CC BY
14
томского
Том 139
ИЗВЕСТИЯ
ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
1965
СХЕМА УВЕЛИЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ И СКОРОСТИ ЕЕ ПЕРЕДАЧИ ОТ УДАРНОГО ГЕНЕРАТОРА В ИНДУКТИВНУЮ НАГРУЗКУ
В. В. ИВАШИН, А. В. ЛООС, Г. А. СИПАЙЛОВ, К. А. ХОРЬКОВ (Представлена научным семинаром электромеханического факультета)
Во многих экспериментальных установках для получения магнитных полей с большой энергией используется импульсное питание индуктивной нагрузки, при этом может потребоваться энергия до 200 мдж и скорость ее передачи до 106 мва [1]. Для передачи энергии с такой скоростью применяется предварительное накопление энергии в течение сравнительно большого отрезка времени, что уменьшает мощность зарядных устройств.
Наиболее экономичным и эффективным является накопление энергии во вращающихся маховых массах, например, в роторе синхронного генератора, что позволяет легко преобразовать кинетическую энергию ротора в- электромагнитную, снимаемую с обмотки статора. Впервые такой генератор, получивший название ударного, был построен и применен П. JI. Капицей [2].
Энергия запасается в роторе ударного генератора в течение продолжительного промежутка времени от двигателя небольшой мощности. Накопление энергии сопровождается небольшими потерями холостого хода генератора, и накопленная энергия может сохраняться сравнительно долго.
При замыкании ударного генератора на нагрузку на время одной положительной полуволны э. д. с. происходит^преобразование кинетической энергии ротора в электромагнитную. (Если генератор включать на нагрузку в течение нескольких положительных полуволн э. д. с. с отключением на время отрицательных полуволн (однополупериодное выпрямление), то величину энергии, снимаемую с генератора, можно существенно увеличить. »Для сохранения энергии при отключении генератора нагрузку необходимо закорачивать на время или часть времени отрицательной э. Д^с.
Энергию, передаваемуювнагрузку, можно выразить через среднюю мощность машины Яср и время передачи энергии tu.
Q ~Рср* tп
В работе рассматривается схема, использующая увеличение передаваемой энергии как за счет Яср , так и за счет tn без увеличения габаритной мощности машины.
13. Заказ 3076. 193
«
Увеличение Яср достигается с помощью применения вспомогательной емкости, включенной параллельно генератору и нагрузке. Рассматривается работа схемы без предварительной зарядки емкости и работа с предварительной зарядкой емкости.
>Целесообразность увеличения скорости передачи энергии от ударного генератора в нагрузку обусловлена тем, что, во-первых, при заданной величине передаваемой энергии уменьшение времени передачи приводит к уменьшению потерь энергии в процессе передачи, вследствие чего уменьшается нагрев обмоток генератора и увеличивается его ис-пользование^о-вторых, при заданном времени передачи можно снимать с генератора и передавать в нагрузку больше энергии, что также увеличивает использование генератора.
Принцип работы
Принципиальная схема работы ударного генератора на индуктивную нагрузку с применением вспомогательной конденсаторной батареи представлена на рис. 1, где
к, с.
Рис. 1. Схема увеличения энергии и скорости ее передачи от ударного генератора в индуктивную нагрузку без предварительной подзарядки батареи.
УГ— однофазный генератор ударной мощности, гг, Ьг — активное сопротивление и индуктивность обмотки статора с учетом экранирующего влияния обмотки возбуждения и демпферных контуров ротора [3]. Для крупных ударных генераторов — индуктивность рассеяния обмотки статора);
Ьиу гн — индуктивность и активное сопротивление нагрузки; г3 активное сопротивление закоротки; К-1, К-2, К-3 — бездуговые ионно-механические коммутирующие устройства [4]; С—конденсаторная батарея.
Известно, что с помощью конденсаторной батареи, подключаемой параллельно нагрузке, можно значительно увеличить энергию, передаваемую генератором нагрузке за время одной положительной полуволны э.д. с. [5],.Конденсаторная батарея способствует увеличению доли кинетической энергии, преобразуемой в энергию магнитного поля рас-' сеяния генератора и в энергию электрического поля конденсаторной батареи, которые затем передаются в нагрузку.
Характер изменения токов и напряжений в различных элементах схемы представлен на рис. 2. Для дополнительного увеличения энергии, * передаваемой за время первой положительной полуволны э.д. с. генератора конденсаторная батарея может предварительно заряжаться до-некоторого напряжения.
Рассмотрим вначале работу схемы без предварительной зарядки батареи (рис. 1). В исходном положении аппараты К-1 и К-2 разомкнуты, генератор работает на холостом ходу. <
В момент перехода з.д.с. генератора через нулевое значение происходит замыкание К-1. Емкость начинает заряжаться, т. е. она потребляет энергию генератора. При достижении максимального значения напряжения емкости ток в ней меняет направление, генератор и емкость
уже вместе отдают энергию в нагрузку. При прохождении тока генератора через нулевое значение в момент и происходит размыкание К-1, однако ток в нагрузке продолжает увеличиваться, так как емкость не успела разрядиться. В момент ¿2, когда напряжение на емкости проходит через нуль, происходит замыкание К-2. Так емкости перехватывается закороткой. По контуру кагрузка-закоротка протекает ток, затухающий по экспоненте с постоянной времени этого контура. В начале следующей положительной полуволны э. д. с. генератора ¿з происходит замыкание К-1. Генератор ¡работает в режиме^ внезапного короткого замыка- * ния, ток генератора быстро возрастает, а ток в закоротке уменьшается. При достижении нулевого значения тока закороти 1,% происходит размыкание К-2. Конденсаторная батарея облегчает работу К-2; так как в первый момент после размыкания К-2 она способна перехватить любой ток. Начальные условия на емкости такие же, как и в момент t =0, т. е. емкость снова способствует увеличению энергии, снимаемой с генератора за время каждой положительной полуволны э. д. с. Далее циклы повторяются. Ток в нагрузке стремится по величине к току внезапного короткого замыкания ударного генератора.
Работа схемы с предварительным зарядом емкости несколько отличается от работы схемы без предварительного заряда (рис. 3). В исходном положении К-1, К-2, К-3 разомкнуты, батарея конденсаторов С заряжена до напряжения Исо . Полярность заряда батареи показана на рис. 3. В момент перехода э. д. с. генератора через нулевое значение происходит замыкание К-1. Емкость начинает разряжаться и при переходе напряжения на емкости через нулевое значение происходит замыкание К-3. Далее схема работает, как схема без предварительной зарядки конденсаторной батареи.(Увеличение скорости передачи энергии • происходит за счет увеличения тока на первом цикле.„Однако это увеличение существенно и определяется не только добавкой энергии пред-=варительного заряда батареи, но и в значительной степени влиянием
2. Форма кривых токов и напряжений в различных элементах схемы: ¿н—ток нагрузки, ¿г—ток генератора, ¿3—ток закоротки, ис—-напряжение батареи, Ег—э. д. с. генератора.
предварительного заряда конденсаторной батареи на скорость передачи энергии от ударного генератора в индуктивную нагрузку.
Рис. 3. Схема увеличения энергии и скорости ее передачи в нагрузку от ударного генератора с предварительной зарядкой конденсаторной батареи.
Переходные процессы от момента начала работы схемы до t\ описываются в операторной форме уравнениями (1) и (2):
pLTiT (0) + г/с (0) + е(р) = ¿r {p)^pLr + rr + (1)
PLJH (0) + Uc (0) = /н (Р) (РК + гн) + ¿с (р) — • (2)
рс
Переходный процесс в промежутке времени от t{ до t<> описывается уравнением (2), где начальные значения тока ¿н(0) и напряжения Uc (0) определяются из результатов решения на предыдущем этапе.
Работа схемы от t2 до t?y описывается уравнениями (2) и (3)
pLJH (0) = ¿н (р) (pLH -I- гн) + ¿з (Р) г3. (3)
Работа схемы от начала следующей положительной полуволны э.д.с. ¿з до ¿4 описывается системой уравнений (1), (2), (3). После размыкания закоротки Í4 этапы работы схемы повторяются.
Сложность аналитического исследования данной схемы объясняется не только сложностью решения полученных уравнений, но и трудностью определения начальных условий для каждого из этапов.
В результате решения уравнений (1), (2), (3) получаются громоздкие выражения для токов и напряжений в отдельных элементах схемы. Поэтому в целях экономии места разультаты решения приводятся в виде кривых (рис. 2).
Ток нагрузки, который в данном случае представляет наибольший интерес, в первом приближении без учета активных сопротивлений можно определять по (4)
1 V2 V-
¿н = 7-*г (0) + 1т "Г --- Im Sin ü)í---—- Im cos cot 4-
2 V-—1 V-—1
+ - 1,n sin w- L ЬШ. Im cos v«of + ia (0), (4)
где
ir(0), Uc(0), ¿h(0) — начальные значения токов и напряжения, определяемые из результатов решения уравнений на предыдущем этапе;
/L L
£ ^ £ --собственная частота колебаний контура Lr—С—Ln.
1,п со (Lr + LH)
Рассмотренная схема ускоренной передачи энергии от ударного генератора в индуктивную нагрузку расширяет возможности ударного генератора как накопителя и источника энергии.
ЛИТЕРАТУРА
1. R. Currulhers, Energy storage fo thermonaclear research, Proc. Inst. Electr. Engs., A—106, № 2, 1959.
2. В. P. К a p а с и к. Физика и техника сильных магнитных полей. Издательство «Наука», 1964.
3. М. П. Костей ко. Электрические машины. Специальная часть, ГЭИ, 1949.
4. В. В. Ивашин, Г. А. С и п а й л о в. Бездуговое отключение больших токов, .Электротехника, № 9, 1964.
5. Г. А. С и п а й л о в, К. А. Хорьков. О совместной работе ударного генератора и конденсаторной батареи па индуктивную нагрузку. Известия ТПИ, т. 132, 1964.
