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 профессио‑
нально‑педагогический университет)
Пластун, А. Т.
П37 Синтез структур аддитивного подмножества бесщеточных совме‑
щенных возбудительных устройств синхронных машин : учебное посо‑
бие / А. Т. Пластун. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 2016. — 320 с.
ISBN 978‑5‑7996‑1794‑3
Рассмотрены вопросы синтеза структур аддитивного подмножества бесщеточ‑
ных совмещенных возбудительных устройств синхронных машин. Разработаны
нетрадиционные приемы магнитного, электрического и конструктивного совме‑
щения в одной магнитной системе нескольких электромеханических преобразо‑
вателей энергии. Разработаны и описаны принципиальные технические решения
бесщеточных нетрадиционно совмещенных возбудительных устройств аддитивно‑
го и эмерджентного подмножеств синхронных машин и методы их расчета. При‑
ведены основные результаты экспериментального исследования возбудительных
устройств аддитивного и эмерджентного подмножеств. Определена область при‑
менения бесщеточных совмещенных возбудительных устройств. Приведены фо‑
тографии генераторов с бесщеточными нетрадиционно совмещенными возбуди‑
тельными 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 те‑
ория электромеханического преобразования энергии» при изучении дисциплин
«Современные проблемы науки и техники (раздел — электромеханика)», «Систе‑
мы возбуждения синхронных машин», «Электромеханические устройства с нетра‑
диционными методами формирования электромагнитных полей». Пособие будет
полезно аспирантам и специалистам, занимающимся разработкой и проектиро‑
ванием 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 си‑ стем возбуждения ............................................................................................. 9 В 2. Обзор работ по анализу электромагнитных процессов и совершен‑ ствованию структур бесщеточных возбудительных устройств .....................22 ГлАВА 1. Синтез структур аддитивного подмножества бесщеточных возбудительных устройств ...............................................................................26 1.1. Оценка множества технических решений бесщеточных возбуди‑ тельных устройств ...........................................................................................26 1.2. Анализ возможности исследования поля технических решений бес‑ щеточных возбудительных устройств современными методами оптими‑ зации 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 — вра‑ щающийся трансформатор ......................................................................43 1.6.2. Математическая модель асинхронного возбудителя .....................47 1.6.3. Математическая модель синхронного возбудителя неявнопо‑ люсного исполнения ................................................................................51 1.7. Анализ влияния внутреннего и внешнего факторов на работу про‑ стейших возбудительных устройств ...............................................................54 1.8. Математическая модель самовозбуждающегося возбудительного устройства, построенного по принципу параллельной структуры. Упро‑ щенный анализ переходного процесса ..........................................................60 1.9. Математическая модель самовозбуждающегося возбудительного устройства, построенного по принципу последовательного возбуждения ..73 1.10. Математическая модель возбудительного устройства первого уров‑ ня. Время процесса восстановления напряжения .........................................80 1.11. Анализ свойств последовательной, параллельной и первого уров‑ ня структур ......................................................................................................85 1.12. Магнитное и электрическое совмещение как инструмент синтеза при физической реализации возбудительных устройств ..............................89
ГлАВА 2. Основы теории работы совмещенных гармонических возбуди- тельных устройств ............................................................................................91 2.1. Совмещенное возбудительное устройство последовательной струк‑ туры. Гармонический возбудитель .................................................................91 2.1.1. Параметры обмоток физической модели. Выбор номера ра‑ бочей гармоники .....................................................................................103 2.1.2. Уравнения состояния, расчетная математическая модель и схе‑ ма замещения гармонического возбудителя неявнополюсного ис‑ полнения .................................................................................................105 2.1.3. Магнитное поле гармонического возбудителя явнополюсно‑ го 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 гар‑ монического возбудителя ............................................................119 2.2. Бигармонический возбудитель ..............................................................123 2.2.1. ЭДС холостого хода якорной обмотки совмещенного подвоз‑ будителя. 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 со‑ вмещения 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 обмот‑ ки возбуждения и токами якорной обмотки возбуждаемой СМ, на ве‑ личину ЭДС холостого хода индукторного возбудителя .............................155 3.4. Особенности совместной работы совмещенного индукторного воз‑ будительного 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 устрой- ства эмерджентного подмножества ................................................................190 4.1. Основы теории работы каскадного асинхронно‑синхронного воз‑ будителя с трехфазным якорем ....................................................................191
4.1.1. Линейные и координатные преобразования. Условия совмест‑ ной 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 нетрадици- онно 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 асинхронно‑ синхронного возбудителясинхронного генератора ...............................214 5.2.2. Расчетные мощности однофазного каскадного асинхронно‑ синхронного возбудителя синхронного генератора (КАСВО) .............216 5.2.3. Сравнение возбудительных устройств с синхронным, асин‑ хронным и каскадным возбудителями...................................................218 5.3. Особенности конструкции, расчета и проектирования гармониче‑ ских возбудителей .........................................................................................223 5.3.1. Особенности конструкции магнитных систем гармонических возбудителей ...........................................................................................223 5.3.2. Расчетные мощности асинхронного и индукторного подвоз‑ будителей. Энергетические соотношения .............................................226 5.4. Особенности проектирования нетрадиционно совмещенных в од‑ ной магнитной системе синхронного и индукторного электромехани‑ ческих преобразователей энергии ................................................................230 5.4.1. Особенности конструктивного исполнения якорной обмот‑ ки индукторного возбудителя магнитно‑совмещенного с пусковой клеткой на полюсном наконечнике возбуждаемой синхронной ма‑ шиной ......................................................................................................231 5.4.2. ЭДС фазы якорной обмотки индукторного возбудителя при ра‑ боте на холостом ходу возбуждаемой синхронной машины .................234 5.5. Особенности проектирования нетрадиционно совмещенных возбу‑ дительных устройств на основе возбудительного устройства типа Би‑ ГОС для генераторов дизельных и газотурбинных энергетических уста‑ новок и гидрогенераторов малых ГЭС объектов малой энергетики ...........235 5.5.1. Упрощенная математическая модель расчета скорости нарас‑ тания напряжения на обмотке возбуждения возбуждаемой синхрон‑ ной машины и кратности форсировки по току ротора генератора в системе бесщеточного возбуждения синхронных машин с нетра‑ диционно совмещенным возбудителем типа БиГОС ...........................236 ГлАВА 6. Экспериментальные исследования возбудительных устройств эмерджентного и аддитивного подмножеств ..................................................248 6.1. Физические модели и основные задачи экспериментальных иссле‑ дований ..........................................................................................................248
6.2. Экспериментальные исследования возбудительных устройств эмер‑ джентного подмножества .............................................................................250 6.2.1. Экспериментальная проверка зависимости выходного напря‑ жения 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 ад‑ дитивного подмножества ..............................................................................253 6.3.1. Гармонические возбудители явнополюсного исполнения типа ГОС и БиГОС..........................................................................................253 6.3.2. Экспериментальные исследования особенностей работы со‑ вмещенного индуктора возбудителя. Основные результаты ................265 ГлАВА 7. Промышленные и опытно-промышленные образцы бесщеточ- ных нетрадиционно совмещенных возбудительных устройств .......................269 7.1. Области применения нетрадиционно совмещенных возбудитель‑ ных устройств ................................................................................................269 7.2. Оценка эффективности использования нетрадиционно совмещен‑ ных бесщеточных возбудителей ...................................................................285 7.2.1. Оценка эффективности использования нетрадиционно со‑ вмещенных диодных бесщеточных возбудителей типа ВВБ и ВБ для гидрогенераторов малых ГЭС ..........................................................285 7.2.2. Оценка эффективности использования нетрадицион‑ но 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 генера‑ тор обращенного исполнения [76, 150, 166, 182, 284, 288, 291, 301, 302]. Якорная обмотка возбудителя через вращающийся неуправляемый либо управляемый преобразователь (УП) подключена к обмотке воз‑ буждения возбуждаемого СГ [286, 289, 299, 300]. Регулирование тока возбуждения возбуждаемого СГ осуществляется либо путем измене‑ ния тока возбуждения возбудителя, либо управлением вращающего‑ ся управляемого преобразователя [115, 239, 294, 295]. В качестве подвозбудителя используется либо согласующий транс‑ форматор, либо синхронная машина с возбуждением от постоянных магнитов (рис. В 1) или с электромагнитным возбуждением классиче‑ ского исполнения, либо самовозбуждающийся индукторный подвозбу‑ дитель (рис. В 2) [40, 82, 165]. Согласующий трансформатор подключа‑ ется либо к сети собственных нужд [13], либо к шинам возбуждаемой синхронной машины (см. рис. В 1) [296]. При этом может быть использован вольтодобавочный трансфор‑ матор (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 упроще‑ ния аппаратуры управления обмотки возбуждения возбудителя разде‑ ляются 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 изго‑ товление подвозбудителя становятся заметными по отношению к ма‑ териальным затратам и трудозатратам на изготовление возбудителя, то для уменьшения указанных затрат используются приемы конструк‑ тивного, частично магнитного, магнитного и электрического совме‑ щения возбудителя, подвозбудителя и возбуждаемой синхронной ма‑ шины [72, 75, 87, 88]. Так, например, в качестве якорной обмотки синхронного подвоз‑ будителя используется дополнительная обмотка, размещенная в пазах якоря возбуждаемого СГ. В указанной обмотке наводится ЭДС основ‑ ной 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 маши‑ ны во взрывоопасной среде привели к необходимости разрабатывать конструктивно сложные компоновки возбуждаемой синхронной ма‑ шины, возбудителя и подвозбудителя [280, 281, 282, 283]. Один из ва‑ риантов 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, по‑ лем возбуждения подвозбудителя служит часть магнитного потока воз‑ буждения возбуждаемой СМ (см. рис. В 7) [304]. При магнитном совмещении в качестве подвозбудителя использует‑ ся как асинхронная машина, первичная обмотка которой подсоедине‑ на к фазам якоря возбудителя (рис. В 8) [43, 144, 302], так и синхронная машина, обмотка возбуждения которой обтекается выпрямленным то‑ ком возбудителя (рис. В 9) [301]. Последнее решение применено в су‑ довых 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