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

при обработке переходного процесса обходятся также только переходной (симметричной) составляющей, поэтому в уравнении (3) из установившегося значения (А∞ ) вычитают текущее значение

тока или напряжения.

Таким образом, представление синусоидально изменяющихся переходных процессов в обмотках якоря СМ обобщённой дискретно заданной функцией (3) с шагом, совпадающим с амплитудными значениями тока (или напряжения) якоря, позволило создать унифицированные аналитические выражения с целью выделения огибающих при формализации процесса обработки различных переходных процессов СМ [52].

В итоге из отечественных стандартов РФ исключены широко представленные промежуточные графические процедуры, связанные с использованием полулогарифмических координат при определении начальных значений составляющих токов (напряжений) переходных процессов, электромагнитных ПВ и других величин СМ при обработке результатов их стендовых испытаний в неустановившихся режимах.

На основании изложенного анализа ПП СМ и представления их обобщённой дискретно заданной функцией (3) рассмотрим новые подходы к идентификации данных процессов.

ГАМ получения вершин ПП по результатам стендовых испытаний СМ в опытах ВКЗ, ВН, ГП, УВ и идентификацией данных ПП широко представлен в отечественных и зарубежных стандартах и специальной технической литературе по промышленным испытаниям СМ [7, 8, 30], поэтому подробно в монографии он не рассматривается.

2.2. НОВЫЙ ПОДХОД К ИССЛЕДОВАНИЮ И ИДЕНТИФИКАЦИИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ СИНХРОННЫХ МАШИН

Во-первых, следует отметить, что 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

51

графоаналитическим методам), всё же фактически отражает протекание переходных процессов в машине.

Во-вторых, необходимо отметить появление в наше время мощных персональных ЭВМ (компьютеров) с достаточно основательным математическим обеспечением и новой элементной базой современной электроники, позволяющих одновременно весьма оперативно перерабатывать огромные объёмы любой информации, чего не было во времена разработки графоаналитических методов.

В-третьих, с учётом вышеизложенного нельзя не учитывать существование различных случайных факторов, влияющих на протекание самих процессов в машине и на процесс обработки, которые практически даже при желании не могли быть учтены графоаналитическими методами из-за отсутствия их способности к варьированию параметров и учёту случайных факторов. В результате ГАМ не обеспечивают определения точных параметров СМ (так как параметры, из-за воздействия вносимых объективных

исубъективных случайных факторов будут изменяться в определённых диапазонах) и дают неточную копию идентифицированных переходных процессов.

Рассмотрим предложенный новый подход к исследованию

иидентификации ПП 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 переходных процессов СМ, так как позволяет получать наибольшее количество параметров СМ, электромагнитных ПВ и других важнейших величин.

Укрупнённый алгоритм обработки опыта ВКЗ следует представить двумя самостоятельными этапами (рис. 2).

Рис. 2. Укрупненный алгоритм исследований и идентификации ПП СМ

52

Первый этап включает:

1.Аппаратную регистрацию аналогового сигнала ПП СМ в обмотках якоря и в обмотке возбуждения.

2.Преобразование аналогового ПП СМ к цифровому виду с использованием ЦЗО.

3.Алгоритм выделения знакопеременных относительно нулевой оси вершин аналогового ПП в обмотках якоря, представляющих собой дискретно заданные огибающие процесса с частотой питающего напряжения.

4.Преобразование ПП в опыте ВКЗ к дискретному виду через элементы между обеими огибающими с удвоенной частотой питающего напряжения.

5.Аналитическое разделение ПП в опыте ВКЗ на симметричный и асимметричный токи, используя дискретно полученные по опытным данным вершины и аналитически рассчитанные дискретные элементы в узлах дискретизации.

Второй этап включает:

Разделение симметричного тока якоря в ПП СМ на переходную и сверхпереходную составляющие из-за отклонения их результатов идентификации от фактических в процессе их стендовых испытаний требует нового подхода. Во-первых, возникла необходимость проведения качественного исследования влияния исходной информации на избранный случайный признак конкретного ПП, возникающего в процессе стендовых испытаний СМ.

Во-вторых, точная и достоверная идентификации ПП с учётом разброса её результатов в условиях влияния на неё случайных факторов невозможна на основе традиционных разделов математики. Реализация качественных исследований с достоверной идентификацией разделённых составляющих с учётом влияния на ПП различных случайных факторов потребовала на базе использования элементов ТВ и МС, разработки вероятностностатистических методов (ВСМ) исследования и идентификации ПП СМ.

53

Разработка ВСМ оказалась связанной с решением комплекса проблем и задач в объёме:

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)разработки с использованием элементов ТВ и МС эффективной исследовательской программы для проведения исчерпывающих статистических исследований с качественным анализом влияния опытных данных ПП СМ в исследуемом диапазоне сим-

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

–формирование по опытным данным генеральной совокупности (ГС) случайного признака, выборки из неё с определением их свойств;

–получение вариационных рядов с определением их свойств;

–исследования по подтверждению гипотезы предполагаемого нормального закона распределения случайного признака по вариационным рядам с использованием критерия согласия Пирсона

χ2 («хи-квадрат»);

–аналитический вывод ЭТВ. Определение их полного и минимизированного объёма в исследуемом диапазоне ПП с переходной составляющей с использованием распределения Пуассона для редких событий;

–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;

–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);

54

– конструирование и модернизация унифицированных комбинаторных выражений для исследования и идентификации переходной составляющей симметричного тока якоря СМ в исследуемом диапазоне ПП tн′ − tв ;

– разработка, с использованием минимизированного объёма эффективных точечных выборок в исследуемом диапазоне tн′ − tв ,

нового, неординарного метода минимизации среднеквадратич-

ной погрешности приближения 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 которых он представлен суммой переходной составляющей симметричного тока якоря и его установившегося значения;

4)идентификация с использованием эффективных точечных выборок сверхпереходной составляющей симметричного тока якоря ПП;

5)идентификация асимметричного тока якоря ПП с использованием эффективных точечных выборок;

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. Известно, что информацию о быстро протекающих ПП прак-

тически получают с помощью осциллографирования. В качестве исходной информации при этом до недавнего времени использо-

55

вались осциллограммы, полученные с применением световых гальванических осциллографов и светочувствительной бумаги. Такой способ получения информации обладает рядом существенных недостатков, а именно:

–большая погрешность;

–большая толщина пишущего луча в области вершин переходных процессов;

–ограниченные возможности получения в едином переходном процессе информации с большим динамическим диапазоном

из-за ограниченного динамического диапазона гальванометров

изначительного расхода дорогой светочувствительной бумаги;

–неравномерность лентопротяжного механизма;

–сложность подготовки осциллографа к записи ПП, существенная трудоёмкость подготовки осциллограмм к её обработке, получения нужной информации с использованием многочисленных графоаналитических процедур в процессе обработки опытных данных, связанных с накоплением различного рода погрешностей субъективного и объективного характера и т.д.

Напомним, что с изобретением интеллектуальных ЦЗО, например фирмы LeCroy (США), появилась возможность непосред-

ственного преобразования аналоговой первичной информации в цифровой массив с большой частотой дискретизации во времени до 0,5 ГГц (что соответствует 20 000 выборкам на одном периоде затухающего или возрастающего синусоидального сигнала с частотой 50 Гц) с сохранением его в памяти осциллографа. Это позволяет визуально наблюдать переходные процессы любой длительности в полном виде, осуществлять необходимые преобразования над цифровой информацией для дальнейшего её использования. Например, после сглаживания цифрового массива кубическим сплайном стандартной подпрограммой появилась возможность точного выделения вершин переходного процесса, определения начального сдвига первой вершины от начала ПП в опыте ВКЗ и использования других очень важных преимуществ ЦЗО.

Центральным и наиболее информативным по результатам исследования и идентификации в теории ПП СМ является опыт

56

ВКЗ, при котором участвуют все обмотки СМ (см. рис. 1), поэтому он явился основой для разработки и распространения ВСМ исследования и идентификации ПП на другие опыты.

2.3.ОПИСАНИЕ ПЕРВОГО ЭТАПА

Всоответствии с теорией ПП СМ исследования и идентификация данных процессов опирается на классическую модель в виде трёхконтурной схемы замещения с обмотками статора, возбуждения и успокоительной (см. рис. 1). В случае отсутствия в конструкции МСМ успокоительной обмотки, например в мощных неявнополюсных ТГ, её роль исполняет «бочка» ротора и в этом случае уравнение (2) преобразуется к виду:

начальное значение апериодического тока якоря, при t = 0 . Регистрация электрического сигнала ПП в обмотках СМ из

опытов ВКЗ и ГП осуществляется в соответствие с электрической схемой измерения по рис. 3.

2.3.1. Аппаратная регистрация аналогового сигнала ПП СМ в обмотках якоря и возбуждения

На рис. 3 приведена силовая и измерительная схема для опыта ВКЗ, ГП, на которой представлены испытуемая СМ, приводной двигатель, устройство замыкания трёх фаз ИМ, а также измерительные трансформаторы и шунты для осциллографирования аналоговой первичной информации о ПП при стендовых испытаниях.

Первичную информацию о переходном процессе в обмотках якоря и цепях возбуждения в опытах ВКЗ и ГП можно получать как с помощью традиционно существующих штатных измери-

57

тельных трансформаторов, шунтов, так и более современных измерительных датчиков с использованием ЦЗО. В последнем случае это является предпочтительнее благодаря имеющимся средствам согласования измеряемой аналоговой первичной информации и входом ЦЗО с современными датчиками.

Рис. 3. Силовая и измерительная схема для проведения опытов ВКЗ, ГП, ВН

58

В соответствии с укрупнённым алгоритмом (см. рис. 2) первичная аналоговая информация (ток или напряжение), получаемая посредством датчиков от объекта исследования (СМ), через каналы связи поступает в цифровой запоминающий осциллограф (ЦЗО).

2.3.2. Преобразование аналогового сигнала переходного процесса к цифровому виду с использованием цифровых запоминающих осциллографов

Аналоговая первичная информация непосредственно преобразуется в аналогово-цифровом преобразователе ЦЗО выборками с частотой дискретизации 10 000 точек/период в цифровой вид и после фильтрации сохраняется в памяти ЦЗО (рис. 4).

Рис. 4

59

На рис. 5, 6, 7 представлены осциллограммы ПП МСМ, оцифрованные с помощью ЦЗО и сохранённые в его памяти из опытов ВКЗ, ВН, ГП.

Первичная аналоговая информация, получаемая с датчиков, квантуется ЦЗО по времени в цифровой код (см. рис. 4) в виде последовательности мгновенных значений тока (напряжения) с постоянной частотой следования выборок. Дискретные ПП СМ для соответствующих опытов (см. рис. 5, 6, 7) из-за высокой частоты выборок выглядят слитными. Дискретная информация о ПП в виде двухмерного массива сохраняется в собственной оперативной памяти ЦЗО. Каждый элемент массива состоит из мгновенного значения тока (напряжения) и соответствующего ему момента времени. Эта информация в любой момент используется для исследований, преобразования и обработки ПП СМ на ЭВМ.

Рис. 5. Оцифрованный ПП в одной из фаз МСМ ТТК-110-2-П в опыте ВКЗ

Рис. 6. Оцифрованный ПП в одной из фаз МСМ ТТК-50-2УЗ-П в опыте ВН

60