CC BY
167
ISSN 1992-6502 (Print)_
2016. Т. 20, № 1 (71).С. 128-135
Ъыьмт QjrAQnQj
ISSN 2225-2789 (Online) http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 621.313
Исследования способа регулирования напряжения однофазного магнитоэлектрического генератора подмагничиванием статора
р. а. Гайсин1, р. д. Каримов2
^ота-сеиагфгатЫег.ги, 2ги$1ап-к88@уа^ех.ги
ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ)
Поступила в редакцию 11.03.2016
Аннотация. В работе произведено исследование способа регулирования напряжения магнитоэлектрического генератора с помощью подмагничивания зубцов якоря. Описан алгоритм управления током подмагничивания. Также произведены исследования режимов работы системы управления подмагничиванием зубцов якоря генератора. Получены регулировочные характеристики, кривые токов и напряжений.
Ключевые слова: система электроснабжения автономных объектов; магнитоэлектрический генератор; подмагничивание; высококоэрцитивные постоянные магниты; высоковольтный генератор.
ВВЕДЕНИЕ
Системы электроснабжения автономных объектов (СЭС АО) на основе магнитоэлектрических генераторов (МЭГ) с высококоэрцитивными постоянными
магнитами питают различные системы и устройства, которые чувствительны к колебаниям напряжения питания, в связи с чем требуют высокой стабильности выходного напряжения СЭС АО, что в свою очередь подразумевает наличие системы стабилизации выходного напряжения МЭГ. Такая система особенно важна для высоковольтных электротехнических комплексов, ввиду того, что возможны значительные превышения номинального напряжения при холостом ходе МЭГ и высока вероятность вывести из строя потребителей электроэнергии. Поэтому от МЭГ и системы стабилизации выходного напряжения, как элементов
электротехнического комплекса, требуются высокие показатели, такие как
энергоэффективность, широкий диапазон и стабильность выходного напряжения и его частоты, надежность и продолжительность безотказной работы, а также низкие массогабаритные показатели, что особенно актуально для авиационной и космической отрасли ввиду различных ограничений к
используемой бортовой аппаратуре и требуемому высокому ресурсу техники.
Исходя из вышесказанного, главной задачей исследования является реализация системы стабилизации выходного напряжения МЭГ. Она должна иметь широкий диапазон регулирования и обеспечивать высокую точность выходного напряжения в заданном диапазоне при различных режимах работы МЭГ в составе СЭС АО, обладать системой защиты от нештатных ситуаций. Данные требования могут быть удовлетворены применением современных силовых компонентов и использованием микропроцессорных решений, которые более выгодны в плане эксплуатации и ремонтопригодности.
МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ МЭГ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ
Регулирование и стабилизация напряжения МЭГ при постоянной частоте вращения ротора является важной проблемой, решение которой представляет значительные трудности. Это связано с нелинейной характеристикой генератора при работе на разные типы нагрузки (рис. 1), которая в целом зависит от магнитных свойств материала магнитопровода.
Рис. 1. Внешняя характеристика МЭГ
Стабилизация и регулирование напряжения МЭГ могут быть выполнены следующими способами [1-3]:
• стабилизация напряжения применением конденсаторов;
• регулирование напряжения дросселями насыщения;
• регулирование напряжения изменением магнитного сопротивления магнитопровода.
Самым простым и эффективным способом стабилизации выходного напряжения генератора, при постоянном требуемом значении частоты вращения ротора, является изменение магнитного сопротивления части магнитопровода статора - якоря (спинка или зубцы).
Данный метод стабилизации и регулирования описан в работах [4-7] и применяется в конструкции синхронных генераторов для стабилизации напряжения с помощью прямого регулирования постоянного тока тороидальной обмотки подмагничивания, которая располагается в пазах равномерно по всему диаметру якоря [8, 9]. Особенность системы регулирования при данном методе в том, что она работает на активно-индуктивную нагрузку со значительной величиной индуктивности обмотки подмагничивания генератора. Создаваемая обмоткой
подмагничивания МДС подмагничивания, воздействуя на поток в части якоря, изменяет насыщение, а с ним и магнитное сопротивление спинки либо зубцов якоря, тем самым достигается плавная стабилизация и регулирование выходного напряжения генератора до номинального. Наибольшая МДС подмагничивания имеет место при холостом ходе генератора. Система управления подмагничиванием якоря потребляет минимальную мощность в рабочем режиме и максимальную в холостом режиме генератора,
что выгодно отличает её от других способов регулирования и стабилизации напряжения МЭГ, метод имеет высокую точность стабилизации напряжения ±0,5 %. Основной недостаток метода - наличие гармоник вследствие искажения магнитного поля МЭГ.
АЛГОРИТМ РАБОТЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ ЯКОРЯ МЭГ
Функция зависимости номинального напряжения МЭГ от тока подмагничивания будет иметь вид
и Н = / (1 п),
(1)
поэтому сущность управления сводится к увеличению либо уменьшению тока подмагничивания в соответствии с нелинейно изменяющимся напряжением на выходе МЭГ. Алгоритм управления основан на сравнении выходного напряжения МЭГ с требуемым значением. При изменении этого напряжения в большую либо меньшую сторону программа с помощью ПИД-регулятора [10, 11] увеличивает либо уменьшает скважность ШИМ сигнала:
(2)
где « - длительность импульса, Т - период следования импульсов управления.
Длительностью импульсов напряжения на затворе силового транзистора уменьшается либо увеличивается длительность протекания постоянного тока через обмотку подмагничивания и соответственно изменяется МДС подмагничивания спинки якоря, которая ослабляет либо усиливает поток в соответствующей части спинки якоря МЭГ. Величина тока подмагничивания измеряется СУ одним из каналов АЦП и контролируется на уровне, необходимом для создания намагничивающей силы требуемого значения, а также контроля и предотвращения аварийных ситуаций. При превышении тока подмагничивания либо при его «исчезновении» срабатывает защита и отключает силовые транзисторы. Все основные измерения токов и напряжений системой управления сводятся к измерению их действующих (эффективных) значений. Действующее значение измеряемой периодической величины определяется как
и
_ 1 т 2
ЯМБ Т' 0 и Л
(3)
в цифровой системе данное выражение запишется как
U
RMS
1 N 2
N ',=о Uadc
(4)
Таким образом, необходимо сделать выборку ряда значений за период сигнала, просуммировать значения квадратов точек выборки, поделить на количество точек за период, и взять квадратный корень из полученного результата.
Блок-схема алгоритма работы программы управления подмагничиванием показана на рис. 2. Структура системы управления подмагничиванием якоря показана на рис. 3.
Рис. 2. Алгоритм работы программы управления подмагничиванием спинки якоря
Рис. 3. Структура системы управления: ЦСП -
цифровой сигнальный процессор; ЦПУ -центральное процессорное устройство; ШИМ -широтноимпульсный модулятор; АЦП - аналогово-цифровой преобразователь; ДТ - датчик тока; ДН -датчик напряжения
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ ЯКОРЯ МЭГ
С целью проверки работоспособности алгоритма и электронных узлов системы управления был собран макет, имитирующий управление подмагничиванием спинки якоря МЭГ. В качестве МЭГ (рис. 4) был использован маломощный синхронный генератор с постоянными магнитами, установленными на внешнем роторе-корпусе (1). В силу конструкции маломощного МЭГ, обмотка подмагничивания размещена на зубцах якоря (2) аналогично основной обмотке, тем самым регулирование напряжения осуществляется за счёт изменения магнитного сопротивления зубцов якоря. В качестве привода использовался двигатель постоянного тока малой мощности (3). Напряжение питания двигателя Uh=16±2 В, номинальная скорость вращения якоря генератора «=1500 об/мин. Параметры МЭГ: p=2, z=4; частота напряжения на выходе генератора f=100 Гц, обмотка однофазная зубцовая, w=600 вит; обмотка подмагничивания намотана на зубцах статора, Wh=600 вит. Система управления в сборе показана на рис. 5.
Рис. 4. Синхронный генератор и двигатель постоянного тока
Рис. 5. Система управления подмагничиванием спинки якоря в сборе: 1 - блок микропроцессора и дисплей индикации контрольных параметров; 2 - устройство согласования уровней сигналов с датчика напряжения и датчика тока с АЦП; 3 - блок ШИМ контроллера, £С-фильтра и датчика тока; 4 - силовой ключ
В ходе исследований было проведено два эксперимента.
В первом эксперименте исследован статический режим работы, когда обмотка подмагничивания запитывалась от отдельного источника постоянного тока с ручным регулированием при скорости вращения ротора генератора 750±2 об/мин (частота напряжения на выходе генератора у=50±5 Гц). В результате были получены кривые напряжения на выходе генератора (рис. 6-12), зависящие от величины тока подмагничивания, а также установлен максимальный и минимальный ток подмагничивания для синхронного генератора, имитирующего высокооборотный ЭМПЭ.
Рис. 6. Кривая напряжения МЭГ при /п=0,5 А,
ияш=2 В
ж® дт @ т * Ш1ГЛ1 №№№№№ МОга ркп ГЛ. г\ Измерения X ЧасгЪга 51.54 Нг Су. Г..МЗ 2.00У Ср&Й-ЙЗ 0.00У Пик'тПЙ'к 5.28У
..........и \: ДииЯ/ -2.64У макЖ™ 2.64У У '^р-./Д 19.40ГП5 =1^?.= НГн.-.ЛГ.Т 4.380гп 5
~ ж: г» I СШ _/" ООЙУ 1 51 ООООНг ншщя!
Рис. 7. Кривая напряжения МЭГ при 1П =1 А,
Цимз=2 В
кКД Д т И 1 '.О'п1- Ми-Д Измерении X
51.54 Нг 1-ЩЙ
л /\л уъА шЛ
/ \ / / 5ЙЁ' 2
> I / ! / 1 / \ « Ь 'РВУ
\ . 1 \ . / \ / \ ' -2.64У
2.64У
^П^риПЛ
1 9,40гпб
: Бг'йуя нэрасг.
| ...': ...: . : .1 \ ...... 5Л80т5
Ее 200V )| с:н\/ ООО'./ ГI иаонг | моифйц
Рис. 8. Кривая напряжения МЭГ при 1П =1,5 А,
иШ5 =1,92 В
Рис. 9. Кривая напряжения МЭГ при 1п =2 А, иШ5 =1,84 В
Рис. 10. Кривая напряжения МЭГ при 1п =2,5 А, им =1,76 В
В ;Я
ез
011! / О.ООУ
_Измерения X
шшшш 53.1 ЗНг
О/с ЙМ2 _
1.44У
Сиднее
80.0тУ 1 4.64У
мнниг.уг.1
\Л| -2.40У
На
2.24У
Г^рлОЛ_
18.82т5
марасг
7.040гш
\1 Г Мс^фии,
Рис. 11. Кривая напряжения МЭГ при 1п =3,5 А, иШ5 =1,44 В
Я ИИ _1«ГП5_
\У у \
....... /л ,.
ьо
_Измерения X
1 вшшн
55.43Нг
Срудн^ __
0.00 V
Пик-ГК-к
4.48У
Г ' ^_йЩШ/_
л , -2.32V
_ь--.
2.1 ¿V
^Период
18.04ГП5
Ьрог,я ■ ю оэ: т _
7.260ГШ
Ъ { Морфии
Рис. 12. Кривая напряжения МЭГ при 1п =4 А,
иШ5 =1,36 В
Данные эксперимента занесены в табл. 1, на основе которой построена кривая регулировочной характеристики МЭГ (рис. 13).
Таблица 1
Измеренные значения тока подмагничивания и действующего значения напряжения на выходе генератора
1п, А и»М8, В
0,5 2
1 2
1,5 1,92
2 1,84
2,5 1,76
3 1,68
3,5 1,44
4 1,36
2,5 2 1,5
й
5
=>* 1 0,5 0
0,5 1 1,5
2 2,5 'П, А
3 3,5 4
Рис. 13. Регулировочная характеристика при ручном
регулировании тока подмагничивания при п=750±2 об/мин
Во втором эксперименте для проверки работоспособности СУ в режиме автоматического управления стабилизацией тока в обмотке подмагничивания задавались следующие значения токов: 0.05, 0.5, 1, 1.5 и 2 А при скорости вращения ротора генератора 1500 об/мин. Осциллограммы напряжений и токов при переходных процессах (1111) снимались с выходов датчика тока через резистивный делитель с коэффициентом 2 и датчика напряжения, соответствующие значениям тока осциллограммы управляющего ШИМ сигнала снимались с затвора силового транзистора (рис. 14-28).
632В] ят Ы |м: ^ГпУг-О^ тяшгш, но™ Измерения X
п п ЦЩ&З i л ii :1 ,,,,,,.1......,,,,.....,„« ^Зг'гогХ 1053Нг Г;:11$ 4.16У СрС'Д«!!« 80.0тУ
"""■"....... "' i
) и 1 1/1 -У и ^ > и ы 5.20У ПериоЙ 9.440ЛП5 1.740гш
■ '9>Ш АСХУгК } |С 10500Нг 3
Рис. 14. Напряжение на выходе МЭГ Цм5=4Д6 В, при /п=0,05 А
Рис. 15. Осциллограмма тока /п=0,05 А в обмотке подмагничивания
2(711?] ЛТ У | Щ т*
I йЛй<кТ
| СН1 / 4МгпЧ'
30,) Измерения X
Ц-зогогэ
20.00 К Нг 2.1 ¿V
_Ср-г^т'Н__
- ~ Т.бОУ
ГЪ»>Пик
__ч, З.ЗбУ
' Г ' Мига^у^
-80.0глУ
Щйиод _
50.00и 5
кчрнгл
100 0пз
10КН? ) ^ Модафиц :
Рис. 16. Осциллограмма напряжения ШИМ сигнала на затворе силового транзистора 50 % при /п=0,05 А
Рис. 17. Осциллограмма напряжения на выходе МЭГ: ^=3,68 В, при /п=0,5 А
Рис. 18. Осциллограмма ПП установления тока подмагничивания: /п=0,5 А
Рис. 19. Осциллограмма напряжения ШИМ сигнала на затворе силового транзистора 64 % при /п=0,5 А
00Щ А У т 4 OOms ШтШ 1W 4 00 ms
;
"л [ 1 и А / 1 :
/ 1
1 1 ■ n 1
\ 1 \ i и v . \ j
/ ■м V W
-Г-1-
Измерения X
"| Частота_
I 91.91 Нг
[ >Сус РМЭ
! 3.52У
| Среднее_
80 ОтУ
[ Пик-Пик_
I 9.364
I Минимум
I -4.64У
I С>с Р.М5
II 3.52У
1 Период_
I 10.88 [Тс
[ Врег/я нарасг.
2.800тз
| Модифиц
Рис. 23. Осциллограмма напряжения на выходе МЭГ: ивм5=3,2 В при /п=1,5 А
Измерения X
" ..... Частота
?
............RMS
2.9ЙУ
_ Средой
-2.48V
_ПИК-ПИК__
13.5 V
нарэст^
¿.¿90s
Рис. 20. Осциллограмма напряжения на выходе МЭГ: и»мх=3,52 В при /п=1 А
Рис. 24. Осциллограмма ПП установления тока подмагничивания: /п=1,5 А
Рис. 21. Осциллограмма ПП установления тока подмагничивания: /п=1 А
Рис. 22. Осциллограмма напряжения ШИМ сигнала на затворе силового транзистора 79 %, /п=1 А
Рис. 25. Осциллограмма напряжения ШИМ сигнала на затворе силового транзистора 95 % при /п=1,5 А
Рис. 26. Осциллограмма напряжения на выходе МЭГ: и»м5=2,88 В при /п=2 А
Рис. 27. Осциллограмма 1111 установления тока подмагничивания: 1п=2 А
Рис. 28. Осциллограмма напряжения ШИМ сигнала на затворе силового транзистора 100 % при /п=2 А
В результате исследований данные измерения напряжения на выходе генератора в зависимости от регулируемого системой управления тока подмагничивания занесены в табл. 2, и на их основе получена регулировочная характеристика (рис. 29) генератора при скорости вращения «=1500 об/мин.
Исходя из показаний (рис. 16, 19, 22, 25, 28), построена характеристика, отражающая изменение тока подмагничивания от величины управляющего ШИМ сигнала (рис. 30).
Таблица 2
Измеренные значения тока подмагничивания и действующего значения напряжения на выходе генератора
1п, А иш5, В
0 4,16
0,5 3,68
1 3,52
1,5 3,2
2 2,88
Рис. 29. Регулировочная характеристика синхронного генератора с системой управления током подмагничивания при и=1500±2 об/мин
120 100
г? 80
5 60 И
3 40 20 0
0 0,05 0,5 1 1,5 2 'п, А
Рис. 30. Зависимость тока подмагничивания от коэффициента заполнения ШИМ сигнала управления
Работа выполнена в рамках проекта НШ-6858.2016.8
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, на основе современных компонентов силовой аналоговой и цифровой электроники разработана система управления подмагничиванием зубцов якоря МЭГ и произведены экспериментальные исследования, в результате которых получены регулировочные характеристики экспериментальной модели генератора, при стабилизации напряжения МЭГ системой управления подмагничиванием зубцов якоря.
Из результатов экспериментов очевидно, что кривая регулировочной характеристики в статическом режиме (рис. 10) соответствует кривой в режиме работы с системой управления током подмагничивания (рис. 29), масштаб которых обусловлен величиной индуцируемой в обмотке генератора ЭДС, зависящей от скорости вращения ротора генератора.
Кривая изменения тока подмагничивания от величины заполнения ШИМ сигнала управления имеет нелинейную характеристику и определяется насыщением стали магнитопровода, а также рабочей характеристикой самого транзистора.
Выходное напряжение МЭГ требуется фильтровать ввиду высоких гармоник, вызванных искажением магнитного поля.
Система управления работает требуемым алгоритмом управления образом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бертинов А. И. Авиационные электрические генераторы. - 1959 г. 594 с. [A. I. Bertinov Aircraft electrical generators, (in Russian), p. 594, 1959.]
2. Стабилизация напряжения в асинхронных генераторах. [Электронный ресурс]. URL: [http://tel-spb.ru/dizel_generator/stab-capacitor.html#top2 (дата обращения: 05.05.2016). [Stabilization of voltage asynchronous generators. [Online], (in Russian). Avaliable: http://tel-spb.rU/dizel_generator/stab-capacitor.html#top2]
3. Олейников, А. М., Шоцкий А. Н. Управление напряжением автономного синхронного генератора. Вкник СевНТУ № 119, - 2011. стр.: 112-117. [A. M. Oleyniko, A. N. Shotsky. Autonomous synchronous generator voltage management. Vestnik SevSTU, no. 119, pp. 112-117, 2011.]
4. SU № 1536483, H02K21/12. Синхронная электрическая машина. Патент РФ, дата публикации: 15.01.1990. [The synchronous electric machine. Russian patent, publication date: 15.01.1990.]
5. RU 2159983, H02K21/24, H02K9/04. Стабилизированный синхронный генератор. Патент РФ 14.12.1996. [Stable synchronous generator. Russian patent, publication date: 14.12.1996.]
6. Гаранин А. Ю., Пьянов М. А. Автомобильный генератор с повышенным КПД. Материалы международного научного симпозиума «Автотракторостроение - 2009». // МГТУ «МАМИ». - 2009 г. стр. 12-17. [A. Y. Garanin, M. A. Pyanov. Road generator with high efficiency. Proceedings of the International Scientific Symposium "Autotracto structure - 2009", (in Russian). Moscow government technical university (MGTU), pp. 12-17, 2009.]
7. Харитонов С. А., Коробков Д. В., Макаров Д. В., Гарганеев А. Г. Стабилизация напряжения синхронного генератора с постоянными магнитами при переменной нагрузке. Доклады ТУСУРа, № 1 (25), часть 1, -2012 г.-стр.: 139-146. [S. A. Kharitonov, D. V. Korobov, D. V. Makarov, A. G. Garganeev. Voltage stabilization of synchronous generator with permanent magnets with variable load, (in Russian), TUSUR reports vol. 1, no. 1 (25), pp. 139-146, 2012.]
8. Бут Д. А. Бесконтактные электрические машины: Учеб. Пособие для электромех. и электроэнерг. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1990. - 416 с. [D. A. Boot. Contactless electrical machines: a manual for electromechanical and power specialties universities, (in Russian). Moscow: High school, 146 p., 1990.]
9. Грузков С. А., Останин С. Ю., Сугробов А. М., Токарев А. Б., Тыричев П. А. Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. Том 1. Системы электроснабжения летательных аппаратов. - М.: Издательство МЭИ, 2005. - 568 с. [S. A. Gruzkov, S. Y. Ostanin, A. M. Sugrobov, A. B. Tokarev, P. A. Tyrichev. Electric aircrafts: a textbook for high schools. Electric power supply systems of aircraft, (in Russian). Moscow: Moscow Energy Institute, vol. 1, 568 p., 2005.]
10. Денисенко В. ПИД регуляторы: принципы построения и модификации. [Электронный ресурс]. URL: http://www.cta.rU/cms/f/352167.pdf (дата обращения: 05.05.2016). [V. Denisenko. PID controllers: principles of construction and modification. [Online], (in Russian). Avaliable: http://www.cta.ru/cms/f/352167.pdf]
11. Усынин Ю. С. Теория автоматического управления. / Учебное пособие для вузов по специальности 140604 "Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов". // Южно-Уральский гос. ун-т, - 2010 г. - 174 стр. [Yu. S. Usynin. The theory of automatic control. Textbook for high schools in the specialty 140604 "Power and automation of industrial installations and technological complexes", (in Russian), South Ural Government University, 174 p., 2010.]
ОБ АВТОРАХ
ГАЙСИН Роман Альбертович, аспирант каф. электромеханики. Диплом электромеханик (УГАТУ, 2012). Готовит дисс. об электротехническом комплексе на основе высокооборотного высоковольтного электромагнитного преобразователя энергии.
КАРИМОВ Руслан Динарович, аспирант каф. электромеханики. Диплом электромеханик (УГАТУ, 2012). Готовит дисс. об электротехническом комплексе для намагничивания высококоэрцетивных постоянных магнитов.
METADATA
Title: The research of the method for controlling a single-phase
voltage MEG by stator magnetic bias. Authors: R. A. Gaysin1, H. D. Karimov2 Affiliation:
1-2 Ufa State Aviation Technical University (UGATU), Russia. Email: 1roma-cezar@rambler.ru, 2ruslan-k88@yandex.ru Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 20, no. 1 (71), pp. 128-135, 2016. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print). Abstract: The paper studied the method of the magnetoelectric generator voltage regulation using the bias of the armature teeth. The algorithm of the current control bias. Also produced the study of operating modes of the magnetization of the teeth of the armature of the generator control system. Obtained control characteristics, curves of current and voltage. Key words: autonomous power supply system facilities; magneto generator; magnetization; high-coercivity permanent magnets; high voltage generator. About authors:
GAYSIN, Roman Albertovich, Postgrad. (PhD) Student, Dept. of Electromechanics. Master of Engeneering (UGATU, 2012).
KARIMOV, Ruslan Dinarovich, Postgrad. (PhD) Student, Dept. of Electromechanics. Master of Engeneering (UGATU, 2012).
