Методические указания по подготовке к выполнению и выполнению лабораторной работы Описание лабораторного стенда

скачать МОСКОВСКИЙ ЭНРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) Кафедра «Электротехнические комплексы автономных объектов» ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 Источник переменного тока на базе синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов Методические указания по подготовке к выполнению и выполнению лабораторной работы Описание лабораторного стенда, указания к технологии выполнения лабораторной работы, методический материал к обработке результатов экспериментальных исследований и подготовке к защите лабораторной работы Описание составил профессор И.М. Беседин Москва 2004 г. ^ Цель работы. Исследование функциональных свойств источника электроэнергии переменного тока, структурно реализованного в виде синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов и регулятора напряжения. Исследование элементов структуры регулятора напряжения и особенностей его взаимодействия с объектом регулирования. ^ Объект исследования. Объектом исследования в лабораторной работе является источник электроэнергии переменного тока, представленный функционально связанными структурными элементами: синхронным генератором с возбуждением от постоянных магнитов (силовой элемент структуры) и регулятором напряжения (устройство управления одним из показателей качества электроэнергии). Структура источника переменного тока является типовой для самолетных систем электроснабжения, а способ возбуждения синхронного генератора не является определяющим признаком при исследовании функциональных свойств источника. В общем случае, при обосновании структуры источника переменного тока следует принять во внимание, что и в варианте источника переменного тока постоянной частоты, и варианте источника переменного тока переменной частоты силовым элементом структуры источника будет электромеханический преобразователь, а в части выбора устройства управления уровнем напряжения источника имеется определенная свобода для разработчика. Учтем, что отдельные исследования и технические разработки по использованию на летательных аппаратах разновидностей электромеханических преобразователей в генераторном режиме работы не позволяют сделать вывод, что они в ближайшее время будут реально конкурировать с синхронным электромеханическим преобразователем в системах генерирования переменного тока. Поэтому в лабораторной работе внимание студентов сосредотачивается на особенностях использования именно синхронного генератора в структуре источника переменного тока. Решение вопроса о необходимости введения в структуру источника электроэнергии регулятора напряжения определяется двумя обстоятельствами. В автономном режиме работы источника регулятор напряжения необходим в том случае, если в заданном диапазоне изменения нагрузки генератора его напряжение выходит за допусковую зону, определяемую нормой эксплуатации потребителей электроэнергии. То есть, если генератор как источник электроэнергии сильно отличается по качеству напряжения от характеристики идеального источника ЭДС. При использовании генератора в режиме параллельной работы с другими источниками переменного тока необходимость использования регулятора напряжения возникает лишь в том случае, если этого требует выбранный метод параллельной работы. С учетом отмеченных обстоятельств ниже дается анализ основных факторов, определяющих степень отличия свойств синхронного генератора от идеального источника ЭДС. Опорным элементом анализа является математическая модель синхронного генератора (лабораторная работа 1). Основной характеристикой электромеханического преобразователя, используемого в генераторном режиме работы, является его внешняя (нагрузочная) характеристика. Внешняя характеристика показывает взаимосвязь между напряжением на нагрузке и током генератора при изменении сопротивления нагрузки. Характеристика снимается в автономном режиме работы генератора, при этом поддерживаются постоянными частота вращения вала генератора () и коэффициент мощности нагрузки (). Характер изменения внешней характеристики в координатах должен свидетельствовать о способности генератора к отдаче расчетной мощности в рамках заданных границ по току и напряжению. Кроме того, наблюдаемая по внешней характеристике степень изменения напряжения на нагрузке в расчетном диапазоне изменения тока генератора, помогает решить вопрос и о необходимости использования в структуре источника регулятора напряжения, и о предпочтительном способе регулирования напряжения. На форму внешней характеристики генератора оказывают влияние три фактора: способ возбуждения генератора, величина внутреннего сопротивления генератора и характер (коэффициент мощности) нагрузки. Учитывая, что идеальной внешней характеристикой генератора как источника электроэнергии является внешняя характеристика источника ЭДС, рассмотрим степень влияния названных факторов на возможность достижения названного идеала. На рисунке 3.1 представлены схемы современных систем возбуждения электромеханических преобразователей. Системы возбуждения показаны применительно к генераторному режиму использования преобразователя и являются инвариантными относительно типа электромеханического преобразователя. Рисунок 3.1 Способы возбуждения электромеханических преобразователей Как следует из схем, представленных на рисунке 3.1, для создания магнитного поля в электромеханическом преобразователе можно использовать индукторы двух типов. Наиболее распространенным способом возбуждения магнитного поля является способ, связанный с использованием в структуре индуктора системы катушек с током. Этот способ получил название электромагнитного возбуждения. Другой способ связан с включением в структуру индуктора системы предварительно намагниченных постоянных магнитов. Генераторы, в структуре индукторов которых используются постоянные магниты, получили название генераторов с возбуждением от постоянных магнитов (реже – магнитоэлектрических генераторов). При электромагнитном способе возбуждения генератора электропитание его обмотки возбуждения можно осуществить двумя способами. Если для питания обмотки возбуждения генератора используется независимый источник, то способ возбуждения называется независимым, а генератор называется генератором с независимым возбуждением. При совмещении источников питания нагрузки и обмотки возбуждения имеет место система самовозбуждения, а генератор получает название генератора с самовозбуждением. Влияние способа возбуждения генератора на вид его внешней характеристики показано на рисунке 3.1 применительно к идентичным по мощности генераторам. Наибольшее различие во внешних характеристиках наблюдается у генераторов с электромагнитным возбуждением. При одинаковой мощности генераторов с электромагнитным возбуждением, ток короткого замыкания генератора с независимым возбуждением будет наибольшим током генератора, в то время как ток короткого замыкания генератора с самовозбуждением не превосходит номинального тока генератора. Малая величина тока короткого замыкания в генераторе с самовозбуждением объясняется тем, что в его формировании участвует только ЭДС, определяемая магнитным потоком остаточной намагниченности полюсной системы генератора. При использовании для возбуждения генератора системы постоянных магнитов, остаточная намагниченность полюсов индуктора становится основным источником магнитного поля в магнитной системе генератора. Поэтому внешняя характеристика генератора с возбуждением от постоянных магнитов (по виду) может занимать любое промежуточное положение между внешними характеристиками генераторов с электромагнитным возбуждением. На рисунке 3.2 двумя фрагментами представлены процесс самовозбуждения генератора с электромагнитным возбуждением и процедура формирования внешней характеристики генератора с самовозбуждением. Возможность возбуждения магнитного потока в магнитной системе генератора, обмотка возбуждения которого подключена непосредственно на напряжение генератора (через выпрямитель в случае генератора переменного тока) обычно связывают с наличием остаточного магнитного потока, обусловленного использованием в генераторе ферромагнитных материалов. Ферромагнитные материалы, входящие в конструкцию индуктора генератора, хотя и относятся к магнитно-мягким материалам (с малой величиной коэрцитивной силы), способны поддерживать магнитный поток в магнитной системе генератора даже после снятия напряжения с обмотки возбуждения. Применительно к магнитным системам это явление называют остаточной намагниченностью. Анализ процесса самовозбуждения генератора рассмотрим, опираясь на характеристику холостого хода генератора и постоянное значение сопротивления обмотки возбуждения. При очередном цикле использования генератора по назначению, если частота вращения вала генератора становится отличной от нуля, в его рабочей обмотке возникает ЭДС, пропорциональная величине магнитного потока остаточной намагниченности и частоте вращения вала. Эта ЭДС на рисунке 3.2 показана как . При величине сопротивления обмотки возбуждения, показанной на рисунке 3.2 линией , в обмотке возбуждения возникнет ток . При МДС обмотки возбуждения произойдет увеличение ЭДС в обмотке якоря до значения по характеристике холостого хода генератора. При , в обмотке возбуждения генератора возникнет ток , что приведет к дальнейшему увеличению ЭДС в рабочей обмотке генератора до значения . Очевидно, что процесс нарастания тока в обмотке возбуждения генератора и пропорционального нарастания ЭДС в рабочей обмотке генератора может закончиться только в точке пересечения линии с характеристикой холостого хода генератора. Рисунок 3.2. Внешняя характеристика генератора с самовозбуждением Особенности формирования внешней характеристики генератора с самовозбуждением рассмотрим в предположении, что нам известна внешняя характеристика генератора с независимым, электромагнитным возбуждением. Поскольку форма внешней характеристики генератора с независимым возбуждением не влияет на процедуру построения внешней характеристики генератора с самовозбуждением, представим ее в виде прямой линии, соединяющей точку ЭДС генератора и точку его тока короткого замыкания. При построении внешней характеристики генератора с самовозбуждением будем предполагать, что имеем дело с генератором, схем которого представлена на рисунке 3.2. Особенностью представленного на схеме генератора является возможность (переключением ключа ) изменения способа его возбуждения. Если ключ находится в положении НВ, то имеет место независимое возбуждение генератора с возможностью установки произвольного тока в обмотке возбуждения с помощью реостата . При перемещении ключа в положение СВ получим генератор с системой самовозбуждения. Очевидно, что при выборе ЭДС независимого источника питания в виде , и в режиме независимого возбуждения генератора (при =0), и в режиме самовозбуждения мы получим при . При определении положения других точек внешней характеристики генератора с самовозбуждением примем в виде аксиомы положение о том, что при равенстве напряжений на обмотке возбуждения и произвольном значении сопротивления нагрузки генератора (кроме сопротивления нагрузки ) режимы работы и генератора с независимым возбуждением, и генератора с самовозбуждением будут идентичными. С учетом данного замечания и при принятом выше допущении о способе представления внешней характеристики генератора с независимым возбуждением точки внешней характеристики генератора с самовозбуждением можно определить, придерживаясь следующей методики. Допустим, что в случае самовозбуждения генератора на сопротивлении нагрузки зафиксировано напряжение (рисунок 3.2). Очевидно, что при этом к обмотке возбуждения генератора будет приложено напряжение , и в обмотке будет протекать ток . Воспроизведем это состояние обмотки возбуждения генератора в режиме его независимого возбуждения. Для этого на схеме рисунка 3.2 необходимо переключить ключ в положение НВ и с помощью реостата установить ток в обмотке возбуждения генератора. В режиме независимого возбуждения генератора, при , внешней характеристикой генератора будет прямая линия, соединяющая точки и . Тогда точка 1 в координатах (точка пересечения внешней характеристики генератора независимого возбуждения с линией ) будет определять режим работы генератора при независимо от способа его возбуждения. Другими словами, если не менять положения движка реостата и величины сопротивления , то переключение ключа из положения НВ в положение СВ и наоборот не приведет к изменению режима работы генератора. Воспроизводя приведенную выше логику, можно построить произвольную точку внешней характеристики генератора с самовозбуждением при и соответственно при . На рисунке 3.2, кроме точки 1, показаны точки внешней характеристики генератора с самовозбуждением, построенные при и . Соединяя точки , 3, 2, 1, (жирная линия на рисунке 3,2). Получим вид внешней характеристики генератора с самовозбуждением. Отметим, что рассмотренный способ построения внешней характеристики генератора с самовозбуждением не изменится, если для представления внешней характеристики генератора с независимым возбуждением воспользоваться ее реальной моделью, полученной при выполнении лабораторной работы 1. Вывод, который следует сделать из анализа влияния способа возбуждения генератора на его свойства как источника ЭДС, очевиден. Если при номинальных режимных параметрах по уровню напряжения и величине тока в точке номинальной мощности нас не устраивает генератор с независимым возбуждением как источник ЭДС, то тем очевиднее это положение относится к генератору с самовозбуждением. Рассмотрим возможность пересмотра этого вывода средствами изменения конструктивных параметров генератора, определяющих величину его внутреннего сопротивления как реального источника ЭДС. Влияние внутреннего сопротивления генератора на вид его внешней характеристики рассмотрим применительно к синхронному генератору с независимым возбуждением и явно выраженной полюсной системой. Такой подход целесообразен по двум причинам. Первая причина определяется тем, что внешняя характеристика генератора с независимым возбуждением является опорной характеристикой при построении внешней характеристики генератора с самовозбуждением. Вторая причина базируется на наличии в нашем активе модели внешней характеристики генератора с независимым возбуждением, точность работы которой проверена при выполнении исследований по заданию лабораторной работы 1. Как известно, любой реальный источник ЭДС отличается от идеального наличием внутреннего сопротивления . Если воспринимать внутреннее сопротивление синхронного генератора как параметр, определяющий различие между ЭДС генератора и напряжением на нагрузке, то в соответствии с математической моделью генератора величина внутреннего сопротивления проявляется как функциональная связь между тремя параметрами генератора. (3.1) Все, указанные в выражении (3.1) параметры – активное сопротивление фазы, полное индуктивное сопротивление по продольной оси и полное индуктивное сопротивление по поперечной оси, зависят от конструктивного исполнения генератора и способа его возбуждения. Если рассматривать указанные параметры в относительных единицах, то можно отметить, что величина является инвариантной относительно способа возбуждения генератора. Различие синхронных генераторов определяется соотношением их реактивностей по продольной и поперечной осям. В технической литературе принято различать: - синхронные генераторы с не явно выраженными полюсами (турбогенераторы) при и электромагнитном возбуждении, - синхронные генераторы с явно выраженными полюсами при и электромагнитном возбуждении, - синхронные генераторы с возбуждением от постоянных магнитов, для которых характерно соотношение . Оценить влияние различия в величинах реактивностей по продольной и поперечной осям генераторов и их соотношений относительно друг друга на вид внешних характеристик можно с помощью модели внешней характеристики генератора. Для наглядности последующих выкладок воспользуемся упрощенной моделью внешней характеристики синхронного генератора, которая соответствует автономному режиму работы генератора на активную нагрузку (). Будем считать также, что активная составляющая сопротивления фазы генератора пренебрежимо мала (). При таких допущениях уравнение внешней характеристики генератора принимает вид . (3.2) Если преобразовать систему уравнений (3.2) к виду (3.3) и, пренебрегая величиной активной составляющей сопротивления обмотки якоря , исследовать на наличие экстремума величину напряжения генератора при изменении сопротивления нагрузки, то получим . (3.4) С учетом монотонного изменения знаменателя дроби (3.4) при и получим уравнение вида , решая которое относительно величины , получим . (3.5) Структура формулы (3.5) показывает, что при внешняя характеристика синхронного генератора в автономном режиме работы на активную нагрузку всегда будет монотонно падающей. Как указывалось выше, такое соотношение реактивностей по продольной и поперечной осям генератора характерно для синхронных генераторов с электромагнитным возбуждением. В синхронном генераторе с возбуждением от постоянных магнитов магнитная проводимость по продольной оси генератора мала, поэтому существование неравенства является вполне реальным явлением. Это обстоятельство открывает возможность разработки источников переменного тока с параметрическим способом стабилизации напряжения. Естественно, что их использование допустимо лишь в автономном режиме работы. На рисунке 3.3 представлены построенные по уравнениям системы (3.2) внешние характеристики синхронных генераторов. Параметром различия генераторов выбрано соотношение их реактивностей по продольной и поперечной осям. Графики внешних характеристик представлены в относительных единицах, при общепринятых базовых величинах . За основной вариант синхронного генератора принята конструкция с явно выраженными полюсами, для которой, и для промышленных генераторов, и авиационных генераторов, характерными величинами реактивностей являются Рисунок 3.3. Внешние характеристики генераторов при Если, как это сделано при построении графиков на рисунке 3.3, инвариантной точкой для всех генераторов принять точку номинального режима работы (), то можно установить, что различие между ЭДС и номинальным напряжением генератора как источника электропитания определяется в основном величиной индуктивного сопротивления по продольной оси. Оценивая теоретические возможности по созданию источника переменного тока с параметрической стабилизацией напряжения в пределах допусковой зоны, можно утверждать, что решение может существовать в рамках явно выраженной полюсной системы генератора. Причем, если при явно выраженных полюсах индуктора будет найден эффективный способ управления величиной магнитного сопротивления, определяющего величину магнитного потока от продольной составляющей МДС реакции якоря. Как видно из графиков, соответствующих соотношению , наилучшие результаты по точности параметрической стабилизации напряжения генератора получаются только положительной величине комплекса под знаком радикала в формуле (3.5). При этом оптимизации подлежит только положение величины сопротивления из формулы (3.5) в диапазоне . Таким образом, если в синхронном генераторе с явно выраженными полюсами и полюсными наконечниками имеется возможность управлять величиной индуктивного сопротивления по продольной оси, то нет теоретических препятствий для создания на его основе источника ЭДС. Не останавливаясь на конструктивных способах создания на базе синхронного генератора источника переменного тока, близкого по параметрам к источнику ЭДС, рассмотрим более известный способ решения этой задачи. Способ базируется на изменении структуры источника. Математическая модель синхронного генератора допускает возможность создания режима источника ЭДС на шинах подключения потребителей за счет изменения величины и коэффициента мощности нагрузки, подключенной непосредственно к генератору. О степени влияния коэффициента мощности нагрузки на величину и характер внутреннего сопротивления генератора можно судить по графикам, представленным на рисунке 3.4. Графики построены в относительных единицах с использованием математической модели синхронного генератора в виде системы уравнений . (3.6) Угол фазового сдвига между током и напряжением генератора выбран из расчета получения при смешанной (активно-реактивной) нагрузке генератора. Области смешанных нагрузок генератора на рисунке 3.4 разделены внешней характеристикой, построенной для случая чисто активной нагрузки (). Парное ( и ) расположение внешних характеристик представлено для оценки степени влияния активной составляющей сопротивления фазы. При построении всех графиков, представленных на рисунке 3.4, реактивные сопротивления по продольной и поперечной осям приняты величинами постоянными и равными соответственно и Тогда, при ЭДС , по графикам, можно получить полные сведения о возможности создания источника ЭДС на базе синхронного генератора с явно выраженными полюсами. Анализ рассматриваемых внешних характеристик показывает, что в синхронном генераторе нельзя добиться естественной стабилизации напряжения ни при одном из фазовых сдвигов из интервала (). Однако особенности Рисунок 3.4. Влияние характера нагрузки на вид внешней характеристики генератора расположения внешних характеристик относительно номинального уровня напряжения показывают возможность придания генератору свойств источника ЭДС изменением коэффициента мощности нагрузки генератора. На рисунке 3.5 представлено техническое решение этого положения. Рисунок 3.5. Стабилизированный по напряжению источник питания Будем считать, что нагрузка, подключаемая на шины распределительного устройства, имеет чисто активный характер. Тогда, без изменения схемы подключения нагрузки к генератору, мы будем иметь дело с внешней характеристикой генератора, представленной на рисунке 3.4. Если, как это показано на рисунке 3.5, между зажимами генератора и точками подключения нагрузки включить конденсаторы постоянной емкости, то относительно нагрузки источник электропитания получит новые свойства. Относительно напряжения на нагрузке () математическую модель внешней характеристики источника переменного тока можно представить в виде системы уравнений (3.7) Если сравнить системы уравнений (3.2) и (3.7), то можно установить, что источник переменного тока, схема которого представлена на рисунке 3.5, можно рассматривать как эквивалентный синхронный генератор, в котором реактивности вычисляются как эквивалентные параметры . (3.8) При указанных обстоятельствах источник электропитания, близкий по свойствам к источнику ЭДС можно сформировать или уменьшением знаменателя в уравнении (3.8), или изменением соотношения эквивалентных реактивностей генератора, что отражено на рисунке 3.6. Рисунок 3.6. Стабилизатор напряжения с конденсатором, включенным последовательно с сопротивлением нагрузки. Предпочтительность использования второго способа решения поставленной задачи очевидна, так как при его использовании желаемый эффект достигается установкой конденсаторов меньшей емкости. В технической литературе рассматривается и структура источника с подключением конденсаторов постоянной емкости параллельно сопротивлению нагрузки. Схема такого источника представлена на рисунке 3.7. Рисунок 3.7. Источник с конденсаторами постоянной емкости, включенными параллельно сопротивлениям нагрузки О возможности приближения свойств подобной структуры источника к свойствам источника ЭДС можно судить, преобразовав сопротивление на зажимах генератора к виду, используемому в математической модели генератора. Если учесть, что результат преобразования параллельно соединенных конденсатора и активного сопротивления к последовательно соединенным, составляющим эквивалентного комплексного сопротивления имеет вид , , (3.9) то применительно к рассматриваемому случаю математическая модель внешней характеристики генератора примет вид . (3.10) Как видно из соотношений, представленных формулами (3.9), при параллельном подключении к нагрузке конденсаторов постоянной емкости емкостная составляющая сопротивления генератора уже не может рассматриваться как параметр в системе уравнений (3.10). Изменение емкостной составляющей () сопротивления нагрузки генератора при изменении сопротивления нагрузки () приводит к существенному увеличению емкости конденсаторов при приемлемой точности стабилизации напряжения источника. Расчеты, выполненные по математической модели, представленной системой уравнений (3.10), проиллюстрированы графиками на рисунке 3.8. Рисунок 3.8. Стабилизатор напряжения с конденсаторами, включенными параллельно сопротивлению нагрузки Из сравнения графиков, представленных на рисунках 3.6 и 3.8 можно сделать вывод, что при одинаковой точности стабилизации напряжения на сопротивлении нагрузки, емкость конденсаторов при их подключении по схеме, представленной на рисунке 3.7. получается почти на порядок большей, чем при использовании конденсаторов по схеме, представленной на рисунке 3.5. Кроме того, из сопоставления величин тока генератора и тока нагрузки (рисунок 3.8) можно сделать вывод, что при параллельном подключении конденсаторов эффект стабилизации получается только за счет наличия в рассматриваемой схеме балластной реактивной нагрузки, сопротивление которой много меньше сопротивления нагрузи. Естественно, этот вывод справедлив для интервала изменения сопротивления нагрузки в виде . Таким образом, представленный обзор показывает, что математическая модель синхронного генератора не ставит принципиальных препятствий в проблеме создания в рамках конструкции генератора источника питания с параметрической стабилизацией напряжения на нагрузке. При этом, если не удается решить поставленную задачу управлением внутренними параметрами генератора (), то более предпочтительным способом добиться желаемого результата будет способ, связанный с введением в структуру источника конденсаторов постоянной емкости. Простота структуры источников с параметрической стабилизацией напряжения и их надежность в эксплуатации являются главными предпосылками их использования в качестве автономных источников питания. В рамках основной модели синхронного генератора и рассмотренных выше ее разновидностей можно оценить (при необходимости) влияние изменения частоты синхронного генератора на параметры используемого в структуре источника конденсатора постоянной емкости. На рисунке 3.9, применительно к генератору с параметрами в относительных единицах , представлены графики изменения напряжения на нагрузке для двух способов включения конденсаторов постоянной емкости в структуру источника. Графики даны для трех опорных точек по частоте переменного тока – номинальной частоты и для двух граничных частот из допускового диапазона и . Рисунок 3.9. Влияние изменения частоты генератора переменного тока на уровень напряжения на нагрузке Анализ графиков, представленных на рисунке 3.9, показывает, что при невысоких требованиях к стабильности напряжения на нагрузке нет технических препятствий для создания источника переменного тока с параметрической стабилизацией напряжения. Причем, параметрическая стабилизация напряжения источника может быть достигнута или средствами управления величиной внутреннего сопротивления генератора, или средствами управления коэффициентом мощности нагрузки генератора. Возможность технического использования источника переменного тока с параметрической стабилизацией напряжения должна базироваться на сравнении его технических и эксплуатационных характеристик с функционально однотипными источниками. Альтернативным источником в рассматриваемом случае является синхронный генератор с управляемым магнитным потоком. Принцип создания источника переменного тока на базе синхронного генератора с управляемым магнитным потоком показан на рисунке 3.10 применительно к генератору с независимым электромагнитным возбуждением. Рисунок 3.10. Источник с управляемым магнитным потоком Как следует из построений, представленных на рисунке 3.10, если при произвольном сопротивлении нагрузки подбирать ЭДС холостого хода генератора () так, чтобы точка пересечения внешней характеристики генератора с линией нагрузке приходилась на номинальное напряжение, то при генератор переменного тока будет обладать свойствами источника ЭДС. Если учесть, что ЭДС, наведенная в рабочей обмотке генератора равна , а частота вращения вала генератора или остается постоянной, или жестко задается режимом работы привода, то следует признать, что управление величиной ЭДС возможно исключительно средствами изменения магнитного потока. Этот вывод позволяет считать универсальной регулировочной характеристикой генератора (характеристикой, не зависящей от способа возбуждения генератора) функциональную связь величины магнитного потока с током нагрузки генератора. Рисунок 3.11. Универсальная регулировочная характеристика генератора На рисунке 3.11 представлено семейство универсальных, регулировочных характеристик синхронного генератора применительно к наиболее распространенному случаю работы генератора на активно-индуктивную нагрузку. Графики, представленные на рисунке 3.11, позволяют сделать два важных вывода относительно возможности создания источника переменного тока на базе синхронного генератора с управляемым магнитным потоком: - во-первых, при проектировании подобного генератора должна быть предусмотрена как возможность изменения магнитного потока, так и необходимая глубина (кратность) его изменения; - во-вторых, в конструкции генератора должно быть предусмотрено устройство управления магнитным потоком, технически реализующим требуемый вид регулировочной характеристики. На рисунке 3.12 представлена развертка магнитной системы явнополюсного синхронного генератора и схема замещения, наиболее часто используемая для расчета параметров генератора. Степень дискретности представления участков магнитной цепи генератора, определяемая магнитными сопротивлениями , , , , , как правило бывает достаточной для выполнения проектных расчетов. В классическом варианте исполнения синхронного генератора, с секционированной или кольцевой обмоткой возбуждения, управление магнитным потоком, сцепленным с рабочей обмоткой генератора, производится изменением МДС обмотки возбуждения. Рисунок 3.12. Развертка магнитной системы генератора Если в синхронном генераторе для создания магнитного потока используются постоянные магниты, то устройство управления магнитным потоком, сцепленным с рабочей обмоткой, может иметь два варианта исполнения. Первый вариант реализуется в виде дополнительной, кольцевой обмотки, охватывающей спинку сердечника якоря. Эта обмотка называется обмоткой подмагничивания спинки якоря, а ее свойства подобно были исследованы при выполнении лабораторной работы 1. Второй вариант устройства управления магнитным потоком реализуется в виде управляемого магнитного шунта. Конструктивно, управляемый магнитный шунт выполняется в виде магнитной системы с обмоткой. Магнитный шунт располагается вблизи полюсных наконечников (с зазором), что приводит к появлению в магнитной системе индуктора дополнительного потока рассеяния . Если управлять величиной магнитного потока путем изменения МДС , то при правильном согласовании МДС и можно получить требуемый закон изменения полезного магнитного потока. На рисунке 3.13 представлены регулировочные характеристики синхронных генераторов с различными системами управления магнитным потоком. Рисунок 3.13. Регулировочные характеристики генераторов Если при проектировании генератора обеспечена требуемая кратность изменения рабочей составляющей магнитного потока, то последующая задача, связанная со стабилизацией напряжения на нагрузке решается с помощью регулятора напряжения. Схемотехнически, большинство современных регуляторов напряжения выполняется по типовой структуре, представленной на рисунке 3.14. Рисунок 3.14. Обобщенная структура регулятора напряжения Устройство управления магнитным потоком генератора в структурной схеме регулятора представлено обмоткой управления ОУГ. Требуемый закон изменения тока в обмотке управления ОУГ (реализацию регулировочной характеристики) обеспечивает силовой ключ VT. При постоянной величине напряжения Uу, изменение тока в обмотке управления (в соответствии с регулировочной характеристикой) производится изменением относительного времени открытого состояния силового ключа VT. Статическая характеристика регулятора напряжения формируется за счет согласования параметров измерительного органа ИО и компаратора, состоящего из генератора пилообразного напряжения ГПН и операционного усилителя ОУ. Согласующее устройство СУ усиливает (при необходимости) выходной сигнал операционного усилителя и обеспечивает требуемую логику работы силового ключа. Функциональный преобразователь ФПР служит для приведения регулируемого напряжения к виду, удобному для использования на входе измерительного органа. При широтно-импульсном принципе регулирования напряжения блок РУ выполняет функцию рекуператора электроэнергии. Схема корректирующего устройства КУ определяется требованиями по динамическим характеристикам регулятора и иго устойчивости. Опорное напряжение Uоп, относительно которого оценивается отклонение текущего значения напряжения генератора, формируется или то специального источника, или настройкой измерительного органа. Исторически и по своим функциональным свойствам, все разновидности современных самолетных регуляторов напряжения опираются на единый прототип. Таким прототипом для современных регуляторов является простейший Скачать 0,9 Mb. оставить комментарий страница 1/4 Дата 28.09.2011 Размер 0,9 Mb. Тип Методические указания, Образовательные материалы