Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современные передвижные насосные станции на объектах орошаемого земледелия и приводы насосов
1.1 Применение передвижных насосных станций в сельском хозяйстве
1.2 Мобильные мелиоративные насосные станции 15
1.3 Основные показатели эффективности мелиоративных насосных станций 25
1.4 Особенности электроснабжения и электропривод мобильных мелиоративных насосов 27
1.5 Выводы, цель работы и задачи исследования 37
ГЛАВА 2 Математическое описание электрооборудования насосной установки 39
2.1 Общие вопросы математического описания электропривода насосной установки 39
2.2 Математическое описание СДДЯ 48
2.3 Режимы работы и синтез параметров мостового выпрямителя в составе СДДЯ
2.4 Уравнения СДДЯ в фазных координатах 61
2.5 Уравнения СДДЯ в преобразованных координатах 65
Выводы по главе 2 70
Глава 3 Математическое моделирование электрооборудования насосной установки с блоком «трансформатор-СДДЯ» 71
3.1 Объект математического описания, принятые допущения и уравнения специального трансформатора 71
3.2 Система относительных единиц 75
3.3 Общая система уравнений динамических режимов блока «трансформатор-СДДЯ»
3.4 Уравнения и математическая модель статического режима "трансформатор-СДДЯ" 79
3.5 Потери и КПД блока «трансформатор-СДДЯ» Я7
Выводы по главе 3
ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования и экономическая оценка электрооборудования насосов 88
4.1 Схема экспериментальной установки для испытаний блока «трансформатор-СДДЯ» в статическом и динамическом режимах
4.2 Экспериментальные исследования динамических режимов блока «трансформатор-СДДЯ» 90
4.3 Экономические показатели электрооборудования мобильного наcoca Выводы по главе 4 100
Общие выводы 102
Список литературы
- Мобильные мелиоративные насосные станции
- Режимы работы и синтез параметров мостового выпрямителя в составе СДДЯ
- Уравнения и математическая модель статического режима "трансформатор-СДДЯ"
- Экспериментальные исследования динамических режимов блока «трансформатор-СДДЯ»
Введение к работе
Актуальность темы исследований. По условиям ведения сельскохозяйственного производства практически все регионы России относятся к зоне неустойчивого увлажнения, характерной особенностью которой является недостаток естественных осадков. Вместе с тем, значительные площади земель не пригодны к земледелию вследствие переувлажнения (болотистые, плавневые, подтопленные и др.). Применение искусственного орошения и осушения земель является высокоэффективным средством развития сельскохозяйственного производства.
В 2012 году в Российской Федерации имелось 6,1 млн. га орошаемых и 5,1 млн. га осушенных земель. Мелиорируемые земли, занимая 5% земельных угодий, давали до 15% валового производства продукции растениеводства. За счет орошаемых земель в ряде регионов Северного Кавказа, Поволжья и Сибири была решена проблема производства кормов для животноводства. В стоимостном выражении отдача мелиорируемого гектара была в 1,5-4 раза выше, чем богарного. Вместе с тем, орошаемое земледелие в России находится в кризисном состоянии. Выходу из него способствовали бы предложения по усовершенствованию оборудования насосных установок, снижению их стоимости и эксплуатационных расходов. Особенно эффективным является снижение затрат на оплату электроэнергии или дизельного топлива насосных установок.
Особенностью Краснодарского края является наличие в районах традиционного орошаемого земледелия развитой сети линий электропередачи специального мелиоративного назначения. Созданные в 70-80 гг. прошлого века, в период максимального использования орошения в сельскохозяйственном производстве, электрические сети обслуживали сеть оросительных и сбросных насосных станций, главным образом стационарных. Большинство этих станций в последующие годы пришли в негодность; их восстановление требует больших капитальных затрат. Электрические сети при этом находятся в рабочем состоянии или требуют малых затрат на восстановление. Использование этих сетей и
4 мобильных насосов позволит ускорить возрождение отрасли и снизить капиталовложения за счет использования имеющегося ресурса.
В диссертации содержатся предложения по усовершенствованию электропривода мобильных мелиоративных насосов и приводятся результаты исследований предложенного привода.
Работа выполнена по плану НИР Кубанского ГАУ ГР 01.2006.06851, раздел 27.1.4 (2006-2010 гг.); ГР 01.2011.53641, раздел 27.1.4 (2011-2015 гг.).
Степень разработанности темы. Для проведения гидромелиоративных работ в сельскохозяйственном производстве используются стационарные и мобильные насосные установки с преимущественно асинхронным приводом, недостатком которого являются относительно невысокие энергетические показатели. Современный синхронный привод насосов отличается высокой сложностью конструкции и эксплуатации.
Необходимость разработки новых конструкций синхронного привода обусловлена стремлением повысить энергетические показатели и упростить эксплуатацию электропривода.
Научная гипотеза. Снизить эксплуатационные затраты на проведение сельхозмелиоративных работ с применением мобильных насосов можно применением синхронного электропривода при снижении стоимости и повышении КПД его электрооборудования.
Цель исследования - обосновать рациональный комплекс электрооборудования мобильных насосных установок мелиоративного назначения для сельскохозяйственных районов с развитыми электрическими сетями 10 кВ, уменьшающий потребление и потери электроэнергии для снижения себестоимости сельхозмелиоративных работ.
Объект исследования - силовой блок «трансформатор-синхронный двигатель» на базе синхронного двигателя с двойной якорной обмоткой (далее «трансформатор-СДДЯ»).
Предмет исследования - электромагнитные процессы и режимы работы СДДЯ и трансформатора в составе электротехнического комплекса мобильной
5 насосной установки; потери и энергетические показатели электропривода на базе синхронного двигателя с двойной якорной обмоткой. Задачи исследования:
-
Дать количественную оценку составляющих потерь электроэнергии при электроснабжении мобильной мелиоративной насосной станции при использовании синхронного и асинхронного приводов насосов и определить эффективность мер по снижению потерь электроэнергии.
-
Предложить рациональный электропривод мобильных мелиоративных насосов.
3. Разработать математическую модель статических режимов блока
«трансформатор-СДДЯ», адаптированную к использованию программы
«MatLab», для определения переменных величин электрооборудования насоса.
-
Провести экспериментальные исследования электромагнитных и электромеханических процессов при пуске насоса и установить закономерности распределения токов в обмотках трансформатора и СДДЯ.
-
Определить область целесообразного применения указанных блоков взамен серийных приводов с трансформатором и асинхронным короткозамкну-тым двигателем.
Методы исследования. Использованы теория электромеханического преобразования энергии, математическое моделирование электромагнитных и электромеханических процессов в машинно-вентильной системе с использованием программного комплекса «Matlab», экспериментальные исследования статических и динамических электромагнитных и электромеханических процессов СДДЯ, функционально-стоимостный анализ электрооборудования мобильной мелиоративной насосной установки.
Научную новизну работы составляют:
1. Предложения по усовершенствованию конструкции электропривода мелиоративных насосов, направленные на снижение потерь и потребление электроэнергии при эксплуатации;
-
Обоснование метода моделирования блока «трансформатор-СДДЯ», включая обоснование рациональной системы относительных единиц в математическом описании электрооборудования блоков;
-
Математическая модель блока «трансформатор-СДДЯ» на основании системы уравнений статического режима в ортогональных d,q координатах;
-
Результаты анализа режимов работы выпрямителя в составе СДДЯ;
5. Закономерности распределения токов в обмотках трансформатора и
двигателя в эксплуатационных режимах и их влияние на потери электроэнергии
в блоке «трансформатор-СДДЯ».
Практическая значимость.
-
Установлена возможность снижения потерь электрической мощности при работе электрифицированной мелиоративной мобильной насосной установки применением специализированного электропривода насосов на базе синхронного двигателя с двойной якорной обмоткой.
-
Предложена конструктивная схема электропривода мобильной мелиоративной насосной установки, позволяющая снизить потери мощности, уменьшить габариты и стоимость электропривода в сравнении с серийным синхронным приводом насосов.
-
Получены соотношения составляющих потерь мощности при работе электрифицированной мелиоративной мобильной насосной установки, позволяющие установить эффективность разработки нового электропривода на стадии проектирования.
-
Получены выводы о характере электрических и магнитных процессов при пуске и установившемся режиме электропривода на базе блока «трансформатор-СДДЯ», подтверждающие устойчивость работы оборудования и снижение потерь мощности в электроприводе и питающей сети.
-
Определена величина чистого дисконтированного дохода для мобильной электрифицированной насосной установки мощностью 200 кВт для условий электроснабжения и эксплуатации, характерных для Краснодарского края.
7 Положения, выносимые на защиту.
1. Математическая модель статического режима блока «трансформатор-
сддя».
2. Результаты экспериментального исследования электромагнитных и
электромеханических процессов в блоке «трансформатор-СДДЯ» в режимах
пуска насосного оборудования.
3. Математическое описание электромагнитных процессов в блоке
«трансформатор-СДДЯ» в динамических режимах.
-
Обоснование схемы замещения выпрямителя в составе СДДЯ в математическом описании электрооборудования.
-
Выявленные соотношения потерь мощности в электроприводе и питающей сери при работе электрифицированного мобильного насоса с синхронным двигателем серийного производства и с приводом на базе блока «трансформатор-СДДЯ».
-
Расчеты чистого дисконтированного дохода для случая применения электропривода мобильного мелиоративного насоса на базе блока «трансформатор-СДДЯ».
Реализация результатов исследований. Результаты исследований реализованы в экспериментальных образцах электропривода мобильных мелиоративных насосов. Электропривод 200 кВт внедрен на орошаемых виноградниках агрофирмы «Мысхако» (г. Новороссийск). Электропривод 4,5 кВт используется в лабораторном оборудовании учебного процесса на факультете энергетики Кубанского ГАУ. Методика проектирования предложенного оборудования используется в ОАО «Новороссийский электроремонтный завод».
Апробация работы. Основные положения и выводы диссертации доложены и одобрены на ежегодных научных конференциях Кубанского ГАУ 2007-2014 гг., на Всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых «Научное обеспечение АПК» 2008-2013 гг. (г. Краснодар), Международных научных конференциях «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки», 2007-2013 гг. (г. Краснодар), Межвузовских региональных конфе-
8 ренциях «Электромеханические преобразователи энергии» 2008-2010 гг. (г. Краснодар), на ежегодных научных конференциях Кубанского социально-экономического института 2010-2012 гг. (г. Краснодар).
Публикация результатов исследований. Основные положения диссертации опубликованы в 18 печатных работах, включая три патента РФ на изобретения и четыре работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, включающего 120 наименований, в том числе 4 - на иностранных языках и приложений. Диссертация изложена на 119 страницах машинописного текста, включая 3 страницы приложения, содержит 20 рисунков, 30 таблиц.
Мобильные мелиоративные насосные станции
Проблема передачи электроэнергии к мобильным объектам относительно большой мощности сопряжена с известными сложностями. Подробные исследования этого вопроса нашли свое отражение в ряде литературных источников [7, 8, 39, 57, 60, 69, 77]. В первую очередь выделяется рассредо-точенность электрических нагрузок, включая мобильные насосы и стационарные насосные станции, на значительной территории, что связано с большой протяженностью электрических сетей при относительно малой плотности нагрузок. В таких условиях затруднено решение задачи обеспечения высокого качества электрической энергии, в частности, предусмотренного стандартом уровня напряжения на электроприемниках, а также минимизации затрат на сооружение и эксплуатацию линий электропередачи (ЛЭП). Мини мизация сечения проводников ЛЭП приводит к возрастанию потерь электроэнергии. Попытки решения эти вопросов за счет увеличения сечения проводников ЛЭП приводят к их существенному удорожанию. Лучшие результаты в таких условиях дает применение специализированного электрооборудования, обладающего высокими собственными энергетическими показателями и предъявляющего менее высокие требования к качеству электрической энергии.
Следует также отметить такое положительное свойство насосных установок как способность выполнять функции регуляторов реактивной мощности сети при использовании синхронного привода насосов [9, 29, 61, 62, 63,69,102].
Мелиоративные насосные станции, стационарные и мобильные, являются наиболее энергоемкими потребителями в сельском хозяйстве. Их насосы нуждаются в надежном, простом в управлении электроприводе, обладающем требуемыми электромеханическими свойствами, высокими энергетическими показателями и возможно низкой стоимостью. Приведенная в [90] классификация систем электропривода центробежных мелиоративных насосов охватывает практически все известные электроприводы насосов как общего, так и специального назначения. Широкое практическое применение в мелиорации нашли нерегулируемые электроприводы переменного тока -асинхронные и синхронные; регулируемые используются преимущественно в системах коммунального и производственного водоснабжения.
Приведенная классификация (рисунок 1.5) позволяет выявить то обстоятельство, что универсального типа привода насосов, оптимального в любых условиях электроснабжения и эксплуатации, в настоящее время не существует. Наиболее широкое применение в насосных станциях орошаемого земледелия нашли нерегулируемые электроприводы переменного тока на базе асинхронного короткозамкнутого двигателя при мощностях насосов до 100 кВт и синхронного электродвигателя для насосов мощностью свыше 500 кВт. От 100 до 500 кВт применяются приводы на базе асинхронных и синхронных двигателей. Отрезок мощности от 100 до 500 кВт наиболее явно отражает недостатки каждого из этих типов двигателей: сложность и дороговизну синхронных двигателей и невысокие энергетические показатели асинхронных. Но именно этот отрезок мощности наиболее востребован на мобильных насосных станциях.
Приведем наиболее общие требования к приводу мелиоративных насосов: - КПД электропривода должен быть возможно более высоким, поскольку насосы относятся к энергоемким потребителям электроэнергии, где даже небольшое увеличение КПД приводит к значительному уменьшению мощности потерь; - коэффициент мощности привода должен быть близок к единице. В отдельных случаях целесообразно наличие реактивной мощности емкостного характера для компенсации реактивной мощности соседних (по сети) электроприемников и трансформаторов; - пусковой ток двигателя должен быть на уровне 1,3 ...2,5 кратного от номинального, что обусловлено значительным влиянием пускового тока электродвигателей на режим работы питающей линии электропередачи; - время разбега двигателя и насоса должно составлять 5... 15 с, что определяется особенностями фильтрующей системы насосной станции; - стоимость электропривода не должна значительно превышать стои мость привода на базе асинхронного короткозамкнутого двигателя; - расходы на обслуживание электропривода должны быть соизмеримы с расходами на эксплуатацию электропривода с АД; - привод должен быть прост и надежен в эксплуатации; - в приводе должна использоваться серийная коммутационная аппаратура для управления двигателями до 500 кВт при напряжении до 1000
Наиболее близким по энергетическим показателям являются синхронные двигатели. Они обладают следующими особенностями: - более высокими, чем у АД, энергетическими показателями (КПД и коэффициент мощности); - больший, чем у асинхронных двигателей, зазор между ротором и статором, (имеющий тенденцию к уменьшению при внедрении быстродействующих АРВ), что делает конструкцию синхронной машины более надежной; - большая по сравнению с асинхронным двигателем устойчивость при снижениях напряжения сети; - синхронные двигатели оказывают известное положительное влияние на работу энергосистемы. Они повышают устойчивость энергосистемы, способствуют поддержанию стабильного уровня напряжения, снижают потери мощности в системе за счет увеличения коэффициента мощности узла нагрузки; - в качестве положительного свойства следует также указать на способность СД подпитывать место короткого замыкания, что актуально для сельскохозяйственных электрических сетей, поскольку повышает надежность срабатывания защитных устройств.
Рациональное использование синхронных двигателей для компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения может дать существенный экономический эффект за счет увеличения пропускной способности ЛЭП, улучшения качества электроэнергии, повышения экономичности работы электрической сети и присоединенных к ней электроприемников. Но сложность процесса пуска, большой пусковой ток, дороговизна и сложность эксплуатации систем возбуждения сдерживает широкое применение СД в мелиорации. Для мобильных мелиоративных насосов основным законом автоматического регулирования возбуждения (АРВ) синхронных двигателей является закон на постоянство коэффициента мощности потребителя, равного единице.
Для серийных СД используют различные по конструкции возбудители. Известные конструкции систем возбуждения с электромашинным возбудителем постоянного тока [13, 25, 64, 87], исторически первые и основные до 60-х годов прошлого века, утратили практическое применение, вытесненные более совершенными статическими возбудителями с полупроводниковыми выпрямителями [25, 28, 65-67, 113].
Для мелиоративных насосов характерен длительный режим работы 51 со слабо изменяющейся нагрузкой, что позволяет использовать упрощенные системы возбуждения. Наиболее полно предъявляемым к системе возбуждения требованиям удовлетворяют известные устройства смешанного возбуждения [61], система с двумя двухобмоточными трансформаторами и выпрямителем [66] и система возбуждения с трехобмоточным компаундирующим трансформатором и диодами [67]. Вопросам сопоставления различных систем возбуждения посвящены работы [61, 62, 64, 87, 90, 113], где, в частности, показано, что лучшими технико-экономическими показателями обладает СД с трехобмоточным компаундирующим трансформатором и диодами. Однако и ему свойственны такие недостатки, как высокий пусковой ток, наличие вынесенных за габарит двигателя возбудительных устройств и потери электрической мощности в них, наличие скользящих контактов, усложняющих и удорожающих привод, и др. Их устранение создает предпосылки для расширения применения в приводе мелиоративных насосов синхронных двигателей.
Режимы работы и синтез параметров мостового выпрямителя в составе СДДЯ
Значительная протяженность линий электропередачи сельхозмелиора-тивного назначения делает актуальным поиск путей снижения потерь электроэнергии в них при передаче электроэнергии насосным установкам, включая мобильные.
Снижение потерь электроэнергии в линиях электропередачи снижает стоимость проведения сельхозмелиоративных работ при орошении или осушении сельскохозяйственных земель, если не сопровождается значительным увеличением стоимости электрооборудования. Лучшие результаты по сни жению стоимости сельхозмелиоративных работ дает применение электропривода на базе предложенного автором блока «трансформатор-СДДЯ».
Отсутствие научных данных об особенностях протекания электромагни-тых процессов в блоке «трансформатор-СДДЯ» в нормальных и аварийных условиях работы привода насоса не позволяет эффективно решать задачу проектирования привода мобильных мелиоративных насосов, определить требования к устройству трансформатора, двигателя, аппаратам управления и защиты.
Цель исследования - обосновать рациональный комплекс электрооборудования мобильных насосных установок мелиоративного назначения для сельскохозяйственных районов с развитыми электрическими сетями 10 кВ, уменьшающий потребление и потери электроэнергии для снижения себестоимости сельхозмелиоративных работ.
В соответствии с составом электротехнического комплекса мобильной насосной станции, обоснованным в главе 1, диссертационному исследованию подлежат синхронный двигатель с двойной якорной обмоткой (СДДЯ) конструкции КубГАУ в блоке со специальным трансформатором, адаптированным к работе с СДДЯ [7].
Исследование электромагнитных процессов и режимов работы в электромашинных системах наиболее эффективно осуществляется построением математической модели электрооборудования, адекватно отражающей электромагнитные процессы в них [17, 51, 56, 84, 88, 93, 104, 118]. Моделированию электромагнитных процессов в трансформаторах и синхронных двигателях в технической литературе уделяется весьма много внимания. Эти элементы составляют базу современных электротехнических систем и комплексов различного технологического оборудования, включая стационарные и мобильные насосные агрегаты.
Что касается моделирования СДДЯ, основы его теории и математическое описание разрабатывают представители научной школы КубГАУ, к которой относит себя и автор работы. Наиболее полное математическое описание СДДЯ в фазных а, Ъ, с координатах и преобразованных ортогональных d, q, 0 координатах разработано и представлено в публикациях проф. Стриж-кова И.Г. [90-101]. В систематизированном виде эти вопросы изложены в [102]. Предложенные им математические модели СДДЯ ориентированы на применение численных методов решения систем дифференциальных или алгебраических уравнений и использование аналого-цифровых машинных ме тодов математического моделирования, особенно эффективные с появлением пакета моделирующих программ «MatLab-Simulink».
Основу модели СДДЯ составляет математическое описание, построенное на основе системы дифференциальных уравнений равновесия напряжения в электрических контурах машины в фазных координатах. Сложность и громоздкость системы уравнений СДДЯ объясняется тем, что этот двигатель представляет собой машинно-вентильную и многоконтурную систему с взаимосвязанными электрическими и магнитными процессами. Использование известных преобразований уравнений по типу уравнений Парка-Горева [1, 35, 44, 50, 51, 115] лишь несколько снижает громоздкость системы уравнений и упрощает её решение.
Математическому описанию трансформаторов и синхронных двигателей в научно-технической литературе уделено достаточно большое внимание. Однако при совместном описании этих устройств возникают частные проблемы, недостаточно освещенные. К ним относится, в частности, проблема формирования базисных величин для представления процессов в общих электрических цепях в системе относительных единиц (о.е.). Практика применения системы о.е. является общепринятой в современной электромеханике, однако единый подход к формированию системы о.е. до настоящего времени не сформировался. Разные авторы применяют разные системы о.е., что требует дополнительного рассмотрения этого вопроса применительно к исследуемому в диссертации вопросу совместного описания трехфазного двух-обмоточного трансформатора и классического синхронного двигателя, применяемого для привода насосов.
Уравнения равновесия напряжений трансформатора в переходных процессах имеют известный вид [52]: щ = i\Y\ + pL\i\ + рМ i2; -и2 = рМ h + i2r2 + pL2i2 (2.1) где р = d/dt - знак производной; Г\ и г2 - активные сопротивления первичной и вторичной обмоток; L\ и L2 - индуктивности первичной и вторичной обмоток; М - взаимная индуктивность первичной и вторичной обмоток.
При этом имеют в виду, что трансформатор симметричен и работает при симметричной нагрузке. В этом случае напряжения составляются для одной фазной обмотки, поскольку в других фазах процессы аналогичны при смещении во времени на 120 эл. град, (или 2л/3 рад.)
Необходимо отметить, что операция приведения параметров и переменных к одной ступени напряжения трансформатора в рассматриваемом случае выполняется нетрадиционно: параметры первичной обмотки приводятся к вторичной, что продиктовано особенностями блока Т-СД. Для исследования электротехнической системы Т-СД удобнее приведение параметров и переменных выполнять к ступени напряжения, общей для обоих элементов (т.е. к вторичному напряжению трансформатора).
Уравнения и математическая модель статического режима "трансформатор-СДДЯ"
Известно [23, 27], что в нормальном режиме мостового выпрямителя возможны три режима работы, отличающиеся количеством одновременно проводящих вентилей: чередующиеся группы по два и три проводящих вентиля (режим 2-3); группами по три проводящих вентиля (режим 3-3) и группами по три и четыре проводящих вентиля (режим 3-4). Каждому из режимов присущ свой характер изменения угла коммутации вентилей у и угла запаздывания а. В режиме 2-3 угол у принимает значение от 0 до л/3, а угол а = 0; в режиме 3-3 у = л/3, а а принимает значение от 0 до л/6; в режиме 3-4 угол а = л/6, а у принимает значение от л/3 до л/2. Особенности коммутации вентилей в этом режиме демонстрируют кривые токов и выпрямленного напряжения на рисунке 2.4. Решающим образом на режим проводимости и характер коммутации вентилей оказывает соотношение индуктивного сопротивления анодной цепи xs и сопротивления нагрузки Г/ (Mf = xj Ff ). Активное сопротивление анодной цепи мало влияет на угол коммутации вентилей, что позволяет пренебречь этим влиянием в рассматриваемой задаче.
СДДЯ, как всем синхронным машинам, свойственно большое индуктивное сопротивление якорной обмотки (анодной цепи) и малое сопротивление обмотки возбуждения (нагрузки), в то время, как уже при А/ л/3 наступает режим проводимости вентилей 3-4, вследствие чего режим 3-4 является наиболее характерным для рассматриваемой задачи.
Одним из характерных режимов работы синхронных двигателей является форсировка возбуждения, применяемая для повышения устойчивости привода насоса при аномальных режимах работы питающей сети (например, при коротких замыканиях в линии). В этом режиме опорная якорная обмотка отключается и СДДЯ становится машиной последовательного возбуждения. Математическое описание электромагнитных процессов в выпрямителе рассматривается для такого режима работы двигателя. Взаимную зависимость токов и ЭДС обмоток якоря и возбуждения можно отразить схемой замещения на рисунке 2.5, учитывающей, что в синхронной машине результирующий магнитный поток в воздушном зазоре образуется совместным действием этих обмоток.
Учитывая, что рассматривается симметричный режим работы трехфазной цепи, уравнение равновесия напряжений можно представить для одной фазы. В действующих значениях величин и комплексной форме записи уравнение равновесия напряжения для проходной обмотки СДДЯ имеет вид: К = пі +jxsl +]хт1п + lb, (2.26) где Іщ - ток намагничивания двигателя в комплексной форме; /$ - ток якоря; Ur - напряжение на входе выпрямителя; xs - индуктивное сопротивление ста-торной обмотки; хт - индуктивное сопротивление реакции якоря; Г\ - активное сопротивления проходной якорной обмотки.
Комплексные токи 1уп и L, связаны между собой соотношением, отраженном схемой замещения на рис. 2.6, и уравнением: lm= L+ L f (2.27)
Поскольку для синхронных двигателей средней мощности реактивное сопротивление статорах лежит в диапазоне 0,7-1,6 о.е. [13, 45, 47], а нагрузку выпрямителя составляет обмотка возбуждения с активным сопротивлением Ff = 0,005-0,1 о.е., то режимом работы выпрямителя является режим 3-4. Уравнение внешней характеристики неуправляемого выпрямителя в режиме 3-4 в действительных величинах имеет вид:
Уравнение (2.30) есть уравнение внешней характеристики выпрямителя в схеме двигателя последовательного возбуждения. Связь между переменными этого уравнения может быть установлена на основании векторной диаграммы на рисунке 2.7, где представлены варианты недовозбужденной (рисунок 2.7,а) и перевозбужденной (рисунок 2.7,6) синхронной машины. Для недовозбужденной машины характерно, что угол смещения вектора Е по отношению к векторам и_а и -Ef мал и угол, образованный векторами Е и -Е/, можно приближенно принять равным нулю.
При малых значениях угла 0 условие (2.33) выполняется при всех возможных значениях тока возбуждения. Рисунок 2.7 - Векторная диаграмма неявнополюсного СД с выпрямителем: а) с недовозбуждением; б) с перевозбужденеием
Режиму проводимости 3-4 свойственна такая особенность, что электрическое сопротивление открытых вентилей соизмеримо с сопротивлением нагрузки, вследствие чего представление вентиля идеальным с нулевым падением напряжения в проводящем состоянии, широко используемое для анализа режимов 2-3 и 3-3, для режима 3-4 вносит значительную погрешность в результаты расчетов. Более точные результаты дает представление вентилей схемой замещения из последовательно соединенных идеального вентиля, постоянного порогового напряжения Uo и динамического сопротивления гв [92]. В этом случае расчетная схема выпрямителя имеет вид, представленный на рисунке 2.7,а.
Известно, что в схемах выпрямления активную мощность несет только первая (основная) гармоника тока, в связи с чем активная мощность источника ЭДС может быть записана как Р = 3EI\Cos(p, где 1\ - действующее значение первой гармоники тока, cosq) = X cosq)i, фі - угол сдвига первых гармоник тока и ЭДС, X = S\/S - коэффициент искажения, Si - полная мощность по основной гармонике тока, S - по реальному току. где кф = 1,8 - коэффициент формы тока вентиля; 1ср - среднее значение тока вентиля за период (Icp = If/3); гв- активное сопротивление открытого вентиля. Среднее значение тока вентиля за период можно определить, приняв допущение о линейном характере коммутации перекрываемых вентилей на участке проводимости четырех вентилей. В этом случае среднее значение тока вентиля за полпериода превышает среднее значение тока фазы на величину Ыср
Экспериментальные исследования динамических режимов блока «трансформатор-СДДЯ»
Экспериментальные исследования статических и динамических режимов блока «трансформатор-СДДЯ» необходимы для уточнения особенностей работы электрооборудования в составе блока и для формирования технических требований к параметрам обмоток трансформатора и СДДЯ в составе соответствующего блока. Экспериментальным исследованиям подвергались рабочие характеристики и электромагнитные динамические процессы при пуске двигателя. Рабочие характеристики исследовались на лабораторной модели блока «трансформатор-СДДЯ» и математической модели в среде Matlab-Simulink; динамические характеристики - на лабораторной модели.
Лабораторная модель блока выполнена на базе синхронной машины БМЗ-4,5/4-М1 4,5 кВА, 1500 об/мин, с реконструкцией его обмоток статора и ротора. Ротор машины дополнен пусковой короткозамкнутой обмоткой (четыре медных короткозамкнутых стержня диаметром 6 мм на полюс). Параметры обмотки статора и ротора имеют следующие показатели: обмотка воз-буждения Lf = 148 витков, проводник сечением 1,22 мм , опорная и проходная обмотки статора (якорные) выполнены медным круглым проводом сечением 0,985 мм и имеют по 156 витков. Выпрямительный мост состоит из шести неуправляемых кремниевых вентилей В-16.
Трансформатор выполнен на базе серийного трансформатора ТС-4,0 с напряжениями 380/220 В с установкой дополнительной вольто добавочной обмоткой на стороне 220 В. Паспортные данные: номинальная мощность 4 кВА; потери холостого хода 40 Вт; потери короткого замыкания 115 Вт; напряжение КЗ 3 %, ток холостого хода 11%. В качестве нагрузочной машины использован тарированный генератор постоянного тока со следующими паспортными данными:
Предварительные испытания изоляции синхронного двигателя и трансформатора проведены методами, предусмотренными ГОСТ 11828-86 «Машины электрические вращающиеся - Методы испытаний» [33] и ГОСТ 10169-77 «Машины электрические трехфазные синхронные. Методы испытаний» [32]. Сопротивления изоляции соответствуют заводским испытаниям. Измерение токов, напряжений, активной и реактивной мощности в испытаниях в статическом режиме производилось измерительными комплектами К50, К505 и К51, класс точности которых соответствует требованиям указанных ГОСТов. Регистрация токов в обмотках двигателя и трансформатора в динамических режимах производилась при помощи аналого-цифрового преобразователя (АЦП), подключенного к компьютеру. Подключение 10169-77АЦП к исследуемой цепи производилось при помощи измерительных трансформаторов тока, вторичные обмотки которых нагружались на измерительные шунты.
Регулирование нагрузки осуществляется реостатом Rmr. Параметры питающей сети соответствуют требованиям ГОСТ 28173-89 (МЭК 34-1-83) «Машины электрические вращающиеся. Номинальные данные и рабочие характеристики» [31].
Экспериментальное исследование динамических режимов на натурных образцах электрооборудование во многих случаях затруднено ввиду сложного характера процессов, значительного влияния начальных условий на протекание электромагнитных процессов, трудно поддающихся стабилизации и высокой вероятности выхода испытываемого оборудования из строя аварийным характером динамических режимов. В таких и подобных случаях исследования динамических режимов целесообразно производить на математических моделях.
Пусковые процессы. Методика исследования пусковых процессов в синхронном двигателе отражена в ряде публикаций [47, 48, 58, 59, 77, 107]. На рис. 4.5.а представлены результаты осциллографирования трехфазных токов при асинхронном пуске лабораторной модели двигателя, состоящем из разбега и последующей синхронизации двигателя. Ток в фазе А, имеющий наибольшее мгновенное значение при разбеге, выделен в отдельную осциллограмму, представленную на рис. 4.5.6 На рис. 4.6 и 4.7 представлены соответственно изменения электромагнитного момента и потребляемой активной мощности двигателя.
Как известно, основным показателем экономической оценки использования результатов научно-исследовательской работы, новой техники и изобретений служит годовой экономический эффект, получаемый в хозяйствах в виде чистого дисконтированного дохода от снижения затрат на производство сельскохозяйственной продукции [9, 63, 75, 89]. В то же время, при сравнении вариантов технических решений по сооружениям насосных станций необходимо пользоваться методом сравнительной экономической эффективности [ВСНЗЗ-2.2.12-87].
Согласно указанному ВСН, пользоваться этим методом следует при обосновании необходимости освоения новых видов оборудования материа лов и конструкций; определении оптимальных размеров и конструктивных решений основных и вспомогательных сооружений насосной станции. Показателем сравнительной экономической эффективности капитальных вложений является минимум приведенных затрат, определенных по формуле = Вяй +илм (41) где За - приведенные затраты по одному из рассматриваемых вариантов «а»; Ua - ежегодные издержки производства по варианту «а» (в первом приближении - это отчисления на амортизацию, текущий ремонт, содержание штата, стоимость электроэнергии); Ка - сумма капитальных вложений в строительство объекта по варианту «а»; Ен - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, равный 0,12.
Показатели К и U применяют как в полной сумме капитальных вложений и ежегодных издержек производства, так и в виде удельных величин. При сопоставлении разрешается учитывать показатели К и U лишь тех элементов сооружений, которые меняются по вариантам сравниваемых сооружений. При этом должна быть обеспечена сопоставимость вариантов в целом по показателям, указанным в СН 509-78.
Из числа сравниваемых вариантов наиболее экономичным следует считать вариант, для которого За равны минимуму. При выборе оптимального варианта следует учитывать не только экономические показатели, но и технические: удобство эксплуатации, долговечность и т.д.