Содержание к диссертации
Введение
1. Принцип действия и существующие конструкции электромагнитных тормозов 12
1.1. Обзор существующих методов улучшения условий динамической устойчивости 12
1.2. Принцип действия электромагнитного тормоза 18
1.3. Возможность применения ЭМТ для улучшения условий динамической устойчивости ЭЭС 20
1.4. Существующие конструкции электромагнитных тормозов и их основные параметры 22
1.5. Использование электромагнитных тормозов в России и за рубежом 27
1.6. Выводы 30
2. Разработка методического обеспечения расчётов мощности ЭМТ в режиме торможения 31
2.1. Факторы, влияющие на мощность ЭМТ в режиме торможения 31
2.2. Поверхностный эффект в металлическом полупространстве при возникновении в нём переменного электромагнитного поля 33
2.3. Методика расчёта мощности ЭМТ 34
2.4. Анализ разработанной методики расчёта мощности ЭМТ 39
2.5. Выводы 45
3. Экспериментальное исследование электромагнитного тормоза 46
3.1. Описание экспериментальной установки 46
3.2. Экспериментальное определение характеристик ЭМТ 49
3.3. Анализ полученных результатов 54
3.4. Выводы 59
4. Конструктивные параметры ЭМТ 60
4.1. Механические ограничения 60
4.2. Тепловой расчёт 61
4.3. Шихтовка диска ЭМТ 63
4.4. Предлагаемые конструкции ЭМТ 65
4.5. Выводы 67
5. Выбор законов регулирования и методика управления ЭМТ 68
5.1. Исходные данные для проведения расчётов эффективности законов регулирования 68
5.2. Основные подходы к синтезу закона регулирования ЭМТ 75
5.3. Проведение расчёта и анализ полученных результатов 84
5.4. Выводы 93
Заключение 94
Список используемой литературы 97
- Возможность применения ЭМТ для улучшения условий динамической устойчивости ЭЭС
- Поверхностный эффект в металлическом полупространстве при возникновении в нём переменного электромагнитного поля
- Экспериментальное определение характеристик ЭМТ
- Предлагаемые конструкции ЭМТ
Возможность применения ЭМТ для улучшения условий динамической устойчивости ЭЭС
1. Автоматическое повторное включение (АПВ). АПВ улучшает надёжность электроснабжения потребителей за счёт повторного включения ЛЭП после её отключения релейной защитой из-за возникновения аварийной ситуации. При автоматическом повторном включении отключенной цепи ЛЭП достигается уменьшение небаланса активной мощности на валу генерирующего агрегата за счёт уменьшения сопротивления передачи, что, в свою очередь, способствует уменьшению ускорения скорости вращения вала.
Однако, при неуспешном АПВ (при повреждении участка ЛЭП или при устойчивом коротком замыкании), система снова включается на короткое замыкание. Также проблема данного мероприятия заключается в том, что при действии АПВ ЛЭП сначала включается с одной стороны и только с задержкой порядка 40 мс включается с другой стороны, чтобы не включить ЛЭП на короткое замыкание. Следовательно, при устойчивых коротких замыканиях метод является неэффективным и ухудшающим условия динамической устойчивости, а при неустойчивых коротких замыканиях на ЛЭП мероприятие имеет низкую эффективность из-за его длительного действия [1, 2].
2. Отключение шунтирующих реакторов (ШР). В аварийном и послеаварийном режимах напряжение на электропередаче понижено, а отключение реакторов позволяет улучшить условия устойчивости (т.к. отключение реакторов приводит к снижению взаимного сопротивления). Однако, при отключении реакторов существует опасность чрезмерного увеличения напряжения, а при восстановлении нормального режима возникает необходимость их быстрого включения. Эффективность данного мероприятия зависит от параметров режима и текущего состояния сети [1, 2].
3. Форсировка возбуждения генератора. Регулятор напряжения, реагирующий на снижение напряжения при коротком замыкании, увеличивает ЭДС генератора, что, в свою очередь, обуславливает увеличение амплитуды характеристики мощности. Эффект форсировки возбуждения неоднозначен и зависит от баланса мощности в энергосистеме, от места короткого замыкания (удаленное или близкое) и от типа короткого замыкания (однофазное, двухфазное или трёхфазное) [1, 2].
4. Отключение генераторов. Используется для улучшения условий динамической устойчивости. Применяется как на ТЭС, так и на ГЭС. Отключение генератора на ГЭС не представляет сложности и легко автоматизируется. Последствия отключения турбогенераторов значительно более тяжёлые из-за длительного повторного пуска (0,5 – 3 часа в зависимости от теплового цикла). Данное мероприятие имеет низкую эффективность из-за его длительного действия [1, 2].
5. Импульсная разгрузка турбин (ИРТ). При использовании ИРТ небаланс активной мощности на валу генерирующего агрегата уменьшается за счёт снижения мощности первичного двигателя. ИРТ позволяет не отключать генерирующий агрегат от сети и, соответственно, существенно повысить надёжность электроснабжения потребителей по сравнению с отключением генератора [1, 2]. Глубина разгрузки турбины определяется длительностью управляющего импульса. Обычные регуляторы турбин обладают инерционностью и не могут оперативно отработать на изменение электрической мощности. При быстром уменьшении впуска энергоносителя в гидравлической турбине происходит гидравлический удар, а в паровой турбине – расширение пара в паровых объемах между регулирующим клапаном и первым рядом сопел, что не позволяет уменьшить мощность сразу после действия регулирующего аппарата. Таким образом в гидравлической турбине такое регулирование неприменимо, а в паровой турбине оно дает результат лишь в том случае, если осуществляется в тесной взаимосвязи с регулированием возбуждения турбогенератора [1, 2].
6. Разделение электрических систем на несинхронно работающие части. Деление электроэнергетических систем на несинхронно работающие части может рассматриваться как мероприятие, предотвращающее нарушение динамической устойчивости системы. Однако деление системы на части даже в аварийных условиях крайне нежелательно, так как деление приводит к ослаблению всей системы и может привести к тому, что в отдельных ее частях появится дефицит мощности, а также снизятся частота и напряжение. Деление системы применяется лишь в том случае, когда оно является единственным способом сохранения динамической устойчивости [1, 2].
Экономически выгодней использовать мероприятия режимного характера, связанные с применением противоаварийной автоматики и релейной защиты, однако, основная причина многих системных аварий – неудовлетворительное состояние системы противоаварийного управления. Поэтому вопрос улучшения условий динамической устойчивости путем введения дополнительных силовых элементов в настоящее время остаётся актуальным.
Важно отметить, что большинство применяемых методов и технических средств улучшения условий динамической устойчивости не в полной мере отвечают современным требованиям [100] и требуется разработка новых. Например, большинство способов и средств, улучшающих условия динамической устойчивости, влияют на баланс моментов на валу генерирующего агрегата опосредованно – изменяют либо параметры режима, либо проводимость прилегающей сети. Представляется очевидным, что наиболее эффективными в части влияния на условия динамической устойчивости являются устройства, напрямую воздействующие на баланс моментов на валу генерирующего агрегата.
Поверхностный эффект в металлическом полупространстве при возникновении в нём переменного электромагнитного поля
Цель экспериментальных исследований электромагнитного тормоза состоит в изучении его характеристик в широком диапазоне изменения тока возбуждения и изменения скорости вращения вала, а также проверка основных теоретических положений разработанного методического обеспечения расчётов электромеханических переходных процессов простейшей электроэнергетической системы с учётом ЭМТ (раздел 1).
Программа испытаний включает: - измерение электромагнитного тормозного момента ЭМТ при разных токах возбуждения в электромагнитах постоянного тока, поддерживая постоянной частоту вращения вала; - измерение электромагнитного тормозного момента ЭМТ при разных скоростях вращения вала, поддерживая постоянной ток возбуждения в электромагнитах. Описание экспериментальной установки
Опытная установка предназначена для экспериментального исследования характеристик асинхронного двигателя с фазным ротором в различных режимах работы. Нагрузкой асинхронного двигателя служит ЭМТ.
Общий вид установки показан на рис. 15. Экспериментальная установка состоит из асинхронного двигателя с фазным ротором, установленного на вал ЭМТ, магнитной системы ЭМТ с прикреплённой к ней системой измерения электромагнитного момента, развиваемого ЭМТ, а также приборов для измерения скорости вращения вала асинхронного двигателя, тока и напряжения электромагнитов постоянного тока [87, 88]. Рис. 15 – Общий вид экспериментального стенда
Измерение тормозного момента при длительном режиме работы осуществляется с помощью простого и удобного в эксплуатации измерителя момента маятникового типа, показанного на рис. 15 [87, 88].
Принцип действия такого устройства весьма прост, а именно, при вращении ротора ЭМТ в магнитном поле обмоток возбуждения, к магнитной системе которых на маятнике крепится груз, он поворачивается на угол, величина которого определяется тормозным моментом. Стрелка, закреплённая на подвижной части, позволяет произвести по шкале непосредственный отсчёт величины момента. Деления шкалы нанесены в кгсм. 1кгсм соответствует 9,81 Нм [87, 88].
В реальных условиях исследуемый ЭМТ будет работать только в переходных режимах и весьма кратковременно. Поскольку разработанная в разделе 1 методика расчёта мощности ЭМТ не учитывает изменение температуры в диске ЭМТ, то экспериментальные исследования проводились в длительных режимах ЭМТ при постоянной температуре. Поскольку работа ЭМТ предполагается только в кратковременных режимах, то при расчётах на примере реальной энергетической системы возможен выбор более мощных ЭМТ с возможностью его кратковременной перегрузки при возникновении в энергосистеме больших возмущений.
Для измерения мощности, потребляемой асинхронным двигателем из сети, а также напряжений и токов статора используются измерительные приборы, включаемые в цепь статора машины. Аналогичные приборы установлены в цепи электромагнитов постоянного тока для измерения тока возбуждения и напряжения на катушках постоянного тока [87, 88].
Измерение частоты производится с помощью электронного цифрового тахометра, который позволяет измерять частоту вращения вала и определять скольжение с большой точностью во всём диапазоне частот вращения ротора.
Внешний радиус диска ЭМТ RЭМТ, мм 176 Внутренний радиус диска ЭМТ rЭМТ, мм 100 Радиус расположения осей электромагнитов постоянного тока относительно оси вращения ЭМТ rОВ , мм 146 Диаметр катушки возбуждения dОВ, мм . ……….. 81 Длина сердечника обмотки возбуждения lОВ, мм 65 3.2. Экспериментальное определение характеристик ЭМТ
Задачей экспериментальных исследований ЭМТ является получение зависимостей мощности ЭМТ от различных электрических параметров ЭМТ и всей установки для дальнейшего соотнесения экспериментальных данных с теоретическими расчётами, проведёнными с использованием разработанной методики.
Для реализации поставленной задачи необходимо получить с установки, описанного выше, характеристики зависимости момента ЭМТ от частоты вращения вала, а также от тока возбуждения в электромагнитах постоянного тока.
При проведении экспериментов производились замеры частоты вращения вала nАД (об/мин), тока в электромагнитах ЭМТ IЭМТ (дел), напряжения на зажимах электромагнитов ЭМТ U ЭМТ (дел) и момент ЭМТ M ЭМТ (кгсм).
Экспериментальное определение характеристик ЭМТ
При рассмотрении условий динамической устойчивости рассматриваются генерирующие агрегаты мощностью 10 МВт и выше. Соответственно, при учёте математической модели, разработанной в разделе 1, электромагнитных процессов в диске ЭМТ, а также процесса насыщения стали и шихтовки диска ЭМТ необходимо сформировать конструкции ЭМТ для установки на генерирующие агрегаты вышеуказанной мощности.
При формировании конструктивных параметров ЭМТ необходимой мощности в первую очередь ставилась задача минимизации габаритных показателей. Предлагаемые конструкции ЭМТ мощностью 10, 25, 50 и 100 МВт представлены в табл. 4.3.
Во всех предлагаемых вариантах конструкции ЭМТ в качестве материала, из которого необходимо изготавливать диск ЭМТ, выбрана сталь из-за её механических характеристик и высокого удельного сопротивления.
При выборе габаритов ЭМТ радиус диска остаётся максимальным по условию прочности и для большей эффективности устройства. Для уменьшения массы устройства внутренний диаметр диска выбран больше диаметра вала.
Число пар полюсов остаётся неизменным и максимальным для данной конструкции ЭМТ для увеличения его эффективности.
Для изменения мощности ЭМТ в первую очередь уменьшалась толщина диска и МДС его обмоток возбуждения, поскольку указанные параметры оказывают на мощность ЭМТ наибольшее влияние. Таблица 4.3. Предлагаемые конструкции ЭМТ мощностью 10, 25, 50 и 100 МВт
При вышеуказанных параметрах ЭМТ согласно проведённым расчётам величина магнитной индукции не будет превышать 1,3–1,5 Тл. Диаметр диска ЭМТ выбран таким, чтобы удовлетворять условиям прочности, так как линейная скорость точек диска ЭМТ не должна превышать 170-190 м/с. Выбор размеров диска определился в том числе допустимой температурой нагрева при его работе. Для увеличения эффективности торможения радиус расположения электромагнитов постоянного тока выбран максимально приближённым к краю диска ЭМТ. 4.5. Выводы
1. При выборе параметров механической конструкции ЭМТ необходимо помимо электрических величин ЭМТ учитывать механические ограничения по прочности диска ЭМТ;
2. Отдельно необходимо проведение теплового расчёта устройства для определения влияния изменения температуры диска ЭМТ на его мощность;
3. Для увеличения номинальной мощности ЭМТ при неизменных массогабаритных предлагается диск шихтованной конструкции. 5. ВЫБОР ЗАКОНОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ И МЕТОДИКА
Раздел посвящён задаче формирования наиболее эффективного закона регулирования ЭМТ и выбор его настроечных параметров. Для выполнения поставленной задачи описываются основные подходы к выбору закона регулирования, а также рассмотрению непосредственно законы регулирования для их дальнейшего анализа и сравнения. Поскольку для улучшения условий динамической устойчивости необходимо выбрать оптимальные настроечные параметры, то с учётом выбранных подходов определяются наиболее эффективные.
Исходные данные для проведения расчётов эффективности законов регулирования
При исследовании условий динамической устойчивости использовалась среда разработки C# (Си Шарп) [63-67, 79]. В данной среде были описаны основные уравнения для расчёта электромеханических переходных процессов, реализована возможно корректировки исходных данных, вывод результатов расчёта в виде таблиц и графиков, записи результатов расчёта в текстовой файл. Описание интерфейса программы указано в приложении Ж. Верификация написанной на C# программы расчёта электромеханических переходных процессов простейшей электроэнергетической системы для рассмотрения динамической устойчивости генерирующих агрегатов выявлена при сопоставлении с аналогичными расчётами без учёта ЭМТ в программном вычислительном комплексе DIgSILENT Power Factory 15.0 [68-70].
Для решения дифференциальных уравнений в данном расчёте использовался численный метод линейного интегрирования – Рунге-Кутта 4-го порядка точности. Методы Рунге-Кутта являются классическими явными одношаговыми методами численного интегрирования, получившие широкое распространение. Наиболее известным из методом Рунге-Кутта является классический 4-хэтапный метод 4-го порядка точности. Этот метод весьма прост и, как показывает практика, довольно эффективен в обычных расчётах, когда рассматриваемый отрезок времени не очень велик и нужна сравнительно невысокая точность [55, 59, 62, 74, 78]. Пусть задано уравнение (5.1):
Если бы входящий в это равенство интеграл можно было определить аналитически, то получилось бы выражение, позволяющее последовательно вычислить траекторию движения системы. Поскольку в большинстве случаев при решении задач электроэнергетики аналитическое решение получить невозможно, то необходимо проводить численное интегрирование [55, 59, 74, 78].
Предлагаемые конструкции ЭМТ
Шестой закон регулирования эффективнее первых двух, поскольку при выборе управляющих воздействий учитываются как отклонения частоты вращения вала, так и величину небаланса активной мощности на валу. При использовании 6-го закона регулирования также увеличение коэффициентов усиления уменьшает критерий оптимальности, однако, при достижении минимума угла выбега ротора генератора с увеличением коэффициентов усиления критерий оптимальности изменяется слабо, поэтому целесообразнее в данной ситуации учесть и дополнительный критерий. Таким образом, оптимальными коэффициентами усиления являются.
В работе было проведено теоретическое и экспериментальное исследование характеристик ЭМТ с электромагнитами постоянного тока, предполагающего работу в кратковременном режиме. Экспериментальные исследования ЭМТ были проведены на кафедре «Электромеханика» НИУ «МЭИ». Синтезированы законы управления ЭМТ в простейшей ЭЭС для обеспечения её динамической устойчивости.
В диссертации решены следующие задачи: - проведено теоретическое исследование электромагнитных процессов в ЭМТ и разработано методическое обеспечение для расчёта номинальной мощности ЭМТ с учётом его конструктивных параметров; - проведены экспериментальные исследования характеристик ЭМТ и проведено их сопоставление с теоретическими. Доказана достоверность полученного методического обеспечения расчёта мощности ЭМТ с учётом его конструктивных параметров; - проанализированы механические ограничения, накладываемые на конструктивные параметры ЭМТ, неучёт которых может негативно сказаться на работе ЭМТ в номинальном режиме. Предложена новая конструкция ЭМТ с шихтованным диском, позволяющая не учитывать зависимость температуры диска ЭМТ от его пространственных координат. С учётом механических ограничений и шихтовки диска ЭМТ предложены параметры конструкции ЭМТ различной мощности; - проведены расчёты электромеханических переходных процессов простейшей ЭЭС с учётом ЭМТ. Предложено 6 законов регулирования мощности ЭМТ для расчёта электромеханических переходных процессов в простейшей ЭЭС. Показано положительное влияние ЭМТ на условия динамической устойчивости при различных законах регулирования. Выбран оптимальный закон регулирования и значения его настроечных параметров. Таким образом, по совокупности полученных результатов можно заключить, что цель диссертации достигнута, те. разработано алгоритмическое и методическое обеспечение расчётов электромеханических переходных процессов простейшей ЭЭС с учётом ЭМТ и синтезированы законы управления.
Результаты, полученные в данной диссертации, могут лечь в основу решения следующих задач: - описание электромагнитных процессов в ЭМТ других конструкций, а также процессов в электрических машинах с аналогичным принципом действия; выбор массогабаритных показателей конструкции ЭМТ, рассматриваемой в диссертации, различной мощности с учётом конструктивных ограничений; - вычисление номинального момента ЭМТ с рассматриваемой в диссертации конструкцией.
В диссертации решён ряд задач, способствующих внедрению ЭМТ в электроэнергетику. Тем не менее для внедрения ЭМТ требуется решение следующих задач: - учёт в процессе работы ЭМТ нагрев диска ЭМТ и влияние нагрева на параметры ЭМТ; минимизация (оптимизация) массогабаритных показателей конструкции ЭМТ, рассматриваемой в диссертации; разработка системы возбуждения ЭМТ, выбор её оптимальной мощности с учётом импульсной работы ЭМТ; разработка методического обеспечения расчёта мощности ЭМТ с учётом конструктивных параметров для ЭМТ других конструкций; - разработка подходов к синтезу и синтеза законов регулирования в сложной ЭЭС; анализ функционирования ЭМТ в сложной ЭЭС с учётом выбранных законов управления; - выбор рациональных мест установки в ЭЭС, параметров и количества ЭМТ; - разработка структуры и алгоритмов управления противоаварийной автоматикой с учётом ЭМТ.
