Меню

Математическая модель асинхронного генератора



Моделирование асинхронных турбогенераторов со статорным возбуждением при исследовании крутильных колебаний валопровода со сосредоточенными массами

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 04.02.2016 2016-02-04

Статья просмотрена: 167 раз

Библиографическое описание:

Дунгбоев, Ш. И. Моделирование асинхронных турбогенераторов со статорным возбуждением при исследовании крутильных колебаний валопровода со сосредоточенными массами / Ш. И. Дунгбоев, З. А. Нормухамедова, Н. К. Саидов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 3 (107). — С. 89-92. — URL: https://moluch.ru/archive/107/25612/ (дата обращения: 20.04.2021).

В статье приведены описание разработанной математической модели электрической системы содержащего парогазовой установкой ПГУ с асинхронными турбогенераторами со статорным возбуждением для анализа сложных электромеханических переходных процессов примере Талимарджан ЭС, с целью определения максимальных значений скручивающего момента и крутильных колебаний при анормальных режимах систем.

Ключевые слова: математическая модель, электроэнергетика, мощность, парогенераторы, асинхронные турбогенераторы, колебательные процессы, системы регулирования, дифференциальные уравнения.

Современные состояние развития электроэнергетики промышленно развитых стран, в том числе энергосистема Узбекистана характеризуется быстро растущим спросом на электрическую энергию и определенным отставанием ввода новых генерирующей мощностей. Основными причинами увеличения спроса является существенным изменением промышленной активности, масштабное жилищное строительство и существенное увеличение спроса в бытовом секторе.

В мировой практике изменение топливного баланса во всех промышленно развитых странах открывает широкое возможности энергетического использования на ряду с обычными газотурбинными установками (ГТУ) и паросиловыми установками (ПСУ), находит и установки комбинированные, рассчитанные на одновременное использование в качестве рабочих тел как пара, так и продуктов сгорания [1].

Используемые схемы парогазовых установок с высоконапорными парогенераторами и их модификации далеко не исчерпывают возможностей использования комбинированных паровых и газовых циклов в энергетике. Наряду с установками имеющие раздельные контуры потоков рабочих тел и предусматривающими наличие отдельных паровых и газовых турбин, известны установки контактного типа с непосредственным смещением пароводяного рабочего тела с продуктами сгорания.

Основой развития электроэнергетики является объединение электроэнергетических систем (ЭЭС) и использованием в них генераторов большой мощности. Механическая прочность элементов валопроводов мощных агрегатов снижается с ростом единичной мощности, а при некоторых анормальных режимах механические напряжения валопровода могут превысить допустимые. Электромеханические параметры синхронных генераторов традиционном исполнение ухудшены, и обеспечение устойчивости и надежности работы ЭЭС применяется различные системы регулирования, которые могут привести появлению электромеханическим колебаниям [2].

На наш взгляд наиболее эффективным мероприятием могут быть использования крупных асинхронных турбогенераторов со статорным возбуждением в современной электрической системы вызвано необходимостью дальнейшего повышения надежности генерирующего оборудования и эффективности функционирования энергосистем обосновано в [3]. С применением парогазовых установок (ПГУ) возникают вопрос использования асинхронных турбогенераторов со статорным возбуждением в газотурбинных установках.

В работе [4] приводятся результаты анализа сложных колебательным процессам в электрической системы содержащей синхронные турбогенераторы. Однако, моделирование сложных электромеханических переходных процессов, протекающих в асинхронном турбоагрегате не рассмотрены по настоящие время.

В данной работе рассмотрены составление математической модели электрической системы, содержащей ПГУ с асинхронными турбогенераторами со статорным возбуждения на примере Талимарджан ЭС с ПГУ мощностью 450 МВТ работающей через ЛЭП с напряжением 500 кВ параллельно с системой.

Для решения поставленной задачи составлено дифференциальные уравнения Парка — Горева элементов системы и дифференциальные уравнения относительного движения валопровода сосредоточенными массами. Уравнения элементов системы к координатной оси жестко связанной с роторам ведущего синхронного генератора.

Читайте также:  Ролик натяжителя ремня генератора пежо 308 ер6

Уравнения Парка — Горева асинхронного генератора в блоке с трансформатором:

(1)

Уравнения потокосцеплений АГ

(2)

Рис. 1. Схема валопровода турбоагрегата АТГ-с — 330 и К-300–240–ЛМЗ для исследования электромеханических процессов и для анализа крутильных колебаний валопровода

Уравнения относительного движения вращающихся масс валопровода асинхронного турбоагрегата:

(3)

Θ — угол закручивания соответствующего участка вала;

J — полярный момент инерции массы;

е — податливость на кручению участка вала;

— коэффициент демпфирования крутильных колебаний соответствующего участка валопровода;

Мi — вращающей момент, приложенный к соответствующей массе;

Вращающие моменты агрегата

(4)

(5)

Мн —номинальный вращающей момент генератора;

N — количества масс валопровода;

Мi — вращающей момент, приложенный к соответствующей массе;

— электромагнитный момент асинхронного генератора.

Валопровод турбоагрегата представляет собой упругую систему. Под воздействием периодически изменяющихся сил возникающих в результате анормальных режимов (короткие замыкание, асинхронные режимы, нарушение статической и динамической устойчивости) совершают вынужденные колебания. Эти колебания становится сильными в зоне резонансов возмущающих сил или моментов с собственными колебаниями системы. Вероятность возникновения опасных резонансов возрастает с увеличением быстроходности электрических генераторов, которые могут привести к поломки конструктивных деталей и элементов, и деталей фундамента.

Неравномерность крутящего момента вызывает неравномерность изменения угловой скорости вращения вала, т. е. то ускорение, то замедление вращения. Так как вал обладает упругостью и на нем размещаются массы (ЦВД. ЦСД, ЦНД, ротор генератора, соединительная муфта и возбудитель), то в каждом сечении вала будет своя степень неравномерности. то объясняется тем, что массы в одинаковый промежуток времени проходят разные углы и, следовательно, движутся с разными скоростями. Последние создает переменные закрутки в сечениях вала, что определяет его порочность.

Для расчетов валов на крутильные колебания необходимо кроме действующих моментов, знать жесткости участков каждого вала и значении моментов инерции масс, вращающихся вместе с валом. Из расчета определяются частоты, формы и амплитуды колебаний.

Уменьшение деформации в деталях, подверженных колебательным процессам, может происходить за счет использования асинхронного турбоагрегата как искусственного демпфирования. Задачи исследования в этом случае заключается в теоретическом и экспериментальном определении частот и форм собственных колебаний, анализе вынужденных колебаний и их устойчивости, в установлении возможности уменьшении амплитуд при резонансах, в выборе эффективных мер борьбы с ними в рабочем диапазоне оборотов агрегатов.

Массив бочки ротора асинхронного турбогенератора существеннодемпфирует электромеханические колебания генератора в связи ее электрической и магнитной симметрией.

В расчетах синхронных качаний можно исключить из схем замещения турбогенератора контуры с малыми постоянными времени (с), что увеличивает сверхпереходные сопротивления турбогенератора.

  1. Асаинов Д. Н. Короткие замыкания в электроэнергетической системе с газотурбинными установками малой мощности // Научно — исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения. Материалы докладов Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи. Уфа, 2–3 ноябрь 2010 г. Уфа. УГАТУ, 2010.
  2. Смоловик С. В., Кадхем Б. Т., Шхати Х. В. Демпфирование крутильных колебаний валопровода турбоагрегата с помощью АРВ // Научно — технические ведомости СПб ГПУ. 2007. № 4. С.202–206.
  3. Фазылов Х. Ф., Аллаев К. Р. Асинхронные турбогенераторы со статорным возбуждением и перспективы их применения // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1985. № 2. С. 12 -18.
  4. Лукашов Э. С., Калюжный А. Х., Лизалек Н. Н., Соколов Ю. В. Моделирование и расчет длительных переходных процессов в сложных энергосистемах при больших небалансах мощности. Электричество. 1981, № 2.С. 7–10.
Читайте также:  Авто генераторы в тамбове

Источник

Исследование работы асинхронного генератора на индивидуальную сеть средствами имитационного моделирования

  • Post author:Gekoms LLC
  • Запись опубликована: 21.02.2021
  • Запись изменена: 28.03.2021
  • Post category:Инжиниринг
  • Post comments:0 комментариев

Исследование работы асинхронного генератора на индивидуальную сеть средствами имитационного моделирования

В последние годы, в связи с поисками путей энергосбережения в различных отраслях хозяйст­ва, возник интерес к энергетическим комплексам, потребляющим нетрадиционные энергоресурсы. При электроснабжении небольших животноводче­ских комплексов, например, в качестве первичного энергоносителя можно рассматривать биогаз, а в качестве генератора — асинхронный двигатель, приводимый двигателем внутреннего сгорания. Возможностями применения простого в эксплуа­тации асинхронного генератора (АГ) в небольших по мощности (до 100 кВт) электростанциях по­священо ряд исследований, в которых отмечаются трудности поддержания частоты генерируемого напряжения при наличии индуктивной нагрузки.

Для возбуждения АГ применяют конденсаторы с емкостью, зависящей от характера и режима нагрузки. Найти законы регулирования емкости конденсаторов можно моделированием работы АГ с разным характером и уровнем нагрузки.

Анализ публикаций, посвященных разработ­кам математических моделей АГ, показывает разнообразие методов преобразований и описаний электрической машины. Различия в математических описаниях АГ заключаются в результате исследования, т.е. какой результат необходимо получить при моделировании. Определив объект исследования, технические условия, точность результатов расчета, что позволит сделать возмож­ные допущения, получим интересующую нас ма­тематическую модель.

На основе математического описания АГ [1] составлена модель с помощью средства визуаль­ного моделирования Simulink из пакета Matlab (рис. 1).

В предложенной модели АГ влияние насы­щения моделируется путем использования динамических индуктивностей, а потери в стали учи­тываются с помощью дополнительной (фиктив­ной) обмотки статора.

Дифференциальные уравнения АГ в непод­вижной системе координат α β имеют вид:

Для обмотки статора:

Для фиктивной обмотки статора:

Для обмотки ротора:

где

  • U, U — напряжение по осям α β
  • I1a, i, I2a, i — токи статора и ротора
  • r1, r2 — активные сопротивления фаз статора и ротора
  • rμα — фиктивное сопротивление, эквивалент­ное потерям в стали
  • iμαα, iμαβ — токи в фиктивной обмотке стато­ра (активные составляющие намагничивающего тока по соответствующим осям)
  • Lδ1, Lδ2, Lδμα — индуктивности рассеяния фаз статора и ротора и фиктивной обмотки статора
  • Ψδα, Ψδβ — проекции вектора главного потокосцепления на оси α β
  • ωр — частота вращения ротора

Уравнения учета внешней цепи, т.е. конденса­торов возбуждения и нагрузки:

где

  • i, i — токи в конденсаторах возбуждения
  • 1, 1 токи нагрузки по соответствую­щим осям
  • С — емкость конденсаторов возбуждения
  • rН, LH — активное сопротивление и индук­тивность нагрузки

С помощью представленной модели были проведены исследования работы АГ на индивиду­альную сеть при различных нагрузках.

В качестве АГ была использована асинхронная машина 4A132S4Y3, параметры которой имеют следую­щие значения:

Индуктивность рассеяния фиктивной обмотки статора принималась равной Lμ = 0.112 Гн, фиктивное сопротивление rμ = 64 Ом.

Коэффициенты аппроксимирующих полино­мов, рассчитанные на основе зависимости:

В свою очередь частота вращения ротора АГ принята постоянной ω = 330 рад/с.

При работе машины в установившемся режи­ме общие активные и реактивные сопротивления машины должны быть равны по величине, соот­ветственно, активному и реактивному сопротив­лениям внешней цепи, что равносильно равенству полных проводимостей машины и её внешней се­ти [2].

Читайте также:  Шкода октавия разбор генератора

где

  • Yг, Yc , Yн — полные проводимости фазы асинхронного генератора, группы конденсаторов и нагрузки

Во внешнюю сеть, на которую работает асин­хронный генератор с конденсаторным возбужде­нием, была включена активная нагрузка, величина которой может изменяться в широ­ких пределах.

Считаем, что асинхронный ге­нератор работает при постоянной частоте генерируемых колебаний. Проводимость конденсаторов воз­буждения при постоянной частоте генерируемых колебаний зависит только от величины их емкости. Проводимость фазы нагрузки с по­стоянным коэффициентом мощно­сти зависит исключительно от ве­личины фазы токоприемника.

Что же касается проводимости фазы асинхронного генератора, то она определяется параметрами ма­шины, т.е. ее активными и индук­тивными сопротивлениями.

По мере изменения нагрузки напряжение изменяется, что приво­дит к различному состоянию насы­щения магнитных цепей машины. Это сказывается на изменении величины взаимной индуктивности фаз статора и ротора. Изменение тока нагрузки, сопровождается установлением того или иного скольжения, вызывая значитель­ные изменения приведенного активного сопро­тивления ротора.

Таким образом, первостепенными факторами, влияющими на проводимость асинхронного гене­ратора, являются напряжение на зажимах машины и величина скольжения, определяющие собой численные значения параметров нагружаемой асинхронной машины.

Для поддержания заданного на­пряжения постоянным реактивная проводимость намагничивающего контура должна оставаться неиз­менной, независимой от нагрузки. Для этого необходимо, чтобы лю­бое приращение реактивной прово­димости главного контура, обу­словленное изменением нагрузки, было компенсировано соответст­вующим приращением реактивной проводимости конденсаторов.

На рис. 2 представлены внеш­ние характеристики асинхронного генератора, работающего на актив­ную нагрузку при разных значениях емкости возбуждения.

Из рассмотрения представлен­ных кривых видно, что величина возбуждающей емкости оказывает существенное влияние на характе­ристики Uф = ƒ(Шн) при cosØ= const.

Применение сравнительно больших емкостей, приводит к по­вышению напряжения и высокому состоянию насыщения магнитной системы генератора. Этим обеспечивается сравнительно пологая форма характери­стики и значительная перегрузочная способность машины.

Небольшие емкости не дают возможности снять с генератора номинальную мощность, и приводит к быстро спадающим кривым.

На рис. 2 кружками обозначены данные, полу­ченные из эксперимента. Вращение ротора АГ осуществлялось с помощью асинхронного двига­теля (АД) мощностью 11 кВт со скоростью на 5% больше синхронной в двигательном режиме. В качестве нагрузки использовались нагреватель­ные элементы различной мощности. Совпадение данных, полученных при моделировании и экспе­риментальных данных говорит об адекватности разработанной математической модели реальным процессам в АГ.

Работа асинхронного генератора на симмет­ричную нагрузку в значительной степени услож­няется, если среди потребителей имеются потре­бители с моторной нагрузкой. Возникающие при этом затруднения особенно остро проявляются при пуске короткозамкнутых асинхронных двига­телей потребителей.

Короткозамкнутые асинхронные двигатели, потребляя во время пуска большие пусковые токи при низком коэффициенте мощности, вызывает большое падение напряжения генератора, снижа­ют устойчивость его работы, и могут привести к размагничиванию машины при пуске двигателей относительно большой мощности.

Так как при любом характере нагрузок в рас­сматриваемой энергетической системе должен иметь место баланс реактивных мощностей, то при неизменном возбуждении емкость конденса­торов будет ограничивать мощность пускаемых от генератора короткозамкнутых двигателей, реак­тивная проводимость которых при пуске значи­тельно увеличивается, достигая 6-18 кратного увеличения по сравнению с проводимостью при номинальной нагрузке [2].

Процесс пуска АД типа 4A100S4Y в сети АГ был смоделирован при помощи Simulink. Для соз­дания математической модели АД было использо­вано математическое описание, рассмотренное в [3]. На рис. 3 показаны кривые напряжения, тока АГ и тока статора АД, полученные в результате моделирования.

Источник