Введение к работе
Актуальность темы
Рассматриваются специальные явнополюсные синхронные генераторы (СЯСГ) с электромагнитным возбуждением, бесщеточные, с вращающимся индуктором и выпрямителем. СЯСГ имеют классическую конструкцию явнополюсных синхронных машин (ЯСМ). Особенности их составляют: высокая частота вращения (100-200 об/с), малый и равномерный воздушный зазор (доли миллиметра), специальные магнитные материалы (27КХ, 49КФ - отличаются крутизной и резким сломом характеристики намагничивания), дробность обмотки и укорочение катушек якоря на одну треть, скос пазов, развитая демпферная система (ДС) с малыми диаметрами стержней и замыкающими пластинами, выполненными по форме полюсов единым листом, в ряде случаев, закругление краёв и скошенная нижняя полка полюсного наконечника.
Специальные генераторы являются источниками в системах электроснабжения летательных аппаратов. Требования к "качеству электроэнергии" СЯСГ нормированы ГОСТ 19705-89, где ограничены: небаланс напряжений при неравномерности нагрузок фаз (разность нагрузок наиболее и наименее нагруженных фаз ограничена 15 % мощности фазы) не должен превышать 3 В; угол сдвига фаз между векторами напряжений любых соседних фаз должен быть в пределах 16-124 ; несинусоидальность напряжения в установившемся режиме работы должна быть такой, чтобы при трехфазной двухполупериодной трансформаторно-выпрямительной нагрузке, равной 25 % от мощности генератора, коэффициент искажения синусоидальности (Ки) кривой напряжения не превышал 8 %, действующее значение любой отдельной высшей гармонической не превышало 5 % действующего значения первой гармонической напряжения, постоянная составляющая напряжения не превышала ± 0,1 В. Генераторы должны выдерживать непродолжительную полуторакратную перегрузку.
При исследовании СЯСГ используются математические модели [ММ), разработанные в Ивановском государственном энергетическом университете (ИГЭУ) И.И. Талаловым и учениками, модели основанные на методе частотных характеристик (МЧХ). С их помощью при несимметрии на-
рузки рассчитываются небалансы напряжений и наведенные токи в обмот-сах индуктора, обусловленные обратным полем якоря. Однако эти модели ie адекватны задаче расчета показателей качества электроэнергии и токов в >бмотках, определяющих пределы несимметричной и выпрямительной на-
рузок, поскольку не учитывают пространственные гармонические поля. Двусторонняя пазовость, дробность и дискретное распределение обмотки
коря не учитывается и в ММ электромагнитных процессов в ЯСМ, разра-
оіанньїх представителями львовской школы электромеханики (Р.В. Фнль-
:ем. Л.И. Глухивским, В.И. Чабаном, Е.Г. Плахтына).
Совместное решение уравнений магнитного поля и электрических
роцессов в системах с ЯСМ не всегда отвечает задачам практических ин-
женерных расчетов. Поэтому для математического моделирования электромагнитных процессов в СЯСГ выбран универсальный метод - метод проводимостей зубцовых контуров (МПЗК), разработанный в МЭИ А.В. Ивановым-Смоленским, В.А. Кузнецовым и учениками.
Математическая модель установившихся режимов ЯСМ, разработанная на основе МПЗК В.М. Дмитриевым, В.А. Мартыновым, А.Н. Труновым, предназначена для расчета симметричных режимов работы параллельно с сетью, базируется на допущениях о синусоидальности тока якоря, сверхпроводимости ДС, не учитывает наведенные токи в обмотке возбуждения, скос пазов и другие особенности конструкции, свойственные СЯСГ.
Применяемые в МПЗК численно-аналитические методы расчета проводимостей зубцовых контуров, разработанные М.А. Аванесовым, не учитывают конфигурацию межполюсного паза. Для уточнения методов необходима разработка эффективной и компактной компоненты МПЗК - полевой ММ для расчета проводимостей воздушных участков магнитной цепи.
Для решения дифференциальных уравнений электрического и механического движения в реализациях МПЗК используются методы численного интегрирования. Переходные процессы в СЯСГ, вследствие больших постоянных времени, могут быть длительными. Периодические процессы возможно рассчитывать без предваряющего расчета переходного процесса -на основе дифференциального гармонического метода, предложенного Л.И. Глухивским; однако эффективность при этом достигается лишь в случае простых схем замещения магнитной цепи и небольшом числе гармонических. Необходима разработка мегода, позволяющего непосредственно рассчитывать установившийся периодический режим работы СЯСГ, минуя расчет переходного процесса, не ограниченного сложностью и изменением топологии схемы замещения магнитной цепи в области воздушного зазора (вследствие движения индуктора), учитывающего необходимое количество гармонических.
Искажение синусоидальности кривых напряжений и токов фаз, распределение токов по стержням ДС - зависят от распределения и пульсации поля в воздушном зазоре. МПЗК оперирует с интегральными показателями мгновенного состояния магнитной цепи - с потоками а элементах цепи (зубцы, участки ярем) и с потокосцеплениями обмоток. Необходима разработка метода, позволяющего на основе МПЗК рассчитывать и анализировать распределение и пульсацию поля в воздушном зазоре.
Цель и задачи работы
1. Создание эффективной и компактной компоненты МПЗК - полевой
модели для расчета проводимостей воздушных участков магнитной цепи с
учетом формы межполюсного паза.
-
Разработка на основе МПЗК метода непосредственного расчета установившихся периодических электромагнитных процессов в СЯСГ прг работе на симметричную, несимметричную и выпрямительную нагрузки.
-
Разработка математической модели установившихся режимов ра боты СЯСГ, учитывающей особенности конструкции, материалов и уело
вия на зажимах, позволяющей рассчитывать распределение и пульсацию поля в зазоре, показатели качества электроэнергии и токи в обмотках, обусловленные несимметричной и вентильном нагрузками.
-
Расчетное исследование спектров и значений гармонических поля и зазоре, ЭДС и токов в обмотках и влияния на них факіоров конструкции и специфики нагрузки СЯСГ.
-
Внедрение разработанных моделей и программ в практику проектирования и НИР.
Методы исследования
Уточненная схема замещения магнитной цепи СЯСГ создана на основе МПЗК. Проводимости схемы в области межполюсного паза рассчитываются с помощью компактной и эффективной полевой компоненты МПЗК, основанной на методах магнитных и эквивалентных зарядов. Влияние пазов статора и ротора на проводимости учитывается аналитически. Расчеты периодических процессов в магнитной и электрических цепях СЯСГ выполняются методом последовательных приближений. Мгновенные состояния схемы замещения магнитной цепи, структурно изменяющиеся при движении индуктора, рассчитываются с помощью метода Ньютона на основе компактных моделей расчета топологически неизменных цепей якоря и индуктора. Уравнения электрического равновесия контуров электрических цепей СЯСГ рассчитываются методом гармонического баланса. При этом, периодические токи уточняются по гармоническим пото-косцеплений контуров, постоянной составляющей собственной индуктивности контура и гармоническим сопротивлений вентилей, аппроксимируемых рядом Фурье. Результаты расчета мгновенных состояний магнитной цепи используются для определения поля в зазоре. Проведены натурные испытания СЯСГ с измерением коэффициента искажения синусоидальности напряжений фаз и его гармонических в режимах холостого хода и симметричной нагрузки, действующих значений токов фаз в установившихся режимах коротких замыканий (КЗ).
Научная новизна работы
1. Разработан итерационный мсіод расчет усіипоііиішшхся периоди
ческих электромагнитных процессов в СЯСГ, основанный на расчете пото-
косцеплений обмоток по МПЗК и расчете токов по гармоническим пото-
коспеплений и постоянной составляющей собственных ипдуктивностей об
моток.
2. Разработана компактная и эффективная полспая компонент
МПЗК для расчета проводимостей схемы замещения магнитной цепи СЯСГ
в области межполюсного паза; с ее помощью учтена форма полюсов в ана
литическом методе расчета проподимостеіі іубцош.іх коніуром при особых
граничных условиях (ОГУ).
3. Разработан метод расчета мгновенного состояния схемы замещения
магнитной цепи СЯСГ, структурно изменяющейся в области воздушного
тазора вследствие движения индуктора, использующий комппкшыс модели
или расчета се фрагмент о» - цепей якоря и индуктора.
4. Разработан метод расчета распределения и пульсации поля в воздушном зазоре на основе МПЗК.
Практическая ценность
-
Впервые создана ММ и программа, позволяющая корректно рассчитывать лимитируемые показатели проектируемых С.ЯСГ, определяемые прежде в натурных испытаниях опытных образцов: форму кривых выходного напряжения, токов и мощностей фаз, коэффициенты искажения синусоидальности кривых, небалансы напряжений фаз по величине и фазовому углу, значения наведенных токов в ОВ и стержнях ДС, распределение и пульсацию поля в воздушном зазоре при симметричной, несимметричной и выпрямительной нагрузках.
-
Выявлены значительные токи в ДС при симметричной линейной нагрузке, обусловленные дискретной структурой и дробностью обмотки якоря. Определено, что ДС препятствует установлению синусоидального напряжения фаз. Установлено влияние характера нагрузки (активной, индуктивной) на распределение токов по стержням ДС. Из расчета режима симметричного КЗ при номинальном токе в якоре определены предельные значения наведенных токов в ДС и ОВ: установлено незначительное искажение синусоидальности тока якоря от несинусоидальности поля индуктора.
-
Установлено, что при допустимой 15 % -ой несимметрии нагрузки увеличение токов стержней ДС составляет 25 % от полного тока стержней. Токи в ДС, обусловленные несимметрией нагрузки, улучшают форму кривых и уменьшают небалансы напряжений фаз; наведенный ток ОВ приводит к появлению в фазной ЭДС третьей гармонической, отсутствующей в симметричном режиме работы вследствие укорочения обмотки якоря на одну греть. Из расчета режима однофазного КЗ при номинальном токе в замкнутой фазе определены предельные значения токов в обмотках индуктора, обусловленные несимметрией режима работы; оценена эффективность влияния ДС на коэффициент искажения синусоидальности тока якоря.
-
Установлена значительная величина и неравномерное распределение токов по стержням ДС при однополупериодной выпрямительной на-іруікс. Оценена эффективность влияния ДС на фазное и выпрямленное напряжения. ' '
Расчеты СЯСГ позволили количественно оценить эффективность ДС в режимах симметричной, несимметричной и вентильной нагрузок, исследовать влияние конструкции активной зоны и условий на зажимах на спектры и значения гармонических поля п воздушном зазоре, ЭДС и токов и обмоіках.
Предложенные методы и программа могут быть использованы для анализа процессов в синхронных генераторах общепромышленного применения с электромагнитным возбуждением и целым числом пазов на полюс и фазу. ' ' ' ''; .;;.: .",-('
Реализация результатов работы
Разработка ММ для расчета показателей качества электроэнергии СЯСГ при работе на несимметричную и выпрямительную нагрузки проводилась по гранту Уфимского государственного авиационного технического университета. Результатьг работы внедрены в расчетном отделе АО "Аэроэлектрик" г. Москва, используются в учебном процессе ИГЭУ при выполнении дипломных проектов и НИР.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной рабо і ы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Всесоюзный семинар "Атома-гизация проектирования электротехнических устройств и систем" (г. Одесса, 1986 г.); 10-ый Республиканский научно-методический семинар "Автоматизация проектирования в энергетике и элекгроюхиике'* (і. Иваново, 1986 г.); Всесоюзная научно-техническая конференция (НТК) "Использование вычислительной техники п САПР и паучно-исследоваїельских и опытных. рцірнСюїкнч" (і. Владимир, IVK7): Всесони-ная НТК "Современные проблемы электромеханики (к 100-летию изобретения трехфазного асинхронного двигателя)" (г. Москва. 1989); 1-я Международная КОпфсраЩМЯ ПО ЭЛСЮроМСХШШКС II шекіроісхполої пи MIO')-V4
(г. Суздаль); Международная НТК "Состояние и перспективы развития ілеіпроіехіїолоїпи (VII Беипрдосопскпе чіснпи)" (г. llmmoiu) |ЧЧ4 і.); Всероссийская НТК "Управление и контроль технологических процессов изготовления деталей в машиностроении" (г. Уфа, 1994-1996 гг.) и др.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано девять печатных работ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и трех приложений. Объем работы представляет 160 страниц сквозной нумерации, в том числе: основной текст (на 133 стр.), 79 рисунков (на 35 стр.), список использованной литературы из 84 наименований ( на 9 стр.), три приложения (на 7 стр.).
