CC BY
27
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 212
1971
БЕСКОНТАКТНЫЙ ОДНОФАЗНЫЙ СИНХРОННЫЙ
ГЕНЕРАТОР
А. И. Скороспешкин, М. Л. Костырев, А. П. Фельзинг
(Представлена научным семинаром кафедр электрических машин и
общей электротехники)
Однофазные синхронные генераторы получают все более широкое распространение в качестве автономных источников электрической энергии, в дорожном строительстве, сельском хозяйстве, на транспорте, в авиации, а также в различных промышленных и бытовых устройствах.
В качестве однофазных источников повышенной частоты широкое распространение получили индукторные генераторы, существенными недостатками которых являются: их значительные габаритные размеры и вес, неполное использование активных материалов, а также зависимость формы кривой выходного напряжения от величины и характера нагрузки.
Весьма перспективным представляется бесконтактный однофазный генератор повышенной частоты совмещенного типа. Совмещение двух машин, возбудителя и генератора, в одном магнитопроводе дает возможность выполнить генератор в одномашинном исполнении, уменьшает габаритные размеры и вес машины.
Следует отметить, что в технической литературе приводятся аналитические исследования преимущественно однофазных контактных генераторов, тогда как по бесконтактным генераторам приводятся лишь некоторые экспериментальные исследования [1, 2, 3]. Теоретический анализ однофазных машин затруднен тем, что дифференциальные уравнения. описывающие даже установившийся режим работы генератора, являются уравнениями с периодическими коэффициентами и не поддаются линейным преобразованиям, как у обычных машин.
В настоящей статье приводятся некоторые теоретические и экспериментальные исследования работы бесконтактного однофазного синхронного генератора повышенной частоты совмещенного типа. Исследуемый генератор (рис. 1) представляет собой каскадное соединение синхронного генератора обращенного типа и асинхронного преобразователя частоты совмещенных в общем магнитопроводе. При подаче напряжения на обмотку и вращении ротора в обмотках и наводится э д с с частотой соответственно
Г = (1)
^ (-^±1> = <к ± 1)*, (2) ]де п — скорость вращения ротора,
Рь р2 — числа пар полюсов соответственно первого и второго каскадов.
Рис 1
Рис. 1. Схема бесконтактного однофазного синхронногох генератора.
Ро
К = - .
Р1
Знак («-} в (2) относится к случаю, когда ротор и поле вращаются согласно. знак (—) — встречно. Наиболее целесообразным является первый режим, так как в этом случае отсутствуют внутренние замкнутые энергетические циклы [4]. В дальнейшем он принят за основной режим.
Одной из основных особенностей работы однофазного генератора под нагрузкой является наличие обратного синхронного поля. Это поле наводит в обмотке эдс с частотой
Р = :(2к+1)!, (3)
под действием которой по обмоткам ротора будет протекать ток этой же частоты. При этом поле, создаваемое обмоткой будет вращаться согласно с ротором и наводить в обмотке эдс с частотой
Гг = 2 (к—|— (4)
Ток этой частоты, протекая по обмотке создает пульсирующее поле, обратно вращающаяся составляющая которого наводит в обмотке XV* эдс с частотой
Р=(2к+3)Г. (5)
Обмотка \\72 создает поле, которое наводит в выходной обмотке эдс с частотой
^з = 3 Гк+1 )1\ (6)
Таким образом, в кривой выходного напряжения появляются высшие гармонические, обусловленные наличием обратного поля.
Рис. 2. Оси координат генератора
Для составления дифференциальных уравнений удобно выбрать оси координат (а и 3) на роторе (рис. 2). На основании общепринятых допущений [6] составим уравнения равновесия контуров машины для мгновенных значений:
u f= (Rf -f pLf)if -f pMjfCOsetl« — pMtfsinOjp, 0 = pMf,cosetif + (Rr + pLR)ia + pMs2cos02is, 0 = — pMfjSinQjif 4- (RR + pLR)ia + pMS2sin02is, — Us — pMoscos ел« -г pM2ssin02ip + (Rs + pLs)iSî (7)
где
Rf. Rr = Rj — R2, Rs, Lf, LR = L, + L2, Ls, Mfl, Mlf, M2S, MS2—
активные сопротивления, коэффициенты само- и взаимоиндукции обмоток машины;
@ь @2 — углы между осями обмоток.
Система уравнений i(7) содержит переменные коэффициенты, от которых не удается избавиться с помощью известных преобразований [7]. Для установившегося режима решение такой системы уравнений может быть выполнено, если известен характер изменения токов машины [6].
Согласно (1—6) токи в контурах машины для установившегося режима следует искать в следующем виде:
if = If = ïf2cos[(k + l)2<ot ± <pf2] +
is = ISlcos[(k + l)a)t + ?si] 4 Is3cos[3(k + l)cot + <pS3] + <8)
i, = Ialcos(ü)t + -pai ) + Ia2K+1cos[(2K + l)cot + ©a2^1] +
+ L2^COS[(2K + 3)(ot + ?а2к+з] +
i, = — I31sin(cot + + Ip2K+1sin[(2K + l)o)t + ?p2K+1] —
— I32K-3sln[(2K + 3)(ot + ?э2к+3] + ... .
С учетом только постоянной составляющей тока в обмотке Wf, выражения для токов будут в виде
if = If,
is = IslCOS [ (k+ 1 ) Cot + Çsi] ,
i, - I,iCOS(cot + ?aI) + Ia2K+1COS[(2K + l)(ût + ?a2K+1], (9)
h == — I;-îiSin(û)t-r-ç3i) rf Ip2K+1sinf(2k + l)<ot + ?р2к+1].
Подставляя (9) в (7), после некоторых преобразований получаем следующие выражения для уравнений равновесия напряжения контуров машины:
uf = Rflf — Mlf2(K + l)ü)sin[2(K + l)a)t + ?2k+1 + 8ut]I2K+1, 0 Mflcosin((ot o(11)If + ¡RRcos(o)t + cpai) — LRcosin(oЛ + cpai)]I*i + + {Rrcos[(2k + l)cot + LR(2K4-l)^sin[(2K+l)o3t+?a2K+î]]ï,2K-1 —
- AW> | к + -^->)o)Sin[(2K + l)ü>t + ?si + 8o2]Isi -
— MS2 "7Г Sill (ü)t + ?si — 8оз) Isb
0 = — Mft w cos(«3t -h %i)If — ¡RRsin(o)t + 9рл) + Lrw cos((ot + 931) H31 + — ¡RRSin[(2K-!-1 )cot-j-'frK+I ] +Lr(2k-¡- 1)(ûcos[(2k + 1H + ?p2K+1] JIp2^1 +
+ Ms21 k + )шсоз1(2к + 1M + ?Sl + S02]ISl - (10)
ш
— МБ2 -у- + ?5, - 00,)15Ь
о - - Л'Ык -Г 1)созт[(к + + ?, + 8()2]1, -
- Л\.,5(к + 1)0)81п[(к + 1И + - 302]Г2к !1 +
+ Ксоб[(к - 1)<о1 + ?81] Ь - Цк + 1)Эп 1 [(к + +
где
и=н8+нп,
Ь = Ьп,
— активное и индуктивное сопротивление нагрузки. Так как в установившемся режиме уравновешивать друг друга могут только эдс одной и той же частоты, то каждое уравнение для контуров ротора может быть представлено двумя уравнениями. Учитывая это, а также то, что в установившемся режиме
1.1 = Цг = 1п 1«2к+1 = 1э2к+1 - = = О,
получаем следующую систему уравнений в комплексном виде:
= - '1! + ]Х1Г2(к + 1)Г~?*+\
О = + (К* + ]ХК)11 + j 4- ХзгЬь
О - [Ик + ]Хк<2к + ]Х5,(к4 ] 13!, (П)
О - ]Х<->(к 1)1, ! ]Х8>(к + - - [К -г ]Х(к + 1)]151-
Полученная система уравнений (11) позволяет рассчитывать все характеристики бесконтактного однофазного синхронного генератора в установившемся режиме.
Экспериментальные исследования проводились на опытном образце 3-фазного бесконтактного ЭМУ, изготовленного на базе асинхронного двигателя А02-42-4.
Данные образца: Рн = 2400 ва, ий=127 в,
Ь —6,7 а,
2Р1 = 2 2р2 = 6 п —3000 об!мин.
На рис. 3 приведена осциллограмма тока в роторе при работе испытываемого образца в режиме однофазной нагрузки, из которой видно.
Рис. 3. Осциллограмма тока в роторе при однофазной нагрузке
что на кривую тока основной частоты накладывается частота, определяемая выражением (3). На рис. 4, 5, 6 приведены осциллограммы напряжения на выходе генератора, снятые на холостом ходу и с режиме однофазной нагрузки без дросселя и с дросселем в цепи обмотки возбуждения Wf. Как было отмечено выше, в режиме однофазной нагрузки в обмотке наводится з д с с частотой, определяемой по (4). При отсутствии дросселя в цепи возбуждения токи этой частоты, замыкаясь через источник питания и обмотку \Уг, создают пульсирующее поле, которое по (5) и (6) приводит к искажению формы кривой выходного напряжения (рис. 5).
Рис. 4 Осцоллограмма выходного напряжения в режиме холостого хода
Рис. Г). Осциллограмма выхо,--;яг.-?ч..- яа-;ен >ирм однофазной нагрузке без дросселя в цепи обмотки возбуждения.
Включение дросселя с цепь возбуждения значительно улучшает форму кривой напряжения (рис. 6]. В табл. ! приведены данные гармонического анализа кривых тока в роторе и напряжения на :;:,:.\оде генератора, приведенного с помощью гармонического анализатора типа С4-7. •О о
Рис. 6. Осциллограмма выходного напряжения при однофазной нагрузке. В цепь обмотки возбуждения включен дроссель
Таблица 1
Гармонические в % к основной гармонике
нагрузка
№ гармоники Холос-
той ход без с
дросселя дросселем
100
100
100
21,7 14
13,1 6.4
1 100 100 100
3 2 18 9,5
5 5,4 7 4,5
7 1,4 3,6 1,2
9 0,5 0,84 0,64
На рис. 7 приведены рассчитанная по (11) и снятая экспериментально регулировочные характеристики. Расчетная кривая проходит несколько ниже экспериментально снятой, так как в расчет не учтены потери в стали.
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Возникающее в однофазном режиме обратно-синхронное поле приводит к целому ряду нежелательных явлений: перенапряжению в обмотках ротора, пульсации в обмотке возбуждения, искажению формы кривой выходного напряжения.
2. Достаточно хорошее совпадение расчетной и опытной регулировочных характеристик показывает, что проведенные теоретические ис-
15. Зак. 4917. 225
. Л №
1< (а)
Рис. 7. Регулировочные характеристики: а) расчет ная, б) экспериментальная
следования правильно отображают основные процессы, происходящие в однофазном бесконтактном синхронном генераторе при работе его в установившемся режиме.
3. Анализ приведенных осциллограмм и табл. 1 показывает, что включение дросселя в цепь обмотки возбуждения резко снижает процентное содержание высших гармонических в кривой выходного напряжения.
ЛИТЕРАТУРА
1. М. В. Антонов. Бесконтактный однофазный синхронный генератор с использованием обратно-синхронного поля. «Электротехника», 1966, № 8.
2. В. М. Петровы Н. С. Сиунов. Экспериментальное исследование кривых напряжения и тока 3-фазных сиыхронных генераторов при однофазных нагрузках. «Электромеханика», 1964, № 1.
3. Л. М. П а л а с т и н. Расчет установившихся режимов нагрузки однофазных синхронных генераторов. ВЭП, № 9, 1958.
4. В. С. Н о в о к ш е н о в. Исследование асинхронного бесщеточного преобразователя частоты. Диссертация, Томск, 1960.
5. М. Л. К о с т ы р е в. Разработка и исследование бесконтактных электромашинных усилителей повышенной частоты. Диссертация, Томск, 1968.
6. Л. Н. Грузов. Методы математического исследования электрических машин. ГЭИ, 1953.
7. Н. Хэнко к. Матричный анализ электрических машин. «Энергия»* М., 1957.
