Исследование форсированного самовозбуждения ударного генератора

ИЗВЕСТИЯ ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. Кирова

Том 242 1972

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРСИРОВАННОГО САМОВОЗБУЖДЕНИЯ

УДАРНОГО ГЕНЕРАТОРА

В. С. БАКЛИН, В. И. ПОПОВ, К. А. ХОРЬКОВ

В последние годы начали разрабатываться и применяться автономные импульсные источники большой мощности с использованием в качестве накопителей и источников импульсной энергии специальных электрических машин — ударных генераторов. Импульсные источники, как правило, работают на однофазную нагрузку. Это позволяет использовать у трехфазного ударного генератора свободную фазу для подвозбуждения генератора. В случае однофазной конструкции ударного генератора (как правило, однофазная обмотка статора занимает не более 2/з полюсного деления машины) в свободных пазах статора может быть уложена специальная обмотка для подвозбуждения генератора.

Применение ступенчатого возбуждения — предвозбуждения от маломощного источника энергии и форсированного самовозбуждения — находит применение в тех случаях, когда, во-первых, от ударного генератора за рабочий цикл требуется не более одного импульса тока, во-вторых, нет возможности или по каким-либо причинам нецелесообразно иметь мощный возбудительный агрегат (ограничения по весу установки, отсутствие сети требуемой мощности и т. д.).

Форсированное самовозбуждение ударного генератора осуществляется за счет избыточной кинетической энергии вращающегося ротора. Известно, что в течение одного импульса тока ударный генератор может преобразовать в электромагнитную энергию и отдать нагрузке только некоторую долю запасенной ротором кинетической энергии, Например, ударный генератор Каницы-Костенко [5] отдает согласованной индуктивной нагрузке 20%, а ударный генератор фирмы СЕМ (Франция) [6] 23,4% запасенной кинетической энергии ротора.

Анализ различных схем самовозбуждения синхронных генераторов приведен в [2, 3] и других литературных источниках, однако в том аспекте, в каком необходимо рассматривать вопрос форсированного самовозбуждения ударного генератора, задача не решена.

Настоящая работа посвящена определению времени самовозбуждения ударного генератора и построению кривых нарастания напряжения на зажимах машины и тока возбуждения при форсированном самовозбуждении с разных начальных уровней потока.

Принципиальная схема установки изображена на рис. 1. На рисунке приняты следующие обозначения: а, Ь, с — фазы обмотки статора ударного генератора,

ЗУ — управляемое выпрямительное устройство,

ОВ — обмотка возбуждения, ДО — демпферная обмотка,

А — аккумуляторная батарея,

К1 — контактор начального возбуждения (предвозбуждения).

а

ВУ

с

08

Рис. 1. Принципиальная схема установки

От аккумуляторной батареи генератор возбуждается до какого-го заданного напряжения предвозбуждения. Минимальная величина напряжения предвозбуждения должна быть достаточна для преодоления порогового напряжения выпрямительного устройства и падения напряжения под щетками.

От величины начального потока машины в большей степени зависит время самовозбуждения и скорость нарастания тока возбуждения, что важно знать при выборе элементов выпрямительного устройства.

При подаче управляющего сигнала на ВУ напряжение фазы «Ь» прикладывается к обмотке возбуждения генератора. Процесс самовозбуждения описывается следующим уравнением:

^10) — э.д.с., индуктируемая в обмотке статора потоком возбужде-

о) — угловая скорость вращения ротора;

гэ—эквивалентное активное сопротивление цепей ротора с учетом сопротивления выпрямительного устройства; к — коэффициент приведения потокосцепления обмотки возбуждения к потокосцештению фазы обмотки статора. Для упрощения решения пренебрегаем активным и индуктивным сопротивлениями фазы, которые значительно меньше эквивалентных активного и индуктивного сопротивлений ротора. Влияние реакции якоря фазы на процесс самовозбуждения не учитываем. Нелинейность кривой намагничения машины учитывается аппроксимацией теоретической или экспериментальной кривой намагничения по Фрелиху, аналогич-

V,«) = 1вгэ + к

ёУ!

где

ния;

но [1].

В относительных единицах

где а и Ь — коэффициенты аппроксимации, причем

Ь = а—1.

3 22

Для сильно насыщенных машин, какими являются ударные генераторы, невозможно подобрать значение а, которое было бы справедливо для любых участков кривой намагничения. Поэтому характеристику намагничения разбиваем на несколько участков- Для начального, 1-го участка кривой намагничения значение а = гкр, где гкр — сопротивление, определяемое касательной к характеристике намагничения из точки ¿п — 0., Для следующих участков (колено кривой намагничения, насыщенная часть) значение а существенно отличается от гкр.

Представим параметры машины в относительных единицах. Установившиеся значения напряжения генератора и потокосцепления определяются точкой пересечения кривой намагничения машины с вольт-амперной характеристикой цепи возбуждения.

За единицу принимается потокосцепление Ч^н» соответствующее номинальной эдс в режиме холостого хода генератора.

Обозначим через 4я

¥п* = —---относительное текущее потокосцепление;

Ч'у

¥

* нч--относительное значение начального потокосцеп-

У

ГЭ

ления;

— относительное активное сопротивление цепи гб*ап

возбуждения с учетом выпрямительного устройства;

ап — значение коэффициента аппроксимации для

данного участка кривой намагничения; Го— базисное сопротивление, равное отношению номинального напряжения генератора в режиме холостого хода к номинальному току возбуждения.

Решение уравнения (1) относительно времени имеет вид

к 1 _ \1Г * 1 Ш*

** = Sr * ln 1 m* +-1- *"ln w* " i

nfi1 - r%n 1 - ^ n 1 -Г*эп TVi K 1

где

к — число участков аппроксимации характеристики намагничения;

4W — начальные значения потокосцепления на участке аппроксимации. При n = 1

Ш* _ Up* .

* П-1 — X гп

— относительное время самовозбуждения. Время самовозбуждения в секундах

t = t*-TB,

где

Тв — постоянная времени цепи возбуждения, характеризуется параметрами установившегося режима.

Соответствие результатов расчета времени самовозбуждения действительной картине проверялось на модельном ударном генераторе, имеющем следующие параметры цепи возбуждения:

г2 = 3,2 ом-—активное сопротивление обмотки возбуждения; гя = 8,3 ом — активное сопротивление демпферной обмотки, приведенное к обмотке возбуждения;

Гдоб = 2 ом — добавочное активное сопротивление, вводимое в цепь обмотки возбуждения;

Тв = 0,043 сек — постоянная времени цепи возбуждения;

1вп = 6а — номинальный ток возбуждения;

Е = Ч^ои = 95 в — номинальное напряжение на зажимах фазы генератора.

Характеристика намагничения (рис. 2) разбивалась на два участка: 1-й участок от Чг = 0 до 0,6 Ч^; П-й участок от 4^0,6 до Ч'у. Этим участкам соответствуют аппроксимирующие коэффициенты: ах= гкр^ = 1,8; Ьт —0,8; ац = 2,8; Ьц=1Д

1.2 1.0 0.8 0,6 ом 02

\

У 1 1

\

\ \

8

0 1 2 3 к 5 6 7 8

Рис. 2. Характеристика холостого хода генератора

Результаты расчета времени самовозбуждения при различных уровнях начального потока с дополнительным сопротивлением в цепи возбуждения и без него представлены в табл. 1 и 2. Эксперименталь-__Таблица 1

№ •пп.

Ч'

ЦТ

нч

он

П--1

Э11

г

расч. сек

эксп. сек

Примечание

1 2 3 4 5 оло 0,20 0,26 0,40 0,50 0,077 0,154 0,200 0,308 0,384 0,475 0,475 0,475 0,475 0,475 6,60 5,16 4,57 3,56 3,08 0,284 0.222 0Д96 0,153 0,133 0,20 I участок а1 = Гкр = 1,8

6 7 8 0,60 0,70 0,90 0,460 0,540 0,690 0,305 0,305 0,305 2,60 2,27 1,74 0,112 0,097 0,075 0,10 0,08 II участок ап =2,8 3 Таблица 2

№ пп. ¥ * нч 4 он 07* 4 П—1 Г" сек ^эксп. сек 1 | Примечание

1 оло 2 0,20 3 0,30 4 0,43 5 0,50 0,069 0,138 0,207 0,296 0,345 0,404 0,404 0,404 0,404 0,404 5,66 4,41 3,71 3,04 2,73 0,249 - 0Д94 0,163 0,133 0,119 0Л4 I участок а1 —гКр=-1,8 ^у =1,45

6 0,60 7 0,76 8 0,90 9 1,0 0,414 0,524 0,620 0,690 0,260 0,260 0,260 0,260 2,35 1,95 1,65 1,44 0,103 0,086 0,073 0.063 о.ов 0,06 II участок ац = 2,8 1,45

пая проверка проводилась осциллографированием тока возбуждения и напряжения на зажимах машины при самовозбуждении. Типичные осциллограммы представлены на рис. 3. Временные метки на осциллограммах соответствуют интервалам 0,02 сек. Результаты обработки полученных осциллограмм нанесены на расчетные кривые знаком (х), рис, 4. Кривая I соответствует времени самовозбуждения при наличии в цепи возбуждения добавочного сопротивления. Индексом «С» обозначена экспериментальная точка при начальном потоке 4^4 = 0,26 гР0„. Кривая 2 соответствует времени самовозбуждения без добавочного сопротивления.

Рис. Я. Осциллограммы тока возбуждения и напряжения (потоко-ci.it лления) на зажимах генератора пг;з

а; добавочном сопротивлении в цепи возбуждения генератора и

О II

б) отсутствии добавочного сопротивления в цепи возбуждения генератора и Ч'„и = 6,43хРои

Индексом «К» обозначена экспериментальная точка при начальное потоке Ч^цч = 0,43 Чгои. Осциллограммы рис. 3 соответствуют этим точкам. Сравнение расчетных и экспериментальных данных показывает хорошее совпадение экспериментального и расчетного времени самовозбуждения генератора.

I

0.25 0,20 0.-15

0.05

0.10

\ л 1 1 !

V - 1 2 1 | :

\Х / 1/

н \

И

ОН

0.2

0.4

0.6

0,8

10

Рис. 4. Зависимость времени самовозбуждения генератора от уровня потоко-сцепления пред возбуждения

Расчет нарастания потокосцепления (эдс генератора во времени) выполняется с помощью выражения (3).

В табл. 3 приведены расчетные и экспериментальные значения Ч'"(Е) при наличии добавочного сопротивления в цепи обмотки возбуждения и при 4^4 = 0,26 Ч^он- В табл. 4 приведены расчетные и экспериментальные значения Ч'(Е) без добавочного сопротивления в цепи возбуждения и при Ч/ич = 0,43 Ч^ц. Экспериментальные значения потокосцепле-ний получены обработкой осциллограмм рис. 3.

Таблица 3

№ пп ЧЕ" и/ * сн ЦТ* 1 эп 1* + 1расч., сек 1ЭКСП. , сек Примечание

1 0,30 0,230 0,475 0,351 0,015 0,016 Ч^нч-0,26

2 0,40 0,307 0,475 1,008 0,043 0,044 Чгу= 1,3

3 0,60 0,460 0,475 2,020 0,086 0,086 аг —1,8

4 0,70 0,540 0,305 2,320 0,098 0,100 ап-2,8

5 0,80 0,615 0,305 2,588 0,111 0.110

6 1,00 0,770 0,305 3,146 ОД 35 0,138

7 1,10 0,845 0,305 3,457 0,148 0,153

8 1,20 0,925 0,305 3,920 0,168 0,170

9 1,27 0,980 0,305 4,620 0,198 0,200

Таблица 4

№ ЦТ* С | 1* ^расч., ^эксп., Примечание

пп и он сек сек

1 0,50 0,345 0,404 0,308 0,013 0,010 4^4 = 0,43

2 0,55 0,380 0,404 0,495 0,017 0,016 = 1,45

3 0,60 0,414 0,404 0,684 0,029 С',025 а[= 1,8

4 0,80 0,550 0,260 1,158 0,049 0.045 ан = 2,8

5 0,90 0,620 0,260 1,376 0,059 0,056

6 1,00 0,690 0,260 1,610 0,069 0,067

7 1,10 0,760 0,260 1,808 0,077 0,077

8 1,20 0,830 0,260 2,054 0,088 0,088

9 1,30 0,900 0,260 2,326 0,100 ОД 00

10 1,40 0,965 0,260 2,819 0,121 0,120

11 1,42 0,980 0,260 3,034 0,130 ОДЗО

На рис. 5 представлены эти потокосцепления. На этом же рисунке построены кривые нарастания тока возбуждения, полученные по характеристике намагничения. Знаком (х) обозначены экспериментально найденные значения Тк, Ч^, и \ВКу ¡вс.

Расхождение расчетных и экспериментальных значений потоко-сцеплений и токов возбуждения незначительны.

Таким образом, рассмотренная методика расчета времени самовозбуждения ударного генератора с различных уровней начального потока предвозбуждения дает хорошее совпадение расчетов с экспериментом. Изложенная методика позволяет построить кривые нарастания потокосцепления (эдс генератора) и тока возбуждения во времени, что необходимо для правильного выбора, начала форсировки возбуждения (самовозбуждения) и выбора полупроводниковых элементов управляемого выпрямительного устройства.

Рис. 5. Кривые изменения напряжения (потокосцешюния) и тока возбуждения во времени

ЛИТЕРАТУРА

1. А. И. В ажио в. Электрические машины. «Энергия». 1969.

2. И. А. Глебов. Основные направления работ в области систем возбуждения -синхронных машин. Сб.: «Расчет и исследование систем возбуждения синхронных машин». Изд. АН СССР, М.-Л., 1963.

3. А. Г. Здрок, А. А. Салютин. Системы самовозбуждения синхрон-ных генераторов с магнитными усилителями. «Энергия», 1968.

4. Р. Рюденберг. Переходные процессы в электрических системах. ИЛ., 1955.

5. М. Б. Костенко. Электрические машины (специальная часть). ГЭИ, 1949.

6. Аккумулирование энергии во вращающихся электрических машинах. Экспресс-информация «Электрические машины и аппараты», 1970, № 36.