Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Разработка математической модели бесконтактного источника стабильной частоты 11
I.I. Краткий обзор бесконтактных систем возбуждения ма шинно-вентильных источников II
$ 1,2. Исследование устойчивости САРН автономного источника с быстродействующим возбудителем 25
$ 1.3. Математическая модель БМВИ с быстродействующей сис темой возбуждения 34
Выводы 4.5
Глава II. Исследование установившихся и переходных процессов в трехфазном БМВИ 46
$ 2.1. Статические режимы трехфазного БМВИ 4.6
$ 2,2. Исследование переходных процессов в БМВИ при дис кретном изменении нагрузки 54
$ 2,3, Переходные процессы в БМВИ при изменении частоты вращения привода 71
2,4, Переходные процессы в БМВИ при пуске асинхронного двигателя 77
Выводы... 87
Глава III Вопросы оптимального проектирования СГ БМВИ 89
$ 3.1, Методический подход к решению задачи оптимального проектирования 89
$ 3.2, Особенности проектирования бесконтактного СГ для БМВИ 91
$ 3,3, Выбор независимых переменных и обоснование гранич ных условий 102
$ 3.4. Выбор метода оптимизации 107
3.5. Результаты поиска оптимального варианта СГ БМШ t , 108
Глава ІV. Экспериментальные исследования статических и динамических режимов работы БМВИ . 117
$ 4.1. Описание экспериментальной установки 117
$ 4.2. Исследование режимов работы БСВ 126
4,3. Экспериментальные исследования статических режимов БМВИ » 128
4.4. Экспериментальные исследования динамических ре жимов БМВИ 129
Выводы 136
Заключение 138
Литература
Приложение 154
- Исследование устойчивости САРН автономного источника с быстродействующим возбудителем
- Исследование переходных процессов в БМВИ при дис кретном изменении нагрузки
- Выбор независимых переменных и обоснование гранич ных условий
- Экспериментальные исследования статических режимов БМВИ
Введение к работе
Актуальность темы. Дальнейшее развитие и совершенствование автономных подвижных объектов различного назначения (самолетов, судов, тепловозов и т.п.) неразрывно связано с повышением их энерговооруженности. Наряду с этим возрастают требования к качеству электроэнергии и надежности автономной системы электроснабжения (АСЭ).
Рост количества потребителей переменного тока, стремление максимально уменьшить массогабаритные показатели и повысить эксплуатационную надежность электрооборудования, приводит к широкому использованию на автономных объектах систем электроснабжения переменного тока стабильной частоты, причем наиболее перспективными считаются АСЭ, построенные по принципу "переменная скорость - постоянная частота".
В настоящее время у нас в стране и за рубежом известно большое количество устройств;, позволяющих получать стабильную частоту выходного напряжения АСЭ при переменной частоте-вращения первичного двигателя [ 17,18,20,32,53,67,72,79,81,96,117, -118 и др. J . Среди этих^устройств в силу целого ряда имеющихся преимуществ, таких как. лучшие массогабаритные показатели, хорошее качество выходного напряжения, высокая эксплуатационная надежность, главенствующее место занимают автономные источники переменного тока, представляющие собой синтез электрической машины и полупроводникового преобразователя частоты, которые получили название машинно-вентильных источников (МВИ).
Большой вклад в разработку и исследование таких источников: внесли советские ученые А.И.Бертинов,- Й.Я.Бернштейн, Д. Э. Брус-кин, М.М.Ботвинник, Ю.М.Быков, Г. В.Грабовецкий, А,Е. Загорский, Ю.М.Иньков, Е.С.Мыцик, В.И.Радин, Ш.С.Ройз, Г.А.Сипайлов, А.И.
-5-Скороспешкин, А,Б. Цукублин и др.
Как показали исследования [Зв] , в наземных подвижных устройствах с предельной частотой вращения 6000-9000 об/мин и диапазоном ее изменения, не превышающим четырех, целесообразно применение МВИ. типа синхронный генератор с приводом от ходового двигателя - непосредственный преобразователь частоты с ее -тественной коммутацией вентилей (СГ-НПЧ). Тяжелые климатические условия эксплуатации, повышенные вибрации, отсутствие возмож -ности постоянного ухода вызвали необходимость использования в подобных источниках питания синхронных генераторов с бескон -тактными системами возбуждения.
Проблеме разработки и исследования бесконтактных систем возбуждения (БСВ) синхронных машин средней и большой мощности посвящено достаточно большое количество работ [1,7,27,30,43, 88,116 и т.д. ] , причем предпочтение, ввиду удобства компоновки вращающейся части и простоты системы регулирования, отдается системам возбуждения с неуправляемыми вращающимися выпрямителями (НВВ). Использование подобных БСВ в автономных источниках питания существенно ухудшает динамические показатели системы электроснабжения из-за включения в контур регулирования такого инерционного звена как возбудитель. Это приводит к перерывам питания, ложным срабатываниям аппаратуры и т.д. Одним из путей снижения инерционности системы регулирования является использование в БСВ управляемых вращающихся выпрямителей (УВВ), позво -ляющих исключить возбудитель из контура регулирования.
Однако, существующим в настоящее время БСВ с УВВ характерен ряд существенных недостатков, таких как сложность системы управления вращающимся выпрямителем, необходимость подачи сигналов управления через воздушный зазор и их последующая синх -ронизация, зависимость углов управления УВВ от частоты вращения,
которые ограничивают область применения БСВ с УВВ в автономных системах электроснабжения. В связи с этим возникает необходи -мость создания новых бесконтактных систем возбуждения с УВВ, свободных от перечисленных недостатков.
Таким образом, разработка и исследование машинно-вентиль -ного источника типа СГ-НПЧ с бесконтактной системой возбужде -ния с управляемым вращающимся выпрямителем, обеспечивающего высокое качество выходного напряжения при минимальных массо -габаритных показателях и высокой надежности системы электро -снабжения, являются актуальными и представляют научный и практический интерес.
Настоящая диссертационная работа является частью комплексных исследований, проводимых кафедрой электрических машин и аппаратов и входит в план важнейших работ, порученных Томскому политехническому институту им.С.М.Кирова.
Цель и задачи работы. Целью данной работы является разработка и исследование машинно-вентильных источников типа СГ-НПЧ с быстродействующей бесконтактной системой возбуждения (БМВЙ).
В связи с этим в работе поставлены и решены следующие задачи:
! Разработка бесконтактной системы возбуждения с УВВ и исследование системы автоматического регулирования напряжения (САРН) БМВИ.
Разработка математической модели БМВЕ с учетом нелинейности характеристик бесконтактной системы возбуждения с УВВ и системы автоматического регулирования.
Установление взаимосвязей параметров синхронного генератора и системы регулирования со статическими и динамическими показателями на основе теоретических и экспериментальных иссле-
- 7 -дований установившихся и переходных режимов БМВЙ с УВВ.
Ч, Разработка рекомендаций по проектированию; бесконтактного синхронного генератора с быстродействующей, системой возбуждения.
Методика выполнения исследований. Методика выполнения работы базировалась на применении методов математического и физического моделирования. Анализ электромагнитных процессов в синхронном генераторе и возбуди -теле проводился по системе уравнений Парка-Горева с использо -ванием численных методов решения систем дифференциальных уравнений. Для получения аналитических зависимостей динамических показателей БМВИ от его параметров использовался математический аппарат теории планирования эксперимента. Рекомендации к проектированию генератора и системы возбуждения были получены на основе оптимизационных расчетов по методу Бокеа-Уильеона. Экспериментальные исследования проводились на физических моделях, выполненных с учетом результатов математического моделирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
I. Разработана и исследована новая бесконтактная система возбуждения, обладающая простотой и надежностью управления УВВ.
2« Разработана математическая модель трехфазного БМВИ, позволяющая анализировать установившиеся и переходные процессы в бесконтактном машинно-вентильном источнике с учетом нелинейности характеристик УВВ и системы автоматического регулирования.
Получены выражения, связывающие параметры БМВИ с его статическими и динамическими показателями;
Даны рекомендации по оптимальному проектированию CF с быстродействующей системой возбуждения для БМВИ»
Практическая ценность заключается в
- 8 -разработке новой бесконтактной системы возбуждения, которая обеспечивает высокое качество выходного напряжения БМВИ, в динамических режимах и отличается простотой и надежностью» В результате теоретических и экспериментальных исследований полу -чены аппроксимирующие полиномы, позволяющие на стадии проектирования определять параметры генератора и системы регулирова -ния, обеспечивающие заданные динамические показатели системы электропитания с учетом характера включаемой нагрузки. Разработана методика проектирования бесконтактного синхронного генератора с быстродействующей системой возбуждения и на основе решения оптимизационных задач даны практические рекомендации по выбору электромагнитных нагрузок и главных размеров СГ и возбудителя для обеспечения минимальных массогабаритных и высоких динамических показателей БМВИ.
Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены на одном из. предприятий страны.
Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось и получило одобрение на научно-технической конференции "Непосредственные преобразователи частоты с искусственной коммутацией", Киев, 1977; на двух научно-практических конференциях "Молодые ученые и.специалисты в развитии производительных сил Томской области", Томск, 1980, 1983; на научно -технической конференции "Электромашинные и машинно-вентильные источники импульсной мощности", Томск, 1981; на региональной научно-технической конференции "Автоматизация электроприводов и оптимизация режимов работы электропотребления", Красноярск, 1982.; на научно-технической конференции "Автоматизация техно -логических процессов и промышленных установок", Пермь, 1982; на шестой научно-технической конференции "Электроприводы пере-
менного тока с полупроводниковыми преобразователями", Сверд -ловск, 1983; на второй Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы нелинейной электротехники", Шацк, 1984; на научных семинарах кафедры "Электрические машины и аппараты" Томского политехнического института в период 1977-1984 гг#
Публикации. По результатам исследований, отра ~ женных в настоящей работе, опубликовано 8 печатных работ, получено I авторское свидетельство.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Она содержит 128 страниц машинописного текста* 48 страниц с рисунками и таблицами, 12 страниц списка литературы из _122 наименований,
В первой главе проведен критический анализ существующих бесконтактных систем возбуждения с управляемыми вращающимися выпрямителями, выбрана рабочая схема БСВ и исследована устойчивость САРН, На основе метода эквивалентной нагрузки разработана математическая модель системы БМВИг-нагрузка, описывающая как установившиеся, так и переходные процессы в источнике.
Во второй главе проведены исследования статических и динамических режимов БМВИ при различном характере нагрузки с учетом изменения частоты вращения, получены математические выражения, связывающие динамические показатели источника с параметрами СГ и САРН.
Третья глава посвящена вопросам оптимального проектирования синхронного генератора с быстродействующей БСВ, работающего в составе БМВИ. Разработана методика проектирования БСВ и на основе оптимизационных расчетов даны рекомендации по выбору главных размеров и электромагнитных нагрузок быстродействующего возбудителя.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований электромагнитных процессов в быстродействующей системе возбуждения, и в БМВИі в целом при различной величине и характере нагрузки с учетом изменения частоты вращения приводного двигателя»
Автор выражает глубокую благодарность доценту кафедры "Электрические машины и: аппараты" Томского политехнического института им,СМ.Кирова Цукублину А.Б« за поддержку и; помощь в работе над диссертацией. Автор искренне признателен сотрудникам кафедры ЗЖ ТІМ м.н.с. Горбатову С.А., м.н.с. іузееву СП. за ценные советы и помощь в изготовлении макетных установок и проведении экспериментальных исследований.
- II -
Исследование устойчивости САРН автономного источника с быстродействующим возбудителем
Все существующие системы автоматического регулирования напряжения синхронных генераторов можно разделить по принципу регулирования на следующие: а/ САРН с регулированием по отклонению напряжения СГ ; б/ САШ с регулированием по току нагрузки СГ ; в/ системы с комбинированным регулированием ( по отклонению напряжения и по току нагрузки СГ ).
Выбор той или иной системы регулирования определяется условиями работы СГ, его статическими и динамическими характеристиками, и требованиями, предъявляемыми к характеристикам регулирования [58\ .В системах, где основным возмущающим воздействием является нагрузка генератора, а требования к точности стабилизации невысоки, с успехом применяются САШ с регулированием по току нагрузки- системы прямого компаундирования [_ 5 , 98 \. Наибольшее распространение получили системы фазового компаундирования, так как в данных схемах осуществляется регулирование по двум возмущающим воздействиям: по модулю тока и его фазовому углу относительно напряжения. Этим обеспечивается достаточная точность стабилизации выходного напряжения [ ?7, 57, 85, 98] .
Однако, на систему кроме основных возмущений- величины и характера нагрузки, оказывает влияние целый ряд второстепенных воздействий: изменение скорости вращения первичного двигателя, изменение температуры окружающей среды, временной дрейф параметров схемы, нелинейность статических характеристик отдельных элементов системы и т.д. Естественно, что связь по основному возмущению не будет реагировать на эти второстепенные воздействия и в системе будут иметь место значительные отклонения напряжения.
В настоящее время для повышения точности регулирования в системах компаундирования используются корректоры напряжения, которые исполняют функцию отрицательной обратной связи по отклонению напряжения СГ 3 Y, 66, 9 1
По месту включения корректора напряжения, все схемы с комбинированным регулированием могут быть разбиты на два основных варианта: с корректором прямого действия - когда он подключается непосредственно к обмотке возбуждения возбудителя и косвенного- корректор воздействует на тот или иной элемент в цепи переменного тока системы возбуждения. Второй вариант получил большее распространение, поскольку мощность корректора при его включении на обмотку возбуждения должна быть значительно большей.
Регулирование только по отклонению без компаундирования позволяет компенсировать влияние любых возмущающих воздействий и конструктивных факторов, а точность САРН с регулированием по отклонению напряжения СГ не уступает точности комбинированных систем, правда при больших значениях коэффициента усиления регулятора І25І .
Анализ установившихся и переходных процессов в машинно-вентильных источниках с широким диапазоном изменения частот вращения показал целесообразность применения полупроводниковых регуляторов напряжения. Такие регуляторы построенные по принципу регулирования по отклонению напряжения, обладают максимальным быстродействием, минимальными массо—габаритными показателями и обеспечивают стабилизацию выходного напряжения генератора по всем возмущающим воздействиям Ї58J . Следует отметить, что в источниках типа СГ- НПЧ реализуются два способа регулирования: глубиной модуляции углов управления ШН достигается точная стабилизация выходного напряжения преобразователя, а регулирование по возбуждению СГ определяет динамические характеристики системы Ї83,8б] . Дальнейшие исследования САРН источника будут посвящены регулированию возбуждения синхронного генератора.
На рис. 1.8 представлена блок- схема машинно-вентильного . источника с быстродействующей бесконтактной системой возбуждения. Регулятор возбуждения данного источника ( РВ ) осуществляет регулирование по отклонению напряжения СГ с коррекцией по частоте вращения I 40\ . Рассмотрим более подробно работу регулятора. Выходное напряжение генератора через согласующий трансформатор поступает на управляемый выпрямитель, угол управления которым меняется пропорционально частоте вращения приводного двигателя. Постоянное напряжение с выхода выпрямителя поступает на блок регулирования возбуждения (БРВ ) управляющего канала и непосредственно на обмотку возбуждения силового. В БРВ УК происходит формирование напряжения возбуждения управляющего канала в функции отклонения напряжения генератора. Таким образом, при изменении напряжения СГ изменяется возбуждение управляющего канала и соответственно угол управления УВВ, который не зависит от частоты вращения привода, поскольку пропорционально ей меняется напряжение возбуждения у обоих каналов.
Для исследования устойчивости системы регулирования составим структурную схему замкнутой САРН машинно- вентильного источника, которая представлена на рис. 1.9, Синхронный генератор представим инерционным звеном первого порядка [55] : где TtfQ - постоянная времени обмотки возбузкдения при разом кнутом статоре ; ҐП,П - коэффициенты характеризующие наг рузку, величина которых определяется согласно Г5 1 по форму лам: где 2\ X - параметры нагрузки; %а , Х« ,Х , Х - параметры генератора.
При выводе уравнения генератора использовались следующие допущения: а) трансформаторные э.д.с. равны нулю ; б) демпферные обмотки отсутствуют ; в) частота вращения СГ во время переходного процесса пос тоянна.
Как показали исследования Г 7, 44tQ7f jQ8\ , при работе синхронного генератора на НПЧ, преобразователь частоты наиболее удобно заменить эквивалентной фазной нагрузкой с переменными во времени параметрами: где Z - полное эквивалентное сопротивление, а \Р -угол сдвига между фазным напряжением и током генератора. Подставляя выражения ( 1-3 ) в ( 1-2 ) и ( 1-І ) получаем уравнение синхронного генератора, нагруженного на преобразователь частоты, которое соответствует инерционному звену первого порядка с переменной постоянной времени и переменным коэффициентом усиления \5&\ .
Для упрощения исследования условий устойчивости САРН силовой и управляющий каналы быстродействующей системы возбуждения описываются уравнением для инерционного звена первого порядка с учетом только контуров возбуждения:
Аналитическое исследование САРН с переменными параметрами затруднительно. Поэтому воспользуемся приближенным методом п замораживания" коэффициентов [5/, 4, 99, 107\ , который заключается в том, что та или иная характеристика системы отыскивается как решение уравнения с постоянными коэффициентами, которые затем в полученном решении опять принимаются переменными. Этот метод позволяет качественно верно решить задачу в общем виде и правильно ориентировать направление более точных исследований с помощью ЭВМ \_5S\ » Используя метод п замораживания" коэффициентов, по структурной схеме рис.1.9 составим систему уравнений САРН:
Исследование переходных процессов в БМВИ при дис кретном изменении нагрузки
В настоящее время при исследовании переходных процессов в системах типа синхронный генератор- статический преобразова тель частоты обычно рассматриваются два случая: изменение час тоты вращения при неизменной нагрузке и изменение нагрузки при стабильной частоте вращения [зб, М, 58,81] . Правомер ность такого деления объясняется тем, что, как правило, процессы изменения частоты вращения и величины нагрузки происходят разновременно.
Как было показано в [5 5, 53j динамические показатели машинно - вентильного источника в переходных режимах определяются системой регулирования возбуждения генератора, поэтому задачей данного раздела является выбор параметров САРН, обеспечивающих требуемое качество выходного напряжения БМВЙ при скачкообразном изменении нагрузки.
Особенностью переходных процессов в системе СГ-НПЧ- нагрузка является различие частот генератора и нагрузки, поэтому процесс включения активно- индуктивной нагрузки на выход преобразователя протекает дня питающего генератора более плавно, чем включение нагрузки непосредственно на его выход р] . Следует отметить, что при исследованиях проводился наброс и сброс номинальной симметричной активно- индуктивной нагрузки с Cos \Р ж. 0.8. На рис. 2.6 показана графическая иллюстрация переходного процесса в БМВИ.
В качестве критериев оценки качества выходного напряжения использовались следующие динамические показатели: максимальное снижение С провал) напряжения ( А Е - ) и максимальное повышение- всплеск ( А Е + ), время восстановления напряжения Тв .
С целью выявления параметров, наиболее сильно влияющих на качество напряжения, была проведена серия проверочных расчетов.
В результате установлено, что параметры силового канала системы возбуждения не оказывают существенного влияния на ка -чество выходного напряжения и в дальнейших расчетах будут при -ниматься постоянными. Наибольший интерес представляет исследование влияния параметров управляющего канала, в частности: постоянной времени обмотки возбуждения Т 0у , коэффициента форси -ровки возбуждения Кфу и. коэффициента усиления регулятора УК Кру[і05І.
Существенное влияние на качество переходных процессов оказывают параметры генератора и частота вращения приводного двигателя 60 , при которой происходит изменение нагрузки, что объясняется изменением длительности коммутации в НПЧ и вращающихся выпрямителях, мягкостью внешних характеристик СГ и обоих каналов системы возбуждения при работе на высоких частотах».
Для получения наиболее полной информации о поведении системы необходимо исследовать влияние каждого из параметров на ее выходные характеристики, Пофакторный анализ методом, простого перебора приводит к чрезмерно большому объему вычислений. Кроме того, полученная в разрозненном виде информация не дает обобщающих результатов влияния переменных на целевую функцию.
Для получения достаточно простых аналитических выражений, связывающих параметры генератора, САРН и скорость вращения с динамическими показателями источника, воспользуемся математическим аппаратом теории планирования эксперимента [11,39,68J .
Для постановки эксперимента безразлично, проводится ли он на физической модели или реализуется расчетным путем. Однако, физический эксперимент в электромеханике связан с серьезными трудностями при реализации, требует значительных материальных затрат и времени. Применение описанной выше математической модели позволяет решить задачу расчетным путем.
Как показали расчеты, зависимости Ц,=Л_ , У5=ЛЕ+ и У - 7 Ь с достаточной точностью описываются полиномом второ где X - члены, характеризующие линейные взаимодействия, а Ьп Xi X; - квадратичные взаимодействия и эффекты парного взаимодействия.
Для расчета коэффициентов регрессии воспользуемся ортого -нальным центральным композиционным планом второго порядка (ОДКП), который, при минимальном количестве опытов позволяет достаточно просто находить коэффициенты I48J .
При исследовании динамических режимов, обусловленных дискретным изменением нагрузки на выходе БМВИ, воспользуемся ОЦКП На ПЯТЬ НеЗаВИСИМЫХ ПереМеННЫХ К у , Кру , СО , Ttfgy , Хд/, где Xarf - индуктивное сопротивление реакции якоря СГ по про ДОЛЬНОЙ ОСИ. Следует ОТмеТИТЬ, ЧТО В Дальнейшем ПОД TfiQn пони мается относительная постоянная времени обмотки возбуждения управляющего канала, а в качестве базового принята Т 0 синхронного генератора. Величина звездного плеча ОС = 1,547 выбиралась согласно рекомендациям [_39J . В таблице 2Д приведены ин -тервалы варьирования переменных.
Указанные интервалы варьирования охватывают практически весь диапазон значений параметров, представляющий реальный инте pec при проектировании источников малой и средней мощности.
Матрица планирования ортогонального центрального композиционного плана второго порядка и результаты опытов представлены в таблице 2.2.
Расчет коэффициентов аппроксимирующих полиномов типа (2-5), значения которых сведены в таблице 2,3, и последующая оценка их значимости с помощью критерия Стьюдента проводились по методике, изложенной в I 39J . При этом дисперсия воспроизводимости опытов определялась с учетом заданной точности А = 5%.
Выбор независимых переменных и обоснование гранич ных условий
Разбиение задачи оптимального проектирования СГ БМВИ на подзадачи предусматривает и разделение независимых переменных. Поэтому целесообразно рассмотреть каждую подзадачу в отдельности.
Рассмотрим подробнее подзадачу минимизации удельной массы активных материалов генератора. При решении данной подзадачи в качестве независимых переменных функции цели ( 5д ) выбира лись: Л - линейная нагрузка (А/м); В$ - индукция в воздушном зазоре С ТА. ); Л - отношение длины пакета статора к диаметру расточки стато ра( «/Й ); U, - напряжение возбуждения генератора (В). Выбор указанных переменных в качестве параметров оптимиза -ции не случаен.
При заданных выходных характеристиках БМВИ (мощности, напряжении, коэффициенте мощности и т.д.), а также частоте вращения генератора и при определенном выборе перечисленных независимых переменных- все геометрические размеры и параметры генератора определяются однозначно в ходе расчета. Следует подчеркнуть,что выбор Иг в качестве параметра оптимизации позволяет связать обе подзадачи проектирования и служит "отправной" точкой для оптимизационных расчетов возбудителя.
Следующим этапом подготовки процесса оптимального проекти -рования является определение допустимых областей изменения независимых переменных, а также наложение ряда ограничений, позволяющих исключить из рассмотрения варианты расчетов, не представляю-щие практического интереса.
При выборе предельных значений линейной нагрузки необходимо соблюдение следующих условий: -. обеспечение электромагнитной- совместимости СГ и НПЧ, ко -торая характеризуется допустимыми значениями индуктивного сопротивления коммутации - Хк 4 0,2 о.е.; - обеспечение допустимых удельных электрических потерь на единицу внетренней поверхности статора с учетом условий охлаждения и класса нагревостойкости.
Проведенные в [I08J исследования показали, что для генераторов, работающих в составе машинно-вентильных источников, линей - -ная нагрузка не должна превосходить 18 I03 А/м, а величина ин -дукции в воздушном зазоре Bfi - 0,8 Тл .
Параметр оптимизации Л характеризует соотношение главных размеров в генераторе, поэтому для определения области допусти -мых значений Л необходимо рассмотреть ограничения, накладываемые на D и ifi при проектировании электрических машин. Максимально допустимое значение диаметра ограничено предельной ли -нейной скоростью ротора, которая для машин данного класса не должна превышать 180 м/сек I 36,52 J . Уменьшение диаметра огра -ничено возможностью практического выполнения необходимой зубцо-вой зоны. С учетом рассмотренных ограничений и рекомендаций по проектированию синхронных машин I 33,80,92,76J , значение величины Л варьировалось в пределах Л = 0,4 4- 1,2.
При определении области изменения напряжения возбуждения генератора необходим учет следующих факторов: использование системы возбуждения с высокими значениями Uj приводит к необходимости выбора вентилей вращающегося выпрямителя высокого класса для защиты от обратного напряжения, к увеличению постоянной времени 0В генератора и т.д.; применение низковольтного возбуж -дения генератора требует использования вентилей повышенной мощ -ности, а следовательно, и габаритов для обеспечения их нормального теплового режима, приводит к увеличению сечения подводящих выводов и т.п. Поэтому, на наш взгляд, значения параметра Uj должны находиться в пределах lit = 30 4- 150 В.
Выбор числа пазов на полюс и фазу осуществляется из ряда дискретных значений: для якоря - 1/2; 2/3; І; І І/З; I 1/2; I 2/3; 2; 2 1/3; 2 1/2; для индуктора (в случае неявнополюсной конструкции) - I; 2; 3; 4; 5; 6; 7, с учетом выполнения следующих ограничений: I. Максимальные индукции в зубце и ярме не превышают допус С учетом перечисленных ограничений предпочтение при выборе О, отдается большему из возможных значений.
В качестве ограничителей в ходе расчетов выбирались также индуктивные сопротивления реакции якоря по продольной оси Ха , которое, как показали исследования во второй главе, оказывает существенное влияние на динамические показатели источника, и коммутации ( Хк ), от величины которого зависит нормальная работа преобразователя и в значительной степени массогабаритные показатели источника [ 34,35J :
Рассмотрим теперь подзадачу оптимального проектирования возбудителя на основе минимизации постоянной времени Т м Отправными точками для решения данной подзадачи являются опре -деленные в ходе оптимизационных расчетов Uj , її . В.качестве независимых переменных выбирались следующие параметры: Лр.- суммарная линейная нагрузка (А/м); В$ - суммарная индукция в воздушном зазоре ( 7. ); А.$ - отношение длины пакета возбудителя к диаметру расточки статора ( ЦЬ/В& );
При выборе предельных значений суммарных электромагнитных нагрузок необходимо учитывать, что для обеспечения фороировочных режимов магнитная цепь возбудителя должна быть ненасыщена, а с учетом цикличности его работы (форсировка, номинальный режим, расфорсировка) величина суммарной линейной нагрузки может быть несколько увеличена.
При определении границ области допустимых значений Ло следует учитывать следующие особенности: I. Диаметр возбудителя Ug не должен превышать диаметра расточки статора генератора. 2« Увеличение Jig ограничено возможностью практического выполнения зубцовой зоны при заданной полюсности и кроме того приводит к увеличению аксиальной длины вала, а следовательно, к необходимости увеличения его жесткости для обеспечения допусти -мых прогибов.
Таким образом, о учетом описанных особенностей и рекомендаций по проектированию высокоскоростных бесконтактных синхронных генераторов [5 J , параметры оптимизации варьировались в следующих пределах:
Экспериментальные исследования статических режимов БМВИ
. Экспериментальные исследования БМВИ в статических режимах включали в себя : проверку работоспособности ситемы регулирования; исследования влияния параметров САРН ( Кру ,К ру , Тс/оу) и частоты вращения генератора на качество выходного напряжения СГ (дЕ) при различной величине и характере нагрузки источника.
Исследования статических режимов проводились на макетном образце БМВИ-30, причем для проверки результатов теоретических исследований, проведенных во второй главе, на вал генератора был помещен щеточно - контактный узел, позволивший исследовать электромагнитные процессы в системе возбуждения источника в процессе работы. Варьирование варметрами GAPH при исследованиях проводилось следующим образом : для изменения Крц менялась величина фильтрующей емкости иф С рис.4.7. ) ; изменение постоянной времени Tdoy осуществлялось введением добавочного активного сопротивления; коэффициент форсировки возбуждения УК Ксрц менялся путем использования в АРВ двух выпрямительных схем -нулевой и мостовой полууправляемой. На рис.4.II - 4.13 приведены осциллограммы напряжения генератора при работе источника на активно - индуктивную нагрузку с о$наО,8 и мощностью Рм а24 кВт. Результаты исследования статических режимов БМВЙ сведены в таблицу 4.3 Как видно из таблицы для ограничения амплитуды модуляции источника БМВИ-30 в пределах 10$ необходимо использовать САРН с Ксру 2, Кр«/Ь20, что соответствует выводам, полученным в результате исследований проведенных во второй главе. при дискретном изменении, нагрузки. Переходные процессы в БМВЙ-30 при набросе иебросе активной и активно - индуктивной нагрузки с 0 »н я0,8 приведены на рис.4.14 - 4,18.На осциллограммах показаны : напряжение возбуждения управляющего канала; ток возбуждения генератора (2/г ); выпрямленное напряжение генератора ( Urd ), по которому проводится оценка динамических показателей; фазное напряжение источника ( нагрузки ) UH и фазный ток нагрузки ( Тн ). Как видно из осциллограмм провалы и всплески выходного напряжения не пре вышает 20 - 25$, а высокое быстродействие системы регулирования позволяет получить время восстановления напряжения в пределах 0,012 - 0,015с. Увеличение частоты вращения генератора до Л 3000 об/мин приводит к возрастанию провалов и всплесков напряжения на 5 - Q%, и увеличению длительности до 0,015 - 0,020 с.
Динамический режим работы источника при прямом пуске асинхронного двигателя. При исследованиях осуществлялся запуск асинхронных двигателей мощностью 2,2 кВт; 7,5 кВт; 12 кВт ( рис.4.19-4.21 )при этом провалы напряжения генератора составили соответственно 11%, 26%, 48$, что соответствует значениям рассчитанным по выражению С 2-12 ).
Как показали исследования предельная мощность успешно запускаемого двигателя составила 7,5 кВт ( 0,25 РбМ8$, а пуск АД большей мощности привел к сбою работы источника и его последующему отключению.
Анализ полученных экспериментальных данных показал хорошее их совпадение с расчетными С в пределах 10 - 12$ ), что свидетельствует о достаточной адекватности математических моделей, а также подтверждает правильность принятых при расчетах допущений. 1. Для обеспечения надежной работы УВВ с достаточно широким диапазоном регулирования величина балластного сопротивления должна находиться в пределах 1500 - 2500 Ом. 2. Система регулирования, работающая по отклонению выходного напряжения генератора, с параметрами КфЦ-2, #/ у 20 обеспечивает ограничение амплитуды модуляции йЕ в допустимых пределах. 3. Величины провалов и всплесков напряжения, а также време - ни восстановления, полученные экспериментальным путем, составляют порядка 20 - 25$ и 0,015 - 0,02 с, что находтся в пределах значений, рассчитанных по аппроксимирующим полиномам С 2-6 2-8 ), предложенным в работе. Система автоматического регулирования БМВИ-30 позволяет осуществлять прямой пуск ДД мощностью -7,5 кВт, приэтом величина провала напряжения генератора не превышает 30$. 4. В целом, экспериментальные исследования переходных и установившихся режимов работы БМВИ подтверждают результаты, полученные на основании расчетов по предлагаемой в работе методике.
В результате теоретических и экспериментальных исследований БМВИ с быстродействующей системой возбуждения можно сделать следующие основные выводы: 1. При создании машинно-вентильных источников повышенной надежности с высокими динамическими показателями целесообразно использование бесконтактных быстродействующих систем возбуждения с управляемыми вращающимися выпрямителями, сигналы управ -ления которыми формируются непосредственно на вращающейся части. 2. Использование в БМВИ автоматических регуляторов возбуждения, работающих по отклонению выходного напряжения генератора, с коррекцией по частоте вращения, позволяет САРН сохра -нять устойчивость при любых реальных соотношениях параметров, 3. Разработанная математическая модель автономного источника электропитания типа СГ-НПЧ с быстродействующей системой возбуждения, учитывающая нелинейность характеристик преобразователя, выпрямителей, системы регулирования и электромагнитные процессы в генераторе и возбудителе, обладает универсальностью, позволяет с высокой точностью рассчитывать установившиеся и переходные режимы БМВИ с учетом различных схем 7ВВ, величины и характера нагрузки в широком диапазоне частот вращения. 4. Для ограничения амплитуды модуляции выходного напряжения генератора, вызванной квазиустановившимися режимами работы СГ, коммутационным действием преобразователя, изменением углов; управления НПЧ в пределах. -5$, необходим следующий выбор параметров САРН: Kq y = 1,5 2,5; К {/ 15; Tdoy Q Tdo. 5. Во всем диапазоне частот вращения величина провалов и всплесков, напряжения,при дискретном изменении нагрузки, может
