Синтез структур аддитивного подмножества бесщеточных совмещенных возбудительных устройств синхронных машин
Покупка
Тематика:
Электроэнергетика. Электротехника
Издательство:
Издательство Уральского университета
Автор:
Пластун Анатолий Трофимович
Год издания: 2016
Кол-во страниц: 320
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-7996-1794-3
Артикул: 800451.01.99
Доступ онлайн
950 ₽
В корзину
Рассмотрены вопросы синтеза структур аддитивного подмножества бесщеточных совмещенных возбудительных устройств синхронных машин. Разработаны нетрадиционные приемы магнитного, электрического и конструктивного совмещения в одной магнитной системе нескольких электромеханических преобразователей энергии. Разработаны и описаны принципиальные технические решения бесщеточных нетрадиционно совмещенных возбудительных устройств аддитивного и эмерджентного подмножеств синхронных машин и методы их расчета. Приведены основные результаты экспериментального исследования возбудительных устройств аддитивного и эмерджентного подмножеств. Определена область применения бесщеточных совмещенных возбудительных устройств. Приведены фотографии генераторов с бесщеточными нетрадиционно совмещенными возбудительными устройствами. Указаны мощности разработанных устройств и страны, в которых они работают. Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» и по магистерской программе «Общая теория электромеханического преобразования энергии» при изучении дисциплин «Современные проблемы науки и техники (раздел — электромеханика)», «Системы возбуждения синхронных машин», «Электромеханические устройства с нетрадиционными методами формирования электромагнитных полей». Пособие будет полезно аспирантам и специалистам, занимающимся разработкой и проектированием бесщеточных нетрадиционно совмещенных возбудительных устройств.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Министерство образования и науки Российской Федерации Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина А. Т. Пластун Синтез структур аддитивного подмножества бесщеточных нетрадиционно совмещенных возбудительных устройств синхронных машин Учебное пособие Рекомендовано методическим советом УрФУ для студентов, обучающихся по направлению подготовки 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» и по магистерской программе «Общая теория электромеханического преобразования энергии» Екатеринбург Издательство Уральского университета 2016
УДК 621.313(075.8)
ББК 31.261я73
П37
Рецензенты:
кафедра электротехники и электромеханики Пермского национального
политехнического университета (д‑р техн. наук Б. В. Кавалеров);
д‑р техн. наук В. Я. Беспалов (Московский энергетический институт (ТУ));
д‑р техн. наук Г. К. Смолин (Российский государственный профессионально‑педагогический университет)
Пластун, А. Т.
П37 Синтез структур аддитивного подмножества бесщеточных совмещенных возбудительных устройств синхронных машин : учебное пособие / А. Т. Пластун. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 2016. — 320 с.
ISBN 978‑5‑7996‑1794‑3
Рассмотрены вопросы синтеза структур аддитивного подмножества бесщеточных совмещенных возбудительных устройств синхронных машин. Разработаны
нетрадиционные приемы магнитного, электрического и конструктивного совмещения в одной магнитной системе нескольких электромеханических преобразователей энергии. Разработаны и описаны принципиальные технические решения
бесщеточных нетрадиционно совмещенных возбудительных устройств аддитивного и эмерджентного подмножеств синхронных машин и методы их расчета. Приведены основные результаты экспериментального исследования возбудительных
устройств аддитивного и эмерджентного подмножеств. Определена область применения бесщеточных совмещенных возбудительных устройств. Приведены фотографии генераторов с бесщеточными нетрадиционно совмещенными возбудительными устройствами. Указаны мощности разработанных устройств и страны,
в которых они работают.
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 13.04.02
«Электроэнергетика и электротехника» и по магистерской программе «Общая теория электромеханического преобразования энергии» при изучении дисциплин
«Современные проблемы науки и техники (раздел — электромеханика)», «Системы возбуждения синхронных машин», «Электромеханические устройства с нетрадиционными методами формирования электромагнитных полей». Пособие будет
полезно аспирантам и специалистам, занимающимся разработкой и проектированием бесщеточных нетрадиционно совмещенных возбудительных устройств.
Библиогр.: 311 назв. Рис. 126. Табл 12.
УДК 621.313(075.8)
ББК 31.261я73
ISBN 978‑5‑7996‑1794‑3
© Уральский федеральный
университет, 2016
Оглавление Сокращения ..................................................................................................... 7 ВВедение. Анализ состояния в области разработки бесщеточных возбудительных устройств синхронных машин ................................................. 9 В 1. Исполнение, особенности и тенденции развития бесщеточных систем возбуждения ............................................................................................. 9 В 2. Обзор работ по анализу электромагнитных процессов и совершенствованию структур бесщеточных возбудительных устройств .....................22 ГлАВА 1. Синтез структур аддитивного подмножества бесщеточных возбудительных устройств ...............................................................................26 1.1. Оценка множества технических решений бесщеточных возбудительных устройств ...........................................................................................26 1.2. Анализ возможности исследования поля технических решений бесщеточных возбудительных устройств современными методами оптимизации и синтеза отдельных структур. Постановка задачи на разработку метода направленного формирования свойств возбудительных устройств .30 1.3. Математическая модель обобщенного возбудительного устройства аддитивного подмножества ............................................................................33 1.4. Математическая модель идеального возбудительного устройства.........39 1.5. Критерии оптимизации структур возбудительных устройств ................40 1.6. Математические модели простейших возбудительных устройств .........42 1.6.1. Математическая модель возбудительного устройства — вращающийся трансформатор ......................................................................43 1.6.2. Математическая модель асинхронного возбудителя .....................47 1.6.3. Математическая модель синхронного возбудителя неявнополюсного исполнения ................................................................................51 1.7. Анализ влияния внутреннего и внешнего факторов на работу простейших возбудительных устройств ...............................................................54 1.8. Математическая модель самовозбуждающегося возбудительного устройства, построенного по принципу параллельной структуры. Упрощенный анализ переходного процесса ..........................................................60 1.9. Математическая модель самовозбуждающегося возбудительного устройства, построенного по принципу последовательного возбуждения ..73 1.10. Математическая модель возбудительного устройства первого уровня. Время процесса восстановления напряжения .........................................80 1.11. Анализ свойств последовательной, параллельной и первого уровня структур ......................................................................................................85 1.12. Магнитное и электрическое совмещение как инструмент синтеза при физической реализации возбудительных устройств ..............................89
ГлАВА 2. Основы теории работы совмещенных гармонических возбудительных устройств ............................................................................................91 2.1. Совмещенное возбудительное устройство последовательной структуры. Гармонический возбудитель .................................................................91 2.1.1. Параметры обмоток физической модели. Выбор номера рабочей гармоники .....................................................................................103 2.1.2. Уравнения состояния, расчетная математическая модель и схема замещения гармонического возбудителя неявнополюсного исполнения .................................................................................................105 2.1.3. Магнитное поле гармонического возбудителя явнополюсного исполнения. Определение ширины полюсного наконечника .........112 2.1.3.1. Магнитные поля высших гармоник гармонического возбудителя ...................................................................................114 2.1.3.2. Магнитное поле реакции якоря подвозбудителя ............117 2.1.3.3. Параметры и схема замещения явнополюсного гармонического возбудителя ............................................................119 2.2. Бигармонический возбудитель ..............................................................123 2.2.1. ЭДС холостого хода якорной обмотки совмещенного подвозбудителя. Общий случай .........................................................................127 2.2.2. Амплитудно‑фазовые характеристики ЭДС в проводнике якорной обмотки совмещенного подвозбудителя ................................135 ГлАВА 3. Особенности работы возбудительных устройств, совмещенных с возбуждаемой синхронной машиной ............................................................150 3.1. Проблемы конструктивного, магнитного и электрического совмещения возбудительного устройства с возбуждаемой синхронной машиной ........................................................................................................150 3.2. Оценка влияния токов демпферной обмотки на величину зубцовой составляющей магнитного поля в воздушном зазоре .................................153 3.3. Оценка влияния неравномерности воздушного зазора и локальной неуравновешенности магнитодвижущих сил, созданных токами обмотки возбуждения и токами якорной обмотки возбуждаемой СМ, на величину ЭДС холостого хода индукторного возбудителя .............................155 3.4. Особенности совместной работы совмещенного индукторного возбудительного устройства с возбуждаемой СМ .............................................163 3.5. Исследование на физической модели влияния полей, созданных вихревыми токами массива индуктора, на величину ЭДС витка фазы совмещенного с возбуждаемой синхронной машиной индукторного возбудителя, якорная обмотка которого размещена в пазах полюсного наконечника возбуждаемой СМ ..................................................................177 3.6. Область применения индукторной системы возбуждения ...................182 ГлАВА 4. Основы теории и особенности работы возбудительного устройства эмерджентного подмножества ................................................................190 4.1. Основы теории работы каскадного асинхронно‑синхронного возбудителя с трехфазным якорем ....................................................................191
4.1.1. Линейные и координатные преобразования. Условия совместной синхронной работы асинхронного и синхронного возбудителей. Эмерджентное свойство каскадного возбудителя .................................196 4.1.2. Схема замещения. Векторные диаграммы ...................................199 ГлАВА 5. Вопросы расчета и проектирования традиционно и нетрадиционно совмещенных возбудительных устройств ...............................................208 5.1. Объем электромагнитного ядра совмещенного возбудительного устройства .....................................................................................................208 5.2. Особенности проектирования каскадных возбудительных устройств эмерджентного подмножества, совмещенных в одной магнитной системе ..........................................................................................................214 5.2.1. Расчетные мощности многофазного каскадного асинхронносинхронного возбудителясинхронного генератора ...............................214 5.2.2. Расчетные мощности однофазного каскадного асинхронносинхронного возбудителя синхронного генератора (КАСВО) .............216 5.2.3. Сравнение возбудительных устройств с синхронным, асинхронным и каскадным возбудителями...................................................218 5.3. Особенности конструкции, расчета и проектирования гармонических возбудителей .........................................................................................223 5.3.1. Особенности конструкции магнитных систем гармонических возбудителей ...........................................................................................223 5.3.2. Расчетные мощности асинхронного и индукторного подвозбудителей. Энергетические соотношения .............................................226 5.4. Особенности проектирования нетрадиционно совмещенных в одной магнитной системе синхронного и индукторного электромеханических преобразователей энергии ................................................................230 5.4.1. Особенности конструктивного исполнения якорной обмотки индукторного возбудителя магнитно‑совмещенного с пусковой клеткой на полюсном наконечнике возбуждаемой синхронной машиной ......................................................................................................231 5.4.2. ЭДС фазы якорной обмотки индукторного возбудителя при работе на холостом ходу возбуждаемой синхронной машины .................234 5.5. Особенности проектирования нетрадиционно совмещенных возбудительных устройств на основе возбудительного устройства типа БиГОС для генераторов дизельных и газотурбинных энергетических установок и гидрогенераторов малых ГЭС объектов малой энергетики ...........235 5.5.1. Упрощенная математическая модель расчета скорости нарастания напряжения на обмотке возбуждения возбуждаемой синхронной машины и кратности форсировки по току ротора генератора в системе бесщеточного возбуждения синхронных машин с нетрадиционно совмещенным возбудителем типа БиГОС ...........................236 ГлАВА 6. Экспериментальные исследования возбудительных устройств эмерджентного и аддитивного подмножеств ..................................................248 6.1. Физические модели и основные задачи экспериментальных исследований ..........................................................................................................248
6.2. Экспериментальные исследования возбудительных устройств эмерджентного подмножества .............................................................................250 6.2.1. Экспериментальная проверка зависимости выходного напряжения возбудительного устройства типа КАСВ в функции рабочего угла θ возбуждаемой синхронной машины ...........................................250 6.2.2. Экспериментальные исследования каскадного возбудителя с однофазным якорем .............................................................................252 6.3. Экспериментальные исследования возбудительных устройств аддитивного подмножества ..............................................................................253 6.3.1. Гармонические возбудители явнополюсного исполнения типа ГОС и БиГОС..........................................................................................253 6.3.2. Экспериментальные исследования особенностей работы совмещенного индуктора возбудителя. Основные результаты ................265 ГлАВА 7. Промышленные и опытно-промышленные образцы бесщеточных нетрадиционно совмещенных возбудительных устройств .......................269 7.1. Области применения нетрадиционно совмещенных возбудительных устройств ................................................................................................269 7.2. Оценка эффективности использования нетрадиционно совмещенных бесщеточных возбудителей ...................................................................285 7.2.1. Оценка эффективности использования нетрадиционно совмещенных диодных бесщеточных возбудителей типа ВВБ и ВБ для гидрогенераторов малых ГЭС ..........................................................285 7.2.2. Оценка эффективности использования нетрадиционно совмещенных тиристорных бесщеточных возбудителей типа БиГОС‑400 ..............................................................................................289 Заключение ....................................................................................................293 Библиографический список ............................................................................295
Сокращения АРВ — автоматический регулятор возбуждения БСВ — бесщеточная система возбуждения БиГОС — бигармонический возбудитель ВУ — возбудительное устройство ВС — возбудитель синхронный ВА — возбудитель асинхронный ВДТ — вольтодобавочный трансформатор ВИ — возбудитель индукторный ВТ — вращающийся трансформатор ВП — вращающийся преобразователь ВУ — возбудительное устройство ГОС — возбудитель гармонический обращенный синхронный ДО — демпферная обмотка ДР — дроссель с линейной магнитной характеристикой ИО — индукторная обмотка КВ — полюс комбинированного возбуждения КАСВ — каскадный асинхронно‑синхронный возбудитель МДС — магнитодвижущая сила ОГС — обращенный генератор синхронный ОДТ — обмотка датчика тока якоря возбудителя ОИП — обмотка источника питания АРВ ОВВ — обмотка возбуждения возбудителя ОВВС — обмотка возбуждения синхронного возбудителя ОВПИ — обмотка возбуждения индукторного подвозбудителя ОВУ — обобщенное возбудительное устройство ОЯПВ — обмотка якоря подвозбудителя ОЯВ — обмотка якоря возбудителя П — преобразователь ПА — подвозбудитель асинхронный ПС — подвозбудитель синхронный
ПИ — подвозбудитель индукторный ПМ — постоянный магнит ПО — пусковая обмотка СВ — синхронный возбудитель СГ — синхронный генератор СМ — синхронная машина СН — собственные нужды СП — подвозбудитель синхронный СТ — согласующий трансформатор СФК — система возбуждения фазового компаундирования ТТ — трансформатор тока ТН — трансформатор напряжения УП — управляемый преобразователь ЯОП — якорная обмотка подвозбудителя ЯОИП — якорная обмотка индукторного подвозбудителя ЯОВ — якорная обмотка возбудителя ЭДС — электродвижущая сила ЭМВ — полюс электромагнитного возбуждения
ВВедение Анализ состояния в области разработки бесщеточных возбудительных устройств синхронных машин В 1. исполнение, особенности и тенденции развития бесщеточных систем возбуждения д ля бесщеточного возбуждения синхронных генераторов (СГ) большой мощности наиболее полно разработаны и нашли широкое применение бесщеточные системы возбуждения, в которых в качестве возбудителя используется синхронный генератор обращенного исполнения [76, 150, 166, 182, 284, 288, 291, 301, 302]. Якорная обмотка возбудителя через вращающийся неуправляемый либо управляемый преобразователь (УП) подключена к обмотке возбуждения возбуждаемого СГ [286, 289, 299, 300]. Регулирование тока возбуждения возбуждаемого СГ осуществляется либо путем изменения тока возбуждения возбудителя, либо управлением вращающегося управляемого преобразователя [115, 239, 294, 295]. В качестве подвозбудителя используется либо согласующий трансформатор, либо синхронная машина с возбуждением от постоянных магнитов (рис. В 1) или с электромагнитным возбуждением классического исполнения, либо самовозбуждающийся индукторный подвозбудитель (рис. В 2) [40, 82, 165]. Согласующий трансформатор подключается либо к сети собственных нужд [13], либо к шинам возбуждаемой синхронной машины (см. рис. В 1) [296]. При этом может быть использован вольтодобавочный трансформатор (ВДТ), включенный в различных вариантах с возбудительным трансформатором (ВТ) (рис. В 3) [57, 75, 300].
сг сн вп АРВ ВУ ТН ТТ яов вС овв СТ N S яоп Сп СТ УП Рис. В 1. Принципиальная электрическая схема включения элементов бесщеточной системы возбуждения, состоящей из синхронного генератора обращенного исполнения (возбудитель — ВС) и синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов (подвозбудитель — СП) а) сг вп АРВ ВУ ТН ТТ 1 яов вс пи 2 3 оввс овпи яоип яов ВУ б) УП Рис. В 2. Принципиальная электрическая схема включения элементов бесщеточной системы возбуждения с индукторным подвозбудителем
СГ вп вс АРВ ВУ ТН ТТ ПУ ВТ овв яов вдт Рис. В 3. Принципиальная электрическая схема включения элементов бесщеточной системы возбуждения с питанием ОВВ от системы фазового компаундирования (вольтодобавочного трансформатора — ВДТ и возбудительного трансформатора — ВТ) Для увеличения быстродействия системы возбуждения и упрощения аппаратуры управления обмотки возбуждения возбудителя разделяются на две (см. рис. В 4) [303] и три (рис. В 5) [281] электрически раздельные обмотки, включенные по дифференциальному принципу. В связи с тем, что материальные затраты и трудозатраты на изготовление подвозбудителя становятся заметными по отношению к материальным затратам и трудозатратам на изготовление возбудителя, то для уменьшения указанных затрат используются приемы конструктивного, частично магнитного, магнитного и электрического совмещения возбудителя, подвозбудителя и возбуждаемой синхронной машины [72, 75, 87, 88]. Так, например, в качестве якорной обмотки синхронного подвозбудителя используется дополнительная обмотка, размещенная в пазах якоря возбуждаемого СГ. В указанной обмотке наводится ЭДС основной и утроенной частоты (рис. В 6) [37, 292, 293].
СГ вп вс АРВ ВУ ТН ТТ ПУ1 ВТ овв1 яов овв2 3-об.тн др ПУ2 р1=р2 Рис. В 4. Принципиальная электрическая схема включения элементов бесщеточной системы возбуждения с двумя ОВ по оси d, включенных встречно СГ вп вс ВУ ПУ1-ПУ3 овв1 яов овв2 р1=р2=р3 овв2 АРВ Рис. В 5. Принципиальная электрическая схема включения элементов бесщеточной системы возбуждения с тремя ОВ по оси d, включенных по дифференциальной схеме
сг вп АРВ ВУ ТТ овв яов вс (fc +3fc) ПУ Рис. В 6. Принципиальная электрическая схема включения элементов бесщеточной системы возбуждения с питанием ОВ от дополнительной обмотки, размещенной в пазах статора возбуждаемого синхронного генератора СГ Очевидные недостатки скользящего контакта [158, 159] и проблемы, связанные с ним, в случае работы возбуждаемой синхронной машины во взрывоопасной среде привели к необходимости разрабатывать конструктивно сложные компоновки возбуждаемой синхронной машины, возбудителя и подвозбудителя [280, 281, 282, 283]. Один из вариантов компоновки показан на рис. В 7. 4 1 2 3 Рис. В 7. Принципиальная схема компоновки возбуждаемой синхронной машины, возбудителя и подвозбудителя: 1 — возбуждаемая синхронная машина; 2 — подвозбудитель; 3 — возбудитель; 4 — вращающийся преобразователь
Так, например, в бесщеточных синхронных машинах серии ТУР ДКВ мощностью от 30 до 2000 кВA, разработанных фирмой AEG, полем возбуждения подвозбудителя служит часть магнитного потока возбуждения возбуждаемой СМ (см. рис. В 7) [304]. При магнитном совмещении в качестве подвозбудителя используется как асинхронная машина, первичная обмотка которой подсоединена к фазам якоря возбудителя (рис. В 8) [43, 144, 302], так и синхронная машина, обмотка возбуждения которой обтекается выпрямленным током возбудителя (рис. В 9) [301]. Последнее решение применено в судовых бесщеточных СГ фирмы ASEA. сг вп АРВ ВУ ТН ТТ овв яов вс яоп1 ПА яоп2 Рис. В 8. Принципиальная электрическая схема включения элементов бесщеточной системы возбуждения с асинхронным подвозбудителем, включенным по параллельной схеме сг вп вп АРВ ВУ ТН ТТ овв яов вс пс яоп овп Рис. В 9. Принципиальная электрическая схема включения элементов бесщеточной системы возбуждения с синхронным подвозбудителем, включенным по последовательной схеме
Доступ онлайн
950 ₽
В корзину