Развитие электроэнергетики, создание новых типов электрических машин, а также применение традиционных электроагрегатов в новых областях науки и техники требуют решения сложных нелинейных задач электромеханики. Таковыми, например, являются задачи энергообеспечения мощных электрофизических установок (токамаков, плазмотронов, мощных лазеров и электромагнитов). Вместе с тем и традиционные задачи электроэнергетики и электромеханики такие, как работа синхронной машины (турбогенераторов и других типов синхронных машин) на мощную сеть или автономно на различные типы нагрузок непосредственно либо через выпрямитель нельзя считать окончательно решенными.
Основные трудности, возникающие при исследовании динамики таких систем, связаны с высокой размерностью, большим числом варьируемых параметров и существенной нелинейностью систем дифференциальных уравнений, описывающих математические модели физических установок, включающих электрические машины и нагрузку. Высокая размерность системы, ее много-параметричность затрудняют динамический анализ, т. е. изучение возможных движений при различных сочетаниях параметров из области их изменения. Кроме того, при непосредственном анализе системы путем ее численного интегрирования возникают определенные вычислительные трудности, связанные с проблемой обеспечения устойчивости численных методов, поскольку исходные уравнения таких систем содержат быстроосциллирующие функции и описывают процессы с сильно различающимися скоростями, в частности, временной погранслой. С другой стороны именно наличие таких сильно различающихся по скорости переходных процессов приводит к мысли об эффективности применения в указанных задачах асимптотических методов нелинейной механики. Именно эта идея положена в основу настоящей работы.
Математическим выражением наличия в системе переходных процессов с существенно различными скоростями является возможность выделения в полной системе (путем обезразмеривания и замены переменных) подсистемы дифференциальных уравнений, правые части которых содержат множителем малый параметр. Можно сформулировать следующее «утверждение», что наличие медленных и быстрых движений является неотъемлимым признаком «оптимальной» конструкции электрической машины. Известно, например, что частота качаний ротора синхронной машины при включении на мощную сеть составляет величину порядка единиц Гц. Следовательно для «оптимального» демпфирования таких колебаний постоянные времени демпферных контуров Tk должны иметь величины близкие к периоду качаний ротора. Таким образом, соотношение синхронного периода вращения ^ (где о>0 = 314 1/с) к постоянной времени демпферных контуров определяет малый параметр е =.
Структура вхождения малых параметров в систолы дифференциальных уравнений, описывающих динамику различных видов электромеханических систем, включающих синхронные машины, определяет асимптотическую процедуру упрощения уравнений таких систем. Среди задач, рассмотренных в настоящей работе, можно выделить два основных класса, различающихся типом быстрых переменных. Это квазилинейные системы и системы с двумя или более быстрыми фазами и несколькими быстрыми переменными отличными от фаз. В последнем случае практический интерес представляют движения вблизи главного резонанаса, т. е. движения с малым скольжением (рассогласованием угловых скоростей ротора и сети — как в задаче о внешней синхронизации машины с сетью, или угловых скоростей двух или нескольких роторов синхронных машин — как в задаче о внутренней синхронизации параллельно включенных машин, автономно работающих на общую нагрузку). После введения в качестве новых переменных разности фаз и скольжения в этих задачах также получаются квазилинейные системы с несколькими быстрыми переменными отличными от фаз и одной быстрой фазой.
Асимптотическое интегрирование уравнений такого типа основывается на работах Н. Н. Боголюбова, Ю. А. Митрополъского, В. М. Волосова, Б. Н. Моргунова [10,26.79]. Основным моментом при построении усредненной системы с разделенными быстрыми и медленными движениями является усреднение правых частей медленной подсистемы вдоль интегральных кривых порождающей быстрой подсистемы, в которую медленные переменные входят как параметры.
Доказанная в [26] теорема сравнения исходной и усредненной подсистем базируется на условии существования и независимости от начальных условий по быстрым переменным среднего от правых частей медленной подсистемы при подстановке в них общего решения порождающей системы. Именно такая ситуация имеет место для квазилинейных систем, описывающих динамику синхронных машин, автономно работающих на активно-индуктивную нагрузку. В этом случае быстраяподсистема обладает единственным асимптотически устойчивым периодическим квазистационарным решением и усреднение в медленной подсистеме в первом приближении сводится к взятию интеграла за период при подстановке этого стационарного решения в правые части медленной подсистемы. К указанной процедуре сводится и усреднение уравнений электромеханических процессов при работе машины на нагрузку через трехфазный выпрямитель. Хотя эта система уже не является квазилинейной, быстрая порождающая подсистема также обладает единственным глобально асимптотически устойчивым стационарным решением. Несколько иная ситуация имеет место при рассмотрении главного резонанса в системах со многими быстрыми фазами. В этом случае оказывается допустимым рассмотрение движений со скольжениями порядка л/i, но при этом оказывается необходимым построение второго приближения по s/i.
Особо следует сказать о сопоставлении решений усредненных и исходных уравнений. Наиболее общие теоремы метода усреднения для систем со многими быстрыми и медленными переменными [26] гарантируют е близость точных и приближенных решений на интервалах времени порядка 1/е или ~ l/v/е в случае главного резонанса систем с двумя или более быстрыми фазами. Для исследования свойств точных решений используются теоремы об аппроксимации точных решений приближенными на бесконечном интервале времени. К таким теоремам относится теорема Боголюбова о существовании у точной системы квазистационарного решения е близкого к стационарному решению усредненной системы, а также обобщения для систем со многими быстрыми переменными теоремы Банфи [118]. В последнем случае накладываются довольно жесткие ограничения на свойства решений усредненной системы — равномерная асимптотическая [118] или экспоненциальная устойчивость [78].
В то же время, руководствуясь довольно простыми рассуждениями, иногда удается судить о качественном соответствии точных и приближенных решений на всех временах, не прибегая к анализу устойчивости нестационарных решений усредненных уравнений [114]. К указанным теоремам мы будем неоднократно прибегать при анализе свойств исходной системы по свойствам гораздо более простой усредненной. .
Теория электрических машин, как отдельная научная дисциплина, начала складываться в конце XIX — начале XX веков. При этом основные усилия исследователей были направлены на создание наиболее простой и в тоже время адекватной реальным физическим процессам математической модели электрической машины. Пожалуй, первые наиболее значительные успехи в этой области были достигнуты в работах Р. Парка [127, 1281 и независимо от него А. А. Горева [36]. Ими была создана, ставшая классической идеализированная модель синхронной машины, основные предположения которой сейчас общеизвестны (см., например, [15, 27, 45]). Реальная демпферная обмотка (для явнополюсных машин) или играющее роль демпферной обмотки тело ротора (для неявнополюсных машин) заменяется двумя эквивалентными демпферными контурами с взаимоперпендикулярными осями d и q. С учетом только первой гармонической индукции магнитного поля в зазоре вычисляются коэффициенты самои взаимоиндукции реальных и эквивалентных контуров.
Уравнения переходных процессов идеализированной синхронной машины (ИСМ) являются по существу уравнениями Л, а гранжаМаксвелла соответствующей электромеханической системы с сосредоточенными параметрами, что отмечалось многими авторами (в том числе А. Ю. Львовичем, Ф. Ф. Родюковым [71 — 73] и К. Ш. Ходжаевым [112]). Несколько другой подход к записи уравнений электрической машины с заменой распределенных токов в теле ротора счетной системой контурных токов при разложении распределенного тока по полной системе соленоидальных векторных функций, постоянных в системе координат, связанной с телом, был предложен в работе Ю. И. Неймарка, Н. А. Фуфаева [81]. В этом случае система уравнений Лагранжа-Максвелла будет содержать счетное множество уравнений демпферных «контуров». При этом учет в представлении распределенного тока только первой гармоники приводит к идеализированной модели СМ.
Следует отметить, что система дифференциальных уравнений (уравнений Лагранжа-Максвелла) идеализированной синхронной машины существенно нелинейная с периодическими по быстрым фазам коэффициентами. При постоянной частоте вращения система дифференциальных уравнений ИСМ становится линейной с коэффициентами периодическими по времени. Для весьма узкого класса переходных режимов при симметрии токов в фазных обмотках исходные дифференциальные уравнения преобразованием Парка-Горева (см. уже упомянутые работы [36, 127, 128], а также многочисленные книги по теории переходных процессов электрических машин, например, [15, 57, 106]) приводятся к линейным уравнениям с постоянными коэффициентами, которые разрешимы в общем виде. Усилия многочисленных отечественных и зарубежных ученых долгое время были направлены на отыскание точных или приближенных решений уравнений ИСМ для несимметричных переходных режимов в предположении о малом изменении угловой скорости (см. 69] и др.). Вместе с тем для многих чрезвычайно важных задач электротехники, таких, например, как синхронизация машины с сетью или работа машины в качестве генератора кратковременного действия за счет кинетической энергии предварительно раскрученного маховика [33 — 35], наиболее существенным как раз является определение закона изменения угловой скорости.
Первой попыткой упрощения исследования задач динамики СМ при переменной угловой скорости ротора, не претендующей на математическую строгость, было отдельное рассмотрение уравнения вращения ротора под действием внешнего и электромагнитного моментов [104], причем в качестве последнего принималась его статическая характеристика — зависимость от угла нагрузки ¦0 между вектором напряженности вращающегося магнитного поля и магнитной осью ротора СМ. Статическая характеристика СМ имеет вид где г. — постоянный ток возбуждения, 1 и h — коэффициенты, характеризующие индуктивные свойства обмоток статора (для неявноплюсной машины 12 = 0), U и wo — амплитуда и круговая частота трехфазной системы переменных наи l sintf + -—obsin2i9, 2u>5 «.
В. 1) пряжений в обмотках статора. В результате уравнения вращения ротора СМ при эвристическом учете сопротивления, вносимого демпферными контурами принимало вид уравнения маятника.
3 + РФ + «1 sin t? + а2 sin Id = m, (В.2) где т — безразмерный внешний момент. Несмотря на то, что использование уравнения маятника при исследовании качаний ротора СМ не имеет строгого математического обоснования, оно тем не менее, как показали результаты автора (см. гл.1), качественно достаточно правильно описывает возможные движения ротора СМ при малом скольжении. По-видимому, именно это обстоятельство объясняет широкое использование модели связанных маятников при исследовании динамики энергосистем (см., например, работы В. А. Веникова [19], М. Я. Ваймана [16], Ю. Литкенс, В. ИЛуго [66]).
Следующий шаг в упрощении уравнений СМ, работающей на мощную сеть (или от сети, как в случае синхронного двигателя) был сделан в работе А.А. Янко-Триницкого [117]. Рассматривалась полная система уравнений СМ в переменных Парка. В пренебрежении активными сопротивлениями обмоток статора находилось частное решение уравнений статорных контуров, преобразованных к осям d, q. Найденные таким образом квазистационарные выражения для потокосцеплений = 17 cost? и Ф9 = —U sintf подставлялись в уравнения роторных контуров и уравнение вращения. Надо сказать, что несмотря на физический уровень строгости, полученные таким путем уравнения с точностью до замены переменных совпадают с уравнениями СМ, полученными позднее матаматически строгими асимптотическими методами.
Одной из первых попыток применения асимптотических методов для упрощения и анализа уравнений СМ были работы ИА. Фуфаева, П. В. Королева, Р. А. Чесноковой [60,109]. В них предполагалось, что постоянные времени всех электрических контуров много меньше постоянной времени механического движения, что справедливо, вообще говоря, только для СМ малой мощности. На основании такого предположения из уравнений быстрой «электрической» подсистемы при «замороженном» скольжении s находилось выражение для электромагнитного момента, как функции з, которое затем подставлялось в уравнение вращения. Полученное таким образом уравнение второго порядка было иссле-ч довано при помощи ЭВМ. Была прослежена смена устойчивости положения равновесия в зависимости от параметра характеризующего омические потери в цепях статора, и по анализу ляпуновских величин определены «опасные» и «безопасные» границы устойчивости. При пересечении «безопасной» границы с уменьшением? численно определялся предельный цикл, отвечающий мягкому зарождению автоколебаний.
Соответствующие мощным СМ (турбогенераторам) предположения о малости ряда параметров были приняты в работе А. Халаная [122]. Однако полного анализа «скоростей» переходных процессов в этой работе не проведено, — все процессы в статорых обмотках отнесены к быстрым, что не соответствует известным в технике представлениям. Полученные А. Халанаем асимптотически упрощенные уравнения совпали с ранее известными [117], но выводов о их применимости, а также полного иследования движений сделано не было.
В последующих работах П. В. Киселева, О. М. Лева, С. Д. Татарнова, КШ. Ход-жаева [50,51] впервые был сделан полный анализ «скоростей» переходных процессов мощной СМ. Асимптотический метод разделения движений был применен к уравнениям в осях а, 0, что позволило выделить «скрытые» медленные процессы в цепях статора. Кроме того был выделен быстрый процесс в контурах ротора, обусловленный малым рассеянием между демпферным контуром в оси «d» и обмоткой возбуждения. В результате был сделан вывод о применимости упрощенных уравнений при коммутации цепей статора, что ранее считалось невозможным.
Этими же авторами, а также Е. Н. Власовым, А. Ю. Груздевым, А. Д. Саблиным на основе асимптотических методов была разработана теория генераторов кратковременного действия (ТКД [33−35]), предназначенных для импульсного питания мощных электрофизических установок [24,25,38,52−55,93,94]. Принцип действия таких машин следующий. Вначале при отключенной нагрузке и разомкнутой цепи возбуждения маховик вместе с ротором генератора раскручивается относительно маломощным двигателем. Затем замыкается цепь возбуждения и после установления соответствующего напряжения холостого хода подключается нагрузка. Начинается генераторный режим, в процессе которого кинетическая энергия маховика переходит в электроэнергию, необходимую для питания электрофизической установки. В указанных работах записаны уравнения ТКД с явно входящими малыми параметрами, выполнены асимптотические преобразования и получены уравнения медленных нестационарных процессов для СМ (турбогенераторов) с различными типами нагрузок: активно-индуктивной, подключенной к СМ непосредственно [24] или через выпрямитель [52], нагрузкой в виде индуктивного [25] или емкостного накопителя, а также плазмотрона переменного тока [53]. Основным техническим результатом использования усредненых уравнений ТКД явилось определение закона управления напряжением возбуждения для обеспечения заданного закона изменения мощности в нагрузке, а также поддержания заданных фазных напряжений и токов при снижении угловой скорости [55,93].
Иные способы упрощения уравнений СМ, основанные на введение так называемых гибридных переменных — токов и потокосцеплений обмоток статора, были предложены Ф. Ф. Родюковым, А. Ю. Львовичем [72,91]. Используя уравнения машины в системе координат, вращающейся с произвольной скоростью и пренебрегая сопротивлениями статорной обмотки, авторы получили упрощенные уравнения СМ в форме, отличной от известной [117] и не обладающей столь ясной физической интерпретацией как уравнения работы [50].
В 1987 году появилась еще одна работа американских авторов Othman Н.А., Lesieutre B.C., Sauer P.W. [126], где также с помощью асимптотического метода получены упрощенные уравнения СМ, работающей на мощную сеть (без ссылок на предыдущие работы [50,51]. В ней также как и в [117] в качестве исходных использовались уравнения в переменных Парка. Рассматривая в случае малых сопротивлений статорных обмоток систему как квазилинейную и делая замену переменных типа, замены Ван-дер-Поля, что эквивалентно переходу к осям а, 3, авторы сводили полную систему к стандартной форме. Рассматривая, как и в [51], движения со скольжениями порядка у/е, авторы работы [126] получили усредненные уравнения второго приближения, которые по форме близки к уравнениями работы [51]. Некоторое отличие имеют выражения коэффициентов, причиной чему — отсутствие в математической модели, использованной в [126], демпферной обмотки в продольной оси, что не соответствует общепринятой математической модели ИСМ.
Из вышесказанного следует, что задачу упрогцения уравнений «обычной» СМ, * работающей на мощную сеть можно считать решенной.
Иначе обстоит дело с качественным исследованием движений, описываемых упрощенными уравнениями. Наиболее полные результаты в этом плане получены Г. А. Леоновым и приведены в книге [28]. Для класса уравнений, к которому принадлежат уравйения, полученные в [117], [50] доказана дихотомия **, а также определены условия существования предельных циклов второго рода (круговых движений, для которых выполняется условие периодичности угловой скорости). Но факт, что в ряде практически важных случаев упрощенные уравнения имеют лагранжеву структуру и для них справедливы простые энергетические соотношения в [28] не отмечается и не используется.
Именно основываясь на лагранжевой структуре усредненных уравнений СМ автору совместно с К. Ш. Ходжаевым удалось существенно упростить доказательство некоторых теорем параграфа 4.6 книги [28], а таже в дополнении к [28] доказать существование неограниченных движений по углу и скольжению при сколь угодно малом постоянном внешнем моменте [103].
Если для «обычных» СМ задача упрощения уравнений нестационарных процессов имеет довольно обширную библиографию, то подобные исследования для других видов СМ автору не известны. В настоящей работе кроме «обычной» СМ задача асимптотического упрощения и качественного анализа уравнений нестационарных электромеханических процессов решена для генератора со сверхпроводящей обмоткой возбуждения и различных типов индукторных машин.
Особенность математической модели сверхпроводникового генератора обусловлена сложностью конструкции его ротора, который представляет собой вращающийся криостат, окруженный системой цилиндрических коаксиальных Под «обычной» синхронной машиной здесь и далее понимается СМ, для которой справедлива вышеописанная математическая модель ИСМ. Для дихотомичных систем справедлива альтернатива: любое решение либо не ограничено при t > 0, либо стремится при t оо к стационарному множеству (вращение при таком определении считаются неограниченными движениями).
УЗ оболочек [31,32]. Ряд оболочек, выполненных из хорошо проводящих материалов, например меди, играет роль демпферных контуров. Проводящие оболочки кроме того служат электромагнитными экранами, защищающими сверхпроводящую обмотку возбуждения от переменных магнитных полей в анормальных режимах. При учете только первой гармонической поля в активной зоне проводящие оболочки ротора представляются системой п демпферных контуров. Например, расчетная схема криотурбогенератора КТГ-300, использованная в [61] при расчете режима короткого замыкания, включает по семь демпферных контуров в каждой оси.
Вторая особенность исследования динамики сверхпроводникового генератора связана с отсутствием активного сопротивления обмотки возбуждения. С точки зрения механики ток возбуждения — это циклическая обобщенная скорость, которой соответствует постоянный циклический импульс — потокос-цепление обмотки возбуждения. Эта особенность отмечалась в литературе [68] при анализе статической устойчивости сверхпроводникового генератора при его работе на мощную сеть. С позиций метода Ляпунова данный случай рассматривался как критический, хотя, пожалуй, более простой способ определения устойчивости стационарного синхронного движения дает теорема Рауса.
Обширный класс синхронных машин составляют индукторные машины, их подробное описание можно найти, например, в [2,3,43]. Несмотря на большое число публикаций по теории индукторных машин, уравнения переходных процессов в них были известны лишь для специального вида обмоток якоря с достаточно большим числом пазов на полюс и фазу [42]. В этом случае коэффициенты самои взаимоиндукции таковы, что можно применить преобразование Парка и свести уравнения индукторной машины к хорошо изученным уравнениям ИСМ. Для других типов обмоток уравнения переходных процессов ранее были неизвестны. Их выводу и асимптотическому упрощению посвящены работы автора совместно с КШ. Ходжаевым [101,102].
Из приведенного выше обзора видно, что нелинейные задачи динамики синхронных электрических машин актуальны как для многочисленных технических приложений, так и для развития общей теории электрических машин. Наиболее математически обоснованными методами решения таких задач являются асимптотические методы нелинейной механики. Позволяя существенно упростить исходные уравнения, асимптотические методы открывают возможность качественного исследования динамических процессов в электромеханических системах, включающих синхронные машины, позволяют более просто рассчитать стационарные и переходные режимы, а также провести их параметрическое исследование и оптимизацию.
Асимптотическому упрощению уравнений различных типов СМ с разными видами нагрузок и последующему динамическому анализу таких систем на основе упрощенных уравнений посвящены первые семь глав диссертации.
Первая глава посвящена исследованию свойств систем с магнитоэлектрическими гасителями колебаний. Магнитоэлектрические гасители (МЭГ) представляют собой систему короткозамкнутых проводящих контуров или массивных проводящих тел, жестко связанных с механической системой и движущихся в постоянном магнитном поле. При движении в магнитном поле в них возникают токи Фуко, что приводит к рассеиванию энергии и торможению колебаний. Необходимость изучения таких систем в контексте настоящей работы обусловлена тем, что исследование качаний ротора при синхронизации СМ с сетью сводится к определению свойств уравнений «маятника» с системой магнитоэлектрических гасителей. В первой главе устанавливаются теоремы об устойчивости положения равновесия систем с МЭГ, проводится оптимизация демпфирования колебаний линейного осциллятора с одноконтурным гасителем, а также качественное исследование усредненных уравнений качаний ротора СМ, работающей на мощную сеть.
Доказательство теорем об устойчивости систем с МЭГ основано на использовании энергетических соотношений, специфичных для данных систем. Возможность записания таких соотношений обусловлена особенностями структуры уравнений Лагранжа — Максвелла для систем с МЭГ. А именно тем, что э.д.с. движения и пондеромоторные силы, связывающие подсистемы для электрических и механических степеней свободы, образуют при движении в постоянном магнитном поле гироскопические члены, суммарная мощность которых на обобщенном движении равна нулю. Показано, что МЭГ при определенных условиях, эквивалентных не равенству тождественному нулю э.д.с., наводимых в контурах гасителей при их движении вместе с механической системой, усиливают устойчивость до асимптотической. Если же равновесие в системе без гасителей неустойчиво, то его нельзя стабилизировать при помощи МЭГ.
Задача оптимизации демпфирования малых колебаний осциллятора с одноконтурным гасителем сводится к изучению расположения корней характеристического уравнения «в зависимости от двух безразмерных параметров, характеризующих активное сопротивление МЭГ и величину постоянного магнитного поля. В качестве критерия оптимальности принимается критерий максимальной степени устойчивости, т. е. максимальной величины модуля вещественной части корня характеристического уравнения, наиболее близко расположенного к мнимой оси. Проводится полная аналитическая оптимизация по обоим параметрам, в результате чего строятся зависимости максимальной степени устойчивости от величины одного из параметров при оптимальном выборе второго. Интересно, что абсолютному максимуму критерия максимальной степени устойчивости отвечает выбор параметров, соответствующих тройному корню характеристического уравнения.
Качественное исследование качаний ротора «обычной» СМ при её работе на мощную сеть проводится на основе усредненных уравнений, полученных асимптотическим методом в работе [50]. Эти уравнения являются частным случаем уравнений Лагранжа — Максвелла для систем с МЭГ и имеют структуру уравнений маятника с внешним моментом и двумя контурами гасителя, совершающими вместе с маятником угловые колебания в постоянном магнитном поле. Лагранжева структура усредненных уравнений позволяет записать энергетическое соотношение, на основе которого доказывается дихотомия указанной системы. Кроме того показывается, что при постоянном внешнем моменте (т) система допускает неограниченные движения по углу и скольжению, что ранее в литературе, по-видимому, не отмечалось. При учете в уравнении вращения механической диссипации, предполагая, например, что статическая характеристика приводного двигателя имеет вид т (6) = то — (36, где 6 — угол поворота маятника (для СМ угол 6 характеризует рассогласование между магнитной осью ротора и вращающимся полем статора), неограниченные движения по 8 становятся невозможны. Неограниченные по углу б вращения маятника с гасителями, реализуемые при определенных условиях, указанных в теореме 4.6.6 книги [28], стремятся к периодическому по 6 движению (круговому предельному циклу второго рода), что для СМ эквивалентно асинхронному ходу с постоянным средним скольжением.
Во второй главе исследуется динамика «обычной» СМ, автономно работающей на активно-индуктивную нагрузку. Запись исходных уравнений в безразмерных переменных и выделение малых параметров, определяемых отношениями постоянной времени демпферного контура в оси «к» соответственно к постоянной времени обмотки возбуждения е/ = Т*/Т/ и механической постоянной времени еш = Тк/Тт, проведены в [24]. Метод асимтотического интегрирования отличен от предложенного в [24]. В частности, показывается, что расчет токов в нагрузке в первом приближении по параметру е — сводится к определению квазистационарного режима в трехфазной цепи под действием фазных э.д.с., представимых в виде гармонических функций с медленно меняющимися амплитудой и фазой. После подстановки найденного квазистационарного решения быстрой подсистемы в «медленные» уравнения и осреднения по быстрой фазе, соответствующей углу поворота ротора, получается нелинейная система третьего порядка. Малость параметров е/ и е^ позволяет провести повторное усреднение и свести задачу к исследованию автономной системы второго порядка относительно переменных Ф/, и>, где Ф/ - средняя составляющая потокосцепления обмотки возбуждения, и> - средняя угловая скорость. Стационарные решения определяются равенством среднего электромагнитного момента как функции средней частоты вращения и внешнего момента, определяемого статической характеристикой приводного дйигателя т (и>). В случае m (u-) = const меньшем, чем максимум электромагнитного момента, существуют два стационарных решения, которым отвечают устойчивое узловое и седловое состояния равновесия. Причем первое соответствует меньшей, а второе — большей частоте стационарного режима. Для реальных приводов зависимость т (и>) определяется их статической характеристикой, убывающей при росте и быстрее гиперболической функции. При монотонном убывании т (ы) оказываются возможными либо одно устойчивое — узловое, либо три стационарных решения. В последнем случае области притяжения устойчивых узловых положений равновесия на плоскости Ф/.о>, отвечающих устойчивым стационарным вращениям, разделены сепаратриссами седловой точки, соответсвующей среднему из возможных стационарных значений частоты.
Изложенная асимптотическая процедура легко обобщается на случай включения СМ на нагрузку через выпрямитель. Построение квазистационарного решения быстрой подсистемы в этом случае сводится к определению периодического режима в цепях выпрямителя (рассматривается схема Ларионова [85]) при гармоническом трехфазном возбуждении. Исследование стационарных решений усредненной системы приводит к результатам, качественно совпадающим с результатами полученными для случая прямого включения СМ на активно-индуктивную нагрузку. В этой же главе приводится решение одной из возможных задач програмного управления напряжением возбуждения с целью поддержания заданной мощности при работе СМ в качестве генератора кратковременного действия на активно-индуктивную нагрузку. На этом примере показывается решение задачи определения напряжения возбуждения на основе уравнений медленных нестационарных процессов. Характерным для закона изменения напряжения возбуждения при поддержании постоянной мощности на нагрузке является провал напряжения в начале рабочего процесса, вызванный более быстрым ростом потокосцепления демпферного контура в попереченой оси по сравнению с падением потокосцепления обмотки возбуждения.
Рассмотренная в третьей главе задача о параллельной работе двух СМ на общую нагрузку является непосредственным обобщением задачи об автономной работе одного генератора на активно-индуктивную нагрузку и исследования синхронизации двух генераторов, включенных навстречу друг другу [49]. Установки такого типа могут служить автономными источниками электропитания различных электрофизических устройств и использоваться как в стационарных, так и в переходных режимах, например, как генераторы кратковременного действия. Использование двух генераторов вместо одного оказывается принципиальным в космической технике для обеспечения равенства нулю суммарного кинетического момента орбитальной станции.
Математической особенностью задачи о динамике двух СМ, работающих на общую нагрузку, является наличие двух быстрых фаз, отвечающих углам поворота роторов генераторов. С технической точки зрения наибольший интерес представляют движения системы с малой разностью угловых скоростей (малым скольжением), т. е. рассмотрение главного резонанса системы дифференциальных уравнений, описывающих процессы в такой установке. Второй особенностью является то, что определение квазистационарного решения быстрой подсистемы сводится к расчету периодического режима в трехфазной цепи под действием не одного как в предыдущей главе, а двух параллельно включенных источников э.д.с. гармонических относительно углов поворота каждой из машин и имеющих медленно меняющиеся амплитуды и фазы. В рассматриваемом случае главного резонанса введением эквивалентной э.д.с., параметры которой зависят от медленных переменных обеих машин, нахождение квазистационарного решения быстрой подсистемы сводится к расчету периодического режима в трехфазной цепи с гармоническим возбуждением. В результате применения процедуры усреднения изучение динамики системы двух машин, работающих на общую нагрузку, сводится к исследованию системы 7-ого порядка вместо исходной 16-ого порядка.
На основе усредненных уравнений проведен анализ возможных движений для двух одинаковых генераторов в двух вариантах: когда моменты приводных двигателей равны гги = гпг, и когда они различаются по величине. Численное решение усредненых уравнений показало, что равенство приводных моментов неизбежно ведет к синхронизации генераторов. При анализе движений в случае, когда mi Ф шг показана возможность синхронной работы генераторов при отключении одного из двигателей, т. е. работы СМ в режиме «электрического вала» .
Четвертая глава посвящена асимптотическому упрощению уравнений электромеханических переходных процессов в сихронной многоконтурной машине (СММ) со сверхпроводящей обмоткой возбуждения. Как указывалось выше сложная конструкция ротора такой машины приводит к отличной от «обычной» СМ расчетной схеме, включающей множество демпферных контуров в каждой оси с существенно различными сопротивлениями. Ещё одной отличительной особенностью расчетной схемы многоконтурной машины является постоянство потокосцепления сверхпроводящей обмотки возбуждения.
Разделение переходных процессов СММ проводится на основание анализа собственных чисел и собственных векторов матриц RtGt и RkGk, где Я*, Rkдиагональные матрицы сопротивлений контуров ротора в продольной и поперечной осях, a Gt, Gk — обратные матрицы индуктивностей системы роторных контуров. Для выделения быстрых и медленных переменных к системе роторных уравнений, записанной относительно потокосцеплений Фг, применяется преобразование к нормальным переменным Фг.
Фг = 5ГФГ, г =t, к (В.3) где Srт = t, к — модальные матрицы, столбцы которых являются собственными векторами матриц RtGt и RkGk.
ArjE — RrGr) srj = О {ВА).
Xrj — соответствующие собственные числа, обратные постоянным времени системы роторных контуров. Анализ параметров криотурбогенератора, приведенных в [44], показал, что собственные числа Ап можно разбить на две группы, отличающиеся друг от друга по крайней мере на порядок. Такое разделение собственных чисел позволило выделить в системе, преобразованной к нормальным переменным, явно входящие малые параметры и применить метод усреднения для систем с многими быстрыми и медленными переменными в случае главного резонанса, т. е. при малой разности угловых скоростей ротора и вращающегося поля статора.
Показано, что усредненные уравнения СММ, также как и уравнения «обычной» СМ, работающей на мощную сеть, имеют структуру уравнений Рауса маятника с магнитоэлектрическими гасителями с тем отличием, что в МЭГ входит по два контура в каждой оси.
Главы с пятой по седьмую посвящены выводу, асимптотическому упрощению и качественному исследованию уравнений электромеханических процессов в различных типах индукторных электрических машин. Индукторными называются машины с неподвижной обмоткой возбуждения, расположенной на статоре, э.д.с. в обмотке якоря которых возникает в результате изменения магнитной проводимости рабочего зазора при вращении зубчатого ротора. По принципу действия индукторные машины относятся к синхронным. При скорости вращения Q частота наводимой в обмотке якоря э.д.с. равна zCl, где z — число зубцов ротора. Индукторные машины, как и обычные синхронные машины являются обратимыми, т. е. могут работать и как двигатели с магнитной редукцией скорости. Индукторные генераторы иногда ещё генераторами повышенной частоты, поскольку частота генерируемого тока в них лежит в диапазоне от нескольких сот до нескольких тысяч Гц.
Изобретенные в начале века индукторные машины первоначально применялись в радиотелеграфии, но были вытеснены на радиостанциях ламповыми генераторами. Однако, теряя свои позиции в радиотехнике, они нашли широкое применение в металлургии в установках индукционного нагрева для плавки качественных сталей и редких металлов, в кузнечном деле для поверхностной закалки, сварки и т. д. В последнее время интерес к индукторным машинам возрос всвязи с преимуществами бесконтактного возбуждения при работе на космических станциях и других труднообслуживаемых объектах. Предполагается также использование индукторных машин в нестационарных режимах в качестве генераторов кратковременного действия для питания электрофизических установок.
Несмотря на значительное число публикаций по теории индукторных машин (см., например, [2,3,43]) переходные процессы в них были практически не изучены. Уравнения переходных процессов в индукторных генераторах были известны лишь для разноименнополюсных трехфазных машин с обмотками якоря, имеющими число пазов на полюс и фазу больше или равное двум. В этом случае коэффициенты коэффициенты индукции таковы, что применимо преобразование Парка и уравнения электромеханических процессов сводятся к уравнениям Парка-Горева «обычной» синхронной явнополюсной машины. Однако такое преобразование уравнений индукторной машины можно сделать отнюдь не всегда. Поэтому представляет интерес рассмотрение машин с другими типами обмоток, для которых уравнения Лагранжа — Максвелла не сводятся к известным в теории электрических машин.
Пятая и шестая главы посвящены исследованию динамики однофазных и трехфазных индукторных генераторов, работающих на активно-индуктивную нагрузку. После выделения малых параметров система уравнений электромеханических процессов сводится к квазилинейной, причем линейная часть представляется системой с переменными коэффициентами. Дальнейшая процедура усреднения состоит в отыскании периодического решения линейной подсистемы, для чего используется метод Фурье-разложения. Интересно отметить, что для трехфазной машины отыскание стационарного решения линейной подсистемы сводится к решению дифференциально-разностного уравнения с периодическими коэффициентами. Уравнения такого типа ранее, по-видимому, в теории электрических машин не встречались. Исследование структуры решений усредненых уравнений показало, что несмотря на иной принцип действия имеется качественное совпадение с процессами в «обычной» синхронной машине, работающей на тот же тип нагрузки.
Использование усредненых уравнений открывает также возможность решения некоторых обратных задач теории индукторных машин. Например, задачи определения магнитных проводимостей или формы зубцов ротора для обеспечения гармонического тока в нагрузке. Такая задача в явном виде решена в главе 5.
Для теории электрических машин определенный интерес представляет сравнение переходных процессов при включении на нагрузку звездой с нулевым и без нулевого провода. Однотипность переходных процессов для «обычных» СМ показывается с помощью преобразований Парка, «а,/3,0» преобразований и т. д. при любых значениях параметров. В случае индукторных генераторов доказательство сложнее и существенным образом опирается на предположение о малости потоков рассеяния.
В седьмой главе проведено асимптотическое преобразование уравнений трехфазного индукторного двигателя с зубцовой обмоткой якоря. Особенность асимптотической процедуры в данном случае состоит в том, что коэффициенты индукции в уравнениях Лагранжа-Максвелла заданы не явно, а через обобщенные выражения для магнитных проводимостей, конкретный вид которых как функций угла поворота ротора зависит от формы зубцов ротора. Используя только функциональные свойства магнитных проводимостей, показывается независимость в среднем переходных процессов в цепях якоря от процессов в обмотке возбуждения и связанных с ними механических качаний ротора. Усредненые уравнения переходных процессов как и для «обычной» СМ имеют структуру уравнений типа маятника с магнитоэлектрическим гасителем, для которых остаются справедливыми все те качественные выводы о характере возможных движений, что и для уравнений «обычной» СМ, работающей от мощной сети, сделанные в-пар. 1.3. Этот факт тем более интересен, так как физическая причина возникновения электромагнитного момента в индукторных двигателях отлична от синхронных. В «обычной» СМ электромагнитный момент создается силами Ампера, действующими на проводники с токами, а в индукторной силами магнитного тяжения, приложенными к зубцам ротора.
Кроме задач электромеханики, связанных с работой СМ на различные типы нагрузок, в диссертации также проведено исследование динамических свойств неавтономных электрических цепей, включающих нелинейные резистивные элементы. Такие цепи могут служить элементами различных электротехнических и радиоэлектронных устройств. Например, нелинейным резистором с падающим участком вольт-амперной характеристики может быть представлена электрическая дуга в сталеплавильных печах и других термоэлектрических установках [98].
Хотя описание нелинейной цепи осуществляется на языке дифференциальных уравнений, специфические цепевые свойства в ряде случаев позволяют получить более полную информацию о динамике цепи, чем применение общих подходов качественной теории дифференциальных уравнений. Особое значение для анализа цепей имеет энергетический подход, развитый в работах Л. В. Данилова, Л. А. Синицкого, П. Пенфилда, Р. Спенса, СДюинкера и других [40,83,96]. Так в [40, 96,120] на основании энергетических соображений были установлены критерии диссипативности цепей с нелинейными R-элементами, а также найдены достаточные условия их конвергентности *. В частности, для Под конвергентностью понимается независимость установившегося режима от начальных условий, т. е. выполнение для любых двух решений ij (t) и i2(t) следующего соотношения llm !!"!(*) — *a (t)l| = О.
•00 конвергентных цепей с Т-периодическими независимыми источниками установлена теорема о существовании, единственности и асимптотической устойчивости Г-периодического режима. Таким свойством в общем случае не обладают неавтономные цепи, удовлетворяющие только критерию диссипативно-сти. На основании теоремы, доказанной в [84], для диссипативных цепей с Т-периодическим возбуждением можно только утверждать наличие хотя бы одного Т-периодического режима. Информации о числе периодических режимов, их устойчивости эта теорема не дает.
В восьмой главе на примере однофазной и симметричной трехфазной цепей с гармоническим возбуждением и нелинейными R-элементами, вольт-амперные характеристики которых не удовлетворяют условиям конвергентности, проводится полное исследование возможных стационарных режимов. Показано, что в однофазной цепи, нелинейные R-элементы которой имеют вольт-амперную характеристику с «падающим» участком возможны устойчивые периодические режимы с ненулевой средней составляющей. Для этого типа цепей чиленно-аналитическими методами изучены возможные бифуркации периодических режимов.
Интересный тип бифуркации периодического режима обнаружен в трехфазной цепи, вольт-амперные характеристики нелинейных R-элементов которой имеют достаточно длинные «падающие» участки. При определенной амплитуде внешнего напряжения симметричный периодический режим теряет устойчивость в результате чего рождается квазипериодический режим с ярко выделенной низкочастотной составляющей.
На защиту выносятся:
1. Исследование динамических свойств систем с магнитоэлектрическими гасителями колебаний. Доказательство общих теорем об устойчивости положения равновесия систем с МЭГ.
2. Вывод усредненных уравнений и качественный анализ на их основе возможных движений при работе различных типов СМ на мощную сеть.
3. Вывод уравнений медленных нестационарных процессов и изучение возможных движений при автономной работе одной или двух параллельно включенных СМ на активно-индуктивную нагрузку.
4. Асимптотическое преобразование уравнений синхронной многоконтурной машины со сверхпроводящей обмоткой возбуждения.
5. Разработка на основе асимптотических методов общей теории нестационарных электромеханических процессов в индукторных машинах.
6. Исследование стационарных режимов в неавтономных электрических цепях с нелинейными резистивными элементами, вольт-амперные характеристики которых не удовлетворяют условиям конвергентности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В работе получены следующие основные результаты:
1. Сформулированы и доказаны теоремы об устойчивости положения равновесия электромеханических систем с магнитоэлектрическими гасителями (МЭГ).
2. На основание критерия максимальной степени устойчивости решена задача оптимального выбора параметров МЭГ для колебательной механической системы с одной степенью свободы.
3. Для широкого класса синхронных электрических машин, работающих на мощную сеть или от нее, (неявнополюсные машины, многоконтурные машины со сверхпроводящей обмоткой возбуждения, трехфазные индукторные машины) проведено асимптотическое преобразование уравнений элетромеханических переходных процессов. Показано, что усредненные уравнения имеют лагранжеву структуру уравнений маятника с МЭГ.
4. Проведено качественное исследование уравнений маятника с МЭГ. На основание энергетических соотношений, вытекающих из лагранжевой структуры уравнений, упрощено доказательство дихотомии такой системы. В дополнение к [28] показана возможность неограниченных по углу и скольжению движений при постоянном внешнем моменте. Установлено, что при внешнем моменте, являющимся монотонно убывающей функцией угловой скорости, неограниченные по скольжению движения становятся невозможны. В зависимости от соотношения между постоянной составляющей момента и коэффициентом механической диссипации, характеризующим скорость убывания статической характеристики привода, система может обладать либо глобальной асимптотической устойчивостью, либо допускать существование предельного цикла второго рода, что для СМ эквивалентно асинхронному ходу с постоянным средним скольжением.
5. Проведено асимптотическое упрощение и исследована качественная структрура усредненных уравнений электромеханических процессов в СМ, автономно работающей на активно-индуктивную нагрузку. Постороен фазовый портрет системы усредненных уравнений, представляющей в случае монотонно убывающей статической характеристики привода систему двух устойчивых узлов, разделенных сепаратриссами седлового положения равновесия.
6. Проведено асимптотическое упрощение уравнений переходных процессов в системе двух СМ, параллельно включенных на общую активно-индуктивную нагрузку. Показано, что в случае одинаковых генераторов при равенстве приводных моментов неизбежно происходит синхронизация вращений обоих генераторов. Кроме того численно показана возможность синхронной работы генераторов в режиме «электрического вала» при отключении одного из приводных двигателей.
7. Получены уравнения электромеханических переходное процессов в однофазных и трехфазных индукторных генераторах, автономно работающих на активно-индуктивную нагрузку. На основание выделения малых параметров выполнено асимптотическое преобразование таких уравнений. Показано качественное соответствие характера возможных движений с «обычными» СМ, автономно работающими на тот же тип нагрузки.
8. С использованием асимптотически упрощенных уравнений решены некоторые обратные задачи теории индукторных машин, в частности, задача выбора формы зубцов ротора, обеспечивающей в стационарном режиме гармонический ток в нагрузке.
9. Исследованы стационарные режимы в неавтономных однофазной и симметричной трехфазной электрических цепях с нелинейными резистивными элементами, вольт-амперная характеристика которых может не удовлетворять известным условиям конвергентности. Численно-аналитическими методами изучены возможные бифуркации стационарных режимов. В частности, установлена возможность появления в трехфазной цепи с гармоническим возбуждением квазипериодического режима с ярко выделенной низкочастотной составляющей, частоту и амплитуду которой можно варьировать изменением амплитуды внешнего напряжения.
