Усовершенствование устройств распределения реактивных нагрузок судовых синхронных генераторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Мазалева, Наталья Николаевна

• Мазалева, Наталья Николаевна
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мазалева, Наталья Николаевна

Введение

1. Устройства для распределения реактивных нагрузок между генераторами судовых электростанций

1.1. Способы распределения реактивных нагрузок

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

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

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

1.5. Устройство токовой стабилизации, реагирующее на отклонение реактивного тока

1.6. Устройство токовой стабилизации с электромагнитным суммированием

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

1.8. Выводы по главе

2. Измерительные преобразователи переменного тока

2.1. Разновидности электромагнитного проявления тока

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

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

2.4. Трансформаторы тока

2.4.1. Принцип действия и основные уравнения

2.4.2. Схемы замещения трансформаторов тока

2.5. Трансреакторы

2.5.1 .Устройство, принцип действия и схемы замещения

2.5.2. Обоснование конструкции дифференцирующего индукционного преобразователя тока

2.6. Выводы по главе

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

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

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

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

3.4. Зависимость параметров внешней характеристики синхронного генератора от частоты

3.5. Напряжение вторичной обмотки дифференцирующего индукционного преобразователя тока

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

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

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

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

ЗЛО. Погрешность распределения реактивных токов

3.11. Выводы по главе

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

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

4.2. Устройства токовой стабилизации с дополнительными дифференцирующими индукционными преобразователями тока

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

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

4.5. Однофазные устройства токовой стабилизации

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

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

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

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

4.5.5. Напряжение вторичной обмотки дифференцирующего индукционного преобразователя тока

4.6. Погрешность распределения реактивных токов

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

4.8. Анализ устройства токовой стабилизации с учетом влияния входного тока

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

4.10. Погрешности распределения реактивных токов

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

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

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

5.3. Внешние характеристики синхронного генератора при нагрузке синусоидальными токами

5.3.1. Внешняя характеристика синхронного генератора для однофазного входа регулятора напряжения

5.3.2. Внешняя характеристика синхронного генератора для трехфазного входа регулятора напряжения

5.4. Внешние характеристики синхронного генератора при нагрузке прямоугольными токами

5.4.1. Однофазный вход регулятора напряжения

5.4.2. Трехфазный вход регулятора напряжения

5.5. Внешние характеристики синхронного генератора при нагрузке трапецеидальными токами

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

5.7. Фильтр для подавления высших гармоник

5.8. Выводы по главе 232 6. Экспериментальные исследования

6.1. Назначение экспериментальных исследований

6.2. Описание лаборатории судовых электроэнергетических систем ДВГТУ

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

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

6.5. Экспериментальные исследования работы синхронного генератора на тиристорный преобразователь

6.6. Распределение реактивных нагрузок при параллельной работе синхронного генератора

6.7. Выводы по главе 261 Заключение 263 Список использованных источников

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Усовершенствование устройств распределения реактивных нагрузок судовых синхронных генераторов»

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач.

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

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

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

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

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Мазалева, Наталья Николаевна

6.7. Выводы по главе

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

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

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

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

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

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

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

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

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мазалева, Наталья Николаевна, 2006 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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