Процессы электромеханического преобразования и передачи энергии от ударного генератора

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ Н ОРДЕН4 ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 265 1973

ПРОЦЕССЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ ОТ УДАРНОГО ГЕНЕРАТОРА

Г. А. СИПАИЛОВ, А. В. ЛООС, В. Ф. КУЛАКОВ

Для ряда физических исследований требуется импульсный ввод электрической энергии с помощью значительно большей, чем возможно взять из сети без нарушения ее устойчивой работы. В этих случаях используют промежуточный накопитель энергии, заряжаемый сравнительно медленно и способный затем в короткий промежуток времени передавать запасенную энергию в нагрузку. При времени передачи энергии в несколько миллисекунд и более перспективно использование электромашинных импульсных генераторов, представляющих собой сочетание-механического накопителя энергии и электрического преобразователя.

Из преобразователей энергии униполярного и биполярного типа ряд преимуществ по удельной мощности и условиям коммутации ударного тока выделяют биполярные машины, из которых наиболее выгодна синхронная машина. Высокое усиление мощности при работе в сверхпереходном режиме, отсутствие скользящего контакта, передача энергии при высоком напряжении и другие преимущества создают предпосылки эффективного использования ударного генератора синхронного типа.

В данной работе анализируются процессы преобразования кинетической энергии, запасенной в роторе ударного генератора, в электромагнитную энергию импульса тока. Как электромеханический преобразователь однофазный ударный генератор синхронного типа может быть описан известными уравнениями для электрических контуров однофазной синхронной машины:

6 4я

° = (гс + гн)1с +

иь = ГЫЬ +

01 сИ

О = Гоч+

и уравнением движения ротора

(3

0 = гО

СИ

Н]-^- + Мч+М0 = 0.

В этих уравнениях

Ч^ = 1с (Lc -f LH) 4- ibM cos y -f Iod M cos + iDq M sin -¡,

= ic M cos T + ibLb -f ir>d M ,

^Dd = ic M cos y + ib M + ÍDd Lod 5 ^Dq = ic M Sin Y + iDq LDq — потокосцепления контуров генератора,

М? = icM[iDqcosY — (ib + ÍDd)sinT] ~ электромагнитный момент, t

Y = J w dt — угол поворота ротора,

о

М0 — момент потерь холостого хода, Lh, RH — индуктивность и активное сопротивление нагрузки.

Система уравнений (1, 2) не имеет общего решения в области обычных алгебраических и трансцендентных функций и ее решение осуществлялось на АВМ [1].

Основным критерием характера переходных процессов, описываемых системой уравнений (1, 2), может служить величина критической индуктивности, определяемая из условия полного преобразования кинетической энергии маховых масс ротора в электромагнитную энергию полей рассеяния генератора и нагрузки:

Цф —

со

где

I — момент инерции ротора, о>о— начальная скорость вращения ротора, Ч^со— начальное потокосцепление обмотки статора. Выражение (4) получено при условии весьма мощной симметрично!-! демпферной системы на роторе, когда Ч^ь, ЧЪа, Ч^ остаются постоянными в течение переходного процесса. Если

Ьн + ас-М) + —-—---;->ЬКР'

;LH+V

1

+

-Dd

м

+

1

U

¿Vi

то при внезапном включении в нуль э.д.с. имеем апериодический разряд генератора, при котором скорость ротора в процессе работы уменьшается, достигая минимума, не равного нулю в момент наибольшего всплеска тока, и затем по мере уменьшения тока вновь возрастает. Осциллограм-

Рис. 1. Осциллограммы токов и скорости вращения ротора при различных характерах разряда 'на нагрузку

ма такого разряда представлена на рис. I а. Здесь и далее на осциллограммах ударный ток дается в долях от максимально возможного

2ЧГ»го lm ~ Ld" " *

С физической стороны работу генератора можно представить как процесс упругого сжатия магнитного потока, захваченного обмоткой якоря, в узком пространстве между омедненной поверхностью ротора и якорем. Магнитная энергия поля контура якоря увеличивается, и ток возрастает. Ротор, теряя кинетическую энергию на работу против поп-деромоторных сил, тормозится. За последующий полуоборот энергия магнитного поля за вычетом потерь, рассеиваемых в активных сопротивлениях, преобразуются в механическую энергию, ускоряя вращение ротора.

Если сверхпереходная индуктивность генератора в сумме с индуктивностью нагрузки равна критической L = LKp, имеем весьма неустойчивый критический режим, когда вся первоначально запасенная кинетическая энергия ротора расходуется на создание электромагнитных полей. Ротор двухполюсной машины через полоборота останавливается. Ударный ток, достигая к этому моменту максимума, в дальнейшем остается постоянным неопределенно длительное время (рис. 1,6). В реальной системе процесс затухает.

При суммарной индуктивности генератора и нагрузки, меньшей критической L<LKp, ток достигает максимума не через полоборота, а раньше. Ротор уменьшает свою скорость до нуля и затем реверсируется (рис. 1, в). Исходя из физической картины работы, это явление можно трактовать следующим образом. Здесь начальной кинетической энергии ротора недостаточно, чтобы до конца (до угла у = л) сжать магнитный поток, и поэтому ротор, теряя скорость по мере перехода его кинетический энергии в электромагнитную, останавливается при углах у<п и начинает вращаться в обратную сторону и затем снова в прямую и т. д., подобно маятнику.

Активные сопротивления стабилизируют неустойчивости критического режима и при достаточно большой их величине происходит устойчивый апериодический разряд без реверса скорости. В этом случае вся кинетическая энергия ротора будет передана в активные сопротивления.

Работа генератора с индуктивностью, близкой к критической, с одной стороны, интересна в отношении возможностей получения длительных импульсов тока и плоской вершиной, однако, с другой стороны, неэкономична, так как вследствие растяжки импульса возрастают потери, а амплитуда тока и соответственно передаваемая энергия уменьшаются. Осциллограммы решения (рис. 2), полученные при постоянной доброт-

ности цепи разряда = const), наглядно это доказывают. Разумеется,

в режиме, близком к критическому, использование кинетической энергии более полно. Однако повышение степени использования энергии ротора связано с трудностями достижения малой индуктивности и увеличением уровня потерь энергии в генераторе или нагрузке за импульс тока. Именно эти ограничения будут решающими при выборе глубины разряда.

На рис. 3 изображено изменение длительности импульса ударного тока tu в зависимости от величины L, выраженной в долях критической индуктивности LKp (при R = 0). С уменьшением постоянной времени Т,

2тт

заданной в периодах Т0 = —— начальной частоты, кривые резонансного

%

типа, характеризующие длительность импульса; смещаются влево. Практически максимальная длительность импульса ударного тока при

Рис. 3. Изменение длительности импульса в зависимости от параметров генератора и цепи нагрузки

Ь = Ь1фн будет конечной величиной, определяемой временем рассеяния 1

энергии — 1Шо2 в активных сопротивлениях генератора и нагрузки.

В экспериментах на моделях ударных генераторов с импульсной мощностью 0,5 Мва и 7,5 Мва режим разряда, соответствующий критическому или обычному вышекритическому, подбирался путем соответствующего изменения скорости вращения и форсировки потока возбуждения. Осциллограммы токов и скоростей в переходных процессах, полученные экспериментально и на АВМ (рис. 4), удовлетворительно совпадают, Погрешности вызваны в основном неточным моделированием

4С

Рис. 4. Сравнительные осциллограммы, снятые на модели ударного генератора и на АВМ

потерь и нееинуеоидальностью поля и тока вследствие значительного насыщения магнитной системы модели.

Таким образом, показана принципиальная возможность осуществления режимов разряда ударного генератора на нагрузку с высоким коэффициентом преобразования запасенной энергии в энергию полей рассеяния и нагрузки, что показывает большие возможности инерционных накопителей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Г. А. Сипай л о в, А. В. Л о о с, Э. И. С о б к о. Математическое моделирование переходных процессов однофазного синхронного генератора. < Электротехника», 1972, № 10.