Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время техника физического эксперимента и некоторые области промышленной технологии нуждаются в устройствах импульсной энергетики, которые способны обеспечивать накопление и передачу энергии потребителю от мегаджоулей до десятков тысяч мегаджоулей при максимальных мощностях в сотни и тысячи мегаватт.
Данная работа направлена на развитие научной и технической базы для решения одной из важнейших проблем импульсной энергетики — получения мощных импульсов в секундном диапазоне.
Работа относится к области импульсных энергетических устройств на базе синхронных генераторов с инерционными накопителями энергии, питающих нагрузку за счет предварительно накопленной кинетической энергии вращающихся масс. Нагрузкой синхронного генератора может быть как непосредственно электрофизический объект, так и промежуточный накопитель энергии, от которого в дальнейшем производится питание электрофизического устройства (рис.1). Накопление энергии производится с помощью отдельного двигателя или в режиме частотного пуска генератора.
Рис. 1. Условная схема питания нагрузок различных типов от синхронного маховичного генератора.
СГ — генератор, М — маховик, Д — двигатель, Hi — электродуговая нагрузка,
Н2 — выпрямительная нагрузка для питания магнита, НЗ — асинхронный двигатель.
Помимо электрофизических установок в широком диапазоне мощностей имеется потребность также в импульсном
электропитании испольнительных механизмов, например, разгонных асинхронных электродвигателей.
Указанные обстоятельства делают тему данной работы актуальной.
Цель работы и задачи исследования. Цельюработыявляется создание научно обоснованного подхода к проектированию маховичных синхронных генераторов кратковременного действия в широком диапазоне мощностей, уровней энергоемкости и частот вращения с учетом особенностей машин этого типа как индивидуальных или мелкосерийных на этапе предпроектной проработки, т.е. стадии между выпуском технических требований и разработкой эскизного проекта или технического предложения.
В соответствии с поставленной целью решались следующие основные задачи:
систематизация и анализ характеристик существующих установок с маховичными синхронными генераторами кратковременного действия, оценка диапазонов их применимости;
систематизация и совершенствование упрощенных методов расчета режимов работы указанных генераторов с учетом особенностей нагрузки;
оценка достоверности расчетных методов путем сравнения результатов расчета с опытными данными и результатами расчетов с использованием альтернативных методов;
обоснование рациональной структуры мероприятий по предпроектной проработке и поддержке технических решений при создании нового генератора кратковременного действия, включая выбор промышленного прототипа;
оценка особенностей применения указанного подхода к конкретным задачам.
Методы выполнения исследования. Поставленные задачи решены на основе применения известных аналитических методов исследования, системного анализа на базе предпро-ектных проработок, использования и обработки результатов эксперимента.
Достоверность результатов подтверждается сопоставлением результатов при использовании различных теоретических методов, а также экспериментальных данных и материалов проектных проработок.
Научная и техническая новизна работы:
-
Впервые на основе системного подхода и структурного анализа обобщена научно-техническая проблематика синхронных маховичных генераторов кратковременного действия. В частности выявлена связь между конструктивным типом такого генератора и характерной длительностью импульса питания нагрузки.
-
Разработан комплекс расчетных приемов предпроект-ного анализа переходного процесса маховичного синхронного генератора при питании импульсной нагрузки в тех случаях, когда характерной особенностью режима является практическое постоянство тока статора или активной мощности.
Данный метод включает учет насыщения магнитной цепи генератора, снижения частоты вращения и переходного процесса в контурах ротора.
3. Проведен сравнительный анализ законов регулиро
вания напряжения системы «маховичный синхронный генератор
выпрямитель» в ходе формирования требуемого импульса
нагрузки применительно к питанию индуктивного накопителя
или магнита.
Получены формулы воздействия на эдс эквивалентного генератора в функции времени и тока, приближенные к тем законам, которые реализуются автоматическими регуляторами возбуждения.
4. Показано, что в связи с изменением частоты тока в
ходе торможения синхронного генератора
меняется характер внешних характеристик выпрямителя при питании выпрямительной нагрузки;
изменяются границы устойчивой области питания диссипативной трехфазной электродуговой нагрузки;
при расчете рабочего режима маховичного генератора нагрузка в виде асинхронного электродвигателя может быть заменена активно-индуктивной нагрузкой, меняющейся во времени.
5. Разработан комплекс приемов, позволяющих рацио
нально проводить предпроектігую проработку, маховичного
синхронного генератора кратковременного действия по исход
ным техническим требованиям, включая выбор промышленно
выпускаемого генератора — прототипа. Указанные приемы
реализованы при предпроектной проработке источников
питания кратковременного действия для различных типов
нагрузок.
Практическая ценность:
-
Разработанный комплексный подход к предпроект-ной проработке синхронного маховичного генератора кратковременного действия дает возможность рационально построить процесс принятия технических решений, что позволяет сократить сроки проектирования и соответствующие затраты.
-
Разработанные методы расчета процесса передачи энергии от маховичного синхронного генератора в импульсную нагрузку могут быть использованы для обеспечения оптимального синтеза системы питания и согласования ее характеристик с характеристиками нагрузки. Так, проведенный анализ методов регулирования напряжения источника при запитке индуктивного накопителя (магнита) дает возможность для рационального выбора закона регулирования возбуждения и согласования его с параметрами нагрузки и требованиями режима.
-
Осуществленные предпроектные проработки махович-ных синхронных генераторов различных типов позволяют обоснованно решить задачу выбора промышленного прототипа в зависимости от технических требований к изделию.
Реализация результатов работы. Разработанные положения, выводы и рекомендации работы нашли применение в работах ИПЭФ РАН при предпроектных проработках маховичных синхронных генераторов по договорам с НИИ постоянного тока, Институтом высоких температур РАН, а также по ряду централизованных программ.
Метод анализа влияния регулирования напряжения маховичного генератора на процесс передачи мощности в нагрузку был использован в Троицком институте инновационных и термоядерных исследований при наладочных испытаниях системы питания токамака ТСП.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на различных совещаниях и семинарах, в том числе:
4-я и 5-я Всесоюзные конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов, г.Санкт-Петербург, 1986 и 1990 гг.;
Семинар по прикладной магнитной гидродинамике, Пермь, 1985 г.;
Всесоюзная конференция «Маховичные накопители энергии», г. Житомир, 1989 г.;
3-я Всесоюзная конференция «Импульсные источники энергии», г. С.-Петербург, 1989 г.,
— а также на заседаниях секции 5 Научного совета Российской Академии наук по импульсной технике, г. С.-Петербург, 1989-1996 гг.
Публикации. Основные результаты работы изложены в 15 печатных трудах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 130 наименований и 6 приложений. Основная часть работы содержит 160 страниц, в том числе 112 страниц машинописного текста, 62 рисунка на 38 страницах, 23 таблицы на 10 страницах.
