Цифровая математическая модель совмещенного индукторного возбудителя явнополосных синхронных машин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат технических наук Бармин, Олег Александрович

• Бармин, Олег Александрович
• кандидат технических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бармин, Олег Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

I. СОВМЕЩЕННЫЙ ИВДУКТОРНЫЙ ВОЗБУДИШЬ ЯВНОПОЛЮСНОЙ

СИНХРОННОЙ МАШИНЫ.

1.1. Принцип работы и основные элементы совмещенного индукторного возбудителя.

1.2« ЭДС якорной обмотки совмещенного индукторного возбудителя явнополюсной синхронной машины

1.3. Допущения при расчете ЭДС якорной обмотки совмещенного индукторного возбудителя

1.4. Расчет ЭДС контура индукторной обмотки

1.5. Структура якорной обмотки совмещенного индукторного возбудителя

1.5.1. Однофазная индукторная обмотка

1*5.2. Трехфазная индукторная обмотка

1.5.3. Четырехфазная индукторная обмотка типа АВ-СД.

1.5.4. Четырехфазная индукторная обмотка типа АС-ВД.

1.6. Несимметричные режимы работы четырехфазного мостового выпрямителя индукторного возбудителя.

1.6.1. Несимметричные режимы работы четырехфазного мостового выпрямителя индукторной обмотки типа АВ-СД.

1.6.2. Несимметричные режимы работы четырехфазного мостового выпрямителя индукторной обмотки типа АС-ВД

2. ЦИФРОВАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

СВЯЗШ ЯВНОПОЛЮСНОЙ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ С СОВМЩЕН

НЫМ ИНДУКТОРНЫМ ВОЗБУДИТЕЛЕМ.

2.1. Общая структура цифровой математической модели явнополюсной синхронной машины с совмещенными индукторным возбудителем.

2.2. Электромагнитные связи системы "Явнополюсная синхронная машина - совмещенный индукторный возбудитель.

2.3. Расчет электромагнитных параметров явнополюсной синхронной машины с совмещенным индукторным возбудителем в переходных процессах.

2.4. Допущения при расчете электромагнитных связей насыщенной явнополюсной синхронной машины с совмещенным индукторным возбудителем.

2.5. Математическая модель для расчета ЭДС якорной обмотки индукторного возбудителя произвольной структуры.

2.6. Алгоритм определения выпрямленного напряжения четырехфазного мостового выпрямителя совмещенного индукторного возбудителя в переходных процессах.

2.7. Расчет переходных процессов явнополюсной синхронной машины с совмещенным индукторным возбудителем.

2.8. Расчет установившихся режимов явнополюсной синхронной машины с совмещенным индукторным возбудителем. . юо

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ И

УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ ЯВНОПОЛЮСНОЙ СИНХРОННОЙ

МАШИНЫ С СОВМЕЩЕННЫМ ИНДУКТОРНЫМ ВОЗБУДИТЕЛЕМ.

3.1. Работа совмещенного индукторного возбудителя при изменении угла нагрузки синхронной машины.

3.1Л. Выпрямленное напряжение трехфазного индукторного возбудителя при изменении угла нагрузки синхронной машины. 106 3.1.2. Выпрямленное напряжение четырехфаэно-го индукторного возбудителя при изменении угла нагрузки синхронной машины. ПО

3.2. Переходные процессы синхронного двигателя с совмещенным индукторным возбудителем при кратковременном снижении напряжения питания.

3.2.1. Работа совмещенного индукторного возбудителя в переходных процессах при посадках напряжения питания синхронного двигателя.

3.2.2. Работа синхронного двигателя с совмещенным индукторным возбудителем при кратковременном снижении напряжения питающей сети.

3.3. Синхронизация явнополюсного синхронного двигателя с совмещенным индукторным возбудителем.

3.4. Сравнение расчетных данных на математической модели с результатами экспериментальных исследований.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Цифровая математическая модель совмещенного индукторного возбудителя явнополосных синхронных машин»

Для обеспечения технического прогресса, намеченного ХХУ1 съезда КПСС, определяющая роль принадлежит развитию электроэнергетики на базе дальнейшего совершенствования электрооборудования существующих типов и создания новых его видов с учетом последних достижений науки и техники.

Электротехнической промышленности ХХУ1 съездом КПСС поставлена задача по разработке и освоению выпуска электротехнического оборудования имеющего более высокий коэффициент полезного действия, меньший удельный расход цветных и черных металлов и других материалов.

В настоящее время электромашиностроительными заводами СССР выпускается значительное количество синхронных двигателей средней и большой мощности, которые нашли широкое применение практически во всех отраслях народного хозяйства, так как повышают устойчивость узлов нагрузки и улучшают энергетические показатели систем электроснабжения. Развитие систем возбуждения синхронных двигателей в СССР и за рубежом идет по пути совершенствования статических и бесщеточных систем.

Основными эксплуатационными достоинствами бесщеточных синхронных двигателей являются: упрощение технического обслуживания; отсутствие контактных колец и щеточного аппарата; снижение стоимости и длительности монтажа. Широкое использование бесщеточных синхронных двигателей в народном хозяйстве сдерживается повышенной трудоемкостью изготовления системы возбуждения, необходимостью наличия второго источника питания и малым быстродействием. Поэтому разработка новых бесщеточных систем возбуждения, позволяющих устранить упомянутые выше недостатки, является актуальной задачей.

К таким новым бесщеточным системам возбуждения относится совмещенный индукторный возбудитель (ИВ), применение которого уменьшает металлоемкость изделия, сокращает трудозатраты на изготовление, снижает капитальные и текущие издержки у потребителя, повышает быстродействие системы возбуждения, позволяет отказаться от отдельно стоящего возбудителя, увеличивает надежность системы возбуждения.

Разработка бесщеточной системы возбувдения на основе совмещенного ИВ синхронных двигателей для нефте- и газоперекачивающих станций по авторскому свидетельству [ 8 ] ведется совместно проблемной лабораторией Электрических машин Уральского политехнического института им.С.М.Кирова, ЦОК ТБ КЭМ (г.Ленинград) и Лысьвенским турбогенераторным заводом. Тема входит в комплексный план Минвуза СССР и РСФСР по целевой программе "Потери энергии" на 1981-1985 гг. (Приказ Минвуза СССР №708 от 14.06.82), а также в отраслевой план НИР и ОКР министерства электротехнической промышленности в части крупных электрических машин переменного тока (Т03.1484 "Исследование путей повышения технико-экономических показателей бесщеточных машин") на 1981-1984 гг. (Разработка и исследование бесщеточных синхронных двигателей с совмещенным индукторным возбудителем).

Исследованию и разработке бесщеточных систем возбуждения для синхронных машин в СССР и за рубежом посвящено большое количество работ, например [I, 2, 4, 5, 18, 24*28, 47, 48 и др.] .

В настоящее время одним из наиболее часто применяемых в промышленных бесщеточных синхронных двигателях (СД) является синхронный возбудитель, представляющий собой обращенный синхронный генератор с вращающимся якорем и неподвижной обмоткой возбуждения. Конструктивно синхронный возбудитель обычно выполняется в виде явнополюсного синхронного генератора. Синхронные возбудители характеризуются высоким коэффициентом усиления по мощности, что в значительной степени обусловило массовость их применения, так как позволило резко снизить габариты аппаратуры управления возбуждением ОД. Недостатками синхронного возбудителя с диодным полупроводниковым выпрямителем являются значительная инерционность и увеличение габаритов при снижении частоты вращения.

Асинхронный возбудитель позволяет получить бесщеточную систему возбуждения для широкого диапазона частот вращения ОД, и в первую очередь при числе оборотов ротора меньших 500 об/мин. В общем случае асинхронный возбудитель является асинхронной машиной с фазным ротором работающей в режиме преобразователя частоты при ^ > I. Он обеспечивает высокое быстродействие системы возбуждения с диодным силовым выпрямителем, но требует в 3-5 раз меньшего воздушного зазора по сравнению с синхронным возбудителем, что предъявляет особые требования к конструкции бесщеточных СД.

Каскадные возбудители состоят из каскадно соединенных по цепям ротора асинхронного и синхронного возбудителей. Обмотки статора асинхронного возбудителя обычно получают питание от системы фазового компаундирования или трансформатора тока в цепи статора СД, а обмотка возбуждения синхронного возбудителя - от управляемого преобразователя, вход которого подключен к сети собственных нужд или к зажимам двигателя через согласующий трас-форматор или дроссель. При последовательном соединении якорей синхронного и асинхронного возбудителей условием каскадной работы их является равенство выходных частот. В зависимости от соотношения между их мощностями могут быть приданы различные динамические свойства ОД. Каскадный возбудитель с однофазным якорем и магнитно совмещенными сишфонными и асинхронными возбудителями [ 53, 54 ] был разработан кафедрой Электрических машин УПИ им.С.М.Кирова совместно с объединением пУралэлектроремонтп.

В гармонических возбудителях для возбуждения используют энергию высших гармонических намагничивающей силы якоря, энергию обратно вращающегося поля или энергию зубцовых гармоник как СД, так и возбудителя. Существует большое число различных видов гармонических возбудителей, которые могут быть магнитно или электрически совмещены с основной машиной, и как правило выполняются самовозбуждающимися. Некоторые конкретные схемы гармонических возбудителей применяемых в настоящее время в СССР рассмотрены в [ I, 4, 5, 6, 7, 18 и др.] . Вопросу использования энергии высщих гармонических для возбуждения синхронных машин посвящено значительное количество работ и за рубежом, например Г85 , 86, 88 , 92, 93, 96, 97, 99, 101 и др.] .

Совмещенный ИВ является одним из видов бесщеточных гармонических возбудителей, использующий для возбуждения энергию зубцовых гармоник магнитного поля синхронной машины. ИВ представляет собой самовозбуждающийся возбудитель магнитно совмещенный с основной машиной, якорная обмотка которого размещается на роторе синхронной машины (см. рис.1.1).

Анализ зарубежной научно-технической литературы показывает, что разработкой бесщеточных систем возбуждения на основе совмещенного ИВ занимаются в'США, Англии и Финляндии.

Так в работах [88, 99, 101] показана принципиальная возможность использования энергии зубцовых гармоник магнитного поля для возбуждения синхронных машин, рассмотрены конкретные схемы и конструктивные решения совмещенных ИВ.

В [ 88 ] рассматривается бесщеточная система возбуждения синхронных машин (СМ), в которой используются зубцовые гармоники магнитного поля при размещении дополнительной обмотки на роторе СМ. Дополнительная обмотка через вращающийся полупроводниковый выпрямитель питает обмотку возбуждения СМ. Показано, что такая система возбуждения обладает свойством автоматического регулирования. В работе исследована возможность использования различных гармоник для возбуждения СМ. Отмечается, что составляющая тока возбуждения пропорциональная результирующему магнитному полю СМ может быть получена только изменениями магнитной проводимости вследствие неравномерностей поверхности статора в воздушном зазоре, а составляющая тока возбуздения пропорциональная току нагрузки - гармониками, обусловленными распределением обмотки статора. Первая зубцовая гармоника, из-за зубцов статора, является наиболее благоприятной, потому, что позволяет получить наибольший ток возбуждения и сделать число стержней демпферной обмотки равным числу стержней обычных синхронных генераторов. Показано, что недостатком при использовании первой зубцовой гармоники является ее малое полюсное деление. В работе описывается опытный неявнополюсный синхронный генератор с трехфазной дополнительной обмоткой на роторе, питающей через трехфазный мостовой выпрямитель обмотку возбуждения, и представлены рабочие характеристики опытного генератора.

В работе [101] рассматривается бесщеточная СМ с однофазной дополнительной обмоткой на роторе. Показано, что мощность совмещенного ИВ зависит от режима работы основной машины.Предлагается последовательное соединение катушек дополнительной обмотки в пределах полюсного деления СМ, так как несимметричное расположение их относительно оси полюса приводит к возникновению уравнительных токов в дополнительной обмотке.

У нас в стране созданием бесщеточной системы возбуждения на основе совмещенного ИВ занимаются в Ереванском политехническом институте, где разрабатывается совмещенный ИВ для не-явнополюсных синхронных генераторов автономных источников питания [22, 23, 82] .

В Уральском политехническом институте на кафедре Электрических машин работы по созданию совмещенных ИВ для явнополюсных синхронных двигателей средней и большой мощности проводятся под руководством доцента, к.т.н. Пластуна А.Т. Результаты исследований и теоретических разработок, выполняемых в соответствие с госбюджетной тематикой 1565/81048240 при участии автора, начиная с 1977 года, отражены в отчетах по НИР [ 60*67 ] .

Выполненные исследования подтвердили возможность применения совмещенных ИВ для явнополюсных ОД средней и большой мощности. Малая величина полюсного деления зубцовой гармоники, наличие демпферной обмотки, неравномерность длины воздушного зазора ЯСМ, зависимость мощности совмещенного ИВ от величины и характера пространственного распределения результирующего магнитного поля вдоль полюсного деления СМ обусловили создание якорной обмотки совмещенного ИВ, отличающейся по своей структуре от традиционных обмоток электрических машин переменного тока. Схема соединения катушек, число фаз якорной обмотки ИВ и способ размещения на полюсном наконечнике выбираются такими, чтобы получить максимальную мощность возбуждения в различных режимах СМ, упростить конструкцию и технологию изготовления ИВ.

Зависимость мощности совмещенного ИВ от режима работы СМ обуславливает необходимость исследования изменения электромагнитных параметров ИВ в различных переходных процессах и установившихся режимах возбуждаемой СМ. В связи с этим важной задачей является разработка математической модели, которая с одной стороны позволила бы проводить любые режимные расчеты электромеханической системы "ЯСМ - совмещенный ИВ" и обеспечивала бы общность математического подхода при решении широкого круга вопросов теории совмещенного ИВ, а с другой стороны - могла бы быть использована на различных этапах проектирования для оценки и выбора вариантов ИВ и расчета характеристик бесщеточного СД с таким возбудителем.

Одним из основных вопросов при режимных расчетах ИВ является определение ЭДС якорной обмотки ИВ, а значит и величины амплитуды зубцовых гармоник магнитного поля в воздушном зазоре СМ.

В [88] исследуются гармоники индукции магнитного поля в воздушном зазоре, вызванные как МДС зубцового порядка обмотки якоря СМ, так и изменением магнитной проводимости воздушного зазора из-за наличия зубцов статора и ротора. Показано, что амплитуды гармоник, вызванных МДС зубцового порядка, пропорциональные току якоря невелики и для определенных соотношений величины открытия паза статора к длине воздушного зазора могут не учитываться.

В [102] показано, что результирующая гармоника из-за зубцов статора может быть представлена в виде бесконечного ряда гармоник. Гармрники, вызванные двухсторонней зубчатостью невелики по отношению к амплитуде первой зубцовой гармоники из-за зубцов статора и на практике могут не учитываться.

В [ 100 ] определение зубцовых гармоник из-за зубцов статора производится с помощью коэффициентов зависящих от соотношения величины открытия паза статора к длине воздушного зазора и представляются в виде конечного ряда, похожего на ряд Фурье.

Влияние насыщения зубцов на величину амплитуды зубцовой гармоники в [ 88 ] приближенно учитывается увеличением эквивалентного открытия паза. Однако, в связи с неравномерным насыщением зубцов вдоль полюсного деления машины, величина эквивалентного открытия паза меняется от зубца к зубцу [ 102 ] .

Насыщение коронок зубцов практически не влияет на зубцо-вые гармоники, что подтверждается измерениями [87, 90 ] . В [ 87 ] приводятся также результаты исследований, подтверждающие правильность метода [ 100 ] определения первой зубцовой гармоники через коэффициент, зависящий от соотношения величины открытия паза к длине воздушного зазора (ошибка не превышает 10$).

В [ 83 ] приводятся формулы, позволяющие вычислить коэффициент для определения амплитуды первой зубцовой гармоники из-за зубцов статора по среднему значению индукции магнитного поля в воздушном зазоре.

В [82] расчет ЭДС якорной обмотки совмещенного ИВ производится с помощью метода проводимостей зубцовых контуров [ 36, 37] с учетом зубчатой структуры статора и ротора.

Рассмотренные выше методы сами по себе не позволяют рассчитывать ЭДС якорной обмотки ИВ произвольной структуры с учетом схеш соединения и размещения катушек каждой фазы обмотки ИВ, на полюсном наконечнике ЯСМ, неравномерности длины воздушного зазора, перераспределения магнитного поля вдоль полюсного деления машины в переходных процессах, и требуют дополнительных разработок и исследований.

Составной частью совмещенного ИВ является вращающийся полупроводниковый выпрямитель. Расчет трехфазной или однофазной схемы выпрямления не представляет особых трудностей. В настоящее время разработанные методы расчета таких схем выпрямления [24, 25, 31, 49, 52, 74 и др.] позволяют рассчитывать выпрямленное напряжение совмещенного ИВ с однофазной или трехфазной обмоткой в переходных процессах и установившихся режимах с учетом активного сопротивления фаз обмотки ИВ.

Работы, связанные с созданием четырехфазного совмещенного ИВ для ЯСМ [ 60x67 ] , привели к необходимости исследования четырехфазных схем выпрямления и создания методики их расчета. В настоящее время в литературе рассмотрены вопросы расчета симметричных режимов четырехфазных схем выпрямления [42 ]. Однако, как показали исследования [11,65,67] характерной особенностью четырехфазных схем якорной обмотки совмещенного ИВ является возникновение несимметричной системы фазных ЭДС. Таким образом, необходимо исследование работы и создание методики расчета четырехфазного мостового выпрямителя совмещенного ИВ в несимметричных режимах.

При создании математической модели ЯСМ с совмещенным ИВ, позволяющей проводить любые режимные расчеты, требуется выбрать метод расчета электромагнитных связей и параметров самой ЯСМ как в установившихся режимах, так и в переходных процессах.

Изучение и исследование переходных процессов сиюфонных машин базируется на фундаментальных работах в этой области [19, 30, 39, 43, 75, 94 и др.] . Значительное количество работ посвящено теоретическим исследованиям и расчетам синхронных машин совместно с системой возбуждения, и при этом накоплен определенный опыт создания математических моделей СМ с бесщеточными системами возбуждения [X, 21, 24, 25, 28, 48, 88 и др.] .

Решить задачу расчета переходных процессов насыщенной ЯСМ с совмещенным ИВ аналитическими методами не представляется возможным. Однако, такая задача вполне разрешима, если воспользоваться численными методами, ориентированными на применение современных вычислительных средств. Так в последние годы была создана нелинейная теория ЯСМ на базе дифференциальных электромагнитных параметров [76, 77, 80] . Разработанный на ее основе дифференциальный метод определения электромагнитных параметров насыщенной ЯСМ для режимных расчетов по дифференциальным уравнениям в осях с[ , [78] был использован в цифровой математической модели ЯСМ с совмещенным ИВ, предложенной в данной работе.

С учетом вышесказанного были сформулированы основные цели данной работы.

1. Развитие теории совмещенного индукторного возбудителя явнополюсных синхронных машин.

2. Разработка математической модели электромагнитных связей ЯСМ с совмещенным ИВ для режимных расчетов.

3. Разработка инженерных алгоритмов и программ расчета электромагнитных параметров совмещенного ИВ в переходных процессах и установившихся режимах.

4. Исследование работы совмещенного ИВ с различной структурой якорной обмотки в установившихся режимах и переходных процессах.

5. Исследование влияния совмещенного ИВ на поведение СД в динамических режимах.

На защиту выносятся:

- цифровая математическая модель электромагнитных связей

ЯСМ с совмещенным ИВ для расчета переходных процессов и установившихся режимов;

- методика расчета ЭДС якорной обмотки совмещенного ИВ произвольной структуры в различных режимах работы ЯСМ, ориентированная на применение современных вычислительных средств;

- математическая модель четырехфазного мостового выпрямителя, учитывающая возникающую несимметрию фазных ЭДС якорной обмотки ИВ;

- результаты исследований работы совмещенного ИВ с различной структурой якорной обмотки в переходных процессах и установившихся режимах, и влияния ИВ на поведение СД в динамических режимах.

I. СОВМЕЩЕННЫЙ ИНДУКТОРНЫЙ ВОЗБУДИТЕЛЬ ЯВНСПОЛЮСНОЙ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Бармин, Олег Александрович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ литературы по совмещенным индукторным возбудителям синхронных машин, использующих для возбуждения зубцовые гармонические магнитного поля основной машины, показывает, что к настоящему времени рассмотрены вопросы теории и возможность применения совмещенного индукторного возбудителя для неявнополю-сных синхронных машин, разработаны методики электромагнитного расчета ИВ с однофазной и трехфазной якорной обмоткой применительно к неявнополюсным синхронным машинам.

2. Данная работа является очередным этапом в развитии теории совмещенного ИВ для явнополюсных синхронных машин.

Особенности конструкции, соотношение геометрических размеров активной зоны ЯСМ, зависимость мощности ИВ от режима работы основной машины, что особенно сказывается в переходных процессах, обуславливают необходимость применения якорной обмотки совмещенного ИВ, отличающейся по своей структуре от традионных обмоток электрических машин переменного тока. В связи с этим, проведены исследования различных структур якорных обмоток ИВ для ЯСМ, и как наиболее рациональная предлагается четырехфазная схема обмотки.

Решение ряда задач проектирования бесщеточных синхронных двигателей с совмещенным ИВ требует применения такого трудоемкого и дорогостоящего метода, как моделирование на специально создаваемых экспериментальных установках. Поэтому создание математической модели, обеспечивающей общность математического подхода при решении широкого круга вопросов теории совмещенного ИВ, является в настоящее время актуальной и важной задачей.

3. Разработана цифровая математическая модель явнополюс-ной синхронной машины с совмещенным индукторным возбудителем. Модель позволяет проводить любые режимные расчеты замкнутой электромеханической системы "ЯСМ - совмещенный ИВ" с учетом нелинейности основных электромагнитных связей в переходных процессах и установившихся режимах.

Математическая модель создана на основе нелинейной теории ЯСМ с использованием дифференциального метода определения электромагнитных параметров насыщенной ЯСМ для режимных расчетов по дифференциальным уравнениям в осях с/ , . Метод обеспечивает отсутствие итерационных процессов при численных расчетах и связанную с ними проблему сходимости. Интегрирование дифференциальных уравнений осуществляется численным методом Рунге-Кутта-Мерсона с автоматическим выбором шага интегрирования.

4. Созданная математическая модель якорной обмотки совмещенного ИВ обеспечивает расчет ЭДС обмотки возбудителя произвольной структуры с учетом реальной геометрии зубцовой зоны машины, неравномерности длины воздушного зазора, величины и характера распределения индукции магнитного поля в воздушном зазоре вдоль полюсного деления основной машины в установившихся режимах и переходных процессах ЯСМ.

Предложенный метод расчета ЭДС якорной обмотки совмещенного ИВ позволяет определить первую гармонику индукторной ЭДС по среднему значению величины индукции магнитного поля в воздушном зазоре синхронной машины. Расчет зубцовой гармонической магнитного поля машины, вызванной изменением магнитной проводимости воздушного зазора из-за зубцов статора при вращении ротора, производится по методу, предложенному Шуйским В.П., через коэффициент р , зависящий от соотношения величины открытия паза статора и длины воздушного зазора.

Разработанная методика расчета ЭДС индукторной обмотки обеспечивает возможность учета координаты катушки якорной обмотки возбудителя на полюсном наконечнике синхронной машины и, тем самым, позволяет вычислять величину амплитудной и угловой несимметрии фазных ЭДС обмотки ИВ, вызванную как технологическими факторами, так и перераспределением магнитного поля вдаль полюса машины.

5. Проведенный анализ четырехфазных схем индукторной обмотки типа АВ-СД и AG-ВД показал, что для четырехфазной обмотки, катушки каждой фазы которой занимают только часть поверхности полюсного наконечника синхронной машины, характерно возникновение амлитудной и угловой несимметрии фазных ЭДС в противолежащих (для обмотки типа АВ-СД) или в соседних фазах (для обмотки типа AG-ВД), связанной с влиянием реакции якоря, изменением угла нагрузки и нарушением сиюфонного режима основной машины.

6. В работе методом математического и физического моделирования исследованы несимметричные режимы работы четырехфазного мостового выпрямителя совмещенного ИВ с якорной обмоткой типа АВ-СД и АС-ВД. Получены внешние характеристики выпрямителя во всем диапазоне изменения величины амплитудной и угловой несимметрии фазных ЭДС. Показано, что амплитудная несимметрия фазных ЭДС четырехфазной индукторной обмотки приводит к увеличению выходной мощности ИВ, а угловая несимметрия фазных ЭДС - к ее уменьшению.

Методом математического моделирования на АВМ исследовано влияние активного сопротивления якорной обмотки ИВ на величину выходной мощности четырехфазного мостового выпрямителя. Получены внешние характеристики для различных соотношений активного и индуктивного сопротивлений фаз якорной обмотки ИВ.

7. Разработаны алгоритм расчета и цифровая математическая модель четырехфазного мостового выпрямителя, позволяющие определить выпрямленное напряжение совмещенного ИВ с четырехфазной обмоткой при возникновении амплитудной и угловой несимметрии фазных ЭДС, а также с учетом активного сопротивления индукторной обмотки.

Для расчета совмещенного ИВ с четрехфазным мостовым выпрямителем в переходных процессах и установившихся режимах использован метод, базирующийся на применении статических внешних характеристик. Он позволяет рассчитывать величину среднего значения выпрямленного напряжения ИВ в любом режиме работы возбуждаемой СМ.

Формализованный численный метод расчета искомой внешней характеристики четырехфазного мостового выпрямителя в несимметричных режимах работы для произвольных значений амплитудной и угловой несимметрии фазных ЭДС индукторной обмотки типа АВ-СД и АС-ВД обеспечивает расчет этой характеристики без промежуточных вычислений непосредственно в матричной форме, т.е. в виде, используемом для программирования на ЦВМ.

8. Составленные на основе предложенных методов алгоритмы расчета электромагнитных параметров ЯСМ с совмещенным ИВ в переходных процессах с учетом нелинейности электромагнитных связей основной машины содержат в качестве составных частей следующие комплексные операции: а) расчет установившегося режима ЯСМ с совмещенным ИВ по А -характеристике, с которого начинается переходный процесс; б) определение электромагнитных параметров ЯСМ; в) вычисление коэффициентов линеаризованной системы дифференциальных уравнений ЯСМ и решение этой системы уравнений; г) интегрирование нелинейной системы дифференциальных уравнений и вычисление зависимых переменных ЯСМ на элементарном шаге интегрирования; д) определение новых значений всех зависимых переменных совмещенного ИВ; е) вычисление электромагнитных параметров якорной обмотки совмещенного ИВ; ж) расчет выпрямленного напряжения совмещенного ИВ с учетом нового значения тока возбуждения основной машины; з) формирование зависимых координат электромагнитных связей системы "ЯСМ - совмещенный ИВ".

9. Разработанный алгоритм определения электромагнитных параметров совмещенного ИВ ЯСМ с учетом неравномерности длины воздушного зазора, структуры якорной обмотки ИВ, величины и характера распределения индукции магнитного поля вдоль полюсного деления машины, режима работы полупроводникового выпрямителя и возникающей несимметрии фазных ЭДС в одной цепи выпрямителя (для четырехфазных индукторных обмоток типа АВ-СД и АС-ВД), позволяет решать задачи режимных расчетов совмещенного ИВ с достаточной для практики точностью.

Составленные на основе этого алгоритма программы расчета ЭДС якорной обмотки ИВ произвольной структуры, определения электромагнитных параметров индукторной обмотки и расчета четырехфаз-ного мостового выпрямителя в несимметричных режимах работы оформлены в виде отдельной процедуры /Л/£М/^ . Данная процедура может быть использована как независимая программа, так и в сочетании с процедурой, обеспечивающей режимные расчеты ЯСМ В последнем случае число параметров, с помощью которых осуществляется связь между процедурами, зависит от количества связей, заданных в математической модели ЯСМ с совмещенным ИВ.

Для работы алгоритма

ШЕМР требуется входная информация из расчетного формуляра о геометрических размерах основной машины, обмоточных данных, схеме соединения и размещения катушек якорной обмотки совмещенного ИВ, исходные характеристики четырехфазного мостового выпрямителя, представленные в табличном виде, максимально приближенном для работы программы.

Совокупность программ 1ЫЕМР представляет собой инженерную методику электромагнитного расчета совмещенного индукторного возбудителя ЯСМ в-современном понимании этого термина.

10. Разработанные теоретические положения, представленная математическая модель явнополюсной синхронной машины с совме-• щенным индукторным возбудителем позволили провести расширенный математический эксперимент по исследованию работы совмещенного индукторного возбудителя с различными типами якорной обмотки в переходных процессах и установившихся режимах и оценить влияние совмещенного ИВ на поведение синхронного двигателя в динамических режимах.

Установленные на основе математического и физического экспериментов общие закономерности, характеризующие взаимное влияние синхронного двигателя и совмещенного ИВ посредством электромагнитных и механических связей, могут быть использованы при создании и проектировании бесщеточных синхронных двигателей с совмещенным ИВ.

11. Исследования работы совмещенного ИВ в установившихся режимах ЯСМ подтвердили, что мощность совмещенного ИВ зависит от режима работы возбуждаемой ЯСМ, и, в частности, от угла нагрузки машины.

Сравнение характеристик совмещенного ИВ с различными схемами якорной обмотки, отражающих зависимость выпрямленного напряжения ИВ от угла нагрузки основной машины, показало, что применение четырехфахных индукторных обмоток позволяет уменьшить влияние пространственного перераспределения результирующего магнитного поля в воздушном зазоре вдоль полюса синхронной машины при изменении угла нагрузки на мощность ИВ.

Для однофазной и трехфазной индукторных обмоток, имеющих симметричное расположение катушек фазы относительно оси полюса ЯСМ, существуют режимы работы ЯСМ при некоторых углах нагрузки, когда ЭДС всех фаз индукторной обмотки уменьшается и может быть равна нулю. Это происходит при таком пространственном перераспределении результирующего магнитного поля, когда величина индукции имеет разные знаки на краях полюса синхронной машины. При тех же условиях ЭДС различных фаз четырехфазных индукторных обмоток типа АВ-СД и АС-ВД, катушки каждой фазы которых расположены только на одном крае полюса, не могут одновременно обратиться в нуль.

12. Результаты исследований работы совмещенного ИВ в переходных процессах явнополюсного синхронного двигателя, возникающих при кратковременных снижениях напряжения питающей сети, и влияния его на поведение синхронного двигателя в динамических режимах показали следующее.

Для всех типов якорной обмотки ИВ характерно уменьшение величины выпрямленного напряжения при посадке напряжения питания двигателя, что связано с уменьшением магнитного потока в воздушном зазоре машины, увеличением угла нагрузки и с появлением в обмотке возбуждения двигателя свободных медленно затухающих токов, которые дополнительно нагружают ИВ и переводят полупроводниковый выпрямитель в более глубокий режим нагрузки. Наиболее интенсивно снижение выпрямленного напряжения ИВ происходит в случае применения трехфазной индукторной обмотки.

Сравнение работы синхронного двигателя с совмещенным ИВ и с независимым возбуждением показало, что для двигателя с че-тырехфазной индукторной обмоткой критическое время снижения напряжения питающей сети, в пределах которого удается осуществить ресинхронизацию двигателя, такое же как и для двигателя с независимым возбуждением, а в случае применения трехфазной индукторной обмотки динамическая устойчивость синхронного двигателя ухудшается.

В переходных процессах возникают колебания выпрямленного напряжения совмещенного ИВ, вызванные изменениями токов якоря и обмотки возбуждения двигателя, нарушением синхронизации и изменения угла нагрузки, и, тем самым, создается составляющая тока возбуждения пропорциональная изменению результирующего магнитного поля синхронного двигателя. Переходные процессы синхронного двигателя с совмещенным ИВ характеризуются меньшими величинами бросков токов и вращающегося электромагнитного момента, меньшим изменением скольжения и угла нагрузки, по сравнению с синхронным двигателем при независимом возбуждении.

13. Исследованы процессы синхронизации явнополюсного синхронного двигателя с совмещенным ИВ при различных схемах индукторной обмотки во всем диапазоне изменения угла нагрузки синхронной машины.

Анализ полученных результатов показывает, что как четырех-фазный ИВ, так и трехфазный ИВ одинаково успешно обеспечивает синхронизацию двигателя на холостом ходу и при наличие нагрузки на валу машины.

Применение совмещенного ИВ приводит к затягиванию процесса синхронизации, по сравнению с независимым возбуждением синхронного двигателя, однако, процесс синхронизации проходит при меньших колебаниях токов и вращающего электромагнитного момента синхронного двигателя.

14. Экспериментальные исследования, выполненные на физических моделях и опытном образце бесщеточного синхронного двигателя с совмещенным индукторным возбудителм, подтвердили правильность теоретических предпосылок, положенных в основу математической модели ЯСМ с совмещенным ИВ, и правомерность допущений, принятых при создании методики расчета электромагнитных параметров ИВ. Расхождение расчетных данных с результатами эксперимента не превышает 10$.

15. Полученные результаты исследований и теоретических разработок внедрены:

- на лысьвенском турбогенераторном заводе при проектировании совмещенных индукторных возбудителей синхронных двигателей серии СДК2 нефте- и газоперекачивающих станций; ожидаемый экономический эффект от замены статической тиристорной системы возбуждения ТЕ8 на бесщеточную индукторную систему возбуждения при годовом выпуске двигателей 516 шт., составит I млн. 173,9 тыс.рублей в год; экономия достигается за счет уменьшения металлоемкости изделия, сокращения трудозатрат на изготовление, снижение капитальных и текущих издержек у потребителя;

- разработанная методика расчета электромагнитных параметров совмещенного индукторного возбудителя бесщеточных синхронных двигателей внедрена в ЩК ТБ КЭМ (г.Ленинград) и использована при проектировании опытного образца синхронного двигателя с совмещенным ИВ, изготовленном на Сафоновском электромеханическом заводе на базе серийного двигателя ЩЦК-15-21-12 мощностью 200 кВт; ожидаемый экономический эффект от использования методики составит 183,9 тыс.рублей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бармин, Олег Александрович, 1984 год

1. Абрамович Б.Н., Круглый A.A. Возбуждение, регулированиеи устойчивость синхронных двигателей. Л.: Энергоамтомиз-дат. Ленингр. отд-ние, 1983. 128 с.

2. Абрамович Б.И., Амбросов И.К., Амдур М.С. и др. Исследование, разработка и промышленное производство бесщеточных синхронных двигателей и генераторов за рубежом. М.: Ин-формэлектро, 1975. 61с.

3. Алексеева М.М. Машинные генераторы повышенной частоты.- Л.: Энергия, 1967.

4. Антонов М.В., Радин В.И., Трошин В.И. Использование третьей гармоники поля для возбуждения синхронных генераторов.-Изв. вузов, Электромеханика, 1965, №3.

5. Арутюнян B.C., Демирчян Г.Г., Амамчян С.Г. Особенности геометрии явнополюсной синхронной машины с системой возбуждения от высших гармоник.- Тр. 2-й научно-технической конференции ВНИИКЭ, Ереван, 1969.

6. A.c. 433613 (СССР). Синхронная электрическая машина./Бреев В.Н., Делекторский Б.А., Павлинин В.М., Пластун А.Т.-Опубл. в Б.И., 1974, №23.

7. A.c. 544088 (СССР). Синхронная электрическая машина. /Голь-дин Р.Г., Пластун А.Т., Липанов В.М., Павлинин В.М.- Опубл. в Б.И., 1977, №3.

8. A.c. 578807 (СССР). Синхронная машина с возбуждением от высших гармоник. /Пластун А.Т. Опубл. в Б.И., 1982, №27.

9. Бармин O.A., Денисенко В.И., Пластун А.Т. Алгоритм определения ЭДС обмотки совмещенного индукторного возбудителя синхронных машин. Рук. деп. в Информэлектро 15.11.82.за №339. эт-Д/82, 14с.

10. Бармин O.A., Денисенко В.И., Липанов В.М., Пластун А.Т., Хоробрых Г.В. Несимметричные режимы работы четырехфазного мостового выпрямителя совмещенного индукторного возбудителя синхронной машины. Рук« деп. в Информэлектро 15.11.82 за №340 эт-Д/82, 23с.

11. Бармин O.A., Денисенко В.И., Пластун А.Т., Пульников A.A. Экспериментальное исследование ЭДС якорной обмотки индукторного возбудителя, вынесенной в воздушный зазор возбуждаемой синхронной машины. Рук. деп. в Информэлектро 7.01.83 за №30 эт-Д/83, 18с.

12. Безбородое Ю.М. Сравнительный курс языка ПЛ/1. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1980, 192с.

13. Бородин И.В., JIoишаков Н.П., Серый И.М. Применение принципов линейной и нелинейной обратной связи для регулирования синхронного двигателя при ударной нагрузке. Изв. вузов. Электротехника, 1970, JP6.

14. Вадатурский В.М. и др. Серия тиристорных возбудительных устройств для синхронных двигателей 14-20 габаритов. Инструктивные указания по проектированию электромеханических промышленных установок. М.: Энергия, 1968.

15. Важнов А.И. Основы теории переходных процессов синхронной машины. М.; Л.: Госэнергоиздат, i960, 312с.

16. Власов А.И., Иванов-Смоленский A.B. Применение метода про-водимостей зубцовых контуров к расчету переходных процессов в ненасыщенных электрических машинах. Электричество, 1979, №8.

17. Вейнгер A.M., Янко-Триницкий A.A. Приближенный закон оптимального регулирования возбузвдения крупных синхронных двигателей. Инструктивные указания по проектированию электротехнических промышленных установок ГПИ Тяжпромцроект. - М.: Энергия, 1968, №12.

18. Гаспарян K.P., Айвазян Р.Б., Хечумян В.К. Автономный синхронный генератор с совмещенным индукторным возбудителем.-Материалы научно-технической конференции "Автономные источники электроэнергии и их применение в народном хозяйстве". Ереван, 1984, с.31.

19. Глебов И.А. Системы возбуждения синхронных генераторов с управляемыми преобразователями.- М.; Л.: Изд. АН СССР, I960. 336с.

20. Глебов И.А. Системы возбуждения мощных синхронных машин.-Л.: Наука, 1979. 316с.

21. Глебов И.А., Логинов С.И. Основные направления работ в области систем возбуждения синхронных двигателей.-Электричество, 1965, №11, с.5-10.

22. Глебов И.А., Логинов С.И. Системы возбузвдения и регулирования синхронных двигателей. Л.: Энергия, 1972. 113с.

23. Глухивский JI.И. Дифференциальный гармонический метод расчета периодических процессов в цепях с вентилями. Изв.вузов СССР. Электромеханика, 1980, №1, с.14-19.

24. Горев A.A. Переходные процессы синхронной машины. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1950. 552с.

25. Голембо З.Б. Расчет переходных процессов в цепях с вентилями. Изв. АН СССР, ОТН, 1950, №10, с.1484-1495.

26. Домбровский В.В., Хуторецкий Г.М. Основы проектирования электрических машин переменного тока. Л.: Энергия,1974. 504с.

27. Дячишин Б.В. Исследование статической устойчивости и малых колебаний насыщенной явнополюсной синхронной машины. Дис.канд.техн.наук. Львов, 1979. 273с.

28. Загорский А.Е., Захарова З.А. Выбор программы расчета динамических показателей автономных синхронных генераторов. -- Электротехническая промышленность, серия Электрические машины, 198I, вып.10 (128), с.3-6.

29. Загрядский В.И. Совмещенные электрические машины.-Кишинев: Картя молдовеняскэ, 1971. 164с.

30. Иванов-Смоленский A.B. Метод проводимостей зубцовых контуров и его применение к электромагнитному расчету ненасыщенной электрической машины с двухстороней зубчатостью сердечников. Электричество, 1976, №9, с.18-28.

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

32. Казовский Е.Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока. М.; Л.: Изд. АН СССР, 1962. 624с.

33. Казовский Е.Я., Данилевич Я.Б.,Кашарский Э.Г., Рубисов Г.В. Анормальные режимы работы крупных синхронных машин. Л.: Наука, 1968. 429с.

34. Казовский Е.Я., Ь^бисов Г.В., Сафонов Г.М. Расчет на ЦВМ переходных процессов синхронного двигателя при кратковременном перерыве питания. Изв. вузов. Электромеханика, 1965, №3.

35. Конкордиа Ч. Синхронные машины. Переходные и установившиеся процессы. М.; Л.:Госэнергоиздат, 1959. 272с.

36. Кононенко Е.В., Сипайлов Г.А., Хорьков К.А. Электрические машины. М.: Высшая школа, 1975. 279с.

37. Коник Б.Е. Исследование магнитного поля в воздушном зазоре электрической машины с двухсторонней зубчатостью сердечников методом скалярного магнитного потенциала. Электричество, 1976, №2.

38. Копылов И.П. Применение вычислительных машин в инженерно-экономических расчетах. М.: Высшая школа. 1980. 261с.

39. Лиценко А.И. Бесконтактные синхронные машины с автоматическим регулированием возбуждения. Киев, Наукова думка, 1980, 224с.

40. Лищенко А.И. Синхронные двигатели с автоматическим регулированием возбуждения. -Киев.: Техника, 1969.

41. Меерович Э.А. Расчет переходных процессов в сложных электрических цепях. Изв. АН СССР. ОТН, 1950, №10, с.1475-1483.

42. Лябук H.H. Цифровое математическое моделирование электромагнитных связей и переходных процессов насыщенных явнополюс-ных синхронных машин в синхронно вращающихся осях. Автореферат дис. канд.техн.наук. - Киев, 1982, 18с.

43. Новик Я.А. Метод конечных элементов в практических расчетах магнитного поля электрических машин с учетом насыщения стали. Автореферат дис. . канд. техн.наук. Рига, 1976.

44. Орурк И.А. Расчет сложных линейных и нелинейных динамических систем применением интегральных уравнений. Тр. Военно-морской академии кораблестроения и вооружения им.А.Н.Крылова, 1956, вып.12, с.39-55.

45. Пластун А.Т., Сиунов Н.С. Бесщеточная система возбуждения синхронных машин с каскадным асинхронно-синхронным возбудителем. Электричество, 1970, №9.

46. Пластун А,Т., Хоробрых Г.В. Основы теории каскадного асинхронно-синхронного возбудителя. В кн.: Исследование параг метров и характеристик электрических машин переменного тока.-Свердловск, УПИ, 1976.

47. Пластун А.Т., Пульников A.A., Бесчастный А.Д., Коренцвит И.Ф. Экспериментальное исследование полного комплексного сопротивления обмотки, размещенной в массивном сердечнике. IfyK. деп. в Информэлектро 15.11.82 за №337, эт-Д/82, 14с.

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

49. Проектирование электрических машин. Под. ред.Копылова И.П.-М.¡Энергия, 1980. 496с.

50. Родионов И.Е., Сарапулов Ф.Н., Сиунов Н.С. Определение значений продольной и поперечной реактивностей насыщенной яв-нополюсной синзфонной машины. -Изв.вузов СССР. Электромеханика, 1968, №10, с.1072-1078.

51. Сергеев П.С., Виноградов Н.В., Горяинов Ф.А. Проектирование электрических машин. М.:Энергия, 1969. 632с,

52. Сидельников Б.В. Анализ переходных процессов насыщенных синхронных машин с помощью ЭЦВМ. В кн.: Теоретические и экспериментальные исследования турбо- и гидро-генераторов больших мощностей. Л.:Наука, 1968, с.269-277.

53. Сипайлов Г.А. Расчет переходных процессов при заданном изменении скорости.-Известия ТЛИ, т.76, 1954.

54. Сиунов Н.С. Компаундированные синхронные двигатели. Изв. вузов. Электромеханика, 1963, №10.

55. Скотт Р., Сондак Н. ПЛ/I для программистов.-М.¡Статистика, 1977.

56. Толстов Ю.Г., Мостков Г.П., Ковалев Ф.И. Силовые полупроводниковые выпрямители, управляемые дросселями насыщения.-М.-.Наука, 1968. 260с.

57. Урусов И.Д. Линейная теория колебаний синхронной машины.-М.: Изд. АН GCCP, I960.

58. Фильц Р.В. Математические основы теории электромеханических преобразователей. Киев: Наукова думка, 1979. 206с.

59. Фильц Р.В. Нелинейная теория явнополюсных синхронных машин (на основе дифференциальных электромагнитных параметров).-Дис. . докт.техн.наук. Львов, 1980. 425с,

60. Фильц Р.В., Глухивский Л.И. Основы магнитно-нелинейной теории обобщенной явнополюсной синхронной машины в фазных координатах.-Изв.вузов. Электромеханика, 1973,№1,с.17-28.

61. Фролов Г.Д., Олюнин В.Ю. Практический курс программирования на языке ПЛ/1. М.:Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1983. 384с.

62. Читечян В.И., Гаспарян K.P. Расчет э.д.с. дополнительной обмотки бесконтактной синхронной машины с совмещенным индукторным возбуждением.- Электричество, 1983, №8, с.24-26.

63. Шуйский В.П. Расчет электрических машин (перевод с немецкого). -J1.:Энергия. 1968 . 732с.

64. Freeman E.M. The calculation of harmonics, due to slotting,in the flux density waveform of a dynamo-electric machine.

65. Proc. Inst. Elec. W Eng. Part СЮ9 (1962) 16, pp. 581-588. it

66. Frohne H. über die primSre Bestimmungsgrössen der Lautstarke bei Asynchron-maschinen. Diss., Technische Hochschule Hannover, 1959. 194 p.

67. Jokinen T. Utilization of harmonics for self-excitation of a synchronous generator by placing an auxilary winding in the rotor. Acta Polytechnica Scandinavica, Electrical engineering series, N 32, 1973, 04 p.

68. Jordan H. Der gerUnscharme Elektromotor. Essen, Girardet, 1950, 97 p.

69. Kehse W. Beitrag zur Kenntnis der Feldverteilung im Luftspelt der Asynchron-maschine. Diss., Technische Hochschule Darmstadt, 1938, 59 p.к

70. Lehman S. Uber die Kraftwellen-Ordnungszahlenschemata für die Ermittlung mittels elektronischer Digital-Rechenautomaten. Diss., Technische Hochschule Darmstadt, 1961, 137 p.

71. Boche Lawrence R. A harmonic excitation system for turbine generators. IEEE Trans. Power Appor. and Syst., 1962, N 60, pp. 105-108.

72. Synchronous machine use harmonics for excitation. -Electrical Revew (Gr. Britn.), 1973, 193, N 13, p. 425.

73. Twardzicki A., Coleman R.W.T. Brushless salient pole a.c. generators. Part 4, Electrical Times, 9. November, 1967.

74. United States Patent, N 3, 757, 182. Chalmers B.J. Synchronous generator, Sept. 4, 1973*

75. Weber E. Der Nutungsfaktor in elektrischen Maschinen. Elektrotech. Z. 49 (1928) 23, pp. 858-861.

76. Williamson A.C., Chalmers B.J. A novel form synchronous machine excitation. Manchester: The Universiti of Manchester Institute of Science and Technology, 1978.

77. Zweygbergk S. Teorin för kortslutningsmotor med trefas--delspar-Bvergangslinding. (The theory of squirrel-cage motor with tree-phase fractional-slot doublelayer winding,in Swedish) Diss., Helsinki University of Technology, 1949. 139 p.