Поведінка асинхронного навантаження в вузлах енергосистем при відхиленнях напруги і частоти - Автореферат

Донецький національний технічний університет Талал Аль-Ас (Сірія)Робота виконана на кафедрі «Електричні станції» Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України. Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Сивокобиленко Віталій Федорович, Донецький національний технічний університет завідувач кафедри «Електричні станції». напруга, двигун, частота, живлення Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Жежеленко Ігор Володимирович, Приазовський державний технічний університет, ректор, завідувач кафедри «Електропостачання», м. Маріуполь кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Чувашев Віктор Анатолійович, Український науково-дослідний, проектно-конструкторський і технологічний інститут вибухозахищеного і рудникового електрообладнання, замісник директора з наукової роботи, м. Захист відбудеться "25" вересня 2003 р. о 1430 на засіданні спеціалізованої вченої ради К11.052.02 Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м.З живленням від джерел обмеженої потужності такі вузли застосовуються на різних типах транспорту, у якості систем аварійного живлення на теплових і атомних електростанціях та у багатьох інших системах. Завдяки розвитку напівпровідникової техніки і впровадженню перетворювачів, які дозволяють регулювати частоту і напругу живлення асинхронного навантаження, зявилась необхідність удосконалення для поодинокого та групового асинхронного приводу алгоритмів управління, що забезпечують мінімізацію втрат електроенергії. Для систем електропостачання з глибокопазними асинхронними двигунами великої потужності актуальною є розробка методів синтезу заступних схем, які дозволяють враховувати ефекти витіснення струмів, насичення магнітних кіл, несинусоїдальність напруги живлення та втрати електроенергії з урахуванням цих явищ. Мета роботи - підвищення надійності роботи асинхронного навантаження за рахунок встановлення закономірностей його поведінки у стаціонарних і перехідних режимах при живленні від електричної системи і від генераторів обмеженої потужності при напрузі і частоті, які відрізняються від номінальних. розроблено математичну модель вузла асинхронного навантаження, який живиться від системи або генератора обмеженої потужності, для аналізу стаціонарних і перехідних режимів його роботи при різних рівнях напруги і частоти ;Відзначено, що для вузлів асинхронного навантаження при аналізі його режимів роботи з напругами і частотою, що відрізняються від номінальних, застосовують в основному наближені методи, у яких не враховується нелінійність параметрів заступних схем АД, а для розрахунків струмів КЗ, режимів пуску і самозапуску не використовуються миттєві значення режимних параметрів. При зміні у широких межах величини і частоти напруги живлення необхідно враховувати явища витіснення струмів і насичення магнітних кіл. Індуктивний опір розсіяння статора X?s представлено нелінійною функцією струму статора, індуктивний опір вітки намагнічування Xm-функцією струму в цій вітці, а активний опір Rm цієї вітки - нелінійно залежним від частоти ?. Методика відрізняється тим, що крім витіснення струмів і насичення магнітних кіл враховує також рівняння енергетичного балансу при напругах різної величини і частоти, що дозволяє уточнити визначення втрат в АД і забезпечити повну збіжність розрахункових і вихідних даних. З використанням розглянутих вище моделей встановлено, що втрати потужності як для одного двигуна, так і для вузла з асинхронним навантаженням залежать від рівня частоти, напруги і коефіцієнта завантаження.У дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-прикладну задачу розробки математичної моделі вузлів енергосистем з асинхронним навантаженням, за допомогою якої можна проводити аналіз стаціонарних і перехідних режимів при різних значеннях напруги і частоти. Модель призначена для аналізу стаціонарних і перехідних режимів при різних рівнях частоти і напруги і відрізняється врахуванням втрат у сталі, насичення магнітних кіл і витіснення струмів у роторі. Розроблено метод синтезу параметрів описаної заступної схеми за вихідними каталожними даними, у якому система нелінійних рівнянь, що вирішується при синтезі, доповнена рівняннями енергетичного балансу, що дозволяє покращити співпадіння вихідних і розрахованих за заступною схемою режимних параметрів, у тому числі і ККД. Розроблено математичну модель типового вузла навантаження електричної системи для аналізу стаціонарних і перехідних режимів. До складу вузла навантаження входять асинхронні і синхронні двигуни, статичне навантаження і джерела обмеженої потужності.

Основний зміст роботи

У дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-прикладну задачу розробки математичної моделі вузлів енергосистем з асинхронним навантаженням, за допомогою якої можна проводити аналіз стаціонарних і перехідних режимів при різних значеннях напруги і частоти.

До основних результатів роботи можна віднести наступне.

1. Розроблена математична модель і методика визначення параметрів заступної схеми одного з основних елементів вузла навантаження електричних систем - короткозамкненого асинхронного двигуна. Модель призначена для аналізу стаціонарних і перехідних режимів при різних рівнях частоти і напруги і відрізняється врахуванням втрат у сталі, насичення магнітних кіл і витіснення струмів у роторі. Індуктивності розсіювання статора і вітки намагнічування представлені нелінійними залежностями від відповідних струмів. Витіснення струмів у роторі враховане шляхом введення двох еквівалентних контурів на роторі. Розроблено метод синтезу параметрів описаної заступної схеми за вихідними каталожними даними, у якому система нелінійних рівнянь, що вирішується при синтезі, доповнена рівняннями енергетичного балансу, що дозволяє покращити співпадіння вихідних і розрахованих за заступною схемою режимних параметрів, у тому числі і ККД.

2. Розроблено математичну модель типового вузла навантаження електричної системи для аналізу стаціонарних і перехідних режимів. До складу вузла навантаження входять асинхронні і синхронні двигуни, статичне навантаження і джерела обмеженої потужності. Для всіх елементів схеми використовуються повні диференційні рівняння.

3. На відміну від відомих способів асинхронні і синхронні машини вузла навантаження представлені еквівалентною ЕРС, яка прикладена за надперехідною індуктивністю і змінюється у перехідних режимах роботи. Отримані вирази для визначення вказаної ЕРС. Показано, що при такому підході визначення напруг у вузлах розрахункової схеми аналогічне розрахункам для стаціонарних процесів. При цьому замість матриці вузлових провідностей формується матриця вузлових інверсних індуктивностей, а замість вектору задаючих струмів - вектор швидкості їх зміни.

4. Розроблено і реалізовано алгоритм автоматичного формування математичної моделі вузла навантаження заданої структури. Математична модель дозволяє аналізувати режими КЗ, пуску і самозапуску двигунів, режими комутацій групи двигунів, індивідуального и групового вибігу, АПВ ліній і трансформаторів, АВР секцій та ін. Розроблено алгоритм формування черг запуску асинхронного навантаження у системах аварійного електропостачання з живленням від джерел обмеженої потужності.

5. Результатами моделювання стаціонарних режимів встановлено, що при заданій активній потужності вузла асинхронного навантаження втрати електричної енергії у цьому вузлі при відхиленнях напруги у діапазоні ±20% номінальної (при заданій частоті) змінюються за законом увігнутої параболи. Такий же характер мають втрати при відхиленнях частоти на ±20% (при заданій величині напруги). Екстремальні точки цих парабол при одночасній зміні частоти і напруги і при

U/f = const не співпадають. Розроблена модель дозволяє, порівняно із законом Костенка М.П.

(U/f = const), з більшою точністю знаходити напругу, при якій мають місце мінімальні втрати.

6. Отримані залежності активної і реактивної потужностей, які споживаються вузлом навантаження при зміні напруги і частоти у межах 80 ?120 відсотків від номінальних. При цьому реактивна потужність змінюється в напрямі зміни напруги і в протилежному напрямі при зміні частоти. Характер зміни струму вузла навантаження є протилежним характеру зміни реактивної потужності.

7. Запропоновано інформаційно-обчислювальну систему для визначення оптимальної напруги у вузлах навантаження електричних систем за умов мінімума втрат електричної енергії при нестабільності частоти. Результатами розрахунків на прикладі власних потреб сучасних потужних блоків показана ефективність запропонованого підходу для скорочення втрат потужності у системах електропостачання з потужним двигунним навантаженням.

8. Результатами моделювання встановлено, що із зниженням частоти при незмінному рівні напруги терміни пуску і самозапуску АД скорочуються за рахунок збільшення моменту. При пуску глибокопазних АД від перетворювачів частоти, у яких використовується співвідношення

U/f = const, інтенсивність розгону АД при знижених частотах зростає порівняно з пусками при номінальній частоті. Запропоновано визначати напругу для заданого значення частоти з урахуванням корегуючого коефіцієнта, який зменшує напругу і забезпечує постійність інтенсивності розгону.

9. При підключенні асинхронного навантаження одночасно з подачею збудження у генератор ударні динамічні струми і моменти в АД і генераторі відсутні, і має місце повільне наростання їх значень, що порівняно з підключенням асинхронного навантаження до збудженого генератора є більш переважним.

10. На основі розробленої математичної моделі запропоновано метод формування черг запуску асинхронного навантаження в аварійних режимах автономних електричних систем з генераторами обмеженої потужності, який дозволяє за результатами моделювання різних комбінацій з кількістю черг запуску і складом у них АД вибирати варіант з мінімальним терміном запуску.

11. Порівняння результатів розрахунків з експериментом для режимів поодинокого і ступеневого запуску АД в системах аварійного електропостачання в.п. блочних агрегатів 300 МВТ показало, що їх розбіжність не перевищує 7 %.

Особистий внесок здобувача в опублікованих у співавторстві роботах: [2] - розробка алгоритму регулювання напруги і відповідної програми розрахунку на ПЕОМ; [3] - аналіз результатів розрахунків на ПЕОМ і оцінка втрат при несинусоїдальній напрузі живлення двигунного навантаження; [4, 9] - розробка математичної моделі, розрахунки на ПЕОМ і визначення оптимальних черг запуску навантаження; [5] - дослідження впливу відхилень напруги і частоти на роботу вузла з асинхронним навантаженням; [6] - виконання розрахунків на ПЕОМ та їх аналіз; [7] - аналіз втрат електричної енергії в асинхронному навантаженні за результатами моделювання; [8] - проведення і аналіз результатів експериментів.

Талал Аль-Ас. Математическое моделирование процессов в системе электроснабжения собственных нужд электростанций при отклонениях напряжения и частоты // Збірник наукових праць ДОНДТУ. Серія: «Електротехніка i енергетика», випуск 17: Донецьк: ДОНДТУ. -2000.- С. 184-189.

Сивокобыленко В.Ф., Павлюков В.А., Талал Аль-Ас. Информационно-вычислительная система минимизации расхода электроэнергии на собственные нужды электростанций // Збірник наукових праць Донецького державного технічного університету. Серія: «Обчислювальна техніка та автоматизація», випуск 21: Донецьк: ДОНДТУ.- 2000. - С.44-47.

Сивокобыленко В.Ф. Аль-Ас Талал. Метод расчета потерь в асинхронной нагрузке при несинусоидальном напряжении // Збірник праць IV Міжнародної наукової конференції «Ефективність та якість електропостачання промислових підприємств». Маріуполь,Україна, 2000.- С.75-77.

Сивокобыленко В.Ф., Павлюков В.А., Аль Ас Талал. Режимы работы асинхронной нагрузки при питании от источника ограниченной мощности // Збірник наукових праць ДОННТУ. Серія: «Електротехніка і енергетика», випуск 28: Донецьк: ДОННТУ.- 2001.- С.47-51.

Сивокобыленко В.Ф., Павлюков В.А., Аль-Ас Талал. Изменение потребляемой мощности двигательной нагрузкой при отклонениях напряжения и частоты // Вісник Схiдноукраiнського національного університету №3 (37), науковий журнал, Луганськ, 2001. - С.72-79.

Берепубо Э.Ф., Аль-Ас Талал. Метод эквивалентирования синхронной двигательной нагрузки // Сборник научных трудов ДОНГТУ., Серия: Электротехника и энергетика, выпуск 4, Донецк: ДОНГТУ. - 1999.- С.233-236.

Сивокобыленко В.Ф., Павлюков В.А., Аль-Ас Талал. Математическое моделирование потерь электрической энергии в системах собственных нужд электростанций // Тези доповідей 3-ї Міжнародної науково-технічної конференції «Математичне моделювання в електротехниці, електроніці та електроенергетиці», Украiна, Львів 25-30 жовтня 1999. - С. 241.

Сивокобыленко В.Ф., Аль-Ас Талал. Экспериментальное определение параметров схем замещения электрических машин переменного тока для диагностического контроля // Известия вузов. Электромеханика, 2000 . №3. - С. 89.

Сивокобыленко В.Ф., Талал Аль-Ас., Павлюков В.А Формирование очередей запуска асинхронной нагрузки в автономной электрической системе // Тези доповідей II-ї Міжнародної науково-технічної конференції «Керування режимами роботи обєктів електричних систем - 2002 « Донецьк, 2002. - С.76-78.