Введение к работе
Актуальность темы. Для повышения качества вырабатываемой электрической энергии необходима разработка элементов систем управления (СУ) с улучшенными характеристиками. Для систем электроснабжения синхронный генератор (СГ) является управляемым объектом управления - элементом системы автоматического управления. Перспективным направлением развития элементов СУ является разработка СГ с гармоническим возбуждением.
В последние годы возрос интерес к использованию энергии высших гармонических магнитного поля для возбуждения и регулирования напряжения СГ. Известны СГ с возбуждением от третьей гармоники магнитного поля, они имеют улучшенные показатели по массе, габаритам, себестоимости и надежности по сравнению с системой фазового компаундирования, позволяют получать эффект саморегулирования, так как при изменении нагрузки обеспечивается характер изменения тока возбуждения, близкий к регулировочным характеристикам СГ.
Основной трудностью на пути создания элементов СУ СГ с гармоническим возбуждением является определение возмущений, для чего используются косвенные методы, например режимные координаты, сильно зависящие от возмущений. Для анализа целесообразности применения тех или иных элементов в системе управления необходимо провести выбор и обоснование режимных координат СУ с элементами гармонического возбуждения.
В качестве элементов СУ СГ с гармоническим возбуждением могут быть использованы СГ с переменным коэффициентом полюсного перекрытия (а). Основное достоинство таких элементов - высокая надежность. Они легко выдерживают высокие температуры перегрева, допускают высокие окружные скорости, имеют малый расход меди на обмотку возбуждения. Для использования СГ с переменным а в качестве элементов СУ с гармоническим возбуждением необходима методика расчета режимных координат СУ. Необходимо оценить
возможность применения СГ с переменным (а) в качестве элементов СУ с гармоническим возбуждением. Для оценки качества стабилизации напряжения на этапе проектирования нужны математические модели элементов СУ с постоянным и регулируемым потоком.
При проектировании СГ основным требованием является соблюдение ГОСТа по качеству электроэнергии в установившихся и переходных режимах работы, необходимо разрабатывать элементы с улучшенными техническими характеристиками, с меньшей массой и габаритами. Поэтому разработка методик расчета и совершенствование существующих элементов СУ СГ, а также разработка методов оценки применимости элементов с гармоническим возбуждением для систем управления является актуальной научно-технической задачей.
Актуальность темы подтверждается тем, что диссертационная работа проводилась в соответствие с протоколом о намерениях между УАПО и УГАТУ, и с договорами АП-ЭМ-64 ОЗ за 1995-1997 г., НЧ-НЧ-91-98 ОЗ.
Целью данной работы является разработка методик расчета, математических моделей и методов оценки применимости различных элементов системы управления синхронных генераторов с гармоническим возбуждением, и их техническая реализация.
Для достижения указанной цели решены следующие задачи:
-
Разработка математических моделей и методик расчета элементов СУ с гармоническим возбуждением.
-
Анализ возможности применения различных типов элементов СУ с гармоническим возбуждением.
-
Выбор и обоснование режимных координат СУ и анализ возможности применения режимных координат кроме третьей гармоники магнитного поля.
-
Разработка методики расчета режимных координат СУ СГ для элементов гармонического возбуждения с переменным коэффициентом полюсного перекрытия.
-
Разработка чувствительных элементов гармонического возбуждения.
6. Техническая реализация элементов СУ СГ с гармоническим возбуждением, экспериментальные исследования, сравнение расчетов с экспериментами.
Методы исследований. Теоретические и численные исследования проведены с использованием метода конформных отображений, аналитического метода расчета магнитных полей, метода суперпозиции. При разработке программного обеспечения и моделирования на ЭВМ использованы вычислительные комплексы "Matchad 7.0 Professional", "Mathematica 2.2".
Научная новизна результатов работы заключается в следующем.
-
Разработана математическая модель элементов с гармошгческим возбуждением при постоянном и регулируемом потоке.
-
Впервые предложена методика выбора режимных координат СУ СГ с элементами гармонического возбуждения, в которой учитывается изменение коэффициента полюсного перекрытия элементов.
-
Установлено, что в известной ранее СУ возможно использование в качестве режимной координаты не только третьей, но и пятой гармоники магнитного потока.
-
Предложены элементы с бигармоническим возбуждением.
5. Обоснованы условия и способы применения известных ранее элементов с
гармоническим возбуждением в качестве элементов с бигармоническим возбу
ждением.
Практическую ценность имеют:
-
Разработанная математическая модель элементов СУ с гармоническим возбуждением при постоянстве потока возбуждения для проектирования бегоо-и электроагрегатов;
-
методика выбора режимных координат СУ для элементов с переменным коэффициентом полюсного перекрытия;
-
методика определения статической ошибки регулирования СУ СГ с элементами гармонического возбуждения;
-
применение элементов с бигармоническим возбуждением при постоянном и регулируемом потоке возбуждения в составе автономных источников питания средней мощности;
-
условия и способы применения известных ранее элементов с гармоническим возбуждением в качестве элементов с бигармоническим возбуждением.
Реализация результатов работы. Материалы и результаты диссертационной работы используются государственным предприятием Уфимским агрегатным производственным объединением при разработке и изготовлении на предприятии бензоагрегатов и элекгроагрегатов, а также Сарапульским электрогенераторным заводом для анализа выходного напряжения при проектировании на предприятии синхронных генераторов различных модификаций (с вращающимися выпрямителями, смешанного возбуждения).
На защиту выносятся:
-
методика определения режимных координат СУ СГ с элементами гармонического возбуждения;
-
методика определения режимных координат СУ с элементами гармонического возбуждения при переменном коэффициенте полюсного перекрытия;
-
математические модели элементов с гармоническим возбуждением при постоянном и регулируемом потоке, при нагрузке с различными коэффициентами мощности.
-
принципы построения и конструкции чувствительных элементов гармонического возбуждения, рассчитанные на третью и пятую гармонику, бигармониче-ского возбуждения для различных типов СГ;
5. результаты экспериментальных исследований элементов с гармоническим
возбуждением.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной докладывались и обсуждались на научно-технической конференции с международным участием (Суздаль, 1995 г.), на 3 международной конференции New Energy Systems And Conversions (Казань, 1997), а также на Всероссийской моло-
дежной научно-технической конференции "Информационные и кибернетические системы управления и их элементы"(Уфа, УГАТУ, 1997).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, из них 1 монография, 2 научно-технических отчета.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 61 наименования и 3 приложений. Основная часть диссертации содержит 149 страниц и включает в себя 69 рисунков и 12 таблиц.
