Научная статья на тему 'Энергетические характеристики высоковольтного индукторного генератора дискового типа'

Энергетические характеристики высоковольтного индукторного генератора дискового типа Текст научной статьи по специальности «Электрические машины»

CC BY
373
45
Поделиться

Аннотация научной статьи по электротехнике, автор научной работы — Чучалин А. И., Муравлев И. О., Сафьянников И. А., Россамахин И. Н.

Для устройств обеззараживания воды и воздуха, а также для другого электрофизического оборудования необходимы источники питания с высоким напряжением ~104 В при частотах 102…103 Гц. Авторами проведен комплекс исследований, разработанного индукторного генератора дисковой конструкции, с учетом несинусоидального характера изменения индуктивностей обмоток генератора, переменного насыщения магнитной цепи, нагрева генератора при работе в продолжительном режиме с целью определения оптимальных соотношений параметров генератора и основных энергетических характеристик.

Похожие темы научных работ по электротехнике , автор научной работы — Чучалин А.И., Муравлев И.О., Сафьянников И.А., Россамахин И.Н.,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Энергетические характеристики высоковольтного индукторного генератора дискового типа»

удк 621.313

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ИНДУКТОРНОГО ГЕНЕРАТОРА ДИСКОВОГО ТИПА

А.И. Чучалин, И.О.Муравлев, И.А. Сафьянников, И.Н. Россамахин

Томский политехнический университет E-mail: refer@tpu.ru

Для устройств обеззараживания воды и воздуха, а также для другого электрофизического оборудования необходимы источники питания с высоким напряжением -104 В при частотах W...103 Гц. Авторами проведен комплекс исследований, разработанного индукторного генератора дисковой конструкции, с учетом несинусоидального характера изменения индуктивностей обмоток генератора, переменного насыщения магнитной цепи, нагрева генератора при работе в продолжительном режиме с целью определения оптимальных соотношений параметров генератора и основных энергетических характеристик.

С развитием новых технологий увеличивается число потребителей электроэнергии средней мощности 104 Вт, которые необходимо питать высоким переменным напряжением ~104 В при частоте 102...103 Гц. К ним относятся автономные установки с активно-емкостным характером нагрузки, в том числе: мобильные озоногенерирующие устройства для очистки воды и воздуха, установки по обеззараживанию воды, требующие компактных автономных источников электроэнергии. Традиционно питание таких потребителей осуществляется за счет преобразования напряжения и частоты первичных источников электроэнергии, таких как промышленная сеть или автономный электромашинный генератор [1-4].

Решение этой проблемы возможно путем совершенствования существующих или создания новых типов автономных электромашинных генераторов, способных удовлетворять возрастающие требования потребителей. На рис. 1 представлена конструкция и электрическая схема генератора дискового типа. Электрическая схема генератора включает ОВ - обмотку возбуждения, РО - рабочую обмотку генератора, £ - коммутирующее устройство. Генератор состоит из ротора - 1 (вращающийся модуль) и статора, который включает в себя блок - 2 с сосредоточенными катушками рабочей обмотки (РО) - 6 и крайние дисковые модули - 3 с обмоткой возбуждения (ОВ) - 5. Ротор выполнен в виде дисков с участками различной проводимости для основного магнитного потока: шихтованными ферромагнитными полюсными вставками - 4 и воздушными промежутками между ними. Внешние магнитопроводы - 3 также выполняют функцию подшипниковых щитов.

Принцип действия генератора основан на создании ЭДС в рабочей обмотке статора при изменении магнитного потока за счет магнитных прово-димостей воздушного зазора и изменении собственных индуктивностей обмоток машины. Переменная ЭДС рабочей обмотки на холостом ходу создается в результате изменения ее потоко-сцепления за счет переменной взаимной индуктивности М, с обмоткой возбуждения, запитанной постоянным током

ea — --

dWa dt

■ = -ie

dMa

dt

Для предварительного исследования характеристик дискового генератора использована методика расчета параметров генератора на основе эквивалентных схем замещения для магнитной цепи. Математическая модель для расчета переходных и рабочих режимов генератора основана на численном решении дифференциальных уравнений электрического равновесия, составленных в соответствии с электрической схемой замещения представленной на рис. 1:

d W a dt

— (Ra + Rh ) ia Uc , Ut — с i1

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1

Ch

d We dt

— Ue — Reie

где и, ис - напряжения на зажимах обмотки возбуждения и емкостной составляющей нагрузки;

% - потокосцепления обмоток статора и возбуждения; 4, 4 - токи, протекающие по обмоткам; Яа, Я, - активные сопротивления обмоток.

Рис. 1. Конструкция и электрическая схема генератора дискового типа, и, - напряжение возбуждения, Н„ С, -активная и ёмкостная составляющие нагрузки

Предварительные расчеты основных энергетических параметров электромашинного индукторного генератора дискового типа при допущении о гармоническом характере изменения индуктив-

ностей обмоток показали возможность достижения мощности, напряжения и частоты для питания вышеуказанного оборудования [5]. Для детального исследования рабочих режимов генератора необходимо решить задачу учета ряда факторов, влияющих на его основные характеристики: несинусоидальный характер изменения индуктивностей обмоток генератора, переменное насыщение магнитной цепи, нагрев генератора при работе в продолжительном режиме.

Тепловые ограничения при работе генератора в продолжительном режиме являются важным фактором, определяющем предельные показатели по удельной мощности генератора. При этом основным, ограничивающим генерируемую мощность в нагрузке, является температура изоляции обмоток генератора.

Для исследования рабочих режимов с учетом реальных кривых изменения индуктивностей генератора использован расчет электромагнитных параметров генератора на основе решения серии полевых задач. Математическая модель расчета магнитного поля методом конечных разностей в индукторном генераторе дисковой конструкции позволила произвести расчет потокосцеплений обмоток и соответствующую матрицу индуктивностей [L] = /(у), при различных угловых положениях ротора относительно статора [6].

Полученные несинусоидальные зависимости были представлены рядом Фурье, основанным на замене определенного интеграла суммой конечного числа слагаемых [7]. Зависимости собственных (La, Lв) и взаимной (Mas) индуктивностей обмоток статора от угла поворота ротора имеют вид

La = 51,571 + 30,281-cos у+1,483-008(27) +

+ 3,024 - cos(3 у) + 0,434 - cos(4 y); Le = 14,093 + 7,694 - cos Y + 0,072 - cos(2 y) + + 0,43 - cos(3 y) + 0,163 - cos(4 y);

Mae = 20,1 +16,47 - cos Y + 0,9457 - cos(2y) + + 0,941 - cos(3 y) + 0,2974 - cos(4 y).

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Для учета переменного насыщения магнитной цепи проведен расчет кривой намагничивания машины в относительных единицах Ф0 = f(FJ рис. 2 (кривая 1). Касательная 2 к начальной части кривой 1 рис. 2, представляет собой зависимость магнитного потока от намагничивающей силы воздушного зазора Ф0=f(Fs). Степень насыщения магнитной цепи генератора характеризуется коэффициентом насыщения, который можно определить в виде (рис. 2):

k = Foe = AC

к"= ~f7~ AB ■

Учет насыщения осуществляется коэффициентом к^ в кривых изменения индуктивностей обмоток генератора, т.е. L=kicftj), для различных значений индукций полюса рабочей обмотки (Ba).

o.e. 3,0

2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0

Фо 2 /

1 А С

, А В , / 1

/

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 o.e.

Рис 2. Кривая намагничивания генератора

В результате математического моделирования переходных процессов и установившихся режимов нагрева обмоток и конструкционных элементов генератора дискового типа выявлены особенности нагрева и охлаждения машины данного конструктивного исполнения [6, 8].

Т1 V* Рн

кВ кВт

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1,0 125 12,5

0,8 100 10,0

0,6 75 7,5

0,4 50 5,0

0,2 25 2,5

0,0 0,0 0,0

•П

/

Рн /

у

/ иФ

0 0,2 0,4 0,6 0,8 сое Ф

Рис 3. Зависимости активной мощности, напряжения фазы, КПД от коэффициента мощности

Для расчета энергетических характеристик генератора дискового типа и определения оптимального значения сопротивления нагрузки и коэффициента мощности, с целью достижения максимальных удельных энергетических показателей, проведены исследования допустимого времени работы на активно-емкостную нагрузку с учетом насыщения, несинусоидальных кривых изменения индуктивностей и тепловых ограничений. Расчеты выполнялись для генератора с диаметром активной зоны 0,33 м, числом полюсов 2р = 8 и напряжением возбуждения Ц=240 В при его работе на активно-емкостную нагрузку с постоянной частотой вращения ротора «=3000 об/мин в продолжительном режиме. На рис. 3 представлены зависимости активной мощности, напряжения в рабочей обмотке и КПД от коэффициента мощности Рн, иф,

П = / (ео8ф), при оптимальном соотношении Сн и Лн, обеспечивающим максимальные энергетические характеристики генератора [9].

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

300 250 200 150 100 50 0,0

Ор

О-

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 совср

Рис. 4. Значения установившихся температур в обмотках от коэффициента нагрузки

составляющих нагрузки (Вн, Сн) и коэффициентах мощности. Максимальное значение плотности тока рабочей обмотки 1а ~ 6,5 А/мм2 соответствует сопротивлению нагрузки 16 кОм при коэффициенте нагрузки 0,3. При этом установившиеся температуры в обмотке возбуждения и рабочей обмотке составляют (=130 °С и (=175 °С (рис. 4). Плотность тока обмотки возбуждения изменяется в небольших пределах в зависимости от сопротивления и вида нагрузки Л ~ 3,5...4,5 А/мм2.

В результате анализа полученных энергетических характеристик индукторного генератора дисковой конструкции установлено, что по условиям электрической прочности изоляции и нагрева обмоток, генератор способен работать в продолжительном режиме, начиная с ео8ф = 0,4 при максимальной мощности потерь в меди РСи ~ 475 Вт и потерь в стали Р¥е ~ 75 Вт (при индукции в полюсах 1,0 Тл и частоте 400 Гц) с установившейся температурой рабочей обмотки (,=110 °С (рис. 4). При этом активная мощность генератора составляет ~ 6,0 кВт, напряжение на рабочей обмотке ~ 50 кВ.

е°с

95

80

65

50

35

20

<

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

/ /Л \ еР

/

/ / у б

/

/

1

Т,ч;

Рис. 5. Кривые изменения температур рабочей обмотки (0) и полюсов (0Ш1) при работе в длительном режиме

Анализируя полученные зависимости, можно определить, что наибольшее значение коэффициента полезного действия п = 0,85 соответствует ео8ф = 0,5 при условии максимальной активной мощности в нагрузке Рншк ~ 5 кВт и напряжении на рабочей обмотке Щ = 40 кВ. Для ео8ф = 0,3 максимальное значение мощности Рншк ~ 7,5 кВт достигается при активном сопротивлении Лн= 16 кОм, которому соответствует напряжение 60 кВ.

Допустимая продолжительность работы генератора в длительном режиме определяется нагревом рабочей обмотки с учетом плотности тока 1„, определяющей энергию потерь в проводниках обмоток, при различных значениях активной и ёмкостной

На рис. 5 показаны расчетные кривые изменения температуры рабочей обмотки и полюсов при включении генератора на длительный режим с указанными значениями мощности и напряжения.

Таким образом, выполненные расчеты энергетических характеристик индукторного генератора дисковой конструкции при работе на активно-емкостную нагрузку в продолжительном режиме с учетом несинусоидального характера изменения индуктивностей и тепловых ограничений подтвердили возможность эффективного применения генератора в качестве источника электроэнергии для питания потребителей с высоким напряжением при частоте до сотен герц.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Глебов И.А., Кашарский Э.Г., Рутберг Ф.Г. Синхронные генераторы в электрофизических установках. — Л.: Наука, 1977. — 197 с.

2. Глухих В.А. Мощные энергетические комплексы современных электрофизических установок // Импульсные источники энергии: Тез. докл. 3 Всес. конф. — М.: ЦНИИатоминформ, 1989. — C. 169—170.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

3. Mark H. Electromagnetic Launch Technology: The Promise and Problems // IEEE Transactions on Magnetic. — 1990.— Vol. 25, № 1. — P. 17—19.

4. Горбачев Г.Н. Источники питания генератора озона // Электротехника. — 1993. — № 11. — С. 63—65.

5. Чучалин А.И., Муравлев И.О., Сафьянников И.А. Дисковый индукторный генератор // Электромеханика. — 2000. — № 4. — С. 27—31.

6. Чучалин А.И., Муравлев И.О., Сафьянников И.А. Математическое моделирование индукторного генератора дискового типа // Электричество. — 2001. — № 11. — С. 30—35.

7. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. — М.: Высшая школа, 1973. — 752 с.

8. Chuchalin A.I., Muravlyov I.O., Safyannikov I.A. Heating and cooling of disk inductor generator // VI International Scientific and Practical Conference of Students, Post-graduates, and Young Scientists, Modern techniques and technology, MTT'2000, February 28 — March 3, 2000, TPU, Tomsk, Russia, 2000. — Р. 170—172.

9. Chuchalin A.I., Muravlyov I.O., Safyannikov I.A., Rossamakhin I.N. Energetic parameters of inductor generator // The Third Russian-Korean International Symposium on Science and Technology, KORUS'99, Abstracts, June, 20—25, 1999 at Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia, 1999. — Vol. 2. — Р. 807.

удк 621.34

РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ С МАШИНОЙ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ

А.В. Аристов

Томский политехнический университет E-mail: avv@ido.tpu.edu.ru

Представлены результаты исследований колебательных комплексов на основе электрических машин углового и линейного движения. Основное внимание уделено машинам двойного питания, работающих непосредственно в режиме вынужденных колебаний. Проведен анализ рабочих частотных, регулировочных и механических характеристик данного класса электроприводов, представлены новые алгоритмы управления, обеспечивающие резонансный режим работы.

В последнее время все большее распространение приобретают безредукторные колебательные электроприводы (КЭП), построенные на базе практически всех типов серийно выпускаемых электрических машин, работающих непосредственно в режиме периодического движения. Это обусловлено рядом таких преимуществ, как: исключение потерь энергии в дополнительных механических звеньях преобразования движения, снижение мощности управления и повышения надежности всей системы в целом. Простота и удобство сопряжения электрических машин с электронными узлами управления, возможность плавно и на ходу регулировать параметры механических колебаний при обеспечении высокой равномерности движения, широкий диапазон воспроизведения колебаний по частоте, амплитуде и форме - все это предопределяет бурное развитие и широкое применение КЭП на их основе [1].

Как правило, для создания колебательного режима работы используются те же принципы управления, что и в следящих системах, а именно, применение различных видов модуляции напряжений (токов) при питании обмоток исполнительных двигателей. Различают три основных вида модуляции: линейно-фазовую, балансно-амплитудную и балансно-частотную [2].

Все виды модуляции, положенные в основу возбуждения колебаний, имеет определяющее значение при построении конкретных, специализированных КЭП. Так, одновременно с преимуществами следящих систем по управляемости, такие способы возбуждения режима мягкого периодического реверса как амплитудный и частотный сохраняют и их основной недостаток - необходимость применения специальных задающих устройств периодических сигналов. С точки зрения режима работы электромеханического преобразователя, более выгодна в энергетическом отношении балансно-частотная модуляция питающих токов. Но, с другой стороны, управление электрической машиной требует двух регулируемых по частоте мощных генераторов тока, работающих отдельно на каждую из фаз обмотки исполнительного двигателя и управляемых от отдельных задающих устройств. Подключение одной из фаз двигателя непосредственно к сети в данном случае невозможно. Все это, как известно, приводит к значительному увеличению мощности управления. В итоге сложность и трудность создания управляемых по частоте генераторов с малой девиацией частоты сдерживает распространение КЭП с частотно-токовым управлением.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Наиболее перспективным следует признать использование линейно-фазовой модуляции, кото-