напряжения СГ к допустимым отклонениям частоты.

5. Для улучшения равномерности распределения токов СГ, нагруженных на вентильные преобразователи соизмеримой мощности, целесообразно модернизировать существующие УТС, включив на вход РН фильтр, подавляющий высшие гармоники и обладающий рекомендованными в настоящей работе параметрами.

6. Предложенные выражения и аппроксимации бесконечных последовательностей импульсов, а также передаточных функций фильтров, подавляющих высшие гар-

моники, можно рекомендовать для использования в различных теоретических и экспериментальных исследованиях.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Горбенко Ю.М., Мазалева H.H. Методы измерения больших токов // Радиоэлектроника, информатика, электротехника. Материалы научной конференции «Вологдинские чтения». — Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2001. -С. 73.

2. Мазалева H.H., Горбенко Ю.М. Схемы замещения трансформаторов тока и трансреакторов //Радиоэлектроника, информатика, электротехника. Материалы научной конференции «Вологдинские чтения». — Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2002. - С. 15.

3. Горбенко Ю.М., Кувшинов Г.Е., Мазалева H.H. Применение трансреакторов в устройстве токовой стабилизации автоматических регуляторов напряжения // Радиоэлектроника, информатика, электротехника.Материалы научной конференции «Вологдинские чтения». — Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2002. -С. 62

4. Мазалева H.H. Применение индукционных преобразователей для измерения больших токов //Радиоэлектроника, информатика, электротехника. Том II: Материалы научной конференции «Вологдинские чтения». — Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2003. -С. 21.

5. Горбенко Ю.М., Кувшинов Г.Е., Мазалева H.H. Устройство токовой стабилизации источника напряжения с мнимоастатической характеристикой // Радиоэлектроника, информатика, электротехника. Том II: Материалы научной конференции «Вологдинские чтения». — Владивосток: Изд — во ДВГТУ, 2003.-С: 10,11.

6. Кувшинов Г.Е., Мазалева H.H., Ушаков A.B. Дифференцирующие измерительные преобразователи тока в защите и автоматике электроэнергетических систем // Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов. Сб. тр. третьей Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Т.2. — Благовещенск, 2003. -С.165 -168.

7. Мазалева H.H. Экспериментальные исследования устройств токовой стабилизации с мнимоастатическими характеристиками судовых синхронных генераторов // Радиоэлектроника, информатика, электротехника. Ч. 1: Материалы научной конференции «Вологдинские чтения». — Владивосток: Изд - во ДВГТУ, 2004,- С. 60,61.

8. Кувшинов Г. Е., Мазалева Н. Н. Устройства токовой стабилизации с мнимоастатическими характеристиками при номинальном коэффициенте мощности // Радиоэлектроника, информатика, электротехника. 4.2: Материалы научной конференции «Вологдинские чтения». — Владивосток. : Изд-во ДВГТУ, 2004. - С. 39 - 41.

9. Кувшинов Г. Е., Горбенко Ю.М., Мазалева Н. Н. Способы построения мнимоастатической характеристики в устройстве токовой стабилизации судовых синхронных генераторов //Исследования по вопросам повышения

эффективности судостроения и судоремонта: сб. науч. тр./ под ред. В. И. Быкова и др. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2004. - С. 440

10. Пат. РФ № 2239224. МКИ 7 G 05 F 1/20. Устройство токовой стабилизации источника напряжения. / Кувшинов Г. Е., Мазалева Н. Н. (Россия). -№ 2003110909; Заявлено 16.04 2003; Опубл. 27.10.2004. Бюл. № 30. Приоритет 16.04.2003. - 5 с.

11. Пат. РФ к полезной модели № 46116. МКИ 7 G 05 F 1/20. / Устройство токовой стабилизации трехфазного источника напряжения. / Кувшинов Г. Е., Мазалева Н. Н., Горбенко Ю. М., Кирюха В.В. (Россия). — № 2004138663/224; Заявлено 28.12.2004; Опубл. 10.06.2005. Бюл. № 16. Приоритет 28.12.2004. - 2 с.

12. МКИ 7 G 05 F 1/20. / Устройство для равномерного распределения реактивной мощности./ Кувшинов Г. Е. Мазалева Н. Н. № 2005108244/09; Заявлено 23.03.05. Пол. решение от 11.04.06. - 2 с.

13. Кувшинов Г.Е., Мазалева H.H. Способы распределения реактивных нагрузок между синхронными генераторами // Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов. Сб. тр. четвертой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Т.2. - Благовещенск, 2005. - С. 367 - 370.

14. Горбенко Ю.М., Кирюха В.В., Мазалева H.H. Измерительные преобразователи активного тока // Рыбохозяйственные исследования морового океана. Материалы третьей международной конференции. Т. 1. — Владивосток, 2005.-С. 38-40.

15. Мазалева H.H. Регулирование реактивной мощности методом ведущего генератора // Материалы научной конференции «Вологдинские чтения». Секция «Радиоэлектроника, информатика и электротехника». — Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2005. Горбенко Ю.М., Мазалева H.H. -С. 5.

Введение

1. Устройства для распределения реактивных нагрузок между генераторами судовых электростанций

1.1. Способы распределения реактивных нагрузок

1.2. Распределение реактивных нагрузок синхронных генераторов с неуправляемыми системами прямого амплитудно-фазового компаундирования

1.3. Распределение реактивных нагрузок синхронных генераторов с помощью устройства токовой стабилизации

1.4. Устройство токовой стабилизации, обеспечивающее астатическую внешнюю характеристику синхронного генератора при номинальном коэффициенте мощности

1.5. Устройство токовой стабилизации, реагирующее на отклонение реактивного тока

1.6. Устройство токовой стабилизации с электромагнитным суммированием

1.7.Устройство токовой стабилизации генераторов с тиристорной системой возбуждения фирмы «Стромберг»

1.8. Выводы по главе

2. Измерительные преобразователи переменного тока

2.1. Разновидности электромагнитного проявления тока

2.2. Сравнительная характеристика измерительных преобразователей тока с точки зрения реализации основных операций

2.3. Анализ измерительных преобразователей тока, применяемых для измерения больших токов

2.4. Трансформаторы тока

2.4.1. Принцип действия и основные уравнения

2.4.2. Схемы замещения трансформаторов тока

2.5. Трансреакторы

2.5.1 .Устройство, принцип действия и схемы замещения

2.5.2. Обоснование конструкции дифференцирующего индукционного преобразователя тока

2.6. Выводы по главе

3. Анализ устройств токовой стабилизации, обеспечивающих статические внешние характеристики синхронных генераторов

3.1. Трехфазное устройство токовой стабилизации с одним дифференцирующим индукционным преобразователем тока в каждой фазе

3.2. Принцип действия устройства токовой стабилизации без учета падения напряжения в дифференцирующим индукционном преобразователе тока от входного тока регулятора напряжения

3.3. Анализ устройства токовой стабилизации с учетом влияния падения напряжения в дифференцирующим индукционном преобразователе тока от входного тока регулятора напряжения

3.4. Зависимость параметров внешней характеристики синхронного генератора от частоты

3.5. Напряжение вторичной обмотки дифференцирующего индукционного преобразователя тока

3.6. Анализ однофазного устройства токовой стабилизации с учетом влияния входного тока регулятора напряжения

3.7. Зависимость параметров внешней характеристики синхронного генератора от частоты при использовании устройства токовой стабилизации с двумя дифференцирующими индукционными преобразователями тока

3.8. Напряжения вторичных обмоток дифференцирующих индукционных преобразователей тока, включенных в фазы А и С

3.9. Зависимость конструктивных параметров дифференцирующего индукционного преобразователя тока с магнитным сердечником от числа витков его обмотки

ЗЛО. Погрешность распределения реактивных токов

3.11. Выводы по главе

4. Анализ устройств токовой стабилизации, обеспечивающих астатические внешние характеристики синхронных генераторов

4.1. Трехфазные устройства токовой стабилизации, осуществляющие астатическое регулирование при номинальном коэффициенте мощности

4.2. Устройства токовой стабилизации с дополнительными дифференцирующими индукционными преобразователями тока

4.3. Устройства токовой стабилизации с дифференцирующими индукционными преобразователями тока и трехфазным трансформатором, первичная обмотка которого соединяется в звезду, а вторичная в зигзаг

4.4. Устройства токовой стабилизации с дифференцирующими индукционными преобразователями тока и трехфазным трансформатором, первичная обмотка которого соединяется в зигзаг, а вторичная в звезду

4.5. Однофазные устройства токовой стабилизации

4.5.1. Однофазные устройства токовой стабилизации с двумя дифференцирующими индукционными преобразователями тока

4.5.2. Однофазное устройство токовой стабилизации с одним дифференцирующим индукционным преобразователем тока

4.5.3. Принцип действия устройства токовой стабилизации без учета падения напряжения в дифференцирующем индукционном преобразователе тока от входного тока регулятора напряжения

4.5.4. Зависимость от частоты параметров внешней характеристики синхронного генератора с одним дифференцирующим индукционным преобразователем тока в фазе С

4.5.5. Напряжение вторичной обмотки дифференцирующего индукционного преобразователя тока

4.6. Погрешность распределения реактивных токов

4.7. Устройство токовой стабилизации, обеспечивающее астатические характеристики при различных коэффициентах мощности

4.8. Анализ устройства токовой стабилизации с учетом влияния входного тока

4.9. Зависимость параметров внешней характеристики ведомых и ведущего синхронных генераторов от частоты

4.10. Погрешности распределения реактивных токов

4.11. Выводы по главе 157 5. Влияние формы тока нагрузки синхронного генератора на его внешние характеристики

5.1. Форма тока и напряжения синхронного генератора, нагруженного вентильными преобразователями

5.2. Влияние формы входного сигнала на характеристики регуляторов и корректоров напряжения синхронных генераторов

5.3. Внешние характеристики синхронного генератора при нагрузке синусоидальными токами

5.3.1. Внешняя характеристика синхронного генератора для однофазного входа регулятора напряжения

5.3.2. Внешняя характеристика синхронного генератора для трехфазного входа регулятора напряжения

5.4. Внешние характеристики синхронного генератора при нагрузке прямоугольными токами

5.4.1. Однофазный вход регулятора напряжения

5.4.2. Трехфазный вход регулятора напряжения

5.5. Внешние характеристики синхронного генератора при нагрузке трапецеидальными токами

5.6. Внешние характеристики синхронного генератора, снабженного устройством токовой стабилизации с дифференцирующим индукционным преобразователем тока, при нагрузке трапецеидальными токами

5.7. Фильтр для подавления высших гармоник

5.8. Выводы по главе 232 6. Экспериментальные исследования

6.1. Назначение экспериментальных исследований

6.2. Описание лаборатории судовых электроэнергетических систем ДВГТУ

6.3. Конструктивные особенности, параметры и характеристики дифференцирующих индукционных преобразователей тока

6.4. Экспериментальные исследования устройств токовой стабилизации с дифференцирующими индукционными преобразователями тока при одиночной работе синхронного генератора на неискажающую нагрузку

6.5. Экспериментальные исследования работы синхронного генератора на тиристорный преобразователь

6.6. Распределение реактивных нагрузок при параллельной работе синхронного генератора

6.7. Выводы по главе 261 Заключение 263 Список использованных источников

При совместной работе синхронных генераторов (СГ) их реактивные токи должны распределяться пропорционально номинальным мощностям, а при одинаковых номинальных мощностях - поровну. В судовых электроэнергетических системах (СЭЭС) групповое управление возбуждением СГ ещё не нашло применения, распределение реактивных токов осуществляется, чаще всего, с помощью устройств токовой стабилизации (УТС). Эти устройства обеспечивают статизм внешней характеристики СГ по реактивному току -снижение напряжения СГ под нагрузкой пропорционально его реактивному току. Из-за нечувствительности регуляторов (или корректоров) напряжения (РН) СГ или отличия уставок напряжений холостого хода в этих регуляторах, имеется погрешность распределения реактивных токов. Эта погрешность тем меньше, чем больше статизм внешней характеристики.

В СЭЭС потребители обычно подключаются к общим шинам главного распределительного щита непосредственно, без трансформаторов. При этом отсутствует возможность стабилизации напряжения потребителей путём автоматического регулирования коэффициента трансформации.

Допустимое отклонение напряжения на общих шинах электростанции (ЭС) не должно превосходить 2,5% от номинального значения. Поэтому снижение напряжения СГ при реактивном токе, имеющем номинальное значение, принимают небольшим, лежащим в пределах от 2% до 3% от номинального напряжения. При таком небольшом статизме, как правило, не удаётся обеспечить допустимое отклонение реактивных токов СГ от среднего значения. Эта норма равна ± 10% от номинального тока СГ.

К 60-м годам прошлого века относятся попытки использования в СЭЭС новых УТС, которые обеспечивали астатическую внешнюю характеристику СГ при номинальном коэффициенте мощности нагрузки СГ. В таких УТС положительный статизм по реактивному току компенсировался отрицательным статизмом по активному току. Эти УТС не нашли широкого применения и в современных СЭЭС не используются. (Выполненные в настоящей работе исследования показали, что эти УТС распределяют токи так, что генератор, имеющий больший активный ток, перегружается и по реактивному току. А УТС с традиционными внешними характеристиками сильнее нагружают реактивным током те СГ, которые недогружены по активному току, что выглядит предпочтительнее.)

В это же время появились и до сих пор применяются с СГ отечественного производства УТС, которые могут создавать как статическую внешнюю характеристику каждого СГ и всей судовой ЭС, так и астатическое регулирование напряжения на шинах ЭС. При этом реактивные токи распределяются между СГ И равномерно. Тот факт, что подобные УТС не применяются в зарубежном судостроении, свидетельствует о наличии недостатков этого способа распределения реактивных токов. Один из недостатков - это необходимость использования уравнительных соединений между цепями УТС всех СГ, находящихся в работе. Такие УТС могут обеспечивать астатическое регулирование напряжения СГ, расположенных близко друг к другу, в пределах одной ЭС (как и устройства для группового управления возбуждением СГ береговых ЭС). Другой недостаток - использование в подобных УТС так у называемых трансформаторов параллельной работы, которые разделяют ток вторичной обмотки входящего в УТС трансформатора тока (ТТ) на два равных тока. Наличие этих трансформаторов вместе с резисторами, по которым проходят указанные токи, приводит к существенному увеличению габаритов и массы УТС. Тем самым усугубляется общий недостаток всех известных УТС -применение в них громоздких ТТ.

Для сокращения числа ТТ и исключения трансформатора напряжения, обеспечивающего сдвиг между напряжениями СГ и ТТ на 90°, в судовых ЭС устанавливают преимущественно УТС и РН, к которым подводятся только одно линейное напряжение и один фазный ток СГ. РН, измеряющий одно из трёх линейных напряжений, обладает двумя недостатками: не учитывается несимметричность нагрузки и напряжений СГ, быстродействие таких РН ниже, чем у РН с трёхфазным входом.

Ещё один недостаток УТС традиционного исполнения относится исключительно к СЭЭС. Наблюдается неудовлетворительное распределение токов между СГ, если в их токах преобладает трапецеидальная, а не синусоидальная, составляющая. Такая ситуация возникает, когда ЭС нагружена на тиристорный преобразователь, питающий двигатель постоянного тока, соизмеримый по мощности с ЭС.

В последнее время в электротехнике наблюдается нарастающий процесс замены ТТ дифференцирующими индукционными измерительными преобразователями (ДИПТ), известными также под названиями: трансреакторы или катушки Роговского. ДИПТ отличаются от ТТ тем, что они работают в режиме холостого хода. Это отличие обеспечивает снижение их массы в сотни и тысячи раз по сравнению с массой ТТ, измеряющих такие же токи при таком же выходном напряжении.

Замена ТТ на ДИПТ, которая направлена на уменьшение указанных недостатков, не может быть произведена механически, с сохранением электрических цепей УТС. При разработке УТС с ДИПТ необходимо учитывать, что последние измеряют не сами токи, а их производные. Такая особенность ДИПТ проявляется в том, что при измерении одного и того же синусоидального тока с помощью ТТ и ДИПТ, напряжение последнего опережает выходное напряжение ТТ на 90°. Кроме того, внутреннее сопротивление ДИПТ соизмеримо с входным сопротивлением РН, а сопротивление резистора, на который нагружен ТТ, пренебрежимо мало. Поэтому необходимо учитывать, что при включении ДИПТ во входную цепь РН напряжение холостого хода СГ возрастает и становится зависимым от частоты. Необходимо выбирать такие параметры ДИПТ, чтобы сделать эти отрицательные проявления практически незаметными.

Объектом данных исследований являются устройства для распределения реактивных токов между параллельно работающими СГ. Предмет исследований -способы распределения реактивных токов; анализ и синтез УТС с ТТ и ДИПТ; форма тока и напряжения и внешние характеристики СГ при нагрузке синусоидальными, прямоугольными и трапецеидальными токами; аналоговая и цифровая фильтрация напряжений СГ, ТТ и ДИПТ, искажённых высшими гармониками.

Целью диссертационной работы является разработка таких способов и устройств распределения реактивных токов между синхронными генераторами, которые путём замены входящих в эти устройства трансформаторов тока на дифференцирующие индукционные преобразователи тока обеспечивают повышение точности и снижение массогабаритных показателей этих устройств.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач.

1. Разработка способов и устройств распределения реактивной мощности (УРРМ) СГ с использованием ДИПТ: однофазных и трёхфазных УТС с разным числом ДИПТ, со статическими и астатическими (при номинальном коэффициенте мощности нагрузки) внешними характеристиками СГ;

УРРМ, реализующих новый способ распределения реактивной мощности -метод ведущего генератора.

И 2. Создание методик для выбора таких параметров ДИПТ, которые обеспечивают достижение минимума массы ДИПТ и практически не влияют на уставку напряжения РН при отклонении частоты СГ от номинальной.

3. Исследование влияния на точность УРРМ следующих факторов: зоны нечувствительности регуляторов напряжения СГ, сопротивления линий от СГ до главного распределительного щита, активной нагрузки СГ и разновидности УРРМ.

4. Создание методик и программ для компьютерного моделирования формы электрических величин и внешних характеристик СГ с различными УРРМ при нагрузке ЭС прямоугольными и трапецеидальными токами, потребляемыми управляемыми вентильными преобразователями. Разработка аналоговых и цифровых фильтров, улучшающих распределение трапецеидальных токов между СГ.

5. Экспериментальная проверка характеристик предлагаемых УРРМ и результатов компьютерного моделирования.

При решении поставленных задач использованы положения теоретической электротехники, теорий электроники, электрических машин, автоматики электроэнергетических систем, методы численного анализа и математической обработки результатов, аппроксимации и синтеза аналитических функций, методы цифровой обработки сигналов, а также натурные эксперименты. Математическое моделирование выполнено с помощью пакета Maple 9.5.

6.7. Выводы по главе

1. Для проведения экспериментов были созданы макеты дифференцирующих индукционных преобразователей тока (ДИПТ), которые имеют массу, значительно меньшую, чем у ТТ.

2. Подтверждены теоретические положения о том, что при использовании одного ДИПТ в однофазных устройствах токовой стабилизации (УТС) получается практически астатическая характеристика для коэффициентов мощности близких к номинальному. В схемах с двумя разными ДИПТ, установленными в фазах А и С, внешние характеристики СГ получились практически идентичны внешним характеристикам однофазного УТС с одним ДИПТ.

3. При работе СГ на тиристорный преобразователь (ТП) подтверждена возможность аппроксимации формы тока трапецией. Уравнения для внешних характеристик СГ, полученные в главе 5 для УТС с трансформаторами тока и ДИПТ, полностью подтвердились экспериментальными данными. При этом для УТС с ДИПТ при угле управления о: = 45° влияние искажения формы напряжения пренебрежимо мало.

Экспериментально доказано, что для угла управления а <60° статизм внешних характеристик СГ с УТС (при использовании ДИПТ) не зависит от угла управления.

Опытные результаты доказали достоверность методики учета действия УТС и искажение формы напряжения при работе СГ на ТП, а также недостатки УТС с ТТ при малых углах управления ТП.

При параллельной работе СГ со статическими характеристиками подтвердилось теоретическое положение о том, что при введении статизма во внешние характеристики СГ не обеспечивается требуемая точность отклонения реактивных токов от среднего значения, а также точность поддержания напряжения на общих шинах.

Полностью подтвердились преимущества метода ведущего СГ по сравнению с предыдущим методом. В результате эксперимента получена астатическая внешняя характеристика при практическом отсутствии отклонения реактивных токов СГ от их среднего значения. Максимальное отклонение тока от среднего значения в восемь раз ниже, чем при параллельной работе СГ со статическими характеристиками.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации изложены научно обоснованные технические разработки, имеющие существенное значение для совершенствования судовых электроэнергетических систем. Основные выводы работы заключаются в следующем.

1. На основании анализа существующих способов и устройств распределения реактивных мощностей и обзора измерительных преобразователей тока установлены преимущества УРРМ, выполненных на основании РН с трёхфазным входом, и недостатки, обусловленные использованием ТТ в УРРМ: эти устройства громоздки и имеют большую массу по сравнению с РН; в трёхфазные УРРМ необходимо вводить трансформаторы, включённые по схеме звезда-треугольник, для обеспечения нужных фазовых соотношений между напряжениями СГ и ТТ.

2. Разработку новых систем автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности ЭС, как судовых, так и береговых, следует проводить с применением УРРМ СГ, выполненных на основе ДИПТ, с учётом предлагаемых рекомендаций по выбору наиболее целесообразных вариантов схемных реализаций УТС. УРРМ судовых ЭС должны работать по методу ведущего генератора. Эти рекомендации приведут к повышению точности поддержания напряжения и равномерного распределения реактивных токов СГ, а также к многократному снижению массы УРРМ.

3. УТС, обеспечивающие астатическое регулирование напряжения при номинальном коэффициенте мощности нагрузки, не имеют заметных преимуществ по точности распределения реактивных токов перед традиционными УТС, которые создают астатические внешние характеристики при чисто активной нагрузке.

4. Выбор параметров ДИПТ следует производить по предлагаемым методикам, добиваясь минимизации их массы и обеспечивая практическую нечувствительность напряжения СГ к допустимым отклонениям частоты.

5. Для улучшения равномерности распределения токов СГ, нагруженных на вентильные преобразователи соизмеримой мощности, целесообразно модернизировать существующие УТС, включив на вход РН фильтр, подавляющий высшие гармоники и обладающий рекомендованными в настоящей работе параметрами.

6. Предложенные выражения и аппроксимации бесконечных последовательностей импульсов, а также передаточных функций фильтров, подавляющих высшие гармоники, можно рекомендовать для использования в различных теоретических и экспериментальных исследованиях.

1. Правила классификации и постройки морских судов. Т.2 /Российский Морской Регистр судоходства./ СПб.: 1999.

2. Токарев Б. Ф. Электрические машины. Учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1990.-624 с.

3. Яковлев Г. С., Маникин А. И. Судовые электрические машины. Л.: Судостроение, 1980. - 62 с.

4. Брускин Д. Э, и др. Электрические машины.: В 2-х ч.: Учеб. для электротехн. спец. вузов,- М.: Высш.шк.,1987. 335 с.

5. Электротехнический справочник: В 3 т. Т 2. Электротехнические изделия и устройства (Под общ. Ред. профессоров МЭИ: И. И. Орлова (гл. ред.) и др). -М.: Энергоатомиздат, 1988.- 880 с.

6. Михайлов В. А., Норневский Б. И. Автоматизация судовых электростанций. Л.: Судостроение, 1966.- 319 с.

7. Никифоровский Н. Н., Норневский Б. И. Судовые электрические станции. М.: Транспорт, 1974.- 432 с.

8. Яковлев Г. С. Судовые электроэнергетические системы. Л.: Судостроение, 1987.- 272 с.

9. Михайлов В. А. Автоматизированные электроэнергетические системы судов. Л.: Судостроение, 1977.- 512 с.

10. Лейкин B.C. Судовые электрические станции и сети. М.: Транспорт, 1966.336 с.

11. Лейкин В. С., Михайлов В. А. Автоматизированные электроэнергетические системы промысловых судов. М.: Агропромиздат. 1987.- 327 с.

12. Баранов А. П. Судовые автоматизированные электроэнергетические системы. М.: Транспорт, 1988. -328 с.

13. Соловьев Н. Н., Самулеев В. И. Судовые электроэнергетические системы: Учебник для вузов,- М.: Транспорт, 1991.-248 с.14.