Автономный источник переменного напряжения стабильной частоты на основе двухмашинного совмещённого генератора

ЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

УДК 621.313

И.Н. Дубровский, В.М. Кузьмин АВТОНОМНЫЙ ИСТОЧНИК ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ СТАБИЛЬНОЙ ЧАСТОТЫ НА ОСНОВЕ ДВУХМАШИННОГО СОВМЕЩЁННОГО ГЕНЕРАТОРА

Рассмотрены схемы однофазного и трёхфазного автономного источника стабильной частоты на основе двухмашинного совмещённого генератора с формированием кривой выходного напряжения путём сложения двух синусоидальных ЭДС. Приведены результаты экспериментальных исследований.

I.N. Dubrovskiy, V.M. Kuzmin

ALTERNATING VOLTAGE INDEPENDENT SUPPLY SOURCE ON THE BASIS OF DUAL INTEGRATED GENERATOR SYSTEM

Schemes of mono-phase and three-phase independent supply sources based on the dual integrated generator system are considered in this article, forming the output voltage curve by composition of two sinusoidal electromotive forces. The results of the experimental researches are given here.

Проблема получения переменного тока стабильной и регулируемой частоты является одной из самых актуальных задач в автономных системах, работающих при переменных частотах вращения первичного двигателя. К таким системам могут быть отнесены авиационные генераторы, приводимые во вращение от основного авиационного двигателя; танковые генераторы, приводимые во вращение от основной силовой установки; генераторы на пассажирских поездах на тепловой тяге, речных и морских судах, строительных и автодорожных машинах и других автономных системах.

Развитие и совершенствование подвижных автономных систем сопровождается повышением их энерговооруженности, усложнением бортовой аппаратуры и вычислительной техники. Как следствие этого, возрастают требования к качеству электроэнергии, бесперебойности электроснабжения. В то же время применение переменного тока стабильной частоты как основного вида питания потребителей даёт ряд преимуществ в отношении веса и надёжности всей энергосистемы.

В настоящее время широко применяются энергоблоки с синхронными и асинхронными генераторами, коллекторными машинами постоянного тока, которые не в полной мере удовлетворяют всем возрастающим требованиям к качеству и надёжности, к сроку службы, статическим и динамическим показателям автономной системы электроснабжения, а также приводят к усложнению и удорожанию.

В автономных системах с приводом постоянной скорости (ППС) получение стабильной частоты достигается путём воздействия на механическую часть установки. ППС является достаточно сложной системой, его применение ограничено громоздкостью, сложностью изготовления, низкими быстродействием и надёжностью.

Получение переменного напряжения стабильной частоты в автономных системах с переменной частотой вращения вала можно обеспечить путём применения машинновентильных систем. Возникающую при этом проблему обеспечения синусоидальности выходного напряжения можно решить путём использования в качестве электромеханического преобразователя энергии модуляционного генератора [1].

Одной из наиболее эффективных систем является источник переменного напряжения стабильной частоты с формированием кривой выходного напряжения путём сложения двух синусоидальных ЭДС близких частот в генераторе [2].

Принципиальная схема одного из возможных вариантов источника, реализующего названный принцип формированием кривой выходного напряжения приведена на рис. 1.

Рис. 1

Электромашинный генератор состоит из двух электрических машин (ЭМ) переменного тока с последовательно соединёнными якорными обмотками. В качестве ЭМ1 и ЭМ2, составляющих генератор, используются асинхронные машины с фазным ротором. Роторные обмотки машин подключены к источнику переменного тока стабильной частоты таким образом, что их поля вращаются в противоположные стороны. В якорной обмотке ЭМ1, которая работает в режиме электромагнитного тормоза (ЭМТ), наводится трёхфазная система ЭДС

Є1А = Е1т +с) * :

Є1В = Е1т 8ІП

(ш 1 + ш о ) І —

2п

2п

(ш1 +шо) * + —

где ші - угловая частота ЭДС вращения; ш0 - угловая частота тока возбуждения.

В выходных обмотках ЭМ2, которая работает в режиме асинхронного генератора (АГ), наводится ЭДС

Є2 А = Е2т 8ІП(Ш1 —Ш0) * ,

Є2В = Е2т

/ ч 2п

(ш1 —шо) * — ~

3

e2C = E2m SІn

. . 2n

(l -o)t ^“3“

При равенстве амплитуд указанных ЭДС (Elm=E2m=Em) результирующая ЭДС на входе полупроводникового преобразователя с непосредственной связью (НПЧ) будет описываться уравнениями

eA = elA + e2A = 2Em smQlt cos0t,

eB = elB + e2 B = 2Em SІn ^lt - cos&ot ,

ec = elC + e2C = 2 Em ^n ^lt + y) cos 0t ,

а частота огибающей будет равна частоте переменного тока возбуждения.

В системах с электромашинным формированием кривой выходного напряжения получение трехфазного напряжения стабильной частоты является непростой задачей. Это обусловлено тем обстоятельством, что генератор в этом случае должен вырабатывать трехфазную систему ЭДС, имеющих сдвиг между огибающими на 2/з периода выходной частоты.

Трехфазную систему напряжений стабильной частоты можно получить в автономном источнике, выполненном на основе трёх асинхронных машин [4], установленных на одном валу и расположенных в одном корпусе (рис. 2).

Рис. 2

Роторные обмотки машин подключены к асинхронному возбудителю (АВ) таким образом, что одна из них работает в режиме ЭМТ, а другая - в режиме АГ. Якорная обмотка ЭМТ выполнена в виде обычной трехфазной обмотки. На статоре АГ расположено три идентичных трехфазных обмотки, уложенных в одни и те же пазы. Выводы выходной обмотки ЭМТ подключены к нулевым точкам якорных обмоток АГ. В якорной обмотке ЭМТ наводится трёхфазная система ЭДС в соответствии с (l), а в выходных обмотках АГ наводится ЭДС в соответствии с (2). Тогда при равенстве амплитуд ЭДС машин (Elm=E2m=Em), ЭДС электромашинного генератора определяется следующим образом

el = elA + e2A = 2Em sm rolt cosro0t,

e2 = elB + e2B = 2Em ^ f/ - “Л) cos 0t ,

п

е4 = е1Л 1 е2С = 2Ет °ІЙ І Ш1і +

3

п

= е I е = 2Е БІЙ І Ш І —

^7 1Л 2В ^^т ^ААА 1

3

-) ОО8 |Ш0І -^3J ,

о 0 х/і Ш 0 1

)ООБ |Ш0І -^3) ,

ООБ ^Ш0І + у^ ,

о о Х/1 Ш 0 + 5)

^ ГШ0І+-3 1.

Анализ выражений (3)-(5) показывает, что огибающие результирующих ЭДС обмоток, подключенных к первому силовому коммутатору (СК), сдвинуты по отношению к огибающей ЭДС обмоток, подключенных ко второму СК, на 1/6 периода тока возбуждения, или на треть собственного периода. Аналогично можно установить, что огибающие результирующих ЭДС обмоток, подключенных к третьему коммутатору, сдвинуты по отношению к огибающей ЭДС обмоток, подключенных к первому СК на 1/3 их собственного периода.

При питании обмотки возбуждения возбудителя АВ переменным током стабильной частоты Шо и вращении вала с угловой частотой Ші, в роторной обмотке возбудителя наводится ЭДС, изменяющаяся с угловой частотой

Ша =Ш1Р1 +^ где р1 - число пар полюсов обмотки возбудителя.

Нагрузкой для роторной обмотки возбудителя являются роторные обмотки ЭМТ и АГ. В статорных обмотках этих машин наводится ЭДС с угловыми частотами

Ш 2 =Ш1

Ш3 =Ш1(Р3 + Р1) + ^ гдер2 и р3 - числа пар полюсов АГ и ЭМТ соответственно.

Частота биений выходного напряжения электромашинного генератора определяется следующим образом

ША =Ш1(2Р1 + Р3 - Р2) + 2Ш0.

Частота выходного напряжения источника не будет зависеть от частоты вращения вала приводного двигателя при условии шб = 2ш0. Тогда числа пар полюсов асинхронных машин, составляющих генератор, должны выбираться из условия

2 Р1 + Р3 = Р2.

В таком источнике вместо одной асинхронной машины может быть использован синхронный генератор, возбуждаемый от источника постоянного тока. Угловая частота биений выходного напряжения определится следующим образом

ША = (Р1 + Р2 - Р3) Ш1 +Ш0, где р1 - число пар полюсов синхронного генератора; р2 - число пар полюсов ЭМТ; р3 - число пар полюсов АВ; ш1 - угловая частота вращения вала; ш0 - угловая частота тока возбуждения АВ.

5

т

6

т

8

т

9

т

Тогда для обеспечения стабильности частоты выходного напряжения источника при переменной частоте вращения вала необходимо выполнить условие

Рі + Р2 = Рз.

Таким образом, схема электромашинной части источника, приведенная на рис. 2, позволяет получить три системы трехфазных модулированных напряжений со сдвигом огибающей каждой системы на треть периода. Осуществив с помощью силового коммутатора выделение модулирующих функций, можно получить трехфазное напряжение, близкое к синусоидальному. Частота выходного напряжения при этом будет равна частоте переменного тока возбуждения. Все три машины, составляющие генератор, могут быть совмещены как по магнитным цепям, так и по обмоткам. Это существенно улучшает конструкцию генератора.

Несложно составить совмещённую обмотку статора генератора [3]. Вариант электрической схемы совмещённой обмотки АГ с р=3 и ЭМТ с р=6 при наличии 54 пазов на статоре изображён на рис. 3.

Рис. 3

Схема совмещённой обмотки ротора при р=3 и р=6 соответственно для АГ и ЭМТ при наличии 36 пазов изображена на рис. 4.

Рис. 4

При создании автономного источника стабильной частоты особое значение приобретает определение соотношений между токами, напряжениями и мощностями в отдельных элементах системы.

Целью исследований являлись экспериментальное определение указанных соотношений и проверка работоспособности устройства.

Экспериментальные исследования реализованы на макетном образце (рис. 1), созданном на базе двух электрических машин ЭМ1 и ЭМ2, генерирующих две системы трехфазных напряжений и1 и и2 близких частот/[//2 = 5/6.

Статорные обмотки машин соединены последовательно и подключены к нагрузке 2н через НПЧ. Цепи возбуждения машин подключены с различным порядком чередования фаз к источнику питания стабильной частоты /0, определяющему, в свою очередь, частоту выходного напряжения исследуемого устройства.

Осциллограммы выходного напряжения ин и тока статорной цепи 1г приведены на рис. 5 и 6.

хчЛД.

# / л 1 1

/ / У \ V /

V У

/*

1К

Рис. 5

Рис. 6

Зависимости основных величин, характеризующих работу источника от мощности нагрузки, приведены на рис. 7, 8, 9.

2 ,5 . и, о.е. . 1 ,5 . 1  0 ,5 . 0-

^ ин

/ иг

/ и1,и2

" у

0,5

Рн, о.е.

1

Рис. 7

Рис. 8

Рис. 9

Указанные зависимости могут быть аппроксимированы следующими уравнениями: иг = -0,1813Р„ + 1,0751; ии = -0,0408Р„ + 0,726;

1н = 1,4689Р„ - 0,0385; 1г = 1,2232Р„ - 0,0921;

Рг = 1,2032Рн - 0,0694; Р1 = 0,4686Р„ - 0,0617;

Обозначив коэффициенты преобразования:

К - к. К - К - Ц- К - а

-Кт — , -Ктт — , -Ктт 1 — , -Ктт 2 — , а — ,

Ь и/ и 1 и/ и 2 и/ Т2

результаты испытаний можно представить в виде таблицы.

1н а = 0,54 1н а = 1

Ки К Ки1 Ки2 Ки К Ки1 Ки2

0,57 2,17 1,44 0,92 0,5 0.54 1,960 1,35 0,68 0,69

1,0 2,10 1,43 0,91 0,5 0.89 1,955 1,35 0,68 0,68

1,4 2,05 1,40 0,89 0,5 1.26 1,950 1,26 0,69 0,70

Таким образом, в результате экспериментальных исследований однофазного автономного источника стабильной частоты была проверена его работоспособность, определены соотношения между токами, напряжениями и мощностями статорной цепи генератора. Результаты исследований могут быть использованы в качестве исходной базы для расчёта и проектирования источников с модуляцией напряжения генератора.

Трёхфазный автономный источник с электромашинным формированием кривой выходного напряжения, выходной каскад которого выполнен на базе двух асинхронных машин с последовательно соединенными якорными обмотками, является перспективным при электроснабжении переменным током стабильной частоты автономных объектов, так как имеет простую конструкцию и наилучшие массогабаритные показатели.

ЛИТЕРАТУРА

1. Брускин Д.Э. Генераторы, возбуждаемые переменным током: учеб. пособие для вузов / Д.Э. Брускин. М.: Высшая школа, 1974. 128 с.

2. Кузьмин В.М. Трёхфазный модуляционный вентильный генератор / В.М. Кузьмин, Ш.С. Ройз, В.С. Саяпин // Исследование специальных электрических машин и машинно-вентильных систем: межвуз. сб. науч. тр. Томск, 1979. С. 160-163.

3. Войтех А.А. Асинхронные электродвигатели с регулированием скорости /

A.А. Войтех, Г.М. Кирчек, Э.В. Лир. Киев: Техника, 1973. 172 с.

4. А.с. 1149357 СССР, МКИ 3 Н 02 М 5/48, Н 02 К 29/00. Машинно-вентильный источник трёхфазного напряжения стабильной частоты / Ш.С. Ройз, А.Б. Цукублин,

B.М. Кузьмин, А.И. Озга (СССР). № 3576674/24-07; заявл.11.04.83; опубл. 07.04.85, Бюл. № 13. 2 с.

Дубровский Игорь Николаевич -

соискатель кафедры «Электромеханика»

Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета

Кузьмин Вячеслав Матвеевич -

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электромеханика»

Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета

Статья поступила в редакцию 12.10.06, принята к опубликованию 26.12.06