Бесконтактный машинно-вентильный источник с быстродействующей системой возбуждения

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 электрооборудованияприводит 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 fl7,18,20,32,53,67,72,79,81,96,117, -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, — И. 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 [Зб], в наземных подвижных устройствах с предельной частотой вращения 6000−9000 об/мин и диапазоном ее изменения, не превышающим четырех, целесообразно применение MBW типа синхронный генератор с приводом от ходового двигателя — непосредственный преобразователь частоты с еетественной коммутацией вентилей (СГ-НПЧ). Тяжелые климатические условия эксплуатации, повышенные вибрации, отсутствие возможности постоянного ухода вызвали необходимость использования в подобных источниках питания синхронных генераторов с бесконтактными 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 компановки 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), позволяющих 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 синхронизация, зависимость углов управления УВВ от частоты вращения, которые ограничивают область применения БСВ с УВВ в автономных системах электроснабжения. В связи с этим возникает необходимость создания новых бесконтактных систем возбуждения с УВВ, свободных от перечисленных недостатков.

Таким образом, разработка и исследование машинно-вентильного источника типа СГ-НПЧ с бесконтактной системой возбуждения с управляемым вращающимся выпрямителем, обеспечивающего высокое качество выходного напряжения при минимальных массо ~ габаритных показателях и высокой надежности системы электроснабжения, 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:

I* Разработка бесконтактной системы возбуждения с УВВ и исследование системы автоматического регулирования напряжения (САРН) БМВИ.

2. Разработка математической модели БМВШ с учетом нелинейности характеристик бесконтактной системы возбуждения с УВВ и системы автоматического регулирования.

3. Установление взаимосвязей параметров синхронного генератора и системы регулирования со статическими и динамическими показателями на основе теоретических и экспериментальных последований установившихся и переходных режимов БМВИ с УВВ.

Разработка рекомендаций по проектированиюбесконтактного синхронного генератора с быстродействующей, системой возбувде-ния.

Методика выполнения исследований. Методика выполнения работы базировалась на применении методов математического и физического моделирования. Анализ электромагнитных процессов в синхронном генераторе и возбудителе проводился по системе уравнений Парка-Горева с использованием 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 Бокса-Уильсона. Экспериментальные исследования проводились на физических моделях, выполненных с учетом результатов математического моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. 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.

3. Получены выражения, связывающие параметры БМВИ с его статическими и динамическими показателями;

4. Даны рекомендации по оптимальному проектированию СГ с быстродействующей системой возбуждения для БМВИ".

Практическая ценность заключается в 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 получены аппроксимирующие полиномы, позволяющие на стадии проектирования определять параметры генератора и системы регулирования, 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 научнотехнической 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 технологических процессов и промышленных установок», Пермь, 1982; на шестой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями», Свердловск, 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, отраженных 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,.

10. Основные результаты диссертационной работы внедрены на предприятии п/я A-368I при выполнении НИР,.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

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 управления 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 сохранять 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 УВВ, величины и характера нагрузки в широком диапазоне частот вращения.

Для ограничения амплитуды модуляции выходного напряжения генератора, вызванной квазиустановившимися режимами работы СГ, коммутационным действием преобразователя, изменением угловуправления НПЧ в пределах. -5%, необходим следующий выбор параметров САРН: Кщ = 1,5 + 2,5- КрУ> 15- Т (Лоу4о, 15Тс1о.

5. Во всем диапазоне частот вращения величина провалов и всплесков напряжения, при дискретном изменении нагрузки, может быть ограничена в пределах 30 $, а время восстановления -0,015 с, Для этого необходим следующий выбор параметров САРН: К<�РУ= 1,5 2,5- Кру = 15 4- 25- Т^>у?0,15 * 0,2*Гс1о. Дальнейшее улучшение динамических показателей связано со снижением величины индуктивного сопротивления Хай. генератора.

6. Система автоматического регулирования БМВИ позволяет осуществлять прямой пуск АД мощностью до 0,25 Рвмви, при этом, провал напряжения не превышает 30 $ во всем частотном диапазоне. Одним из эффективных путей увеличения мощности нормально запускаемых двигателей является уменьшение постоянной времени Тс1оу.

7. В автономных системах электроснабжения с приводом от ходового двигателя подвижного объекта ввиду большой механической постоянной времени (Ту > /о/о) требования к динамическим показателям при изменении частоты вращения могут не учитываться. При использовании в качестве Щ двигателей с Ту ^ 0,7 / с/о неучет изменения частоты вращения приводит к значительным погрешностям.

8. Для обеспечения высоких динамических показателей БМВИ необходим следующий выбор суммарных электромагнитных нагрузок и отношения .Л —: Аг = (10 4- 13)*Ю3 А/мЬ%г = = (0,6 0,65) Ъ — =0,и 0,6.

Оптимальные значения коэффициентов распределения электромагнитных нагрузок между каналами в зависимости от мощности СК находятся в пределах = 0,8 4- 0,93- 6й = 0,85 4- 0,97.

9. С учетом теоретических исследований разработан и изготовлен макетный образец БМВИ мощностью 30 кВт и частотой-вращения 2000 — 6000 об/мин. Экспериментальные исследования, проведенные на макетном образце, подтвердили достоверность теоретических выводов.