CC BY
13
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ _ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 212 1971
АВТОНОМНЫЙ ИСТОЧНИК ИМПУЛЬСНОЙ мощности С СИНХРОННЫМ ГЕНЕРАТОРОМ
Г. А. Сипайлов, А, В. Лоос, Ю. А. Романов, Ф. П. Зверев
(Представлена научным семинаром кафедр электрических машин
и общей электротехники)
Известным методом получения импульсов тока и 'напряжения с необходимыми (параметрами является (непосредственное генерирование их с помощью специальных электрических машин — синхронных ударных генераторов. Такой способ ¡получения импульсной мощности является, как травило, наиболее экономически выгодным три больших передаваемых в нагрузку энергиях (от 10 Мдж и выше) [1].
Однако иногда оказывается эффективным применение синхронного ударного генератора и при незначительных 'передаваемых энергиях, .порядка нескольких сотен дж, например, в автономных источниках импульсной мощности.
Основное достоинство схемы питания с ударным ^синхронным генератором — структурная простота, исключающая целый ряд 'Промежуточных шередаточных элементов л, следовательно, обеспечивающая более высокую надежность, а в ряде случаев и меньший вес системы, ц сравнении со схемами с накоплением энергии в конденсаторных батареях.
Переходные процессы, ¡происходящие при включении ударного ге нератора на нагрузку, описываются системой дифференциальных уравнений равновесия эде, записанных для каждой из обмоток [2].
Аналитические исследования полной системы дифференциальных уравнений вследствие наличия большого числа переменных коэффициентов представляют большую трудность и не дают решения в общем виде.
В данном случае целесообразным является использовать для исследований метод физического и математическою моделирования с -применением аналоговых вычислительных машин.
Для упрощения анализа рассмотрим работу ударного синхронного генератора на активную нагрузку (наиболее часто встречающийся случай характера нагрузки для автономных импульсных систем малой мощности).
Одной из задач исследования работы ударного генератора на активную нагрузку является определение согласованного сопротивления нагрузки, при котором в ней выделится максимальная энергия. На рис. 1 представлены результаты расчетов на аналоговой вычислительной машине МН-14 зависимости энергии в активной нагрузке от величины ее сопротивления при различных индуктивностях рассеяния
15
Ю
5
О
0,05 0.1 oís о,г
Рис. 1. Зависимость энергии в нагрузке от величины ее сопротивления при различных индуктивностях рассеяния статора
статорной обмотки. Остальные .параметры генератора при этом оставались постоянными и были равны (¡в относительных единицах):
Xad=l; Xa r = 0,01; Rr = 0; Rs = 0.
Кривые 1, 2, 3, приведенные на рис. 1, даны для сверхпереходных сопротивлений x"d = 0,03; 0,05; 0,07 соответственно. Как видно из кривых, максимальное значение энергии в нагрузке соответствует RH, несколько меньшие x"d. Из этого следует, что величина согласованного сопротивления нагрузки ¡в случае ее активного и индуктивного характера различна. Причем отклонение сопротивления особенно юильно сказывается на величине передаваемой энергии при малых рассеяниях обмотки статора, т. е. для крупных машин.
Для уорощен-ия анализа используем известную схему замещения ударного генератора в виде синусоидальной э. д. с. и последовательно включенных индуктивности Lr и активного сопротивления гг [1]. Переходный процесс в цепи статора генератора при (включении на активную нагрузку может быть описан ib ¡соответствии ¡c принятой схемой замещения уравнением:
Em sin ой = Lr + *h(Rh + гг), (1)
йн fX 1 -
1 \ г
р 3
Rh
где
Ет —амплитуда э. д. с. генератора, со —угловая частота,
и гг— 'индуктивность и активное (сопротивление генератора, Ин — активное сопротивление нагрузки. Решение уравнения (1) имеет вид:
t(RH + гг)
1м =
m
У (wLr)2 + (гг + RH):
где
sin(wt — ср) + sincp • е o)Lp
= arctg rr + RH '
(2)
Исследование на максимум выражения для мощности в нагрузке \2цЯп от величины Ян, при условии пренебрежения экспоненциальной состав-
ляющей тока, дает значение Ип, при (котором в активной нагрузке выделится максимальная мощность:
R„ = W + (coLr)2 . (3)
Действительное значение ¡сопротивления согласованной нагрузки будет несколько меньше. Однако для малых -машин, имеющих, как правило, x"d>0,07 и относительно большие значения активных сопротивлений обмоток, можно считать Угг2+((оЬг2). Такой же вывод следует и
из результатов исследований на аналоговой вычислительной машине. Следовательно, при наиболее приемлемых параметрах схемы
wLr . _0 Lr Т
arc tg-¡-^— ~ 45^; ~
Гг Рп ' Нн + ГГ 2«
Здесь Т — период эдс генератор.а. При таких значениях параметров схемы экспоненциальная составляющая тока затухает практически уже через полупериод питающего напряжения. Таким образом, ударное значение тока определяется амплитудой периодической составляющей, а длительность импульса тока равна ^О.бТ.
Энергия, передаваемая в нагрузку за время импульса тока, равна:
QH - J iH2 R„ dt. (4)
О
Для упрощения анализа ссотно-шения (4) аппроке;мируем выражение для тока (2) следующим, образом:
Lfn si:iü,835a)i- (5)
■[/'(¿Lr)2-h(RK - rrj2
тавляя (5) и (4), получаем
О _______Ет^н___ ~ / я у
Чн (шЬг)2 + (RH + гг)2 «о * w
При внезапном коротком замыкании на зажимах электромагнитная энергия ударного генератора разна [3]:
= (7)
где К3 — коэффициент затухания тока,
Ке — коэффициент затухания эдс. Определим -часть энергии короткого замыкания на зажимах, которая переходит в нагрузку:
V _ QH _RHuLr__0,3 т:
11 Q,M " (®Lr)* + (RH + ГГ)2 ' K3Ke ' 1 ;
Как /показывает анализ выражения (8), возможные значения Кн лежат i> пределах 0,5~:-0?75.
В случае индуктивной 'нагрузки значение .Кн iH<e превышает 0,25-Таким образом, -при активной нагрузке использование генератора з 2—3 раза больше, "ем при индуктивной.
Это объясняется тем, что при увеличении сопротивления нагрузки и случае ее активного характера рост полного комплексного сопротивления статорной цегш происходит ¡медленнее, чем в случае индуктивной нагрузки.
При изменениях скорости вращения, как следует из выражения (6), величина передаваемой в нагрузку энергии изменяется незначи-
телынс. Если пренебречь гг, тэ при согласованной нагрузке величина
При учете сопротивления гг происходит некоторое возрастание энергии в нагрузке с увеличением скорости вращения. Однако возра станете энергии с увеличением скорости вращения ограничивается некоторым -пределом, соответствующим значению рассчитанному по (6) при гг = 0. Поэтому увеличение анергии в нагрузке с ростом скорости вращения является характерным лишь для малых машин, у которых гг велико.
Для экспериментальной проверки приведенных выше соотношений был изготовлен синхронный генератор в корпусе ЭМУ-12ПМ.
Осциллограмма тока эдс при работе на активную нагрузку приведена на <рие. 2. Как видно, ток в нагрузке имеет колоколообразную
Рис. 2. Осциллограмма тока и эдс при работе на активную нагрузку
форму, а длительность импульса несколько больше полупериода э. д. с. генератора. Исследование зависимости мощности в нагрузке от величины сопротивления генератора показало, что максимум передаваемой мощности соответствует значению = у (о)Ьг)2 + г2г^ 1,5 ом при токе возбуждения генератора \вг = 3а. Результаты этих исследований при различных токах возбуждения представлены на рис. 3. Смещение максимума мощности в сторону значений Ин при увеличении тока возбуждения объясняется насыщением магнитной цепи и происходящим при этом уменьшением Ьг. Таким образом, результаты эксперимента находятся в соответствии с полученными выше закономерностями.
На рис. 4 представлена зависимость энергии в нагрузке от скорости вращения для согласованного сопротивления нагрузки и при постоянном возбуждении генератора. Увеличение скорости вращения вызывает увеличение энергии в активной нагрузке.
Экспериментальные исследования реакции якоря при активной и индуктивной нагрузке показали, что действие реакции якоря при активной йагрузке значительно меньше. Отношения амплитуды эдс гене-
Рис. 3. Зависимость мощности в активной нагрузке от величины сопротивления при различных токах возбуждения
I I | д
о / г з ¥ $ в
Рис. 4. Зависимость энергии в активной нагрузке от скорости вращения
ратора после импульса к амплитуде эдс холостого хода при согласованной активной и индуктивной нагрузках соответственно равны:
— 0,92; =0,74.
Нарастание эдс после импульса до значения эдс холостого хода происходит с сумм,арной постоянной времени контуров ротора. В малых машинах эта постоянная времени мала и, как видно из рис. 2? уже через 6-1-10 периодов происходит восстановление эдс до максимального значения и, следовательно, представляется возможность вновь производить включение генератора на нагрузку. Возможность
работы генератора на активную нагрузку при таких малых периодах повторения импульсов определяет его глазное достоинство — возможность концентрации во времени больших мощностей и энергий в нагрузке. При этом средняя мощность в нагрузке приближается к габаритной мощности генератора. Таким образом, для получения такой же средней мощности в схемах импульсного питания с накопительными конденсаторами необходимая мощность зарядного генератора с учетом к. п. д. схемы превышает габаритную мощность ударного генератора. Выполненные экспериментальные исследования подтвердили сделанные ранее теоретические выводы и показали, что ударный синхронный генератор малых габаритов является перспективным источником питания в автономных «системах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Г. А. Сипай л о в, В. В. Ивашин, А. В. Л о о с, К. А. Хорьков. Получение электромагнитных энергий при совместной работе ударного генератора и конденсаторной батареи. Электричество, № 8, 1967.
2. А. В. Л о ос, Г. А. Сипай лов. Математическое моделирование электромагнитных процессов ударного генератора. Известия ТПИ, т. 152, 1966.
3. Г. А. Сипай лов, К. А. Хорьков. Энергия и машинная постоянная ударного генератора. Известия ТПИ, т. 132, 1965.
