CC BY
29
Том 212
1971
ДВУХПАКЕТНЫЙ ГЕНЕРАТОР КОМБИНИРОВАННОГО
ВОЗБУЖДЕНИЯ
Ю. Н. Кронеберг, В. Б. Гомзяков, А. С. Жибинов
(Представлена научным семинаром кафедр электрических машин
и общей электротехники)
Проблема регулирования магнитоэлектрических машин в последние годы все чаще решается применением комбинированного возбуждения. Отсутствие универсального способа совмещения в общей магнитной системе обмоток возбуждения и постоянных магнитов, а также разнообразие требований'обусловило тенденцию к разработке широкого ассортимента таких машин, каждая из которых имеет свои преимущества при определенных требованиях.
Ниже рассматривается генератор (рис. 1), статор которого состоит из двух обмотанных пакетов /, кольцевой обмотки возбуждения 2 и ярма 3. Ротор имеет две полюсные системы, состоящие из чередующихся магнитно-мягких полюсов 5 и брусков 4 постоянных магнитов (все магниты одного пакета только северной полярности, другого—южной), укрепленных на магнитно-мягкой втулке 6. При обесточенной обмотке 2 потоки магнитов 4 частично замыкаются по полюсам 5 (как и в обычных переменнополюсных машинах), а частично — по ярму 3 и втулке 6 (как в двухпакетных индукторных машинах). При соответствующем
Рис. 1. Двухпакетный генератор комбинированного возбуждения. 1 — статоры; 2 — обмотка возбуждения; 3 — внешний магнитопровод; 4 — полюсы постоянных магнитов; 5 — полюсы электровозбуждения; 6 — магнитно-мягкая втулка
включении обмотки 2 ее н. с. действует встречно потоку ярма 3 и втулки 6, что незначительно снижает поток магнитов 4, но интенсивно увеличивает поток полюсов 5 и соответственно э дс. Существенно, что для обоих пакетов общей является только постоянная составляющая потока. Следовательно, несимметрия фаз и нелинейные искажения в обмотке одного пакета не должны вызывать аналогичных явлений в обмотке другого, что наблюдалось бы при расположении обмоток в пазах одного
пакета. В меньшей степени должны также влиять колебания нагрузки одного пакета на напряжение другого.
Такой генератор сохраняет все основные . достоинства машин комбинированного возбуждения. Его применение целесообразно в первую очередь там, где могуг проявиться преимущества двухпакетной конструкции. Распространенным случаем являются автономные системы, потребители электроэнергии которых выдвигают столь противоречивые требования к роду тока, частоте, напряжению, числу фаз и пр., что им не может удовлетворять один генератор даже с разделенными обмотками и становится необходимым применение двух отдельных машин.
В двухпакетном генераторе каждый пакет можно рассматривать как отдельную машину; поэтому он может обеспечить разные частоты, напряжения, числа фаз, различную форму эдс.; вес конструктивных деталей значительно меньше, чем у двух отдельных машин; просто и естественно решается вопрос бесконтактности; необходим только один регулятор напряжения (это преимущество и недостаток).
Экспериментальная проверка проводилась на макетном образце генератора со следующими основными данными: диаметр расточки ста тора— 12,5 см; длина одного пакета — 3 см\ число магнитно-мягких полюсов (на каждый пакет) —4; число брусков постоянных магнитов (на один пакет) —4\ скорость вращения — 3000 об/мин.; скос пазов отсутствует.
При работе в качестве одного источника обмотки пакетов соединялись последовательно. Испытания показали (рис. 2), что эдс холосто го хода имеет максимум, типичный для индукторных машин, и начальную эдс, равную примерно половине этой величины. Таким образом обеспечивается надежное самовозбуждение и достаточно большой диапазон регулирования. Изменение поля в воздушном зазоре при увеличении тока возбуждения поясняет принцип регулирования. Гармонический анализ эдс обмотки показал, что у испытанной машины преобладают 5, 15 (зубцовая) и 17-я высшие гармоники. При изменении тока возбуждения от 0 до 1,5 а они изменяются соответственно в пределах 3,1—3,25%, 6,8—1,0% и 2,4—2,5%, а коэффициент нелинейных искажений не превышает 8%. Особенностью характеристики короткого замыкания является наличие начального тока якоря, обусловленного потоком магнитов.
Установившиеся симметричные режимы генератора представлены семейством внешних характеристик (рис. 3), снятых при активной нагрузке.
При продолжительной работе и тепловых загрузках (машина вентилируемая), допустимых для изоляции класса А, номинальная мощность испытанного образца должна быть 1,6—2 кет (удельная мощность 100—130 вт/кг) при напряжении 310—330 в.
Для стабилизации напряжения от холостого хода до полной нагрузки кратность изменения тока возбуждения будет примерно 1,5—2. а максимальная мощность возбуждения не превысит 2,5—3,5% от номинальной выходной мощности. Глубина регулирования напряжения на холостом ходу (диапазон регулирования по отношению к номинальному напряжению) составит 50—60%.
Таким образом, испытанный генератор для скорости вращения 3000 об/мин. имеет хорошие удельные показатели и вполне удовлетворительную регулируемость.
При работе генератора в качестве двух источников система автоматического регулирования может стабилизировать напряжение только одного пакета, а эдс другого будет несколько изменяться в соответствии с изменением постоянной составляющей потока. Стабилизирующее влияние системы регулирования для второго пакета проявляется в том, что при изменении нагрузки первого пакета э.д.с. второго изменяется
Рис. 2. Характеристика холостого хода и короткого замыкания. 1 — характеристика холостого хода; 2 — характеристика короткого замыкания; 3 — изменение коэффициента нелинейных искажений выходного напряжения
менее интенсивно, чем при холостом ходе обоих пакетов и изменении тока возбуждения в тех же пределах. Соответственно зависимость напряжения нерегулируемого пакета от его тока нагрузки (ток возбуждения изменяется, чтобы обеспечивать стабильность напряжения регули I руемого пакета при постоянной его нагрузке) также более пологая,
чем внешняя характеристика. Например, при напряжении регулируемого пакета 150в = сопз1 и нагрузке 2,5а = соп$1 напряжение другого пакета при увеличении своей нагрузки от 50 до 100% изменяется всего на ±2,5%, в то время как изменение напряжения по внешней характеристике (ток возбуждения постоянный) составляет ±5,7%.
Следовательно, при включении обмоток пакетов на отдельные нагрузки система регулирования может обеспечить полную стабилизацию одного напряжения (с более высокими требованиями к стабильности)
и,в
\
частичную другого. Возможно также применение регулятора, который стабилизирует среднее напряжение обмоток.
Эксперименты полностью подтвердили, что перекосы фаз (вплоть до однофазной нагрузки) и нелинейные искажения (даже при вентильной нагрузке) в обмотке одного пакета не отражаются на аналогичных показателях другого пакета.
Таким образом, проведенные исследования показали, что двух-пакетный генератор комбинированного возбуждения может успешно применяться в качестве регулируемого источника питания при работе обоих пакетов на общую нагрузку, кроме того, весьма заманчиво использование его в автономных системах для питания нагрузок с разными требованиями к частоте, числу фаз и форме напряжения.
