Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния судовых электротехнических комплексов и формализация принятия решений при их создании . 36
1.1 Анализ систем электродвижения отечественных и зарубежных производителей . 36
1.2 Электродвижение на судах гражданского флота и надводных кораблях ВМФ 40
1.3 Аналитический обзор современного состояния и перспектив развития электроэнергетических систем подводных лодок 43
1.3.1 Атомные подводные лодки . 43
1.3.2 Новые структуры энергетической системы переменно-постоянного тока 45
1.3.3 Неатомные подводные лодки . 47
1.4 Формализация принятия решений при создании электротехнических комплексов судов с электродвижением 56
1.4.1 Постановка задачи . 56
1.4.2 Обоснование напряжения распределительного модуля 57
1.4.3 Обоснование напряжения двигательного модуля 66
1.4.4 Методика научно-технического обоснования принятия решения по направлению разработки и вариантам реализации проектов . 67
1.4.4.1 Научно-техническое обоснование выбора вариантов исполнения 67
1.4.4.2 Субъективное взвешенное решение по выбору варианта ЭТМ . 67
1.4.4.3 Экспертные оценки при разработке решений . 69
2 Развитие теории и методов расчета режимов судовых единых электроэнергетических систем 76
2.1 Состав и структура математического обеспечения 76
2.2 Теоретические положения и метод формирования уравнений электрических сетей с электрическими машинами при схемотехнических методах анализа судовых ЭТК 79
2.2.1 Общие положения 79
2.2.2 Макромодели элементов электрических цепей . 79
2.2.3 Алгоритм формирования уравнений схем с электрическими машинами . 85
2.3 Моделирование элементов быстродействующей защиты 99
2.3.1 Моделирование защиты статических преобразователей 99
2.3.1.1 Основные принципы защиты статических преобразователей 99
2.3.1.2. Модель управляемого выпрямителя 101
2.3.1.3 Модель защиты управляемого выпрямителя . 102
2.3.2 Схемотехническая модель взрывного предохранителя . 107
2.3.2.1 Постановка задачи 107
2.3.2.2 Номинальные параметры взрывного предохранителя . 108
2.3.2.3 Схемотехническая модель электрической дуги перешейка 109
2.3.2.4 Модели воспламенения и детонации взрывчатого вещества 112
2.3.2.5 Модель электрической дуги сменного контактного элемента 113
2.3.2.6 Математическая модель взрывного предохранителя 115
2.4 Моделирование ограничителей перенапряжений 115
2.4.1 Принципы ограничения перенапряжений 115
2.4.2 Моделирование ограничителя перенапряжений 116
2.5 Методика моделирования элементов защиты . 119
3 Математические модели многообмоточных гребных асинхронных электродвигателей 124
3.1 Общие положения 124
3.2 Математическая модель многообмоточного двигателя 125
3.3 Модель АД с двумя обмотками на статоре в преобразованной системе координат 140
3.4 Уравнение движения в относительных единицах и модель нагрузки электродвигателя . 149
3.5 Исследование статических и динамических режимов трехфазного АД 150
3.6 Исследование АД с двумя обмотками на статоре с помощью натурного эксперимента и математической модели . 159
3.7 Исследование АД с двумя обмотками на статоре сдвинутыми на 30 электрических градусов 166
4 Теоретические положения и метод энергосберегающего управления частотно-управляемым гребным асинхронным двигателем . 176
4.1 Основные положения 176
4.2 Теоретические основы скалярного управления . 178
4.3 Потери асинхронного двигателя 184
4.4 Исследование статических характеристик АД 187
4.5 Оптимизация скалярного управления АД 201
4.6 Определение взаимосвязи напряжения (тока) и частоты при оптимальном управлении электроприводом 211
4.7 Исследование АД с двумя обмотками на статоре при энергетически оптимальном скалярном управлении 217
5 Теоретические положения и метод математического моделирования судовых единых электроэнергетических систем при проектировании ЭТК судов с электродвижением 224
5.1 Исследование синусоидальности напряжения на шинах ГРЩ в ЭТК судна с электродвижением . 224
5.2 Исследование переходных процессов в судовом ЭТК при параллельной работе генераторов разных мощностей 226
5.3 Математическая модель вала с учетом упругости и трения и исследование режима частотного запуска ГЭД 231
5.4 Исследование режимов двухобмоточного ГЭД с трехуровневым инвертором 234
5.5 Исследование режимов ГЭД с каскадным инвертором 244
5.6 Исследование аварийных режимов электроэнергетической системы переменно-постоянного тока 250
5.6.1 Модель электроэнергетической системы 250
5.6.2 Проверка результатов расчета токов короткого замыкания 251
5.6.3 Расчет токов короткого замыкания на полной модели электроэнергетической системы 257
5.6.4 Анализ результатов расчета токов короткого замыкания 257
5.6.5 Методика расчета токов короткого замыкания 265
5.7 Метод математического моделирования судовых единых электроэнергетических систем при проектировании ЭТК судов с электродвижением
6 Теоретические положения и метод расчета искажения синусоидальности напряжений и токов в судовых единых электроэнергетических системах 277
6.1 Исследование качества электроэнергии электроэнергетической системы с частотно–регулируемым приводом на физической модели 277
6.2 Влияние искажений синусоидальности напряжения и тока на работу корабельного и судового оборудования 288
6.3. Аналитический принцип определения амплитуд и фаз гармоник 293
6.4. Методика расчета коэффициента искажения синусоидальности кривой тока в системе с преобразователем частоты со звеном постоянного тока 305
Заключение 311
Список литературы
- Неатомные подводные лодки
- Алгоритм формирования уравнений схем с электрическими машинами
- Модель АД с двумя обмотками на статоре в преобразованной системе координат
- Определение взаимосвязи напряжения (тока) и частоты при оптимальном управлении электроприводом
Неатомные подводные лодки
ЭТК судна с СЭД строится исходя из конкретных требований к ее реализации, а поскольку задача проектирования многокритериальная, необходимо определять приоритеты.
Основными требованиями к ЭТК при стремлении удовлетворить требования заказчика и условиям плавания являются: - обеспечение постоянной перегрузочной способности оборудования ; - обеспечение режима постоянной мощности, не превышающей номинальной мощности, на шинах электростанции P=const при изменении частоты вращения ГЭД при маневрировании судна; - обеспечение лучших динамических характеристик, что формализуется минимизацией заданного времени разгона (торможения) tзад=min; - минимизация коэффициентов несинусоидальности кривых напряжения и тока электрооборудования kнс=min; - постоянство параметров электроэнергии (напряжения, частоты) СЭЭС; - обеспечение максимальных коэффициента мощности, КПД и других показателей. Актуальность проблемы. Исторически Россия имеет статус ведущей морской державы благодаря географическому положению с выходом в три океана и огромной протяженности морских границ, а также вкладу в изучение Мирового океана, развитию морского судоходства, многим великим открытиям, сделанным русскими мореплавателями и путешественниками.
Хозяйственная сфера в море и возможности военно-стратегического использования океанов продолжают неразрывно расширяться, дополняя друг друга. Морское хозяйство является сложным многоотраслевым комплексом, все виды производства и защиты которого взаимоувязаны.
Именно для этого необходимо развивать важнейшую составляющую морского потенциала - судостроительную промышленность, обеспечивающую стратегическое сдерживание, защиту морских границ, ресурсов и коммуникаций, транспортировку грузов и пассажиров на морских и внутренних водных путях, использование биологических и сырьевых богатств Мирового океана.
Структурные преобразования судостроения должны основываться на пяти базовых принципах. Это приоритетность выполнения программ для обороны страны, недопущение монополизации интеллектуального потенциала, создание условий для заинтересованности в совместном развитии, объединение преимущественно однотипных производств с учетом регионального фактора и выравнивание финансово-экономических условий функционирования при выполнении государственного и частного заказов. При этом, энергосбережение и повышение энергетической эффективности следует рассматривать как один из основных источников будущего экономического роста [7].
Необходимыми этапами проектирования, строительства и безопасной эксплуатации структурно сложных систем уровня ЕЭЭС кораблей и судов с электродвижением являются научно-исследовательские (НИР) и опытно-конструкторские (ОКР) работы, включающие в себя системные расчеты, математическое моделирование и физическое макетирование прототипов, позволяющие на основе полученных результатов выполнять полномасштабное проектирование и создание опытно-поставочных образцов [8].
Главной проблемой ЭТК судов с электродвижением, препятствующей широкому внедрению систем полного электродвижения на корабли и суда, является наличие двойного преобразования энергии, которое в комплексе с большими массами габаритами низкооборотных электромеханических преобразователей определяет повышенные массогабаритные характеристики таких систем. Решение данной проблемы требует создания прорывных, в том числе, нетрадиционных технологий в области судовой (корабельной) электроэнергетики.
На рисунке 3 представлены другие проблемы электроэнергетики судов с электродвижением. Проблема 1. Искажения синусоидальности напряжения на шинах ГРЩ, связанные с работой ПЭЭ, а также не оптимальные по гармоническому составу токи ГЭД.
Перенапряжения в электрических сетях LdI/dt, связанные с наличием индуктивностей токопроводящих частей электрооборудования и скоростью изменения тока. Данная проблема усугубляется установкой на судах вакуумных выключателей, также быстродействующих электрических защит (БЭЗ), разрывающих цепь тока короткого замыкания (ТКЗ) за короткое время. К БЭЗ в первую очередь относятся быстродействующие автоматические выключатели и предохранители, в том числе – взрывные предохранители (пироавтоматы) [9, 10]..
Проблема 6. Ограниченные возможности токопроводящих элементов по коммутационной способности и электродинамической стойкости, а также по коммутируемым токам силовых ключей Iдпп (допустимый ток полупроводникового прибора).
Отметим, что проблемы 1, 2 и 4 связаны с нагрузкой исполнительных механизмов и движением судна.
Варианты некоторых решений рассмотренных проблем следующие. Варианты решения проблемы 1: - на выходе генераторов (на входе ПЭЭ) установка фильтро компенсирующих устройств (ФКУ), использование многопульсных схем вы прямления или применение активных выпрямителей (АкВ); - на выходе ПЭЭ использование ФКУ или выполнение ПЭЭ на основе многоуровневых принципов. /Vb Vw Варианты решения проблем Дробление мощности Управление ДР тіп Защита от Многоуровневые перенапряжений ПЭЭ v - скорость хода; T - упор движительного комплекса; R - сопротивление движению; vb – скорость ветра; vw – скорость волнения минимального расхода топлива для любых режимов работы СЭЭС с учетом качества переходных процессов в системе, а также по критерию маневренности судна в целом на основе численного расчета (в реальном времени и ускоренного) с помощью модели ЭТК в составе судна может достигаться следующим:
Выбор генераторного агрегата для запуска (остановки) и определение времени запуска с упреждением в зависимости от параметров движения судна и условий плавания. При этом максимальный эффект достигается при использовании в судовой электростанции максимально целесообразного количества генераторных агрегатов различных мощностей для обеспечения большего количества комбинаций их совместной работы, что обеспечит возможность работы первичных двигателей в области оптимального потребления топлива для большего количества нагрузочных режимов.
Алгоритм формирования уравнений схем с электрическими машинами
Анализ СЭД отечественных и зарубежных производителей показывает, что выбираются структуры по принципу обеспечения качества электроэнергии на стороне источников электроэнергии, которое достигается применением 12- и 24-пульсных схем преобразования, а также активных выпрямителей. При этом применяются напряжения электростанции – 400 В, 690 В при мощности ГЭД до 5 МВт и 6,3 кВ и более при мощности ГЭД более 5 МВт.
Наибольших успехов на мировом рынке СЭД добились компании ABB и Rolls-Royce (RR), Siemens. АВВ длительное время разрабатывают пропуль-сивные системы Azipod с диапазоном мощностей 5-30 МВт и системы Compact для мощностей 0,4-5 МВт. RR и Converteam – аналогичные системы типа Mermaid, мощностью 5-25 МВт [12-15].
Следует отметить компанию Schottel, имеющую опыт разработки про-пульсивных систем большой мощности SEP (Schottel Electric Propulsion)и SSP (Siemens Schottel Propulsion). Сравнение СЭД с разработками ведущих производителей мира представлено в таблице 1.1. Из проведенного анализа следует, что общей тенденцией разработок СЭД больших мощностей является переход на высокое напряжение, использование в качестве преобразователя частоты (ПЧ) автономного инвертора напряжения (АИН) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), где ключами являются IGBT-транзисторы.
Выбор между СД, СД с ПМ и АД связан главным образом с накопленным компаниями опытом производства. Таблица 1.1. Сравнение СЭД ведущих производителей мира
Производитель, объект Тип движителя (технологии) Электростанции Трансформа-торы Преобразователи Гребные электродвигатели Подруливающие устройства
Con-verteam AFET-AKEкласс дляВМС США 6,6 кВ Дроссели Активный выпрямитель ГлавныесинхронныеГЭД2 x 11.20MВт - 120об/мин ПУ 1 x 1.6MВт - 1200об/мин
Ледоколы Москва, «Санкт-Петербург» ВРК 3ДГх8МВт , 6,3 кВ 2 двухобмо-точных ГЭД по 9 МВт Wartsila (ледокол «Таймыр») Прямая передача 2ТГх29МВ А (Сименс), 6,3 кВ, 2 ВТГ 2860 кВА ,3 ВДГ 3200 кВА (Стремб-ерг) Дроссели 4 НПЧ на тиристорах (West-inghouse),3 трехфазно-однофазных схемы (7640х236 0х1250) 3 СД с ЭМВ по 12 МВт, 190 об/мин,5100 В(5700х5700х5150) Производитель, объект Тип движителя (технологии) Электростанции Трансформа-торы Преобразователи Гребные электродвигатели Подруливающие устройства
Ледокол"0tso" (Финляндия) Прямая передача 4х7,54 МВт, 6 кВ, 750 об/мин Дроссели НПЧ на тиристора, 3 трехфаз-но-однофазных схемы 2 СД с ЭМВпо 7,5 МВт,200 об/мин,8,8 кВ Речной ледокол«Генри Ларсен»,Канада Прямая передача 3 ДГх5250кВт, 4160В 2х6000, 1200 В, 145 об/мин Sam Electronics, «Sagar Nidni» AFE 2ДГ по1875 и 2ДГ по 1375кВ.А,0,69кВ Дроссели Активный выпрямитель 2 асинхронных ГЭД по 1,5 МВт, 2 – 0,8 МВт Sam Electronics, гидрограф «Comet» Прямая передача Управляемый выпрямитель главныйГЭД МПТ1МВт АД 125 кВт
Sam Electronics, для буровой платформы Прямая передача 4ДГ по1900 кВ.А,0,69кВ Дроссели НПЧ - 4 АД 1100 кВт
Sam Electronics Круизный лайнер «Costa Victoria» Прямая передача 3 ДГ по10,7 МВА,3 ДГ по12,48МВА, 10кВ 3-хобмо-точный для 12-типульс-ной схемы НПЧ 2 СД с ЭМВ по 15 МВт с 2-я обмотками, 135 об/мин 5 АД по 1,7 МВА
Hyundai Heavy Industries? погружнаянефтеная платформа(Deep-waterHori-zon) Позиционирование для буровых установок DPS-3 8ДГ по 5,2МВт, 11кВ Дроссели 12-типульс-ный инвертор тока с управляемыми ключами на входе и выходе 8 ГЭД по 3,2МВт 740об/мин
Shuttle Tanker Dynamically-positioned 4ДГ, 11 кВ Дроссели НПЧ 2 СДПМтандем 12МВт 90об/мин 2 ПУ АД по3,0 МВт 750об/мин, 2ПУ АД по1,7 МВт 750об/мин
ФГУП «ЦНИИСЭТ», ЦМКБ Пр. 21300, 20180 2 электростанции по 4,2 МВт, 0,4 кВ 3-хобмо-точный для 12- Инвертор напряжения, IGBT 2 ГЭД (АД2-х обм.Sorch) по 2,4МВт, 0,96 Производитель, объект Тип движителя (технологии) Электростанции Трансформа-торы Преобразователи Гребные электродвигатели Подруливающие устройства
«Алмаз» типульс-ной схемы кВ ФГУП«ЦНИИСЭТ»,ЦМКБ«Алмаз» Пр. 20180 2 электростанции по 3,83 МВт, 0,4 кВ 3-хобмо-точный для 12-типульс-ной схемы Инвертор напряжения, IGBT 2 ГЭД (АД2-х обм. «Электросила») по 2 МВт, 0,96 кВ ФГУП«ЦНИИСЭТ»,ЦМКБ«Алмаз» Пр. 19910 1 электростанция 1,2 МВт, 0,4 кВ 3-хобмо-точный для 12-типульс-ной схемы Инвертор напряжения, IGBT 2 ГЭД (АД с1 обм.) по550 кВт,0,66 кВ ЦКБ МТ «Рубин» ДЭПЛ «Санкт-Петербург» 2ДГ с УВпо 1 МВт,2 гр. АБ отсутствует неуправляемый выпрямитель 1 СДПМ 5МВт, 2ВСЭД сСДПМ по30 Квт 1.2. Электродвижение на судах гражданского флота и надводных кораблях ВМФ
Судовые ЕЭЭС относятся к категории структурно сложных систем, обеспечивающих необходимое функционирование и безопасность судна. Состав и структура судовых электротехнических комплексов гражданского назначения как зарубежных, так и отечественных производителей изображается аналогично структуре на рисунке 1.
В области надводного кораблестроения наиболее интенсивные работы по созданию КЭЭС проводятся в США, Великобритании и Франции. С недавних пор к ним присоединилась и Россия.
Технологии и конструктивно-схемные решения разрабатываются в рамках программ «Комплексные энергетические системы» (Integrated Power System, IPS) и «Полное электродвижение» (Full Electric Propulsion, FEP) и находят широкое применение в кораблестроении и вооружении этих стран. Так в феврале 2006 года во Франции вошел в строй первый большой, полностью «дизель-электрический», транспортно-десантный корабль «Мистраль».
В военно-морских силах США планируют оснастить системами электродвижения 224 надводных корабля, в том числе 120 боевых и 104 корабля вспомогательного флота.
В настоящее время корабельная энергетика в ведущих западных странах переживает переломный момент. Наиболее перспективным путем ее развития зарубежные специалисты считают переход на электродвижение. В США,
Великобритании, Франции, Нидерландах и Германии ведутся работы по созданию перспективной электроэнергетической системы корабля (ЭСК), в которой будет реализован принцип «полного электродвижения». Применение этого принципа позволяет исключить из состава ГЭУ (или сократить до минимума) редукторные передачи и протяженные линии вала, являющиеся неотъемлемой частью комбинированных установок различного типа [16].
ЭУ этих кораблей созданы по единому принципу (рис. 1.1): единая ЭЭС на базе дизель-генераторов или (и) газотурбогенераторов, гребных электродвигателей и полноповоротных движительно-рулевых колонок (ДРК). Для изменения частоты вращения гребных электродвигателей используется частотное регулирование с помощью ПЧ. ПЧ получают питание от ГА через ГРЩ и щиты электродвижения (ЩЭД). Живучесть системы обеспечивается резервированием через перемычки между ЩЭД (ПЩЭД) и ГРЩ (ПГРЩ). Потребители
Модель АД с двумя обмотками на статоре в преобразованной системе координат
Создание комплексной математической и компьютерной модели ЭТК возможно с помощью стандартных программ схемотехнического моделирования, где алгоритм формирования уравнений автоматизирован. Однако для практического применения моделей в составе судовых модулей управления стандартные программы не подходят, и требуется разрабатывать отдельные алгоритмы применительно к конкретным задачам. При этом для автоматизации составления уравнений ЭТК в целом наилучшим образом подходят методы машинного анализа электрических цепей [59].
При исследованиях электроэнергетических систем с помощью программ схемотехнического моделирования наиболее удобным для составления наглядной модели системы является использование макромодели ее элементов. В зависимости от алгоритмов используемой программы, возможны следующие варианты машинного анализа: составляется и рассчитывается одна общая матричная система уравнений большой размерности; составляются системы уравнений макромоделей и электроэнергетической системы в целом, и производится параллельный расчет для макромоделей, а затем для системы с использованием выходных параметров макромоделей.
Для расчета токов и напряжений в данной схеме необходимо знание о характеристиках источника напряжения и его параметрах. Это позволит при расчете определить напряжение на его выводах и падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника.
Если такие знания получены, то разрабатывается математическая модель источника электроэнергии. В наиболее простых случаях источник можно представить в виде схемы замещения.
Поскольку математические модели элементов электрической системы в большинстве своем описываются достаточно сложными интегро-дифференциальными уравнениями, а в системе может быть значительное количество однотипных элементов, то при расчетах удобно разбивать схему на подсхемы и использовать модели отдельных элементов, называемых макромоделями. Связь между подсхемами осуществляется через идеальные управляемые источники по принципу обеспечения одинаковых параметров в местах разделения ветвей.
Таким образом, если в схеме на рис. 3.3 через источник протекал ток Iь а на его выводах было напряжение U\, то в эквивалентной схеме с макромоделью (рис. 2.4) должно выполняться условие I= I и Ui= U2. Это взаимодействие между схемами реализуется с помощью идеальных элементов источника напряжения управляемого напряжением (=1) (ИНУН) и источника тока управляемого током (=1) (ИТУТ). Источник моделируется с помощью иде 81 альной электродвижущей силы (ЭДС) E7 и внутренней активной проводимости G6.
Уравнения в матричной форме, полученные на основе модифицированного узлового метода без использования графов, имеют вид: Обратим внимание, что размер матрицы для такой достаточно простой схемы увеличился в два раза с 5х5 до 10х10.
Поскольку элементы судовых электроэнергетических ситем описывются в основном дифференциально-алгебраическими уравнениями, рассмотрим моделирование с использованием макромоделей на примере простейшей схемы рис. 2.5, а. Схема описывается уравнением
Простейшая электрическая цепь и структура ее расчета суммирующий элемент и повторить операцию интегрирования. Модель данной схемы с макромоделями интегратора и сумматора изображена на рис. 2.5, б. V С V2
Сумматор моделируется сложением двух напряжений E1 и ИНУН с масштабным коэффициентом =-R.
Схемотехническая модель рассматриваемой цепи представлена на рис. 2.7. Коэффциент g источника тока управляемого напряжением в рассматри ваемом случае равна 1/L\. Начальное значение тока задается начальным зарядом конденсатора. Данная запись позволяет воспользоваться численными методами интегрирования дифференциальных уравнений [59], например, с помощью: - обратной формулы Эйлера (C + hG) xn+1 = Cxn + h wn+1; - формулы трапеций ( ) ( ) . Особенно это удобно для составления алгоритмов анализа электрических схем с электрическими машинами, поскольку позволяет избежать применения методов численного дифференцирования при совместном решении дифференциально-алгебраических уравнений в нормальной форме и в интегральной форме.
Чтобы решить данное уравнение в программах схемотехнического моделирования, разработаем схему электрической цепи на основе идеальных компонентов с учетом описанных выше принципов схемотехнического дифференцирования. Для этого используем источник тока, управляемый напряжением (ИТУН), индуктивность и функциональные источники, представленные на рисунке 2.8. Заметим, что все переменные хi моделируются напряжениями, а коэффициенты Тi играют роль масштабных коэффициентов управляемых или функциональных источников. OT 1
Определение взаимосвязи напряжения (тока) и частоты при оптимальном управлении электроприводом
В соответствии с ОСТ5.6181-81 [51] диапазоны изменения параметров пусковых индуктивных сопротивлений рассеяния ротора относительно номинальных значений для АД мощностью до 200 кВт находятся в диапазоне -от 0.78 до 0,86. Поэтому вытеснение тока в модели АД в фазных координатах учитывалось линейными зависимостями сопротивлений ротора от скольжения двигателя. Для индуктивного сопротивления рассеяния принято начальное значение 0.84 о.е.
Для учета температурного состояния АД значения активных сопротивлений обмоток статора и ротора помножены на коэффициент 0,65.
При физическом эксперименте двигатель к трансформатору подключался через десятки метров кабельных трасс, на сопротивлениях которых возникало заметное падение напряжения. Момент сопротивления на валу создавался генератором постоянного тока 4ПФМ250М, нагруженным на активное сопротивление. На экран осциллографа выводилось напряжение генератора постоянного тока, которое качественно характеризует частоту вращения двигателя.
Момент инерции системы АД – генератор постоянного тока был принят равным сумме моментов инерции АД и ГПТ (1,19 кг.м2) - 2,49 кг.м2.
Расчеты выполнялись при условиях, приближенных к физическому эксперименту, индуктивное сопротивление кабельных трасс фаз равны 38 мОм, активные – 30 мОм. Поскольку установившийся ток реального АД при эксперименте соответствует 80 % от номинального тока, то в расчетном эксперименте нагрузка на валу АД создавалась линейной зависимостью момента от частоты вращения до достижения фазы током 80% от номинального значения тока модели. Осциллограммы и результаты расчетов прямого пуска АД представлены на рис. 3.14-3.16.
Сравнение физического и расчетного экспериментов приведены в таблице 2 и свидетельствуют об адекватности математической модели АД с двумя обмотками на статоре.
Следует иметь в виду, что расчетные параметры АД соответствуют номинальному току 93,7 А, в то время как номинальный ток АД физической модели по результатам натурных испытаний равен 96,98 А. Для исключения погрешностей расчета необходимо точное определение параметров каждого исследуемого АД в различных режимах его работы. Для электрических машин малой и средней мощностей особенно актуальным становится знание температурных зависимостей для активных сопротивлений.
В программах схемотехнического моделирования аналогичный смысл имеет суммарный коэффициент искажений THD (Total Harmonic Distortion), поэтому он используется в исследованиях гармонического состава при вычислительном эксперименте.
Значение коэффициента THD зависит от диапазона частот учтенного при его расчете. При управлении ПЧ использован алгоритм синусоидальной ШИМ с предмодуляцией. Сравнение результатов испытаний опытного образца АД и расчетов с помощью математического моделирования (рис. 3.18-3.24) показывает, что даже при использовании приведенных выше упрощений, математическая модель дает достоверный количественный результат, точность которого зависит от полноты модели и точности параметров АД.
Основной погрешностью в результатах приведенных исследований является отсутствие количественных данных о «вынесенной» индуктивности.
Результаты расчета линейных напряжений и токов одноименных фаз при установившемся режиме АД мощностью 2,4 МВт с двумя обмотками на статоре при питании от двухуровневого ПЧ и работе на двух обмотках (частота ШИМ 2,477 кГц, нагрузка на валу 1,9 МВт) " CSDF File generated from iefc0411ALL_iri см " DeWnme ran. 05W201 16:53 51 Temperalure 27 0 (l)tek0411ALL_mdat OBK 0 4K : I ,lll і ill "i fc 111».. _JJJL; : . D "LVul.V- кА oa -OJ -SEL» f : f LI ll . -i . .1 4. ilk! 1, 2 DOKHz 4 QQKHi в OOKHz B.ODKHz 10 00K№ о "lu1_1mVA"Frequency Dale; May 04.2011 Page9 Time17OZ0e і
Рисунок 3.23. Гармонический состав линейного напряжения и тока фазы при установившемся режиме АД мощностью 2,4 МВт с двумя обмотками на статоре при питании от двухуровневого ПЧ и работе на двух обмотках (частота ШИМ 2,477 кГц, нагрузка на валу 1,9 МВт), THD тока = 16%, THD напряжения = 60%
Исследуем влияние несимметрии питающего напряжения, что эквивалентно неравенству параметров статорных обмоток, на протекание электромагнитных процессов в двигателе АДЧР250М6 с помощью его модели в фазных координатах. Питание двигателя осуществлялось от источника бесконечной мощности, несимметрия напряжения 2% моделировалась включением параллельно АД несимметричной активно-индуктивной нагрузки. Результаты расчетов представлены на рис. 3.25, 3.26.
Качественное сравнение результатов расчетов рис. 3.25, 3.26 с расчетами рис. 3.9, 3.11 показывает, что характерным признаком электромагнитных процессов при несимметрии питающего напряжения (несимметрии параметров обмоток статора) являются пульсации электромагнитного момента с и, кВ ной частотой в конце запуска и в установившемся режиме.
