Введение к работе
Актуальность работы. В электроэнергетических системах в качестве источников переменного напряжения используются синхронные генераторы (СГ). По электрическим машинам разработки выполняются более 100 лет. Теорию машин переменного тока представили в фундаментальных трудах многие известные ученые: Park R. H., Алексеев А. Е., Костенко М. П., Пиотровский Л. М., Лютер Р. А., Горев А. А., Хуто-рецкий Г. М., Домбровский В. В., Жерве Г. К., Важнов А. И., Вольдек А. И., Иванов-Смоленский А. В., Казовский Е. Я., Данилевич Я. Б., Копылов И. П., Сыромятников И. А., Шакарян Ю. Г. и др. Теоретические основы построения систем возбуждения СГ базируются на указанной теории электрических машин (ЭМ).
СГ выполняются с независимым возбуждением от статических преобразователей через контактные кольца, с бесщеточными вращающимися возбудителями, с самовозбуждением через статические устройства, с системами компаундирования.
В системах независимого возбуждения используются преимущественно тиристор-ные преобразователи. Они обладают большой перегрузочной способностью, хорошо себя зарекомендовали в эксплуатации. Для независимого возбуждения требуется дополнительный источник энергии. Коэффициент мощности тиристорных возбудителей обычно низкий, имеется некоторая инерционность.
В бесщеточных системах возбуждения используются вращающиеся выпрямители. Энергия возбуждения потребляется с вала через маломощную электрическую машину. Наличие на валу двух машин увеличивает длину агрегата, способствует усилению вибраций. По сравнению с независимыми возбудителями бесщеточные системы более инерционны. Однако в них нет контактных колец, угольной пыли.
В системах самовозбуждения (ССВ) энергия для возбуждения СГ потребляется от обмотки статора. Существуют трудности управления СГ при коротких замыканиях и отсутствии напряжения обмотки статора. Эта проблема решается в системах компаундирования, в которых для возбуждения используются также токи фаз.
Системы возбуждения (СВ) поставляются в комплекте с электрическими машинами или как отдельные устройства. В России производителями электрических машин, СВ и ССВ являются ПАО “Силовые машины”, концерн “Русэлпром”, ЗАО “Энергокомплект”; АО “Уралэлектротяжмаш”, ООО “СКБ ЭЦМ”; ОАО “КЭМ-Холдинг”, ООО “Электротяжмаш-Привод”, НПО “ЭЛСИБ” и др. Из зарубежных разработчиков СВ можно выделить фирмы ABB, General Electric, Siemens, Alstom и др. Разработкой тиристорных СВ в России занимались академик Глебов И. А., Волынский Е. И., Логинов А. Г. Хлямков В. А., Кичаев В. В., Горев А. А., Жданов П. С., Груздев И. А., Смоловик С. В., Юрганов А. А., Фадеев А. В., Поляхов Н. Д. и др.
В отличие от тиристорных СВ, транзисторные СВ СГ широкого внедрения пока не нашли. Однако крупные фирмы, например Siemens, рассматривают возможности их применения в связи их быстродействием, высоким коэффициентом мощности, небольшими габаритами, новыми свойствами. Следует отметить, что транзисторные СВ применяются в системах с асинхронизированными машинами. Этот опыт целесообразно использовать и в системах с ЭМ традиционного исполнения.
При разработке установок с СГ и ССВ существенное значение имеет анализ аварийных режимов работы, разработка алгоритмов защит. В этом направлении также выполнены значительные исследования, имеются публикации.
В диссертационной работе решаются задачи разработки транзисторных ССВ с широтно-импульсными преобразователям (ШИП) для СГ. Рассматриваются комплексы, содержащие несколько конструктивных элементов: СГ, ССВ и систему управления (СУ). Исследования выполнены на основе моделирования установок по методологии взаимосвязанных подсистем, позволяющей сократить затраты машинного времени.
Цель работы заключается в выборе перспективных направлений разработок ССВ СГ на основе анализа существующих технических решений, моделирования и исследования на ЭВМ установок с СГ, ССВ и СУ на базе современного развития силовой полупроводниковой техники и средств управления.
Задачи исследований включают в себя обзор технических решений по построению СВ и ССВ СГ, моделирование на ЭВМ установок с СГ, транзисторными ССВ и СУ, исследования на ЭВМ установившихся, переходных и аварийных режимов работы СГ, формирование рекомендаций по структуре ССВ, алгоритмам управления, повышению эффективности систем защиты.
Методы исследования. Для исследования разрабатываются математические и компьютерные модели установок и на них проводятся численные эксперименты. При моделировании электрические системы представляются схемами замещения, функциональными схемами, для анализа которых используются методы электротехники, автоматического регулирования, методология моделирования систем по взаимосвязанным подсистемам, численные методы решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений, ряды Фурье, методы сплайн-аппроксимации кривых и др.
Научная новизна
-
Для СГ с контактными кольцами предложена структура транзисторной ССВ, содержащей диодный выпрямитель, LC-фильтр выпрямленного напряжения и ШИП, в которой с целью минимизации стоимости оборудования за счет исключения согласующего трансформатора использован LC-фильтр напряжения возбуждения на выходе ШИП.
-
Для установок с СГ, ССВ с выпрямителем и двухполярным ШИП, а также с защитной цепью с чоппером и резистором на входе ШИП, предложен алгоритм управления ССВ, заключающийся в использовании регулятора напряжения статора и подчиненного ему регулятора тока возбуждения СГ, воздействующего на напряжение управления ШИП, отличающийся тем, что с целью гашения поля СГ при коротких замыканиях в статоре, в систему управления внесен контур стабилизации входного напряжения ШИП на заданном уровне, воздействующий на открытие защитной цепи. Доказана работоспособность данного предложения.
-
Для установок с СГ, ССВ с выпрямителем и однополярным ШИП предложен алгоритм защиты оборудования от токов короткого замыкания путем отключения возбудителя от обмотки возбуждения взрывным предохранителем и замыкания этой обмотки на разрядное сопротивление.
-
Для синхронных генераторов и транзисторных возбудителей с ШИП предложен алгоритм защиты от витковых замыканий обмотки статора, основанный на выделении гармонической составляющей двойной частоты из напряжения управления ШИП.
-
Разработан комплекс быстродействующих моделей с синхронными генераторами и транзисторными системами самовозбуждения для анализа электромеханических процессов при набросе и сбросе нагрузки, при однофазных, двухфазных, трехфазных и витковых замыканиях. В возбудителе предусмотрена реализация однополярных и двухполярных ШИП.
-
Для синхронных генераторов и систем самовозбуждения с двухполярным ШИП, с целью исключения трансформатора в цепи возбуждения и уменьшения размаха пульсаций напряжения возбуждения, предложено использовать LC-фильтр между ШИП и обмоткой возбуждения.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Алгоритмы управления синхронным генератором с системой самовозбуждения с транзисторным ШИП, обеспечивающие все режимы работы, в том числе защиту от коротких замыканий обмотки статора при использования взрывного предохранителя
в однополярном ШИП и рекуперации энергии из магнитного поля генератора при двухполярном ШИП.
-
Алгоритм выявления витковых замыканий обмотки статора синхронного генератора с транзисторной системой возбуждения с ШИП, основанный на выделении гармонической составляющей двойной частоты из напряжения управления возбудителя.
-
Быстродействующая универсальная модель синхронного генератора с транзисторными системами самовозбуждения с двухполярными и однополярными ШИП, предназначенная для анализа установившихся, переходных и аварийных режимов работы системы, в том числе при витковых замыканиях генератора.
Практическая ценность работы заключается в том, что она открывает сравнительно новое направление развития установок с СГ, обусловленное применением транзисторных преобразователей в системах самовозбуждения, что позволяет повысить быстродействие и надежность систем, улучшить их массогабаритные показатели. Применение транзисторных ССВ перспективно, в первую очередь, в автономных электростанциях (на ледоколах, электровозах, в ветроустановках и др.).
Результаты работы используются в проектах ПАО “Силовые машины”, а также в СПбГЭТУ “ЛЭТИ” в курсах лекций “Моделирование электромеханотронных систем”, “Электромеханотронные комплексы и системы” при подготовке студентов.
Достоверность модели синхронного генератора с транзисторными системами самовозбуждения, а также результатов исследований подтверждена сравнением результатов расчетов на модели с результатами расчетов по заводским методикам, соответствием рассчитанных процессов законам физики, электротехники, проверками баланса мощностей и энергий, экспериментами.
Апробация результатов работы. Основные материалы работы представлены: на конференциях молодых специалистов ПАО “Силовые машины” (2014 г., 2015 г., 2016 г., 2017 г.), ППС СПбГЭТУ “ЛЭТИ” (2015 г., 2016 г., 2017 г., 2018 г.), “95 лет отечественной школе электропривода” (“ЛЭТИ”, 2017 г.), Mechatronika 2014 (Чешская Республика), EPE-2016 (Германия), IECON-2016 (Италия), ElCon 2017 и ElCon 2018 (Russia), на 10 конференции “Реконструкция энергетики 2018” (Москва).
Публикации. По моделированию и расчету систем с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями автор имеет 21 публикацию. Непосредственно по теме диссертации имеется 12 публикаций, в том числе 6 в сборниках ВАК, 3 – в изданиях баз данных Scopus и Web of Science.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение, список литературы из 147 наименований. Основная часть работы изложена на 114 страницах машинописного текста. В работе имеется 68 рисунков, 11 таблиц.