Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния проблемы и постановка научно-технических задач 13
1.1. Системы регулирования напряжения электромашинных источников питания систем электроснабжения электротехнических комплексов 13
1.2. Системы регулирования частоты электромашинных источников питания систем электроснабжения электротехнических комплексов 24
1.3. Системы защиты энергоузлов систем электроснабжения электротехнических комплексов 27
Выводы по первой главе и постановка задачи исследования 31
Глава 2. Разработка математических моделей систем регулирования электромашинных источников питания 34
2.1. Математическая модель системы регулирования напряжения электромашинного источника питания с использованием высших гармоник поля 34
2.2. Математическая модель системы регулирования частоты электромашинного источника питания с использованием высших гармоник поля 60
Выводы и результаты по второй главе 63
Глава 3. Разработка структурных схем каналов регулирования напряжения и частоты 65
3.1. Разработка структурной схемы системы регулирования напряжения 65
3.2. Разработка структурной схемы системы регулирования частоты 76
Выводы и результаты по третьей главе 88
Глава 4. Экспериментальные исследования систем регулирования электромашинных источников питания с использованием высших гармоник поля 89
4.1. Описание опытно-промышленных образцов электромашинных источников питания с системами регулирования с использованием высших гармоник поля 89
4.2. Экспериментальные исследования электромашинных источников питания 95
4.3. Устройства защиты источников питания 101
Выводы и результаты по четвертой главе 103
Заключение 104
Список литературы 107
Приложение 1 116
Приложение 2 134
- Системы регулирования напряжения электромашинных источников питания систем электроснабжения электротехнических комплексов
- Математическая модель системы регулирования напряжения электромашинного источника питания с использованием высших гармоник поля
- Разработка структурной схемы системы регулирования напряжения
- Описание опытно-промышленных образцов электромашинных источников питания с системами регулирования с использованием высших гармоник поля
Введение к работе
Актуальность. На борту летательных аппаратов и других видах транспорта, на передвижных электрических станциях и прочих автономных системах электроснабжения широкое применение находит переменный ток.
Энергия переменного тока легко подвергается различным трансформациям и преобразованиям с высоким КПД. Электрические машины переменного тока просты по конструкции и надежны в эксплуатации, использование генераторов переменного тока обеспечивает снабжение электрической энергией потребителей значительной мощности. В качестве основной системы электроснабжения электротехнических комплексов широкое применение нашла трехфазная система переменного тока постоянной частоты, которая обеспечивает меньшую массу генераторов и двигателей, лучшие характеристики и большую надежность электрических машин.
В системах электроснабжения применяется большое количество
генераторов переменного тока, отличающихся принципом действия,
конструкцией, типом магнитных систем. Многообразие, специфичность
конструкций и характеристик источников электропитания объясняется
условиями эксплуатации и специальными требованиями, предъявляемыми к
источникам электропитания первичных и вторичных систем электроснабжения.
Широкое применение получили бесконтактные генераторы: с вращающимися
выпрямителями, индукторные, комбинированного возбуждения,
магнитоэлектрические, генераторы с внутризамкнутым магнитопроводом («сексины») и др. [7]. Каждый из типов генераторов требует соответствующих методик проектирования и расчета не только электрической машины, но также систем возбуждения, регулирования и защиты.
Кроме общих требований к электрооборудованию, к элементам и системам регулирования напряжения и частоты предъявляется ряд требований, определяющих качество электрической энергии: точность стабилизации
5 напряжения и частоты в статических режимах работы, выбросы и провалы в
переходных режимах работы, устойчивость и время переходных процессов.
Появление новых материалов магнитов, успехи, достигнутые в области развития источников питания с возбуждением от постоянных магнитов позволяют увеличить мощности и скорости вращения генераторов, а также использовать их в качестве первичных источников электроэнергии, что усложняет системы регулирования и защиты [36].
В настоящее время широко разрабатываются системы регулирования напряжения электромашинных источников питания первичных систем электроснабжения с использованием высших гармоник магнитного поля, позволяющие обеспечить повышение качества электрической энергии.
Известны работы зарубежных и отечественных авторов [39, 69, 74, 80], посвященные развитию теории и разработке систем возбуждения и регулирования электрических машин с использованием высших гармоник магнитного поля - систем гармонического компаундирования.
Преимуществами таких систем является высокое быстродействие, работоспособность в широком диапазоне изменения величины и характера нагрузки, высокий коэффициент полезного действия, лучшие массогабаритные показатели систем регулирования напряжения источников питания первичных систем электроснабжения. В связи с этим, представляет интерес возможность использования энергии высших гармоник поля для построения систем регулирования напряжения и частоты электромашинных источников питания с возбуждением от постоянных магнитов, а также устройств защиты генераторов переменного тока.
Более широкое применение данных систем ограничено отсутствием математических моделей для анализа процессов регулирования напряжения и частоты в различных режимах работы, а также отсутствием исследований устойчивости и качества процессов регулирования напряжения и частоты
электромашинных источников питания с возбуждением от постоянных магнитов с данными системами регулирования.
Для разработки указанных систем регулирования необходимы методы расчета и анализа, позволяющие исследовать процессы регулирования напряжения и частоты электромашинных источников питания в различных режимах работы, проанализировать влияние параметров системы регулирования и возмущающих воздействий на процессы регулирования напряжения и частоты.
Поэтому разработка математических моделей и анализ систем регулирования напряжения и частоты и защиты электромашинных источников питания с использованием высших гармоник магнитного поля, обеспечивающих повышение качества электрической энергии, является актуальной научной задачей.
Основания для выполнения работы. Диссертационная работа выполнена на кафедре «Электрооборудование летательных аппаратов и наземного транспорта» Уфимского государственного авиационного технического университета. Тема исследований связана с тематическим планом госбюджетных НИР, финансируемых из средств Федерального бюджета Минобразованием РФ, тема АП-ЭМ-12-03-ОЗ/Б.
Цель работы - разработка, теоретическое и экспериментальное исследование систем регулирования электромашинных преобразователей постоянного тока в переменный с использованием высших гармоник магнитного поля в воздушном зазоре машины, обеспечивающих повышение качества электрической энергии, их реализация и внедрение в промышленность и учебный процесс.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены следующие основные задачи:
1. Разработка совокупности математических моделей, позволяющих проводить исследования процессов регулирования напряжения и частоты в
7 различных режимах работы электромашинных источников питания с
системами регулирования напряжения и частоты с использованием высших
гармоник поля.
Анализ систем регулирования напряжения и частоты с использованием высших гармоник магнитного поля в различных режимах работы электромашинных источников питания, исследование влияния параметров системы регулирования и электромашинного источника питания на выходные характеристики системы электропитания.
Исследование устойчивости процессов регулирования напряжения и частоты электромашинных источников питания с системой регулирования напряжения и частоты с использованием высших гармоник поля в зависимости от параметров системы регулирования и электромашинного источника питания.
Разработка новых технических решений по созданию систем регулирования и устройств защиты генераторов переменного тока и электромашинных преобразователей с использованием высших гармоник поля. Разработка экспериментальных образцов и проведение экспериментальных исследований электромашинных источников питания с системами регулирования напряжения и частоты с использованием высших гармоник поля.
Методы исследований. Теоретические исследования проведены методами математического моделирования электромагнитных процессов с использованием теории «двух реакций», методов линеаризации и малых безразмерных приращений, операционного исчисления, а также аппарата передаточных функций. При исследовании статических и динамических режимов работы, а также анализе областей устойчивой работы электромашинных преобразователей с системой регулирования с использованием высших гармоник поля использованы интегрированные среды «Mathematical и «MatLab» с пакетом расширений «Simulinb>.
8 На защиту выносятся:
Разработанные математические модели систем регулирования напряжения и частоты электромашинных преобразователей с использованием высших гармоник магнитного поля, позволяющие проводить исследования процессов регулирования напряжения и частоты в различных режимах работы.
Результаты теоретических исследований процессов регулирования напряжения и частоты электромашинных преобразователей с системой регулирования с использованием высших гармоник поля, которые позволили установить закономерности влияния параметров системы регулирования, объекта регулирования и нагрузки на выходные характеристики электромашинных преобразователей в различных режимах работы.
Структурные схемы каналов регулирования напряжения и частоты с использованием высших гармоник поля, выражения для определения областей устойчивой работы системы регулирования и результаты анализа влияния параметров системы регулирования и объекта регулирования на границы устойчивости и качество процессов регулирования напряжения и частоты электромашинных преобразователей.
Новые технические решения по созданию систем регулирования напряжения и частоты ЭМП и устройств защиты генераторов переменного тока и ЭМП от перегрузок, коротких замыканий и изменения частоты с использованием высших гармоник магнитного поля.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней разработаны математические модели систем регулирования напряжения и частоты с использованием высших гармоник поля, позволяющие проводить исследования процессов регулирования напряжения и частоты электромашинных преобразователей в различных режимах работы.
Определены закономерности влияния параметров системы регулирования напряжения и частоты с использованием высших гармоник поля
на выходные характеристики электромашинного преобразователя в различных
режимах работы.
Определены области устойчивой работы систем регулирования напряжения и частоты с использованием высших гармоник магнитного поля в зависимости от параметров системы регулирования и объекта регулирования.
Практическая ценность результатов работы состоит в том, что результаты, полученные в работе, позволяют разрабатывать системы регулирования напряжения и частоты и защиты электромашинных источников питания с использованием высших гармоник поля, обеспечивающих повышение качества электрической энергии в различных режимах работы.
Использование разработанных математических моделей, установленных закономерностей, а также применение разработанного программного обеспечения и результатов теоретических и экспериментальных исследований позволяет сократить сроки разработки и отладки элементов электрооборудования.
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны устройства и системы регулирования напряжения и частоты, а также устройства защиты от перегрузок, коротких замыканий и от повышений и понижения частоты, позволяющие обеспечить улучшение качества электрической энергии по сравнению с известными техническими решениями и представляющие собой охрано- и конкурентоспособные образцы техники с улучшенными показателями, защищенные патентами Российской Федерации.
Достоверность научных положений, выводов и результатов работы подтверждена экспериментальными исследованиями опытных образцов систем регулирования, результатами проведенных НИР, а также практическим использованием результатов работы.
10 Внедрение результатов работы.
Научные положения диссертационной работы, а также результаты теоретических, экспериментальных исследований и практические разработки внедрены и используются в следующих организациях:
НИИ ТС «Пилот» - системы регулирования напряжения генераторов переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов с использованием высших гармоник магнитного поля, математические модели систем регулирования.
ОАО УАПО (Уфимское агрегатное производственное объединение) -математические модели для анализа процессов регулирования напряжения и частоты электромашинных преобразователей с системами регулирования с использованием высших гармоник поля.
УГАТУ - вопросы построения систем регулирования напряжения и частоты электромашинных преобразователей с использованием высших гармоник магнитного поля, программное обеспечение.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Интеллектуальные системы управления и обработки информации», 2001 г., 2003 г. (г. Уфа), международной молодежной научной конференции «XXIX Гагаринские чтения», 2003 г. (г. Москва), XI международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», 2005 г. (г. Томск).
Публикации по теме диссертации. Основные положения, представленные в диссертации опубликованы в 18 работах, среди которых 8 статей, 2 свидетельства РосАПО о регистрации программ для ЭВМ, патент на полезную модель и положительное решение о выдаче патента на изобретение.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 89 источников и 2 приложений общим объемом 137 страниц. В работе содержится 59 рисунков и 2 таблицы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе проведен обзор и критический анализ известных отечественных и зарубежных работ в области разработки систем регулирования напряжения бесконтактных генераторов переменного тока, систем регулирования частоты тока электромашинных источников питания. Особый интерес представляют системы регулирования с использованием энергии высших гармонических составляющих магнитного поля в воздушном зазоре машины, позволяющие обеспечить требуемое качество процесса регулирования напряжения.
Проведенный анализ состояния и перспектив развития систем управления и регулирования источников электропитания позволил сформулировать цель работы и определить основные задачи, решение которых позволит осуществить создание элементов, устройств и систем регулирования и защиты, обеспечивающих повышение качества электрической энергии.
Во второй главе разработана совокупность математических моделей систем регулирования электромашинных преобразователей с использованием высших гармоник поля для исследования процессов регулирования напряжения и частоты в различных режимах работы. Показано изменение содержания гармоник в зависимости от тока нагрузки при различных параметрах генератора. Проведенные исследования позволили выработать требования и рекомендации к построению систем регулирования напряжения и частоты электромашинных преобразователе с использованием высших гармоник поля.
В третьей главе построены структурные схемы каналов регулирования напряжения и частоты электромашинных преобразователей с системой регулирования с использованием высших гармоник поля, позволяющие проводить исследование устойчивости и оценку качества процессов регулирования. Проведен анализ устойчивости процессов регулирования напряжения и частоты, определены области устойчивой работы систем регулирования в зависимости от параметров системы регулирования.
12 В четвертой главе рассмотрены вопросы практической реализации
систем регулирования электромашинных преобразователей с использованием
высших гармоник поля, приведены результаты экспериментальных
исследований процессов регулирования напряжения и частоты при статических
и динамических режимах работы. Разработаны новые технические решения по
построению систем регулирования напряжения и частоты и устройств защиты с
использованием высших гармоник поля.
Показано, что расхождение между экспериментальными данными и результатами моделирования не превышает 15%, что подтверждает достоверность разработанных математических моделей. Установлено, что быстродействие системы регулирования частоты электромашинного преобразователя ПТ-500Ц с использованием высших гармоник поля в динамических режимах работы в 1,5-3 раза превосходит быстродействие штатной аппаратуры регулирования.
В приложениях приведены разработанные в среде Mathematica математические модели каналов регулирования напряжения и частоты с использованием высших гармоник магнитного поля электромашинного преобразователя и результаты расчетов.
Системы регулирования напряжения электромашинных источников питания систем электроснабжения электротехнических комплексов
Вторичные системы электроснабжения обеспечивают энергией приемники электротехнического комплекса, для которых или род тока, или напряжение, или допустимые отклонения частот и напряжений являются иными, чем в основной системе электроснабжения. Надежность обеспечения питания вторичных систем обеспечивается включением резервного источника вместо отказавшего основного. В качестве источников питания вторичных и аварийных систем электроснабжения электротехнических комплексов широко используются электромашинные преобразователи электрической энергии. Для важных приемников электроэнергии устанавливаются индивидуальные преобразователи небольшой мощности.
Электромашинные преобразователи (ЭМП) постоянного тока в переменный делятся на однофазные (типа ПО), трехфазные (типа ПТ) и комбинированные (типа ПТО). Преобразователи выполняются как двигатель-генераторные агрегаты. Агрегат состоит из двигателя постоянного тока и синхронного генератора переменного тока, размещенных в одном корпусе на одном валу. Двигатели выполняют с последовательным или смешанным возбуждением. Генераторы выполняются с электромагнитным, смешанным возбуждением или с возбуждением от постоянных магнитов.
Генераторы преобразователей серии ПО выполнены с электромагнитным возбуждением. Трехфазные преобразователи серии ПТ мощностью 70-И 000 В А возбуждаются от постоянных магнитов, преобразователи большей мощности имеют генераторы с электромагнитным возбуждением. Основной нагрузкой преобразователей ПТ является приборное оборудование. В целях снижения массы и повышения КПД преобразователи серии ПТО имеют в двигатель-генераторном агрегате два генератора: трехфазный и однофазный. Генераторы преобразователя выполняются по типу «сексин» со смешанным возбуждением.
Электрические генераторы с постоянными магнитами имеют следующие преимущества: высокую надежность, отсутствие скользящих контактов, простоту конструкции, высокий КПД, надежное возбуждение, малую инерционность при переходных процессах.
К недостаткам магнитоэлектрических генераторов относятся: отсутствие прямого способа регулирования напряжения и разброс в характеристиках магнитов, определяемый характером технологических процессов изготовления магнита, способа намагничивания и стабилизации магнита. Улучшение технологии изготовления магнитов и намагничивание магнитов в собранном виде значительно сократило разброс характеристик. Для улучшения регулировочных характеристик магнитоэлектрических генераторов используются бесконтактные генераторы смешанного возбуждения на базе основного магнитоэлектрического генератора и вспомогательного генератора с внутризамкнутым потоком (типа сексин), обеспечивающего регулирование выходного напряжения. Регулирование напряжения магнитоэлектрических генераторов может быть выполнено одним из следующих способов: стабилизация напряжения применением конденсаторов, регулирование напряжения дросселями насыщения и изменением сопротивления магнитопровода [8]. Стабилизация напряжения применением конденсаторов может быть выполнена включением в якорную обмотку генератора емкостных стабилизаторов параллельного или последовательного типа. На рис. 1.1 представлены схемы включения конденсаторов в цепь нагрузки генератора. Работа последовательного стабилизатора напряжения основана на том, что падение напряжения в генераторе, происходящее в основном за счет влияния реакции якоря и потоков рассеяния, компенсируется последовательно включенной емкостью конденсатора. Если подобрать емкость конденсаторов так, чтобы реактивное сопротивление конденсатора было равно синхронному реактивному сопротивлению генератора, то падение напряжения в генераторе будет определяться только активным сопротивлением. Стабилизация напряжения в случае параллельной емкостной стабилизации осуществляется за счет введения емкостной составляющей тока нагрузки. Применение последовательных или параллельных емкостных стабилизаторов не обеспечивает необходимой точности стабилизации напряжения. Регулирование напряжения дросселями насыщения производится постоянным изменением индуктивного сопротивления дросселя насыщения, включенного в цепь якоря последовательно или параллельно с нагрузкой. Схемы включения представлены на рис. 1.2. Напряжение на выходе генератора поддерживается непрерывным изменением индуктивного сопротивления дросселя. Основными недостатками данного метода являются снижение использования магнита, значительный вес и габариты дросселей, увеличение потерь, малый диапазон регулирования, искажение формы кривой напряжения. Регулирование напряжения магнитоэлектрических генераторов путем изменения сопротивления магнитопровода за счет насыщения сердечника якоря управляемым внешним магнитным полем позволяет обеспечить поддержание напряжения на заданном уровне с необходимой точностью [9, 11]. Внешнее магнитное поле создается тороидальной обмоткой подмагничивания, расположенной в пазах и по наружной поверхности сердечника якоря (рис. 1.З.).
Математическая модель системы регулирования напряжения электромашинного источника питания с использованием высших гармоник поля
Так как условия выполнены, то систем будет устойчива при указанных значениях параметров системы.
При синтезе систем автоматического регулирования, когда требуется определить влияние значений каких-либо параметров системы и объекта регулирования на устойчивость, строят область устойчивости системы в пространстве этих варьируемых параметров. Представляет интерес не только факт существования устойчивости или неустойчивости, но и определение пределов изменения одного или нескольких параметров в области, внутри которой система сохраняет устойчивость.
Представляет интерес построение областей устойчивости системы в области следующих параметров: коэффициент усиления Ку и коэффициент содержания гармоник КГо, Расчетная область устойчивости определена с помощью критериев Гурвица (3.14) и представлена на рис. 3.6.
Упрощая представленную зависимость, можно сказать, что для устойчивости системы необходимо, чтобы коэффициенты Ку и Кто имели различные знаки, т.е. чтобы при спадающей характеристике изменения коэффициента содержания гармоник коэффициент усиления усилителя был положителен, и наоборот, что совпадает с рекомендациями, данными во второй главе.
Устойчивость систем автоматического управления, т.е. затухание переходных процессов в ней, является необходимым, но далеко не достаточным условием практической пригодности системы. Существует еще качество переходных процессов, т.е. сам характер протекания переходных процессов и, прежде всего их длительность и колебательность. Динамические свойства систем автоматического регулирования и, следовательно, качество процесса регулирования оценивается некоторыми количественными показателями качества, к которым относят: время переходного процесса; перерегулирование; колебательность переходного процесса. Временем регулирования оценивают длительность переходного процесса. Однако в идеальной системе переходный процесс бесконечен, поэтому временем регулирования tu считают тот интервал времени, по истечении которого отклонение переходной характеристики не превышает некоторого значения 5. Обычно 5 принимается равным 1-5 % от установившегося значения. Перерегулирование есть разность между максимальным значением //МАХ переходной характеристики и ее установившимся значением /густ Перерегулирование выражается в процентах и определяется по формуле: Вид переходного процесса в системах зависит не только от структуры схемы, но и от управляющего или возмущающего воздействия на систему. Поскольку в реальных системах управления воздействия носят случайный характер, приходится рассматривать некоторые типовые входные воздействия. Типовые входные воздействия стремятся выбирать так, чтобы они были по возможности близкими к реальным воздействиям в системе автоматического управления.
Для систем стабилизации переходный процесс может строиться для случая приложения возмущающего воздействия. В качестве типовых используются возмущающие воздействия в виде единичной функции и в виде единичной импульсной функции [12]. Входная функция первого вида представляет собой внезапный скачок возмущающего воздействия на некоторую постоянную величину. Функция второго вида встречается в системах автоматического управления в виде кратковременного удара нагрузки.
Для анализа переходных процессов в системе с использованием математической системы MATLAB [34, 87, 88] были проведены исследования систем регулирования с использованием высших гармоник поля при воздействии единичным ступенчатым воздействием. Переходная характеристика приведена на рис. 3.7.
Разработка структурной схемы системы регулирования напряжения
Разработаны, практически реализованы в виде опытно-практических образцов и исследованы системы регулирования напряжения и частоты с использованием высших гармоник поля электромашинных источников питания различного исполнения мощностью от 500 до 1500 ВА. Разработки внедрены в промышленность и учебный процесс.
Показано, что расхождение между экспериментальными данными и результатами машинного моделирования не превышает 10-15 %, что подтверждает достоверность разработанных математических моделей.
Получено, что в динамических режимах работы быстродействие системы регулирования частоты электромашинного преобразователя ПТ-500Ц с использованием высших гармоник поля в 1,5-3 раза превосходит быстродействие штатной аппаратуры регулирования. 4. Результаты экспериментальных исследований электромашинных источников питания показали перспективность использования высших гармоник поля для построения систем регулирования напряжения и частоты электромашинных источников питания. 5. Предложены новые технические решения по созданию систем регулирования электромашинных преобразователей с использованием высших гармоник поля (патент на полезную модель № 41206), а также по созданию устройств защиты генераторов переменного тока и электромашинных преобразователей от перегрузок, коротких замыканий, и от повышения и понижения частоты, использующих энергию высших гармоник поля (решение о выдаче патента по заявке № 2004117311). Диссертационная работа является результатом теоретических и экспериментальных исследований автора в развитии теории анализа и синтеза систем регулирования напряжения и частоты генераторов переменного тока различного исполнения и электромашинных преобразователей постоянного тока в переменный с использованием высших гармоник магнитного поля в воздушном зазоре машины. Основные результаты работы состоят в следующем 1. Разработаны математические модели систем регулирования напряжения и частоты электромашинных преобразователей с использованием энергии высших гармоник поля, позволяющие проводить исследования процессов регулирования напряжения и частоты электромашинных преобразователей. 2. По разработанным математическим моделям проведены исследования и выработаны рекомендации по построению систем регулирования напряжения и частоты с использованием высших гармоник магнитного поля. Построение системы регулирования напряжения и частоты электромашинного преобразователя с использованием высших гармоник поля возможно с использованием третьей или пятой гармоники. Для генераторов с большим значением соотношения т/8 и малым значением а (а 0,59 при т/5 = 100; а 0,61 при т/6 = 150) построение системы регулирования возможно только с использованием пятой гармоники. 3. Построены структурные схемы каналов регулирования напряжения и частоты электромашинных преобразователей с использованием высших гармоник поля, позволяющие проводить анализ и синтез систем регулирования напряжения и частоты с использованием высших гармоник поля. Установлена взаимосвязь между параметрами системы регулирования и объекта регулирования, определяющая область устойчивой работы преобразователя с системой регулирования. Показано, что система регулирования частоты будет сохранять устойчивость при положительных значениях изменения коэффициента гармоник от частоты и положительном коэффициенте усиления канала регулирования частоты. Система регулирования напряжения будет сохранять устойчивость при противоположных знаках изменения коэффициента гармоник от тока нагрузки и коэффициенте усиления усилителя канала регулирования напряжения. 4. Предложены новые технические решения по созданию систем регулирования электромашинных преобразователей с использованием высших гармоник поля (патент на полезную модель № 41206), а также по созданию устройств защиты генераторов переменного тока и электромашинных преобразователей от перегрузок, коротких замыканий, и от повышения и понижения частоты, использующих энергию высших гармоник поля (решение о выдаче патента по заявке № 2004117311). 5. Разработано и зарегистрировано в РосАПО программное обеспечение расчета содержания составляющих магнитного поля - поля полюсов и поля реакции якоря - для высших гармонических в воздушном зазоре машины и расчета схем укладки гармонических обмоток и обмоточных коэффициентов, позволяющее повысить точность и сократить временные затраты на проектирование систем регулирования с использованием высших гармоник поля (свидетельства о регистрации программ для ЭВМ №№ 2004611364,2004611349). 6. Разработаны экспериментальные образцы и проведены экспериментальные исследования для проверки достоверности и адекватности полученных теоретических положений. В исследованных магнитоэлектрических генераторах на холостом ходу ЭДС гармонической обмотки составляет 2-4% ЭДС основной обмотки, что позволяет построить систему регулирования с использованием высших гармоник поля. Расхождениемежду экспериментальными и теоретическими результатами не превышает 15%. Установлено, что время стабилизации частоты электромашинного преобразователя с системой регулирования частоты с использованием высших гармоник поля при пуске снижается в 1,5 раза, время стабилизации частоты после снятия короткого замыкания сокращается в 3+3,8 раза по сравнению со штатной аппаратурой регулирования.
Описание опытно-промышленных образцов электромашинных источников питания с системами регулирования с использованием высших гармоник поля
Так как условия выполнены, то систем будет устойчива при указанных значениях параметров системы.
При синтезе систем автоматического регулирования, когда требуется определить влияние значений каких-либо параметров системы и объекта регулирования на устойчивость, строят область устойчивости системы в пространстве этих варьируемых параметров. Представляет интерес не только факт существования устойчивости или неустойчивости, но и определение пределов изменения одного или нескольких параметров в области, внутри которой система сохраняет устойчивость.
Представляет интерес построение областей устойчивости системы в области следующих параметров: коэффициент усиления Ку и коэффициент содержания гармоник КГо, Расчетная область устойчивости определена с помощью критериев Гурвица (3.14) и представлена на рис. 3.6.
Упрощая представленную зависимость, можно сказать, что для устойчивости системы необходимо, чтобы коэффициенты Ку и Кто имели различные знаки, т.е. чтобы при спадающей характеристике изменения коэффициента содержания гармоник коэффициент усиления усилителя был положителен, и наоборот, что совпадает с рекомендациями, данными во второй главе.
Устойчивость систем автоматического управления, т.е. затухание переходных процессов в ней, является необходимым, но далеко не достаточным условием практической пригодности системы. Существует еще качество переходных процессов, т.е. сам характер протекания переходных процессов и, прежде всего их длительность и колебательность. Динамические свойства систем автоматического регулирования и, следовательно, качество процесса регулирования оценивается некоторыми количественными показателями качества, к которым относят: время переходного процесса; перерегулирование; колебательность переходного процесса. Временем регулирования оценивают длительность переходного процесса. Однако в идеальной системе переходный процесс бесконечен, поэтому временем регулирования tu считают тот интервал времени, по истечении которого отклонение переходной характеристики не превышает некоторого значения 5. Обычно 5 принимается равным 1-5 % от установившегося значения. Перерегулирование есть разность между максимальным значением //МАХ переходной характеристики и ее установившимся значением /густ Перерегулирование выражается в процентах и определяется по формуле: Вид переходного процесса в системах зависит не только от структуры схемы, но и от управляющего или возмущающего воздействия на систему. Поскольку в реальных системах управления воздействия носят случайный характер, приходится рассматривать некоторые типовые входные воздействия. Типовые входные воздействия стремятся выбирать так, чтобы они были по возможности близкими к реальным воздействиям в системе автоматического управления. Для систем стабилизации переходный процесс может строиться для случая приложения возмущающего воздействия. В качестве типовых используются возмущающие воздействия в виде единичной функции и в виде единичной импульсной функции [12]. Входная функция первого вида представляет собой внезапный скачок возмущающего воздействия на некоторую постоянную величину. Функция второго вида встречается в системах автоматического управления в виде кратковременного удара нагрузки. Для анализа переходных процессов в системе с использованием математической системы MATLAB [34, 87, 88] были проведены исследования систем регулирования с использованием высших гармоник поля при воздействии единичным ступенчатым воздействием. Переходная характеристика приведена на рис. 3.7. На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что процессы регулирования напряжения в магнитоэлектрическом генераторе с системой регулирования с использованием высших гармоник поля имеют апериодический характер. Время переходного процесса определяется из условия малости переходной составляющей
