Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние энергетического комплекса орошаемого земледелия 10
1.1. Динамика развития орошаемого земледелия 10
1.2. Технология сельскохозяйственного машинногорошения 13
1.3. Сельхозмелиоративные насосные) станции и; насосы 16
1.4. Некоторые особенности! электропривода насосных агрегатов 18
1.5. Особенности электроснабжения оросительных
и сбросных насосных станций 24
1.6. Требования к электроприводу мелиоративных насосов 26
1.7. Цели и.задачи исследований . 28
Выводы по главе I 29
Глава 2. Математическое описание синкронного двигателя с двойной якорной обмоткой 31
2.1. Конструктивные особенности СДЦЯ-и частные задачи исследования 31
2.2. Объект математического описания и принятые допущения 38
2.3. Уравнения СДДЯ в фазных координатах 42
2.4. Система относительных единиц 47
2.5. Потокосцепления обмоток 51
2.6. Метод преобразования координат для уравнений СДЦЯ 59
2.7. Уравнения мощности, электромагнитного момента и движения ротора 66
2.8. Полная система дифференциальных уравнений . 67
Выводы по главе 2 70
Глава 3. Установившийся синхронный режим сдця. пуск двигателя 71
З.І.*Уравнения установившегося режима 72
3.2. Система уравнений в комплексной форме. Век торные диаграммы СДЦЯ 78
3.3. Годографы токов якорных обмоток СДЦЯ . 82
3.4. Статические характеристики 92
3.5. Особенности пусковых характеристик СДЦЯ . 98
3.6. Основные соотношения параметров пуска СДЦЯ. Сопоставление пусковых параметров СДЦЯ и СД общепромышленного исполнения 99
Выводы по главе 3 104
Глава 4. Вопросы проектирования СДЦЯ 105
4.1. Массо-габаритные показатели машины 105
4.2. Применение метода планирования эксперимента для определения зависимости реактивной мощности от параметров машины 111
4.3. Оптимизация параметров машины 118
4.4. Некоторые особенности выполнения якорных обмоток СДЦЯ 122
Выводы по главе 4 125
Глава 5. Экспериментальные исследования и технико-экономи ческая оценка СДЦЯ 126
5.1. Методика экспериментального исследования . 126
5.2. Исследование рабочих характеристик 127
5.3. Работа СДЦЯ при пониженном напряжении питания 130
5.4. Определение пусковых характеристик и анализ процесса пуска и синхронизации 132
5.5. П0тери и КПД СДЦЯ 135
5.6. Определение экономической эффективности применения СДЦЯ 139
5.7. Область применения СДЦЯ 143
Выводы по главе 5 148
Заключение 150
Литература 154
Приложения 163
- Технология сельскохозяйственного машинногорошения
- Объект математического описания и принятые допущения
- Статические характеристики
- Применение метода планирования эксперимента для определения зависимости реактивной мощности от параметров машины
Технология сельскохозяйственного машинногорошения
Современная оросительная система представляет собой сложный комплекс инженерных сооружений, позволяющих забирать воду из источника, подавать ее по магистральному каналу на подко-мандную площадь, с помощью межхозяйственных распределителей направлять воду в хозяйства, подавать ее на поливные участки, на заливных землях обеспечить отвод воды с полей.
В настоящее время в СССР действуют оросительные системы, обслуживаемая площадь которых составляет сотни тысяч гектаров.
Такие системы имеют сложную структуру гидротехнических сооружений. В качестве примера оросительной системы может быть рассмотрена Краснодарская оросительная система, использующая воду реки Кубани на орошение полей степной зоны на востоке Краснодарского края.
Первый участок системы включает в себя головную насосную станцию, водопроводящий тракт длиной 15,8 км,по руслу реки Челбас, насосную станцию второго подъема № 2 и участок магистрального канала до водовыпуска в Дмитриевское водохранилище. Пропускная способность участка до 34 м3/с. Период работы охватывает вегетационный и часть невегетационного сезона, в течение которого заполняется водохранилище.
Второй участок состоит из насосной станции № 3, забирающей воду из Дмитриевского водохранилища и участка магистрального канала, объединяющего функции водораспределителя и транзита основной массы воды на последующие площади орошения. Расход участка до 34 м% в соответствии с работой ГНС.
Третий участок состоит из кольцевой части Краснодарского магистрального канала от водохранилища до вододелителя на Бе-логлинский и Павловский каналы, длина которых соответственно 16,0 и 30,9 км. Период работы - вегетационный сезон. Расход 12...50 м3/с. Вдоль каналов расположено 72 подкачечные станции, подающие воду дождевальными машинами "Кубань", "Днепр", "Волжанка". Установленная мощность насосных станций при завершении строительства оросительной системы составит 178 МВт.
Как видно из примера, разные гидротехнические сооружения в течение года используются неодинаково. По окончании поливного сезона подача воды в оросительные сети прекращается и гидротехническое оборудование и насосные станции ставятся на консервацию. Значительно большее время, а часто и круглый год действуют магистральные каналы и некоторые их отводы, используемые для наполнения водохранилищ и немелиоративных целей. Сезонный характер работы оросительных и сбросных насосных станций является важной характеристикой их как потребителей электроэнергии, влияющей на выбор и использование основного электротехнического оборудования насосных станций и, в частности, электропривода основных насосов.
Другой особенностью мелиоративных систем с машинным орошением является рассредоточенность оросительных и сбросных насосных станций на значительной территории, в связи с необходимостью приближения их к орошаемым участкам. Это вносит определенные трудности в формировании системы электроснабжения, требует значительных капитальных вложений в строительство ЛЭП.
Важнейшей составной частью технологии машинного орошения является выбор способа и техники полива. Разнообразие природных условий, возделываемых сельскохозяйственных культур и технологий их производства, предопределили применение различных способов и техники полива, описание которых приводится многими авторами работ по сельхозмелиорации и содержится, в частности, в [13, 43, 59].
Преобладающее развитие получили поверхностные способы орошения, такие, как: дождевание, полив в чеках (при выращивании ри- . са), полив по бороздам. При этих способах широко используются оросительные системы с трубчатой сетью.
Подача воды в трубопроводы производится подкачечными насосными станциями, мощность которых зависит главным образом от напора и расхода воды, необходимых для нормальной работы поливных агрегатов. При этом самое широкое применение в условиях Краснодарского края и других районах страны находят станции мощностью 200...1500 кВт.
В сельскохозяйственной мелиорации находят применение насосные станции различного типа: наземные, заглубленные камерного типа , с установкой погружных капсульных насосов, фу-никулерные, плавучие и передвижные. Оборудование наземных и заглубленных насосных станций размещается в здании, остальные часто строятся открытого типа и со зданием легкой конструкции.
На наземных, камерных, фуникулерных и плавучих насосных станциях производительностью до 12 м3/с и относительно высоким напором (до 100 м) устанавливаются горизонтальные центробежные насосы. Широкое применение нашли центробежные вертикальные насосы, имеющие подачу от I до 35 м3/с и напор от 22 до НО м. На низконапорных насосных станциях с производительностью более 12 м%, как правило, устанавливаются вертикальные осевые насосы [83].
Стационарные насосные станции имеют, как правило, несколько (2...5) насосных агрегатов. Для параллельной работы на закрытую сеть, эти агрегаты комплектуются однотипными горизонтальными центробежными насосами. При работе на сеть с малоизменяющимся напором используются насосы, имеющие пологие Q-H характеристики; при работе на сеть с большими колебаниями напора - крутые .
По состоянию на I января 1982 г. в орошении Краснодарского края было занято 1658 насосных станций, на которых действовали 2846 насосных агрегата. Для рисовых систем эти цифры составляют 1235 и 1986. Установленная мощность насосных установок составляет 266 тыс.кВт.
В крае действует 785 электрифицированных насосных станций с установленной мощностью насосов более 60 кВт, имеющих 1600 насосных агрегатов общей мощностью 205 тыс.кВт. Ими орошается
Объект математического описания и принятые допущения
Исследование и проектирование электромеханических систем и, в частности, синхронного двигателя с нетрадиционной конструкцией системы возбуждения, каким является СДЦЯ, значительно упрощается построением математической модели, представляющей собой систему дифференциальных уравнений, адекватно отражающих электромагнитные и электромеханические процессы в статических и динамических режимах.
Как объект математического описания рассматривается явно-полюсная конструкция синхронной машины, ротор которой содержит обмотку возбуждения (ОВ) и демпферную обмотку. На статоре расположены две трехфазные якорные обмотки \ { и W2 , одна из них через полупроводниковый выпрямительный мост включена последовательно с ОВ. Расчетная схема включения обмоток приведена на рис. 2.5. На рис. 2.6 показано расположение обмоток машины.
Все элементы электромеханической системы СДЦЯ взаимосвязаны общими электрическими, магнитными и механическими процессами. Эти многообразные связи должны учитываться при описании машины в статических и динамических режимах работы и определении ее характеристик. Отметим, что определенную сложность в проведении анализа системы вносит наличие в схеме нелинейных элементов -вентилей.
Исследование СДЦЯ аналитическими методами основано на современных достижениях общей теории синхронных машин, анализа переходных и установившихся режимов, частных теорий синхронных машин с различными системами возбуждения и регулирования. Передовой уровень достижений в этой области отражают фундаментальные работы ряда отечественных и зарубежных авторов: по общей теории синхронных машин [II, 29, 30, 36, 41, 47, 48, 51, 67, 72, 77, 81, 82], по теории автоматического регулирования возбуждения синхронных машин [22, 24, 39, 53, 66, 73, 74], по исследованию электромагнитных процессов неуправляемых полупроводниковых выпршлителеи [10, 12, 23, 33, 35, 69].
Ниже рассматриваются методы исследования электромагнитных и механических процессов СДЦЯ. Устанавливается возможность расчета СДЦЯ методом мгновенных значений, учитывающим дискретность работы вентилей выпрямителя. Расчет выполнен на основании дифференциальных уравнений, составленных для временного интервала, в пределах которого структура системы может считаться неизменной. Метод при всей его трудоемкости обладает высокой точностью.
В целях сокращения объема расчетов предложен метод, основанный на линеаризации при определенных допущениях уравнений выпрямителя. Кроме того, уравнения приведены к системе djQ координат, жестко связанной с ротором, позволяющей получить систему уравнений с постояннымикоэффициентами.
При использовании этих методов сделаны следующие допущения: 1. Обе якорные обмотки имеют электрическую и магнитную симметрию, т.е. все фазы каждой из обмоток имеют одинаковые активные сопротивления, число витков и взаимный сдвиг магнитных осей. При этом rt Ф [2 и W{ Ф ЧІ . 2. Плечи трехфазного выпрямителя симметричны. 3. Насыщение магнитной цепи машины учитывается только выбором "насыщенных" значений индуктивных сопротивлений обмоток ; эффект вытеснения тока в обмотках отсутствует, параметры машины во время переходных процессов неизменны. 4. Магнитная проводимость изменяется вдоль окружности стато- . ра вследствие изменения воздушного зазора по закону синусоиды с 5. Якорь машины гладкий. Не учитывается искажение поля в зазоре зубцами якоря. Магнитная ось обмотки возбуждения совпадает с продольной осью машины. 6. Не учитываются потери в стали и механические потери. 7. Реальная демпферная обмотка замещается двумя контурами. Магнитная ось одного контура совпадает с осью обмотки возбуждения, другая совпадает с поперечной осью ротора машины. 8. Напряжение на зажимах машины симметрично.
Кроме основных, при рассмотрении отдельных вопросов принимается ряд дополнительных допущений.
Проведенные исследования и опыт проектирования СДЦЯ позволяет сделать вывод, что наиболее целесообразным является выполнение якорных обмоток опорной W и проходной W2 с совпадающими магнитными осями, т.е. расположенными параллельно в области воздушного зазора. Этодетвет целесообразным рассмотрение только этого частного случая расположения обмоток, что несколько упрощает математическое описание, не снижая его актуальности. Некоторые особенности описания машины, якорные обмотки которой расположены на статоре под некоторым электрическим углом, приводятся в [78]. Ранее уже отмечалось, что обе якорные обмотки имеют равное число пар полюсов. Роторные обмотки не имеют принципиальных отличий от классического варианта синхронной машины.
Принципиальная схема расположения магнитных осей обмоток машины приведена на рис. 2.2. Демпферная обмотка представлена двумя эквивалентными короткозамкнутыми обмотками ud и uty. Ротор вращается с произвольной частотой 0) ; положение его относительно статорных обмоток характеризуется углом у между магнитной осью фазы CL и продольной осью ротора d.
Выбор метода расчета и принимаемые допущения, кроме особенностей самого объекта исследования, обуславливаются требуемой точностью расчета и стремлением снизить трудоемкость решения системы уравнений машины. Методы, обеспечивающие высокую точность расчетов, отличаются повышенной сложностью; и наоборот.
В отечественной и зарубежной литературе вопросам анализа методов описания электромеханических устройств уделено достаточно внимания. Для анализа переходных процессов явнополюсных синхронных машин рядом авторов предлагается метод, основанный на преобразовании координатной системы, в которой описывается машина [II, 29, 41, 48, 67, 77, 97].
Применение этого метода сопровождается большим числом допущений, снижающих точность результатов расчета, однако существенно упрощающих решение дифференциальных уравнений, освобождая их от переменных коэффициентов. В силу этого и других преимуществ такого подхода к математическому описанию машины, он является целесообразным для исследования общих закономерностей протекания электромагнитных процессов в обмотках и движения вала машины и рассматривается в настоящей работе как основной.
Однако этому методу практически недоступно исследование процессов в вентилях выпрямителя и, как уже отмечалось, точность его относительно невысока.
Более точным и детальным методом расчета машинно-вентильных систем является метод мгновенных значений. В соответствии с дискретным характером проводимости вентилей выпрямительного моста составляются и решаются дифференциальные уравнения системы в пределах временного интервала, структурасистемы в котором остается неизменной. Она определяется состоянием вентилей (открытые и закрытые), а постоянство структуры определяется постоянством состава открытых (проводящих) вентилей. При изменении проводящей структуры системы изменяется и ее система уравнений. При этом решение в конечной точке уравнений предыдущей системы дает начальные условия для уравнений новой системы.
Известно.[19, 23, 35, 69], что трехфазный выпрямительный мост может работать в одном из трех режимов, характеризующихся количеством одновременно проводящих вентилей. Характерными для работы выпрямителя СДЦЯ в статическом режиме являются режимы 3-3 и 3-4 (одновременно проводят в различных сочетаниях по 3 или переменно 3-4 вентиля), однако в переходном процессе режим работы мостового выпрямителя может быть любым.
В [69]показано, что в общем случае возможны 18 комбинаций из одновременно проводящих вентилей, которые представлены в табл. 2.1. Уравнения равновесия напряжения в. фазах опорной якорной обмотки от структуры проводящих вентилей не зависят и имеют вид:
Статические характеристики
Исследование и проектирование электромеханических систем и, в частности, синхронного двигателя с нетрадиционной конструкцией системы возбуждения, каким является СДЦЯ, значительно упрощается построением математической модели, представляющей собой систему дифференциальных уравнений, адекватно отражающих электромагнитные и электромеханические процессы в статических и динамических режимах.
Как объект математического описания рассматривается явно-полюсная конструкция синхронной машины, ротор которой содержит обмотку возбуждения (ОВ) и демпферную обмотку. На статоре расположены две трехфазные якорные обмотки \ { и W2 , одна из них через полупроводниковый выпрямительный мост включена последовательно с ОВ. Расчетная схема включения обмоток приведена на рис. 2.5. На рис. 2.6 показано расположение обмоток машины.
Все элементы электромеханической системы СДЦЯ взаимосвязаны общими электрическими, магнитными и механическими процессами. Эти многообразные связи должны учитываться при описании машины в статических и динамических режимах работы и определении ее характеристик. Отметим, что определенную сложность в проведении анализа системы вносит наличие в схеме нелинейных элементов -вентилей.
Исследование СДЦЯ аналитическими методами основано на современных достижениях общей теории синхронных машин, анализа переходных и установившихся режимов, частных теорий синхронных машин с различными системами возбуждения и регулирования. Передовой уровень достижений в этой области отражают фундаментальные работы ряда отечественных и зарубежных авторов: по общей теории синхронных машин [II, 29, 30, 36, 41, 47, 48, 51, 67, 72, 77, 81, 82], по теории автоматического регулирования возбуждения синхронных машин [22, 24, 39, 53, 66, 73, 74], по исследованию электромагнитных процессов неуправляемых полупроводниковых выпршлителеи [10, 12, 23, 33, 35, 69].
Ниже рассматриваются методы исследования электромагнитных и механических процессов СДЦЯ. Устанавливается возможность расчета СДЦЯ методом мгновенных значений, учитывающим дискретность работы вентилей выпрямителя. Расчет выполнен на основании дифференциальных уравнений, составленных для временного интервала, в пределах которого структура системы может считаться неизменной. Метод при всей его трудоемкости обладает высокой точностью.
В целях сокращения объема расчетов предложен метод, основанный на линеаризации при определенных допущениях уравнений выпрямителя. Кроме того, уравнения приведены к системе djQ координат, жестко связанной с ротором, позволяющей получить систему уравнений с постояннымикоэффициентами.
При использовании этих методов сделаны следующие допущения: 1. Обе якорные обмотки имеют электрическую и магнитную симметрию, т.е. все фазы каждой из обмоток имеют одинаковые активные сопротивления, число витков и взаимный сдвиг магнитных осей. При этом rt Ф [2 и W{ Ф ЧІ . 2. Плечи трехфазного выпрямителя симметричны. 3. Насыщение магнитной цепи машины учитывается только выбором "насыщенных" значений индуктивных сопротивлений обмоток ; эффект вытеснения тока в обмотках отсутствует, параметры машины во время переходных процессов неизменны. 4. Магнитная проводимость изменяется вдоль окружности стато- . ра вследствие изменения воздушного зазора по закону синусоиды с периодом 180 эл.рад. Полями высших гармонических пренебрегаем. 5. Якорь машины гладкий. Не учитывается искажение поля в зазоре зубцами якоря. Магнитная ось обмотки возбуждения совпадает с продольной осью машины. 6. Не учитываются потери в стали и механические потери. 7. Реальная демпферная обмотка замещается двумя контурами. Магнитная ось одного контура совпадает с осью обмотки возбуждения, другая совпадает с поперечной осью ротора машины. 8. Напряжение на зажимах машины симметрично.
Кроме основных, при рассмотрении отдельных вопросов принимается ряд дополнительных допущений.
Проведенные исследования и опыт проектирования СДЦЯ позволяет сделать вывод, что наиболее целесообразным является выполнение якорных обмоток опорной W и проходной W2 с совпадающими магнитными осями, т.е. расположенными параллельно в области воздушного зазора. Этодетвет целесообразным рассмотрение только этого частного случая расположения обмоток, что несколько упрощает математическое описание, не снижая его актуальности. Некоторые особенности описания машины, якорные обмотки которой расположены на статоре под некоторым электрическим углом, приводятся в [78]. Ранее уже отмечалось, что обе якорные обмотки имеют равное число пар полюсов. Роторные обмотки не имеют принципиальных отличий от классического варианта синхронной машины.
Принципиальная схема расположения магнитных осей обмоток машины приведена на рис. 2.2. Демпферная обмотка представлена двумя эквивалентными короткозамкнутыми обмотками ud и uty. Ротор вращается с произвольной частотой 0) ; положение его относительно статорных обмоток характеризуется углом у между магнитной осью фазы CL и продольной осью ротора d.
Применение метода планирования эксперимента для определения зависимости реактивной мощности от параметров машины
Закон АРВ при переменной нагрузке и показатели качества регулирования СДЦЯ определяются электрическими параметрами машины. Решение задачи синтеза параметров, оптимальных с точки зрения обеспечения заданного закона АРВ, основывается на исследовании их влияния на регулируемый параметр машины.
Попытки представить зависимость Q от параметров машины в явном виде, преобразованием системы (3.2), приводят уже на стадии предварительных преобразований к выражениям, громоздкость которых делает практически невозможным получение конечного результата.
Известно, что для решения оптимизационных задач на основе полиномиальной связи между параметрами объекта и функциями цели, многими исследователями применяется метод математического планирования экспериментов.
Развитию общей теории планирования эксперимента в нашей стране и за рубежом в последние 25 лет уделяется много внимания. Большой вклад в развитие этой отрасли науки внесли Г.Бокс, Дж.Кифер, Г.К.Круг, В.В.Налимов, К.Уилсон, Д.Финни, Р.Фишер, Дж.Хантер и др. Вопросами применения метода планирования эксперимента в электромеханике посвящены работы представителей научных школ МЭИ, МАЙ, Томского политехнического института Д.А.Аветисяна, А.И.Бортнико-ва, В.А.Йвоботенко, Н.Ф.Ильинского, И.П.Копылова, Э.К.Стрельбиц-кого и др. [I, 21, 37, 38, 50, 57].
Как известно, метод планирования эксперимента позволяет получить зависимость между параметрами исследуемого объекта и его показателями в простой математической форме - в виде полинома: Xi Xi переменные параметры, факторы ; U - функция цели, показатель исследуемого объекта ; /1 - количество варьируемых факторов. В интересующей нас постановке вопроса в качестве функции цели представлена реактивная мощность машины.
Применению метода планирования эксперимента предшествует выбор переменных параметров (факторов ), влияние которых на функцию цели необходимо исследовать. При выборе факторов для решения поставленной задачи необходимо учитывать следующие обстоятельства. Отбор факторов производится на основании анализа априорной, т.е. полученной до начала планирования, информации об исследуемом объекте. Поскольку в принятой нами постановке вопроса объектом исследования является система уравнений (3.2), а под опытом понимается решение этой системы, то анализу влияния на функцию цели подверглись параметры или коэффициенты этой системы. Влияние каждого параметра на величину Q исследовалось изменением его в определенном диапазоне при постоянстве всех других параметров системы уравнений. Решение системы проводилось с помощью ЦВМ по линейной программе.
Желание сохранить при проектирований новой машины неизменной геометрию железа ротора, характерную для базовых машин серии СД 11-13 габаритов, позволяет сократить число переменных параметров системы (3.2) использованием дополнительного соотношения 0Со= = DJXj Это, в свою очередь, позволяет сократить число факторов в планируемом эксперименте исключением реактивных сопротивлений по поперечной оси О , что несколько облегчает решение поставленной задачи.
Результаты исследования влияния параметров машины приведены на рис.4.3. Анализ полученных результатов позволяет установить, что параметры fj Х$,, 0Сг?2} Хщ в интересующем нас диапазоне изменения оказывают незначительное влияние на величину реактивной мощности машины. На этом основании эти параметры исключаются из числа факторов в планировании эксперимента и в дальнейших расчетах (опытах) используются как постоянные коэффициенты. Их величина взята характерной для машин серии СД II габарита с учетом особенностей выполнения обмоток у СДЦЯ.
Окончательно отобранными факторами являются В, 0Cd) fo #, R. Таким образом, при планировании эксперимента мы имеем дело с пятью переменными факторами.
Нашими исследованиями было установлено, что планами перво-го порядка, в том числе и полным факторным экспериментом Шд 2, не удается получить полинома, адекватного с ошибкой не более 5% в контрольных точках факторного пространства системе уравнений (3.2). Приемлемые результаты дает использование планов порядка не ниже второго.
В работе использован ортогональный план второго порядка, который, как будет показано ниже, позволяет получить полином, адекватный исследуемой системе уравнений, и теоретически оценить ошибку автоматического регулирования параметра Q , поскольку дает возможность получить коэффициент полинома при квадратичном значении фактора нагрузки и, тем самым, оценить нелинейность зависимости Q от 0.
Теория планирования эксперимента рекомендует работать не с истинными значениями факторов, а с кодированными [з], т.е. преобразованными факторами [37J. Интервалы пяти варьируемых факторов в закодированных значениях приведены в таблице 4.1, где Xj соответствует 0 , Ar ОС f Х3 "" pi , Х4 "Я у Х$ К .
