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

ОТ АВТОРОВ

Авторы книги поставили перед собой задачу показать, что в XXI веке высоких технологий и технических достижений практически во всех областях науки и техники отечественная электроэнергетика выходит на мировой уровень. С учётом запасов органического и ядерного топлива, возобновляемых и альтернативных источников энергии, состояния экологии, перспектив развития техники ядерная энергетика, по мнению специалистов Министерства Российской Федерации по атомной энергии, претендует на один из основных способов производства энергии в наступившем тысячелетии. По заявлению В.Н. Михайлова: «Россия имеет развитый науч- но-технический и производственный потенциал практически по всем стратегическим направлениям развития ядерной энергетики будущего и готова к всестороннему научно-техническому и промышленному сотрудничеству с мировым сообществом на пути решения энергетических, экологических и экономических проблем человечества в следующем (т.е. в действующем в настоящее время, по замечанию авторов книги) столетии» [109].

В настоящее время в соответствии с опубликованным материалом «Энергетика будущего. Международный проект ИТЭР» под редакцией академика Е.П. Велихова во Франции идёт строительство международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР (на выходе термоядерного реактора присутствует турбогенератор). По заявлению академика И.А. Глебова, «отечественные турбогенераторы с полностью водяным охлаждением, базирующиеся на самонапорной системе, являются наиболее совершенными в мире. Основной областью применения турбогенераторов, использующих для охлаждения водород и воду, являются машины повышенной мощности на тепловых электростанциях и на атомных электростанциях». Далее И.А. Глебов заявил, что «в повышении надёжности работы турбо- и гидрогенераторов всё большее значе-

ние приобретают системы мониторинга и диагностики. Они позволяют радикально снизить аварийность генераторов за счёт

3

своевременного обнаружения неисправностей и приблизить в будущем коэффициент готовности к единице» [3]. В последней трети XX столетия стали активно появляться публикации о создании турбогенераторов (ТГ) со сверхпроводящими обмотками [116–127].

В соответствии с изложенными аргументами авторы представляемой научной монографии посвящают её повышению эксплуатационной надёжности конечного звена в сложнейшей технологической схеме термоядерного реактора – это турбогенераторам – синхронным двухполюсным высокоскоростным машинам (СМ). Пока,

вближайшей перспективе, альтернативы закону электромагнитной индукции, лежащему в основе принципа действия электромеханических преобразователей, нет. Поэтому является актуальным совершенствование ТГ по широкому кругу проблем: конструктивным, технологическим и, как отметил академик И.А. Глебов, диагностическим, которые выдвигаются на передний план. Для надёжной эксплуатации ТГ в сложнейших технологических проектах необходимо знать высокоточные с высокой степенью вероятности определяемые параметры СМ. Ряд параметров СМ получают на этапе их конструирования только расчётом, и они проявляются только в аварийных ситуациях при нарушениях нормальных режимов работы электромеханических преобразователей энергии. К ним относятся индуктивные переходные и сверхпереходные сопротивления соответствующих составляющих, которые появляются при переходных процессах (ПП) СМ из-за нарушения по каким-либо причинам их нормального электромагнитного состояния. Для защиты СМ от различных внезапных коротких замыканий при их эксплуатации требуется точное знание электромагнитных постоянных времени (ПВ), с которыми происходит затухание соответствующих составляющих токов (напряжений) якоря СМ.

Единственным вариантом проверки качества расчётных (упомянутых выше) параметров являются стендовые испытания проектируемых неявнополюсных СМ (ТГ), при проведении которых искусственно создаются нарушения их электромагнитного состояния

всоответствии с отечественными и международными стандартами на испытания данных машин в процессе их изготовления на элек-

4

тромашиностроительных предприятиях отрасли. К основным видам нарушения электромагнитного равновесия СМ стандарты на их испытания отводят опытам внезапного симметричного трёхфазного короткого замыкания (ВКЗ), гашения поля (ГП), восстановления напряжения (ВН), ударного возбуждения (УВ), в которых возникают различные ПП, являющиеся наиболее трудоёмкими для их идентификации. Многочисленные исследования подтверждают, что содержащиеся до настоящего времени в стандартах графоаналитические методы (ГАМ) идентификации ПП в указанных опытах являются неточными и недостаточно достоверными из-за влияния на длительность протекания данных процессов различных случайных факторов. Кроме того, ГАМ совершенно не пригодны к оптимизационным процедурам, способствующим повышению точности и качеству идентификации данных процессов. Надо отметить, что значителен разброс результатов идентификации ПП СМ, который, например, для электромагнитных постоянных времени (ПВ) достигает внушительных размеров. Выявление фактического уровня ПВ ГАМ с учётом влияния случайных факторов не представляется возможным. Следовательно, не удастся достоверно рассчитать средства защиты ТГ при их работе в электросетях для его отключения или для включения резервного на случай аварийных ситуаций.

Анализ состояния методов обработки опытных данных по результатам стендовых испытаний МСМ по отечественным и международным стандартам с целью исследования и идентификации ПП в условиях влияния различных случайных факторов и разброса идентифицируемых параметров показывает, что поиск нового подхода к исследованию и идентификации длительных ПП МСМ в данных условиях должен быть обращен не к классическим разделам математики, а к особому ее разделу на базе теории вероятностей и математической статистики (ТВ и МС). Только кардинальная теоретическая разработка вероятностно-статистических методов (ВСМ) с гибким привлечением элементов ТВ и МС в сочетании с математическими процедурами моделирования, оптимизации, минимизации и т.д. способна обеспечить высокую точность и достоверность результатов исследования и идентификацию длитель-

5

ных ПП с учетом влияния на них различных случайных факторов при стендовых испытаниях МСМ в опытах ВКЗ, ВН, ГП, УВ.

Научные интересы авторов относятся к области исследования

иидентификации ПП МСМ. Выявлены основные причины, затрудняющие обработку первичной информации с использованием электронно-вычислительных машин и электронных средств регистрации результатов стендовых испытаний на предприятиях электромашиностроительной отрасли c целью исследования и идентификации ПП МСМ по отечественным и международным стандартам: разнообразие ПП в обмотках (СМ), форм сигналов для унификации обработки первичной информации и методов исследования и идентификации ПП с учетом влияния на них различных случайных факторов; проблемы с обоснованием границ для исследования и идентификации длительных составляющих ПП; отсутствие эффективных способов исследования, идентификации

ипогрешностного анализа ПП в условиях влияния различных случайных факторов; существенная трудоёмкость, низкая точность обработки, обилие графоаналитических операций, разброс

конечных результатов, неспособность методов отечественных

имеждународных стандартов к оптимизационным процедурам.

Вработе основное внимание уделено обоснованию нового подхода к исследованию и идентификации ПП СМ более 100 кВА

иразработке вероятностно-статистических методов (ВСМ) на базе использования элементов ТВ и МС с целью идентификации ПП с высокой точностью и достоверностью по результатам стендовых испытаний в соответствии с отечественными и международными стандартами. При этом важными моментами являются съём, сжатие и обработка первичной информации особенно в виде его синусоидально затухающих (возрастающих) ПП, связанных с выделением вершин, так как точность и адекватность идентификации различных ПП СМ во многом зависят от аппаратного способа получения первичной информации при стендовых испытаниях в процессе их изготовления, модернизации, эксплуатации и ремонта.

Выявлены основные причины, затрудняющие обработку первичной информации с использованием электронно-вычислитель-

6

ных машин и электронных средств регистрации результатов стендовых испытаний на предприятиях электромашиностроительной отрасли, проведение исследований и идентификации ПП МСМ по отечественным и международным стандартам.

Работа имеет научную, теоретическую и инженерно-техничес- кую направленность и значимость.

Научная новизна заключается в следующем.

Разработан новый подход к исследованиям и идентификации ПП СМ в объеме опытов, регламентированных программой приемочных испытаний по отечественным и международным стандартам, позволяющий в условиях влияния различных случайных факторов идентифицировать ПП МСМ в опытах ВКЗ, ВН, ГП, УВ с высокой точностью и достоверностью.

На базе элементов ТВ и МС впервые разработан исчерпывающий метод статистических исследований с качественным анализом и оценками влияния опытных данных ПП СМ в исследуемом диапазоне ПП на свойства случайного признака с целью: формирования и определения свойств генеральной совокупности (ГС) случайного признака и выборки из нее; для оценки уровня зашумленности и отклонения случайного признака от экспоненциального затухания переходной составляющей симметричного тока якоря по сформированным на опытных данных вариационным рядам ГС и выборки из нее; для подтверждения гипотезы предполагаемого нормального закона распределения случайного признака относительно математического ожидания (МО) по сформированным на опытных данных вариационным рядам ГС и выборки из нее с использованием критерия согласия Пирсона; для минимизации объема эффективных точечных выборок (ЭТВ) с использованием распределения Пуассона для редких случайных событий; для разработки нового способа близости свойств вариационных рядов ГС и выборки из нее с использованием минимизированного объема ЭТВ вместо классического метода интервальных оценок; для модернизации и конструирования унифицированных комбинаторных формул с целью исследования и идентификации переходной составляющей симметричного тока якоря СМ с использованием минимизированного объема ЭТВ.

7

Разработан оригинальный метод минимизации среднеквадратичной погрешности приближения модели переходной со-

ставляющей в исследуемом диапазоне ПП к ее опытным данным с учётом влияния различных случайных факторов и представление этой погрешности дискретной поверхностью в трехмерной системе координат, что эффективно повышает точность и достоверность результатов идентификации ПП МСМ.

Разработан метод эффективной и точной оценки ударного тока из опыта ВКЗ по одной вершине ПП без определения параметров СМ из данного опыта, существенно снижающий трудоемкость обработки ПП СМ.

Разработан метод определения индуктивных сопротивлений по оси q и их отклонения относительно индуктивных сопротивлений по оси d по результатам стендовых испытаний в опыте ВКЗ.

Теоретическая значимость работы

На базе элементов ТВ и МС разработан оригинальный исследовательский вариант ВСМ для проведения высокоточных исследований и достоверной идентификации, различных ПП СМ с учетом влияния различных случайных факторов.

Практическая значимость работы

Разработан эффективный вариант сжатия используемого объёма первичной информации дискретно заданных ПП СМ.

Получили дальнейшее развитие аналитический способ выделения вершин, дискретных огибающих, разделения полного дискретно заданного тока якоря на симметричный и асимметричный токи ПП, что полностью исключает все трудоемкие операции графоаналитического метода (ГАМ) по отечественным и международным стандартам, связанного с подготовкой и обработкой осциллограмм с целью получением электромагнитных постоянных времени и начальных значений составляющих ПП.

Разработанные ВСМ с использованием элементов ТВ и МС

исследования и идентификации ПП МСМ по опытным данным стендовых испытаний в условиях влияния различных случайных факторов и разброса электромагнитных параметров МСМ гаран-

тируют их высокую точность и достоверность.

8

Разработана оценка коррекции погрешности смещения первых 5–6 вершин ПП в опытах ВКЗ.

Использование ЦЗО при испытаниях СМ позволило разработать метод идентификации сверхпереходной составляющей в опытах ГП из единого ПП.

Разработанные ВСМ исследования и идентификации ПП МСМ по результатам стендовых испытаний представляют практическую ценность для проектирования, модернизации, эксплуатации и ремонта СМ.

Разработаны рабочие алгоритмы и программы для исследования, идентификации и экспресс-обработки ПП МСМ в объёме требований отечественных и международных стандартов на их испытания.

Методология и методы исследования определялись постав-

ленными задачами и были основаны на методологии ГАМ, являющегося основным методом идентификации ПП СМ отечественных и международных стандартов, который в настоящее время из-за разброса конечных результатов, неспособности к оптимизационным процедурам не обеспечивает высокой точности и достоверности в условиях влияния различных случайных факторов. Несмотря на это, в монографии сохранена методология ГАМ при обосновании нового подхода к исследованию и идентификации

ППСМ с использованием элементов ТВ и МС, включающего оригинальные и нестандартные процедуры: преобразование аналоговой первичной информации в дискретную с использованием ЦЗО; способы ее сжатия при выделении вершин. На базе элемен-

тов ТВ и МС разработан новый метод статистических иссле-

дований с качественным анализом влияния опытных данных

ППСМ в исследуемом диапазоне с переходной составляющей на свойства случайного признака, который позволяет: формировать на основе ранее полученного базового случайного признака по опытным данным ГС случайного признака и выборку из нее; формировать по ГС случайного признака и выборке из нее вариационные ряды с определением их свойств; подтверждать по свойствам вариационных рядов гипотезу предполагаемого нормально-

9

го закона распределения случайного признака относительно МО с использованием критерия согласия Пирсона; оценивать по свойствам вариационных рядов, их размахам и коэффициентам вариации уровень зашумленности и отклонения случайного признака от экспоненциального затухания переходной составляющей симметричного тока якоря; минимизировать объем ЭТВ с использованием распределения Пуассона для редких случайных событий; оценивать близость свойств вариационных рядов ГС и выборки из нее с использованием базовых свойств минимизированного объема ЭТВ; модернизировать унифицированные комбинаторные выражения для исследования и идентификации переходной составляющей симметричного тока якоря СМ.

Для высокоточной идентификации переходной составляющей симметричного тока якоря разработан новый неординарный

метод минимизации среднеквадратичной погрешности приближения модели этой составляющей к ее опытным данным на дли-

тельных участках ПП СМ с одновременной вариацией нижней границы и установившегося значения тока (напряжения) якоря с пред-

ставлением этой погрешности в виде дискретной поверхности в трехмерном измерении. Критериальная оценка среднеквадратичной погрешности приближения модели полного ПП к опытным данным в различных ПП осуществлена с использованием метода максимума правдоподобия или наименьших квадратов.

Поставленные задачи решены с использованием разработанного ВСМ, содержащего оригинальные и нестандартные методы, которые апробированы и подтверждены высокой достоверностью результатов идентификации ПП на натурных образцах СМ, а также минимизированной среднеквадратичной погрешностью приближения с использованием метода максимума правдоподобия или наименьших квадратов.

В монографии, являющейся результатом реализованного научного проекта, поддержанного РФФИ № 13-08-96044, представлены возможности ВСМ, которые подтверждают хорошую перспективу развития ВСМ в области испытаний МСМ.

10