Содержание к диссертации
Введение
2. Автономные асинхронные генераторы с конденсаторным возбуждением 12
2.1. Общая характеристика ААГс конденсаторным возбуждением 12
2.1.1. Работа асинхронной машины в генераторном режиме 12
2.1.2. Условия самовозбулсдения 13
2.1.3. Причины изменений параметров выходного напрял<ения 16
2.1.4. Статические характеристики ААГ 18
2.1.4.1. Уточненная характеристика определения статических характеристик ААГ 21
2.1.4.2. Оценка влияния параметров используемой AM на внешние характеристики ААГ 31
2.2. Моделирование динамических релсимов работы ААГ с применением модели основанной на теории цепей 36
2.2.1. Математическая модель электромагнитных процессов в ААГ 39
2.2.2. Симуляция динамических режимов 48
2.2.2.1. Процесс самовозбуждения 48
2.2.2.2. Включение и отключение нагрузки 56
2.2.2.3. Трехфазное симметричное короткое замыкание на зажимах 61
2.2.3. Выводы 63
2.3. Асинхронный генератор с нагрузкой подключенной через неуправляемый выпрямитель 67
2.3.1. Общая характеристика работы асинхронного генератора с выпрямительной нагрузкой 67
2.3.2. Математическая модель асинхронного генератора с выпрямительной нагрузкой 69
2.3.3. Анализ квазистатических процессов в генераторе с выпрямительной нагрузкой 73
2.3.4. Влияние нагрузки на процесс коммутации диодов выпрямителя 77
2.3.5. Анализ высших гармонических токов и напряжений в генераторе с выпрямительной нагрузкой 80
2.3.6. Энергетические характеристики выходного выпрямителя асинхронного генератора 82
2.3.7. Внешняя характеристика асинхронного генератора с нагрузкой подключенной через неуправляемый мостовой выпрямитель 86
2.3.8. Определение расчетной мощности генератора с нагрузкой подключенной через неуправляемый выпрямитель 88
2.3.9. Резонансные явления в генераторе с выходным выпрямителем, вызванные высшими временными гармониками 94
2.3.10. Выводы 96
2.4. Цепно-полевая модель асинхронного генератора 101
2.4.1. Введение 101
2.4.2. Уравнения описывающие распределение магнитного поля в дискретизированных системах 106
2.4.3. Уравнения напряжений цепей статора 111
2.4.3.1. Уравнения напряжений обмоток статора 111
2.4.3.2. Уравнения напряжений обмоток статора и внешней цепи 116
2.4.4. Цепно-полевая модель ротора с к.з. обмоткой 119
2.4.4.1. Уравнения напряжений массивных проводов обмотки ротора в виде беличьей клетки 120
2.4.4.2. Уравнения стержней и замыкающих колец 124
2.4.4.3. Многослойная модель к.з. обмотки ротора 129
2.4.5. Отображение вращения к.з. ротора асинхронного генератора 133
2.4.6. Решение уравнений цепно-полевой модели асинхронного генератора 142
2.4.6.1. Решение уравнений цепно-полевой модели генератора методом дискретизации времени 142
2.4.6.2. Применение модифицированного алгоритма Newtona-Raphsona для решения уравнений цепно-полевой модели генератора 147
2.4.7. Симуляционные исследования ААГ 152
2.4.7.1. Избранные результаты симуляционных исследований 153
2.4.7.2. Применение цепно-полевой модели длч проектных расчетов 162
2.4.8. Выводы 164
2.5. Обобщенная математическая модель ААГ как электромашинно-преобразовательной системы 167
2.5.1. Общие правила составления структурных моделей электромашинно-преобразовательных систем 168
2.5.1.1. Объект исследований и основные определения 168
2.5.1.2. Уравнения электрического рановесия 170
2.5.1.3. Общие правила построения математических моделей структурных элементов 173
2.5.2. Обобщенная математическая модель ААГ с конденсаторным возбуждением 176
2.5.2.1. Модель асинхронной машины 178
2.5.2.2. Модель батареи регулировочных конденсаторов с полупроводниковыми ключами 186
2.5.2.3. Модель батареи возбуждающих конденсаторов, подключенных непосредственно к обмотке статора 189
2.5.2.4. Модель активно-индуктивной нагрузки 190
2.4.2.3. Модель системы стабилизации напряжения 191
2.5.3. Пример использования обобщенной математической модели ААГ 191
2.5.4. Выводы 195
2.6. Системы стабилизации напряжения ААГ с конденсаторным возбуждением 196
2.6.1. Полупроводниковые ключи для схем стабилизации выходного напряжения ААГ 197
2.6.2. Схемы стабилизации выходного напряжения ААГ с минимальным числом ступеней регулировочных конденсаторов 200
2.6.3. Схемы стабилизации выходного напряжения ААГ работающие по принципу модуляции времени включения регулировочных конденсаторов 203
3. Автономные асинхронные генераторы с возбуждением от полупроводникового преобразователя 211
3.1. Автономный асинхронный генератор возбужденный от транзисторного источника реактивной мощности с квазисинусоидальным напряжением 213
3.1.1. Транзисторный источник реактивной мощности для ААГ 213
3.1.2. Свойства ААГ с транзисторным источником реактивной мощности 219
3.2. Выводы 229
4. Общие выводы 231
Литература 233
Приложения 246
- Моделирование динамических релсимов работы ААГ с применением модели основанной на теории цепей
- Анализ высших гармонических токов и напряжений в генераторе с выпрямительной нагрузкой
- Общие правила построения математических моделей структурных элементов
- Свойства ААГ с транзисторным источником реактивной мощности
Введение к работе
Вопрос использования асинхронной машины (AM) в генераторном режиме в автономных системах питания электроэнергией давно привлекал внимание исследователей. В основном это относилось к AM с к.з. ротором, конструкционные, технологические, экономические и надежностные достоинства которой хорошо известны [2,57].
Основной проблемой, которая в течение десятилетий затрудняла применение автономных асинхронных генераторов (ААГ), была необходимость сконструирования соответствующего источника реактивной мощности (ИРМ). В случае параллельной работы АГ с сетью необходимая для его работы реактивная мощность потребляется от сети, а в сеть отдается активная мощность. В автономном режиме к AM необходимо присоединить регулируемый ИРМ, обеспечивающий эту мощность для AM и для нагрузки.
Известна возможность обеспечения соответствующей реактивной мощности для ААГ путем присоединения к зажимам машины батареи конденсаторов. Несмотря на плохие массо-габаритные показатели и проблемы с коммутацией регулировочных конденсаторов, необходимых для стабилизации выходного напряжения, разработано значительное количество конструкционных решений ААГ с конденсаторным возбуждением. Сравнение этих генераторов с аналогичными синхронными генераторами [126,158] указывает на их преимущество и конкурентоспособность во многих областях, таких как авиационная и химическая промышленности [64,153], так называемая малая гидро- и ветроэнергетика [27,122,130,156], а также другие отрасли [150].
Исследования, проводимые сначала для малых мощностей, постепенно расширялись на АГ средней мощности, а целесообразность включения асинхронных турбогенераторов большой мощности в энергетические системы кажется сегодня бесспорной [66,136], хотя существует еще много нерешенных проблем в этой области.
Существенную роль в расширении применения ААГ с конденсаторным возбуждением сыграло появление полупроводниковых силовых элементов (тиристоры, симисторы), позволяющих конструировать бесконтактные ключи, обеспечивающие быстрое и без сверхтоков переключение ступеней конденсаторов.
Новые возможности возбуждения ААГ открылись также после сконструирования полупроводниковых источников реактивной мощности с использованием классических элементов типа тиристоров и симисторов. Результатом этого является разработка значительного количества теоретических и практических решений генераторов с таким способом возбуждения [132,149,173]. Однако эти решения отличаются, как правило, высокой степенью сложности, высокой стоимостью и относительно низкой надежностью, что в значительной степени ограничивало их применение и распространение.
Наблюдаемое в последнем десятилетии бурное развитие техники и технологии в области машиностроения, аппаратостроения, силовой полупроводниковой техники, преобразовательной техники и т. п., а также широкий доступ к новейшим достижениям науки в этих областях и современным элементам, создали совершенно новые возможности решения проблем, связанных с разработкой и применением ААГ как с конденсаторным возбуждением, так и с возбуждением с помощью преобразователей.
К основным факторам, определяющим эти новые возможности, следует зачислить:
• развитие методов и алгоритмов проектирования асинхронных машин с требуемыми параметрами, в том числе предназначенных для работы в генераторном режиме, а также возможность выпуска малочисленных серий этих машин,
• появление современных малогабаритных энергетических конденсаторов с полипропиленовым диэлектриком, позволяющих реализовать разные схемные варианты соединений отдельных емкостных модулей в одном корпусе (по заказу) [127],
• появление новых полупроводниковых силовых элементов типа тиристоров GTO или транзисторов IGBT на большие токи и напряжения и интегральных полупроводниковых силовых схем, а также интегральных схем управления этими элементами [12,125],
• появление новых схемных решений ААГ с возбуждением от конденсаторов и преобразователей, а также новых алгоритмов управления [97,124],
• появление новой компьтерной техники, обеспечивающей возможность анализа и синтеза различных вариантов схемных решений ААГ с учетом необходимого для полного исследования анализируемых явлений количества факторов при разумном времени счета.
Создавшаяся ситуация открывает возможность конструирования совершенно новых схемных решений ААГ как с конденсаторным возбуждением, так и возбуждением от полупроводниковых преобразователей. Это, в свою очередь, создает необходимость разработки новых и совершенствования существующих методов проектирования и исследования этих схем с учетом особенностей, совместной работы асинхронной машины, полупроводникового преобразователя и системы управления.
Из вышеизложенного следует, что автономный асинхронный генератор с конденсаторным возбуждением, регулируемым различного рода полупроводниковыми преобразователями в цепи статора, представляет собой сложную электромеханотронную систему, для проектирования и исследования которой необходимо создание новых методов с учетом современных достижений в области компьютерной техники, технологии и математического моделирования электромеханических систем с полупроводниковыми преобразователями.
Решение этой проблемы связано с учетом всех определяющих факторов, в том числе:
• влияния на процессы в электрической машине коммутаций в полупроводниковых преобразователях, подключающих к статору конденсаторы;
• влияния несинусоидальностей в напряжениях и токах на работу полупроводниковых преобразователей;
• возникновения резонансных явлений;
• учета потерь в отдельных элементах электромеханотронной системы;
• влияния величины и вида нагрузки на стабильность работы.
Кроме того, необходимо решение задач синтеза системы автоматического регулирования как необходимое условие обеспечения стабильности работы ААГ.
Следовательно, актуальность темы состоит в разработке методов анализа процессов и характеристик автономного асинхронного генератора с конденсаторным возбуждением, регулируемым с помощью полупроводниковых преобразователей как сложной электромеханотронной системы, их применении к проектированию электрической машины х средств ее регулирования, изучении новых явлений и выяснении электромагнитных взаимосвязей между отдельными элементами этой электромеханотронной системы.
Область исследований и цель работы
В мировой литературе можно найти значительное число сведений о ААГ. Однако много существующих решений стало уже неактуальными. Прежде всего это относится к генераторам со схемами стабилизации напряжения содержащими индукционные элементы, масса и габариты которых сравнимы с массой и габаритами AM. Аналогично выглядит ситуация с ААГ с компаундными схемами стабилизации напряжения, в которых емкость последовательно включенной батареи конденсаторов составляет 1,2-е-1,5 емкости, необходимой для возбуждения генератора на холостом ходу [41,102].
Не оправдались надежды, связанные со схемами стабилизации напряжения, сконструированными на базе нелинейных сегнетокерамических конденсаторов, так называемых варикондов [5,7,55].
Не нашли также применения ААГ, в которых стабилизация напряжения осуществлялась по принципу подмагничивания ярма статора [33].
Анализ мировой литературы в области ААГ позволил автору сформулировать тезис, что в области малых мощностей (до нескольких десятков киловатт) наиболее перспективными являются генераторы построенные на базе классических асинхронных машин с к.з. ротором. Поэтому исследование ААГ ограничено прежде всего схемами с такими машинами, так как они имеют наибольшие шансы практического применения. Эти схемы характеризуются тем, что они не содержат индуктивных элементов и состоят только из типовой AM (асинхронный электродвигатель с к.з. ротором), батареи возбуждающих конденсаторов, батареи регулировочных конденсаторов, коммутируемых с помощью полупроводниковых ключей и схемы управления.
В области ААГ с возбуждением от полупроводниковых преобразователей исследования ограничены генераторами с к.з. ротором и одним преобразователем, подключенным к обмотке статора. Принятые ограничения обоснованы тем, что на практике большинство приемников электроэнергии допускает изменения в небольших пределах напряжения и частоты.
Исследованиями не охвачены ААГ с фазным ротором, так как связанные с такими генераторами вопросы имеют иную специфику и, по мнению автора, должны рассматриваться отдельно.
Наблюдаемую в последнее время заинтересованность ААГ с фазным ротором можно объяснить разработкой эффективных алгоритмов управления непосредственными преобразователями частоты [81,97,124,174]. Результатом этого является ряд решений отбора мощности от вала с изменяющейся в широких пределах скоростью вращения (например на судах) [8,9,78]. Анализ указанной литературы по этому вопросу дополнительно убеждает автора в правильности принятого решения о выделении этой тематики как отдельной исследовательской задачи.
В так определенной области исследований, целью работы является создание метода анализа электромагнитных процессов и расчета статических характеристик автономных асинхронных генераторов с конденсаторным возбуждением, регулируемым с помощью полупроводниковых преобразователей с различными способами управления, как совокупности математических моделей, компьютерных программ и способов их применения, и его (метода) применении для исследования малоизученных и наиболее перспективных схем ААГ с конденсаторным возбуждением, регулируемым полупроводниковыми преобразователями, синтеза систем регулирования с использованием разработанных моделей, а также изучения электромагнитных взаимосвязей с целью объяснения физических явлений и характеристик, не имеющих описания в литературе
Научная новизна работы
• Разработана математическая модель, компьютерная программа и методика исследований электромагнитных процессов и характеристик ААГ с конденсаторным возбуждением, регулируемым с помощью разных типов полупроводниковых преобразователей. В разработанной модели описание электрической машины основано на сочетании элементов теории электромагнитного поля и теории электрических цепей, оптимальном с точки зрения объема вычислений и точности описания.
• Разработаны схемы ААГ с аналогово-цифровым стабилизатором напряжения, как со взвешиваемыми значениями емкостей регулировочных конденсаторов, так и работающие по принципу модуляции времени включения одной батареи регулировочных конденсаторов.
• Предложена схема ААГ с полупроводниковым возбуждением в виде управляемого по току инвертора напряжения на транзисторах IGBT, в которых преобразователь, кроме основной функции (возбуждения), может также выполнять роль непрерывного источника активной мощности, компенсатора реактивной мощности и компенсатора мощности искажений.
• Объяснены особенности физических явлений и характеристик ААГ с конденсаторным возбуждением, работающих на выпрямительную нагрузку.
Автором защищаются:
• методика расчета статических характеристик ААГ с конденсаторным возбуждением, позволяющая учитывать изменения частоты генерированного напряжения, вызванные изменениями нагрузки, как основа для проектирования асинхронных генераторов малой мощности со схемами стабилизации напряжения;
• цепно-полевая математическая модель ААГ с конденсаторным возбуждением, объединяющая полевую модель асинхронной машины с моделью присоединенных к обмотке статора внешних цепей (возбуждения и нагрузки), как основа для проектирования ААГ на базе типовых асинхронных электродвигателей, на базе этих же двигателей но с некоторыми конструктивными изменениями, а также с самого начала предназначенных для работы в генераторном режиме;
• обобщенная математическая модель ААГ с любым способом возбуждения, как основа для проектирования асинхронных генераторов с системами стабилизации напряжения и частоты, а также анализа процессов как в AM, так и элементах систем;
• новые схемные решения ААГ с системами стабилизации выходного напряжения, использующими свойства современных полупроводниковых элементов, в частности:
- ААГ со аналого-дискретной схемой стабилизации напряжения с взвешиваемыми значениями емкостей ступеней регулировочных конденсаторов и схемами стабилизации с модулированным временем включения регулировочных конденсаторов;
- ААГ с возбуждением от транзисторного преобразователя в виде управляемого по току многофункционального ивертора напряжения;
• результаты исследований процессов и характеристик перспективных решений ААГ.
Практическая ценность
Полученные результаты научных исследований в области асинхронных генераторов использовались при проектировании и исследовании режимов работы следующих установок:
• установки гарантированного питания мощностью около 300 кВА, содержащей асинхронные генераторы общей мощностью 120 кВА для областного вычислительного центра Национального Банка Польши в г. Быдгощ (см. приложение № 1);
® гидроэлектростанций малой мощности с асинхронными генераторами, построенных в местностях:
- Фридрихово - общей мощностью Р = 44 кВт,
- Мылёф - общей мощностью Р = 58 кВт,
- Черско Польске - общей мощностью Р = 945 кВт
в рамках программы развития так называемой „малой ветро- и гидроэнергетики"
(см. приложение № 2).
Разработанные алгоритмы и программы применялись в учебном процессе для изучения и проектирования автономных источников питания и могут быть использованы в соответствующих проектных организациях.
Описанные схемы и характеристики ААГ, а также их анализ расширяют знания в области электрической части малой энергетики, что способствует улучшению проектирования и эксплуатации генераторных установок.
Апробация полученных результатов исследований
Результаты научных исследований по ААГ докладывались и получили положительную оценку на:
• четырнадцати международных конференциях в Италии, Германии, России, на Украине и в Польше;
• тринадцати научных конференциях общегосударственного масштаба;
• восьми научных семинарах в варшавском, познаньском, шлёнском (г. Гливице) и зелёногурском политехнических институтах, в Институте электротехники Польской Академии Наук (г. Гданьск) и в Техническо-сельскохозяйственной Академии (г. Быдгощ).
Основные из них следующие:
• международная научная конференция Evolution and modern aspects of induction machines, Italy, Torino, 8-11 July 1986,
• 6. международный семинар Maritime Elektronik, NRD, Rostock, 1986,
• 2. научно-техническая конференция советских и польских ученых, Polska, Wroclaw, 1986,
в 4. Krajowa Konferencja Energoelektroniki PAN, Warszawa, 1990,
• 4. International Scientific and Technical Conference - Integrated Problems of Industrial Control, Kiev, October 1990,
• 12. Symposium Electromagnetic Phenomena in Nonlinear Cicuits, Polska, Poznan, October 1991,
• международная научно-техническая конференция Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-92, Новосибирск, сентябрь 1992,
• Sympozjum Naukowe Instytutu Elektrotechniki PAN, Oddzial w Gdansku, luty 1994,
• международная научно-техническая конференция Power Electronics, Motion Control, Warsaw, 20 -22 Sept. 1994,
• международная научно-техническая конференция Unconventional Electroechnical and Electromechanical Systems, Poland, Szczecin, 1996,
• 7. International Power Electronics & Motion Control Conference, Exhibiion,Tutorials, Hungary, Budapest, 1996,
• 4. International Scientific Conference on Unconventional Electromechanical and Electrical Systems, St. Petersburg, Russia, 21-24 June 1999.
Публикация
Основные научные результаты по теме диссертации изложены в одной монографии, 45 статьях и тезисах докладов, а также в трех отчетах по НИР.
Объем и структура работы
Диссертационная работа изложена на 255 страницах - содержит 88 рисунков и 4 таблицы. Работа состоит из трех основных разделов: первого - вводного, второго -состоящего из шести глав, третьего, заключения, списка литературы в количестве 179 наименований, списка сокращений и символов примененных в цепно-полевой модели ААГ и двух приложений подтверждающих внедрение научных разработок.
Моделирование динамических релсимов работы ААГ с применением модели основанной на теории цепей
Из приведенного выражения следует, что напряжение Ub наводимое в фазе обмотки статора ААГ, при постоянной скорости вращения вала и постоянной емкости возбуждающих конденсаторов, зависит от величины и характера нагрузки. Увеличение нагрузки в условиях і\ = const, С = const, cosq = const (ф 0) вызывает снижение выходного напряжения вследствие ослабления основного магнитного потока.
Если генератор работает со стабилизированной скоростью вращения вала (со = const, f] = var), то при нагрузке имеет место дополнительное уменьшение Ui, вызванное уменьшением частоты генерированного напряжения. Согласно (2.1.10) уменьшение основного магнитного потока вызвано размагничивающим действием токов ротора, увеличением реактивной составляющей тока нагрузки (при ф 0), а также уменьшением значения емкостного тока. Последний при fj = const уменьшается вследствие уменьшения напряжения, а при со = const - вследствие уменьшения напряжения и частоты.
Работу ААГ при изменяющихся величине выходного напряжения, частоты, а также величине и характере нагрузки, особенно в начальной стадии проектирования, удобно анализировать на основании статических характеристик. Однако, несмотря на большое количество литературы по этому вопросу, до сих пор нет практических методов расчета статических характеристик ААГ, учитывающих влияние изменения частоты генерированного напряжения. Принимаемое в существующих методиках допущение о неизменности частоты при изменяющейся нагрузке допустимо лишь для машин большой мощности с номинальным скольжением не превышающим 0,03. Как будет показано ниже, неучет изменения частоты напряжения в расчетах статических характеристик асинхронных генераторов малой мощности с номинальным скольжением порядка 0,05- 0,06 приводит к недопустимым ошибкам, исключающим возможность применения полученных результатов для целей проектирования.
Существуют два способа определения статических характеристик ААГ: путем построения полной математической модели ААГ в виде системы алгебраических и дифференциальных уравнений и расчета отдельных точек статических характеристик на основании расчета установившихся режимов работы генератора, полученных в результате компьютерной симуляции переходных режимов для разных условий нагрузки: путем расчетов с использованием известных схем замещения AM.
Первый метод обеспечивает более точные результаты, однако он громоздкий и отличается большой трудоемкостью и большим количеством ненужных для определения статических характеристик расчетов (переходных процессов). Составлять такую модель лишь для определения статических характеристик нецелесообразно, т.к. автономные асинхронные генераторы практически не могут работать без схем стабилизации выходного напряжения или напряжения и частоты. Для исследования путем компьютерной симуляции режимов работы схем ААГ в целом необходимо дополнительно составлять математические модели присоединенных схем и согласовывать эти модели с собой.
Кроме того, в процессе проектирования ААГ, уже в его начальной стадии, часто требуется информация, необходимая для подбора основных элементов (реактивной мощности и емкости возбуждающих конденсаторов, количества конденсаторных ступененй в схеме стабилизации напряжения, емкости конденсаторов отдельных ступеней и т.п.), а также, в случае применения типовых AM запроектированных для работы в двигательном режиме, оценки пригодности выбираемых машин.
Такую информацию легко получить применяя второй способ определения статических характеристик, использующий известные схемы замещения AM. Этот способ для ААГ с конденсаторным возбуждением является наиболее полно изученным вопросом в теории этих генераторов. Свидетельствует об этом множество публикаций, которые появились на протяжении нескольких десятков последних лет. На первом этапе исследований ААГ наиболее распространенными методами расчета статических характеристик были графические методы, основанные на круговой диаграмме AM [58,122,158,174]. По мере развития расчетной техники эти методы заменялись графическо-аналитическими [1,40,70,104] и аналитическими [42,71,135,164,168,175]. Однако все известные из литературы методы расчета статических характеристик ААГ с конденсаторным возбуждением имеют два основных недостатка, вытекающих из принимаемых упрощающих допущений, последствия которых проявляются в основном при расчете характеристик генераторов малой мощности. В большинстве перечисленных методов расчета [42,134,135,146,147] принято допущение, что скорость привода генератора меняется так, чтобы частота генерированного напряжения оставалась постоянной и равной синхронной частоте, независимо от характера и величины нагрузки. Это теоретически правильное допущение приводит к тому, что рассчитываются характеристики для условий отличающихся от действительных. Применяемые приводы имеют, чаще всего, стабилизированную скорость вращения. Управление этой скоростью в зависимости от величины и характера нагрузки для достижения постоянной частоты напряжения трудно и неэкономично.
В некоторых работах [148,164], особенно для машин большой мощности, влиянием нагрузки на частоту генерированного напряжения просто пренебрегается. Исследования показали, что такое упрощение допустимо для машин с номинальным скольжением порядка 0,03. Точность расчета характеристик составляет тогда около 10% (это относится к серийно выпускаемым AM с к.з. ротором, предназначенным для работы в двигательном режиме).
В случае AM с числом пар полюсов р 1 и номинальным скольжением sH порядка 0,05- 0,06 неучет влияния нагрузки на частоту напряжения приводит к значительным ошибкам в расчете статических характеристик. Это иллюстрирует рис.2.1.3, на котором показано влияние изменения частоты на положение рабочей точки на характеристике холостого хода асинхронного генератора, построенного на базе типового электродвигателя с номинальным скольжением sH= 0,06.
Анализ высших гармонических токов и напряжений в генераторе с выпрямительной нагрузкой
В отечественной литературе число публикаций, касающихся переходных процессов в асинхронном генераторе, невелико, а в относительно богатой мировой литературе преобладают публикации относящиеся к процессу самовозбуждения. Другие переходные процессы представлены довольно скромно.
Общее описание динамических процессов, связанных с самовозбуждением, можно найти в литературе относящейся к классической теории электрических машин. [28,34,56,67,154]. Не рассматривается там, как правило, физическая сторона этого явления, что ограничивает пригодность этих материалов.
Если рассматривать физическую сторону явления самовозбуждения, то можно выделить по крайней мере четыре теории, применяемые для выяснения этого явления. В первой группе публикаций, особенно старших [13,26,106,107,177] преобладает мнение, что самовозбуждение вызывается остаточным магнетизмом ротора и затем процесс лавинообразно усиливается нарастающим емкостным током статора. Однако экспериментальные исследования показали, что в генераторе, обладающим даже относительно большим остаточным магнетизмом, самовозбуждение не происходит, если не выполнены другие условия самовозбуждения, например когда скорость вращения вала меньше критической. Более того, при подходе снизу к критической скорости вращения остаточный магнетизм уменьшается. С другой стороны, возбуждаются генераторы с тщательно размагниченным магнитопроводом, генераторы экранированные от магнитного поля Земли, генераторы с массивным [45] и алюминиевым ротором или с медным полым ротором [47].
Авторы другой группы публикаций считают, что процесс самовозбуждения АГ является результатом параметрического резонанса. Согласно теории параметрического резонанса [46], фактором вызывающим процесс возбуждения колебаний в АГ могут быть произвольные флюктуации, а механизм нарастания амплитуды колебаний объясняется явлением так называемой „динамической явнополюсности" [6,22,46]. Этой теории противоречат результаты экспериментальных исследований АГ с гладким немагнитным ротором и генераторов с массивным стальным ротором. В этих машинах изменения эквивилентной индуктивности при изменении положения ротора исключены, однако эти генераторы возбуждаются, причем в процессе самовозбуждения не наблюдается четкая кратность частоты собственных колебаний цепи статора и угловой скорости ротора, которая должна иметь место в случае параметрического резонанса.
Третья группа публикаций [29,32,49,72] процесс самовозбуждения объясняет с энергетической точки зрения. Согласно этой теории для возникновения самовозбуждения необходимо выполнить условие, чтобы количество энергии вносимой в колебательный контур, было не меньше энергии, рассеиваемой в этой цепи. Несмотря на убедительный количественный анализ и правильный с физической точки зрения подход, сторонники этой теории не выясняют почему амплитуда колебаний нарастает и устанавливается именно в цепи содержащей емкость, и каким образом энергия вносится в колебательный контур.
И наконец самая многочисленная группа авторов публикаций [16,30,50- 52,72] рассматривает процесс самовозбуждения АГ, как явление, которое может возникнуть в любой цепи, в которой выполнены некоторые условия. Согласно [172] в любой цепи могут возникнуть незатухающие колебания без внешнего вынуждающего фактора, если эта цепь содержит: источник энергии, колебательный контур, клапан, регулирующий подачу энергии в колебательный контур периодическими порциямии, управляющую клапаном обратную связь со стороны колебательного контура. Колебания, возникающие в таком контуре, будут незатухающими, если энергия, вносимая в колебательный контур будет больше энергии,рассеиваемой в контуре, а ее подача будет осуществляться одновременно с рассеиванием. Установление амплитуды колебаний будет иметь место, если хотя бы один из элементов контура имеет нелинейную характеристику.
Легко заметить, что в АГ с конденсаторным возбуждением можно выделить все перечисленные элементы. Источником энергии является приводной электродвигатель, клапан, регулирующий подачу энергии в такт с колебаниями колебательного контура - цепь ротора машины, а колебательный контур образуют возбуждающие конденсаторы и индуктивности машины. Обратная связь реализуется путем магнитного сцепления между цепями статора и ротора, а также зависимость индуктивности Lm от магнитного потока. Для такой цепи нет никаких требований относительно фактора начинающего процесс самовозбуждения. Роль такого фактора может например исполнить произвольно малой величины импульс напряжения, наведенный в результате воздействия внешних магнитных полей или произвольная флюктуация в самом генераторе, причем безразличным является факт, выступит ли этот импульс со стороны статора или ротора.
Таким образом, самовозбуждающийся АГ можно рассматривать как динамически нестабильную систему в состоянии покоя, не требующую для перехода в колебательный режим вынуждающего сигнала конечной величины. Это объясняет значительное количество работ, в которых АГ рассматривается как система автоматического регулирования, а динамические процессы исследуются с использованием математического аппарата теории автоматического регулирования [30,48,50-5-52,172].
В публикациях последнего десятилетия преобладают работы [52,121,153], в которых для описания динамических процессов АГ используется математический аппарат, применяемый для анализа таких процессов в двигательном режиме. Была сделана также удачная попытка описания электромагнитных процессов в АГ с помощью обобщенной теории преобразования электроэнергии [175].
Необходимо также отметить методы анализа переходных процессов в АГ, приведенные в [15,42,65,168]. Асинхронный генератор описывается там системой линейных дифференциальных уравнений, записанных в ортогональной системе координат d,q, а насыщение магнитопровода учитывается с использованием метода гармонического баланса, причем учитывается только первая гармоника магнитного потока.
Публикации относящиеся к переходным процессам при коротком замыкании на зажимах АГ очень редки. Это можно объяснить тем, что эти процессы кратковременны, а их последствия для генератора без системы стабилизации напряжения неопасны. Некоторыми авторами для анализа переходных процессов при коротком замыкании на зажимах АГ [3,32] использованы описание и метод, применяемый при анализе переходных процессов при включении и отключении нагрузки, а в [31,59] применена методика, использованная ранее для описания аналогичных процессов в синхронном генераторе.
Общие правила построения математических моделей структурных элементов
Проведенные исследования переходных процессов ААГ позволяют сформулировать следующие выводы: 1. Разработанная математическая модель, в которой использован применяемый для анализа явлений в двигательном режиме асинхронной машины математический аппарат, верно отображает физические процессы в ААГ с конденсаторным возбуждением с достаточной для проектирования точностью, а применение вспомогательной нелинейной функции Xm = f(Y, im), вместо типичной характеристики намагничивания машины Ei = Щщ), позволяет упростить алгоритм и сократить время расчетов. 2. Симуляционные исследования процесса самовозбуждения ААГ с к.з. ротором позволили проанализировать этот процесс для разных условий и параметров, а также сформулировать выводы относительно надежного самовозбуждения, а именно: - При отсутствии дополнительных средств, обеспечивающих надежное самовозбуждение генератора, основным фактором обуславливающим возникновение процесса и существенно влияющим на его протекание, является остаточный магнетизм. В нормальных рабочих режимах (отсутствие перегрузок и коротких замыканий) достаточное для повторного самовозбуждения генератора значение потока остаточного магнетизма будет сохранено всегда, если в первую очередь будет отключена нагрузка и только потом выключен привод. В случае аварийных режимов (развозбуждение вызванное перегрузкой, короткое замыкание) остаточный магнетизм во много раз уменьшается, причем наиболее неблагоприятным случаем является развозбуждение генератора вызванное перегрузкой. Генератор тогда почти полностью размагничивается и его повторное самовозбуждение, при неизменной скорости вращения ротора и емкости возбуждающих конденсаторов, как правило, невозможно. Более благоприятным в этом отношении является короткое замыкание, после которого поток остаточного магнетизма уменьшается почти в двадцать раз, однако в большинстве случаев его величина остается достаточной для повторного самовозбуждения. - Интенсивность протекания процесса самовозбуждения в значительной степени зависит от емкости возбуждающих конденсаторов. Для обеспечения надежного самовозбуждения генератора потоком остаточного магнетизма целесообразно подключить к обмотке статора на время процесса самовозбуждения как возбуждающие, так и регулировочные конденсаторы. Последние следует отключить когда выходное напряжение генератора достигнет номинального значения. - Надежное самовозбуждение генератора, независимо от его магнитного состояния, обеспечивает предварительный заряд от постороннего источника питания по крайней мере одного из фазных конденсаторов отключенной батареи возбуждающих конденсаторов с последующим присоединением целой батареи к обмотке статора при вращающемся роторе. Интенсивность самовозбуждения зависит таюке от числа предварительно заряженных конденсаторов, а также значения напряжения, до которого они были заряжены. Для генераторов со скоростью вращения ротора 500- 3000 об/мин надежное самовозбуждение, независимо от условий до начала процесса самовозбуждения, обеспечено всегда уже при напряжениях предварительно заряженных конденсаторов порядка 10% напряжения холостого хода. Скорость протекания процесса самовозбуждения только в небольшой степени зависит от способа соединения и полярности предварительно заряженных возбуждающих конденсаторов. Удовлетворительные результаты обеспечивает предварительный заряд конденсатора одной фазы. Это ограничивает мощность постороннего источника питания, предназначенного для предварительного заряда конденсаторов.
Для высокоскоростных ААГ (5.000 об/мин и более) описанный способ может оказаться неэффективным из-за вышеописанных причин. В таких случаях положительный эффект в смысле самовозбуждения можно достигнуть путем разряда через обмотку статора предварительно заряженных до напряжения (0,5 -1,0)1 возбуждающих конденсаторов но при неподвижном роторе с последующим включением привода. 3. Переходные процессы включения и отключения нагрузки ААГ, характеризуются появлением затухающих переходных периодических составляющих токов, частота которых не зависит от скорости вращения ротора но определяется параметрами резонансного контура, образованного емкостями батарей возбуждающих конденсаторов С и индуктивностей рассеяния Lsi + L S2- Частота этих составляющих значительно больше основной частоты, определенной скоростью вращения ротора. Периодические переходные составляющие токов высших частот вызывают колебания результирующего пространственного вектора Ч т относительно ротора, вращающегося с синхронной скоростью, что, в свою очередь, приводит к колебательным изменениям скольжения во время переходного процесса.
Переходные процессы, связанные с включением и отключением нагрузки, кратковременны и в значительной степени зависят от коэффициента насыщения магнитопровода генератора. Для типовой асинхронной машины (серия „g"), запроектированной для работы в двигательном режиме с номинальным напряжением UH=220B, возбужденной до напряжения Uio=230B, продолжительность переходных процессов достигает нескольких периодов. При постоянном коэффициенте насыщения магнитопровода машины продолжительность переходных процессов зависит также от величины и характера нагрузки.
Учитывая сложный характер изменений амплитуды пространственного вектора напряжения во время переходного процесса включения нагрузки, а также его кратковременность, для оценки снижения напряжения на нагрузке (для основной гармоники напряжения) целесообразно принять в качестве меры среднее значение напряжения в период наступающий непосредственно после момента включения нагрузки. Проведенные исследования показали, что величина снижения напряжения при включении нагрузки зависит, прежде всего, от коэффициента насыщения магнитопровода генератора и, в меньшей степени, от параметров машины. Увеличение коэффициента насыщения магнитопровода генератора для увеличения жесткости его статических характеристик влияет также положительно на динамические характеристики, ограничивая изменения выходного напряжения при включении и отключении нагрузки.
Характерной чертой переходного процесса при включении нагрузки ААГ является отсутствие значительных токовых ударов, независимо от исходного положения результирующего пространственного вектора потокосцепления Ч щ относительно оси фазы в момент включения нагрузки. 4. Короткое симметричное замыкание за зажимах генератора не является для него опасным, так как токи короткого замыкания исчезают очень быстро (1,5-7-2 периода).
Свойства ААГ с транзисторным источником реактивной мощности
Анализируя полученные во время исследований результаты можно сформулировать следующие выводы: 1. Предложенная в разделе 2.3.2 математическая модель ААГ с конденсаторным возбуждением и нагрузкой, подключенной через неуправляемый мостовой выпрямитель, содержащая дифференциальные уравнения, описывающие генератор с учетом насыщения магнитопровода для основного потока в прямоугольной системе координат статора а,(3 совместно с переключающими функциями, позволяет исследовать динамические, квазистатические и статические режимы работы, а также анализировать энергетические зависимости в генераторе и батарее конденсаторов. Обеспечивает хорошую сходимость расчетных и экспериментальных результатов. 2. Автономный асинхронный генератор с конденсаторным возбуждением и нагрузкой, подключенной через неуправляемый мостовой выпрямитель обладает рядом специфических, не до конца исследованных, свойств, выяснение которых было возможно благодаря симуляционным исследованиям с использованием разработанной математической модели и соответствующей компьютерной программы. На основании симуляционных исследований, подтвержденных экспериментальными, можно утверждать что: а) наличие емкости на входе выпрямителя существенным образом влияет на коммутацию полупроводниковых ключей. Для нагрузок меньше 0,6 PN коммутация имеет мгновенный характер. При увеличении нагрузки угол коммутации увеличивается приблизительно до 30 электрических градусов. Это значит, что в пределах статической стабильности генератора имеет место исключительно первый режим работы выпрямителя, т.е. в межкоммутационные периоды диоды проводят по одной из каждой группы (анодной и катодной) и 2-3 диода - в коммутационные периоды; б) многофазный неуправляемый выпрямитель, питаемый от ААГ с конденсаторным возбуждением, является для генератора активно емкостной нагрузкой. Угол фазового сдвига между первыми гармониками тока и напряжения на входе выпрямителя может достигать 18 электрических градусов. Это является причиной „генерирования" выпрямителем реактивной емкостной мощности, значение которой, в зависимости от коэффициента насыщения магнитопровода машины и величины нагрузки может достигать 30% реактивной мощности батареи возбуждающих конденсаторов. Это, в свою очередь, увеличивает жесткость внешней характеристики и перегрузочной способности генератора; в) для оценки энергетических показателей выпрямителя, питаемого от ААГ с конденсаторным возбуждением, наиболее целесообразно восполь зоваться коэффициентом фазового сдвига между первыми гармониками напряжения и тока на входе выпрямителя, так как коэффициент мощности выпрямителя, определяемый, как правило, как произведение коэффициента фазового сдвига и коэффициента искажения, не отображает специфики работы схемы с емкостным сдвигом и не позволяет правильно определить энергетический баланс генератора; г) повторяющееся периодически короткое замыкание двух очередных фаз генератора в процессе коммутации приводит к тому, что магнитное поле генератора периодически ускоряется и притормаживается относительно ротора, вращающегося с постоянной угловой скоростью со. Это приводит к колебаниям скольжения генератора, частота которых соответствует пульсности выпрямителя, а среднее (за период) значение частоты характеризует активную мощность, отдаваемую генератором в нагрузку; д) вырабатываемая генератором с выходным выпрямителем дополнительная реактивная емкостная мощность сокращает время переходных процессов по сравнении с генератором без выпрямителя для сравнимых нагрузок. 3. Использование ААГ с управляемым выпрямителем [14] находит только ограниченное применение для стабилизации выходного напряжения. Это вытекает из того, что с увеличением нагрузки выпрямитель становится источником реактивной индуктивной мощности, ухудшающей баланс реактивных мощностей генератора, вызывая быстрое уменьшение жесткости внешней характеристики и перегрузочной способности. 4. При работе ААГ с выходным выпрямителем напряжение и токи генератора и конденсаторов искажены. Гармонический спектр зависит от величины нагрузки, однако наиболее четко выраженными являются 5 и 7 гармонические (см. рис.2.3.10). Наибольших значений достигают гармоники тока батареи конденсаторов. Амплитуда пятой гармоники близка к 100%, а седьмой к 40% амплитуды первой гармоники. Это ухудшает рабочие условия возбуждающих конденсаторов, и увеличивает потери мощности в них. Во время исследований модельных образцов генераторов определено, что дополнительные потери мощности не вызывают нагрева конденсаторов свыше допустимой рабочей температуры (отечественные энергетические конденсаторы типа CLMD фирмы Электромонтаж в г. Быдгощ, выпускаемые по лицензии фирмы ABB [127]). 5. Дополнительные потери мощности, вызванные высшими временными гармоническими токов и наряжения, вносимые выпрямителем и дополнительно нагружающие генератор и конденсаторы, вызывают необходимость уменьшения электромагнитных нагрузок или увеличения расчетной мощности генератора. В генераторах с к.з. обмоткой ротора и всыпной обмоткой статора преобладающими являются потери мощности, вызванные вытеснением тока в обмотке ротора. Поэтому изменение расчетной мощности генератора следует оценивать отдельно для статора и ротора с тем, чтобы в итоге определить типовую мощность исходя из наиболее нагруженной части машины. На основании гармонического анализа для нескольких генераторов малой мощности, работающих в разных режимах нагрузок определено, что при работе ААГ на выпрямительную нагрузку, мощность генератора необходимо уменьшить почти на 9% (по отношению к мощности генератора без выпрямителя) и такую уменьшенную мощность следует считать номинальной мощностью генератора. При проектировании машины, с самого начала предназначенной для работы в генераторном режиме с выпрямителем, необходимо предусмотреть запас по току статора величиной 5%, и по току ротора 9%. Относительно небольшое по сравнению с синхронными генераторами снижение типовой мощности конденсаторных ААГ при работе на выпрямитель можно объяснить фильтрирующим действием батареи возбуждающих конденсаторов.
