CC BY
83
УДК 621.313.32
ОСОБЕННОСТИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПОСТОЯННОЙ ЧАСТОТЫ
С.В. МИШИН, И.В. МИШИНА
Статья представлена доктором технических наук, профессором Кузнецовым С.В.
В статье обоснована возможность перехода от традиционных к электромеханическим системам генерирования переменного тока постоянной частоты на воздушных судах. Представлены основные аналитические выражения для расчета передаточных отношений дифференциального редуктора и энергетических соотношений асинхронно-синхронного привод-генераторного агрегата.
Ключевые слова: система генерирования, электромеханическая система, переменный ток постоянной частоты.
Наибольший интерес среди электромеханических систем генерирования электроэнергии переменного тока постоянной частоты представляют привод-генераторные агрегаты (111 А), выполненные на базе дифференциальных каскадных соединений синхронных и асинхронных машин [1; 2] (рис. 1).
U=const U=const
f=const f=const
а б
Рис. 1. Структурные схемы построения ДСПГА и ДАСПГА
В таких устройствах механическая мощность от маршевого авиадвигателя пАд подводится ко входному валу дифференциального редуктора ДР. На выходных валах редуктора устанавливается синхронный генератор СГ, частоту вращения которого необходимо стабилизировать, и машина опоры, вращающаяся с переменной скоростью, пропорциональной скорости вращения авиадвигателя. Тип машины опоры во многом определяет свойства и характеристики привод-генератора и может быть принят в качестве классификационного, что позволяет разделить все разнообразие электромеханических ПГА на два класса: дифференциальные синхронные (рис. 1 а) и дифференциальные асинхронно-синхронные (рис. 1 б). В дифференциальных асинхронносинхронных ПГА (ДАСПГА) в качестве машины опоры использована асинхронная машина
АМ, а в дифференциальных синхронных (ДСПГА) - синхронный генератор СГ2. В ДСПГА устройство управления УУ осуществляет преобразование электроэнергии переменного тока переменной частоты генератора опоры в электроэнергию переменного тока постоянной частоты, отдаваемую в нагрузку. В ДАСПГА УУ управляет режимом работы АМ.
ДСПГА имеют несколько более высокие энергетические показатели, однако по массогабаритным показателям и надежности они уступают дифференциальным асинхронно-синхронным ПГА. Это обусловлено тем, что в состав наиболее распространенных схем синхронных агрегатов входит статический преобразователь частоты, преобразующий электроэнергию переменного тока машины опоры в переменный ток, частота которого задается синхронным генератором постоянной частоты вращения.
ДАСПГА отличаются техническим совершенством, невысокой стоимостью производства и эксплуатации, высокой надежностью и могут успешно применяться в системах генерирования переменного тока постоянной частоты летательных аппаратов, где в качестве приводных используются авиадвигатели с диапазоном частоты вращения пАд тах/ пАд т;п < 3.
В табл. 1 приведены удельные показатели известных пневмо - и гидромеханических ПГА, а также перспективных электромеханических и систем типа «переменная скорость-постоянная частота».
Таблица 1
Тип ПГА Тип генератора Масса ПГ А Мощность генератора Удельная масса ПГ А
кг кВА кг/кВА
ППО-20 СГК-11/1,5 74 13,7 5,4
ППО-ЗОКП ГТ-60ПЧ6 85 60 1,42
ППО-ЗОКПФ ГТ-40ПЧ8 77 40 1,9
ППО-40 ГТ-40ПЧ8 82 40 2,05
ППО-62М ГТ-40ПЧ8 102 40 2,54
ГП-21 ГТ-30НЖЧ12 37 30 1,23
ГП-22 ГТ-120НЖЧ12 75 120 0,63
ГП-25 ГТ-60НЖЧ12К 52 60 0,87
ПСПЧ 45 30 1,5
ДАСПГА 55 60 0,91
Сравнивая представленные в табл. 1 показатели различного типа ПГА, можно отметить, что ДАСПГА практически не уступают, а, учитывая отсутствие гидравлической системы стабилизации частоты и связанные с ней трудности изготовления и эксплуатации, превосходят гидромеханические.
Кроме указанных, к числу достоинств дифференциальных электромеханических ПГА следует отнести возможность выполнения агрегатов на большие мощности - до 500... 1000 кВА, способность обеспечивать автономный запуск авиадвигателей, высокую универсальность применения в электроэнергетических системах различных объектов.
Успехи, достигнутые в области электромашиностроения, позволяют уже сегодня создавать дифференциальные электромеханические ПГА с массогабаритными и энергетическими показателями, не уступающими показателям самых совершенных гидростатических агрегатов, которые значительно дешевле в массовом производстве и эксплуатации, имеют высокую надежность и большой ресурс работы, соизмеряемые с соответствующими показателя бесконтактных электрических машин.
Как известно, стабилизация частоты тока синхронного генератора электромеханического ПГА обеспечивается за счет изменения в широком диапазоне частоты вращения АМ из условия обеспечения баланса электромагнитных моментов на валах АМ и СГ. При этом предполагается,
что стабилизация напряжения генератора ДАСПГА может осуществляться серийным регулятором напряжения. С целью уменьшения потерь скольжения АМ весь ее рабочий диапазон вращения разбивается на ступени, соответствующие различным режимам работы АМ с различными числами пар полюсов [ 1].
В самом общем случае работа ДАСПГА может быть разбита на три ступени - соответственно режиму работы АМ (рис. 2):
1 ступень - АМ работает в режиме электродвигателя, отдавая механическую мощность РАМ М дифференциальному редуктору ПГА и потребляя активную мощность РАМ от генератора ПГА;
2 ступень - АМ работает в режиме электродинамического тормоза, потребляя механическую мощность РАМ М от дифференциального редуктора ПГА и потребляя активную мощность РАМ от генератора ПГА;
3 ступень - АМ работает в режиме асинхронного генератора, потребляя механическую мощность РАМ М дифференциального редуктора ПГА и отдавая активную мощность РАМ в сеть.
Выбор наиболее эффективного варианта конструктивной компоновки ДАСПГА выполняется по результатам серии предварительных расчетов для различных наборов режимов работы и числа пар полюсов АМ. Объективной базой данных при этом служат значения расчетных мощностей и частот вращения электрических машин агрегата, которые однозначно определяют массы активных материалов машин и позволяют с достаточной точностью судить об общей массе и габаритах агрегата в целом.
При осуществлении привода электрических машин ДАСПГА через ДР соотношение скоростей АМ, СГ и приводного авиадвигателя описывается системой уравнений движения валов ДР
\пдшп(1 + О = псг -Плмшах*
1ПД шах (1 + О = ПСГ + ПЛМ шах 2і2
где і1, і2 - передаточные числа ДР; пСГ - скорость вращения СГ; идш;п, пдшах - соответственно минимальная (малый газ) и максимальная (максимальный режим) скорости вращения авиадвигателя; пАМшах1, пАМшах2, - соответственно максимальная скорость вращения АМ в двигательном режиме (знак «-» в первом уравнении системы (1)) и максимальная скорость вращения АМ в генераторном режиме (знак «+» во втором уравнении системы (1)).
Рис. 2. Диаграмма изменения скоростей вращения АМ
После подстановки в систему уравнений (1) значений псг, Пдшіп, пдшах, пдмшах1, пАМшах2 определяются значения передаточных чисел ДР.
На первой ступени работы ДАСПГА при малых скоростях вращения приводного авиадвигателя АМ работает в двигательном режиме, обеспечивая докрутку ротора СГ до синхронной скорости. Наименьшая скорость вращения входного вала ДР пдт1П при этом определяется
*СГ
n
р
2
АМ1 J
Д min
1 + i'i
где рсг, рАМ1 - числа пар полюсов СГ и АМ на первой ступени работы ПГА; пс
0,05
(2)
60/
Р
АМ1
наименьшая скорость скольжения ротора АМ относительно поля статора, при которой АМ развивает требуемый электромагнитный момент на валу ДР.
На первой ступени работы АМ, работая в двигательном режиме, получает активную РАМ1 и реактивную 0аМ1 мощности от СГ, поэтому активная и реактивная мощности СГ (рис. 3)
у бел _ Qc + QAM1
где РС, Qc - активная и реактивная мощности сети.
(3)
Рис. 3. Энергетическая диаграмма ДАСПГА в двигательном режиме работы
Полная мощность генератора на первой ступени работы определяется выражением
Scri = л/^сП^ •
Расчетные значения мощностей машин, потерь скольжения и КПД агрегата
рсг _ n
гСГ ™ск min
р АМ1
(4)
Ґ
ПСГ^АМ^СГ
р СГ
ПСГ Пск min
Р
(5)
РСГ1 _ РС
1+
АМ1
\ \
рсг
ПСГ Пск min
Р АМ1
псгЛамЛсг
Р
ск1тах РАМ1^АМ
рсг
ПСГ-----------Пск min
рАМ1
( \ 1 + Р АМ1Пск min
2 J
(6)
(7)
2
П = РСПДРПСГ
Рс + Рамі (1 -ПамПсг )'
где Пдр - КПД дифференциального редуктора.
Механическая мощность АМ, работающей в двигательном режиме
р = р ^АМ1?2 (Q)
1 АМ М1 РСГ _ • (Q)
ПСГПСГ
Полная мощность, потребляемая АМ в режиме двигателя
р
S АМ1 = —^. (10)
COS jам
Автоматическая стабилизация скорости вращения и частоты СГ на 1-й ступени при изменениях нагрузки и скорости вращения входного вала осуществляется автоматически регулятором частоты, изменяющим напряжение на зажимах АМ и скольжение ее ротора относительно магнитного потока статора.
По мере увеличения скорости вращения входного вала от n1min скорость вращения вала АМ
60 f
уменьшается от nAMmax1 =-+ пскmin до нуля, а затем изменяет направление вращения на
р АМ1
обратное. При этом скольжение ротора АМ пск пропорционально увеличивается.
При скорости вращения входного вала
п ПСГ + ¿2 пск min ,ллл
П1-2 =----ГГ.------- (11)
1
ДАСПГА переходит на вторую ступень работы. Статорная обмотка АМ отключается и запиты -вается постоянным током, что соответствует работе АМ в режиме электродинамического тормоза. Поэтому активная, реактивная и полная мощность генератора равны (пренебрегая потерями на возбуждение асинхронной машины РВАМ~0,02РС): РСГ2=РС; Qcr2=Qc; Scr2=Sc (рис. 4).
Рис. 4. Энергетическая диаграмма ДАСПГА в режиме электродинамического тормоза Механическая мощность на валу асинхронной машины
р _ Р СГ2 ПАМ *2
РАМ М2 _ _ 5 (12)
псгЛ СГ
а мощность потерь скольжения, определяющая нагрев ротора АМ, составляет около 90% механической мощности РАМ М2. Максимальная и минимальная мощность скольжения на 2-й ступени агрегата
0,9
С Р ^
Рсг
Пс---------+ Пск min
Р = Р
ск2тах СГ2
V ГАМ1
(13)
ncrhСГ
0,9п . /'
р — Р ’ скт1п 2 /Г1А\
рск2тт РСГ2 • (14)
псгЛсг
Максимальное и минимальное значения КПД генераторного агрегата при номинальной нагрузке:
— Рс?др
,2т“ — р + р ¡Щст.+р +Р"; (15)
р С “ р С ~ Р ск2тт Р В
^СГ
—______________________Р^р____
,!т" — р+ р ЬЛст + р + р, (16)
Р С Р С ~ Р ск2тах Р В
Лсг
где РВ»0,01РС - мощность возбуждения асинхронной машины; ^др»0,97 - КПД редуктора.
Стабилизация скорости вращения и частоты СГ на 2-й ступени при изменении нагрузки и скорости вращения входного вала обеспечивается автоматически регулятором частоты, изменяющим возбуждение АМ.
Асинхронная машина работает в режиме электродинамического тормоза до тех пор, пока скорость вращения входного вала достигнет значения
\
^ (17)
n
2-3
С 60 f л
-------+ Пск min
V Рамі______________J
После этого статорная обмотка АМ вновь подключается к трехфазной сети переменного тока, но с обратным чередованием фаз по отношению к двигательному режиму работы. С этого момента начинается работа агрегата на третьей ступени, когда АМ работает в генераторном режиме, отдавая в сеть активную и потребляя реактивную мощность (рис. 5).
Электрические мощности агрегата на 3-й ступени определяются выражениями
Рамз _ Рс У2 . , (18)
ПСГ + ПП3*2
60 і
где пП3 _--------синхронная скорость вращения поля АМ на 3-й ступени;
Р АМ 3
п
РСГ3 = РС ---------. (19)
ПСГ + ПП3/2
Максимальное значение мощности потерь скольжения на 3-й ступени
n — n
,1АМ 3max "П3
Р _ р АМ13тах П3 /ОПЧ
Р ск3 max Р АМ3 • (20)
ПП 3
Минимальное значение мощности потерь скольжения на 3-й ступени.
n
__ -р ск min
ск3min АМ3
n
П3
(21)
2
Рис. 5. Энергетическая диаграмма ДАСПГА в генераторном режиме Полная мощность АМ на 3-й ступени
S.M-, 3 =
Р
АМ3
C0S jAM3
Полная мощность СГ и его коэффициента мощности на 3-й ступени
Scr3 = V{PC - РАМ3 ) + {S sin jc + SАМ3 sin jAM3 ) ;
cos^cr3 =
Р С - Р АМ3
S
(22)
(23)
(24)
СГ3
Максимальное значение КПД генераторного агрегата на 3-й ступени при номинальной нагрузке
РС^ДР
, (25)
h3max
Р + Р 1 hcr + Р
РС ^ГСГ3 _
Лсг
GR3min
+
I др
АМ-ДТ
где Р
Gк3min
- минимальное значение потерь скольжения на ступени; IДРАМ-ДТ - сум-
*П3
марные потери АМ и дроссель-трансформаторного регулятора без учета скольжения. Минимальное значение КПД агрегата на 3-й ступени при номинальной нагрузке
РС^Д^
h3min
Р + Р 1_____________^СГ + Р
Р С Р СГ3 ^Р
h
ск3max
+1 др
(26)
АМ-ДТ
СГ
где Р
=Р
ск3 max АМ3
ПП3 + Пск min
ТО
Приведенные выше выражения позволяют анализировать законы изменения мощностей ДАСПГА с дроссель-трансформаторным регулятором напряжения при изменении электрической нагрузки и режимов работы авиадвигателя, а также оценить величины тепловых потерь и коэффициента полезного действия агрегата по ступеням его работы.
n
ск min
ЛИТЕРАТУРА
1. Красношапка М.М. Генераторы переменного тока стабильной и регулируемой частоты. - Киев: Техника, 1974.
2. Мишин С.В., Голованов И.Г. Проблемы генерирования электрической энергии переменного тока постоянной частоты на современных воздушных судах // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Авионика и электротехника. - 2007. - С.132-135.
PECULIARITIES OF OPERATIONAL PROCESSES OF ELECTROMECHANICAL GENERATING SYSTEMS OF DIRECT FREQUENCY ALTERNATING CURRENT
Mishin S.V., Mishina I.V.
The article provides basic information about possibility transition traditional systems to electromechanical generating systems of direct frequency alternating current on the aircraft. The basic analytical forms are developed for calculating transmission ratio of differential speed reduction device, and energy relation of asynchronous-synchronous, gear-generated aggregate.
Key words: generation system, electromechanical systems, AC constant frequency.
Сведения об авторах
Мишин Сергей Владимирович, 1960 г.р., окончил Киевское высшее военное авиационное инженерное училище (1980), кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов Иркутского филиала МГТУ ГА, автор более 30 научных работ, область научных интересов - генерирование и преобразование электрической энергии переменного и постоянного тока.
Мишина Ирина Викторовна, окончила Иркутский филиал МГТУ ГА (1983), инженер кафедры авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов Иркутского филиала МГТУ ГА, автор 3 научных работ, область научных интересов - генерирование и преобразование электрической энергии переменного и постоянного тока.
