CC BY
13
ИЗ В ЕСТИЯ ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ 'ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. Кирова
Том 242 1972
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УДАРНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ПРИ ПИТАНИИ ДУГОВОЙ
НАГРУЗКИ
Г. А. СИПАИЛОВ, А. В. ЛООС, Э. И. СОВКО
(Представлена научным семинаром кафедр электрических машин и общей
электротехники)
Для питания импульсных ламп накачки оптических квантовых генераторов —■ лазеров, а также установок, использующих электрогидравлический эффект (установки для возбуждения сейсмических колебаний при геологоразведке, разрушения крепких горных пород и т. Д-Ь_ необ ходимы импульсные источники питания, обеспечивающие выделение в дуговом промежутке потребителя за время нескольких миллисекунд энергии порядка 10—100 мдж [1].
Как правило, в настоящее время для питания вышеуказанных потребителей применяют в качестве накопителей и источников энергии конденсаторные батареи. Накопление энергии в конденсаторах является выгодным с точки зрения минимальных потерь, однако, с другой стороны, электрический метод накопления является самым дорогим и громоздким по объему, не позволяющим накапливать указанные величины энергии.
Индуктивные накопители, несмотря на значительно высокую энергоемкость, обладают малой экономичностью из-за больших потерь энергии и требуют мощного зарядного устройства. Нерешенной является и проблема коммутации энергии от индуктивного накопителя в нагрузку.
Анализ существующих тенденций в решении вопроса питания импульсных дуг показывает, что одним из наиболее перспективных импульсных источников энергии является синхронный ударный генера-тор [2]. В связи с этим возникает задача исследования возможностей ударных генераторов и повышения эффективности их использования при питании дуговой нагрузки.
Наиболее полно описывает электромеханические переходные процессы, происходящие в ударном генераторе, система дифференциальных и алгебраических уравнений [3].
Импульсная дуга является динамической. В ней нет однозначной зависимости напряжения от тока. При возрастании тока эта зависимость отличается от таковой .при его уменьшении. Кроме того, вольтамперные характеристики описанных выше устройств, в основу которых положено использование импульсной дуги, определяются их конструкцией и могут иметь различный характер. Для выяснения качественной картины была принята упрощенная аппроксимация вольтамперной характеристики дуги гиперболой, известной в литературе под названием уравнения Аиртон '
ид = (1)
Решение нелинейной системы дифференциальных и алгебраических уравнений, описывающей происходящие ¡процессы, невозможно в общем виде, поэтому с целью выполнения большой программы исследований по полной системе уравнений была создана математическая модель на базе аналоговой вычислительной машины МН-14. г
Одной из главных задач исследований является определение оптимальной величины напряжения горения дуги, при котором в дуговом промежутке выделится максимальная энергия. Как показали исследования, величина оптимального напряжения горения дуги почти не зависит от параметров ударного генератора, а существенно зависит от угла инициирования дуги а. При увеличении угла а до определенных пределов происходит рост согласованного напряжения горения дуги и величины энергии, выделяемой в дуговом промежутке, при одновременном сокращении длительности ее ввода ^ в дуговой промежуток, что весьма благоприятно для указанных выше потребителей.
В этой связи нами был предложен следующий способ питания потребителей, в основу работы которых положена импульсная дуга. Схема работы генератора приведена на рис. 1, где Хс, Хв, — индуктивные сопротивления контуров генератора соответственно статорно-го, обмотки возбуждения и демпферных по осям ё и q; гс, гв, гш, — активные сопротивления контуров: К-1, К-2 — коммутирующие аппараты;
Рис. 1. Схема работы генератора на дуговой промежуток
Т)П —' дуговой промежуток, замкнутый накоротко в начальный момент времени инициирующей проволочкой.
Способ питания импульсных дуг с использованием в качестве источника энергии ударного генератора можно уяснить, рассмотрев работу схемы, показанной на рис. 1. В исходном состоянии ударный генератор работает на холостом ходу, контактный аппарат К-1 разомкнут, К-2 замкнут.
В момент перехода эдс генератора через нуль (рис. 2) производят замывание коммутирующего аппарата К-К Генератор попадает в :ре-жгш внезапного короткого замыкания и ток \с быстро растет. При этом в полях рассеяния генератора происходит накопление энергии. Ток генератора 1с распределяется по двум параллельным ветвям: контактного аппарата' К-2 и Замкнутого инициирующей проволочкой дугового промежутка ДП, обратно пропорционально их сопротивлениям.
При достижении определенного угла инициирования дуги а, после того как в индуктивности генератора будет накоплено некоторое количество энергии, производят размыкание контактного аппарата К-2, шунтирующего дуговой промежуток. Перевод тока из контактов К-2 в цепь дугового промежутка осуществим, так как время перегорания инициирующей проволочки нетрудно выбрать несколько большим времени размыкания контактов К-2. Инициирующая проволочка перегорает, и в дуговом промежутке-возникает дуга. Дальнейшее изменение тока в дуге .1! передача энергии в нее определяется запасом электромагнитной энергии в индуктивности генератора и фазовым углом напряжения генератора, при котором произошло инициирование дуги. При этом происходит передача энергии в дугу одновременно из полей рассеяния генератора и из маховых масс генератора. В. момент перехода тока статора 1с через нуль производят размыкание К-1-
На рис. 2 приведены осциллограммы решения на аналоговой вычислительной машине МН-14 уравнений ударного генератора с параметрами в ое.х^^ 0,0391, хш = хвд=1,02, хв= 1,2, гс = 0,00156, гв = гш = = гвд = 0,001, ив = 0,001 с напряжением горения дуги в о. е. ид=1. За единицу напряжения принято амплитудное значение напряжения ударного генератора.
На рис. 3 приведены зависимости согласованного напряжения горения дуги и^ длительности ввода энергии в дугу 1и, коэффициента пере-
Шд
дачи энергии в дугу Кд=-„7— (\УК З — энергия короткого замыкания) и
^ КЗ
коэффициента амплитуды тока К^ = —т-в зависимости от угла кни-
циирования дуги а, рассчитанные для ударного генератора с параметрами, указанными выше. Как видно из рис. 3, при увеличении угла инициирования дуги а ударный генератор все больше превращается в индуктивный накопитель, заряжаемый за время поворота ротора на угол а и разряжаемый за время {и.
При этом если инициировать дугу в момент времени, когда ток статора ¡с достигает максимума (на рис. 2 показан пунктирной линией), то при бесконечном большом напряжении горения дуги в этом случае теоретически возможно полностью передать в дуговой промежуток энергию внезапного короткого замыкания, запасенную в полях рассеяния генератора, за бесконечно малый промежуток времени. На практике это невозможно, поэтому ограничимся напряжением горения дуги в о. е. ид = 1 (т. е. равном амплитудному значению эдс генератора). При этом коэффициент передачи энергии в дуговой промежуток составит Кд = 0,9, а длительность импульса
= 1,7 рад (при I = 50 гц, = 5,4 мсек.)
Для инженерных расчетов необходимы аналитические выражения для определения тока и энергии в дуге. Определим их, приняв следующие допущения:
1. Будем считать контуры ротора сверхпроводниками, т. е. -потоко-сцепления г|)в, 'фш, ^пц за время импульса тока не изменяются. Возможность такого допущения подтверждается осциллограммами потоко-сцеплений обмоток ротора при работе на дугу, полученными на машине МН-14.
2. Так как ¡счс^ид пренебрегаем падением напряжения на активном сопротивлении статорной обмотки.
3. Принимаем Х"а = Х"д, что вполне допустимо для ударного генератора неявнополюсного типа, имеющего мощную демпферную систему.
4. Градиент напряжения в стволе дуги постоянен [4]. Исходя из: этих допущений получаем выражение для тока в дуге
(О Р
Фсо-ид1 --0)тСО5(а + ^)
=
С — V"
X'
(2)
где I — текущее время, начиная с момента зажигания дуги,
фсо—начальное значение потокосцепления статорной обмотки. Энергия, выделяемая в дуговом промежутке, определится по формуле
>^д=идрс(И, (3)
О
После подстановки выражения (2) в формулу (3) получаем
■ - _идш I * * 145* _ Ёш.
Д ~ | тсо1 - 2
ЭШ(а + («1) +
дж. (4)
Конечное значение энергии, выделяемой в дуге за время одного импульса, может быть определено по более простой зависимости
- -х>-' (5>
где
Кд = Г(а) может быть определено из рис. 3-
Рис. 3. Энергетические характеристики генератора при работе на импульсную дугу
Таким образом, выполненные исследования показали, что согласованное напряжение горения дуги не зависит от параметров ударного генератора, а в сильной степени зависит от угла инициирования дуги. Причем увеличение угла инициирования приводит к увеличению использования ударного генератора. Последнее обстоятельство позволило разработать схему питания импульсной дуги от ударного генератора, позволяющую передать в дугу значительно большую долю энергии внезапного короткого замыкания, чем при непосредственном включении генератора на дуговой промежуток. При этом одновременно сокращается время передачи энергии в дугу, достигая нескольких миллисекунд при частоте эдс генератора 50 гц, что значительно расширяет области применения ударных генераторов.
ЛИТЕРАТУРА
1. С.П.Кононов, Б. А. С к р е б н е в. Применение импульсных электроэнергетических систем, импульсная электроэнергетика. —- Сборник статей. Казань. 1970.
2. Л. П. Гнедин, Э. Г. Кашарский, Ф. Г. Рутберг. О перспективах применения турбогенераторов для получения больших импульсных мощностей при питании мощных плазматронов. — «Электротехника», 1971, № 3.
3. А. В. Л о о с, Г. А. С и п а й л о в. Математическое моделирование электромагнитных процессов ударного генератора. — «Изв. ТПИ». Т. 152, 1966,
4. Л. М. Залесский. Электрическая дуга отключения. ГЭИ, 1963.
