Математическое моделирование и исследование режимов работы автономной генераторной установки на основе экранированной асинхронной машины

• Автор: Черных, Алексей Георгиевич
• Шифр специальности: 05.09.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 219 с. : ил.

1. Введение
1.1. Актуальность темы.
Удовлетворение возрастающих потребностей России в автономных источниках электроэнергии (ИЭЭ) специального и широкого назначения, а также в системах гарантированного питания связано с решением задач повышения их единичной мощности, мобильности, надежности и экономичности. Однако дальнейшее увеличение мощности агрегатов, в частности, синхронных генераторов (СГ), для автономных ИИЭ широкого назначения наталкивается на трудности, связанные с механической прочностью отдельных узлов (бандажные кольца, зубцы и полюсы ротора), с возможностью создания мощных и надежных систем возбуждения, с необходимостью создания сложных систем защиты от аварийных режимов и синхронизации при совместной работе на общую нагрузку [24-27]. Кроме того, с повышением мощности агрегатов падает их надежность, а наметившаяся мировая тенденция по созданию автономных ИЭЭ на основе так называемых альтернативных или возобновляемых источников электроэнергии выдвигает к электромашинному агрегату и всей системе в целом дополнительные требования [1-3].
В настоящее время одним из эффективных путей решения указанных проблем является создание автономных ИЭЭ широкого назначения на базе асинхронных генераторов с источниками реактивной мощности (ИРМ). Применение асинхронных генераторов (АГ) позволяет уменьшить массу и габариты автономного ИЭЭ, обеспечить бесконтактность исполнения, возможность создания безредукторного привода, например, от газовой турбины при частоте вращения 3000 - 12000 об/мин. Отсутствие обмоток возбуждения на роторе существенно повышает надежность АГ и обеспечивает его высокую механическую прочность.
Работы по созданию АГ для автономных электроэнергетических систем (ЭЭС) ведутся во многих развитых странах, таких, как Япония, Франция, США, ФРГ, Австрия, Югославия [4-9].
Специалисты Японской фирмы MITSUBISHI ELECTRIC считают, что АГ имеют следующие преимущества по сравнению с СГ [10]:
• проще конструкция, отсутствуют возбудитель и вращающийся выпрямитель;

• проще регулирование, так как отсутствует аппаратура регулирования возбуждением, присущая СГ;
• стабильность рабочих характеристик, так как в автономных ЭЭС с АГ исключается выпадение из синхронизма, обусловленное изменением напряжения, частоты сети или резкими изменениями момента турбины.
В качестве недостатка отмечается сложность изготовления надежной конструкции шихтованного (для снижения вихревых токов) ротора с коротко-замкнутой клеткой.
В работах отечественных авторов [11-15] показано, что указанного недостатка можно избежать за счет использования зубчатого массивного ферромагнитного ротора из материала с высокой электрической проводимостью. Такой ротор обеспечивает необходимые параметры и качество рабочих характеристик генератора в сочетании с высокой надежностью и термической устойчивостью конструкции.
Обычно в качестве АГ используют серийно выпускаемые асинхронные двигатели. В ряде случаев по условиям работы и для предохранения рабочих узлов (обмоток, электротехнической стали и т.п.) ротор асинхронной машины заключен в герметическую (бессальниковую) камеру, конструктивно выполненную в виде статорной и роторной гильз [16 - 19]. Наличие в конструкции гильз приводит к тому, что наводимые в них вихревые токи препятствуют передаче энергии, экранируя ротор от статора. При этом в самой камере, в зависимости от режима, может поддерживаться высокое давление или глубокий вакуум, иметь место агрессивная среда или высокая температура.
При такой конструкции асинхронная машина, будучи обратимой, в автономной системе, может работать в двух режимах - двигательном и генераторном. Например, если двигателем производится перекачка жидкости через рабочий объем между статорной и роторной гильзами, то асинхронная машина работает в режиме насоса [20-23]. При подаче рабочего тела на турбину и отключении внешнего питания асинхронная машина, при соответствующих условиях, переходит в генераторный режим.
Следует отметить, что публикации, связанные с различными аспектами исследования работы асинхронных машин с указанными конструктивными особенностями в составе автономных ИЭЭ, носят единичный характер. Наиболее полно и широко представлены работы [28-33] по изучению теоретических и
практических вопросов использования АГ на базе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, наиболее близких в электромагнитном отношении -экранированному. Поэтому качественные оценки электромагнитных и электромеханических процессов в АГ тождественны аналогичным в экранированном асинхронном генераторе (ЭАГ). Получение количественных соотношений для указанных процессов требует использования в качестве объекта исследований непосредственно самого ЭАГ. Кроме того, в [1, 34-41] показано, что если машину специально спроектировать как асинхронный генератор, то можно добиться улучшения его свойств с точки зрения регулирования напряжения и частоты при одновременном снижении стоимости управляющей части и установки в целом.
Отличительной особенностью и характерным недостатком АГ, ограничивающих до настоящего времени их применение в автономных ЭЭС, являлись необходимость применения дорогостоящих и габаритных конденсаторов возбуждения и сложность регулирования напряжения.
Появление современных статических источников реактивной мощности [42-44] открыло новые перспективы в области применения АГ, обеспечило высокую живучесть автономных ЭЭС, заставило по-иному и шире смотреть на их структуру.
Так для автономных ЭЭС с турбогенераторами одним из важнейших показателей является коэффициент готовности последних. По данным [45] среднее время аварийного простоя освоенных СГ равно 200 час, а средняя частота аварийных отклонений, определенная при заданном коэффициенте готовности -0,22 год'1. Опыт эксплуатации СГ различной мощности показывает, что приблизительно 10% аварийных остановок блоков происходит из-за турбогенераторов, более 4% причин связано с ротором (обмотки, токопроводы, бандажи) и системой возбуждения [46]. При применении в автономных ЭЭС асинхронных генераторов аварийность ротора и систем возбуждения исключается и по сравнению с СГ число вынужденных остановов снижается на 40 - 50%. Собственно, сокращается и время аварийного простоя. Повышенные показатели надежности АГ позволяют сократить число пусков энергоблоков и связанные с этим дополнительные расходы условного топлива. Таким образом, внедрение АГ, имеющих более высокие, чем СГ, показатели надежности, приводит к повышению экономической эффективности энергетического оборудования [24, 25, 27, 47, 48].
Вопросу теоретических и экспериментальных исследований АГ посвящено значительное количество трудов как отечественных, так и зарубежных авторов.
2.2.6 Приведение параметров эквивалентной схемы ЭАГ к параметрам расчетной модели.
В соответствии с вышеизложенной методикой, в Приложении 1 приведен пример расчета параметров ЭАГ для заданных исходных данных номинального режима и геометрических размеров.
Выражения (2.48 + 2.50), (2.55 ч- 2.60) и (2.61) позволяют рассчитывать приведенные к числу фаз статорной обмотки значения параметров (собственных индуктивных и активных сопротивлений и индуктивных сопротивлений взаимоиндукции между ними) эквивалентных обмоток.
Поскольку, в большинстве случаев, число фаз статорной обмотки т > 3, то применительно к расчетной модели (двухфазной машины) требуется определить соответствующее ей преобразование, позволяющее свести т - фазную машину к двухфазной. Затем, используя полученное преобразование, вывести равновесные уравнения т - фазной машины в осях двухфазной. На начальном этапе примем, что число фаз ш = 3. Расположим на статорном цилиндре в пазах сердечника статора три обмотки, магнитные оси которых сдвинуты в пространстве друг относительно друга на угол 2тт/3 и приложим к этим обмоткам синусоидально изменяющиеся напряжения, образующие симметричную трехфазную систему. Наличие воздушного зазора, магнитное сопротивление которого неизменно, дает возможность применить при определении результирующей индукции в любой условно выбранной точке принадлежащей зазору метод наложения [113]. Как следствие индукция результирующего магнитного поля (кругового магнитного поля) находится как аддитивная величина индукций соответствующих пульсирующих полей каждой из обмоток. В реальной машине имеют место пространственно - ориентированные волны индукций соответствующих обмоток. Следовательно, прежде чем выполнять с ними какие-либо арифметические действия, они должны быть преобразованы в такое пространство структуры, в котором их видовая характеристика допускает подобные операции. С целью определения соответствующего пространства, используя понятия тензорной алгебры, введем ряд
матриц преобразований || Сх||, | С2||, || С3||, имеющих следующий физический смысл:
• матрица преобразования || С) ликвидирует пространственный сдвиг между обмотками, другими словами, располагает магнитные оси второй и третьей