close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Структуры и алгоритмы управления транзисторных систем самовозбуждения синхронных генераторов

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Дикун Ирина Александровна
СТРУКТУРЫ И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ
ТРАНЗИСТОРНЫХ СИСТЕМ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ
СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2018 год
1
Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном
учреждении высшего образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)» на кафедре робототехники и автоматизации производственных систем
Научный руководитель – доктор технических наук Пронин Михаил Васильевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Козярук Анатолий Евтихиевич,
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
образования «Санкт-Петербургский горный университет», профессор кафедры
«Электроэнергетики и электромеханики»;
кандидат технических наук, Ватаев Андрей Сергеевич, Федеральное
государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Петербургский государственный университет путей сообщения Императора
Александра I », доцент кафедры «Теоретические основы электротехники ».
Ведущее предприятие: Филиал «Центральный научно-исследовательский
институт судовой электротехники и технологии» (ЦНИИ СЭТ), ФГУП
«Крыловский государственный научный центр» (г. Санкт-Петербург).
Защита состоится «26» декабря 2018 г. в 15 часов 30 мин на заседании
диссертационного совета Д 212.238.05 на базе Санкт-Петербургского
государственного
электротехнического
университета
«ЛЭТИ»
им. В. И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») по адресу: 197376, Россия,
Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, 5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и на
сайте www.eltech.ru.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим
направлять по адресу: 197376, Санкт-Петербург, улица Профессора Попова, д. 5.
Автореферат разослан «25» октября 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.238.05
Стоцкая А. Д.
кандидат технических наук
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В электроэнергетических системах в качестве источников
переменного напряжения используются синхронные генераторы (СГ). По электрическим машинам разработки выполняются более 100 лет. Теорию машин переменн ого
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., Хуторецкий Г. М., Домбровский В. В., Жерве Г. К., Важнов А. И., Вольдек А. И., Ив ановСмоленский А. В., Казовский Е. Я., Данилевич Я. Б., Копылов И. П., Сыромятн иков 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 тиристорные преобразователи. Они обладают большой перегрузочной способностью, хорошо
себя зарекомендовали в эксплуатации. Для независимого возбуждения требуется дополнительный источник энергии. Коэффициент мощности тиристорных возбудит елей
обычно низкий, имеется некоторая инерционность.
В бесщеточных системах возбуждения используются вращающиеся выпрямит ели.
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 машин ами 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 ав арийных 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.
3
Цель работы заключается в выборе перспективных направлений разработок ССВ
СГ на основе анализа существующих технических решений, моделирования и иссл едования 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 раб оты 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, а втоматического 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
1. Для СГ с контактными кольцами предложена структура транзисторной ССВ, с одержащей 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. Разработан комплекс быстродействующих моделей с синхронными генератор ами 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.
6. 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
4
в однополярном ШИП и рекуперации энергии из магнитного поля генератора при
двухполярном ШИП.
2. Алгоритм выявления витковых замыканий обмотки статора синхронного ген ератора с транзисторной системой возбуждения с ШИП, основанный на выделении
гармонической составляющей двойной частоты из напряжения управления возбудителя.
3. 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 показат ели. 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, соотве тствием 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.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность,
поставлены цели и задачи, определены методы исследований, указана научная
новизна, определены положения, выносимые на защиту, указана ценность работы.
В первой главе дан обзор существующих систем возбуждения синхронных
машин. Поставлена задача разработки транзисторных систем самовозбуждения СГ.
Во второй главе рассмотрены варианты построения ССВ СГ, алгоритмы
управления ССВ с ШИП в нормальных и аварийных режимах работы, описаны
математические и компьютерные модели систем, в том числе тестовые модели СГ,
указаны методы оценки адекватности моделей СГ и систем.
5
Предложена схема установки с СГ, транзисторной ССВ с двухполярным ШИП и
системой управления СУ (см. рисунок 1), в которой использован принцип
подчиненного регулирования напряжения СГ в нормальных режимах, а при коротких
замыканиях обмотки статора и отсутствии ее напряжения, регулятор переключается
на поддержание выпрямленного
напряжения
ССВ
за
счет
рекуперации энергии из магнитного
поля СГ. Новым является также то,
что
вместо
разрядного
сопротивления в цепи возбуждения
СГ
использован
резистор,
подключенный через чоппер к цепи
выпрямленного напряжения ССВ.
Предложена структура установки
с СГ, ССВ с однополярным ШИП и
Рисунок 1. Схема установки с СГ,
СУ (см. рисунок 2), в которой в
ССВ с двухполярным ШИП и СУ
цепь питания обмотки возбуждения
от
ССВ
включен
взрывной
предохранитель.
При
коротких
замыканиях
обмотки
статора
обмотка возбуждения отключается
от
ССВ
предохранителем
и
замыкается
на
разрядное
сопротивление. Для исключения
потерь
энергии
в
разрядном
сопротивлении
в
нормальных
Рисунок 2. Схема установки с СГ,
режимах
последовательно
с
ССВ с однополярным ШИП и СУ
разрядным
сопротивлением
включен диод. Для исключения
перенапряжений
на
обмотке
возбуждения
при
интенсивном
гашении магнитного поля СГ при
коротких замыканиях параллельно
диоду включен варистор.
Для низковольтных установок с
Рисунок 3. Схема установки с СГ и
СГ и ССВ с двухполярным ШИП
бестрансформаторной ССВ с двухполярным ШИП
предложена
структура
бестрансформаторной ССВ (см. рисунок 3). В таких установках в ССВ выпрямленное
напряжение диодного выпрямителя может оказаться значительным. Для уменьшения
пульсаций напряжения на выходе ШИП предложено фильтровать напряжение
возбуждения LC-фильтром.
Представлены математические модели установок с СГ и ССВ различного типа,
выполненные по методологии моделирования систем по взаимосвязанным
подсистемам. Указанная методология предложена М. В. Прониным, но для ее
использования потребовалась разработка способов разделения конкретных установок
на взаимосвязанные подсистемы, потребовалось уточнение математического
описания синхронных машин для учета аварийных режимов работы, например
витковых замыканий. Реализация методологии оказалась связана также с разработкой
новых алгоритмов управления установками с СГ и ССВ.
В качестве примера ниже описана последовательность моделирования установки с
СГ и ССВ с двухполярным ШИП. Исходная схема для моделирования представлена
6
на рисунке 1. Первоначально СУ отделяется от силовой части установки и
связывается с ней в модели сигналами датчиков и управляющих воздействий. В
силовой части установки использованы обозначения: напряжение возбуждения СГ uf,
ток возбуждения if , Тр – трансформатор, В – выпрямитель, сглаживающий дроссель
Ld, конденсатор C, ШИП на модулях IGBT, цепь защиты с чоппером и защитным
резистором Rz. Нагрузка СГ представлена трехфазным активно-индуктивным
сопротивлением Zl .
При моделировании разделение силовой части установки на подсистемы осуществляется путем замены фаз СГ зависимыми источниками напряжения un (n=1,2,3).
На следующем этапе источники un переносятся в фазы нагрузки и трансформатора.
Пофазные суммы токов нагрузки i1n и трансформатора it1n (n=1,2,3) образуют токи
фаз СГ in, которые используются в подсхеме СГ в качестве зависимых источников
din dil n dit1n
(1)
in  il n  it1n ,


.
dt
dt
dt
Указанная операция позволяет разделить СГ, нагрузку и трансформатор.
Другое преобразование схемы основано на замене конденсатора с током ic зависимым источником напряжения uc
1
(2)
uc   ic dt.
C
Источник uc переносится в ветвь выпрямленного тока диодного моста, во входную
ветвь ШИП и в чоппер. При этом выпрямленный ток диодного моста id , входной ток
ШИП ih и ток чоппера iR образуют ток конденсатора
(3)
ic  id  ih  iR .
Описанная операция позволяет отделить друг от друга ШИП, конденсаторную б атарею, выпрямитель и цепь чоппера, что отображено на рисунке 4.
Еще одно преобразование силовой схемы заключается в ее разделении на
подсистемы по цепи возбуждения. В подсхеме СГ
возбудитель представляется
в виде зависимого источника напряжения uf , а в подсхеме с ШИП СГ представляется зависимым источником тока if . Результат этого
преобразования также отРисунок 4. Подсхемы СГ и ССВ с двухполярным ШИП
ражен на рисунке 4.
На рисунке 4 отражено также преобразование элементов трансформатора. Воздействие первичной обмотки на вторичную определено с помощью зависимых источников напряжения ut2n (n=1,2,3) с учетом коэффициента трансформации Ktr
(4)
ut 2 n  un /K tr ,
а воздействие вторичной обмотки на первичную учитывается зависимыми источниками тока it1n, которые определяются токами вторичной обмотки
dit1n
1 dit 2 n
it1n  it 2 n /K tr ,

.
(5)
dt
K tr dt
Описанные преобразования системы и определение параметров зависимых исто чников напряжения и тока осуществляются на каждом шаге при расчете электромеха-
7
нических процессов. Это позволяет в каждый момент времени рассматривать по дсхемы, как независимые устройства.
Аналогично выполняется моделирование установок с СГ и другими типами ССВ.
В моделях систем использовано математическое описание СГ, выполненное при
разделении его на части по магнитному потоку в воздушном зазоре (рисунок 5). Взаимные связи подсхем учтены зависимыми источниками напряжения и тока. На рисунке указаны направления токов и напряжений, направления осей, направление
вращения ротора с частотой , угол поворота  оси d ротора относительно оси .
Подсхема обмотки статора рассматривается в неподвижных осях фаз и взаимноперпендикулярных осях αβ. Нулевая точка изолирована или выведена. Ротор представлен подсхемами во вращающихся осях dq. Взаимные связи подсхем учтены источниками напряжения и тока, зависимыми от процессов в других подсхемах. В обмотке статора: еn – ЭДС, L – индуктивности, R – активные сопротивления, in – токи,
un – напряжения фаз СМ. К обмотке статора подключены индуктивности Ln и активные сопротивления Rn. Указанные параметры и переменные определяются различным
образом в симметричных и несимметричных режимах работы системы.
В подсхемах ротора в качестве зависимых источников учтены токи реакции якоря id и iq, индуктивности
намагничивания Lad и Laq, индуктивности рассеяния демпферов Lkd и L kq,
обмотки возбуждения Lf , активные
сопротивления демпферов Rkd и Rkq ,
обмотки возбуждения Rf , напряжение
uf и ток if возбуждения.
Для расчета процессов при витковых замыканиях использована подсхема на рисунке 5 с ЭДС ek , индуктивностью L k, активным сопротивлеРисунок 5. Подсхемы СГ
нием Rk и током ik. Замыкаемая часть
витков равна wk (0<wk <1). Принято, что активные сопротивления и индуктивности
рассеяния замыкаемой и другой части витков первой фазы пропорциональны числам
витков, то есть величинам wk и 1-wk .
В описании СМ использованы коэффициенты
(6)
c1  1, c 2  0,5, c3  0,5, s1  0, s2  3 2 , s3   3 2.
В подсхеме обмотки статора эквивалентируются ЭДС
(7)
e1  e1  1  wk  R  R1  i1 , e2  e2  R  R2  i2 , e3  e3  R  R3  i3 .
Аналогично эквивалентируются индуктивности
(8)
L1  1  wk  Ls  L1 , L2  Ls  L2 , L3  Ls  L3 .
С учетом (7) и (8) подсхема обмотки статора преобразуется
к виду рисунка 6.
Если нулевые точки трехфазной обмотки соединены, то токи фаз определяются из выражений
din
1
di 

(9)

 en  Lst n ,
Рисунок 6. Подсхема
dt Ln  Lst 
dt 
обмотки статора
где L st – стабилизирующая индуктивность.
Если нулевая точка обмотки изолирована, то токи фаз определяются из выражений
8
di1 L 2 e1  e 3   L 3 e1  e 2  

,

dt
A

di3
di2 L 3 e 2  e1   L1 e 2  e 3 
di di


,
 1  2.

dt
A
dt
dt dt
Ток короткозамкнутого витка определяется из выражения
dik
1
di 


 ek  Rk ik  Lst k .
dt Ls wk  Lst 
dt 
Производные токов реакции якоря по осям αβ
di 
di
di  2 di  di1
di  2
di
di
di
 1  wk   c1 1  c2 2  c3 3  wk k  ,
 s1
 s2 2  s3 3  .
dt 
dt
dt
dt
dt  3
dt  dt
dt
dt  3
Токи реакции якоря по осям αβ
i  1  wk   c1i1  c2i2  c3i3  wk ik 2 / 3, i  s1i1  s2i2  s3i3  iw 2 / 3.
А  L1 L 2  L 2 L 3  L 3 L1 ,
Токи реакции якоря по осям d и q
id  i cos   i sin , iq  i sin   i cos .
Производные токов реакции якоря по осям d и q
diq di
di
di
did di

cos    sin   iq ,

sin    cos   id .
dt
dt
dt
dt
dt
dt
Производные токов в подсхеме ротора по оси d
 u f  R f i f did Rkd ikd  di f 1 
Lkd L f
diad
di 

,



  u f  R f i f  Lad ad .


dt Lkd L f  Lad L f  Lad Lkd  L f
dt
Lkd 
dt L f 
dt 
Ток демпферного контура по оси d
ikd  iad  id  i f .
Производная тока намагничивания по оси q
diaq
Lэq  diq Rkq ikq 

.


dt
Laq  Lkq  dt
Lkq 
Ток демпферного контура по оси q
ikq  iaq  iq .
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)
ЭДС по осям d и q
di
di
ed  Laq iaq  Lad ad , eq  Lad iad  Laq aq .
dt
dt
ЭДС по осям  и 
e  ed cos   eq sin ,
e  ed sin   eq cos .
ЭДС замкнутого витка
(20)
(21)
ek  wk e .
(22)
ЭДС фаз обмотки статора
en  e  ek  cn  e sn .
(23)
Электромагнитный момент двухполюсной СМ
M e  1,5 Lad iad iq  Laqiaqid .


(24)
При моменте инерции J, электромагнитном моменте Мe и моменте на валу Мc частота вращения СГ ω и угол поворота ротора  определяются из выражений
d 1
d
 M e  M с ,
 .
(25)
dt J
dt
9
В модели СГ при использовании сплайн-аппроксимации кривых учтены нелинейности, обусловленные насыщением стали по основному магнитному потоку. В моделях учтена дискретность работы полупроводниковых преобразователей, особенн ости
переключения транзисторов, дискретность работы микропроцессорных СУ. На этапе
математического описания установок путем преобразования схем обеспечивается
устойчивость вычислительных процессов. При расчетах на ЭВМ настройками коэффициентов СУ обеспечивается устойчивость работы установок в различных режимах
работы. Построение моделей выполнено на языке программирования C++. При этом
использована известная среда расчетов ComSim.
В соответствии с изложенным разработан комплекс компьютерных моделей уст ановок с СГ, ССВ различного типа и СУ.
В выводах указана научная новизна – новые технические решения по построению
силовых схем ССВ СГ, новые математические модели установок с СГ и ССВ, новый
комплекс компьютерных моделей.
В третьей главе представлены результаты анализа на ЭВМ нормальных установившихся и переходных режимов работы СГ с различными ССВ.
В том числе рассчитаны процессы в СГ и ССВ с двухполярным ШИП в режимах
холостого хода и наброса 100 % нагрузки (рисунок 7), в номинальном режиме работы
СГ (рисунок 8), при сбросе 100 % нагрузки (рисунок 9). На рисунке 10 представлен
также результат расчета процессов в установке с СГ с бестрансформаторной ССВ.
Рисунок 7. Холостой ход СГ и наброс 100 %
нагрузки при двухполярном ШИП
Рисунок 8. Номинальный режим работы СГ
и ССВ с двухполярном ШИП
Рисунок 9. Номинальный режим работы СГ и
сброс 100 % нагрузки при двухполярном ШИП
Рисунок 10. Номинальный режим рботы СГ
с бестрансформаторной ССВ
В таблице 1 приведены параметры СГ при холостом ходе СГ (рисунок 7). В
таблице 2 приведены параметры в режиме номинальной нагрузки СГ.
10
Установлено, что во всех предложенных структурах ССВ обеспечивается
работоспособность установок. Транзисторные ССВ имеют преимущество перед
тиристорными системами – они обладают более высоким быстродействием. Это
позволяет уменьшить провалы и всплески напряжения СГ при набросе и сбросе
нагрузки. Численные эксперименты на моделях установок с СГ и различными типами
систем с ССВ, подтвердили соответствие результатов расчетов параметрам
изготовленных в ПАО “Силовые машины” СГ.
Таблица 1. Холостой ход СГ
ПараРасчет
ПогрешПроект
метры
на модели
ность
UСГ, В
690
689,9
-0,02 %
IСГ, А
0
10,4
+0,31 %
Uf, В
52,2
47,8
-8,43 %
if, А
144,5
144,7
+0,14 %
U c, В
300
298,7
-0,43 %
ωСГ, %
100
99,999
-0,001 %
Uу, о.е
0,175
Таблица
Параметры
UСГ, В
IСГ, А
Uf, В
if, А
U c, В
ωСГ, %
cosφ
Uу, о.е
2. Номинальная нагрузка СГ
Расчет
ПогрешПроект
на модели
ность
690
690,213
+0,03 %
3523
3551,812
+0,82 %
112,9
105,006
-6,77 %
319,5
297
-7,04 %
300
292,692
-2,44 %
100
99,999
-0,001 %
0,95
0,95
0
0,359
В четвертой главе представлены материалы по применению разработанных
моделей для анализа аварийных режимов работы установок с СГ и транзисторными
ССВ. Рассмотрены трехфазные, двухфазные, однофазные и витковые короткие
замыкания (КЗ) статора. Замыкание фаз СГ имитируется скачкообразным
уменьшением индуктивностей и активных сопротивлений фаз нагрузки до
пренебрежимо малых величин.
Для установки с СГ и ССВ с двухполярным ШИП результат расчета номинального
режима и последующего трехфазного КЗ представлен на рисунке 11. При КЗ система
управления переводит ШИП в режим рекуперации энергии из магнитного поля СГ в
конденсатор и поддерживает напряжение на конденсаторе C на уровне около 900 В.
При превышении указанного уровня напряжения включается чоппер и энергия сбр асывается в защитный резистор. При этом мгновенное напряжение конденсатора д остигает уровня 996 В (см. рисунок 11). Ударный ток фаз достигает 46,3 кА. За счет
перевода ШИП в режим рекуперации энергии из магнитного поля СГ обеспечивается
интенсивное гашение токов, которые затухают за 0,2 с.
Результат расчета процессов в СГ и ССВ с двухполярным ШИП при двухфазном
КЗ представлен на рисунке 12. В данном случае ударный ток 46,3 кА (меньше, чем
при трехфазном КЗ). Двухполярный ШИП обеспечивает интенсивное гашение магнитного поля СГ и токов фаз за счет увеличения напряжения на входе ШИП до 970 В.
Результат расчета процессов в СГ и ССВ с двухполярным ШИП при однофазном
КЗ представлен на рисунке 13. В данном случае ударный ток КЗ наибольший и равен
47,6 кА. Интенсивное гашение токов обеспечивается за счет увеличения напряжения
на входе ШИП до 938 В.
Расчеты электромагнитных процессов в системе с СГ, ССВ с двухполярным ШИП
и нагрузкой при витковых КЗ обмотки статора выполнены при тех же параметрах СГ.
В моделях рассматриваемых установок при расчетах предусмотрено задание колич ества замыкаемых накоротко витков 1 фазы обмотки статора СГ от 0 % до 100 %.
Для случая замыкания накоротко 20 % витков результаты расчета при работе СМ с
номинальной нагрузкой представлены на рисунке 14. В расчете ударный ток в короткозамкнутых витках достигает 57,7 кА, что больше, чем при КЗ других видов. В токах и напряжениях фаз СГ возникает несимметрия. Ток возбуждения увеличивается
от уровня 293 А, близкого к номинальному значению, до аварийного значения 439 А,
при котором ССВ переводится в режим гашения магнитного поля СГ. Витковое КЗ
11
проявляется в возникновении гармонических колебаний в токе возбуждения, в
напряжении конденсаторной батареи СВ, в напряжении управления ШИП.
Рисунок 12. Двухфазное КЗ СГ
при двухполярном ШИП
Рисунок 11. Трехфазное КЗ СГ
при двухполярном ШИП
Рисунок 13. Однофазное КЗ СГ
при двухполярном ШИП
Рисунок 14. Напряжения и токи системы
при замыкании 20 % витков 1 фазы СГ
Для оценки возможностей идентификации витковых замыканий СГ выполнены
расчеты при замыкании части витков от 10 до 100 %. Результаты анализа параметров
на периоде процесса через 0,02 с после возникновения аварии представлены в
таблице 3. В таблице: U2/U1, U0 /U1 – отношения действующих напряжений обратной
и нулевой последовательностей фаз СГ к действующему напряжению прямой
последовательности; If /Ifн – отношение среднего тока возбуждения при аварии к
среднему току возбуждения в номинальном режиме; I2f /If – отношение действующей
гармонической составляющей двойной частоты тока возбуждения к среднему
значению тока; U2c /Uc – отношение действующей гармонической составляющей
напряжения конденсатора ССВ к среднему значению напряжения; U2y/Uy –
отношение действующей гармонической составляющей напряжения управления
ШИП двойной частоты к действующему значению напряжения управления.
Из таблицы 3 видно, что ударный ток в короткозамкнутых витках статора мало
зависит от доли замкнутых витков. Это обусловлено принятым допущением, что
12
индуктивность рассеяния короткозамкнутых витков пропорциональна доли
замкнутых витков. Из таблицы 3 видно также, что при замыканиях даже
значительной части витков обмотки статора напряжения обратной и нулевой
последовательностей, а также гармонические составляющие двойной частоты в
напряжении конденсатора и в токе возбуждения сравнительно невелики.
Таблица 3. Таблицы СГ и ССВ при витковых КЗ
По значениям этих параметров сложно настроить процесс
выявления аварии. Более сущеУдарный ток
57,5 57,6 57,7 57,8 57,9 58,3 58,5
58,7
витка, кА
ственно увеличение тока возбуждения при аварии. Но и это
U2 / U1, %
4,99 7,18 9,46 11,82 14,24 24,72 36,52 57,23
явление сложно отделить от
U0 / U1, %
3,60 5,29 7,03 8,82 10,67 18,64 27,67 43,58
увеличения тока возбуждения
If / Ifн, %
117 126
134
143
151
186
223
277
при перегрузках СГ, нагреве
обмотки возбуждения и увелиI2f / If, %
1,29 1,48 1,59 1,68 1,77 2,23 2,78
3,49
чении ее активного сопротивлеU2c / Uc, % 11,27 14,64 16,93 18,48 19,64 22,09 22,62 20,87
ния. Наиболее значительно аваU2y / Uy, % 38,67 47,01 50,39 51,68 52,08 52,43 52,98 53,57
рия проявляется в рассматриваемых случаях в возникновении пульсаций двойной частоты в напряжении управления ШИП в ССВ (U2y / Uy ). Действующее значение этой величины превышает 20 %
даже при замыкании только 10 % витков фазы. Информация об этом параметре может
быть использована для построения защиты СГ.
В пятой главе представлены
результаты экспериментов, выполненные на действующей
установке, и сравнение их с результатами, полученными на
компьютерных моделях. Действующая установка выполнена
с трехфазным СГ мощностью
4 МВт с напряжением 690 В и
ССВ с однополярным ШИП и
устройствами регулирования.
Один из экспериментов –
оценка работы системы в переходных режимах. Параметры
установки при работе СГ на холостом ходу представлены на
рисунке 15. На диаграмме покаРисунок 15. Напряжение СГ, ток возбуждения
и ток ветви ШИП при включении ССВ
заны в относительных единицах
кривая мгновенных значений
линейного напряжения СГ uab , кривая действующего линейного напряжения Uab, кривая тока возбуждения i f, кривая тока ветви двухтактного ШИП iШИП1 (для тока возбуждения в данном случае базисная величина принята равной току возбуждения при
номинальной нагрузке СГ).
Результаты другого опыта, а именно сброc нагрузки, представлен на рисунке 16.
На диаграмме отображен процесс установившегося номинального режима работы СГ
и последующего сброса приблизительно 50 % нагрузки. В номинальном режиме генератор нагружен на пассивную RL-нагрузку. Сброс нагрузки выполнялся путем отключения части нагрузки выключателем.
Замыкаемые
витки, %
10
15
20
25
30
50
70
13
100
Рисунок 16. Напряжения и токи СГ при работе
в номинальном режиме и сбросе 48 % нагрузки
В соответствии с результатами
измерений, при сбросе 48 %
нагрузки с СГ всплеск напряжения обмотки статора составил
9,5 %. Указанный всплеск напряжения СГ при сбросе нагрузки несколько превышает значения, полученные при расчетах на модели
установки. Это обусловлено сравнительно малыми коэффициентами усиления в системе регулирования напряжения СГ, которые
были уменьшены для повышения
устойчивости системы.
Как и в других экспериментах,
ток одной ветви двухтактного
ШИП в соответствии с рисунком 16 равен половине тока возбуждения в переходном и установившемся режимах. Это означает,
что в ШИП ток возбуждения распределяется системой регулирования равномерно по двум параллельно включенным ветвям.
Сравнение проектно-экспериментальных данных и данных, полученных на моделях, подтверждает адекватность разработанных моделей.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
1.
Для синхронных генераторов традиционного исполнения с контактными
кольцами рассмотрены структуры транзисторных систем самовозбуждения, построенные с использованием диодных выпрямителей и широтно-импульсных преобразователей различных типов. Предложены алгоритмы управления указанными преобр азователями в нормальных и аварийных режимах.
1.1. В структуре ССВ с двухполярным ШИП разрядное сопротивление из цепи
обмотки возбуждения вынесено в цепь входного напряжения ШИП, при включении
его параллельно к фильтровому конденсатору через чоппер, регулирующий напряжение конденсатора при рекуперации энергии из магнитного поля СГ при коротких замыканиях.
1.2. Для структур ССВ с однополярным ШИП предложено в цепь питания обмотки возбуждения от ШИП включить взрывной предохранитель, который при коротких
замыканиях обмотки статора разрывает цепь питания обмотки возбуждения от ШИП,
в результате чего обмотка возбуждения замыкается на разрядное сопротивление.
1.3. Для структур ССВ с двухполярным ШИП при напряжениях обмотки статора
СГ до 1000 В предложено использовать бестрансформаторную ССВ с LC-фильтром
напряжения возбуждения.
2.
Разработан комплекс быстродействующих моделей с синхронными генераторами и транзисторными системами самовозбуждения для анализа электромеханич е-
14
ских процессов при набросе и сбросе нагрузки, при однофазных, двухфазных, трехфазных и витковых замыканиях. В моделях в ССВ с трансформаторами и без трансформаторов предусмотрена реализация однополярных и двухполярных ШИП.
3.
Доказана работоспособность системы самовозбуждения синхронного генер атора с диодным выпрямителем и двухполярным ШИП во всех режимах, в том числе
при замыканиях в статоре и исчезновении напряжения питания возбудителя – в этих
случаях работоспособность ШИП и гашение токов статора обеспечиваются за счет
рекуперации энергии из магнитного поля генератора.
4.
Доказана работоспособность системы самовозбуждения синхронного генер атора с диодным выпрямителем и однополярным ШИП во всех режимах. При коротких замыканиях в статоре гашение токов обеспечивается путем отключения возбуд ителя от обмотки возбуждения взрывным предохранителем и замыкания этой обмотки
на разрядное сопротивление.
5.
Для синхронных генераторов и транзисторных возбудителей с ШИП предложен алгоритм защиты от витковых замыканий обмотки статора, основанный на выд елении гармонической составляющей двойной частоты из напряжения управления
ШИП.
6.
Выполнено сравнение результатов расчетов процессов в СГ и ССВ, полученных на моделях и по известным методикам. Сравнение подтвердило адекватность и
эффективность разработанного комплекса моделей.
7.
Выполнены эксперименты на действующей установке с СГ и транзисторной
ССВ. Эксперименты подтвердили адекватность и эффективность предложенных технических решений по построению силовой части транзисторных ССВ и по алгори тмам управления такими установками.
8.
Результаты диссертационной работы использованы в проектах ПАО «Силовые машины».
9.
Результаты диссертационной работы используются в Санкт-Петербургском
государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» в курсах лекций «Мод елирование электромеханотронных систем» и «Электромеханотронные комплексы и
системы» при магистерской подготовке студентов [7].
ПУБЛИКАЦИИ
1. M. V. Pronin, A. G. Vorontsov, A. S. Grigoryan, A. R. Mamutov and I. A. Dikun,
"Modeling of IGBT-converters by interconnected subsystems with considering of snubber
circuit and switching transistor time," EIConRus, St. Petersburg, 2018, pp. 748-753.
Личный вклад: участие в разработке компьютерной модели, расчеты на модели.
2. Glushakov V. V., Grigoryan A. S., Pimenova I. A., Vorontsov A. G., Pronin M. V.
High-speed Model of System with Modular Multilevel Inverter / ElCon 2017, St. Petersburg, Russia.
Личный вклад: участие в разработке компьютерной модели, расчеты на модели.
3. Pronin M. V., Vorontsov A. G., Pimenova I. A., Grigoryan A. S. A model of a synchronous machine with a transistor exciter for analysis of normal operations, external and
turn-to-turn faults / IECON 2016, 2016.10.23-27, Firenze/Italy.
Личный вклад: разработка алгоритма выявления витковых КЗ.
4. Grigoryan A., Pimenova I., Pronin M., Shelyuh V. Self-Excitation Systems of a Synchronous Generator with a bipolar and unipolar PWM DC-DC Converters / EPE-2016, 5-9
September 2016, Karlsrue/Germany.
Личный вклад: участие в разработке структур транзисторных систем самовозбуждения СГ, компьютерных моделей. Анализ режимов работы установки, расчеты
на моделях.
15
5. M.V. Pronin, A.G. Voronsov, T. Nahdi, I.A. Pimenova: Single-phase Active Rectifiers in a Cascade Frequency Converter / 16th Mechatronica 2014, December, Brno, Czech
Republic, p.-119-124.
Личный вклад: анализ режимов работы, расчеты на моделях.
6. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Пименова И.А., Григорян А.С. Усовершенствования транзисторной системы самовозбуждения синхронного генератора / 95 лет отеч ественной школе электропривода. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, 2017. 172 с.
Личный вклад: разработка модели с бестрансформаторной ССВ СГ, расчеты на
модели.
7. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Григорян А.С., Дикун И.А., Глушаков В.В. Методические рекомендации по практическим и лабораторным работам дисциплины “Моделирование электромеханотронных систем” / СПб., изд. “Ладога”, 2018 г., 38 с.
Личный вклад: участие в разработке комплекса моделей, расчеты на моделях,
примеры оформления лабораторных и практических работ.
8. Пронин М. В., Воронцов А. Г., Пименова И. А. и др. Разработка моделей электромеханотронных систем на языке С++ в среде ComSim / 95 лет отечественной школе электропривода. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, 2017. 172 с.
Личный вклад: участие в разработке комплекса моделей, расчеты на моделях.
9. Глушаков В. В., Григорян А. С., Пименова И. А. Алгоритмы управления транзисторными источниками постоянного напряжения при их параллельной работе / Изв естия СПбГЭТУ “ЛЭТИ”. №2, 2016.
Личный вклад: участие в разработке алгоритмов управления транзисторными
источниками постоянного напряжения.
10. Пронин М. В., Воронцов А. Г., Григорян А. С., Пименова И. А. Модель си нхронной машины с транзисторным возбудителем для анализа нормальных режимов,
внешних и витковых замыканий / Известия СПбГЭТУ “ЛЭТИ”. №6, 2016. –С.61-68.
Личный вклад: разработка алгоритма выявления виткового короткого замыкания
обмотки статора СГ.
11. Григорян А. С., Пименова И. А., Пронин М. В. Транзисторный источник
напряжения для автономной ЭЭС / АЭП-2016, Россия, Пермь.
Личный вклад: выполнение расчетов на компьютерной модели транзисторного
источника напряжения для автономной ЭЭС.
12. Пронин М. В., Воронцов А. Г., Глушаков В. В, Пименова И. А., Григорян А. С.
Системы самовозбуждения синхронного генератора с двухполярным и однополя рным
ШИП / Известия СПбГЭТУ “ЛЭТИ”. №1, 2016.
Личный вклад: участие в разработке структур транзисторных систем самовозбуждения СГ, компьютерных моделей. Анализ режимов работы установки, ра счеты
на моделях.
13. Татаринов Д. Е., Григорян А. С., Пименова И. А. Обеспечение электромехан ической совместимости в частотно-регулируемых асинхронных электроприводах при
регулировании частоты ШИМ // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика – 2016. – Т. 16. – № 1. − С. 80-86.
Личный вклад: участие в разработке компьютерных моделей, анализ режимов работы установки, расчеты на моделях.
14. Пронин М. В., Воронцов А. Г., Шелюх В. Ю., Пименова И. А., Григорян А. С.
Моделирование и исследование транзисторной системы самовозбуждения синхро нного генератора / Известия СПбГЭТУ “ЛЭТИ”. №10, 2015. –С.50-56.
Личный вклад: участие в разработке компьютерных моделей, анализ режимов работы установки, расчеты на моделях.
16
15. Пименова И. А., Глушаков В. В., Пронин М. В., Воронцов А. Г. Разработка,
моделирование и исследование транзисторного преобразователя для питания сети постоянного напряжения / Известия СПбГЭТУ “ЛЭТИ”. №7, 2015. –С.60-66.
Личный вклад: участие в разработке компьютерных моделей, анализ режимов работы установки, расчеты на моделях.
16. Пименова И. А., Григорян А. С., Пронин М. В., Воронцов А. Г. Разработка,
моделирование и исследование транзисторного преобразователя для питания сети
400 В, 50 Гц / Известия СПбГЭТУ “ЛЭТИ”. №5, 2015. –С.61-66.
Личный вклад: моделирование транзисторного преобразователя для питания сети
400 В, 50 Гц, расчеты на моделях.
17. Ваганов М.А., Пименова И.А. Активное и индуктивное сопротивления стержня
прямоугольного сечения, расположенного в пазу. / Известия СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, №5,
2014. –С. 38-44.
Личный вклад: вывод выражений для активного и индуктивного сопротивлений
стержня прямоугольного сечения, расположенного в пазу ротора, эти выражения
позволяют проектировать АД с необходимой кратностью пускового момента.
18. Ваганов М.А., Моисеева Ю.М., Пименова И.А. Синхронный неявнополюсный
двигатель при учете активного сопротивления обмотки статора. / Известия СПбГЭТУ
“ЛЭТИ”, №3, 2014. – С. 59-65.
19. Ваганов М.А., Пименова И.А. Особенности синхронного неявнополюсного г енератора при учете активного сопротивления обмотки статора. / Известия СПбГЭТУ
«ЛЭТИ». №8, 2013. -С.49-54.
Личный вклад (18, 19): разработка математической модель синхронных неявнополюсных двигателей, расчеты на модели и их анализ.
20. Ваганов М.А., Пименова И.А. Основы расчета электрических машин переменного тока. / Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. –155 с.
Личный вклад: разработка математической модели машин переменного тока,
расчеты на модели и их анализ.
21. Ваганов М.А., Пантюхов Д.С., Пименова И.А. Определение основных разм еров
асинхронного двигателя и расчет его обмотки статора. / Известия СПбГЭТУ “ЛЭТИ”,
№2, 2013. –С. 49-56.
Личный вклад: алгоритм определения основных размеров асинхронного двигателя,
обеспечивающий наилучшее использование активных материалов двигателя при ма ксимальном значении его энергетического КПД.
Работы Пименовой И. А. – читать Дикун И. А.
(смена фамилии при вступлении в брак).
Формат 60х84 1\16 .Бумага офсетная.
Печать офсетная. Тираж 100 экз. Заказ №
Отпечатано с готового оригинал-макета
В типографии Издательства СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
197376 , Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, 5
17
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
1 582 Кб
Теги
синхронный, структура, алгоритм, система, генератор, самовозбуждения, управления, транзисторных
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа