CC BY
103
Шапиро С.В. Shapiro S. V.
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Физика» Уфимского государственного университета экономики и сервиса, Россия, г. Уфа
Исмагилов Ф.Р. Ismagilov F.R.
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электромеханика» Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа
Терегулов Т.Р.
Teregulov T.R.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Электромеханика» Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа
I .
№
Полихач Е.А. Polihach E.A.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Электромеханика» Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа
Кузнецов А.Ю. Kuznetsov A. Yu.
студент Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа
УДК 621.313
КАСКАДНЫЙ БЕСКОНТАКТНЫЙ ЧЕТЫРЕХСТУПЕНЧАТЫЙ ГЕНЕРАТОР
В статье приводятся описание, принцип действия и результаты теоретического и экспериментального исследования синхронно-асинхронного каскадного генератора. Результаты испытания опытной установки, состоящей из четырех шестиполюсных агрегатов, один из которых использовался как обращенный неявнополюсный синхронный генератор, подтвердили работоспособность такого каскада и позволили уточнить ряд зависимостей, необходимых при проектировании. Эти зависимости подтверждены исследованием многоступенчатой схемы замещения. Показано, что использование конденсаторов, компенсирующих реактивную мощность на выходе второй и четвертой ступени, необходимо для получения номинальной мощности на выходе каскада. При этом к.п.д. генератора равняется 75,5%.
Ключевые слова: трехфазный генератор переменного тока, синхронно-асинхронный каскад.
CASCADE uNCoNTAKTED FouR-STEPGENERAToR
Theprincipleofaction, the arrangement and the theoreticaland experience investigations of the cascade synchronous-induction generator are giving. Theresultatesofinvestigationofexperimental plant what content
from the four sixpolusesagregates, one of what was taked as inversed synchronous generator allow the real works this cascade and give some news dates for the calculate. Itisallowedbyinvestigationsthereplacementsch eme.It is shown that the use of capacitors to compensate the reactive power at the output of the second and the fourth stage, it is necessary to obtain the rated power output stage. This efficiency generator is equal to 75,5%.
Key words: three-faze alternating current generator;cascade synchronous-induction generator.
В [1, 2] была обоснована экономическая целе- любые скользящие контакты, нет необходимости в
сообразность замены многополюсных тихоходных возбудителе (вспомогательном генераторе постоян-
синхронных генераторов синхронно-асинхронным ного тока).
каскадом. Суть этого обоснования сводилась к сле- С целью экспериментально-теоретического
дующему. Расход активных материалов (обмоточ- изучения работы синхронно-асинхронного каска-
ного провода и электротехнической стали) и потери да в научно-исследовательской лаборатории кафе-
у обоих типов генераторов практически одинаковы, дры электромеханики Уфимского государственного
однако у каскада значительно меньше расход кон- авиационного технического университета был со-
струкционных материалов, более удобная транс- бран действующий макет. На рис. 1 дана фотогра-
портабельность и технологичность, отсутствуют фия этого макета.
Рис. 1. Фотография действующего макета синхронно-асинхронного каскадного генератора с приводом в виде двигателя постоянного тока
Он состоит из четырех серийных асинхронных крановых двигателей с фазным ротором DMTF-011-641 1Р44 со следующими номинальными данными:
- мощность - 1,4 кВт при повторно-кратковременном режиме работы S3 - 40%;
- напряжение питания 380/220 В трехфазное от сети 50 Гц;
- угловая скорость ротора - 880 об/мин.;
- номинальные данные ротора ир = 118 В; 1р= 9,0 А. Обмотка ротора соединена трехфазной звездой, концы которой выведены на контактные кольца.
Валы роторов всех четырех машин соединены стандартными муфтами и приводятся во вращение серийным двигателем постоянного тока с параллельным возбуждением П-42. Его номинальные данные следующие:
- мощность - 8 кВт;
- ток якоря - 43 А;
- число оборотов 3000 об/мин.
Номинальные данные асинхронных двигателей
позволяют заключить, что они имеют 2р = 6 полюсов и рассчитаны на длительную (не повторно-кратковременную) мощность 600 Вт.
Двигатель П-42 позволяет путем снижения напряжения якоря регулировать число оборотов в минуту до нескольких десятков. Правда, при этом существенно уменьшается его к.п.д., так как основные потери в нем - потери в якорной обмотке - при номинальном токе не меняются.
Сопротивление обмотки якоря, включая щеточные контакты, измеренные обычным тестером, составляет 0,7 Ом. Поскольку с ростом тока доля потерь в щеточных контактах уменьшается [4], можно заключить, что при номинальном токе 43 А потери в якорной цепи двигателя равны:
АР = 0,81 2 Р = 0,8-432-0,7 = 1040 Вт.
яд ^ я я ^ 7
На рис. 2 дана схема соединения статорных и роторных цепей всех четырех асинхронных агрегатов и приводного двигателя постоянного тока. У агрегата 1 две фазные статорные обмотки w соеди-
нены последовательно и на них подано постоянное д _ РЦ _ 71
напряжение подмагничивания. Обмотка третьей 60 20
фазы не подключена. В результате при вращении При п = 250 об/мин частота/;= 12,5 Гц. ротора со скоростью п в его обмотке W1 наводится ЭДС с частотой/ равной
Рис. 2. Схема соединения экспериментального каскадного генератора
Роторная обмотка wp1 питает роторную обмот-
ку генератора 2-wp2, последовательность фаз кото-
рой противоположна чередованию фаз обмотки w
р1
Поэтому трехфазный ток обмотки w22 создает магнитное поле, вращающееся в ту же сторону, что и сам ротор, и с той же скоростью. В результате относительно неподвижного статора агрегата 2 поле вращается со скоростью 2п и наводит в его обмотке wc2 ЭДС с частотой/2 = 2/. При п = 250 об/мин. /2 = 25 Гц.
В свою очередь обмотка wc2 питает статорную обмотку агрегата 3-wcr Последовательность фаз этой обмотки также противоположна последовательности фаз обмотки wc2. Следовательно, магнитное поле, создаваемое током обмотки wc3 вращается со скоростью 2п в сторону, противоположную вращению ротора агрегата 3. В результате в обмотке
этого ротора w^ наводится ЭДС с частотой
f = 3^- = — 73 60 20
Зп
60/3 „ 7Ь = -1— = 372
* V
(3)
Следовательно, в обмотке статора агрегата 4 наводится ЭДС с частотой / = / = 4/. При п = 250 об/мин. частота / = 50 Гц.
Вместе с ростом частоты от ступени к ступени возрастает выходная мощность каждого агрегата в соответствии с известной формулой асинхронной машины [3]:
Р = Р s, (4)
р эм ' 47
где Рэм - электромагнитная мощность, передаваемая от статора к ротору; Рр - мощность, теряемая в цепи ротора; s - скольжение ротора (отношение его скорости вращения к скорости вращения магнитного поля, создаваемого током статора), получаем следующую формулу:
(5)
(2)
При п = 250 об/мин. частота / = 37,5 Гц.
И наконец, эта ЭДС создает в обмотке ротора агрегата 4^ трехфазный ток, который, будучи все также соединен со встречным чередованием фаз по отношению к wр3, создает магнитное поле, вращающееся в ту же сторону, что и ротор. Скорость вращения этого магнитного поля равна:
где Р= Рэм+ АРс - мощность, подводимая к ста-торной обмотке, АРс - потери в статорной обмотке и в стали сердечника статора. Если пренебречь в первом приближении потерями АРс, мы и получим формулу (5), так как s = ///..
В нашем каскаде ротор и статор каждого агрегата поочередно меняются местами, поэтому более правильно говорить о первичной и вторичной обмотках, но суть от этого не меняется - выходная мощность каждой ступени возрастает пропорционально частоте.
Проведенные испытания показали существенную зависимость выходного напряжения (а, следо-
вательно, и мощности) от внутренних сопротивлений синхронного и асинхронных агрегатов каскада. При этом главную роль играют индуктивные составляющие рассеяния обмоток, реакция якоря синхронного генератора и сопротивления взаимной
индуктивности асинхронных преобразователей.
На рис. 3 изображена схема замещения каскада, приведенная к выходной (статорной обмотке) 4-го агрегата.
Рис. 3. Схема замещения каскадного синхронно-асинхронного генератора
На этой схеме - комплекс ЭДС, наводимой в обмотке ротора 1-го агрегата, приведенный к статорной обмотке 4 агрегата; - индуктивное сопротивление реакции якоря 1 агрегата, также приведенное к шс4, ¿р2, гс2, г'с3, гр3, - приведенные сопротивления роторных и статорных обмоток 1, 2, 3 и 4-го агрегатов, ¿2, ¿3 - приведенные (к обмотке wс4) сопротивления взаимоиндукции второго и третьего агрегата, гс4 и 2а - сопротивления обмотки wс4 и взаимоиндукции 4-го агрегата.
Приведение сопротивлений одних обмоток (w¡^■w2) другим осуществляется по стандартной методике [4]:
^2^2/2, (6)
где k и k - обмоточные коэффициенты соответствующих обмоток, определяемые как произведение их коэффициентов укорочения, распределения и скоса [4].
Опуская промежуточные выкладки, можно записать:
_! _ _/ I я
Хя1=Ухм; 2р1=2р2=Ухр
_/ _/ _/ _/
2с2 = 2сЗ =7хс + 22 = 2Ъ = 24 =7хм5
_Г /
2рЗ= 2р4 =Ухр+ гр 2с4=7хс+ гс5
=//А; =///2; 53=///3
,
при частоте 50 Гц wс; хр - приведенное к статорной обмотке индуктивное сопротивление рассеяния роторной обмотки; гс - активное сопротивление статорной обмотки; z¡¡ - приведенное к статорной активное сопротивление роторной обмотки.
Для нашего агрегата s1 = 4; s2 = 2; s3 = 4/3.
При записи системы (7) были опущены некоторые слагаемые, обусловленные потерями в стали при частотах 12,5 Гц, 25 Гц и 37,5 Гц (они существенно меньше, нежели при частоте 50 Гц, но даже при этой стандартной частоте ими в схемах замещения асинхронных машин пренебрегают [3, 4]), и добавочными потерями, так как они на порядок меньше указанных на рис. 3 сопротивлений.
Схему рис. 3 путем обычных приемов преобразования цепей можно привести к схеме рис. 4а. Как видим, выходное напряжение каскадного генератора в следствие размагничивающей реакции якоря равно
ин = Ел
1хм
- = Е[/3.
и;
(7)
где хм - индуктивное сопротивление взаимоиндукции статорной обмотки асинхронного агрегата, равное:
хм=(йи/?к1с-, (8)
'с
(Ф - магнитный поток в зазоре асинхронной машины, I - действующее значение тока статора); хс - индуктивное сопротивление рассеяния обмотки
^ Лхм+0,5хм
Учитывая это обстоятельство, при расчете каскадного генератора у его первой ступени - синхронного агрегата - нужно обмотку возбуждения рассчитывать в три раза больше стандартной [5].
Правда, как показали экспериментальные исследования, вместо этого можно к статорной обмотке второй ступени подключить компенсирующий конденсатор хс1 (рис. 4б), сопротивление которого при частоте f должно быть равно
х= 0,5 х . (9)
с1 ' м К '
Учитывая, что величина х у шестиполюсной
м
асинхронной машины равна 2^н - номинальное сопротивление одной фазы ее нагрузки), нетрудно заключить, что реактивная мощность конденсатора х, должна составлять 1,25 Р , т. е. на 25% больше
Рис. 4. Приведенная схема замещения каскадного генератора (а), то же с компенсирующими конденсаторами (б)
номинальной мощности каскада.
Для компенсации падений напряжения на индуктивных сопротивлениях рассеяния всех трех асинхронных ступеней каскадного генератора на его выходе была включена еще одна батарея из соединенных треугольником конденсаторов хс2.
В качестве батареи хс1 были включены три конденсатора К-78-17 60 мкф, 450 В; а хс2 - три конденсатора К-78-17 10 мкф, 630 В. Масса обеих батарей составляла 1,5 кг, что во много раз меньше массы всех четырех асинхронных агрегатов - 4 х 56,5 кг = 226 кг.
Точно так же они не сопоставимы по стоимости - 1500 руб. за все конденсаторы и около 100 тыс. рублей за агрегаты. В результате удалось получить мощность каскада 400 Вт (У= 230 В; I= 1А).
При этом двигатель потреблял при напряжении 37 В и токе 44 А мощность 1628 Вт, потери в его обмотке якоря составляли около 1100 Вт. Следовательно, на валу двигателя мощность равнялась 530 Вт и к.п.д. каскадного генератора равнялся: 400
Т1= 1^X100% = 75,5% .
Выводы
Проведенные в научно-исследовательской лаборатории кафедры электромеханики УГАТУ испытания позволяют сделать следующие выводы.
Каскадный синхронно-асинхронный бесконтактный генератор может быть использован в качестве тихоходного источника электроэнергии взамен многополюсных синхронных машин.
При проектировании каскада следует его первую ступень - синхронный генератор - выполнить явнополюсным для уменьшения индуктивного сопротивления реакции якоря.
Обмотку возбуждения синхронного генератора следует спроектировать с учетом размагничивающего действия продольной реакции якоря примерно в 2-3 раза больше, чем у стандартных машин соответствующей мощности.
В каскадном генераторе целесообразно применить поперечную емкостную компенсацию после второй ступени и на выходе.
Реактивная мощность первой указанной батареи должна составлять 1,25 мощности генератора, а второй - 0,2 указанной мощности.
Обмотку статора второй ступени каскада следует рассчитывать на напряжение, соответствующее номинальному напряжению стандартных конденсаторов.
Список литературы
1. Шапиро С.В. Каскадный синхронно-асинхронный генератор [Текст] / С.В. Шапиро,
B.А. Кулинич // Электротехника. - № 1. - 2002 г. -
C. 25-28.
2. Патент № 17363 Российская Федерация, МПК7 G01B13/00 Синхронный тихоходный генератор [Текст] / С.В. Шапиро, В.А. Кулинич.; заявитель и патентообладатель Уфимский технологический институт сервиса (RU). - № 2000118870/20; заявл. 17.07.2000; опубл. 27.03.01.
3. Копылов И.П. Электрические машины [Текст] / И.П. Копылов. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 360 с.
4. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. В 2-х т. Том 1. Учебник для вузов [Текст] / А.В. Иванов-Смоленский; 2-е изд. перераб. и доп. -М.: Изд-во МЭИ, 2004. - 652 с.
5. Гольдберг О.Д. Проектирование электрических машин [Текст] / О.Д. Гольдберг, И.С. Свири-денко. - М.: Высшая школа, 2006 г. - 431 с.
