Введение к работе
Актуальность работы. Производство электроэнергии осуществляется как крупными электрическими машинами (ЭМ) с большими единичными мощностями, так и машинами малой и средней мощности, входящими в состав автономных электромеханических систем. Настоящее время характеризуется широким распространением автономных источников электроэнергии, к которым можно отнести, например, передвижные электростанции, ветроэнергетические установки, системы электроснабжения железнодорожного и автомобильного транспорта, морских судов, самолетов и др.
Автономные системы электроснабжения постоянного тока обладают рядом преимуществ и имеют более широкое распространение по сравнению с системами переменного тока. Требования к качеству выходной энергии, надежности и регулированию мощности обусловили замену коллекторных машин электрическими машинами переменного тока, работающими через вентильный преоб-раюнаїель (1Ш). Автономную систему, включающую в себя в качестве обязательных элементов ЭМ и вентильную нагрузку, обычно называют злектрома-шинно-вентилыюй системой (ЭМВС).
В последнее время заметный интерес вызывает применение в ЭМВС генераторов с числом пазов на полюс и фазу равным единице (q=l). Как правило, мощное і р. автономной нагрузки невелика, поэтому полюсное деление ЭМ получается небольшим и многофазное исполнение становится возможным лишь при малом q (q< 1). При малом диаметре и большом q зубцы и пазы оказываются очень узкими, что ведет к чрезмерному насыщению зубцовой зоны и плохому использованию пазового пространства под медь. Кроме того, для ЭМ серийного и массового производства важнейшее значение имеют такие факторы, как низкая себестоимость, малая трудоемкость и высокая технологичность изготовления. В машинах с q I операция укладки якорной обмотки является простой и очень технологичной, что удешевляет машину и приводит к значительной экономии средств производителя.
Построение расчетных моделей, позволяющих создавать и совершенствовать технологичные, эффективные и надежные ЭМВС является актуальной и важной задачей. Успех в решении этой задачи зависит от правильного выбора и расчета всех элементов ЭМВС, в первую очередь, ЭМ. Расчетам и моделированию ЭМ посвящено большое количество работ и в этой области достигнуты несомненные успехи. Большинство известных способов определения характеристик вентильных машин основываются на понятиях индуктивных параметров, в том числе, понятии коммутационного реактанса, описывающего взаимодействие вентильного преобразователя и ЭМ. Эти модели имеют неплохую точность при расчетах машин классической конструкции. Сильная зависимость магнитных потоков от взаимного положения сердечников, вызываемая малым q, резкая несинусоидальность фазных токов и ЭДС, насыщение сталей и дополнительная нелинейность, вносимая в систему ВП, не позволяют применять понятия индуктивных параметров при расчете характеристик вентильных генераторов (ВГ) с малым q.
Лучшими возможностями для учета особенностей ЭМ с малым q обладают методы, оперирующие мгновенными значениями электрических и магнитных величин. К ним можно отнести численные методы - конечных разностей, ко-
печных ілсмснюн ( КР. К') ). и метолы, основанные на решении переходных процессов в )М Их общим недостатком являются чрезмерные затраты времени при счете
Современная модель ЭМ должна обладать требуемыми быстродействием и точностью. Высокая точность возможна при адекватном воспроизведении самой машины - учете нелинейности характеристик намагничивания, зубчатости и аксиальной структуры обоих сердечников, реальных форм токов и ЭДС, дискретного распределения обмоток и др., с одновременным рассмотрением ее как элемента сложной автономной машинно-вентильной системы.
Целью данной работы является создание математической модели автономного вентильного генератора с с/ I, позволяющей достаточно точно и с небольшими затратами вычислительного времени рассчитывать характеристики ЭМ на основе реальных электромагнитных процессов, происходящих в ней.
При разработке модели ЭМВС, кроме фундаментальных работ по теории вентильных машин (Андреева К). М.. Бута Д. А., Глебова И. А), автором в разной степени использовались доступные источники современных научных школ, развивающих обшук» теорию и решающих прикладные задачи по созданию моделей ИГ. кафедры ЭКАО МЭИ (Сугробова А. М., Рожнова Н. М., Тыричева II. А., Русакова А. М), Н.-И. и экспериментального ин-та автомобильного электрооборудования и автоприборов (Акимова С В., Ходоша Л. С), Львовского Университета (Козярука A. F., Илахтыны R. Г.), кафедры ЭМ ИГЭУ ( Карау-лова В 11.) и др.
В соответствии с поставленной целью в работе были решены следующие іадичи:
-
Выбор конструкции электрической машины и структуры вентильного преобразователя, соответствующих условиям и режимам работы автономных электромеханических систем.
-
Разработка математической модели трехэвенпой автономной системы, состоящей из электрической машины, вентильного преобразователя и нагрузки, отражающей взаимное влияние звеньев.
-
Создание математической модели ')М, основанной на определении магнитного поля, и отражающей реальную форму токов и напряжений обмоток машины, нелинейность электротехнических материалов, двухстороннюю зубчатость сердечников и воспроизводящей взаимное перемещение ротора и статора.
-
Выбор метода расчета магнитного поля. Расчет магнитного поля с учетом резких изменений сечений магииюпровода.
-
Разработка математической модели вентильного преобразователя
-
Создание алгоритма расчета рабочих характеристик вентильной машины на основе уючненной математической модели ЭМ.
-
Разработка пакета программ, с высокой точностью и малыми затратами времени реализующих на ПЭВМ алгоритмы расчета характеристик вентильной машины.
S. Проверка адекватности математической модели физическому образцу на основе экспериментальных исследований.
Методы исследования. Характеристики автономного вентильного генератора были получены методами математического моделирования. Расчет характеристик ЭМ производился на основе расчета магнитного поля . Для определении магнитного поля машины использовался универсальный метод элсктромаг-нитного расчета. Решение систем уравнений, описывающих магнитную цепь ')М и электрическую цепь ЭМВС, осуществлялось различными численными методами на ПЭВМ
Научная новизна.
-
Разработан новый алгоритм непосредственного расчета характеристик установившегося режима ВГ без предварительного расчета переходного процесса.
-
В математической модели ЭМ, помимо несинусоидальности токов, ЭДС и потоков обмоток, насыщения и двухсторонней зубчатости стальных сердечников, воспроизводится взаимное перемещение ротора и статора.
.?. Математическая модель ЭМ описана в терминах реально существующих величин - токов, потокосцеплений и ЭДС обмоток, и не требует применения упрощающих понятий индуктивных параметров Х„, X,/, Xq, Х„, Л', и др.
-
При расчете магнитного поля учтено влияние резких изменений сечений маг-нитопровода ЭМ, причем расчетная схема замещения магнитной цени, составленная на основе универсального метода, сохранила оптимальное, с точки зрения точности и времени счета, число элементов.
-
Предложена специальная мера, гарантирующая сходимость и позволяющая регулировать скорость сходимости итерационного процесса расчета характеристик ВГ.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Разработана математическая модель, позволяющая с высокой точностью и малыми затратами времени исследовать работу автономной системы электропитания, включающей ЭМ, вентильный преобразователь и нагрузку.
Модель реализована в виде пакета прикладных программ расчета характеристик установившегося режима автономного ВГ. Пакет программ позволяет с помощью внесения минимальных изменений рассчитывать характеристики автономных генераторов многих конструкций, работающих на вентильную или фазную нагрузку.
Диссертационная работа является частью комплекса научно- исследовательских работ кафедры Электромеханики, посвященных развитию теории автономных электромеханических систем. Работа выполнена на кафедре Электромеханики МЭИ под руководством проф. Кузнецова В А., при творческой поддержке автора сотрудниками кафедры Аванесовым М. А., Гончаровым В И и Ширинским С. В.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на 1-ой Международной конференции по электротехнике и электротехно-лоїии МКЭЭ-94 (г. Суздаль, 1994); 2-ой Международной Конференции по электромеханике и электротехнологии МКЭЭ-96 (Крым, 1996г. ^научно-технической конференции "Электротехнические комплексы автономных обьек-тов ЭКАО-97"(г. Москва, 1997); Московской студенческой научно-технической
конференции "Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве" (г. Москва, IW);
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 89 наименований и приложения. Работа представлена на 175 страницах, из них 45страниц занимают 58 рисунков и I таблица.
