Введение к работе
Актуальность темы. В современной інерипике синхронные
электрические машины занимают одно из ведущих мест: синхронные
генераторы являются основными производителями электроэнергии,
синхронные компенсаторы обеспечивают необходимые режимные параметры дальних электропередач и устойчивость крупных узлов плі ру іки, синхронные двигатели используются ня члетрпческих сщпичях п промышленных предприятиях как более экономичные в сравнении с асинхронными начиная с мощности в несколько мегаваті и выше. В подавляющем большинстве синхронных машин используются вентильные системы возбуждения в контактном или бесконтактном исполнении, а для придания им лучших регулировочных свойств в качестве вентилей применяют управляемые полупроводниковые элементы - тиристоры. Системы возбуждения определяю! поведение синхронных машин в динамических режимах, их характеристики оказывают решающее влияние на условия обеспечения сіагической и динамической устойчивости энергосистем.
В настоящее время получили распространение тнристорные
возбудительные системы: независимая, бесшеточпая, самовозбуждения. Одним
из основоположников создания теории синхронных эдекз-рических машин с
такими возбудительными системами является И Л. Глебов. Ьлаголаря его
личному вкладу, а также работам его научной школы во
ВНИИэлектромашиностросния, лидирующей в этой области, были выполнены
обширные и углубленные исследования различных аспектов проблем
моделирования, проектирования и эксплуатации тпристорныч побудительных
систем, что способствовало их промышленному внедрению. К признанным
научным центрам в этом отношении можно также отнести ВНИИЭ, Институт
электродинамики Национальной академии наук Украины, НИЭИ им Г М
Кржижановского, Уральский государственный технический университет
(УГТУ). По вопросам моделирования электрических машин с вентильными
преобразователями в их цепях с учетом магнитного состояния машины
значительные успехи достигнуты в Московском государственном авиационном
институте (техническом университете), Московском энергетическом
институте (техническом университете) на кафедре '""Хпентротехничсские комплексы автономных объектов" Особо необходимо отметить новое направление, развиваемое па кафедре электромеханики МЭИ под руководством Л.В. Иванова-Смоленского и В Л. Кузнецова, где был решительно изменен традиционный подход к расчету мамшгпых полей и на первое место выдвинута задача определения режимных характеристик электрических машин в составе различных установок, в том числе и с вентильными преобразователями, при сохранении высокой точности моделирования магнитного поля в электрических машинах.
І Іоиски современных технических решений, базирующиеся на детальном анализе магнитного поля синхронных машин различного исполнения, привели к іммдапию моиых иозбудшельных систем. К іакові.ім можно ішігепі сисіемі.і. основанные на использовании для возбуждения энергии основной, а также третьей гармоник поля. По созданию синхронных машин с возбуждением от третьей гармоники поля большая работа была проведена ВНИИ комплексною электрооборудования (Армения), и персонально B.C. Арутюпином, где были выполнены значительные ісоретичсскне и экспериментальные исследования, обеспечившие организацию серийного выпуска синхронных генераторов мощностью до 100 кВт в качестве автономных источников электроснабжения.
В УГТУ под руководством AT. Пластуна было развито другое
направление в области гармонических систем возбуждения: бесшеточные
системы возбуждения явнополюсных синхронных машин общепромышленного
применения, в которых используется энергия зубцовых гармоник магнитного
ноля в воздушном зазоре. [I результате проведенных теоретических и
экспериментальных исследований на заводе "Уралэлектротяжмаш" разработан
отрезок серии совмещенных многофункциональных бесшет очных
возбудителей, созданы опытные образцы синхронных двигателей.
Таким образом, расширился круг возбудительных систем с включением в них составной частью вентильного преобразователя. Многие теоретические вопросы являются общими при исследовании электромагнитных процессов в синхронных машинах с тнристорными возбудителями и в вентильных »лектрических машинах. Пионерными в этой области можно назвать работы III.И. Лутидзс (НИЭИ), давшего строгое математическое описание электрическим машинам с вентильными коммутаторами и рассмотревшею в рамках предложенной теории ряд вопросов по переходным режимам синхронных генераторов с вентильными возбудителями. Ю.Г. Толстовым (НИЭИ) и П.Ф. Мерабишвили (Грузия) был разработан спектрально-операторный метод для моделирования динамических режимов вентильных преобразователей. Е.Г. Плахтына (Украина) предложил метод амплитуд гармонических составляющих для моделирования установившихся и переходных процессов в электромашинно-вентильных системах. В области исследования переходных процессов электрических машин и их математического моделирования глубокие проработки выполнены Ю.Г. Шакаряном (ВНИИЭ), Ф.Л. Мамедовым (РГАЗУ). Обширные исследования переходных процессов в узлах нагрузки с синхронными двигателями, оснащенными тнристорными возбудительными устройствами, проведены СИ. Гамаэиным (МЭИ).
Наряду с перечисленными, еще целый ряд отечественных и зарубежных
исследователей занимался изучением статических и динамических режимов в
электрических машинах, работающих совместно с вентильными
преобразователями. Основная сложность при этом заключается в корректном учете преобразователя, который обусловливает непрерывное чередование
локальных переходных процессии, питанных переключениями вентилей преобразователя, на фоне прогекаиия переходных микропроцессов, собственно и определяющих поведение электрической машины в энергосистеме.
Современные высокоиспольэованиые синхронные электрические машины требуют применения быстродействующих воібудигелей для придания им лучших регулировочных качеств. Одновременно с необходимостью адекватного моделирования электромагнигныч процессов в переходных- к установившихся режимах синхронных машин для разработки и проектирования их сисіем возбуждения, в настоящее время в связи с заменой традиционных устройств автоматики на компьютерные системы автоматического управления в энергосистемах ставится задача математического моделирования в реальном масштабе времени совокупности объектов энергосистемы, одними из элементов которой являются синхронные генераторы электрических станций.
В этой связи по новому следует взглянуть на ранее разработанные математические модели синхронных электрических машин с вентильными системами возбуждения. Те из них, что гарантируют высокую точность расчетов, в условиях многоуровневой и многоэлементной модели энергосистемы уже не способны обеспечить необходимой информацией в ограниченное время. В то же время ряд упрошенных подходов, годящихся для инженерных приближений, не выдерживают требований к достоверности информации, когда на ее основе принимаются решения по оперативному управлению Наконец, существует большой разрыв в точности между численными и аналитическими приемами описания переходных и установившихся режимов в э.чектромашишю-вен тильних системах Следовательно, теоретический поиск в области разработки методов исследования режимов синхронных машин с вентильными системами возбуждения нельзя считать завершенным.
В области проектирования гармонических систем возбуждения имеет место недостаточно глубокая проработка вопроса выбора параметров дополнительной обмотки в отношении минимизации расхода проводникового материала при обеспечении требуемых статических и динамических характеристик возбудителя. Для ее корректного выбора необходим одновременный учет как магнитного состояния электрической машины, так и действия вентильного преобразователя.
На основании вышеизложенного, научно-техническая проблема, обобщению и решению коїороіі посвящена диссертационная работа, состоит в разработке базовой математической модели элсктуюмашиппо-вентнлыюй системы "синхронный генератор - выпрямительная нагрузка" (СТ-ВН), отображающей макропроцессы переходных и установившихся режимов, и в формировании на ее основе математических моделей синхронных генераторов с вентильными системами возбуждения, обеспечивающих аналитические и численные аспекты задач их расчета и проектирования
Работа выполнялась в рамках генерального договора Казанского филиала МЭИ с производственным объединением "Татэнерго".
Работа поддержана грантом МОПО N 58Гр-9б "Снижение потребления электроэнергии системами промышленного электроснабжения при использовании утилизационных газотурбинных установок".
Цель и задачи работы состоят в построении дискретной теории
переходных процессов в синхронных машинах с вентильными системами
возбуждения, сочетающей в себе точность отображения режимных
характеристик моделируемого объекта, доступность аналитических
исследований и возможность выполнения численных расчетов в реальном масштабе времени, а также в оптимизации параметров гармонической системы возбуждения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка адекватного сформулированной цели математического аппарата дискретизации непрерывных процессов;
развитие теории дискретного моделирования электрических цепей с постоянными параметрами с вентильными преобразователями в их составе;
разработка методов дискретного моделирования электромашипно-вспгнлыюй системы "синхронный генератор - выпрямительная нагрузка";
развитие методов дискретного моделирования применительно к синхронным машинам с системами независимого, бесщеточного и самовозбуждения;
разработка математической модели синхронной машины с гармонической системой возбуждения при размещении основной и дополнительной обмоток совместно в пазах статора;
разработка метода расчета параметров дополнительной обмотки в синхронных машинах с гармонической системой возбуждения и принципов ее исполнения;
- разработка полюсопереключаемой дополнительной обмотки.
Методы исследования. При выполнении работы применялся комплекс методов, включающих:
методы теории электрических цепей, вентильных преобразователей, теории электромагнитных и электромеханических переходных процессов, аппарата дискретной математики, операционного исчисления;
универсальный метод расчета нолей и процессов в электрических машинах и основанный на нем программный продукт TSPM-SP, методы математического моделирования на ЭВМ;
- экспериментальные исследования на макетном образце.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработаны основы теории локальных рядов Фурье и локального
преобразования Фурье для дискретизации непрерывных процессов;
- предложен новый численный метод решения жестких систем линейных
дифференциальных уравнений, в том числе и уравнении синхронных
электрических машин;
- сформированы численно-аналитические дискретные математические
модели управляемого вентильною преобразователи в сгупснчаїьіх
изображениях и в конечно-разностном виде с учетом длительности
коммутационных процессов для систем независимою тиристорною
возбуждения синхронных двигателей;
разработан метод формирования дискретных математических моделей электрических цепей с постоянными параметрами с вентильными преобразователями в их составе для систем саможнбуждення с преобразовательными трансформаторами;
составлены и исследованы уравнения электромашинно-вентилыюй системы "синхронный генератор - выпрямительная нагрузка" в ступенчатых изображениях и в конечно-разностном виде с учетом демпферных обмоток, определены области использования каждой модели;
разработаны дискретные математические модели синхронных электрических машин с системами независимого, бесщеточного, гармонического и самовозбуждения с последовательными трансформаторами;
исследованы условия самовозбуждения синхронных машин с гармонической системой возбуждения;
развит универсальный метод расчета электромагнитных полей и процессов применительно к синхронным машинам с системами гармонического возбуждения и разработана методика расчета рациональных параметров дополнительной обмотки в системах гармоническою возбуждения синхронных машин;
р:тір:і(їоі:іиа нолюсоисрсключасмли дополнительная оіїмоіьа и исследованы режимы ее работы.
Практическая ценность работы. Разработанные на основе теории локального интегрального преобразования, локальных рядов Фурье и локального преобразования Фурье математические модели и комплекс программ для расчета переходных и установившихся режимов синхронных машин с вентильными системами возбуждения позволяют выполнять поверочный и проектировочный их расчеты для опенки режимных параметров как самих электрических машин и их во (були і елей. і,ік и энергосистемы в целом.
Дискретные математические модели позволяют выполнять расчеты в реальном масштабе времени и организовать компькис-рпос управление режимами энергосистемы и экспертные системы дпя оперативного персонала.
Разработанные методика выбора ііарнмеїрон дополниісльноіі обмоіки и полюсопереключаемые дополниіельпі.іе обмотки, защищенные авторскими свидетельствами, позволяют снизить расход проводникового материала на изготовление синхронных машин с гармонической системой возбуждения.
Реализация результатов работы. На Казанском моторостроительном
производственном объединении при непосредственном участии автора была
создана утилизационная энергетическая установка мощностью 2,5 МВт и
включена в промышленную систему электроснабжения. На базе разработанных
математических моделей электромашинно-вентильных систем была
сформирована математическая модель утилизационной энергоустановки, на ноюрой были проверены условия ее работы в автономном режиме и параллельно с промышленной сетью.
При проектировании Казанским отделением Нижегородского института "Эиерюсетьпроект" утилизационной электростанции мощностью 2x12 МВт была использована математическая модель турбоустановки для выявления специфических режимов энергоблоков, определения требований к системам автоматического управления и расчета уставок релейной защиты генератора.
В производственном объединении "Татэнерго" комплекс программ по дискретному моделирования синхронных генераторов с вентильными системами возбуждения вошел составной частью в базовую программу "Советчик диспетчера" на ее различных иерархических уровнях.
В объединении "Газпром", Средне-Волжский газотехнический центр, разработанные математические модели использованы в качестве составной части автоматизированной системы управления синхронными двигателями на газокомпрессорных станциях.
Достоверность результатов и выводов диссертации при решении поставленных задач определяется использованием современных математических методов теоретического и численного анализа, строгостью выполнения математических преобразований, физической обоснованностью применяемых приближений, совпадением частных и предельных мііісміїїичсских моделей исследуемых оГи.сктон с pauce и шестыми, экспериментальным подтверждением ряда результатов.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
-
Основы теории локальных рядов Фурье и локального преобразования Фурье по дискретизации непрерывных процессов и численные методы решения на их основе жестких дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами, в том числе уравнений синхронных машин.
-
Дискретные математические модели управляемого преобразователя в ступенчатых изображениях и в конечно-разностном виде для систем независимого тиристорного возбуждения синхронных двигателей.
-
Методы расчета электрических цепей общего вида с постоянными параметрами с вентильными преобразователями в их сосите для математического описания систем самовозбуждения с преобразовательными и полы прибавочными трансформаторами.
4. Методы расчета переходных и установившихся режимов системы
"синхронный генератор - выпрямительная нагрузка" и развитые на их основе
методы анализа режимов синхронних iciicpaiopon с сиосмамн нсшінсимоіо, бесщеточного и самовозбуждения.
5. Метод расчета параметров дшіолниіслміой обможи и синхронных машинах с гармонической системой самовозбуждения с учетом магнитною состояния машины и работы дополнительной обмотки на преобразователь, а также схемы полюсопереключаемой дополнительной обмотки, выделяющей энергию основной и третьей гармоник магнитного поля.
Апробация работы. Основные результаты работ докладывались и
обсуждались на конференциях и семинарах: X сессии Всесоюзного семинара
АН СССР "Кибернетика электрических систем" по тематике
"Электроснабжение промышленных предприятий" (г. Новочеркасск, 1988 г.);
заседании постоянно действующего научного семинара "Электрические
машины" научно-технического совета Минвуза СССР, секции Московского
правления НТО энергетики и электротехнической промышленности, М'.)И,
1989 г.; Всесоюзной научно-технической конференции с международным
участием "Современные проблемы электромеханики (К 100-летию изобретения
трехфазного асинхронного двигателя)" (г. Москва, 1989 г.); Всесоюзной научно-
технической конференции "1 ІОІЧ.ІШСННС '>ффсктишіосш и кичсешн
электроснабжения" (г. Мариуполь, 1990 г.); научно-практической
конференции "Региональные проблемы повышения качества и экономии
электроэнергии" (г. Астрахань, 1991 г.); научно-технической и методической
конференции "Электрооборудование, электроснабжение, электропотребление"
(г. Москва, 1995 г.); Второй Всероссийской научно-технической конференции
"Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных
систем" (г. Чебоксары, 1997 г.); научно-технической конференции
"Электротехнические комплексы автономных объектов" (г Москва, 1997 г.);
научно-технических конференциях Казанского филиала МЭИ (1993-1996 гг.);
межвузовской научно-технической конференции "Научные проблемы тепло- и
электроэнергетики" (г. Казань, 1997 г.), научных семинарах кафедры
электромеханики МЭИ (1996 г., 1997 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 научных екпей и докладов, получено 2 авторских свидетельства на изобретении.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Обший объем диссертации 444 страницы, в том числе 78 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 226 наименований и приложения на 23 страницах.
