CC BY
89
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
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).
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
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 = / (со8ф), при оптимальном соотношении Сн и Ян, обеспечивающим максимальные энергетические характеристики генератора [9].
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 (Ян, 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 0,=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 <2Р=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
<
/ /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 Ян= 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.
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.
Наиболее перспективным следует признать использование линейно-фазовой модуляции, кото-
