Экспериментальное исследование прерывистого возбуждения на модели генератора ударной мощности Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

1967

Том 162

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕРЫВИСТОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ НА МОДЕЛИ ГЕНЕРАТОРА УДАРНОЙ

МОЩНОСТИ

Г. А. СИПАЙЛОВ, А. И. ВЕРХОТУРОВ

(Представлена научным семинаром кафедр электрических машин и общей

электротехники)

В последнее время сложные переходные процессы в крупных электрических машинах успешно исследуются на физических моделях, которые воспроизводят весь комплекс явлений, характеризующих исследуемый процесс. В этот комплекс могут входить и такие стороны явлений, которые не поддаются математическому описанию и не могут быть учтены в уравнениях процесса. Кроме того, физи ческие модели позволяют значительно сократить сроки исследовани-и материальные затраты на них, что особенно важно для ударный генераторов, экспериментальные исследования на которых связанх с токами в сотни тысяч ампер и напряжениями в десятки киловольы и, следовательно, отличаются чрезвычайной дороговизной установокт В ударных генераторах для увеличения импульсной мощности, и сокращения потерь холостого хода применяется форсировка возбуждения перед коротким замыканием обмотки статора [1]. В промежутках между импульсами целесообразно снижать напряжение до нуля или до определенного значения, так как работа машины при высоком напряжении холостого хода может привести к недопустимым перегревам. Поэтому» представляет практический интерес исследовать режим прерывистого возбуждения ударного генератора на модели и выбрать оптимальный коэффициент форсировки с точки зрения минимума потерь энергии в расчете на один импульс тока статора.

Для установления этой зависимости рассмотрим переходный процесс включения обмотки возбуждения ударного генератора на постоянное напряжение:

г т с112 , ¿4

Ки2=12Г2 + ¿2-- +Ж23 — '

(И (И

(1)

аЛ а1

где к — коэффициент форсировки,

г2, ¿2 — параметры обмотки возбуждения, гя, ¿з — параметры демпферной обмотки, М2ъ —взаимоиндуктивность обмоток ротора.

Здесь и в дальнейшем принимаем, что М23 = ^¿г^з, т- е- рассеяние отсутствует [2] и что /г ж ¿г,. 52

Решая систему уравнений (1), находим выражения для токов

Г 2 V + 83

Л

1 =__ки2 1 т

3 +

*

где §2 = — — коэффициент затухания тока обмотки возбуждения. ¿2 «

о3 = — —коэффициент затухания тока в демпферной обмотке,

¿3

Т — Т2 + Г3 —суммарная постоянная времени контуров.

Поток, создающий напряжение на обмотке с!атора, можно определить [3|:

I

ф= Фо(1 - / •

(3)

Г 21^1

где — число витков#обмотки статора.

Если без, форсировки возбуждения поток нарастает до номинального значения'за время (~3 7\ то при форсировке в к раз поток достигнет того же значения за более короткое время Отсюда отношение потоков равно:

(4)

I

1 г

Из этого выражения можно получить время Ь:

и=-Т\ П^'0'95. (5)

К

Процесс гашения поля путем изменения полярности подводимого напряжения описывается системой дифференциальных уравнений (1). если заменить ки2 на — ки2.

Решение полученной системы уравнений имеет вид:

г

и2 I 1 4- /с , г \ ¿2Г-— I — «Ь (6)

г2 \n-rn /

и2 1 + к ' т * Нг^ — т-1 (7)

1 + ГП

где

т

7/г

гз г

за

\

Поток, который необходимо погасить:

0Г «= Фо

(1+IC )/

(9)

Время гашения можно определить из условия

¿2г + ¿Зг — 0.

После подстановки в уравнение (9) значений ¿2г и /Зг из (8) и (7). решаем его относительно £х :

к+1- (Ю)

= г in

/с

Потери энергии в стали ударного генератора при форсированном возбуждении и развозбуждении можно представить

Qcu =

%{r-dt+hdt)'

(in

где — потери холостого хрда в стали генератора при потоке Фо После подстановки в (11) значений Ф из (3), Фг из (8) и интегриро вания получаем:

QcU = Р'0Т [к21п * - 1,95к + 0, I к — 0,95

05 Ь

(12)

Обозначим /сс=—где — потери энергии в стали за цикл без Рсц

форсировки, тогда

кс = 0,556 (& 1п --1,95 к + 0,05^

I, к - 0,95 )

(13)

Энергию потерь в меди обмотки возбуждения и демпферной за цикл можно представить в следующем виде:

г.

h

Q* = J" (ПГ2 + Ц ■ Г3) Clt + f {il Г2 + ilГ8) dt.

0 0

Или окончательно: Qm =

tt\T

Г 2

к^ ln —————————--f- В (0,05 — 1.95 к)

к — 0.95

(14)

(15)

Обозначим по аналогии с предыдущим через Км отношение по* терь в меди обмотки возбуждения и демпферной при форсировке к энергии потерь при /с = 1, тогда:

21 1 +к к21п

К Xi -

к - 0,95

- -j- .fi (0,05 — 1,95 к)

3.69 - 1,9 В

(16)

Оптимальный коэффициент форсировки можно определить из условия равенства энергии потерь в меди обмоток ротора и в стали машины за цикл работы:

Р'т(к* --1,95/с + 0,05 \

1 1____„7)

u¡T Г2

к21п 1 +К + 6(0,05 - 1,95«) /с - 0,95 k

Или после упрощений:

ь

к- 0,95

(1 — к о) к21п К + 1 — 1,95 *(к0+Д)+0,05 (/с0- В) ^0, (18)

о т2 Pon л где В — —; /с о ==--отношение потерь в стали к потерям в об-

Т и 2

мотке возбуждения при холостом ходе.

При изв'естных Ко п В это трансцендентное уравнение можно решить приближенно с любой степенью точности относительно к.

Схема прерывистого возбуждения модели ударного генератора

На рис. 1 представлена схема прерывистого возбуждения модели ударного генератора (УГ).

При нажатии на кнопку П через контакты контактора В подается напряжение на обмотку возбуждения ОВВ вращающегося возбудителя Я, который непосредственно соединен с обмоткой возбуждения ударного генератора OBI. Как только напряжение ударного генератора достигнет заданного значения, срабатывает реле напряжения РН и замыкает свой контакт в цепи индукционного датчика ИД. При про^ждении э. д. с. генератора через нуль датчик вырабатывает кратковременные импульсы положительной и отрицательной полярности. Положительный импульс открывает тиратрон ТГ в цепи разряда конденсатора С, разрядный ток которого замыкает аппарат /(,. Через нагрузку ZH проходит импульс тока статора длительностью около 0,02 сек. Импульс тока статора имеет небольшую отрицательную полуволну, в течение которой аппарат К2 размыкает цепь статора.

При замыкании аппарата Кх замыкаются его контакт в цепи контактора И и реле времени РВ, что приводит к замыканию контактов И и размыканию контактов В в цепи возбуждения возбудителя. Ток в обмотке возбуждения возбудителя меняет направление, и как только напряжение ударного генератора становится равным нулю, реле времени РВ размыкает свой контакт в цепи контактора //. Прежде чем запустить схему снова, нужно привести в исходное состояние аппараты Л", и К2.

Изменения напряжения на зажимах генератора и тока в обмотке возбуждения за цикл работы представлены на рис. 2. На рис. 3 представлена зависимость потерь холостого хода в стали в функции выходного напряжения. Потери определялись методом взаимной нагрузки (точки обозначены О) и методом выбега (точки обозначены X)-Зависимости потерь в функции от выходного напряжения хорошо

Р'и?

аппроксимируются функцией —-

Й1Н

На рис. 4 представлена зависимость кс в функции от коэффициента форсировки, кривая 1 рассчитана по уравнению (13), а пунктирная кривая получена опытным путем. Крлвая 2 показывает зависимость отношения суммарных потерь энергии в меди и стали при фор-сировке к суммарным потерям без форсировки С1ъ\ в функции от к.

Рис. 1. Схема прерывистого возбуждения модели ударного генератора,

Зависимость энергии потерь в меди обмотки возбуждения за цикл от коэффициента форсировки представлена на рис. 5 (кривая 1.) Опытная кривая проведена пунктиром. Кривая 2 рассчитана по уравнению (16) и представляет зависимость отношения суммарных потерь энергии в меди обмогок ротора при форсировке к потерям энергии без форсировки. Оптимальный коэффициент форсировки, рассчитанный по уравнению (18) для параметров модели, равен 2,1.

Все расчеты проводились для следующих параметров модели ударного генератора:

и2 = 40в9 /г ~ 30 а, ^ = 1, Т = \$сек, к0 = 46,5, В ^ ОД

Т 9

!

Рис. 2. Осциллограмма изменения напряжения на зажимах генератора и тока возбуждения

Рис. 3, Зависимость потерь в стали от выходного напряжения:

0—опыт взаимной нагрузки; (х)-опыт выбега

Ох(

0,9 Ц8 0.7 0.6 0,5 0.4 0.3 0.2 ОД

Кс

1

1 1--

■ II 01 к) 2

II /(¿1

и\

Су™ \ч > — ** *т 1 -1 Г""

1 - К

4 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Рис. 4. Зависимость ка —— от коэффициента форснровкк

Км

2,2

2 1.8 Р

1.0 0.8 С>6

О.ч

/ V

/

/ /

/ / Г'"

/ \

ф ъ' *

-Г ' /у г/ *

Г •

1 1

К

12 3 4 5 67 8 9 Ю

Рис. 5. Зависимость К и от коэффициента форсировки

Опытные кривые были получены следующим образом. Осциллогра-фировались изменение выходного напряжения их и токи возбуждения ¿2 за цикл работы для различных значений к = ',2,3,4»6. При к = 1 напряжение нарастало до установившегося значения 40 б за 4,7 секунды. Для всех коэффициентов форсировки напряжение нарастало до 40 в, после чего производилось замыкание обметки статора генератора на нагрузку 1н и через 0,02 сек. развозбуждение. Отношение энергии потерь в стали при форсировке к энергии потерь без форсировки определялось как отношение квадратов площадей, описываемых кривыми изменения напряжения на зажимах генератора, а для энергии потерь в меди обмотки возбуждения—как отношение квадратов площадей, ограничиваемых кривыми изменения тока в обмотке возбуждения за цикл работы.

Таким образом, прерывистое возбуждение при оптимальном коэффициенте форсировки позволяет в пять раз сократить электромагнитные потери энергии в расчете на один импульс тока статора по сравнению с прерывистым возбуждением без форсировки при одинаковой частоте повторения импульсов.

ЛИТЕРАТУРА

1. И. М. Постников. О проектировании ударного генератора. Труды ЛПИ Л1» 209, Госэнергоиздат, 1960.

2. О. Б. Б р о н. Автоматы гашения магнитного поля. Госэнергоиздат, 1961.

3. Г. А. С и п а й л о в. А. И. В е р х о т у р о в. О форсировке возбуждения ударного генератора Известия ТПИ, т, 160, 1966

\

4