Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА ПЕРВАЯ Анализ современного состояния теории и практики асинхронного генератора
1.1. Области применения автономных асинхронных генераторов 15
1.2. Обзор трудов и выполненных исследований АГ 19
ГЛАВА ВТОРАЯ. Самовозбуждение асинхронного генератора
2.1. Экспериментальные исследования самовозбуждения 33
2.1.1. Асинхронный генератор с ферромагнитным короткозамкнутымротором... 33
2.1.2. Асинхронный генератор с фазным ротором 47
2.1.3. Асинхронный генератор с полым немагнитным ротором 55
2.1.4. Многоскоростной асинхронный генератор 58
2.2. Особенности самовозбуждения автономных генераторов . 60
2.2.1. Автогенераторные и стартерные условия самовозбуэюдения генератора постоянного тока и асинхронного генератора 60
2.2.2. Конденсаторное самовозбуждение асинхронного генератора с полым немагнитным ротором . .93
2.3. Определение границ области самовозбуждения автономного асинхронного генератора с учетом потерь в стали, остаточной индукции ротора и нагрузки 101
ГЛАВА ТРЕТЬЯ. Стабилизация напряжения автономного асинхронного генератора путем использования электроприемников с индивидуальными конденсаторами
3.1. Особенности работы серийного асинхронного двигателя в генераторном режиме .120
3.2. Статические режимы работы автономного асинхронного генератора и электроприемников с постоянным коэффициентом мощности и индивидуальными конденсаторами 131
3.3. Переходные процессы в автономном асинхронном генераторе при подключении электроприемника с постоянным коэффи -циентом мощности и индивидуальными конденсаторами - 141
3.4. Статические режимы работы автономного асинхронного генератора и электроприемников с переменным коэффициентом мощности и индивидуальными конденсаторами .154
3.5. Переходные процессы в автономном асинхронном генераторепри подключении электроприемника с переменным коэффициентом мощности и индивидуальными конденсаторами .163
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. Асинхронный генератор с фазным ротором
4.1. Математическое моделирование асинхронного генератора с фазным ротором с учетом потерь в стали статора и ротора 173
4.2. Регулировочные характеристики и КПД автономного асинхронного генератора с фазным ротором 189
4.3. Определение границ области самовозбуждения асинхронного генератора с фазным ротором 196
4.4. Исследование автономного асинхронного генератора с параллельным соединением обмоток статора и фазного ротора 207
ГЛАВА ПЯТАЯ. Асинхронная машина с конденсаторами в цепи фазного ротора
5.1. Механические характеристики машины 223
5.1.1. Механические характеристики при работе в двигательном режиме 223
5.1.2. Механические характеристики в генераторном режиме 230
5.2. Определение границ области самовозбуждения асинхронной машины с конденсаторами в цепи фазного ротора .239
5.3. Динамические режимы работы 243
ГЛАВА ШЕСТАЯ. Асинхронный вентильный и сварочный генераторы с конденсаторным самовозбуждением
6.1. Математическое моделирование асинхронного вентильного генератора 255
6.2. Математическое моделирование асинхронного вентильного генератора с двумя обмотками статора ... 266
6.3. Асинхронный сварочный генератор с двумя обмотками статора 279
Заключение ... 298
Список литературы .301
- Автогенераторные и стартерные условия самовозбуэюдения генератора постоянного тока и асинхронного генератора
- Переходные процессы в автономном асинхронном генераторе при подключении электроприемника с постоянным коэффи -циентом мощности и индивидуальными конденсаторами
- Регулировочные характеристики и КПД автономного асинхронного генератора с фазным ротором
- Определение границ области самовозбуждения асинхронной машины с конденсаторами в цепи фазного ротора
Введение к работе
Актуальность темы. При одинаковых электромагнитных нагрузках, частоте вращения и прочих равных условиях масса асинхронного генератора (без устройств системы возбуждения) значительно меньше массы синхронного генератора. Так, в диапазоне изменения мощностей 5-100 кВт масса автономного асинхронного генератора (ААГ) примерно в 1,3-1,4 раза меньше классического синхронного генератора и в 2-3 раза меньше массы бесконтактного синхронного генератора (например, индукторного). Однако широкому внедрению ААГ долгое время препятствовали значительная масса и стоимость конденсаторов возбуждения. В настоящее время эта проблема отошла на второй план, поскольку в России созданы высокоэффективные пленочные самовосстанавливающиеся конденсаторы серии К78-17. Удельная масса конденсаторов этой серии более чем в три раза меньше массы конденсаторов предыдущей серии. Например, при частоте 50 Гц конденсатор серии К78-17 емкостью 35 мкФ с рабочим напряжением 500 В имеет удельную массу ОД 09 кг/кВАр.
Такое качественное улучшение характеристик конденсаторов создало предпосылки для расширения области применения ААГ с конденсаторным самовозбуждением, что в свою очередь невозможно без проведения соответствующих исследований, а также углубления некоторых теоретических положений.
В частности, не до конца раскрыт механизм влияния остаточной индукции ротора и статора на самовозбуждение ААГ. Как следствие этого, отсутствуют теоретически обоснованные рекомендации, гарантирующие надежное конденсаторное самовозбуждение ААГ, в том числе, и ААГ с полым немагнитным ротором. Нет ясности и в вопросе жесткого и мягкого самовозбуждения, поскольку в одном случае эти понятия используют для оценки начальных условий самовозбуждения (возмущение, толчок, стартёр), а в другом - для оценки характера изменения амплитуды колебаний при
изменении какого-либо параметра автоколебательной системы, например, емкости конденсаторов. Таким образом, уточнение и дальнейшее развитие теории асинхронного самовозбуждения является важной научной задачей.
Известно, что при частоте 50 Гц максимальная скорость вращения ротора обычного двухполюсного ААГ ограничена значением, которое с учетом скольжения составляет величину чуть большую 3000 об/мин. В свою очередь массогабаритные показатели ААГ, а также приводного двигателя, например, двигателя внутреннего сгорания, зависят от скорости вращения. Следовательно, разработка и исследование ААГ, генерирующего напряжение частотой 50 Гц при скорости вращения ротора более 3000 об/мин также является актуальной задачей, поскольку позволяет существенно улучшить массогабаритные показатели автономных энергоустановок, например, бензоэлектрических агрегатов.
Одним из серьезных препятствий на пути внедрения ААГ в автономных системах является проблема создания простой и надежной системы стабилизации напряжения, что требует проведения соответствующих исследований.
В некоторых автономных системах вентильные генераторы на базе АГ могут составить серьезную конкуренцию коллекторным генераторам постоянного тока и вентильным генераторам на базе синхронных машин. Интенсивная изобретательская деятельность позволила создать сварочный генератор на базе АГ с конденсаторным самовозбуждением, который превосходит по своим характеристикам существующие сварочные генераторы. Естественно, что исследование новой конструкции невозможно без разработки её математической модели и проведения экспериментов.
Цель и задачи исследования. Целью работы является уточнение теоретических аспектов конденсаторного самовозбуждения ААГ, выявление новых областей применения ААГ, разработка принципиально новых устройств на основе ААГ с конденсаторным самовозбуждением, обладающих лучшими массогабаритными и иными показателями по сравнению с существующими
устройствами, создание методик расчета динамических и установившихся режимов их работы.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
изучить особенности самовозбуждения ААГ различных конструкций, в том числе, ААГ с полым немагнитным ротором, установить взаимосвязь между самовозбуждением ААГ и остаточной индукцией статора и ротора, выявить зависимость остаточной индукции от предшествующего режима работы ААГ и времени, уточнить методики расчета границ области конденсаторного самовозбуждения ААГ с учетом потерь в стали, остаточной ЭДС и нагрузки, обосновать необходимость разбиения условий самовозбуждения ААГ на две группы: автогенераторные и стартёрные;
выявить особенности работы серийного асинхронного двигателя в генераторном режиме, разработать простую и надежную систему стабилизации напряжения ААГ на основе использования электроприемников с индивидуальными конденсаторами, составить схемы замещения, вывести уравнения динамики и статики такой системы, провести анализ возможности её использования в автономных системах электроснабжения;
исследовать работу автономного АГ с фазным ротором при наличии конденсаторов в цепи статора и ротора, построить регулировочные характеристики, определить границы области самовозбуждения, разработать соответствующие математические модели статики и динамики;
изучить особенности работы асинхронной машины, подключенной к сети, при наличии конденсаторов в цепи фазного ротора; определить границы области самовозбуждения, разработать соответствующие математические модели статики и динамики, построить механические характеристики, исследовать перспективы использования такой системы при крутопадающей механической характеристике исполнительного механизма;
исследовать двухполюсный ААГ с конденсаторным самовозбуждением, у которого обмотка статора и обмотка фазного ротора соединены параллельно,
определить границы области самовозбуждения, разработать математическую модель;
6. исследовать работу вентильного АГ с одной и двумя обмотками статора, создать сварочный генератор на базе обычной асинхронной машины, провести сравнительный анализ его характеристик с характеристиками существующих сварочных генераторов, разработать соответствующие математические модели.
При решении поставленных задач соискатель опирался на труды известных ученых, внесших значительный вклад в развитие теории электромеханических преобразователей, в том числе асинхронных и вентильных генераторов, а также машин двойного питания: Алиевский Б.Л:, Балагуров В.А., Бертинов А.И., Беспалов В.Я., БудзкоИ.А., БутД.А., Бохян С.К., Бояр-Созонович СП., Веников В.А., Винокуров В.А, Вольдек А.И., Иванов А.А., Иванов-Смоленский А.В., Кононенко В.В., Копылов И.П., Костырев М.Л., КитаевА.В., Кицис СИ., Кузнецов В.А., ЛоосА.В., Мамедов Ф.А., Нетушил А.В., Новиков А.В., Орлов И.Н., Петров Л.П., Постников И.Л., Радин В.И., Сипайлов Г.А., Скороспешкин А.И., Соколов М.М, Торопцев Н.Д., Фильц Р.В., Фришман B.C., Шакарян Ю.Г., Шапиро Л.Я., Щедрин Н.Н. и др.
Методы исследования. При исследовании самовозбуждения ААГ, проектировании и создании новых конструкций ААГ применялись как теоретические, так и экспериментальные методы.
При математическом моделировании использовались методы теории обобщенного электромеханического преобразователя, методы теории устойчивости, методы теории нелинейных электрических цепей, численные методы, в том числе методы Рунге-Кутты и Ньютона-Рафсона и методы, связанные с матрицами. При разработке программ расчета использовались языки программирования MS1 Visual С++4.1 я MS Fortran PowerStation 4.0.
Истинность теоретических результатов подтверждается
многочисленными экспериментальными исследованиями самовозбуждения АГ различных конструкций: с короткозамкнутым и фазным ротором,
многоскоростного АГ и АГ с полым немагнитным ротором, а также исследованиями установившихся и динамических режимов работы опытных образцов асинхронного сварочного генератора и АГ при подключении электроприемников с индивидуальными конденсаторами.
Достоверность теоретических исследований подтверждается совпадением результатов расчета и эксперимента, расхождение между которыми в большинстве случаев не превышает 10 %.
Научная новизна. Решение поставленных задач определило научную новизну диссертационной работы, которая заключается в следующем.
1. В ходе экспериментальных исследований установлено, что амплитуда и
форма кривой остаточной ЭДС, а также её изменение во времени зависят от
предшествующего режима, в котором работал ААГ, например, холостой ход
или КЗ. Доказано, что при плавном увеличении емкости конденсаторов, вплоть
до самовозбуждения, ААГ работает в режиме синхронного генератора.
Внесены уточнения в теорию конденсаторного самовозбуждения ААГ. В
частности, предложена методика расчета границ области самовозбуждения в
плоскости параметров 1/С, гх с учетом потерь в стали, остаточной ЭДС и
нагрузки. Предложено разбить условия самовозбуждения ААГ на стартёрные и автогенераторные. Выявлены общие закономерности и отличительные особенности самовозбуждения генератора постоянного тока и ААГ. Проведен анализ самовозбуждения ААГ с полым немагнитным ротором. Впервые дана классификация стартёров, запускающих процесс самовозбуждения автономных генераторов.
Предложена новая система стабилизации напряжения, основанная на использовании электроприемников с индивидуальными конденсаторами. Разработана методика расчета этой системы в установившихся и динамических режимах.
Разработана методика расчета границ области самовозбуждения ААГ при наличии конденсаторов в цепи статора и фазного ротора. Установлено, что при соответствующем выборе емкости конденсаторов в цепи фазного ротора,
11 максимальный и пусковой моменты, развиваемые асинхронной машиной, подключенной к сети, значительно превосходят номинальные значения этих моментов.
Предложена методика расчета динамических режимов работы двухполюсного ААГ с конденсаторным самовозбуждением, обмотки статора и ротора которого соединены параллельно, а скорость ротора при частоте 50 Гц равна 6000 об/мин. Проведен анализ границ области самовозбуждения такого ААГ.
Разработаны математические модели асинхронных вентильных генераторов с конденсаторным самовозбуждением в трехфазной заторможенной системе координат а, /?, у> как с одной, так и с двумя обмотками на статоре.
Разработана и запатентована конструкция асинхронного сварочного генератора, предложена соответствующая математическая модель и методика расчета генератора. Установлено, что этот генератор обладает существенными преимуществами по сравнению с серийными сварочными генераторами.
Установлено, что номинальная мощность генераторного режима серийного двигателя в зависимости от его мощности и числа полюсов обычно меньше или приблизительно равна номинальной мощности двигателя. Ранее считалось, что эта мощность больше номинальной мощности двигателя на величину обратную КПД двигателя, т.е. на 1/% . Разработана методика, которая позволяет рассчитать номинальную мощность генераторного режима серийного асинхронного двигателя.
Практическая ценность. Результаты работы - это научно обоснованные технические решения, рекомендации, методики расчета, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области электромашиностроения при создании асинхронных генераторов для автономных систем электроснабжения.
Получены теоретические и экспериментальные результаты, которые раскрывают особенности самовозбуждения ААГ различных конструкций, что
повышает качество проектирования, изготовления и эксплуатации ААГ с конденсаторным самовозбуждением.
Разработан способ стабилизации напряжения ААГ, который позволяет создать простые и надежные автономные системы электроснабжения.
На основе теоретических и экспериментальных исследований разработан двухполюсный ААГ со скоростью вращения фазного ротора 6000 об/мин при частоте 50 Гц, который позволяет повысить КПД и снизить массу бензоэлектрических агрегатов, а также открывает определенные перспективы использования таких ААГ в декомпрессорах газа.
Разработан асинхронный вентильный АГ с двумя обмотками статора, который при использовании в бензоэлектрических агрегатах, предназначенных для зарядки аккумуляторов, уменьшает их стоимость и массогабаритные показатели.
В ходе теоретических и экспериментальных исследований, разработан, изготовлен, запатентован (патент №2211519) и внедрен в производство асинхронный сварочный генератор с конденсаторным самовозбуждением. Данный генератор позволяет получить качественный сварочный шов при проведении дуговой электросварки штучным электродом и превосходит, с точки зрения массогабаритных показателей, существующие серийные промышленные образцы.
Предложен способ увеличения в 1,4-2,5 раза пускового момента асинхронной машины с фазным ротором относительно номинального максимального (критического) момента, что позволяет уменьшить номинальную мощность двигателя при его использовании в электроприводах с крутопадающей механической характеристикой исполнительного механизма. Предложен также способ создания значительного момента при работе такой машины в режиме рекуперативного торможения.
Разработаны программы расчета, которые могут использоваться в ходе проектирования предложенных конструкций и систем с АГ.
Внедрение результатов работы. Опытный образец асинхронного сварочного генератора (патент №2211519) успешно используется при сварке газопроводов в ООО «Ставропольрегионгаз» (г. Ставрополь).
Технические предложения, методики и программы расчета АГ, ротор которого при частоте 50 Гц вращается с частотой 6000 об/мин, использованы в проектно-конструкторской деятельности ООО «Кубаньгазпром» (г. Краснодар) при разработке декомпрессора газа.
Методики и программы расчета АГ при подключении нагрузки с индивидуальными конденсаторами внедрены в ГУ Карачаево-Черкесский научно-исследовательский институт сельского хозяйства Россельхозакадемии при разработке переносной рукавной мини ГЭС для электроснабжения автономных потребителей в высокогорных районах республики.
Разработанные методики и программы расчета асинхронного сварочного генератора с разветвленной магнитной системой (патент №2111599), которые имеют Windows интерфейс и написаны на MS Visual C++ и MS Fortran PowerStation, внедрены в ООО «Научно-технический центр» (г. Ставрополь).
Полученные результаты также внедрены в учебный процесс подготовки инженерных кадров на энергостроительном факультете Карачаево-Черкесской государственной технологической академии.
Основные положения, которые выносятся на защиту 1. Единый подход к объяснению самовозбуждения автономных генераторов различных конструкций (АГ, ГПТ, СГ), основанный на представлении этих генераторов, как систем с положительной обратной связью. Методика расчета автогенераторных и стартёрных условий самовозбуждения. Классификация стартёров автономных генераторов.
Методика расчета границ области самовозбуждения ААГ с учетом стартёрных условий самовозбуждения.
Математические модели и методики расчета статических и динамических режимов работы:
автономного АГ при подключении электроприемников с индивидуальными конденсаторами;
автономного АГ с фазным ротором при различных схемах подключения обмоток статора и ротора к конденсаторам возбуждения;
асинхронной машины с конденсаторами в цепи фазного ротора;
асинхронного сварочного и вентильных генераторов.
4. Опытный образец асинхронного сварочного генератора, который защищен патентом РФ и по ряду показателей превосходит существующие образцы.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы электромеханики (К 100-летию изобретения трехфазного асинхронного двигателя)" в г. Москве в 1989 г.; на VI Всесоюзной научно-технической конференции "Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов" в г.Бишкеке в 1991г.; на IV Международной конференции «Нетрадиционные электромеханические и электрические системы» (UEES'99) в г. Санкт-Петербурге в 1999 г.; на Международном симпозиуме «Российский национальный симпозиум по энергетике» (РНСЭ) в г. Казани в 2001 г.; на Международном симпозиуме «Проблемы совершенствования электрических машин и аппаратов. Теория и практика» (SIEMA'2001) в г. Харькове в 2001 г. на Четвертой южнороссийской научной конференции «Энерго и ресурсосберегающие технологии и установки» в г. Краснодаре в 2005 г.
Публикации. Общее количество публикаций по теме диссертации - 52, в том числе, в реферируемых журналах - 39, в зарубежных журналах - 1, авторские свидетельства и патенты - 6.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 365 страниц текста, набранного с полуторным межстрочным интервалом и шрифтом 14 пунктов, 179 рисунков, 13 таблиц. Состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и 12 приложений.
Автогенераторные и стартерные условия самовозбуэюдения генератора постоянного тока и асинхронного генератора
Существуют различные механические, электрические и другие устройства и системы, в которых имеет место самовозбуждение. По своей сути процесс самовозбуждения - явление динамическое, поэтому анализ системы дифференциальных уравнений данного устройства позволяет оценить его склонность к самовозбуждению, т.е. оценить устойчивость [15, 23, 34, 35, 99, 131,181].
Существующие методы анализа самовозбуждения дают хорошие результаты, если параметры системы в момент нарушения устойчивости известны. Это имеет место, во-первых, в линейных (до наступления самовозбуждения) системах, во-вторых, в нелинейных системах, которые в первом приближении можно считать линейными, и в-третьих, в существенно нелинейных системах, если возмущающие факторы, в виду своей малости или стабильности, не вызывают значительный «люфт» нелинейных параметров системы при каждом последующем самовозбуждении. В противном случае, точность таких методик заметно снижается. Например, самовозбуждение асинхронного генератора (АГ) с полым немагнитным ротором при отсутствии «сильных» возмущающих факторов происходит практически при одном и том же значении емкости конденсаторов и взаимной индуктивности обмоток. С другой стороны «разброс» значений емкости конденсаторов и взаимной индуктивности при самовозбуждении АГ с ферромагнитным ротором может достигать почти двукратного значения в зависимости от остаточной индукции ротора (рис. 2.20, рис. 2.22). Аналогичная зависимость параметров от остаточной индукции имеет место и в ГПТ.
Один из первых способов учета такого влияния в автономном асинхронном генераторе с конденсаторным самовозбуждением (АГ) был предложен в работе [139] и развит в работах [137, 138]. Основной вывод этих работ сводится к тому, что «монотонный или немонотонный характер кривой L0 = f(U) и соответственно мягкий или жесткий режим возбуждения в значительной мере зависит от остаточного намагничивания ротора машины» [139], где L0 - эквивалентная взаимная индуктивность. Следует отметить, что данный вывод противоречит экспериментам, поскольку известно, что при варьировании емкости конденсаторов самовозбуждение АГ происходит при большем значении емкости, а срыв возбуждения - при меньшем. Таким образом, в генераторе зависимость U = /(с) имеет петлевой характер [53, 208], что свидетельствует о жестком режиме самовозбуждения [14, 15, 37]. Впрочем, в понятия «жесткое» и «мягкое» самовозбуждение авторы очень часто вкладывают различный смысл. Так, в теории автоматического регулирования принято считать, что если самовозбуждение возникает от сколь угодно малого возмущения, то такое самовозбуждение - «мягкое», а если требуется достаточно сильный толчок, то - «жесткое» [163, 185], аналогичный подход имеет место й в [7, 91]. Некоторые авторы под мягким самовозбуждением подразумевают режим, когда амплитуда колебаний плавно нарастает с увеличением какого-либо параметра автогенератора, например, в ламповом генераторе это может быть взаимная индуктивность обмоток трансформатора обратной связи М . Если колебания возбуждаются при большем значении М , а срываются при меньшем значении Ы, то такой режим называют жестким режимом самовозбуждения [15, 37]. Естественно, что зависимость U = f(M) в этом случае также является петлевой, как и U = /(С) в асинхронном генераторе. Таким образом, одни авторы используют понятия «мягкое» и «жесткое» возбуждение при оценке возмущения, которое необходимо для начала самовозбуждения, а другие - для анализа изменения амплитуды при самовозбуждении. В [35] эти понятия используются, как при оценке возмущения, так и при оценке изменения амплитуды. Следует отметить, что двойной смысл, вкладываемый в понятия «мягкое» и «жесткое» самовозбуждение, приводит к некоторой неопределенности. Последнее, как будет показано ниже, связано с тем, что «жесткое» самовозбуждение, с точки зрения изменения амплитуды напряжения, может возникнуть не только при «жестком» (сильном), но и при «мягком» (бесконечно малом) возмущающем воздействии (стартёре). В силу этого, в данной работе понятия «жесткий» и «мягкий» режим самовозбуждения используются только при оценке изменения амплитуды напряжения. Для оценки возмущения, которое необходимо при самовозбуждении, используются термины «сильный» и «бесконечно слабый» стартёр. Для выявления общих закономерностей самовозбуждения различных электрических машин проведем совместный анализ самовозбуждения генератора постоянного тока параллельного возбуждения (ГПТ) и АГ. Начнем с ГПТ. Представим ЭДС вращения генератора в следующем виде: здесь f = рп - частота ЭДС; р - число пар полюсов; п - частота вращения якоря, выраженная в оборотах в секунду; М - взаимная индуктивность обмоток. Работу ГПТ без нагрузки можно описать с помощью следующего дифференциального уравнения [12]: где: гв = гов + г ; гов - активное сопротивление обмотки возбуждения; г -регулировочное сопротивление; гя - сопротивление цепи обмотки якоря; Ьв, Ья - индуктивности рассеяния обмоток. В данном случае намагничивающий ток ім, протекающий в обмотке возбуждения, равен току в цепи якоря, т.е. / = /. Характеристическое уравнение дифференциального уравнения (2.2) имеет следующий вид: р + ах = 0. Согласно критерию Гурвица неустойчивость начального состояния, т.е. самовозбуждение, имеет место при ах 0. С учетом того, что LB + Ья 0, условие самовозбуждения формулируется в виде: Согласно [12] выражение (2.3) является внутренним условием самовозбуждения, а внешним - согласованность направления вращения якоря и подключения обмоток ГПТ, при котором имеющийся остаточный поток направлен в ту же сторону, что поток обмотки возбуждения. Остаточный поток является возмущающим фактором. К сожалению, термины внутреннее и внешнее условия самовозбуждения, введенные профессором В.А. Толвинским при рассмотрении ГПТ, не получили широкого распространения при анализе других самовозбуждающихся систем. Возможно одной из причин «отторжения» этих терминов послужило то, что еще до появления ГПТ использовались и до сих пор используются другие термины, которые дают более четкое представление, как о сути условий самовозбуждения, так и о функциональном предназначении устройства, которое является частью самовозбуждающейся системы. Так, для запуска (самовозбуждения) двигателя внутреннего сгорания используется стартёр, а для запуска экономической деятельности какой-либо фирмы необходим стартовый капитал.
В связи с этим при анализе самовозбуждения будем использовать понятия «стартёрные» и «автогенераторные» условия самовозбуждения [71]. Под первым термином, будем подразумевать любое воздействие на систему, которое, во-первых, усиливается за счет положительной обратной связи (ОС), существующей в этой системе, и приводит к самовозбуждению, а во-вторых, способствует, при необходимости, изменению параметров системы с тем, чтобы эта положительная ОС могла иметь значение достаточное для самовозбуждения. Под вторым термином - соотношение параметров системы, при котором возникает процесс самовозбуждения, и устанавливаются автоколебания. Следует отметить, что в большинстве работ, посвященных самовозбуждению, представлены результаты анализ автогенераторных условий, т.е. условий устойчивости. Что же касается стартёров, то публикаций, посвященных их анализу и влиянию на самовозбуждение, практически нет.
Переходные процессы в автономном асинхронном генераторе при подключении электроприемника с постоянным коэффи -циентом мощности и индивидуальными конденсаторами
Для оценки режима самовозбуждения ГПТ (жесткий или мягкий) воспользуемся рис. 2.34. При разомкнутой цепи ОС, т.е при г]рег = х и r\z = гов + г\Рег + гя - ток на входе системы 1ех намагничивает ГПТ и создает остаточную ЭДС (точка 1). При этом ток обратной связи 10С = 0. Уменьшение сопротивления цепи ОС за счет регулировочного сопротивления в цепи обмотки возбуждения г2 г1рег ведет к уменьшению угла наклона прямой U - Iocrz, и появлению тока обратной связи (тока в обмотке возбуждения) 10С 0. При этом возрастает коэффициент усиления всей системы (2.7), а, следовательно, и ЭДС генератора (точка 2). Аналогичные процессы происходят и в дальнейшем при уменьшении сопротивления цепи ОС r4Z гъг r2Z rxt (точки 3 и 4). При rz r4Z отключение стартёра приводит к потере возбуждения, т.к. автогенераторное условие не выполняется. Его соблюдение начинается при rz r4Z, т.е. rAZ является критическим значением. При rz=r4Z отключение стартёра приведет только к уменьшению напряжения ГПТ (точки 4 и 3). Дальнейшее уменьшение сопротивления не вносит принципиальных изменений, за исключением того, что отключение стартёра 1вх = 0 приводит к меньшему изменению напряжения (точки 5 и 6). Сопротивление гьг имеет такое значение, при котором обеспечивается самовозбуждение ГПТ при бесконечно слабом стартёре. В данном случае каждая прямая U = Iocrz пересекает зависимость Е = /\ІМ) в одной точке. Однако это не всегда соблюдается. Уменьшение входного тока, создаваемого стартёром, приводит к тому, что некоторые из этих прямых могут пересекать зависимость E = f[I ) в нескольких точках. Например, прямая U = 10Сг , которая раньше при 1ех пересекала кривую ЭДС в одной точке (точка 4, рис. 2.34 и рис. 2.35), при входном токе 1[х 1ех пересекает её в трех точках а, Ь, с (рис. 2.35).-Точки а я с являются устойчивыми, а точка b - неустойчивой. начинается переходной процесс самовозбуждения, который завершается в точке h. Плавное перемещение прямой U = Iocr4t вправо позволяет найти оптимальный входной ток 1вхопт (стартёр) и соответствующую ему критическую точку/ Следует напомнить, что значение сопротивления r4Z является наибольшим значением, при котором выполняются автогенераторные условия. Следовательно, при rz r4Z начинается процесс самовозбуждения, который завершается в точке g. По мере уменьшения входного тока необходимо увеличивать коэффициент ОС, т.е. уменьшать наклон кривой U = Iocr4l. При этом в установившемся режиме самовозбуждения ГПТ будет работать в режиме сильного насыщения, особенно при бесконечно слабом стартёре. Таким образом, чем больше входной ток, создаваемый стартёром, тем меньшим может быть коэффициент ОС и насыщение ГПТ при работе в установившемся режиме с самовозбуждением. Следует отметить, что самым надежным самовозбуждением является возбуждение с помощью бесконечно слабого стартёра. По мере увеличения ОС при гг гьг напряжение возрастает скачком до точки 6 (рис. 2.34), а после, по мере уменьшения ОС, напряжение вначале снижается до точки 3 (r4 rz riZ), а затем при rs r4Z скачком уменьшается до нуля. Таким образом, изменение ЭДС носит петлевой характер, т.е. имеет место жесткое возбуждение при бесконечно слабом стартёре. При использовании прежней терминологии такое возбуждение являлось бы одновременно жестким (с точки зрения изменения амплитуды) и мягким самовозбуждением (с точки зрения начального возмущения). Следует отметить, что при проектировании ГПТ обмотку возбуждения рассчитывают без учета особенностей самовозбуждения [151], поэтому при бесконечно слабом стартёре и номинальной скорости вращения якоря автогенераторное условие не выполняется. В этом случае для возбуждения ГПТ необходимо увеличить скорость якоря до некоторого критического значения помощью стороннего источника, т.е. создать сильный стартёр. Часто при наличии достаточно сильного стартёра (рис. 2.34) возникает иллюзия мягкого самовозбуждения, т.к. при плавном уменьшении г , т.е. увеличении коэффициента ОС Кос = у{гов + грег+гя), ЭДС плавно возрастает, а при плавном уменьшении г происходит плавное уменьшение ЭДС. Однако это не так, поскольку отключение стартёра при глъ гг оо, когда автогенераторное условие (2.11) не выполняется, приводит к потери возбуждения. Когда входной ток, создаваемый стартёром, несколько меньше, например, Гвх (рис. 2.35), то самовозбуждение наступает, если rs r6Z. При этом ЭДС возрастает скачком (точка И). Плавное увеличение сопротивления в цепи ОС приводит к плавному уменьшению ЭДС. Если стартёр отключен, то при достижении точки 3 ГПТ теряет возбуждение, и ЭДС скачком уменьшается до нуля, т.е. изменение ЭДС носит петлевой характер. Таким образом, в ГПТ имеет место жесткое самовозбуждение, как с сильным стартёром, так и с бесконечно слабым стартёром, что обусловлено наличием экстремума в кривой М = f[lM). Что касается АГ, то его отличительной особенностью является то, что у него коэффициенты усиления и ОС являются комплексными числами [83], а не вещественными, как в ГПТ. Последнее связано с тем, что в АГ при самовозбуждении изменяется не только амплитуда, но и частота ЭДС. Для определения этих коэффициентов воспользуемся схемой замещения АГ, которая представлена на рис. 2.36. Преобразуем её относительно нелинейности М и введем входной ток, который имеет ту же частоту, что и ЭДС генератора (рис. 2.37). Как и в ГПТ этот ток суммируется с током обратной связи по магнитной цепи, поэтому электрическая цепь этого тока не имеет принципиального значения и не показана на рис. 2.37.
Регулировочные характеристики и КПД автономного асинхронного генератора с фазным ротором
Остаточная индукция ротора уменьшается, уменьшается и напряжение АГ. Таким образом, при переходе от синхронного режима к асинхронному в АГ протекают достаточно сложные процессы, расчет которых, без принятых допущений, выходит за рамки данной работы. Следует отметить, что увеличение емкости конденсаторов приводит не только к увеличению напряжения и угла нагрузки, но и к росту взаимной индуктивности, т.е. к расширению области самовозбуждения. Согласно расчету емкость конденсаторов, взаимная индуктивность и угол нагрузки, при которых АГ выпадает из синхронизма, соответственно равна: С = 0,6603; М = 1,4467; & = 1,4467рад. Следует отметить, что это значение емкости конденсаторов практически совпало с экспериментальным значением, т.е. с С = 0,662, полученным при близком значении остаточной ЭДС Еост = 0,00803 (рис. 2.22).
Поскольку на область самовозбуждения оказывает влияние остаточная индукция ротора (ЭДС), то определенный интерес представляет вопрос о его оптимальном значении. Сделаем допущение о том, что нарушение синхронного режима АГ происходит при в к\2. Тогда в уравнении (2.32) примем в качестве неизвестных реактивную составляющую намагничивающего тока / = х, + у0 и емкость конденсаторов возбуждения С - хг. Результаты расчета, полученные при в = ж/2 и со = сор = 1, представлены на рис. 2.54. Зависимости 1/С = f(Eocnl) изображены в виде сплошных линий, а М = f\Eocm) - в виде пунктирных линий. По мере увеличения остаточной ЭДС емкость конденсаторов, при которой АГ переходит в асинхронный режим, уменьшается, достигает минимального значения, а затем начинает возрастать. С точностью, но наоборот ведет себя взаимная индуктивность. При принятых допущениях и данных параметрах АГ оптимальное значение остаточной ЭДС (индукции) равно Е ост = 0,034. При этом 1/С = 1,77, что несколько больше значения 1/С = 1,71, найденного по кривой 1 рис. 2.51 (г, = 0,12). Это свидетельствует о том, что по сравнению с режимом асинхронного самовозбуждения выпадение из синхронизма происходит при меньшем значении емкости конденсаторов. Увеличение активного сопротивления статора приводит к смещению точки экстремума в сторону больших значений ЭДС. Кривые 1 соответствуют г, = 0,12, а кривые 2 - rx = 0,6 (рис. 2.54).
Известно, что электротехническая сталь, из которой обычно выполняют ротор АГ, имеет узкую петлю гистерезиса, и как следствие, относительно маленькую остаточную индукцию, которая наводит небольшую ЭДС в обмотке статора. Экспериментальные исследования показали, что при номинальной частоте вращения ротора максимальное значение остаточной ЭДС не превышает Еост 0,0\, что меньше оптимального значения. В силу этого не удается получить максимально возможную площадь области самовозбуждения. Следует отметить, что увеличение остаточной ЭДС сверх оптимального значения, например, путем подбора магнитных материалов или изменения конструкции АГ, приводит к уменьшению площади области самовозбуждения.
Следует подчеркнуть, что при фиксированном значении остаточной ЭДС и изменении активного сопротивления статора происходит изменение взаимной индуктивности (рис. 2.54), в отличие от случая, когда фиксированное значение намагничивающего тока синхронной частоты обеспечивает неизменность взаимной индуктивности (кривая 3, рис. 2.51). Для оценки влияния сопротивления статора на взаимную индуктивность АГ воспользуемся результатами расчета зависимостей 1/0 = /( ) и М = f(rx) при «9 = яг/2, со = (ор = 1 и различных значениях остаточной ЭДС (рис. 2.55). Кривые 1 получены при Еост =0,003, кривые 2 - при Еост =0,008, 3 - Е ост =0,034; 4 ,,, =0,084; 5 - Яоси=0,15. Кривые изменения взаимной индуктивности показаны в виде пунктирных линий. Полученные результаты показывают, что если ЭДС меньше оптимального значения, которое рассчитано для номинального сопротивления статора, т.е. для г, =0,12, то увеличение сопротивления статора приводит к уменьшению взаимной индуктивности, а, следовательно, и к увеличению емкости конденсаторов, при которых АГ выпадает из синхронизма (кривые 1 и 2). Если остаточная ЭДС больше оптимального значения, то увеличение сопротивления наоборот приводит к увеличению взаимной индуктивности, т.е. к уменьшению емкости конденсаторов. Кривые, представленные на рис. 2.55, позволяют определить границы области асинхронного самовозбуждения с учетом остаточной ЭДС. Для этого необходимо задаться рядом значений сопротивлений статора и определить взаимные индуктивности, которые соответствуют этим сопротивлениям. Например, при Еост= 0,003 (пунктирная кривая 1, рис. 2.55) взаимная индуктивность принимает значения: 1,201; 1,139; 1,096; 1,064, соответственно при гх\ 0,1; 0,2; 0,3; 0,4. После этого строим границу асинхронного самовозбуждения при неизменной взаимной индуктивности, например, М-1,201, используя выражения (2.29) и (2.30) (рис. 2.56). Находим точки пересечения этой границы с прямой, которая проведена перпендикулярно оси абсцисс через точку с соответствующим сопротивлением, т.е. г, = 0,1 (точки а, а ). Аналогичные построения производим для другой пары взаимной индуктивности и сопротивления (точки b, Ь и с, с ). Соединение полученных точек дает искомую кривую границы области самовозбуждения с учетом остаточной ЭДС. Как и следовало ожидать, увеличение остаточной ЭДС приводит к расширению границы области самовозбуждения (кривые 1, 2, рис. 2.56).
Определение границ области самовозбуждения асинхронной машины с конденсаторами в цепи фазного ротора
Такой режим, по мнению автора, можно назвать режимом идеального электрического холостого хода [72]. На границе между двигательным режимом и этим тормозным режимом, т.е. при й)р=а 0, все потери в машине покрываются за счет мощности, поступающей из сети АР = Рэл, при этом, естественно, Ршх = 0. С другой стороны, на границе этого тормозного режима и генераторного режима, т.е. при сор = б)ж1, эти потери покрываются за счет механической мощности, поступающей со стороны ротора АР = Рмех, а мощность со стороны сети в свою очередь равна Рэл = 0. Внутри диапазона этого тормозного режима, т.е. при со0 сор со, , мощность, которая идет на покрытие потерь, поступает как со стороны сети, так и со стороны вала АР = Рэл + Ртх. Таким образом, качественно этот тормозной режим аналогичен режиму торможения противовключением («Т.П.»), однако количественно они несопоставимы. 126 При дальнейшем увеличении скорости ротора электрическая мощность генератора вначале возрастает, достигает своего экстремума Рэлтлх, затем начинает снижаться, а при (йр - Фж2 становится равной нулю Рэя = 0, т.е. эта скорость определяет верхнюю границу генераторного режима («Г»). Дальнейшее увеличение скорости сош2 сор приводит к тому, что машина вновь переходит в тормозной режим («Г.2»), который как качественно, так и количественно аналогичен режиму противовключения (с точки зрения мощностей), т.е. АР = Рэл + Ршх. Следует подчеркнуть, что режимы, описанные выше, а также точки, в которых мощность Рэя = 0, хорошо известны специалистам и достаточно легко определяются по круговой диаграмме. Однако эти режимы не нашли достойного отражения в учебной литературе [17, 29, 85, 98, 112, 115, 119, 146, 153], согласно которой скорость ротора при работе асинхронной машины в генераторном режиме параллельно с сетью (режим рекуперативного торможения) лежит в «широком» со0 сор +со, а не в «узком» диапазоне Подтверждением существования этого «узкого» диапазона являются кривые, представленные на рис. 3.4. s Что касается намагничивающего тока, то он с ростом скорости ротора увеличивается, достигает максимального значения 1М = 0,827 при о) = 1,093 и начинает уменьшаться. Следует отметить, что экстремальное значение механической мощности на валу в двигательном режиме равно PMexmiiX =1,236, что меньше (по модулю) экстремального значения мощности, отдаваемой в сеть в генераторном режиме = -1727. Отношение этих мощностей равно 4max/ max = U97. При равенстве перегрузочных способностей в двигательном и генераторном режимах, т.е. Pmxm,jPU0M =Рэятт/РАГты, номинальная электрическая мощность, отдаваемая в сеть в генераторном режиме, будет равна составит 3,072 кВт, т.е. больше номинальной мощности двигателя (2,2 кВт). При равенстве (по модулю) скольжений в двигательном и генераторном режимах ток будет равен /,=1,14, а номинальная мощность в генераторном режиме - РАГтм = 0,628 (2,321 кВт), что на 5,5% больше номинальной мощности двигателя. При таких подходах положительным моментом является то, что машина отдает в сеть мощность, которая больше её номинальной мощности в двигательном режиме. Однако отрицательным последствием является чрезмерный нагрев машины. Последнее - может стать непреодолимым препятствием, поскольку для поддержания номинального теплового состояния машины потребуется внести существенные изменения в систему охлаждения серийного двигателя.
Избежать этой проблемы можно, если ток в генераторном режиме будет равен номинальному току, поскольку именно он в основном определяет тепловое состояние машины. Для определения мощности в генераторном режиме при номинальном токе статора воспользуемся результатами расчета, которые представлены на рис. 3.4. Расчетная номинальная мощность в двигательном режиме равна РНйМ = 0,606 (2,24 кВт). Погрешность расчета относительно паспортного значения номинальной мощности двигателя составила 3,8 %, что говорит о корректности полученных результатов. Номинальная электрическая мощность в генераторном режиме при номинальном токе статора равна люМ = 0 485 или 1,793 кВт. Относительно номинальной мощности данного двигателя она составила величину 4Гном/ ном =1,793/2,2 = 0,815. Основной причиной снижения мощности в генераторном режиме является возросший намагничивающий ток ІріАГ = 0,765 при несколько меньшем значении тока ротора 12АГ = 0,605 (рис.3.4). Аналогичные токи для номинального двигательного режима соответственно равны: 7 = 0,613; 12 = 0,704.
Несмотря на то, что ток и соответствующие потери в роторе при работе в генераторном режиме меньше, чем в двигательном режиме, общие потери приблизительно равны А? = 0,1178»АР4Г = 0,1182. Последнее связано с тем, что при работе в генераторном режиме уменьшение потерь в роторе компенсируется соответствующим увеличением потерь в стали. Равенство потерь в генераторном и двигательном режиме (при номинальном токе в статоре) позволяет сделать вывод о том, что в и тепловом отношении эти режимы равны.
