CC BY
14
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
О ФОРСИРОВКЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ УДАРНОГО ГЕНЕРАТОРА
Г. А. СИПАИЛОВ, А. И. ВЕРХОТУРОВ
(Представлена научным семинаром кафедр электрических машин и общей электротехники)
Форсировка возбуждения находит широкое применение как в синхронных машинах нормального исполнения для повышения устойчивости параллельной работы, особенно при аварийных режимах, так и в специальных электрических машинах, в частности, в генераторах разрывной мощности для поддержания напряжения при коротком замыкании, длительность которого составляет примерно 10—20 периодов э.д.с. В генераторах ударной мощности, рабочий процесс которых длится около одного периода э.д.с.. не имеет смысла осуществлять форси-ровку подобного рода, так как при наличии мощной демпферной обмотки на роторе практически не удается повлиять на величину напряжения за столь короткий промежуток времени.
При работе генератора ударной мощности в режиме, когда длительность пауз между одиночными импульсами тока превосходит суммарную постоянную времени обмоток ротора, становится целесообразным прерывистое возбуждение с форсированным нарастанием магнитного потока до требуемой величины леред каждым включением генератора. При этом, исходя из условия допустимой тепловой нагрузки ротора, э.д.с. генератора может достигать значительно больших величин по сравнению с тем случаем, когда возбуждение осуществляется непрерывно.
Мощность ударного генератора в максимальных киловольтампе-рах Рт 1может быть (вьцражена через номинальную габаритную мощность Р:Н [1].
_ 4кф2 • к3* р
*т — ---*н *
Х(1
где Кф — коэффициент фороиравки напряжения,
>к3 — коэффициент затухания тока статора,
х"а — оверхпереходаое мндуктивдое сопротивление в относительных единицах.
При прерывистом форсированном возбуждении можно получить коэффициент (Кф равньцм 1,2 и более, ¡что 'позволяет увеличить максимальную мощность ударного генератора примерно в 1,5 раза. При этом увеличение мощности происходит как за счет повышения напряжения, так и в некоторой степени за счет уменьшения сверхпереходного индуктивного сопротивления из-за насыщения магнитной цепи.
Ударные генераторы имеют более высокие потери холостого хода по сравнению с турбогенераторами такой же габаритной мощности. Зто обусловлено большей насыщенностью участков магнитной цепи
¿2 М23 ¿3
ударных генераторов, а также и тем, что из-за уменьшенного воздушного зазора большой удельный вес приобретают добавочные потери. Основную часть потерь холостого хода ударного генератора составляют потери в стали, которые при непрерывном, а также и при прерывистом возбуждении без форсировки превышают в 5—8 и более раз потери .з меди обмотки 'возбуждения.
Применение форсировки при прерывистом возбуждении оказывает существенное влияние как на величину, так и на распределение потерь
в меди и стали. Чтобы определить коэффициент форсировки возбуждения к, при котором для заданной частоты повторения импульсов потери будут минимальными, необходимо установить связь между ними ,и исследовать влияние форсировки на величину потерь в меди и стали.
Для установления указанных зависимостей рассмотрим переходный процесс включения обмотки возбуждения ударного генератора (рис. 1) на постоянное напряжение
¿Л
¿2
¿3
гз
Рис. 1. Схема обмоток ротора у1да|рного генератора.
и«
О
¡2 • Г2 + и
¡3 • Гз + Ьз
61
й1ш
(11
+ м
+ м
йь.
23
28
<И
сН2
<п
(2)
где г2, Гз,
¿2 и
параметры обмотки возбуждения, параметры демпферной обмотки, М23—взаимоиндуктивность обмоток ротора. Решая систему уравнений (2), находим выражения для токов:
"а.
г2
+
и2
ЬЬ.
1 +
Р2
)еР11 —
1 +
1Рл
л
От
1Ь М
23
ЬЬ9 Ь<
(е
еР24),
(3)
(4)
где 82 = • а г3
83 = V
г2
и
о = 1 —!К2
кс
Ры
23
Уи-и
— коэффициент затухания обмотки возбуждения,
— коэффициент затухания демпферного контура, коэффициент рассеяния контуров,
— коэффициент связи,
(°2 + ®з) —Ь] — корни характеристического уравне-
и
ния,
Ь - V {(>2— 6зТ2 + 4кс262б3
Поток, создающий напряжение на обмотке статора генератора, пропорционален сумме токов ¡2 'И ¡з и ¡коэффициенту взаимоиндукции между роторной и статарной обмотками М12:
I
1
[0+
ДР1 -
Оо
]
В общем виде уравнение (5) невозможно решить относительно времени, однако, оно существенно упрощается, если допустить, что коэффициент рассеяния обмоток равен нулю:
Ф = (б)
где 1 / ч
^ + °з V уии /
Т = Т2 + Т3 — суммарная постоянная времени контуров ротора.
Если без форсировки возбуждения поток нарастает до номинального значения за время 1, то при форсировке в к раз поток 'нарастает до такого же ¡знаечния за более короткое время 1ь Отсюда отношение потоков равно:
к\ 1 — Ае )
—^-(7)
1 - Ае т
Можно считать, что без форсировки возбуждения поток достигает установившегося значения за время 1;=оо. Тогда, используя (7), получим
кА
Ъ = Т1П ¡—¡- . (8)
Выражение (8) имеет смысл только для к>1. Потери в стали ударного генератора при постоянной частоте пропорциональны квадрату потока. Тогда потери ¡энергии в стали генератора за время и при фор-сировке ¡и соответственно за время I (без форсировки) можно представить:
__^ _ 21
дС1 = — 2Ае Т + А2е Т ^ <Н, (9)
о
I ____21
Ос = И ^ ^ Т + А'"е Т ) (Ю)
о
где N—величина, зависящая от материала, степени насыщения и частоты.
1 _ Осу
Обозначим кфс — —тогда после интегрирования (9) и (10) к2к+Ат[2е Т - 0,5 А (еТ — 1 — з!}
кфс - -^-^т;-Л:-'--00
1 + Ат[2е Т~0,5А[е Т — 1) — 2 ]
Считая, что переходный процесс заканчивается за время 1 = и подставляя в (11) значение 1, из (8) получим
к - 1 +0,0498 А кА
1 п
2е
К —I +0,0498 А кА
фс
0,5А е
21п
3 + А (0,5А - 1,9)
к—1 : 0,0498 А \
] -1)-2
к А
3 +А(0,5А - 1,9)
Обозначив по аналогии с ¡предыдущим через КфМВ отношение энергии потерь в меди обмотки возбуждения при форсировке (^)мГ*1 к энергии без форсирован ,мв> получим
ВТ [2 (е Т-1)-0,5В
к
кф
■К
21,
мв
1 + ВТ
N
в
21,
(13)
1) - 0,5В Т2
т
- 1
Аналогично для демпферной обмотки
фмд
-1
Значение А из выражения (6) можно принять г2
* _ л
т. к. _ /, . " — °2 и, принимая во внимание, что е1пк = х
(14)
равным единице, соотноше-
ние энергии потерь в стали (12), в меди обмотки возбуждения (13) и в меди демпферной обмотки (14) запишется в таком виде:
к - 0,95
кф<
0
,625 (
к- 1п
В[В(0,95к - 0,45) - 1,9к] — к21п
+0,95 к + 0,45 к - 0,95
)
05)
кф!
(16) (17)
3 + В (0,5,В — 1,9) кфмд к = 0,9
Результаты расчета влияния форсировки возбуждения на величину энергии потерь в стали и меди представлены на рис. 2 и рис. 3. Кроме того на рис. 3 показано влияние параметров демпферной обмотки на характер распределения медных потерь в зависимости от коэффициента форсировки возбуждения.
Как следует из рис. 2, потери в стали с увеличением коэффициента ф'ороироажи возбуждения от к=1 до к = 2 уменьшаются примерно на 80 прац. При дальнейшем увеличении к потери уменьшаются в меньшей степени.
Величина потерь в меди, как это следует из рис. 3, при увеличении коэффициента форсировки возбуждения изменяется по-различному в зависимости от соотношения параметров демпферной обмотки и обмотки возбуждения. Однако во всех случаях при увеличении коэффициента форсировки от 1 до 2 потери в меди уменьшаются. Если 0,5 Т2<Т3<Т2, то при к>2 пютери -в -меди увеличиваются.
Р и с. 2. Зависимость потерь в стали от коэффициента форсиронки '.возбуждения.
Ри.с. 3. 'Зависимость потерь :в меди от коэффициента фодосирсщки возбуждения при различных .соотношениях параметров обмоток ротора.
Оптимальный коэффициент форсировки возбуждения с точки зрения минимума потерь энергии можно найти из условия минимума потерь в меди и стали. Для генераторов ударной мощности с отношением Т
-77г — 0,5 -г- 0,7 этот коэффициент лежит в пределах 4—6. 1 2
Таким образом, применение форсировки возбуждения при прерывистом возбуждении позволяет не только увеличить ударную мощность,
но и значительно сократить потери холостого хода, что имеет важное значение для генераторов ударной мощности, так как в них из-за уменьшенного воздушного зазора условия отвода потерь хуже, чем в турбогенераторах.
ЛИТЕРАТУРА
1. И. М. Постников. Проблема получения больших величин кратковременной электромагнитной мощности. Труды ЛИИ, № 2, 1937.
