Элементы систем управления синхронных генераторов с гармоническим возбуждением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Бовтрикова, Елена Владиславовна

• Бовтрикова, Елена Владиславовна
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бовтрикова, Елена Владиславовна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО

УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

1.1 Элементы систем автоматического управления синхронных генераторов

1.1.1 Элементы системы автоматического управления по отклонению ц

1.1.2 Синхронный генератор как элемент системы автоматического управления по возмущению

1.1.3 Особенности комбинированных систем автоматического управления

1.1.4 Математическая модель синхронного генератора как элемента системы автоматического управления

1.2 Элементы систем управления с гармоническим возбуждением

1.2.1 Обзор публикаций

1.2.2 Синхронный генератор как элемент системы управления с гармоническим возбуждением

1.3 Особенности применения различных типов элементов с гармоническим возбуждением

1.3.1 Генераторы с вращающимися выпрямителями

1.3.2 Генераторы с внутризамкнутым магнитопроводом

1.3.3 Генераторы смешанного возбуждения

1.4 Цели и задачи исследований

ВЫВОДЫ

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

ВОЗБУЖДЕНИЯ

2 Л Реализация принципа гармонического возбуждения

2.2 Расчет магнитного поля под полюсом при любой геометрии воздушного зазора

2.3 Расчет магнитных полей в синхронных генераторах с переменным коэффициентом полюсного перекрытия

2.4 Поле под полюсом

2.5 Поле в межполюсном пространстве

2.6 Поле реакции якоря

2.7 Поле реакции якоря в межполюсном пространстве 64 2.8 Режимные координаты систем управления синхронных генераторов для различных элементов с гармоническим возбуждением

2.8.1 Генераторы с вращающимися выпрямителями

2.8.2 Генераторы типа "сексин"

2.8.3 Генераторы смешанного возбуждения 67 ВЫВОДЫ

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭЛЕМЕНТОВ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

С ГАРМОНИЧЕСКИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

3.1 Математическая модель синхронного генератора

3.2 Математическая модель обмотки гармонического возбуждения

3.3 Статическая ошибка регулирования 89 3.3.1 Расчет статической ошибки регулирования

3.4 Условия инвариантности системы управления

ВЫВОДЫ

ГЛАВА 4. ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

С ГАРМОНИЧЕСКИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

4.1 Общие положения

4.2 Варианты реализации систем управления с элементами гармонического возбуждения

4.2.1 Элементы с гармоническим возбуждением

4.2.2 Элементы с раздельным бигармоническим возбуждением

4.3.3 Элементы с бигармоническим совмещенным возбуждением

4.2.4 Элементы с вращающимся полем

4.3 Элементы с гармоническим возбуждением

4.4 Методика расчета чувствительных элементов

4.5 Расчет обмоток гармонического возбуждения 113 ВЫВОДЫ

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ЭЛЕМЕНТОВ С ГАРМОНИЧЕСКИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

5.1 Описание макетов элементов

5.2 Постоянный коэффициент полюсного перекрытия без полюсных наконечников

5.3 Переменный коэффициент полюсного перекрытия, когтеобразные полюса

5.4 Тип "сексин"

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

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Основные величины

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

М - индуктивность взаимная, т - число фаз, р - число пар полюсов,

Р - мощность активная,

Q - мощность реактивная,

R, r - сопротивление активное,

S - мощность полная,

Т - постоянная времени,

U - напряжение электрическое,

W- энергия электромагнитная, w - энергия электромагнитная удельная, х - сопротивление реактивное,

8 - воздушный зазор, s - проницаемость диэлектрическая,

0 - угол между продольной осью ротора и осью фазы А, л - проницаемость магнитная,

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

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

Нижний индекс а - для обозначения контура якоря,

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

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

Верхний индекс - переходные величины, " - сверхпереходные величины,

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Элементы систем управления синхронных генераторов с гармоническим возбуждением»

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

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

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

В качестве элементов СУ СГ с гармоническим возбуждением могут быть использованы СГ с переменным коэффициентом полюсного перекрытия (а). Основное достоинство таких элементов - высокая надежность. Они легко выдерживают высокие температуры перегрева, допускают высокие окружные скорости, имеют малый расход меди на обмотку возбуждения. Для использования СГ с переменным а в качестве элементов СУ с гармоническим возбуждением необходима методика расчета режимных координат СУ. Необходимо оценить возможность применения СГ с переменным (а) в качестве элементов СУ с гармоническим возбуждением. Для оценки качества стабилизации напряжения уже на этапе проектирования нужны математические модели элементов СУ с постоянным и регулируемым потоком.

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

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

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

Для достижения указанной цели решены следующие задачи:

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

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

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

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

6. Разработка чувствительных элементов гармонического возбуждения.

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

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

Научная новизна результатов работы заключается в следующем.

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

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

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

4. Предложены элементы с бигармоническим возбуждением.

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

Практическую ценность имеют:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

5. Результаты экспериментальных исследований элементов с гармоническим возбуждением.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Бовтрикова, Елена Владиславовна

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Обоснована перспективность применения элементов СУ с гармоническим возбуждением.

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

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

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

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бовтрикова, Елена Владиславовна, 1998 год

1. Сотсков Б.С. Элементы и устройства систем управления. Избранные труды.-М.: Наука, 1981.-208 с.

2. Фабрикант В.Л., Глухов В.П., Паперно Л.Б., Путнинып В.Я. Элементы автоматических устройств. М.: Высш. школа, 1981. - 400 е., ил.

3. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. Изд 2-е, перераб. и доп. -Л.: Энергия, 1975.-412 е., ил.

4. Электроснабжение летательных аппаратов / Под ред. проф. Н.Т. Коробана. М.: Машиностроение, 1975.-563 с.

5. Куляпин В.М. Авиационные электрические машины (синхронные генераторы с гармоническим возбуждением): Учебное пособие.- Уфа, 1975.-142 с.

6. Галтеев Ф.Ф., Куприн Б.В. Электрооборудование транспорта. Современные системы электроснабжения самолетов.-М.: Изд-во ВИНИТИ, 1977.-85 с.

7. Исследование комбинированных систем регулирования напряжения синхронных генераторов. 4.1; Отчет о НИР (заключит./ВНТИЦентр; Руководитель Куляпин В.М.-№ГР 01940008015; Инв.№ 2960002933.-М., 1997.-58с.: ил.

8. Мелешкин Г.А. Судовые синхронные генераторы с автоматическим регулированием напряжения.-Л.,1962.-272с., ил.

9. Бессекерский H.A., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. -М.: Наука, 1972.-213 с.

10. Вольдек А.И. Электрические машины. Изд. 2-е, перераб. и доп. -Л.: Энергия, 1974. -839 с.

11. Куляпин В.М., Утляков Г.Н. Комбинированные системы регулирования. Учебное пособие, Уфа, 1983.-80 с.

12. Макаров И.М., Менский Б.М. Линейные автоматические системы. (Элементы теории, методы расчета и справочный материал): Учеб. пособие для вузов. -М.: Машиностроение, 1977.-464 е., ил.

13. Красовский A.A., Поспелов Г.С. Основы автоматики и технической кибернетики. -М., Госэнергоиздат, 1956.-98 е.

14. Менский Б.М. К вопросу о реализации принципа инвариантности. -"Известия АН СССР.ОТН, Энергетика и автоматика", 1961,- №6.-С.45-46.

15. Морозовский В.Т., Синдеев И.М., Рунов К.Д. Системы электроснабжения летательных аппаратов. -М.: Машиностроение, 1973. -420 с.

16. Кулебакин B.C., Морозовский В.Т., Синдеев И.М. Электроснабжение самолетов. -М., Оборонгиз, 1956.-298 с.

17. Теория автоматического управления.Ч.1. Теория линейных систем автоматического управления/ Теория линейных систем автоматического управления / Н.А.Бабаков, А.А.Воронов, А.А.Воронова и др.; Под ред. А.А.Воронова.-М.: Высш. шк.,1986.-367 е., ил.

18. Менский Б.М. К вопросу о реализации принципа инвариантности. -"Известия АН СССР.ОТН, Энергетика и автоматика", 1961.- №6,- С.31-33.

19. Морозовский В.Т. Синтез корректирующих перекрестных связей многомерных систем автоматического регулирования. Теория многосвязного регулирования. "Труды первой Всесоюзной конференции по теории многосвязного регулирования", -М.: Наука, 1967,- С.78-79.

20. Аветисян Д.А., Мизюрин С.Р. Переходные процессы в авиационных генераторах и трансформаторах.-М.: МАИ, 1972.-143 с.

21. Аветисян Д.А. Элементы общей теории электрических машин. Конспект лекций по курсу "Переходные процессы в авиационных электрических машинах",-4.1.-МАИ, 1971.-75с.

22. Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока: Учеб. пособие для студентов вузов. М,: Высш. школа, 1982.-272 е., ил.

23. A.c. 139359, Устройство самовозбуждения явнополюсного синхронного генератора. / П.М. Ипатов, Г.В. Пинский, В.В. Домбровский и др. -Опубл. в БИ.-1961,-№13.

24. Pat. 3025450 USA, Self excited Synchronous generator. Ulrik Krabbe, 10 Feb 1059.

25. Nippes P.I. Use Harmonic Power in Nansalient Pole Synhronous Machinery. Transactions AIEE, pt.3, vol.81,1962.

26. Nippes P.I. Harmonic Power in Nansalient Pole Synhronous Mashinery. Transactions AIEE, pt. 3,vol.81,1962.

27. Platthaus H.L. Erredung von Synhronmaschienen durch die dritte Harmonic. he des luftspallfeldes. ETZ-A, Bd 84,1963 H.23.

28. Антонов M.B., Радин B.H., Трошин B.H. Использование третьей гармоники поля для возбуждения синхронного генератора. " Изв. Вузов, Электромеханика".- 1965.- №3.-С.28-33.

29. A.c. 578807 СССР, Синхронная машина с возбуждением от высших гармоник / А.Т. Пластун.

30. Пластун А.Т. Бесщеточный бигармоничеекий возбудитель синхронных машин,- Л., 1988.

31. Попов В.И., Амамчан С.Г., Манукян P.M. Эффективность применения совмещенных обмоток в синхронных машинах с самовозбуждением от третьей гармоники магнитного поля. "Электромеханика".- 1982.- №11.-С. 4042.

32. Попов В.И. Совмещенные обмотки якоря синхронной машины с возбуждением от третьей гармоники магнитного поля. "Электричество".-1986,- №12.- С.61-62.

33. Попов В.И. Оптимизация параметров совмещенной обмотки якоря для синхронных машин с системой возбуждения от третьей гармонической поля. "Электричество".- 1989,- №7,- С.23-25.

34. А.с. 1236588 Синхронная электрическая машина. Ю.А. Морозова, А.Й. Федотова. Опубл. в БИ.- 1993.- №40.

35. Бесщеточный синхронный генератор. Burstenloser Synchrongenerator: Заявка 4307268 ФРГ,МКИ5 H 02 К 19/26, Н 02 Р 9/38 / Auinger Herbert, Bredhouer Yurgen, Wachta Bernhard; Siemens AG.-№4307268.2; 3аявл.2.3.93; Опубл.8.9.94.

36. Саморегулируемый синхронный генератор с бесщеточным возбуждением. /Fukami Tadashi, Kamai Takahiro, Miyamoto Toshio // Denki gakkai ronbunshi. D. Sangyo yoy bumonshi=Trans.Inst.Elec.Eng.Jap.D.-1995.-115,№9.-C.l 179-1185.

37. Куляпин B.M., Утляков Г.Н. Исследование бесконтактного синхронного генератора с гармоническим возбуждением. Изв. СО АН СССР.- 1974,- №8.

38. Куляпин В.М., Утляков Г.Н. Исследование высокочастотного бесконтактного генератора с гармоническим возбуждением. Труды IV

39. Всесоюзной научно-технической конференции по применению повышенной частоты тока "Ир".- Орджоникидзе,1975,- С.47-48.

40. Утляков Г.Н. Разработка и исследование систем гармонического возбуждения авиационных бесконтактных генераторов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.- Уфа, 1975.

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

42. Utlyakov G.N., Bovtrikova E.V. "Autonomous Supply Sources with Compound Harmonic Control Systems", The Third International Conference On New Energy Systems And Conversions.- Kazan, Rossia, September, 1997. P. 169-172.

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

44. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике: для научных работников и инженеров. -М.: Наука, 1970.-720 е.: ил.

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

46. Энергетическая электроника: Справочное пособие: Пер. с нем./ Под ред. В.А. Лабунцова.-М.: Энергоатомиздат, 1987-464с.: ил.

47. Куляпин В.М., Утляков Г.Н. Автономные источники электропитания с комбинированными гармоническими системами регулирования/ Тезисы докладов 1-ой международной конференции по электромеханике и электротехнологии.- Суздаль, 1994.-С. 135.

48. Ginsberg D., Jokl A,L., Blum L.M. Calculation of No-Load Wave Shape of Salient-Pole A-C Generators//Transactions A1EE.-1953.Vol.72, pp. 974-980.

49. Ginsberg D., Jokl A.L. Voltage Harmonics of Salient-Pole Generators-1//Transactions AIEE.- 1960. Vol.46, pp. 1573-1579.

50. Ginsberg D., Jokl A.L. Voltage Harmonics of Salient-Pole Generators-2// Transactions AIEE.- 1960.Vol.49, pp.560-566.

51. Костенко М.П., Коник Б.Е. Определение основной и третьей гармоники поля якоря и поля полюсов явнополюсной синхронной машины// Электричество.-1951.-№3,- С. 11-16.

52. Конкордиа Ч. Синхронные машины. Переходные и установившиеся процессы. -М.-Л.: Государственное энергетической издательство, 1959.-272 с.

53. И.Х. Хайруллин, Е.В. Бовтрикова Выбор и обоснование режимных координат систем гармонического управления синхронных генераторов.

54. Лифшиц-Гарик М. Обмотки машин переменного тока,- М.-Л. Госэнергоиздат, 1959.-765с.

55. Зимин В.И. и др. Обмотки электрических машин. Л.: Энергия, 1970.-471с.

56. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины.- М.-Л. Госэнергоиздат, 1958.-651с.

57. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины,- М.: Высш. школа, 1985.-255с., ил.150