О выборе схемы выпрямления в бесколлекторных генераторах постоянного тока

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА__

Том 160 I966

О ВЫБОРЕ СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ В БЕСКОЛЛЕКТОРНЫХ ГЕНЕРАТОРАХ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Г. А. СИПАИЛОВ, А. Б. ЦУКУБЛИН

Вопрос о выборе схемы выпрямления появляется всякий раз при проектировании бесколлекторных генераторов постоянного тока типа синхронный генератор-выпрямитель. Особую актуальность приобретает этот вопрос при проектировании возбудителей, являющихся первым каскадом бесколлекторных ЭМУ постоянного и переменного тока [1, 2]. Однако до сих пор в технической литературе нет конкретных рекомендаций по этому вопросу.

В настоящей статье дается анализ выбора схемы выпрямления для маломощного бесколлекторного генератора постоянного тока типа синхронный генератор-выпрямитель. Характерной особенностью этих установок является то, что они должны обеспечивать максимальное использование генератора во всем диапазоне изменения нагрузок. При этом необходимо учитывать простоту и надежность установки, а также минимальный вес и габариты. С этой точки зрения из всего многообразия выпрямительных схем можно выделить лишь мостовые схемы выпрямления и однополупериодные при соединении генератора звездой. Что же касается других схем выпрямления (схемы с уравнительным реактором, каскадные схемы и т. д.), то ввиду конструктивной громоздкости они не рассматриваются.

Важное преимущество двухполуперисдных схем выпрямления перед однополупериодными заключается в том, что при питании от трансформатора они дают для одинаковых нагрузок больший коэффициент использования и меньший коэффициент пульсаций. При питании от синхронного генератора картина работы выпрямителей изменяется, что связано с наличием у синхронного генератора реакции якоря. Поэтому выбор схемы выпрямления необходимо проводить с учетом реакции якоря синхронного генератора, а также величины нагрузки.

При анализе сделаны следующие допущения:

1. Вентили принимаются идеальными, т. е. не учитывается прямое сопротивление вентиля, а обратное равно бесконечности. Необходимо отметить, что это допущение не является совершенно произвольным, если учесть, что машины малой мощности имеют относительно высокие значения активного сопротивления якорной обмотки.

2. Генератор дает синусоидальное напряжение и под нагрузкой, т. е. высшие гармонические реакции якоря, вызванные несинусоидальностью якорного тока, полностью уничтожаются демпферными контурами ротора.

Как известно [1, 2], работа маломощного синхронного генератора

на выпрямительный блок характеризуется высоким cos ф генератора, значения которого лежат в пределах cos<p= 1-г0,96. Поэтому с достаточной степенью точности можно считать, что вентильная нагрузка является активной для генератора.

Векторная диаграмма для этого случая изображена на рис. 1. В соответствии с векторной диаграммой фазное напряжение, при постоянном токе возбуждения выразится

Ui =

/

Ер2—2Ii2Xod Ход 2

+ Е(

Il2Xaq (Xad — Xaq) — IiT.

Дг

Xid- Xd~ Xci— Xad

Рис. 1. Векторная диаграмма генератора.

Zd«p

(Рис. 2. /Внешние характеристики (генератора:

а — с 'моотовой схемой вьвдряшюния, б —-ic оддапалупериодаой схемой выпрямления.

фициенты связи ^ = klu и -г- = ku и подставляя их в (1), получим

Выражая" выпрямленные напряжения и ток через известные [3] коэф-

и

иа - I й

уравнение внешней характеристики генератора, работающего на выпрямитель:

.....— 1С12хас1 (хас1—хаЧ) кн2-

Ud

ли

/

Ео2—2Id2XadXaqkii:

2

+ Еоу i

Idi" • ku

Считая, что сопротивления генератора остаются постоянными при смене схемы выпрямления, получим, что наклон характеристики в основном зависит от коэффициентов к\и и ки.

На рис. 2 даны внешние характеристики генератора для однопо-лупериодной и двухполупериодной схемы выпрямления, полученные согласно уравнению (2) для трехфазного генератора. Как видно из кривых, в какой-то точке (назовем ее критической) происходит пересечение характеристик, т. е. до этой точки генератор дает большую мощность при работе на мостовую схему выпрямления. Однако при нагрузке, превышающей значение критической, вследствие реакции якоря генератора мостовая схема выпрямления дает значения мощности генератора значительно ниже, чем однополупериодная.

Значение нагрузки в критической точке и связь ее с параметрами машины может быть получена путем совместного решения уравнений

5. Заказ 7780.

65

(2) для од'нотголлчпериодной и мостовой схем вьипрямлания. Обозначая к\и \ кц" — значения коэффициентов для мостовой схемы, а кц/, ки'—

для однополупериоднои, получим

(

III

кр ки'

К. "

+ г \ + х:

/ Р ,

Д нкр к„

) )

щ

4- х2

ая

Ки"

(Инкр г)2 + хас1 хач

^ к нкр —1" + ха<3

Решение этого уравнения относительно ИНкр Дает связь критической нагрузки с параметрами генератора. Для машин с равномерным воздушным зазором уравнение (3) упрощается за счет = хад и >:1(1 = х^ = и приобретает вид

2

к,

кн

(

И

к,и"

нкр к . К11

)

(

я

к1(/

нкр ки'

)

х-с!

Решение этого уравнения приводит к простым соотношениям между сопротивлением нагрузки и параметрами генератора

где

Ин

Л к,

г Д кп + Уг- Л к2п - гг Д кц Д к,и

кр

ДК

р — к^' ки' — к,и" • ки", Дк,и = (к,,/)2 ~ (кц/')2,

Аки = (кцТ- (к,.')1,

гг2 - Х(12 + г2.

Учитывая, что в синхронных генераторах малой мощности гг^>г, упрощаем выражения (5) до вида:

Ин

кр

2г.

(к,П2-(ки')2 (к1и')2 - (к1иу

Таким образом, при сопротивлении нагрузки выше Инкр в° всех случаях наивыгоднейшей является мостовая схема выпрямления. При больших нагрузках необходимо выбирать однополупериодную схему выпрямления, которая обеспечивает в этой области наибольшее использование генератора.

Поскольку коэффициенты к! и и кц являются сложными функциями нагрузки, числа фаз и т. д., то предварительный выбор схемы выпрямления можно производить, исходя из рассмотрения идеализированного выпрямителя. С учетом этого критическое сопротивление нагрузки

ЭШ'

Кнкр — 2г * „

т

т

Как видно из (7), критическое сопротивление нагрузки зависит от числа фаз генератора. Рис. 3, иллюстрирующий эту зависимость, наглядно показывает, что с увеличением числа фаз границы применения мостовых схем расширяются, а при достаточно большом числе фаз схемы

2 4 Рис. 3. Зависимость

от числа фаз.

являются практически идентичными. Поэтому при проектировании бес-1 коллекторных генераторов постоянного тока, а также различного род!а; бесколлекторных возбудителей вопрос о применении-той или иной выпрямительной схемы должен решаться одновременно с вопросом о выборе числа фаз, параметров генератора, а также необходимого уровня пульсаций выпрямленного напряжения или тока.

С этой точки зрения можно рекомендовать для возбудителей многофазные системы с однополупериодной схемой выпрямления, а для генераторов, работающих на высокоомную нагрузку, мостовые выпрямительные схемы при относительно небольшом числе фаз.

ЛИТЕРАТУРА

1. А. И. Скоросп^шкин, Э. Ф. Оберган, Э. Н. Подбор-с к и й. Бесколлекторный электромашинный усилитель (БЭМУ). Известия ТПИ, том 145, 1966.

2. А. Ф. К р о г е р и с. Режимы источников питания трехфазных мостовых выпрямительных схем. Диссертация, Рига, 1954.

3. Г. А. Сипай лов, В. А. Зорин, Т. В. Кузнецова, А. Б. Цу-к у б л и н. Некоторые вопросы работы маломощного синхронного генератора на выпрямительную нагрузку. Известия ТПИ, том 145, 1966.