Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Одной из важнейших задач в области энергетики является модернизация существующего оборудования электрических систем и совершенствование их управления в широких масштабах.
В соответствии с этим возрастают, в частности, требования, иредъянлеясмыс к оборудованию, используемому для систем собственных нужд (с.п.) тепловых электростанций. Этим требованиям не всегда успешно удовлетворяют коллекторные машины постоянного тока, неуправляемые асинхронные и синхронные машины, нашедшие широкое применение в системе си. электростанций, так как их возможности в известной степени ограничены.
Более широкими возможностями и универсальными свойствами обладают управляемые электромеханические системы с бесконтактными двигателями постоянного тока (УЭМСБДПТ), использование которых в целом ряде случаев может оказаться целесообразным.
УЭМСБДПТ состоит из собственно: асинхронной электрической машины, управляемого полупроводникового коммутатора (УПК) и системы автоматического управления, предназначенной для плавного регулирования электрических и механических величин машин, работающих в различных механизмах си. электростанций.
Класс УЭМСБДПТ значительно шире и многообразнее, чем класс коллекторных машин.
Новые возможности по сравнению с коллекторными машинами заключаются в следующем: бескоитактпость коммутации, переключение элементов обмотки по любому заданному закону, возможность встраивания коммутатора в статор машины. Все это обусловливает разработку новых типов УЭМСБДПТ с наиболее высокой надежностью, большим сроком службы, способностью работать во взрывоопасной среде, отвечающих наилучшим условиям автоматизации, быстродействия и гибкости регулирования.
Вместе с тем необходимо отметить, что УЭМСБДПТ более сложна, чем асинхронная машина. Поэтому, каждый раз при оценке перспектив применения УЭМСБДПТ, должны быть проведены соответствующие технические сопоставления. Эти сопоставления, разумеется, могут быть успешными только в том случае, когда хорошо изучены свойства и характеристики УЭМСБДПТ.
На Всесоюзной научно-технической конференции по электро-мсханотронике (Петербург, 1987 г.) академик И. А.Глебов отметил актуальность проблемы электронизации электрических машин и ее связь с программой научно-технического прогресса стран-членов СЭВ на период до 2000 г.
Изучение проблемы электронизации электрических машин было начато в 60-е годы на основе опубликованных трудов И.А.Глебова, Д.А.Завалишина, И.П.Копылова, Ш.И.Лутидзе, И.Е.Овчинникова, А.А. Эфендпзаде, СМ. Багирова, Р.И. Мустафаева и ряда других специалистов, наметивших пути электронизации электрических машин.
В настоящее время известны электромеханические системы, называемые машинно-вентильными системами (А.Е.Козярук, Е.Г.Пла-хтина и др.), машинами с полупроводниковыми коммутаторами (Ш.И.Лутидзе, И.Х.Ситник и др.), вентильными или бесконтактными машинами (А.А.Бут, И.П.Копылов, Н.И.Лебедев, В.К.Лозенко, А.И.Скороспешкин, И.Е.Овчинников и др.), моментными двигателями (А.Ю.Афанасьев, А.Г.Миксров, Л.И. Столов и др.), работа которых без электронных компонентов является невозможной.
Разработка и производство таких электрических машин, функционально совмещенных с электронными компонентами (полупроводниковыми преобразователями, системами автоматического управления и регулирования), требует использования специальных математических моделей и новых технологий проектирования.
С увеличением мощности машины сложность повышается и, в конце концов, современные технические возможности исчерпываются.
В связи с открытым в 1986 г, явлением высокотемпературной сверхпроводимости, перспектива их использования еще больше расширяется.
Электрические машины с использованием явления сверхпроводимости имеют неоспоримые преимущества по сравнению с машинами традиционного исполнения при больших мощностях, особенно там, где требуются минимальная масса машин и пониженные механические инерционности роторов.
В настоящее время ведутся интенсивные работы по исследованию принципов создания сверхпроводящих управляемых бесконтактных двигателей постоянного тока, в которых роль механического коллектора со щетками выполняет сверхпроводящий переключатель, так называемый - криотрон.
Диссертационная работа посвящена вопросам разрабоїмі и пестедоваппя режимов работы УЭМСБДПТ с транзисторным, тпрпеторпым и криогроииым коммутаторами. Работа выполнялась в энергетическом институте им. Г.М.Кржижановского и в Грузинском техническом университете.
Автор более 20 лет непосредственно участвует в работах по созданию и исследованию УЭМСБДПТ в качестве ответственного исполнителя и руководителя работ.
Общее руководство осуществлялось академиком АН РФ, д.т.н., проф. Ш.М.Лутпдзе. Автор выражает глубокую благодарность академику АН РФ, д.т.н.. проф. Ш.П.Душдзеза оказанную помощь в постановке п проведении данного исследования.
В диссертации осуществлено решение крупної! научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение.
1ЩЛЬ РАБОТЫ. Целью диссертации явилось решение проблемы создания УЭМСБДПТ на базе разработки теоретических основ их синтеза, методов исследования режимов и расчета, внедрения полученных результатов в производство.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Разработка методов исследования переходных электромагнитных, электромеханических и стационарных режомов работы УЭМСБДПТ методом определения мгновенных и усредненных значении переменных с применением комплексного преобразования, с учетом законов управления.
-
Вывод общих комплексных уравнении для УЭМСБДПТ по усредненным значениям переменных, как частный случай из этих общих уравнений, получение уравнений УЭМСБДПТ с асинхронным вращением ротора, с. транзисторным, тиристорним н крнотронным коммутаторами.
-
Разработка схемы замещения и исследование статических характеристик УЭМСБДПТ при различных законах управления абсолютной частоты скольжения, напряжения и нагрузочного момента.
-
Комплексное исследование динамических характеристик УЭМСБДПТ при различных управляющих воздействиях, в том числе исследование устойчивости и режимов прерывистого тока.
.5. Разработка законов и устройство управления электромагнитными, .электромеханическими и стационарными режимами в УЭМСБДПТ.
.>
6. Разработка метода расчета коммутационных процессов по
мгновенным значениям переменных в УЭМСБДПТ на тиристорных
переключателях.
7. Исследование принципов создания сверхпроводящих УЭМСБДПТ
и режимов работы.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Электромагнитные и электромеханические процессы, протекающие в УЭМСБДПТ, носят более сложный характер, чем это имеет место в машинах переменного тока. В отличие от машин переменного тока (синхронных, асинхронных) в УЭМСБДПТ по отдельным интервалам времени происходит переключение элементов обмотки. В каждом интервале времени имеет место несимметричный переходный процесс с определенными граничными условиями. В связи с этим методика расчета должна быть построена только на основе теории переходных процессов в электрических машинах переменного тока и в частности на основе теории несимметричных переходных режимов с учетом специфики, вызванной наличием УПК. В настоящее время как в бывшем Советском Союзе, так и за рубежом достигнуты большие успехи по разработке современной общей теории и теории переходных процессов электрических машин. По теории переходных процессов следует отметить работы бывших советских ученых (Алябьев М.И., Важнов А.И., Горев А.А., ГрузовЛ.Н., Иосифьян А.Г., Казовский Е.Я., Костенко М.П., Мамиконянц Л.Г., Михневич Г.В., Тафт В.А. и т.д.), а также зарубежных исследователей (Адкинс, Ковач К.П. и Рац И., Конкордия, Корн Г., Лайон В., Парк и др.).
Эти работы имеют решающее значение для построения теории УЭМСБДПТ.
Появление первых теоретических работ по вентильным двигателям относится к 40-м годам и связано с именами ученых Б.Н.Тихменева, Д.А.Завалишина, О.Г.Вагнера, М.И.Губанова, А.С.Димитрадзе, Б.А.Эттингера и др. Ими детально исследованы схемы на основе синхронной машины и ионного коммутатора. Общим для этих исследований является то, что вентильный двигатель рассматривался с позиции теории синхронных машин по первым гармоникам ЭДС, токам и потокам в зазоре машины.
Дальнейшее развитие и углубление теории вентильных двигателей связано с созданием полупроводниковых вентилей. Широкий класс вентильных двигателей, отличающихся по мощности, обусловил
различный подход к их исследованию. Так, анализ вентильных машин малой мощности проводится с использованием методов исследования коллекторных электрических машин. Работы И.Е. Овчинникова, И.Н. Лебедева, И.Л. Вевюрко, Р. Финка, М. Лиска базируются на этых методах.
Применительно к БДПТ средней мощности аналогичный подход содержится в работах Ш.И.Лутидзе, С.Дейха, А.Г.Назпкяна, Годвина и др. авторов, в которых рассмотрены электромагнитные установившиеся и переходные процессы в БДПТ с произвольным числом фаз по усредненным значениям величин.
Точный анализ электромагнитных процессов связан с использованием метода мгновенных значений, разработанного Н.Папалекси применительно к выпрямителям и развитого в работах Ш.И.Лутидзе, В.А.Кучумова применительно к БДПТ.
Из изложенного следует, что теоретические работы в области БДПТ проводятся уже около полувека. Однако, публикации по результатам исследований, носящих обобщающий характер и охватывающих БДПТ различной мощности, различного типа по УПК, отсутствуют. В опубликованных работах затрагиваются, как правило, задачи частного характера, посвященные исследованию того или иного явления. Причем, исследования одних и тех же явлений и режимов зачастую проводятся различными методами, что приводит к разноречивым результатам. Многие вопросы теории БДПТ исследованы не полно (процессы управления и регулирования, дішамичсскле режимы работы, коммутация и др.).
В диссертационной работе использован метод расчета У ЭМСБДПТ по мгновенным и усредненным значениям переменных с применением комплексного преобразования с учетом новых законов управления.
ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ. Основные научные результаты основаны па использовании теории электрических машин с управляемым полупроводниковым коммутатором: метод расчета но усредненным и мгновенным значениям переменных с применением комплексного преобразования с учетом новых законов управления, а также проведенных в работе аналитических решении.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается сопоставлением с результатами экспериментальных исследовании стационарных п переходных электромеханических процессов п точных расчетов по методу Рунге-Кутта с помощью ЭВМ ЕС-1045. Исследо-
вались лабораторные и онытпо-промышлснпые образцы УЭМСБДПТ. Анализ теоретических и экспериментальных материалов показал их удовлетворительное совпадение, что подтвердило правильность выбранной методики.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующем.
-
Предложены законы управления электромеханических систем с бесконтактными двигателями постоянного тока по частоте и скольжению переключения коммутатора и по напряжению регулирования на входе коммутатора.
-
Предложено устройство для управления электромеханических систем с бесконтактными двигателями постоянного тока, транзисторным, тиристорным и криотронным коммутаторами, что позволило получить механические характеристики, подобные характеристикам двигателя постоянного тока, как с последовательным, так и со смешанным возбуждением.
-
Предложен метод для исследования стационарных и переходных электромеханических режимов УЭМСБДПТ на основе применения усредненных значений величин в сочетании с комплексным преобразованием переменных, с учетом законов управления.
-
Разработаны схемы замещения и исследованы статические характеристики УЭМСБДПТ при различных законах управления абсолютной частоты скольжения, напряжения и нагрузочного момента.
-
Исследованы комплексные динамические характеристики УЭМСБДПТ при различных управляющих воздействиях, в том числе исследованы устойчивость и режимы прерывистого тока.
-
Разработана методика расчета коммутационных процессов по мгновенным значениям переменных, которая позволяет рассчитывать мгновенные значения токов во всех фазах машины в коммутационных интервалах. Методика учитывает все параметры машины в переходных режимах, а в установившемся режиме при пренебрежении активными сопротивлениями обмоток, ввиду кратковременности процесса, позволяет получить аналитические выражения токов и углов коммутации.
-
Исследованы принципы создания сверхпроводящих УЭМСБДПТ и предложены следующие оригинальные устройства:
сверхпроводящие переключатели - криотронов;
многофазный сверхпроводящий коммутатор; * -' сверхпроводящие выпрямители;
- устройство для запиткн постоянным током сверхпроводящих
магнитных систем;
- сверхпроводящая бесконтактная электрическая машина постоянного тока.
8. Исследованы режимы работы сверхпроводящих УЭМСБД1ТТ. Показано, что в рассматриваемой системе соединяются преимущества асинхронного двигателя с преимуществами синхронного двигателя.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Разработанные методы исследований и расчетов режимов УЭМСБДПТ, использованы при создании и внедрении Ткварчельскон ГРЭС N 1, N 2, N 3, N 4, управляемых приводов питателей пыли парового котла N 1 на базе бесконтактных электрических двигателей постоянного тока.
Методика расчета режимов в БДПТ с асинхронно-вращающимся ротором с учетом законов регулирования, применялась в отделе энергетической кибернетики АН Молдавской республики при разработке проекта частотно-регулируемого автоматизированного асинхронного привода питателей пыли парового котла для Молдавской ГРЭС.
Некоторые рекомендации, сделанные в процессе выполнения настоящей работы, реализованы в виде изобретений.
Результаты работы используются в учебных процессах при изучении курса "Переходные электромагнитные и электромеханические процессы в электрических системах".
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертации докладывались на 10-ти Всесоюзных научно-технических конференциях, втом числе, на второй Всесоюзной научно-технической конференции по бесконтактным машинам постоянного тока (г.Москва, МАИ, 1975 г.). на Всесоюзной научно-технической конференции "Современные задачи преобразовательной техники" (г.Киев, 1975 г.), на XIV, XVI, XVII, XVIII. XIX и XXVIII Всесоюзных научно-технических конференциях ученых и специалистов ЭНИН, а им. Г.М.Кржижановского (г.Москва 1974, 1976, 1977, 1978, 1979 и 1988 г.г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы электромеханики" ) г.Москва, МЭИ, 1989 г.), на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава (г.Тбилиси, ГТУ, 1993 г.).
ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты диссертационной работы отражены в 42-х печатных работах, в том числе, в 2-х монографиях, 32-х статьях и в 8-ми авторских свидетельствах.
СТРУКТУРА 11 ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, шести глав, .включения, списка литературы (2,50 наименований)
и приложения, в котором приведены акты о внедрении результатов работы. Диссертация содержит 180 страниц основного машинописного текста, 144 рисунков и 7 таблиц. Приложение содержит 6 страниц.
