РОЗВИТОК МЕТОДІВ СИНТЕЗУ СХЕМ ЗАМІЩЕННЯ СИНХРОННИХ МАШИН ПРИ ПРЕДСТАВЛЕННІ ОБМОТКИ ЗБУДЖЕННЯ БАГАТОКОНТУРНИМ КОЛОМ

Короткий зміст

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одна з областей теорії електричних машин (ЕМ) – дослідження процесів в різних режимах роботи – грунтується на використанні схем заміщення, що відображають зв'язок між струмами і потокозчепленнями в магнітно зв'язаних контурах машини. Такий підхід забезпечує необхідну точність розрахунків тільки при досить точному визначенні параметрів схем заміщення електричної машини.

Найбільш універсальним є розрахункове визначення параметрів схем заміщення, засноване на теорії електромагнітного поля. Проте, з одного боку, визначення параметрів таких схем заміщення в умовах експлуатації електричних машин надто скрутне, а з іншого - отримувані в цьому випадку точні схеми заміщення мають досить складні структури і незручні для моделювання перехідних процесів в часі.

В той же час є широке коло задач, коли достатньо лише точно визначити розподіли струмів в контурі обмотки збудження і еквівалентно в конструктивних елементах ротора, що відображають демпфуючі властивості.

Використання загальноприйнятих багатоконтурних схем заміщення, що передбачають рівність взаємоіндукції між всіма контурами, синхронної машини (СМ) забезпечує досить високий рівень точності при дослідженні перехідних процесів в обмотці статора, але не виключає суттєвих похибок при визначенні струму в обмотці збудження (ОЗ) СМ.

Це свідчить про неправильне відображення властивостей обмотки збудження при її представленні в схемах заміщення одним контуром.

Тому доцільна постановка завдання структурної деталізації ротора при синтезі схем заміщення шляхом виділення гілки ОЗ, представленої у вигляді низки паралельно увімкнених контурів з постійними, незалежними від частоти параметрами.

У зв'язку з цим тема дисертаційної роботи, спрямованої на розробку методів синтезу уточнених схем заміщення, що дозволяють підвищити рівень достовірності при розрахунку струморозподілу в роторі, є актуальною.

Сучасний рівень розвитку засобів інформаційно-вимірювальної та обчислювальної техніки створює необхідні передумови для вдосконалення існуючих і розробки нових ефективних методів ідентифікації електричних машин.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота безпосередньо пов'язана з науковою тематикою кафедри електричних систем ДВНЗ „Донецький національний технічний університет”. Дослідження, результати яких приведені в дисертації, пов'язані з виконанням науково-дослідної роботи Н-17-05 – “Удосконалення математичного, інформаційного і програмного забезпечення систем управління і діагностики електроенергетичних об'єктів”.

Мета і завдання досліджень: Метою роботи є розробка методу експериментального визначення параметрів роторних контурів в еквівалентних схемах заміщення різних структур, в яких обмотка збудження синхронної машини представлена багатоконтурним колом.

Для досягнення поставленої мети вирішуються наступні задачі:

1. Уточнення математичних співвідношень, що встановлюють зв'язок між частотними характеристиками і перехідними процесами в обмотках статора і збудження СМ за рахунок структурної деталізації схеми заміщення ротора.

2. Розробка методу синтезу схем заміщення різних структур за експериментальними перехідними функціями або частотними характеристиками провідності при представленні обмотки збудження синхронних машин самостійним багатоконтурним колом.

3. Розробка методу перетворення складних еквівалентних схем заміщення до вигляду, найбільш зручному для математичного моделювання за диференційними рівняннями типу рівнянь Парка-Горєва, які адекватно відображають перехідні процеси як в обмотці статора, так і в обмотці збудження.

4. Визначення залежностей параметрів схем заміщення різних структур для деяких типів синхронних генераторів у функції початкового значення періодичної складової струму раптового трифазного короткого замикання при представленні обмотки збудження багатоконтурним колом.

5. Оцінка ефективності запропонованих в роботі математичних моделей і методик.

Об'єкт дослідження – електромеханічні перехідні процеси в синхронних машинах при ступінчастих збуреннях з боку обмоток статора і збудження.

Предмет дослідження – ідентифікація сукупності електромагнітних параметрів синхронних машин, що визначають їх поведінку в перехідних режимах.

Методи дослідження. Для уточнення математичних зв'язків між перехідними процесами в СМ і їх частотними характеристиками, а також для розробки математичних моделей використовувалися методи, що базуються на теорії комплексно-операторного опису перехідних процесів, і методи математичного аналізу, засновані на властивостях перетворення Лапласа і інтеграла Фур’є. Для визначення параметрів еквівалентних схем заміщення використовувалися методи теорії синтезу лінійних електричних кіл. Для оцінки достовірності отриманих результатів здійснювалося зіставлення результатів розрахунків деяких перехідних процесів на основі отриманих схем заміщення з даними дослідів на устаткуванні, що діяло, а також з результатами розрахунків перехідних процесів за іншими відомими моделями СМ.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Отримали подальше уточнення математичні співвідношення, що встановлюють зв'язок між частотними характеристиками і перехідними процесами в синхронній машині за рахунок структурної деталізації схеми заміщення ротора шляхом виділення багатоконтурної обмотки збудження.

2. Отримав подальший розвиток метод синтезу схем заміщення різних конфігурацій для синхронних машин за експериментальними перехідними функціями або частотними характеристиками провідності, який відрізняється представленням обмотки збудження самостійним багатоконтурним колом.

3. Запропонований новий підхід до перетворення складних еквівалентних схем заміщення від одного виду до іншого, а також до виду, найбільш зручному для моделювання перехідних процесів за диференціальними рівняннями Парка-Горєва, який відрізняється урахуванням комплексного коефіцієнта розподілу струму статора в гілці обмотки збудження.

4. Вперше отримані залежності параметрів схем заміщення різних структур для деяких типів синхронних генераторів у функції початкового значення періодичної складової струму раптового трифазного короткого замикання при представленні обмотки збудження багатоконтурним колом.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблена методика експериментального визначення за даними дослідів раптового трифазного короткого (РКЗ) замикання параметрів еквівалентних схем заміщення різних структур, в яких обмотка збудження синхронної машини представлена багатоконтурним колом.

2. Використання запропонованого в роботі методу перетворення складних еквівалентних схем заміщення до вигляду, зручному для моделювання, дозволить виконувати дослідження на ПЕОМ різних перехідних процесів на основі єдиної універсальної програми.

3. Отримані залежності параметрів схем заміщення від початкового струму статора дозволяють виконувати уточнені розрахунки перехідних процесів при трифазних коротких замиканнях із урахуванням впливу насичення шляхів магнітних потоків.

4. Розроблено комплекс програм, який дозволяє здійснювати перетворення схем заміщення від одного виду до іншого і виконувати математичне моделювання електромеханічних перехідних процесів за диференціальними рівняннями при раптових коротких замиканнях, увімкненнях незбудженої машини, що обертається із заданим ковзанням, до мережі, випадінні з синхронізму, сталому асинхронному режимі і ін.

Результати дисертаційної роботи у вигляді методики експериментального визначення параметрів схем заміщення синхронних машин при представленні обмотки збудження багатоконтурним колом за даними дослідів раптового трифазного короткого замикання прийняті до впровадження на державному підприємстві „Електроважмаш” (м. Харків).

Одержані в роботі математичні моделі деяких турбогенераторів і створені програми розрахунку перехідних процесів доцільно використовувати в проектних і експлуатуючих організаціях для досліджень електромеханічних перехідних процесів при коротких замиканнях, увімкненнях синхронних генераторів до мережі методом самосинхронізації, асинхронних режимах. Результати роботи впроваджені також в навчальний процес ДВНЗ „Донецький національний технічний університет”.

Особистий внесок здобувача: розроблений метод синтезу схем заміщення за експериментальними частотними характеристиками при представленні ОЗ багатоконтурним колом; розроблений принцип перетворення схем заміщення до вигляду, зручному для моделювання перехідних процесів; отримані аналітичні залежності параметрів еквівалентних схем заміщення турбогенератора від початкового значення періодичного струму трифазного короткого замикання в обмотці статора; уточнена методика розрахунку перехідних процесів при коротких замиканнях в СМ з урахуванням впливу насичення.

Апробація результатів дисертації. Основні результати виконаних в дисертації досліджень доповідалися і обговорювалися: на 3-ій Міжнародній науково-технічній конференції «Математичне моделювання в електротехніці, електроніці і електроенергетики» (1999 р., м. Львів); на Міжнародній науково-технічній конференції “Інформаційна техніка і електромеханіка на порозі ХХІ-го сторіччя (ITEM-2006)” (2006 р., м. Луганськ); на Міжнародному симпозіумі “Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика (SIEMA’2007)” (2007 р., м. Харків); на IV Міжнародній науково-технічній конференції «Керування режимами роботи об'єктів електричних систем, КРЕС-2008 (2008р., м. Донецьк); на Х Міжнародній науково-технічній конференції «Електромеханічні системи, методи моделювання і оптимізації» (2008 р., м. Кременчук).

Публікації. По матеріалах дисертації опубліковано 6 наукових публікацій, із них 5 у фахових виданнях ВАК України, у тому числі: 3 – в наукових журналах, 2 – в збірках наукових праць, 1 – в тезах доповідей на конференціях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, які викладені на 149 сторінках машинописного тексту; ілюстрована 55 рис., містить 15 таблиць., список використаних літературних джерел із 104 найменувань, 3 додатка на 5 стор.