Разработка асинхронной каскадной машины для гибкой связи энергосистем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат технических наук Алиев, Исмаил Ибрагимович

• Алиев, Исмаил Ибрагимович
• кандидат технических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат технических наук Алиев, Исмаил Ибрагимович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ГИБКОЙ МЕЖСИСТЕМНОЙ СВЯЗИ.

1.1. Общие замечания.

1.2. Вставки постоянного тока.

1.3. Электромагнитные преобразователи с переменной индуктивностью. II

1.4. Электромеханические преобразователи частоты с асинхронизированными синхронными машинами.

1.5. Электромеханические преобразователи частоты с синхронными машинами.

1.6. Электромеханические преобразователи частоты с асинхронными машинами.

1.7. Электромеханические преобразователи частоты на базе АКМ с поворотом поля статора.

Выводы по главе I.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ АСИНХРОННОЙ КАСКАДНОЙ

МАШИНЫ В ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ.

2.1. Обобщенная математическая модель АКМ.

2.2. Определение токов и моментов АКМ в переходных режимах с помощью ЦВМ.

2.3. Мгновенные мощности и моменты АКМ.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ АКМ В УСТАНОВИВШИХСЯ

РЕЖИМАХ.

3.1. Уравнения АКМ в установившихся режимах.

3.2. Электрические схемы замещения.

3.3. Векторные диаграммы АКМ.

3.4. Выражения для ЭДС и токов АКМ.

3.5. Определение токов статоров AHM в установившихся режимах с помощью ЦВМ.

Выводы по главе.3.

ГЛАВА 4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ В АКМ.

4.1. Общие замечания.

4.2. Активные мощности АКМ.

4.3. Реактивные мощности АКМ.

4.4. "Раздельное" регулирование активной и реактивной мощностей.

4.5. Потери, энергетические диаграммы КПД АКМ.

4.6. Области допустимых установившихся режимов АКМ. 159 Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АКМ.

5.1. Описание экспериментальной установки.

5.2. Схемы соединения обмоток и режимы работы АКМ.

5.3. Исследование процессов перетока мощностей в физической модели МСС.

Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка асинхронной каскадной машины для гибкой связи энергосистем»

Энергетическая программа СССР на длительную перспективу -важнейшее звено в политике КПСС и Советского государства, направленной на укрепление экономики страны и рост благосостояния трудящихся. "ГОЭЛРО в современных условиях" - так характеризуется Энергетическая программа в документах партии и Советского правительства.

Одной из задач, поставленных в Энергетической программе, является дальнейшее объединение электроэнергетических систем с целью улучшения использования их ресурсов.

Объединение электроэнергетических систем (ЭХ) до последнего времени осуществлялось в основном с помощью ЛЭП переменного тока. В настоящее время в электроэнергетике наметилась тецценция объединять ЭЭС посредством ЛЭП постоянного тока, вставок постоянного тока (БПТ) и некоторых других устройств межсистемной связи (МСС) [10,16,20,21,26,27,54,75,89,112] .

Надежность параллельной работы и технико-экономические показатели ЭЭС в большой степени определяются пропускными способностями МСС и возможностью рационального управления перетоками мощностей по этим связям. Пропускная способность большинства МСС не превосходит нескольких процентов от мощностей объединяемых ЭЭС. Такие связи называются "слабыми11 [17,89] . Относительно низкая пропускная способность "слабых" МСС не позволяет в полной мере использовать потенциальные мозможности объединяемых ЭЭС, в частности, в аварийных ситуациях, когда особенно важны взаимодействие и взаимопомощь систем.

МСС наиболее эффективны, когда они обеспечивают управление перетоками мощностей, независимое регулирование частот в объединяемые ЭЭС, локализацию аварийных режимов, возникших в одной из ЭЭС в пределах этой ЭЭС, демпфирование толчков нагрузки и т.д. МСС, обладающие такими свойствами, называют гибкими связями [20,26,27,75] .

Достоинства, присущие гибким МСС, выражающиеся в благотворном влиянии на режимы энергосистем, послужили основой для широкого развертывания в XI пятилетке работ по созданию как вставок постоянного тока, так и МСС на базе.электромеханических преобразователей частоты.

Разработка гибких вставок для энергосистем включена в комплексный план АН СССР (проблема 1.9.2., задание 2.3) и в Целевую комплексную научно-техническую программу ГКНТ СССР 0Ц.003 (подпрограмма 0,01.Об.Ц, задание Об). В разработке электромеханических преобразователей частоты принимает участие ряд организаций: Харьковский НИИ и завод "Эявктротяжмаш", завод "Уралэлектротяжмаш", ВНИИЭ, ВНИИэлектромаш, ВЭИ, Таллинский электротехнический завод, ВДУ ЕС ССР, а также МЭИ.

Согласно заданию 05.01 Целевой комплексной научно-технической программы 0Ц.003 в XI пятилетке предстоит создать и внедрить на МСС Северный Кавказ-Закавказье комплекс управляемого соединения энергосистем на базе асинхронизированного синхронного электромеханического преобразователя частоты (АС ЭИПЧ) мощностью 200 МВт. В насто^рцее время завершены основные научные и проектно-конструк-торские работы по этому устройству, что позволяет приступить к его изготовлению и монтажу.

Обзор литературы, выполненный в первой главе, позволяет сделать заключение о том, что применение ЭМПЧ на базе асинхронизиро-ванных синхронных машин, при специальном проектировании и изготовлении последних, наиболее целесообразно в диапазоне мощностей 100-1000 и более МВт, поскольку с ростом мощности существенно снижаются удельные капиталовложения в подстанции с АС ЭМПЧ. Вместе с тем в ряде случаев для передачи энергии в меньших диапазонах мощностей от десятков до единиц МВт оказывается приемлемым использование ЭМПЧ на базе синхронных и асинхронных машин. В последнем случае наибольший интерес представляют бесконтактные асинхронные машины с внутренним каскадом или асинхронные каскадные машины, выполненные на базе мощных серийных машин с фазными роторами. Такие ЭМПЧ предложены в последние годы в США и в СССР /ВНИИЭ, МЭЙ, и ВНИИэлектромаш/[ 6,7,8,Г4,97]. Они отличаются простотой, высокой надежностью и меньшей по сравнению с АС ЭМПЧ и ВПТ стоимостью. При определенных условиях ЭМПЧ на базе каскадной машины выполняет все основные функции гибких МСС.

В литературе последних лет появились исследования ЭМПЧ на базе одноосевых синхронных машин. Что касается ЭМПЧ на базе каскадных машин, то в настоящее время обстоятельных исследований по ним нет. В настоящей работе предпринимается попытка в некоторой мере восполнить этот пробел.

Целью диссертационной работы является разработка АКМ для гибкой межсистемной связи и исследование ее свойств и характеристик в установившихся и переходных симметричных режимах работы.

Для реализации поставленной цели выполнялись научные исследования, в соответствии с которыми на защиту выносятся следующие основные положения:

- разработка математического описания асинхронной каскадной машины в динамическом и статическом режимах;

- разработка энергетических соотношений ЭМПЧ на базе асинхронной каскадной машины, анализ перетоков мощностей и влияние на них параметров машины, исследование области допустимых режимов машины;

- разработка и экспериментальное исследование физической модели ЭМПЧ на базе асинхронной каскадной машины. Исследования проводились:

1) аналитическим методом с использованием обобщенной теории электромеханического преобразования энергии;

2) графоаналитическими методами на основе комплексных уравнений для установившихся режимов;

3) методом математического моделирования на ЦВМ уравнений каскадной машины в динамическом и статическом режимах;

4) методами физического моделирования на экспериментальной установке.

Научная новизна:

1) предложено новое устройство электромеханического преобразователя частоты на базе асинхронной каскадной машины, состоящей из двух электрически и механически соединенных асинхронных машин с поворотом поля статора одной из машин в пределах полюсного деления, и показана экономическая целесообразность применения такого ЭМПЧ для гибкой связи энергосистемы относительно небольшой мощности с крупной системой;

2) предложена математическая модель, позволяющая исследовать АКМ в динамических и статических режимах, получено новое аналитическое решение задачи определения перетоков активной и реактивной мощностей из одной энергосистемы в другую и получены уравнения установившихся режимов, в которых независимыми параметрами являются разбаланс частот энергосистем и угол поворота поля статора;

3) предложены эквивалентные электрические схемы замещения, в которых AHM представлена в виде двух машин двойного питания, работающих соответственно в двигательном и генераторном режимах;

4) показано влияние управляющих параметров ЭШЧ, а также параметров АКМ на уровень перетоков мощностей между энергосистемами, а также предложен графо-аналитический метод определения областей допустимых установившихся режимов АКМ.

Внедрение результатов.

Результаты исследования использованы во ЕНИИЭ при анализе и сопоставлении вариантов ЭМПЧ для малой энергетики. Алгоритм и программа расчета динамических режимов использованы СКТБ МПО "Завод им. Владимира Ильича".

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов", г Грозный (1982 г.), Республиканской научно-технической конференции "Перспективы развития электромашиностроения на Украине", г. Харьков (1983 г.), заседании кафедры электроснабжения промпредприятий филиала Ставропольского политехнического института, г. Черкесск (1984 г.), заседании кафедры электрических машин МЭИ (1984 г.).

По материалам диссертации опубликовано четыре работы, получено авторское свидетельство, а также решение Госкомизобратений о выдаче второго авторского свидетельства.

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Алиев, Исмаил Ибрагимович

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

1. Переток активных и реактивных мощностей через МСС при угле поворота поля статора, не равном нулю, возможен при равенстве частот энергосистем. Уровень перетока мощностей помимо угла поворота определяется параметрами машины. Предельные значения мощности увеличиваются при снижении индуктивного сопротивления роторных цепей.

2. Переток активных и реактивных мощностей через МСС возможен в диапазоне скольжений от единицы до номинальных значений. Наиболее рациональными по минимуму капитальных затрат являются низкие частоты вращения, составляющие (0,03 -0,05) соСии.

3. Направление перетоков мощностей зависит от знака угла поворота поля и до некоторых пределов не зависит от разности напряжений. АКМ позволяет передавать мощность навстречу "естественному" потоку мощности, обусловленному этой разностью.

4. В определенном диапазоне изменения угла поворота поля и частоты вращения вала АКМ допускает раздельное регулирование активных и реактивных мощностей.

5. Область допустимых режимов АКМ ограничена в основном токами роторов. Режим глубокого потребления реактивной мощности одной машиной и вьщача ее другой связаны либо с перегрузкой роторов и первого статора, либо с такой же недогрузкой второго статора.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АКМ

Целью экспериментальных исследований являлось:

1. Качественное подтверждение теоретических исследований АКМ в устройстве для МСС.

2. Снятие характеристик, описывающих процессы перетока мощностей в каскадной машине.

5.1. Описание экспериментальной установки

Эксперименты проводились на установке, разработанной и выполненной автором в лаборатории электрических машин и автоматизированного электропривода кафедры электроснабжения промпредприятий Ставропольского политехнического института.

Для исследований были созданы два образца каскадных машин. Одна из них была выполнена на базе двух асинхронных машин с фазным ротором типа МТ-11-6, 2,2 кВт, смонтированных на стальной раме, связанных общим валом и сочлененных со вспомогательной машиной постоянного тока (рис. 5.1). Для сочленения со вспомогательной машиной вал одной из асинхронных машин был выполнен с двумя рабочими концами. В соединительных муфтах были рассверлены отверстия таким образом, чтобы иметь возможность при взаимном повороте рассоединенных муфт поворачивать оси фаз роторов на 20 эл.град., что эквивалентно повороту статора на такой же угол.

Наряду с этой возможностью в качестве устройства для поворота поля статора использовался фазорегулятор.

Вторая машина в однокорцусном исполнении была изготовлена на базе двух одинаковых асинхронных машин серии 4А; 1,5 кВт. Статоры ïi

4 - » V ft.^.'T 5?-г ^ y машин были оставлены без изменений и переделок. Пакеты роторов были сняты с валов, их короткозамкнутые обмотки были удалены. Затем пакеты были посажены на общий вал, на расстоянии, равном удалению пакетов статоров. Короткозамкнутая, общая для обоих пакетов, обмотка была выполнена из медных шин, вложенных в пазы роторов, и замкнутых двкмя массивными медными кольцами, (рис. 5.2). Подшипниковые щиты со сторон статоров, обращенных друг к другу были удалены. Стыковка статоров с установкой безопасного (5 мм) расстояния между лобовыми частями обмоток была выполнена при помощи чугунного кольца шириной 40 мм с диаметром расточки таким же, как у подшипниковых щитов. Машина была смонтирована на небольшой стальной плите, которая затем укреплялась на стальной раме, и осуществлялось механическое соединение со вспомогательной машиной (рис. 5.3).

В качестве источника питания вспомогательной машины для обоих агрегатов использовался тиристорный преобразователь типа ПТ0М-250. Для стабилизации скорости вращения вала АКМ использовалась отрицательная обратная связь по скорости. Паспортные данные машин приведены в приложении 5.

В качестве объединяемых энергосистем использовались - лабораторная сеть 220 В - для моделирования объединения энергосистем бесконечно большой мощности при равных частотах, когда исследовалась зависимость перетоков мощностей от угла поворота, а также лабораторная сеть 220 В и синхронный генератор типа ГАБ-2 или асинхронная машина с фазным ротором в качестве источников "плавающей" частоты.

Принципиальная схема экспериментальной установки приведена на рис. 5.4.

Первый статор каскадной машины подключен к сети 220 В через фазорегулятор ФР и автотрансформатор А!^. Измерения токов статора,

Рис.5,2 Исполнение ротора однокорпусной АКМ /второй статор удален/.

Рис.5.3 АКМ в "однокорпусном" исполнении. напряжений и активных мощностей осуществляется при помощи измерительного комплекта К-50 ( Aj^Vj^Ws^ ). Второй статор подключается к сети также через трехфазный регулятор напряжения ATg. Статор может быть отключен от сети и подключен на напряжение синхронного генератора СГ, работающего на симметричную нагрузку ZH . Регулирование частоты вращения СГ в небольших пределах можно выполнять , изменяя подводимое к' приводному двигателю ПД постоянное напряжение.

Роторы агрегатного варианта АКМ могут быть соединены с прямым или обратным порядком чередования фаз. На рис. 5.4 показан случай прямого порядка чередования фаз. В одну из фаз включен амперметр Др , позволяющий измерять фазный ток роторов. Вольтметр Vr измеряет линейное напряжение роторов.

Вспомогательная машина постоянного тока ВМ, расположенная на общем валу, питается от тиристорного преобразователя. Выходные токи и напряжение преобразователя измеряются приборами Дн и Vh и позволяют рассчитать момент, развиваемый на валу АКМ. Скорость вращения измеряется тахогенератором ТГ и таховольтметром Vn » а также непосредственно тахометром. Наличие отрицательной обратной связи по скорости позволяет получить достаточно жесткие во всем диапазоне изменения скоростей характеристики вспомогательной машины, что обеспечивает необходимую точность измерений величин при изменениях угла поворота статора, а также позволяет исследовать влияние изменения скорости вращения вала на исследуемые процессы перетока мощностей.

Приведенная схема в равной мере пригодна и использовалась для исследования как двухмашинного агрегата АКМ, так и АКМ однокорпус-ного исполнения с короткоеамкцутым ротором, поскольку они имеют соизмеримые мощности. 220 ^220

Рис.5.4 Принципиальная схема экспериментальной установки для исследования АКМ в межсие темной связи. ялн'.щ'!

5.2. Схемы соединения обмоток и режимы работы АКМ

В зависимости от способа соединения фазных обмоток статоров и роторов АКМ можно получить различные режимы его работы. Рассмотрим их в отношении конкретной АКМ на базе двух машин с фазным ротором типа МТ-П-б, 2,2 кВт, 380/220 В; 7/11 А; 1000 об/мин.

Начала обмоток статоров обозначим соответственно: А,В,С; А', В', С'. Начала обмоток роторов - а, в, с; а7, в', с'.

I. Порядок следования фаз статора и ротора соответственно А,В,С; А', В;, С'; а,в,с; а7, в', с'. Это означает, что поля статоров вращаются в одном направлении, поля роторов - также. Такое соединение фазных обмоток роторов (а- а', в-в', с-с') называют прямым порядком чередования фаз роторов.

При таком соединении обмоток роторов при включении статоров агрегата в сеть он остается неподвижным, токи в цепи статоров равны току холостого хода, ( 1ХХ»ЗА) Ток в цепи роторов равен нулю. Агрегат без всякого усилия можно провернуть в любую сторону.

Изменение частоты вращения вала ( П = 0 * 1000 об/мин) не приводит к перераспределению токов и мощностей ( ).

При повороте одного из статоров (его поля) на определенный угол 8 происходит перераспределение токов и мощностей. Например, 8 = 15 эл.град, 151= 2А, 131= 5А, Р51 = 540 Вт, Р$г= О, П = 100 об/мин.

Как видно, ток первого статора становится меньше тока холостого хода в 1,5 раза, а активная мощность второго статора равна нулю. Это означает, что в данном случае ток второго статора ( 5 А) - чисто реактивный. Намагничивание первой машины осуществляется со стороны ротора от второй машины, тогда как ток первого статора является чисто активным. Вспомогательная машина на валу при этом отключена, агрегат вращается с частотой П. =100 об/мин.

Бели с ее помощью изменить направление вращения вала, то мощности АКМ перераспределятся:

9 = 15, 1$4 =2,3 A, IS2= 5 А, Р54 = 840 Вт, PS1 = -350 Вт, Рьм = 600 Вт. Это свидетельствует о том, что при данной частоте вращения второй статор потребляет из сети реактивную мощность, которая идет на намагничивание обеих машин агрегата, и отдает в сеть активную мощность Psz , тогда как первый статор получает из сети активную мощность psl , а ток этого статора является по-прежнему чисто активным. Кроме того на' вал поступаетт мощность от вспомогательной машины.

При изменении 0 от 0 до 180 град, щюисходит изменение чае-тоты вращения вала АКМ от 0 до 980 об/мин и перераспределение токов и мощностей. При 8 = 180 эл.град. Is, а15г Ps< - Р5г = = 300 Вт, Я в 980 об/мин. Это соответствует двигательному режиму обеих машин каскада.

Таким образом, при прямом порядке чередования фаз обмоток роторов на направление и величину перетоков мощностей оказывают влияние как угол поворота поля, так обеспечиваемая вспомогательной машиной заданная частота вращения вала.

2. Порядок следования фаз статоров: А,В,С; А' , В , С ; порядок следования фаз роторов: а, в, с; а', в', с'. Такое соединение обмоток роторов (а-а', в-с', с-в') называют обратным порядком чередования фаз.

В этом случае при включении агрегата в сеть он вращается с частотой, равной примерно половине синхронной: И^0,5 Пс ~

450 об/мин.

При этом токи статоров одинаковы, одинаковы также их мощности ( Р$1=Р$г+600 Вт).

При изменении 9 происходит изменение частоты вращения вала ( Рвм=0 ) и перераспределение мощностей: 0= 18°, Р$< =0,

Р$1= 660 Вт, а = 520 об/мин, = 5 А, 1£г= 2 А.

Здесь как и в первом случае ток первого статора чисто реактивный, а ток второго - чисто активный.

Переток мощностей можно осуществлять путем принудительного изменения частоты вращения вала совместно с изменением угла поворота поля статора.

Как известно, АКМ с обратным порядком чередования фаз имеет две устойчивые частоты вращения, определяемые весьма жесткими механическими характеристиками, проходящими через точки, соответственно П=0,5ПС и П.* Пс , причем до второй скорости АКМ нужно разогнать вспомогательным двигателем.

Перераспределение и переток мощностей наиболее эффективно осуществляется при П < 0,5 Пс , однако он связан с созданием на валу моментов, существенно больших, чем при прямом порядке чередования фаз.

3. Порядок чередования фаз обмоток роторов: а,в,с; а', с', в'. Порядок чередования фаз обмоток статоров: А,В,С; А', С', В . Это соответствует обратно^ порядку чередования фаз и статора, и ротора. Такой режим АКМ представляется весьма интересным, тем более, что он не получил в литературе никакого освещения. Он в полной мере эквивалентен включению асинхронной машины с фазным ротором в сеть в режиме двойного питания, когда поля статора и ротора вращаются в одну сторону [35,38]

Обмотки роторов АКМ соединены по схеме (а-с'), (в-в' ), (с-а').

При включении статоров в сеть АКМ остается неподвижной. Ток роторов равен при этом нулю. Однако это весьма устойчивое состояние, и требуется значительное усилие чтобы повернуть роторы АКМ на определенный угол. При этом в зависимости от угла поворота ротора изменяются величины и знаки мощностей статоров, а также возникает момент, стремящийся вернуть роторы в исходное положение. Зависимость этого момента от угла поворота весьма однозначна и совпадает с угловой характеристикой синхронной машины:

М6« Мьм 5ш е

АКМ в этом режиме может успешно выполнять функцию управляемой МСС, хотя она теряет при этом фильтрующие свойства вращающейся машины.

5.3. Исследование процессов перетока мощностей в физической модели МСС

Описанное выше устройство является физической моделью реальной межсистемной связи, и процессы в ней протекают так же, как они протекали бы в АКМ мощностью в несколько десятков МВт. Отличие заключается лишь в некоторой разнице соотношений параметров реальной АКМ и ее физической модели. Например, в реальной АКМ без большой погрешности можно пренебречь активным сопротивлением статоров, тогда как в модели этого допускать нельзя. Ток холостого хода в исследуемых машинах составляет до трети их номинального тока, тогда как для крупных машин эта величина существенно меньше. Соотношение активных и ивдуктивных сопротивлений в малых машинах позволяет также предположить, что диапазон изменения 9 , в котором обеспечивается переток и активной иреактивной мощностей, будет несколько меньше, чем у крупных машин.

В остальном результаты исследований макета МСС позволяют качественно и количественно судить о процессах в реальной МС.

На рис. 5.5 представлены зависимости токов втаторов и коэффициентов мощности от угла 9 . Снижение токов первого статора при различных частотах вращения вала связано с компенсирующим действием второго статора в диапазоне изменения 0 от 0 до 50 и 70 эл.град. Весьма высокий СозЧ» (при 0 =50 и 70 эл.град.), приближающийся к единице, также связан с явлением подмагничивания второй машины со стороны ротора. При этом, как видно из рис. 5.5 пер

-ж вая машина каскада ведет себя почти как чистая реактивность.

Характер мощностей статоров весьма резко выражается при изменении напряжения на одном из статоров, что моделирует, например, посадку напряжения в маломощной системе (рис. 5.6, 5.8). При этом первый статор отдает в сеть активную мощность, а при глубоких посадках и реактивную мощность. Перетоки мощностей существенно зависят при этом от угла 0 .

Заадсимость перетоков активных мощностей от угла 0 для различных значений частот вращения вала для АКМ с прямым порядком чередования фаз, приведена на рис. 5.7. Особенностью этих зависимостей является направление вращения вала, противоположное тому, которое возникает при 0*0. При таком направлении вращения явление перераспределения и перетока мощностей является наиболее значительным.

Важную роль при перетоке мощностей играет э.д.с. роторных цепей.

Зависимость э.д.с. рвторных цепей от частоты вращения вала в; диапазоне изменения скольжения от 0 до +1 приведена на рис. 5.11. Как видно из этого рисунка, зависимость эта линейна и изменяется от 0 до номинального значения э.д.с. ротора.

Э.д.с. ротора в определенном диапазоне изменения 0 мало зависит от угла поворота поля. Однако, при 9 >90 эл.град. происхо

Сов У" а=0

Щ' СоцЦ' В

100 Ж град. мощностей от угла поворота доля статора.

Щ-ш^А Зар^адЫ« токов ш ттоош яз статоров.

Рис ,5.7 Зависимости перетоков активных мощностей АКМ от угла поворота шля статора при различных частотах вращения вала. йю,5.8 Зависимости активных ш реактивных модноствй статоров от изменения напряженна на одном из статоров. мп*о нс.5.9 Зависимости активных и реактивных мощностей статоров от угла поворота пода второго статора.

Рк.5.10 Зависимости швдоетей.токю и коэффиданюв жодостеа ом^.а также адности навалу АКМ от Ч£втои врадешш ваш Цр» угле поворота пола,равном 30 ал.град. . .

- 181 - 1 а й» . .

Чзо.

-0,8 -0,4 -Д2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

ЙИС.5Ш Зависимость э.д.с. роторов АКМ о* скольжевжа при угле поворота поля, равном нулю.

В рл Л В т т. т. е

-т гво * -во -зо о зо , б0 ¿о ^о

Рис.5.12 Зависимость э.д.с. роторов АКМ от угла поворота доля второго статора при заторможенном вале. дит существенное уменьшение Ерл . Это связано с уменьшением коэффициента связи между соответствующими фазными обмотками статора и ротора, а также и в большей степени - с увеличением падения напряжения в обмотках ротора, поскольку линейная э.д.с. роторов ЕрЛ измерялась на контактных кольцах машины при заторможенном роторе АКМ. вывода ПО ГЛАВЕ 5

1. Физическая модель AHM на базе асинхронных машин с фазным, а также короткозамкнутым ротором позволяет качественно исследовать процессы перетока активной и реактивной мощностей в МСС.

2. На функционирование АКМ в МСС существенное влияние оказывает схема соединения обмоток статора и ротора.

3. Экспериментальные исследования подтвердили теоретическое положение, что переток активной и реактивной мощностей через устройство определяется углом поворота поля статора, частотой вращения вала АКМ, а также параметрами АКМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложено новое устройство электромеханического преобразователя частоты на базе асинхронной каскадной машины с поворотом поля одного из статоров в пределах полюсного деления и показана экономическая целесообразность применения такого ЭМПЧ для гибкой связи энергосистемы относительно небольшой мощности с крупной системой с использованием для этого мощных серийных машин.

2. Предложена математическая модель АШ. Разработан алгоритм и составлена программа для расчета динамических режимов. Показано, что при одновременном включении АКМ в обе энергосистемы токи статоров в начальный момент включения определяются в основном параметрами статоров АКМ и не превышают трехкратного тока холостого хода базового асинхронного двигателя. Токи статоров уменьшаются во времени по экспоненциальному закоцу для случая, когда оси полей совпадают и изменяются по колебательному закоцу для случая, когда угол поворота поля статора не равен цулю.

3. На основании дифференциальных уравнений получены уравнения установившихся режимов АКМ, в которых независимыми параметрами являются угол поворота поля статора и скольжения.

4. Предложены эквивалентные электрические схемы замещения, в которых АКМ представлена в виде двух машин двойного питания, работающих соответственно в двигательном и генераторном режимах.

5. В определенном диапазоне изменения угла поворота поля статора и частоты вращения, зависящем от параметров базовой асинхронной машины, АКМ допускает "раздельное" ре^лирование активных и реактивных мощностей. Передача активной мощности осуществляется в АКМ по двум каналам: через общий вал, а также непосредственно по электрическим цепям ротора.

6. При разбалансе частот энергосистем и угле поворота поля статора, равным цулю, через устройство МСС возможен регулируемый переток как активной, так и реактивной мощностей. Значения активных мощностей определяются при этом как степенью разбаланса частот, так и частотой вращения. Переток активной и реактивной мощностей через МСС при угле поворота поля статора, не равном цулю,возможен как при равенстве частот энергосистем, так и при их разбалансе. Уровень перетока активной мощности определяется помимо угла поворота поля статора и разности частот энергосистем также параметрами машины. При прочих равных условиях наибольший переток активной и реактивной мощностей имеет место в АКМ с наименьшим индуктивным сопротивлением рассеяния роторов.

7. На основании анализа областей допустимых установившихся режимов АКМ показано, что переток мощностей через ЭМПЧ ограничен по условиям нагрева обмоток роторов.

8. Направления перетоков мощностей зависят от знака угла поворота поля статора и до некоторых пределов не зависят от разности модулей напряжений. АКМ позволяет передавать мощность навстречу "естественному" перетоку мощности, обусловленному этой разностью.

9. С целью уменьшения стоимости устройства для МСС, а также для обеспечения механической прочности АКМ, целесообразна работа последней при низких частотах вращения.

10. Экспериментальные исследования, проведенные на макетной АКМ, созданной при участии автора, показали работоспособность АКМ в режимах перетока активной и реактивной мощностей, а также подтвердили основные теоретические положения работы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Алиев, Исмаил Ибрагимович, 1984 год

1. Адкинс Б. Общая теория электрических машин. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. - 272 с.

2. Адаменко А.И., Антоненко А.И. Перспективы применения машин с внутренним каскадом. Сб. "Проблемы технической электродинамики", Вып. 46. Киев,: Наукова думка, 1974, - с. 105-109.

3. Алексеев А.Е. Конструкция электрических машин. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1958. - 426 с.

4. Алиев И.И. Уравнения асинхронной каскадной машины. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов". -Грозный: 1982. с. 11-12.

5. Алиев И.И. Асинхронная каскадная машина для гибкой связи энергосистем. Тезисы докладов Республиканской научно-технической конференции "Перспективы развития электромашиностроения на Украине". Харьков, 1983. - с. 20.

6. Алиев И.И., Брускин Д.Э., Шапиро Л.Я. Основные уравнения асинхронной каскадной машины для гибкой связи энергосистем. -Изв. вузов. Электромеханика, 1983, № 6, с. 50-54.

7. Алиев И.И., Брускин Д.Э., Копылов И.П., Шапиро Л.Я. Устройство для гибкой связи энергосистем. Авт.свид. СССР № 1053216, -Опубл. 07.11.83, Б.И. 1983 № 41; МКИ Н 02 '} 3/о&.

8. Алиев И.И., Брускин Д.Э., Копылов И.П., Шапиро Л.Я. Устройство для гибкой связи энергосистем. Решение о вцдаче авт.свид.СССР по заявке № 3683206/07 от 05.07.84.

9. Алиев И.И., Устройство с асинхронной каскадной машиной для гибкой связи энергосистем. -Ставрополь.: Межотраслевой центр научно-технической информации, 1983, с.1-3.

10. Андреюк В.А., Кощеев Л.А. Способ регулирования межсистемной связи, выполненный в виде асинхронной машины двойного питания. Авт.свид. № 504275 (СССР). Опубл. 26.03.76. БИ № 21.

11. Астахов Ю.Н., Веников В.А., Ексков В.В. и др. Электроэнергетические системы в примерах и иллгострацияз под ред. В.А.Венико-ва. М.: Энергоа; .томиздат, 1983. - 504 с.

12. Барский С.З. Некоторые ворросы расчета асинхронных каскадов. Электричество, 1964, № 3.

13. Блоцкий H.H., Лабунец И.А., Шакарян Ю.Г. Машины двойного питания. Итоги науки и техники. Сер."Электрические машины и трансформаторы", т. 2. М.: ВИНИТИ, 1979, - 123 с.

14. Блоцкий H.H., Веников В.А., Зеленохат Н.И., Лабунец И.А., Мамиконянц Л.Г., Сафиуллина Р.Х., Оуханов Л.А., Шакарян Ю.Г., Цго ев P.C. Устройство для связи двух энергосистем. Авт.свид.790066 (СССР), к л, И 02 J 3/06. -Опубл. в Б.И., 1981, № 12.

15. Ботвинник М.М. Асинхронизированная синхронная машина.-М.-Л.: Госэнергоиздат, i960, 70 с.

16. Ботвинник М.М., Шакарян Ю.Г. Управляемая машина переменного тока. -М.: Наука, 1969. 139 с.

17. Веников В.А., Зеленохат Н.И., Шакарян Ю.Г., Дункель Х.-Г. О йрименении электромеханических преобразователей частоты в энергетических системах. Электричество, 1977, № 4. -с.10-14.

18. Веников В.А., Литкенс И.В. Математические основы теории автоматического управления режимами энергосистем. М.: Высшая школа, 1964, - 202с.

19. Волкова Е.А., Суханов Л.А. Способ снижения индуктированных напряжений между частями многослойной обмотки фазного ротора. -Электротехника, 1974, № 2, с.17-20.

20. Глебов И.А., Суханов J1.A., Сафиуллина Р.Х. Электромеханические преобразователи частоты для связи электроэнергетических систем. -Изв.АН СССР. Энергетика и транспорт, 1977, № 6, с.4957.

21. Гройс Е.С. Перспективные области применения электропередач и вставок постоянного тока. -Электричество, 1978, № 3, -с.1-6.

22. Денисов В.В. Управление электромеханическими процессами в электрических системах с помощью статических средств непрерывного фазового регулирования. Автореферат диссертации на соискание уч.степени кавд.техн.наук, -Новосибирск: 1983, -17с.

23. Дрейфус Л. Коллекторные каскады. -М .-Л.: Госэнергоиздат, 1934, -259 с.

24. Дункель Х.-Г. Исследование переходных процессов электроэнергетических систем с асинхронизированными синхронными электромеханическими преобразователями частоты. Автореферат диссертации на соискание уч.степени кацд.техн.наук.-М.: 1979. 20 с.

25. Зеленохат Н.И. Создание гибких межсистемных связей для объединения энергосистем. -Изв.вузов. Энергетика, 1981, № 1-е.3-8.

26. Зеленохат Н.И., Шакарян Ю.Г., Суханов Л.А., Дункель Х.-Г. Автоматизированные синхронные электромеханические преобразователи частоты, выпускаемые фирмами ДЕ G- (ФРГ) и ВгОШП boVBfi (Швейцария). Энергохозяйство за рубежом, 1978, № I, -с.1-5.

27. Зеккель A.C., Кощеев Л.А. Устройство для объединения энергосистем. Авт.свид. 554591 (СССР), кл. Н Ol j З/Об.-Опубл. в Б.И. 1977, № 14.

28. Зеккель A.C., Кощеев Л.А. Устройство для объединения энергосистем. Авт.свид. 574818 (СССР), кл. Н02 J 3/06. -Опубл. в Б.И., 1977, № 36.

29. Зеккель A.C., Кощеев Л.А. Устройство для объединения электрических систем. Авт.свид. 577606 (СССР), кл.HOZ j 3/06. -Опубл. в Б.И., 1977, № 39.

30. ЗагрядцкиЙ В.И. Совмещенные электрические машины. Кишинев.: 1971. - 156 с.

31. Иванов-Смоленский A.B. Электрические машины. М.: Энергия,1980. 928 с.

32. Исембергенов И.Т. Асинхронизированные синхронные машиныс расширенным диапазоном скольжения для энергосистем. Автореферат диссертации на сосикание уч.степени канд.техн.наук. М.: МЭИ,1981.

33. Касьянов В.Т. Электрическая машина двойного питания как общий случай машины переменного тока. Электричество, 1931,21.22, -с. I189-I197, 1282-1288.

34. Каримов Х.Г. Исследование мощного рехулируемого бесконтактного электропривода с автономным питанием. Автореферат диссертации на соискание уч.степени канд.техн.наук. М.: МЭИ, 1970.

35. Келим Ю.М., Копылов И.П., Свечарник Д.В., Шидлович Л.Х. Совмещенные электрические машины для автоматики. М.: Энергия, 1969- 200 с.

36. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963, - 744 с.

37. Костенко М.П. Электрические машины. Часть специальная. -М.-Л.: Госэнергоиздат, 1949. 712 с.

38. Костенко М.П., Гнедин Л.П. Теория и расчет трехфазных коллекторных машин и каскадных систем. М.-Л.: Наука, 1964. -380 с.

39. Ковалев Ю.З. Разработка алгоритмов исследования динамики обобщенного электромеханического преобразователя на ЭЦВМ. Автореферат диссертации на соискание уч.степени доктора техн.наук. -М.: МЭИ, 1982. 43 с.

40. Ковалев Ю.З., Тамоян Г.С., Ощепков В.А. Построение канонических методов исследования динамики электрических машин. Труды /Моск.энерг.ин-т, 1981, вып. 538.

41. Ковалев Ю.З., Ощепков В.А. Канонические методы расчета динамики при проектировании и исследовании электрических машин. Электротехника, 1984, № 2. -с54-56.

42. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии. -М.: Энергия, 1973, 400 с.

43. Копылов И.П. Применение вычислительных машин в инженерно-экономических расчетах (электрические машины). М.: Высшая школа, 1980, - 256 с.

44. Копылов И.П., Мамедов Ф.А., Беспалов В.Я. Математическое моделирование асинхронных машин. М.: Энергия, 1969, - 148 с.

45. Копылов И.П., Ковалев Ю.З. Расчет переходных процессов электрических машин при автоматизированном проектировании. -Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт, 1980, № 3.

46. Коризна А. Моделирование динамических режимов в автоматизированной системе проектирования асинхронных машин. Автореферат диссертации на соискание уч.степени кандидата технических наук.-М.: МЭИ, 1983.

47. Кялян П.А. Бесконтактная управляемая машина переменного тока. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: ВНИИЭ. 1973.

48. Лабунец И.А. Разработка и исследование бесконтактной машины двойного питания. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата техн.наук. М.: МЭИ, 1975.

49. Лабунец И.А., Шапиро Л.Я. Дифференциальные уравнения бесконтактной асинхронизированной синхронной машины. -Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1980, № б, с. 68-76.

50. Мельник В.Т. Управляемые реакторы электроэнергетических систем высокого напряжения. Труды НИИПТ, 1979, № 29, с. 116-128.

51. Мельник В.Т. Броневой однофазный управляемый реактор. -Изв.вузов. Электромеханика, 1976, № 7,-с. 738-741.

52. Проектирование и эксплуатация высоковольтных электропередач и вставок постоянного тока за рубежом /Под редакцией Гройса Е.С. М.: Информэнерго, 1978, - 44 с.

53. Патент № 47 28489, кл. Н02 . 3/06 (Япония). Устройство для соединения энергосистем, 1972.

54. Патент № 30178 фирмы 5СтеП5-5сНисквН (Германия). Устройство для автоматического регулирования агрегата, связывающего две сети переменного тока, 1926.

55. Патент № 1488773 (ФРГ), кл. 21Ы 2 45/01. Устройство для связи энергосистем, 1973.

56. Патент № 3020660 (ФРГ), кл. Н 02 К 17/16. Иццукционная машина с двумя статорами и короткозамкцутым ротором, 1981.

57. Проработка варианта горизонтального электромеханического преобразователя частоты мощностью ДОО МВт. Ответ по НИР №21-75.15. Гос.регистр. № 75020823. М.: МЭИ - ВНИИЭ, 1978.

58. Просужих Р.П. Некоторые вопросы исследования асинхронного двигателя с внутренним каскадом. -Труды 3-й Всесоюзной конференции по бесконтактным машинам, т. 2. Рига: 1966.

59. Пухов Г.Е., Борковский Б.А., Сутормин А.И. Бесконтактные индукционные машины с внутренним каскадом. Сб. трудов Киевского ин-та ГВФ. Вып. I, 1963.

60. Пухов Г.Е.Борковский Б.А. Основные уравнения бесконтактных индукционных машин с внутренним каскадом. Изд. АН Латвийской ССР, -Рига: 1961.

61. Постников И.М. Обобщенная теория и переходные процессы электрических машин. М: Высшая школа, 1975. - 319 с.

62. Радин В.И., Шакарян Ю.Г. Индукционные машины двойного питания в качестве автономных источников стабильной частоты.- Изв.вузов. Электромеханика: 1971, № 5, с. 497-504.

63. Радин В.И., Загорский А.Е., Шакарян Ю.Г. Управляемые электрические генераторы при переменной частоте. М.: Энергия, 1978,- 152 с.

64. Рюденберг Р. Эксплуатационные режимы электроэнергетических систем и установок. Л.: Энергия. 1981. - 578 с.с

65. Савдлер A.C., Семашко А.Н. Автономный двухдвигательный бесконтактный электропривод переменного тока для механизмов с вентиляционной нагрузкой. Электричество, 1972, № 3. с. 64-69.

66. Савдлер A.C., Семешко А.Н. Автономный регулируемый электропривод переменного тока с бесконтактной машиной двойного питания.- Труды Московского энерг.ин-та. 1971, вып. 86, 4.1. -с.96-102.

67. Сацдлер A.C., Каримов Х.Г. Бесконтактный асинхронный регулируемый электропривод. Электричество, 1969, № 10, -с.48-53.

68. Сацдлер A.C., Шапиро Л.Я., Лабунец И.А. Выбор оптимального соотношения полюсов двухдвигательного регулируемого бесконтактного агрегата двойного питания. Изд.вузов. Электромеханика,1971, № 8, - с. 869-874.

69. Сандлер A.C., Шапиро Л.Я., Лабунец И.А. Энергетические соотношения в бесконтактном регулируемом агрегате двойного питания. -Изд.вузов. Энергетика, 1972, № 10, -с.20-26.

70. Сандлер A.C. Регулирование скорости вращения мощных асинхронных двигателей. -М.-Л.: Энергия, 1966. 320 с.

71. Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами. / Под.редакцией В.И.Круповича, Ю.Г. Барыбина, М.Л. Самовера. 3 изд. -М.: Энергоиздат, 1982, - 416 с.

72. Тиходеев H.H. Передача электрической энергии сегодня и завтра. М.: Энергия, 1978, - 272 с.f6. Уайт Д., Зуцсон Г. Электромеханическое преобразование энергии. -М.-Л.: Энергия, 1964, 528 с.

73. Френкель B.C., Джус Н,И. Устройство для связи энергосис-тем.АС № 824368 (СССР). Опубл. в Б.И. № 39, 1981.

74. Фокин В.А. Асинхронная машина с внутренним каскадом. -Авт.свид.СССР № 454647. Опубл. Б.И. 1975, № 31.

75. Хэнкок Н. Матричный анализ электрических машин. М.: Энергия, 1967, - 285 с.

76. Цгоев P.C. Исследование режимов работы и разработка законов управления асинхронизированным синхронным электромеханическим преобразователем частоты для связи энергосистем. Автореферат диссертации на соискание уч.степени кацд.техн.наук. М.: ЕНИИЭ,1980.

77. Черкасский A.B. Исследование режимов, устойчивости и синтез законов регулирования электромеханического преобразователя частоты для гибкой связи электроэнергетических систем. -Автореферат диссертации на соискание уч.степени канд.техн.наук. -JI.:1981.

78. Шакарян Ю.Г. Перспективы применения АСМ./Труды ЕНИИЭ. -М.: 1981, -с. 5-7.

79. Шапиро Л.Я. Исследование электропривода с машиной двойного питания при двухзонном регулировании скорости вращения. Автореферат диссертации на соискание уч.степени кацц.техн.наук.-М.: МЭИ, 1966.

80. Шапиро Л.Я. Электромеханический преобразователь частоты для межсистемных связей. /Труды МЭИ, вып. 314. 1977, с.50-53.

81. Шапиро Л.Я., Юдин Д.И. Исследование электромагнитных переходных процессов в машине двойного питания для привода буровых насосов. Изв.вузов. Электромеханика. 1976, № I. - с. 76-81.

82. Шенфер К.И. Асинхронные машины. М.-Л.: Государственное издательство, 1929. - 457 с.

83. Щуркевич П.А. Теория переменных токов. Л.: Судпромгиз. 1941, - 652 с.

84. Электрические системы. Кибернетика электрических систем.

85. Под редакцией В.А. Веникова. М.: Высшая школа, 1974, - 328 с.

86. Электромагнитное секционирование энергосистем, определение мест и средств секционирования. Отчет". НИР. № госрегистрации 6623226. М.: ВНИИЭ, МЭИ. 1977.

87. Электронная вычислительная машина "Электроника-60". Бэйсик. Программное обеспечение. Книга 8. М.: ЦКИИ, "Электроника", 1978. - 88 с.

88. Burbudge R.S et al. Double ted operation of cascade connected machines. Proc. JEE, vol. 114, No. 11, 1967, pp. 1657 -1664.93» Broadway A.K.W. Cageless induktion machine. Proc. IEE vol. 118, No. 11, 1971t p. 1593 1600.

89. Concordia C., Cray S., Krön G. The doubly Fed Machine Trans. AIEE, vol. 61, 1942.

90. Dirr R. et al. Neuartige electronische Regeleinrichtungen fur doppelgespeiste Asinchronmotoren grosser Leistung.Simens-L. 1971, 45, No. 5, s. 362 367.

91. Harz H. Schleifringlose Synchicone oder Asynchronenmachi-ene. Патент ФРГ, кл. H02 к № I07I2I8, заявл. 20.05.1957, опубл. 2.06.Г960.

92. Kilgore L.A. et al. Asynchronos tie. Патент США, кл. 307-2Г, Н02 j 3/12 № 3976546, опубл. 17.08.Г976, РЖЭ, Г977,4ЖВ1ГГ.

93. Kratky Н. Der fürstenlise Kaskadenmotor als regelantrieb für Sonderanwendungsgebiete. Elin-Zeitsehrieft, 1979, s.139-143.

94. Kusko A., Somud C.B* Speed control of asingle frame cas-kade induction motor with slip-power pump back. !ЧЕЕЕ Conf.Rec. IAS Annu. Meet." 1976, Pap 11 th Annu Meet, Hyatt Regencg O'Hare, 1976" Chicago, III" 1976, p. 422 429.

95. Knobloch A. et al. Large tlymhal power supply for fusion experiments in the Max Plank Institut für Plasmaphysik Carching. Renr Proc 8 th Symp. Fusion Tehnol. Iutphaas, Iuhe 17 to U, 1974.

96. Molnar D.M. et al. Testing and operational experience of the Eel Piver converter Station Demarest. "Proc. Amer. Power. Conf" 1973» Wo. 35, p. 233 - 241.

97. Radhakrishnan И et al. A variable speed self cas-kaded induetionmotor flEEE Power Eng.Soc. Conf.Pap.Winter Meet. New York, N.Y.1975, "New York, N.Y.1975, 136.7/1-136.7/8.

98. Dr.Seiz. Die Regelung der Drehzahl von Induktionsmotoren nach Sistem Brown-Boveri. Elektrotechnik und Maschienen-bau. 1924, No. 9.

99. Seiz W. Neuhe Schaltungen zur Phasencompensation und Drehzalregelung von Induktionsmotoren BBC-MitteHungen. 1926, s. 150.

100. Seiz W. Kommutator raskade für konstant Leisfung. Archiv für Elektrotechnik, 1928, 20.

101. Smith B.H. Synchronous behavior of double fed twin stator induction machine !'IEEE Trans, Power Appar. and Syst." 1967, 80. Ho. 10, p. 1227 1236.

102. Smith B.H. Variable speed twin stator inductions motor. "Elektr. Tims." 1969. 156. No. 7, p. 53 54.

103. Yau 6* New Stromveraonrgungsarlage für die Strahl-fuhrungs magnete des 28-Gev-Protonensynchrotrons des CERN in Genf. Siemens-Z. 1971. 45, No. 2, s. 63 69.