Пронин М.В., Воронцов А.Г., Калачиков П.Н., Емельянов А.П. Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями

Подождите немного. Документ загружается.

Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями

индукт

вное сопротив-

ление фазы обмотки статора 0,008 о.е., активные сопротивления демпферной обмотки по

продольной и поперечной осям 0,028 о.е

. и 0,024 о.е. Ток возбуждения холостого хода

78,6 А. Номинальный ток возбуждения 248 А. Активное сопротивление обмотки возбужде-

ния 0,16 Ом при 15ºС. Характеристика холостого хода представлена на рис.

2.11.1.

ивности намагничивания по продольной и поперечной осям 2,231 о.е. и 1,0265 о.е.,

индуктивности рассеяния демпферной обмотки по продольной и поперечной осям 0,1009 о.е.

и 0,0756 о.е., индуктивность рассеяния обмотки возбуждения 0,1443 о.е., акти

If, о.е.0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,81,6 2,0

0,2

0,4

0,8

0,6

1,0

1,2

U, о.е.

Рис.2.11.1 Характеристика холостого хода генератора ГС-2500-6,3

На рис ге-

нератора п

11.3 пред-

ставлен

ях, при которых выполнен расчет. Испытания

производились на «холодной» машине. Поэтому в расчетах активные сопротивления фаз об-

мотки статора приняты равными 0,0055 о.е. В эксперименте и в расчете напряжение возбуж-

дения о

.2.11.2 представлена рассчитанная на ЭВМ диаграмма токов и напряжения

ри трехфазном коротком замыкании при напряжении 0,33U

. На рис.2.

а осциллограмма токов и напряжений генератора, полученная при стендовых испы-

таниях, выполнявшихся при тех же услови

стается неизменным при

коротком замыкании обмотки статора.

Рис.2.11.2 Трехфазное короткое замыкание генератора ГС-2500-6,3

при напряжении 0,33U

(расчет)

Пронин М. В., Воронцов А. Г., Калачиков П. Н., Емельянов А. П.

Рис.2.11.3 Осциллограмма трехфазного короткого замыкания

генератора ГС-2500-6,3 при напряжении 0,33U

(эксперимент)

На рис.2.11.2 и 2.11.3 представлены линейное напряжение обмотки статора U

, токи

фаз I

, I

, ток возбуждения I

. Указаны амплитуды напряжения U

abm

, тока статора и тока

возбуждения. Результаты расчета рис.

2.11.2 и эксперимента рис.2.11.3 различаются по удар-

ному току фаз (1688 А и 1755А), по амплитуде тока возбуждения при коротком замыкании

(380 А и 406 А). Эти отличия обусловлены погрешностями в параметрах машины, неточно-

стями измерений и тем, что модель является некоторым приближением к реальному объекту.

Следует отметить, что при коротком замыкании синхронной машины возникают не-

благоприятные

воздействия на элементы конструкции. Поэтому опыт короткого замыкания

производится при пониженном напряжении (обычно 30 %). Опыт производится на холостом

ходу, то есть не учитывается влияние предшествующей нагрузки машины на ударный ток.

В математической модели сравнительно легко можно создать различные условия вы-

числительного эксперимента. На рис.

2.11.4 представлена диаграмма токов и напряжений ге-

нератора ГС-2500-6,3 при трехфазном коротком замыкании при номинальном напряжении,

номинальной частоте и номинальной нагрузке.

Перед коротким замыканием генератор работал с активно-индуктивной нагрузкой.

Амплитуда линейного напряжения генератора 8914 В, что соответствует действующему на-

пряжению 6304 В. В таблице

2.11.1 представлены результаты анализа этого режима работы.

Таблица 2.11.1 Результаты анализа токов и напряжений в установившемся

режиме перед трехфазным коротким замыканием

Линейное напряжение генератора, В 6312.405

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

6311.738

Фазы, гр.

0.1423

Фазный ток, А 288.364

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

288.334

Фазы, гр.

-66.6459

Напряжение возбуждения, В

Ток возбуждения, А

52.827

233.216

В соответствии с табл. 2.11.1 номинальный ток возбуждения генератора в модели ра-

вен 233 А (в эксперименте он равен 248 А).

Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями

Рис.2.11.4 Трехфазное короткое замыкание генератора ГС-2500-6,3 при номинальном

напряжении и номинальной нагрузке

На рис.2.11.5 представлены результаты расчета однофазного короткого замыкания

генератора ГС-2500-6,3 в режиме холостого хода при номинальном напряжении.

Рис.2.11.5 Однофазное минальном короткое замыкание генератора ГС-2500-6,3 при но

напряжении и холостом ходе

На рис.2.11.5 изображены фазное напряжение обмотки статора U

, ток фазы A обмот-

ки статора I

, ток возбуждения I

. Указаны амплитуды напряжения U

, тока статора и тока

возбуждения.

Пронин М. В., Воронцов А. Г., Калачиков П. Н., Емельянов А. П.

Поскольку индуктивность нулевой последовательности генератора ГС-2500-6,3

(0,0608 о.е.) меньше индуктивности рассеяния обмотки статора (0,082 о.е.), то, как известно,

ударный ток при однофазном коротком замыкании (в данном случае 6589 А) больше ударно-

го тока при трехфазном замыкании (5554 А).

При двухфазном коротком замыкании ударный ток должен быть наименьшим. На

рис.

2.11.6 представлена диаграмма токов и напряжений генератора ГС-2500-6,3 при двух-

фазном коротком замыкании при номинальном напряжении и холостом ходе.

Рис.2.11.6 Двухфазное короткое замыкание генератора ГС-2500-6,3

На рис.2.11.7 представлен результат расчета токов и напряжений при сбросе номи-

нальной нагрузки с генератора ГС-2500-6,3.

Рис.2.11.7 Сброс номинальной нагрузки с генератора ГС-2500-6,3 (расчет)

Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями

В расчете принято, что возбуждение осуществляется от независимого возбудителя

через технологические контактные кольца. Как видно из рис.

2.11.7, при сбросе номинальной

нагрузки напряжение генератора кратковременно повышается до 112 %.

На рис.

2.11.8 представлена осциллограмма сброса номинальной нагрузки с генерато-

ра ГС-2500-6,3 при возбуждении его от бесконтактной системы.

Рис.2.11.8 Осциллограмма сброса номинальной нагрузки с генератора ГС-2500-6,3

при работе бесконтактной системы возбуждения (эксперимент)

В эксперименте при сбросе нагрузки увеличение напряжения генератора (19 % на

рис.

2.11.8) больше, чем в расчете (12 % на рис.2.11.7). Это объясняется тем, что в экспери-

менте в контуре регулирования напряжения имеется бесконтактная система возбуждения,

которая вносит в систему дополнительную инерционность, не учтенную в расчете.

Другой характерный режим работы генератора – наброс нагрузки. На рис.

2.11.9 пред-

ставлена расчетная диаграмма токов и напряжений генератора ГС-2500-6,3 при подключении

к нему номинальной нагрузки.

Рис.2.11.9 Наброс номинальной нагрузки на генератор ГС-2500-6,3

при возбуждении через технологические контактные кольца (расчет)

Пронин М. В., Воронцов А. Г., Калачиков П. Н., Емельянов А. П.

§ 2.12 Прямой пуск трехфазного синхронного двигателя СД-800-6

привода экскаватора

В электроприводах, разработанных на «Электросиле», для экскаваторов ЭКГ-10, ис-

пользуются электромашинные агрегаты с синхронными двигателями СД-800-6 и генератора-

ми, которые питают основные нагрузки (двигатели хода, подъема, поворота).

Один из преобразо-

вательных агр представле-

ны нек ул

вность рассеяния обмотки возбуждения 0,168

о.е., активное сопротивле-

ние обмотки статора 0,013 о.е., активное сопротивление продольной демпферной обмотки

0,191 о.е., активное сопротивление поперечной демпферной обмотки 0,148 о.е., кратность

активного сопротивления, шунтирующего обмотку возбуждения в процессе пуска двигателя,

равна 5, механические потери в агрегате составляют 4 %. Питающая сеть имеет напряжение

6 кВ, частоту 50 Гц и индуктивность фаз 0,003 Гн

. На рис.2.12.1 представлен результат рас-

чета прямого пуска двигателя СД-800-6.

характерных режимов работы стемы – пуск электромашинных

егатов от сети ограниченной мощности с напряжением 6 кВ. Ниже

си

оторые рез ьтаты расчетов

прямого пуска агрегата с синхронным двигателем СД-

800-6. Двигатель имеет следующие параметры: мощность 800 кВт, полная мощность статор-

ной обмотки 934 кВА, коэффициент мощности 0,9, напряжение 6 кВ, частота напряжения

50 Гц, ток возбуждения при холостом ходе 104 А, мощность возбуждения при холостом ходе

0,996 кВт, момент инерции вращающихся масс 21 кгм

(с учетом генераторов нагрузки, при-

веденный к двухполюсному исполнению), индуктивность рассеяния обмотки статора

0,116 о.е., индуктивность намагничивания по продольной оси 1,75 о.е., индуктивность на-

магничивания по поперечной оси 0,99 о.е., индуктивность рассеяния продольной демпфер-

ной обмотки 0,171 о.е., индуктивность рассеяния поперечной демпферной обмотки

0,128 о.е., индукти

Рис.2.12.1 Диаграмма прямого пуска двигателя СД-800-6

На рис.2.12.1 изображены напряжение фазы сети (и двигателя) u

, ток фазы сети (и

двигателя) i

, токи в продольной и поперечной демпферных обмотках i

эd

и i

эq

, ток возбужде-

ния i

, магнитный поток в воздушном зазоре двигателя Ф

, электромагнитный момент двига-

теля M

эм

, частота вращения ротора n.

Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями

При выполнении подобных расчетов одним

точности вычислений. Основные ошибки вносятся в

из основных вопросов является оценка

расчеты на этапе математического опи-

сания объекта и при определении параметров схем замещения. Однако существуют также

вычи н ения

дифференциал ний, ошибки аппроксимации таблично заданных кривых). Указан-

ные погрешно ний

можно сравнительно легко оценить на примере описанного

расчета

слитель ые ошибки (ошибки округлений, итерационных вычислений, ошибки реш

ьных уравне

сти вычисле

процесса пуска синхронного двигателя. Для этой оценки рассчитывается баланс

энергий в системе следующим образом.

Энергия, переданная двигателю из питающей сети:

()

332211 ssssssss

iuiuiutWW ++

⋅

∆+= (2.12.1)

Энергия тепловых потерь в обмотке статора:

()

1111 sss

iiirtWW ++⋅∆+= (2.12.2)

Энергия тепловых потерь в демпферных обмотках:

(

)

.5,1

эqэqэdэddqdq

irirtWW (2.12.3)

Энергия тепловых потерь в цепи возбуждения:

+∆+=

(

)

,5,1

fшfff

irrtWW +∆+= (2.12.4)

где r

– сопротивление, шунтирующее обмотку возбуждения в процессе пуска.

Энергия, накопленная в индуктивностях:

()

(

)

.75,05,0

321 ffэqэqэdэdaqaqadadssssml

ilililililiiilW (2.12.5)

Энергия вращающихся масс:

.5,0

ω=

JW (2.12.6)

Энергия, обусловленная механическими потерями:

22222222

+++++++=

.ω∆+=

ωω c

MtWW (2.12.7)

Баланс энергий:

−

−−− WWWW (2.12.8)

−−

WWW

jlfdqs

В таблице

2.12.1 приведены результаты расчета процесса пуска двигателя при реше-

нии системы алгебраических уравнений с количеством итераций, равном 1, 5 и 25, и при ша-

ге интегрирования дифференциальных уравнений, равном 20 мкс, 5 мкс и 1 мкс. В этой же

таблице указано время расчета процесса пуска рис.

2.12.1 на ЭВМ Pentium 4 с тактовой час-

тотой 1,6 GHz.

Таблица 2.12.1 Баланс энергий при расчете пуска двигателя СД-800-6

Количество итераций

Шаг

1 5 25

интегрирования, мкс 20 5 1

Энергия, переданная двигателю, кДж

Энергия потерь в обмотке статора, кДж

Энергия потерь в демпферах, кДж

Энергия потерь в цепи возбуждения, кДж

Энергия в индуктивностях, кДж

2427.290

255.281

902.205

181.643

2455.569

256.583

909.856

181.345

2454.266

256.797

909.926

181.295

Энергия вращающихся масс, кДж

Энергия механических потерь, кДж

0.815

1060.661

45.801

0.816

1058.369

45.464

0.815

1059.272

45.465

Небаланс энергий, кДж

Отно

-19.119

-0.790

3.135

0.130

0.693

0.028 сительный небаланс энергий, %

Время расчета, с 2 17 307

Из приведенных р й

(погрешность менее 1 %) может -

нений с одной итерацией. Необходимое количество итераций связано с шагом интегрирова-

ния дифференциальных уравнений – чем меньше шаг, тем меньше нужно итераций. Во мно-

гих слу

езультатов следует, что удовлетворительная точность вычислени

быть обеспечена при решении систем алгебраических урав

чаях количество итераций может быть равно 0.

Пронин М. В., Воронцов А. Г., Калачиков П. Н., Емельянов А. П.

Другой результат – возможность вычислений

реального времени. Если допустить некото

быстрее.

указанной длительности погрешности ок-

руглений не оказывают значительного влияния на результаты.

Продолжим расс

На рис.

2.12.2 представл

двигателя от частоты вращения в процессе пуска. Сплошными линиями изображены кривые,

полученные линиями

изобра олюсные высо-

ковольтные. Методика

указанной методике использу

параме сям, – не учитывается явнополюсность машины.

M, I, o.e.

на модели сложного объекта в режиме

рое увеличение погрешностей, то процессы в рас-

сматриваемом объекте могут рассчитываться

Следует отметить, что в разработанных программах расчеты выполняются при описа-

нии переменных в основном с двойной точностью. Как видно из табл.2.12.1, при используе-

мых шагах

интегрирования при расчете процессов

мотрение процесса прямого пуска двигателя СД-800-6 от сети 6 кВ.

ены зависимости кратностей пускового тока и вращающего момента

при расчетах на описанной математической модели. Пунктирными

жены кривые, рассчитанные по методике «Машины синхронные явноп

электромагнитных расчетов. Лютер Р.А, Толвинский В.А. и др.». В

ются схемы замещения двигателя и осуществляется усреднение

тров по продольной и поперечной о

I, о.е.

0,5

1,5

4,5

2,5

0 0,10,20,30,40,50,60,70,80,9 1 1,1

M, o.e.

Рис.2.12.2 Пусковые ток и момент двигателя СД-800-6 при расчете на математической

модели (сплошные линии) и по методике Лютера Р.А. (пунктирные линии)

Из рис.2.12.2 видна харак

ной машины, которая учитывается в модели, – при половинной скорости вращения ротора

нарушается монотонность изменения кривых электромагнитного вращающего момента тока

статора (сплошные кривые). Эти нарушения обусловлены несимметрией ротора и описаны в

технической литературе [57].

§ 2.13 Особенности режимов работы шестифазной синхронной

машины п

Одна из разработок «Электросилы», в которой использовались многофазные син-

хронные машины, – преобразователь собственных нужд ПР-50 мощностью 50 кВт для элек-

тропое енен шестифазный синхронный двигатель (см. § 6.4).

Шестифазный двигатель

ность трехфазных обмоток

напряжение обмоток статора 1500 В, частота 50 Гц

, мощность возбуждения на холостом хо-

ду 0,70 ивность рассеяния обмоток ста-

тора в симметричном режиме работы

при от ания по продольной

3,5

n, o.e.

терная особенность процесса пуска явнополюсной синхрон-

реобразователя ПР-50

здов, в котором прим

имеет следующие основные параметры: суммарная мощ-

88,9 кВА, коэффициент мощности 0,9, мощность на валу 80 кВт,

7 кВт, ток возбуждения холостого хода 18,1 А, индукт

0,0554 о.е., индуктивность рассеяния обмотки статора

ключенной другой обмотке 0,045 о.е., индуктивности намагничив

Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями

и поперечной осям 0,864 о.е.

продольной и поперечной ос

возбуж

при

и 0,416 о.е., индуктивности рассеяния демпферной системы по

ям 0,0773 о.е. и 0,0579 о.е., индуктивность рассеяния обмотки

дения 0,072 о.е., активное сопротивление статорных обмоток 0,0306 о.е., активные

сопротивления демпферной обмотки по продольной и поперечной осям 0,0316 о.е. и

0,0354 о.е. На рис.

2.13.1 представлены результаты расчета шестифазного короткого замыка-

ния машины работе в режиме генератора при номинальной нагрузке.

Рис.2.13.1 Шестифазное короткое замыкание двигателя ПР-50

Кратность ударного тока при шестифазном коротком замыкании равна

=344/23,5=14,6. Особенностью рассматриваемого режима работы является то, что токи

протекают по всем фазам обмотки статора и, соответственно, токами всех фаз создаются

магнитные поля, которые ограничивают величину токов. Более худшими режимами работы

шестифазной машины являются короткие замыкания меньшего числа фаз, например, трех-

фазное замыкание. На рис.

2.13.2 представлены результаты расчета трехфазного короткого

замыкания статорных обмоток шестифазной машины ПР-50 при работе в режиме генератора

при номинальной нагрузке. В этом режиме кратность ударного тока увеличилась до

=433/23,5=18,3.

Рис.2.13.2 Трехфазное короткое замыкание двигателя ПР-50

Пронин М. В., Воронцов А. Г., Калачиков П. Н., Емельянов А. П.

Глава 3 А

§ козамкнутым

ротором

наиболее широко ис-

пользуется постоянного тока и синхрон-

ными двигателями асинхронные машины обладают рядом преимуществ. Они имеют более

простую конструкцию, дешевле и надежнее. В них отсутствуют скользящие электрические

контакты, поэтому их эксплуатация менее трудоемка. В качестве генераторов асинхронные

машины используются редко. Однако в комплекте с современными полупроводниковыми

преобразователями асинхронные г -

пример, в автономных электроэнер

Известны различные математические модели асинхронных машин, различное описа-

ние их режимов работы [11], [14], [23], [33], [40], [41], [44], [50], [53], [58], [59], [72], [74],

[75], [98], [106], [120]. В моделях, описанных в данной книге, используются известные до-

пущения и представления машин с

использованием схем замещения. Однако математическое

описание выполнено несколько в иной форме, соответствующей применяемой методике мо-

делиро ное описание машин.

При математическом описании трехфазной

мотки статора выведена. Ротор короткозамкну

шины

при разделении ее на подсхемы, взаимосвя-

синхронные машины

3.1 Трехфазная асинхронная машина с корот

Трехфазная асинхронная машина с короткозамкнутым ротором

в качестве двигателя. По сравнению с двигателями

енераторы могут найти более широкое применение, на

гетических установках (см. § 7.6).

вания. В ряде случаев используется более подробное и точ

машины принято, что нулевая точка об-

тый. Описание асинхронной машины выпол-

нено аналогично описанию синхронной ма

занные через зависимые источники напряжения и тока, как изображено на рис.

3.1.1.

es1

es2

es3

ls1

u3u2u1

r1r1

i2i1 i3

i2d

ls2

iad

iaq

ls2

i2q

ls1 ls1

Рис.3.1.1 Подсхемы трехфазной асинхронной машины

Направления токов

генераторного режима работы). Статорная обмотка описана в фазных осях при следующих

обозначениях: n – номер фазы (n=1,2,3); u

– напряжения фаз, i

– токи фаз. В подсхемах ста-

торных точников учтены фазные ЭДС е

(обусловленные

магнитным потоком в зазоре), а также ЭДС взаимной индукции фаз по путям рассеяния e

Учтены индуктивности фа

деляются при использовании следующих параметров: l

– индуктивность рассеяния фаз, l

–

индукт я точка трехфазной обмотки изоли-

рована, то индуктивность l

может быть принята равной l

Роторные контуры описаны во взаимно перпендикулярных осях d и q, неподвижных

относительно ротора. В подсхемах роторных контуров по осям d и q в качестве зависимых

источников учтены токи реакции якоря i

и i

. Учтены индуктивность намагничивания l

и напряжений приняты такими же, как в синхронной машине (для

обмоток в качестве зависимых ис

з l и активные сопротивления r

. ЭДС e

и индуктивность l опре-

ивность нулевой последовательности. Если нулева