Многополюсный генератор ударной мощности как накопитель и источник энергии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

1968

(

Том 190

МНОГОПОЛЮСНЫЙ ГЕНЕРАТОР УДАРНОЙ МОЩНОСТИ КАК НАКОПИТЕЛЬ И ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

\

В. Ф. КУЛАКОВ, Г. А. СИПАИЛОВ

|( Представлена маучнььм семинаром 'кафедр электрических машин

и общей электротехники)

¡Необходимость создания ударных генераторов -большой единичной мощности определяется растущими потребностями современной науки и техники, с одной стороны, и экономическими преимуществами крупных машин, <с другой.

В отличие от обычнььх машин увеличение мощности ударных 'генераторов не может быть достигнуто шутем повышения линейной нагрузки, а лишь за счет увеличения объема машины и некоторого 'повышения ¡магнитной индукции лри возможно малом сверхпереходном индуктивном сопротивлении.

Ограниченные ¡по условиям механической ¡прочности размеры ротора двухполюсного ударного генератора, широко растр остр аненн ого в настоящее время, не позволяют создать машину достаточно большой ударной мощности. Реальная возможность укрупнения мощности ударных генераторов заключается в переходе к многополюсному исполнению машин.

Для доказательства такой -возможности выразим ударную мощность, однофазного генератора Рудь под которой понимается произведение ¡максимального значения ударного тока с учетом его апериодической составляющей 1уд на амплитудное значение э.д.с. Ет через геометрические соотношения и (параметры [1]

г, _ 2Е"т• к3"к"ф ,..

руд1 ~ --— , \1)

d

где

к3 — [коэффициент затухания амплитуды ударного тока;

Еж

Кф = _£ — коэффициент форсирован.

Ещ

Ет = -|-К{В5т1, (2)

где ■ I

Г — частота;

В б — индукция в воздушном зазоре;

1 — активная дайна;

— коэффициент формы поля.

В однофазны« машинах принимают число пазов статора, заполненных обмоткой, равным 2/з от полного числа пазов ъ. Тогда число пазов

на полюс и фазу я — и ХУ^ = рц.

Выражая полюсное деление т -через окружную скорость ротора Уокр и частоту I

= Уокр

~2Г '

I

заменяя 1 = - у<>кР

получим при среднем значении обмоточного коэффициента к^=0,82

Ет = 0,82чВ^кР'р, (3)

Сьерхпереходное индуктивное сопротивление

СхаеЗ хзв х д )

здесь Хзь х8в,'х8Д — индуктивные сопротивления рассеяния обмоток статора, возбуждения и демпферной;

ха(1—индуктивное сопротивление реакции якоря. Основную долю сверхпереходного сопротивления составляет сопротивление рассеяния обмотки статора. ¡Как -показывают расчеты и эксперименты, 'проведанные на модели явнойолюсшжо ударного генератора, величина сверхпереходного сопротивления х^а. в явнополюсной машине-с демпферной обмоткой может составлять 1,28->1,35 х81, что несколько выше, чем ,в генераторе неявнополюаного типа из-за большого рассеяния контуров явнополюсного ротора.

Индуктивное сопротивление рассеяния статора найдем но обычной формуле

х81 = ' (5)

'Проводимость рассеяния 2Я = ЯП + Хл + Яз. Проводимость пазового рассеяния

где

кп учитывает, насыщение зубца.

Полная 'высота паза Ьп включает в себя высоту клина Ьк, которая определяется требованием ¡безопасности обмотки -и составляет величину порядка 2 см, двойную высоту изоляции Ьи, определяемую напряжением генератора и высоту 1меди обмотки статора Ьь

Ьп = + Ьк + 2Ьи. (7)

Учитывая это, пазовую проводимость можно представить в следующем виде:

1 . Ьи

3^

^п — I О К1 ---оТ1- кн> (8)

I де и — зубцовый шаг 350

Проводимость лобового рассеяния

Хл = (0,471лср - 0,3т) .-9- к9, (9)

к3 — коэффициент, учитывающий экранирующее действие бандажей. Поскольку яри однофазной концентрической обмотке средняя длима лобовых частей 1Лср~ 1,2т, то

='0,26-рякэ. (Ю)

Проводимость (дифференциального рассеяния в явнополюеных машинах

о7

^ - С-—^7 = „ , ^ е., , .00

ьп ,+ 0,8а Й! + 0,85' '

где б7 — приведенный воздушный зазор.

«Коэффициент затухания амплитуды ударного тока к3 обусловлен в основном двумя -постоянными времени,—'постоянной затухания сверхпереходного процесса Т"<1, определяемой соотношением рассеяния и активными сопротивлениями контуров ротора и апериодической составляющей Та, затухание которой зависит от активного и индивидуального сопротивления рассеяния обмотки статора

"__1_ •

* , 2Ш" ' , 0 21'Та

1 + е + 2е __п9)

кз ~~---------4-=--\и>

Чтобы уменьшить затухание сверхпереходной составляющей ударного тока, постоянная времени которой

г = Двдтвтд (13)

Тв + Тд

следует иметь значения постоянных времени контуров возбуждения Тв и демпферного Тд по возможности близкими, т. е. увеличивать сечение меди демпферной обмотки до величины, близкой к сечению меди обмотки возбуждения.

■Постоянная времени апериодического процесса

где активное сопротивление обмотки статора 1

1.И. ^(т + 'л)

Г, = р^^-^^-£ , (15)

где р — удельное сопротивление,

^ = 2(1 + 1лср) = — средняя длина витка.

Сечение меди э^к^/кзап.

к3ап — коэффициент заполнения паза медью, являющейся сложной функцией от размеров паза и напряжения (генератора. Следует принять во внимание, что индукция в зубцах статора Вг1 и, следовательно, индукция в воздушном зазоре "В 5= 1^(1—|) может быть увеличена при понижении частоты Г генератора. Это обстоятельство оправдано еще

351

тем, что высота зубцов в ударном генераторе невелика и намагничивающий ток увеличится незначительно. Насыщение зубцов снижает индуктивное сопротивление рассеяния генератора, повышая тем самым его мощность.

Выражение ударной мощности после подстановки (3), (5) в (1)

Руд, = 0,17-10" В^'окр^кД'ф р. ^ (16)

• К 1

здесь к = - = 1,28 -- 1,35 ,в зависимости от рассеяния контуров xSi

ротора;

Во = Bzt(l - S)

к3 и 2 Л, -находятся по (6), (7), <(8), (9).

Из уравнения (12) видно, что при прочих равных параметрах мощность ударного генератора линейно возрастает с увеличением числа пар полюсов р. ' • ё

Можно показать, что плотность .'кинетической энергии вращающегося ротора qco также определяется окружной скоростью

2 т

q»= —-- -rv2ofcp; О7)

vp 4

здесь

Vp — объем ротора, "

у —средняя плотность материала ротора.

Для того, чтобы улучшить энергетические и весовые показатели ударного генератора как накопителя, следует, ;по возможности, повышать окружную скорость. Однако вследствие особенностей конструкции мнагополюсных машин окружная скорость ротора может (быть принята lo условиям механической прочности не более 160 м/сек в явнополюс-ных генераторах с дисковым ободом ,и около 120 м/сек при сегментированном ободе.

Характер изменения ударной мощности на inapy полюсов в зависимости от величины окружной скорости v0Kp и относительной длины мачт

шины р = показан на рис. 1.

*

Оптимальные соотношения размеров, в частности оптимальная геометрия зубцовой збны статора, находятся из условия максимума ударной 'мощности (уравнение 16) в зависимости от рходящлх в него параметров.

Выводы относительно оптимальной геометрии зубцовой зоны статора явнополюсного ударного генератора, в общем, сходны с рекомендациями по премированию неявнополюсного ударного генератора [2].

Однако относительная глубина паза Ki = -—-имеет несколько большее

п

значение, порядка 2,6—3,3.

Кроме того, если нет специальных требований к напряжению генератора, рекомендуется .выбирать обмотку с меньшим числам пазов на полюс и фазу и зубцовый шаг ti порядка 8—10 см.

При условии постоянства .индукции в зубцах статора ударная мощность сравнительно мало зависит от относительной ширины паза

Л= и 'В пределах изменения ее от 0,3 до 0,38 может считаться on rati

мальной. В качестве примера на рис. 2 построены кривые, иллюстри-352

У

Рис. 1. Изменение ударной мощности на пару полюсов в зависимости от окружной скорости ротора

рии зубцовой зоны статора

рующие зависимость ударной мощности на ¡пару 'полюсов для восьми-полюсного р = 4 ударного генератора, окружная скорость поверхности ротора которого Уокр^ 160 м/сек, от параметров к, и Частота э.д.с. генератора Г = 50 <щ, индукция в зубцах статора В21=1,8 тл, р = 0,2.

тг » Ьп

Кривые построены для оптимальных значении К1 = -г— , в случае,

Оп

если это отношение отклоняется в большую,или -меньшую -сторону, мощность падает (пунктирные кривые).

Ударная мощность восьмилолюсного ударного генератора ¡при удачных соотношениях параметров составляет, таким образом,

'Руд1 = р-Рудр = 4-6,8-103 = 2,7,2- 103Мва,

и энергия, которую генератор может передать в индуктивную согласованную нагрузку (xH = x"d) за один период э. д. е.,

h^L = 21,6 Мдж.

т" (1)

В случае применения специальных схем [3, 4], в частности «при совместной работе с конденсаторной батареей, величина энергии, отдаваемой 'генератором, ¡может быть увеличена еще в 12—3 раза.

'Весьма заманчиво использование многополюсньъх ударных генераторов в качестве источников энергии со временем ее передачи порядка 0,04—0,1 сек. В этом случае генератор выполняется на пониженную частоту э.д.с., например, 25, 1б2/3, 12,5 и т. д. гц, тогда при равном диаметре расточки статора D (VoKp—const) и длине 1 и уменьшении числа п£ф полюсов в сравнении с машйной на 50 mц в 2, 3 и более раз величина передаваемой энергии соответственно увеличивается в 2, 3 и т. д. ргз. iB частности, восьмиполюсный генератор, который показан в примере, будучи выполнен с р = 2 при длительности импульса ударного тока около 0,04 сек., сможет передать в индуктивную нагрузку более 40 Мдж. Эта энергия может быть увеличена как за счет схемных решений [3,4], так и за счет дальнейшего уменьшения частоты многополюсных генераторов.

ЛИТЕРАТУРА

1. И. М. Постников. Получение максимальных величин электрокинетической энергии. Труды Л ПИ, № 2, 1937.

2. Г. А. Сипай лов, К. А. Хорьков. К выбору основных размеров ударного генератора. Известия ТПИ, 1964, т. 132.

3. В. В. Ивашин, Г. А. Сипай лов. Способ накопления энергии от ударного генератора. Авторское свидетельство № 173823, Бюллетень изобретений, № 16, 1965.

4. Г. А. Си пай л о в, В. В. Ивашин, К. А. Хорьков, А. В. Л о ос. Получение больших электромагнитных энергий при совместной работе ударного генератора и конденсаторной батареи. «Электричество», 1967, № 8.