книги / Новые подходы к исследованию и идентификации переходных процессов синхронных машин

ПРЕДИСЛОВИЕ

Практическая потребность в появлении данной книги обусловлена отставанием стандартов на методы испытаний МСМ более 100 кВА в условиях опережающего развития новых направлений энергетики и современной науки и техники, связанной с проектированием, изготовлением, совершенствованием, испытанием и использованием электромеханических преобразователей энергии в сложнейших современных технологических проектах. Появление современных средств регистрации первичной информации и её преобразование в процессе различных видов испытания МСМ с использованием цифровых запоминающих осциллографов (ЦЗО) обеспечивают с высоким качеством точность и достоверность результатов исследования и идентификации ПП по опытным данным стендовых испытаний. Можно с уверенностью утверждать, что изложенное является своего рода прорывом в области испытания электромеханических преобразователей энергии (МСМ).

Монография включает предисловие, список обозначений и сокращений, пять глав, восемь приложений и список литературы.

В рубрике от авторов сообщается об актуальности исследования и идентификации ПП мощных ТГ (МСМ) с высокой точностью и вероятностью, которые в настоящее время не могут быть обеспечены методами отечественных и зарубежных стандартов на данные машины из-за общеизвестных многочисленных недостатков графоаналитических методов идентификации быстропротекающих процессов данных машин. Авторами раскрываются научная, теоретическая и инженерно-техническая значимость

инаправленность новых подходов к проблемам исследования

иидентификации ПП МСМ.

Первая глава посвящена анализу текущего состояния методов обработки данных по результатам стендовых испытаний МСМ по отечественным и международным стандартам, методов исследования и идентификации ПП в условиях влияния различных случайных факторов. Разброс параметров идентификации ПП

11

СМ по отечественным и зарубежным стандартам, значительная трудоемкость, погрешность обработки, невозможность учета влияния на ПП различных случайных факторов, а также сложный математический аппарат некоторых методов, их нетехнологичность явились основными причинами разработки нового подхода к исследованию и идентификации ПП СМ по результатам стендовых испытаний с учетом влияния различных случайных факторов

спривлечением элементов ТВ и МС. На базе ТВ и МС доказано, что только кардинальная теоретическая разработка ВСМ с поисками новых нетрадиционных методов с высокоточным анализом погрешности способна обеспечить высокую достоверность и точность идентификации ПП СМ.

Во второй главе подробно изложены теоретические основы разработанного нового подхода к исследованию и идентификации синусоидально затухающих (возрастающих) по экспоненциальному закону ПП в обмотках якоря МСМ по результатам стендовых испытаний в опытах ВКЗ, ГП, ВН, УВ, которые являются наиболее трудоемкими и неточными для обработки методами по отечественным и международным стандартам. Новый подход заключаются в разработке ВСМ исследования и идентификации ПП МСМ на базе ТВ и МС. Центральным и наиболее информативным по результатам исследования и идентификации в теории ПП СМ является опыт ВКЗ, на основе которого в книге наиболее полно рассмотрена разработка ВСМ исследования и идентификации ПП

сраспространением на остальные опыты.

Рассмотрение теоретических основ нового подхода к исследованию и идентификации ПП СМ начинается с общих моментов.

Во-первых, в основе нового подхода сохранён алгоритм (или методология), заложенный в обработку результатов испытаний СМ традиционным ГАМ который, несмотря на свою трудоёмкость и неточность (присущую вообще ГАМ), приближённо всё же отражает протекание ПП в СМ.

Во-вторых, появление в наше время мощных персональных ЭВМ (компьютеров) с достаточно основательным математическим обеспечением и новой элементной базой современной элек-

12

троники позволяет одновременно весьма оперативно перерабатывать огромные объёмы любой информации, чего не было во времена разработки ГАМ.

В-третьих, с учётом вышеизложенного нельзя отрицать существование различных случайных факторов, влияющих на протекание самих процессов в машине и косвенно на процесс обработки, которые практически даже при желании не могли быть учтены ГАМ из-за отсутствия их способности к варьированию параметров и учёту случайных факторов. В результате ГАМ не обеспечивают определения точных параметров СМ (так как они из-за воздействия возникающих объективных и субъективных случайных факторов являются изменяющимися в определённых диапазонах) и дают неточную копию идентифицированных ПП.

Предложенный новый подход к исследованию и идентификации ПП рассмотрен на примере опыта ВКЗ, который при обработке опытных данных методами в отечественных стандартах для СМ наиболее насыщен графическими процедурами, из-за чего сильнее иных ПП зависит от влияния различных случайных факторов на результаты идентификации при обработке огромных объёмов первичной информации. Кроме того, опыт ВКЗ является одним из центральных в теории ПП СМ, так как позволяет получать наибольшее количество параметров СМ, электромагнитных ПВ и других важнейших величин.

Укрупнённый алгоритм обработки опыта ВКЗ представлен двумя самостоятельными этапами.

На первом этапе алгоритма исследований осуществляется аппаратно-цифровое преобразование первичной аналоговой информации с применением интеллектуального ЦЗО в цифровой код; сжатие и сглаживание цифровой информации, выделение вершин ПП с высокой точностью с шагом 0,02 с; представление ПП в виде дискретных элементов между огибающими с шагом 0,01 с аналитически; в случае возрастающего ПП он преобразуется в убывающий, например, в опытах ВН, УВ; представление ПП обобщенной дискретно заданной функцией в узлах дискретизации с целью разделения ПП на симметричный и асимметричный токи

13

аналитически с использованием опытных данных. Разработанные аналитические выражения для реализации объёма представленных операций на первом этапе исключают все трудоёмкие процедуры ГАМ, связанных с получением электромагнитных параметров по имеющимся стандартам. На этом этапе отсутствует необходимость использования элементов ТВ и МС для исследования и идентификации ПП.

На первом этапе широко представлены иллюстрации всех рассматриваемых опытов: дискретные ПП в цифровом виде, в виде вершин с шагом 0,02 с, в виде дискретных элементов между огибающими (симметричным током) вместе с асимметричным током с шагом дискретизации 0,01 с (только для опыта ВКЗ).

На втором этапе разделение симметричного тока якоря на переходную и сверхпереходную составляющие с целью исключения недостатков ГАМ в стандартах и предлагаемых методов (из-за их точечности) потребовало разработки ВСМ на базе элементов ТВ и МС, которая оказалась связанной с решением нижеследующего комплекса проблем и задач:

1.Обоснование границ с целью использования опытной локальной информации полного дискретного ПП для идентификации каждой составляющей симметричного тока якоря.

2.Обоснование и разработка базового случайного признака

для идентификации дискретно заданных составляющих симметричного тока якоря.

3.Разработка с использованием элементов ТВ и МС эффек-

тивной исследовательской программы с целью проведения ис-

черпывающих статистических исследований с качественным анализом влияния опытных данных ПП СМ в исследуемом диапазоне

симметричного тока якоря tн′ − tв с переходной составляющей на свойства случайного признака:

1)формирование по опытным данным генеральной совокупности (ГС) случайного признака, выборки из неё;

2)получение вариационных рядов с оценкой их свойств;

3)исследование по подтверждению гипотезы предполагаемого нормального закона распределения случайного признака по вариа-

14

ционным рядам с использованием критерия согласия Пирсона χ2 («хи-квадрат»);

4)аналитический вывод эффективных точечных выборок (ЭТВ). Определение их полного и минимизированного объёмов

висследуемом диапазоне ПП с переходной составляющей с использованием распределения Пуассона для редких случайных событий;

5)оценка по свойствам вариационных рядов, а также по размахам и коэффициентам вариации уровня зашумлённости и степени отклонения случайного признака от экспоненциального затухания переходной составляющей симметричного тока якоря;

6)оценка близости свойств вариационных рядов с использованием свойств базового минимизированного объёма ЭТВ (или способ близости свойств вариационных рядов вместо классического метода интервальных оценок ТВ и МС);

7)конструирование и модернизация на базе минимизированного объёма ЭТВ унифицированных комбинаторных выражений для исследования и идентификации переходной составляющей симмет-

ричного тока якоря СМ в исследуемом диапазоне ПП tн′ − tв ;

8) разработка с использованием минимизированного объёма ЭТВ в исследуемом диапазоне tн′ − tв нового, неординарного ме-

тода минимизации среднеквадратичной погрешности при-

ближения дискретной статистической модели переходной составляющей в узлах дискретизации к опытным данным с визуальным представлением полученной погрешности дискретной поверхностью в трёхмерной системе координат. Построение по результатам расчёта статистической функции в узлах дискретизации полного тока якоря в исследуемом диапазоне ПП tн′ − tв дискретной поверхности среднеквадратичной погрешности приближения в трёхмерной системе координат. Оптимизация установившегося значения тока якоря переходного процесса в опыте с использованием процедур моделирования переходной составляющей и минимизации оценки погрешности приближения полученной модели к её опытным данным в узлах дискретизации полного тока якоря, в ко-

15

торых он представлен суммой переходной составляющей симметричного тока якоря и его установившегося значения.

4.Идентификация с использованием ЭТВ сверхпереходной составляющей симметричного тока якоря ПП.

5.Идентификация асимметричного тока якоря ПП с использованием ЭТВ.

6.Критериальная оценка точности идентификации ПП.

7.Определение индуктивных сопротивлений в опытах ВКЗ.

8.Новый подход к достоверной оценке ударного тока якоря.

9.Возможности вероятностно-статистических методов.

По представленному объёму второго этапа в соответствии с требованиями ТВ и МС разработан новый аналитический аппарат (обоснование случайного признака, выводы ЭТВ, конструирование комбинаторных выражений и формул, важнейших функций, разработка уникальных методов, способов с использованием процедур моделирования, оптимизации важнейших величин, минимизации погрешностей, объёма ЭТВ и т.д., а также разрабо-

тана эффективная исследовательская программа с целью про-

ведения исчерпывающих статистических исследований с качественным анализом влияния опытных данных ПП СМ в исследуемом диапазоне симметричного тока якоря на базовый случайный признак), называемый ВСМ для проведения исследований и идентификации ПП СМ.

Изложенные теоретические основы нового подхода, реализованные в разработанных ВСМ исследования и идентификации

ППМСМ по результатам стендовых испытаний в опытах ВКЗ, справедливы и для опытов ВН, ГП, УВ с учетом особенностей их проведения с исключением асимметричной составляющей тока (напряжения) якоря.

Втретьей главе приведены результаты апробация нового подхода с использованием ВСМ исследования и идентификации

ППпо результатам стендовых испытаний МСМ в опытах ВКЗ, ВН, ГП, УВ. Объектом исследования и идентификации всех ПП служила МСМ ТТК-50-2УЗ-П мощностью 50 МВт. Выделение вершин и представление ПП дискретно заданными функциями

16

осуществляются по единому методу, изложенному во 2-й главе. При этом апериодическая составляющая тока якоря возникает при нарушениях электромагнитного состояния СМ лишь в опытах ВКЗ. В опытах ГП, ВН, УВ при нарушениях электромагнитного состояния СМ возникающие при этом ПП являются симметричными. В опытах ВКЗ осциллографируют токи якоря во всех трёх фазах, напряжение якоря в одной из фаз (для масштабирования времени) и ток возбуждения. В остальных опытах записывают ПП в одной из фаз якоря при любом его состоянии

иток возбуждения. Апробация нового подхода для идентификации указанных ПП происходила по опытным данным, полученным в процессе стендовых испытаний натурных образцов МСМ с использованием ЦЗО.

Вглаве широко представлены результаты исследований и расчётов в полном соответствии с теоретическими основами главы 2 в виде таблиц, гистограмм и трёхмерных дискретных поверхностей среднеквадратичной погрешности приближения модели переходной составляющей к опытным данным в исследуемом диапазоне ПП СМ.

Исследования проведены по данным стендовых испытаний для всех уровней напряжения испытания в опытах ВКЗ, а также в опытах ВН, ГП, УВ, которые подтверждают высокую точность

идостоверность ВСМ исследования и идентификацию ПП с учётом влияния различных случайных факторов.

Вчетвёртой главе представлен полный анализ погрешностей нового подхода к исследованию и идентификации ПП в опытах ВКЗ, ВН, ГП, УВ по результатам стендовых испытаний с учетом влияния различных случайных факторов.

Анализ по опытам ВКЗ показал удовлетворительную сходимость математического ожидания (МО) вариационных рядов. Дисперсия лучше в выборках на порядок генеральных вариационных рядов. Размахи случайного признака подтвердили сильную зашумлённость опытных данных, что отразилось на разбросе результатов идентификации переходной составляющей симметричного тока якоря в опытах ВКЗ. Коэффициенты вариации оказа-

17

лись более стабильными при всех уровнях напряжения испытания в опытах ВКЗ, но ниже у выборок за счёт лучшей дисперсии.

Нормальное распределение случайного признака в сравниваемых рядах подтверждается для всех опытов.

Минимизированный объём ЭТВ по Пуассону подтверждён до 4 штук с высокой вероятностью, который использован для разработки способа близости сравниваемых вариационных рядов случайного признака и при конструировании унифицированных комбинаторных формул для идентификации переходной составляющей для различных длительностей ПП.

Исследовано влияние установившегося значения тока (напряжения) якоря на результаты идентификации ПП СМ в опытах ВКЗ, ВН, ГП и представлена количественная оценка снижения погрешности приближения модели переходной составляющей к опытным данным для большинства случаев в разы.

Исследовано влияние нижней границы для переходной составляющей на результаты идентификации ПП СМ по всем опытам, которое снижает свою среднеквадратичную погрешность приближения от 26 до 37,6 % и полную для всего ПП от 22,88 до 27 %.

Исследовано влияние изменения шага дискретизации на точность идентификации длительных ПП СМ для опытов ВН и ГП, а также на оценку машинного времени с представлением погрешности приближения в виде поверхности в трёхмерной системе координат в различных опытах (при изменении шагов вариации установившегося значения напряжения (тока) и нижней границы исследуемого диапазона). Подробный анализ приведён

втексте главы.

Впятой главе рассмотрены возможности ВСМ с их развитием.

Вглаве представлен новый подход экспресс-оценки ударного тока по результатам стендовых испытаний СМ ТТК-110-2-У3-П мощностью 110 МВт в опытах ВКЗ без получения параметров идентификации ПП. Оценка ударного тока реализована по перво-

му элементу дискретного ПП на первом шаге дискретизации T расчётом по опытным данным как разность между этим элементом ПП и интерполяционным значением тока якоря в данном уз-

18

разброс сверхпереходных индуктивных сопротивлений по осям d и q, достигающий при уровне напряжения испытания 0,1 до 17 % для ненасыщенного режима работы СМ и до 30 % для уровня 0,7Uн, при котором для СМ возможен переход в режим насы-

щения. Практическое равенство сопротивлений x′′ ≈ x′′ наступает

d q

при отклонениях напряжений от заданных уровней испытания до 40–45 % для ненасыщенного режима и до 45–50 % в режиме насыщения (0,7Uн ) СМ. Лучшие результаты исследования принадлежат переходным сопротивлениям для всех уровней напряжений испытания, при этом разброс и сходимость сопротивлений составляют менее 10 %. Такой разброс объясняется в основном трудностью точного установления уровней напряжений при испытаниях и асимметрией СМ по причинам конструктивного

итехнологического характера и ряда других причин.

Вглаве был апробирован способ идентификации параметров

ПП исследуемой СМ мощностью 50 МВт. Этот ПП протекал в фазе, данные по которой отсутствовали и были получены из условия iA + iB + iC = 0. Такой подход требует дополнительных

исследований.

В главе исследован переходный процесс турбогенератора ТГ-110 мощностью 110 МВт с номинальным напряжением статора 10,5 кВ и номинальным током 7560,5 А в опытах ВКЗ с применением ЦЗО. Сравнение переходных и сверхпереходных индуктивных сопротивлений в одной из фаз ТГ-110, полученных ГАМ, ВСМ и расчетом в процессе проектирования СМ, показывает, что отклонение данных сопротивлений от рассчитанных при проектировании для полученных по результатам идентификации ГАМ составило 26,11 и 17,23 % соответственно, а по результатам ВСМ составило 6,87 и 0,23 % соответственно.

20