Исследование возможностей совершенствования электромашинных преобразователей для машинно-электронных генерирующих систем автономных объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Ян Наинг Мьинт

• Ян Наинг Мьинт
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Ян Наинг Мьинт

Содержание

Введение 6 Глава 1. Вентильные генераторы (ВГ) и их применение на автономных объектах

1.1. Структурно-функциональный облик вентильных генераторов

1.2. Особенности проектирования электрических машин (ЭМ), работающих на выпрямительную нагрузку

1.2.1. Выбор числа полюсов ЭМ системе ВГ

1.2.2. Выбор числа фаз т ЭМ в системе ВГ

1.2.2.1. Влияние числа фаз т на качество выпрямленного напряжения

1.2.2.2. Влияние числа фаз т на действующее значение фазного токаСГ

1.3. Синтез (и выбор) структуры преобразующего тракта ВГ

1.4. Влияние индуктивностей рассеяния обмоток на выпрямленное напряжение и на габаритную мощность ЭМ( ВГ )

1.5. Об использовании активных выпрямителей в ВГ

Выводы

Глава 2. Определение зависимости массы синхронного генератора от числа

пар полюсов и частоты вращения вала

2.1. Выбор главных размеров генератора

2.2. Расчет числа витков на фазу

2.3. Расчет зубцовой зоны статора, его пазов и параметров якорной обмотки статора

2.4. Расчет полюсов ротора

2.5. Магнитное напряжение и расчет потока рассеяния

2.6. Алгоритм определения МДС обмотки возбуждения

с учетом реакции якоря

2.6.1. Упрощенный подход к описанию алгоритма определения

МДС возбуждения

2.6.2. Детализированный алгоритм расчета МДС возбуждения

2.7. О целесообразности использования в индукторе ротора втулки из

более легкого металла

Выводы

Глава 3. Определение массы активных материалов синхронного генератора

для различных режимов

3.1. Определение МДС реакции якоря

3.2. Параметры обмотки статора для установившегося режима работы

3.3. Определение МДС возбуждения при нагрузке

3.3.1. Определения МДС возбуждения при активно-емкостной нагрузке

3.4. Внешние характеристики

3.5. Регулировочные характеристики

3.6. и-образные характеристики синхронного генератора

Выводы

Глава 4. Методика сопоставительной оценки вариантов вентильного генератора с различной пульсностыо выпрямленного напряжения

4.1. Общая характеристика предмета исследования

4.2. Исследование наиболее простых решений ВГ

4.2.1. Об используемом подходе к решению поставленной задачи

4.2.2. Основные показатели качества простейшего ВГ-3

(при т=3, тэ=2т=6)

4.2.2.1. Габаритная мощность ЭМ

4.2.2.2. Параметры диодов выпрямительного моста

4.2.3. Основные показатели качества ВГ- 6 (при т= гпэ=6)

4.2.3.1. Взаимосвязь между фазным и выпрямленным напряжением в ВГ- 6

4.2.3.2. Определение параметров фазного тока ВГ

4.2.3.3. Габаритная мощность якорных обмоток ВГ-6

4.2.3.4. Параметры диодов выпрямительного моста

4.3. Модифицированный вариант ВГ-6 (ВГ-6М)

4.3.1. Взаимосвязь между входным и выходным напряжениями ВГ-6М

4.3.2. Параметры фазного тока ВГ-6М

4.3.3. Габаритная мощность якорных обмоток модифицированного варианта ВГ-6М

4.3.4. Параметры диодов выпрямительного моста в ВГ-6М

4.3.5. Габаритная мощность двух трансфильтров

4.3.5.1. К физике работы ВГ-6КМ с трансфильтрами

4.3.5.2. Определение параметров напряжения на обмотках ТФ

4.3.5.3. Действующее значение тока через полуобмотку ТФ и габаритная мощность трансфильтра

4.3.6. Габаритная мощность якорных обмоток и двух ТФ

4.3.7. Об итоговой оценке достоинств варианта ВГ-6КМ

4.4. Вентильный генератор с пульсностью выпрямленного

напряжения тэ=18

4.4.1. Габаритная мощность ЭМ в ВГ с т=9 (и тэ=18) без использования трансфильтра

4.4.1.1. О фазном напряжении ЭМ ВГ

4.4.1.2. Действующее значение фазного тока ЭМ

4.4.1.3. Габаритная мощность обмоток ЭМ

4.4.2. Использование трансфильтра для улучшения показателей качества ВГ-9

4.4.3. О функции трансфильтра

4.4.4. Габаритная мощность ТТФ

Выводы

Заключение

Перечень аббревиатур

Список литературы

Приложения

+

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование возможностей совершенствования электромашинных преобразователей для машинно-электронных генерирующих систем автономных объектов»

Введение

Проблемы расширения масштабов электрификации и повышения надежности бесперебойного электроснабжения потребителей различного уровня в любой стране сегодня во многом решаются на основе развития малой энергетики, в том числе, на основе использования возобновляемых источников энергии. С учетом того, что данное направление электрификации является относительно молодым, можно утверждать, что на данном этапе развития при разработке проектов по данной тематике практически всегда пока еще отсутствует информационно-методическое обеспечение, необходимое для системного проектирования автономных генерирующих систем (ГС), ориентированных на применение в данной области. Под системным проектированием в данном случае понимается такая комплексная проектная процедура, при которой максимально учитываются не только свойства и характеристики всех силовых звеньев ГС, но и потенциальные возможности совершенствования как отдельных звеньев, так ГС в целом на основе учета взаимного влияния этих звеньев друг на друга. Поскольку при этом ожидаемыми результатами являются улучшенные по сравнению с традиционными решениями такие показатели качества, как массогабаритные показатели и КПД, то решение задачи синтеза автономных ГС в такой постановке (с учетом требуемых масштабов их применения), несомненно, представляется актуальным. Очевидно, что работа в таком направлении во многом будет носить поисковый характер и потребует использования не стандартных подходов к ее решению.

В более конкретной постановке задача поисковой работы может быть сформулирована следующим образом. При совершенствовании электротехнических комплексов (ГС) для автономных объектов приходиться решать следующие задачи:

- синтез структурной или структурно-алгоритмической организации ГС, наиболее полно удовлетворяющей тенденциям развития и поставленным требованиям технического задания;

- совершенствование узлов, составляющих этот комплекс, требующее

создания информационно-методического обеспечения при их параметрической оптимизации;

- разработка подходов к системному проектированию ГС, основанных на глубоком изучении и модельном описании свойств и характеристик звеньев и обеспечивающих учет взаимного влияния их друг на друга.

В представленной работе указанный перечень задач решается применительно к машинно-электронной генерирующей системе (МЭГС-1) первого типа - вентильный генератор (ВГ). Функциональная характеристика МЭГС-1 заключается в преобразовании многофазного переменного напряжения в общем случае изменяющейся частоты в напряжение постоянного тока с заданным допустимым уровнем его искажений (пульсаций). МЭГС-1 может применяться как самостоятельно, так и в составе ГС второго типа - МЭГС-2, обеспечивающей преобразование многофазного переменного напряжения изменяющейся частоты обычно в трехфазное напряжение стабильной частоты. При этом МЭГС-1 дополняется трехфазным инвертором с выходным фильтром. Оба типа МЭГС относятся к автономным системам электроснабжения централизованного типа, характерным функциональным признаком которых является заданный уровень стабильности параметров выходной электроэнергии. Область применения МЭГС-1 и МЭГС-2: малая энергетика (ветро-и гидроэнергетика), транспортные системы (летательные аппараты, авто-и железнодорожный транспорт, речные и морские суда).

Исследуемый в работе электротехнический комплекс даже в более простом (по сравнению с МЭГС-2) варианте - МЭГС-1 с позиции системного (в пределе - оптимального) проектирования представляет собой непростую задачу, которая характеризуется достаточно большим числом подлежащих вариации существенных признаков, которая и определяет саму суть процесса оптимизации.

Особенностью успешного системного проектирования является использования междисциплинарных знаний - знаний на стыке нескольких областей (в данном случае электрических машин и силовой преобразовательной тех-

ники), а также современных компьютерных технологий проектирования, без которых оперативно (в частности, в рамках аспирантского срока) решить поставленные задачи практически невозможно.

Краткое содержание диссертационной работы.

В первой главе диссертации дается краткий обзор принципов построения и областей применения автономных ГС, выделяются два основных их типа: машинно-электронные генерирующие системы - МЭГС-1 и МЭГС-2; и отмечается, что основное внимание в работе будет уделено вопросам совершенствования МЭГС-1. Приводится краткая информация по модельному описанию процессов в выпрямительных устройствах, использование которой потребуется в 4-й главе, и формулируется перечень задач, подлежащих решению.

Вторая глава посвящена исследованию возможностей улучшения массо-габаритных показателей синхронной машины (СМ), работающей в генераторном режиме на выпрямительную нагрузку (то есть в составе ВГ) за счет выбора рационального значения числа пар полюсов р. Задача решается на примере конкретно взятой СМ при 4-х значениях частоты вращения вала. Приводится используемая методика расчета и полученные результаты исследования. Установлено, что за счет оптимизации параметра р может быть достигнуто улучшение массогабаритных показателей СМ до 25%.

В третьей главе исследуется возможность улучшения массогабаритных показателей СМ (в том же генераторном режиме) за счет работы ее с емкостным соэф. Такой режим работы СМ обеспечивается при работе ее совместно с активным выпрямителем, способным работать в комбинированном режиме - в режиме выпрямителя и компенсатора реактивной мощности. Приведены расчеты и результаты исследования. Установлено, что в этом случае также может быть достигнут выигрыш в массогабаритном показателе СМ до 20%.

Четвертая глава посвящена исследованию возможностей совершенствования МЭГС-1 за счет новой структурной ее организации, основанной на использовании принципа многоканального преобразования энергетического

потока. Для получения количественных оценок преимуществ новых решений перед традиционными решениями использованы аналитический метод совместно с имитационным компьютерным моделированием. Рассмотрены варианты МЭГС-1 с пульсностью выпрямленного напряжения тэ=6 и тэ= 18, дана сопоставительная оценка вариантов, основанная на определении габаритной (расчетной) мощности СМ и даны рекомендации по системному проектированию.

В заключении подведены итоги выполненной работы от краткой формулировки поставленной задачи до полученных результатов по совершенствованию машинпо-геиерирующей системы 2-го типа - МЭГС-1.

Глава 1

ВЕНТИЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ НА АВТОНОМНЫХ ОБЪЕКТАХ

1.1. Структурно-функциональный облик вентильных генераторов

Функциональной задачей вентильных генераторов является преобразование механической энергии вращения приводного вала в электрическую энергию постоянного тока без использования щеточно-коллекторного узла.

Вентильный генератор (ВГ) [1-1ч 1-5] представляет собой электромеханический комплекс, включающий в себя как минимум два силовых преобразующих звена: электрическую машину (ЭМ) переменного тока и выпрямительный блок (ВБ). В зависимости от фазности ЭМ - т и требований к пульсациям выпрямленного напряжения на выходе ВБ может устанавливаться также сглаживающий фильтр. ВБ может быть выполнен, как неуправляемым (на диодах), так и управляемым на ключевых элементах (на тиристорах или

им

Рис. 1-1. Обобщенная функциональная блок-схема комбинированной МЭГС «Переменная скорость - постоянная частота - ПСЧП» + ВГ (СГ+ВБ) на основе использования привода постоянных оборотов - ППО и синхронного генератора -СГ с электромагнитным возбуждением. Принятые обозначения: ИМЭ - источник механической энергии, ВБ -выпрямительный блок, РВ - регулятор возбуждения, АБ - аккумуляторная батарея, К1, К2 - ключи.

транзисторах с диодами [1-6ч 1-8]).

Применяемые в В Г типы ЭМ 1. Синхронные генераторы (СГ) [1.1ч 1.5]:

1.1. С возбуждением от постоянных магнитов (бесконтактные) [1-Зч1-8].

1.2. С электромагнитным возбуждением: а) с независимым возбуждением (контактные, бесконтактные); б) с самовозбуждением (контактные, бесконтактные) [1-1,1-2]

1.3. С комбинированным возбуждением (контактные, бесконтактные).

2. Асинхронные генераторы (АГ) с короткозамкнутым ротором (КЗР):

2.1. С регулируемым конденсаторным самовозбуждением [1-9];

2.2. С самовозбуждением от электронного компенсатора реактивной мощности (ЭКРМ) [1-6ч 1-8].

3. Индукторные генераторы, представляющие собой разновидность синхронных генераторов и характеризуемые бесконтактным и более простым исполнением, но вместе с этим и повышенной массой. Типы возбуждения такие же, как и в СГ.

Применяемые в ВГтипы вентильных блоков (ВБ)

1. В том случае, когда имеется возможность системного проектирования СГ совместно с ВБ (то есть, как электротехнического комплекса «Вентильный генератор - ВГ=СГ+ВБ»), структура ВБ на практике выполняется на базе т фазной мостовой схемы выпрямления и определяется числом фаз генератора - т, которое характеризуется:

- для симметричных т фазных систем с нечетными числами, обычно кратными трем (т= 3, 9, 15,..) угол 9 между фазными напряжениями одинаков и равен 9=2л:/т - рис. 1-3а;

- для несимметричных систем напряжений с четным и нечетным числом фаз т, обычно также кратным трем (т=6, 9, 12, 15,..), т фазная система напряжений может быть охарактеризована т / 3 числом трехфазных систем напряжений, сдвинутых относительно друг друга на угол р= п!т - рис. 1-36.

А,

А[ А9

>1 а8

'А 7

а)

б)

Рис.1-2. Векторные диаграммы, поясняющие формирование симметричной - а) и несимметричной - б) 9-и фазной систем напряжений. Пунктиром показан пример линейных напряжений, из которых формируется выпрямленное напряжение

Вариант структуры ВГ с двумя выходами постоянного (Ц/о) и переменного тока (112) характерен для автономных систем электроснабжения - АСЭС с переменной частотой вращения вала (и=уаг). Недостаток ее заключается в том, что электропитание непосредственно от СГ могут получать только те потребители, которые нечувствительны к изменению частоты напряжения СГ (например, противообледенительные системы самолетов). В этом варианте также приходиться решать задачу согласования уровней напряжения для потребителей постоянного тока и для потребителей переменного тока. Одним из вариантов решения этой задачи может быть использование, например, в ВБ трансформаторного или автотрансформаторного узла [1-1 Оч 1-13]. Необходимость использования этих средств возникает также и в том случае, ясли частота вращения приводного вала стабилизируется с помощью привода постоянных оборотов - ППО (рис. 1-1).

2. В том случае, если возможно (и целесообразно) отказаться от ППО, используется структура, показанная на рис. 1-3. Стабилизация частоты (для соответствующих потребителей обеспечивается здесь применением статического преобразователя частоты (СПЧ) со звеном постоянного тока (ЗПТ), как

АБ Kl К2

Рис. 1-3. Обобщенная функциональная блок-схема комбинированной МЭГС со стабилизированными напряжениями постоянного (Um) и переменного (С/г) тока и с напряжением C/cr = const изменяющейся частоты: СПЧ - статический преобразователь частоты со звеном постоянного тока, ТИН - трехфазный инвертор напряжения, Ф], Ф2 — фильтры. Остальные узлы такие же, как на рис. 1-1.

наиболее простого решения по сравнению с непосредственным преобразователем частоты (НПЧ) [1-11]. В этом варианте также должна решаться задача согласования (в соответствии с ТЗ) напряжения СГ со всеми тремя уровнями напряжения АСЭС (Ucr, Um, U2). Поскольку здесь возможны альтернативные варианты, то выбор наиболее рационального из них основывается на выполнении условий заданного ТЗ. Нужно заметить, что при проектировании СГ в данной структуре ВГ следует учитывать тот факт, что от него отбирается только активная мощность (по всем трем выходам).

1.2. Особенности проектирования электрических машин (ЭМ), работающих на выпрямительную нагрузку

Как следует из выше рассмотренных примеров, ВГ могут применяться как самостоятельно, так и совместно с другими преобразующими структурами. Во всех этих случаях применения ВГ, если ставится задача достижения наилучших массогабаритных и энергетических показателей не только ВГ, но и всей АСЭС, в качестве направления решения этой задачи возникает проблема системного (совместного) проектирования как минимум двух преобразующих звеньев - СГ и ВБ. Одним из основных параметров, подлежащих

обоснованному выбору, является пульсность тэ выпрямленного напряжения (называемая также эквивалентной фазностыо). При использовании в ВБ двухполупериодного выпрямления этот параметр связан с числом фаз СГ т следующим образом: тэ = 2 т. При заданной частоте вращения приводного вала (п) для ВГ такие параметры СГ, как число фаз т и частота напряжения f (конструктивно определяемая ее числом полюсов 2р) здесь являются внутренними ее параметрами, которые могут быть подвергнуты оптимизации по заданному критерию, например, по минимуму массы системы ВГ в целом [114]. На некоторые другие направления совершенствования ВГ будет сказано далее и, кроме того, указано также в [1-15].

Еще одним фактором, определяющим показатели качества ВГ, является топология якорной обмотки СГ, тесно взаимосвязанная с ее числом фаз т. Из технической литературы известны возможные варианты выполнения обмоток (см., например, [1-1]), однако, однозначных рекомендаций по выбору наиболее рационального из них при выбранном параметре т обнаружить не удалось. Одной из целей настоящей работы является определенное восполнение этого пробела.

1.2.1. Выбор числа полюсов электрической машины в системе ВГ

Из технической литературы в принципе известно, что для ЭМ в системе ВГ существует оптимальное значение числа пар полюсов ропт, при котором для различных применений могут быть достигнуты наилучшие массогаба-ритные показатели ЭМ [1-4ч 1-5, 1-16]. При этом численное значение параметра ропт зависит от условий конкретного применения, которые, в первую очередь, определяются частотой вращения приводного вала. Достаточно детальный качественный анализ влияния числа полюсов на массогабаритные показатели ЭМ дан, например, в [1-16], где, в частности, приведен следующий вывод: «С увеличением числа полюсов вес стали машины уменьшается, а вес меди за счет роста веса меди возбуждения возрастает.... Оптимальное число полюсов ропт зависит от размеров и мощности машины и с увеличением последних растет». В настоящей работе нас интересует результирующая

количественная оценка влияния этого параметра на массогабаритные показатели ЭМ. При этом ранее накопленный по данной проектной проблеме опыт в настоящей работе будет использован в качестве ориентира при оценке результатов на адекватность.

1.2.2. Выбор числа фаз т ЭМ в системе ВГ 1.2.2.1. Влияние параметра т на качество выпрямленного напряжения В ряде случаев применения ВГ предъявляются повышенные требования к уровню пульсаций выпрямленного напряжения. Наиболее часто на практике в диапазоне малых мощностей до десятков кВА используются ВГ с пульсно-стью выпрямленного напряжения тэ=6 или тэ= 12. В этих случаях дальнейшее снижение уровня пульсаций до требуемого значения обычно достигается фильтрацией этого напряжения. Недостатком такого решения является ухудшение массогабаритных и динамических показателей системы ВГ в целом за счет введения фильтров.

Исключение этих недостатков в общем случае может быть достигнуто за счет построения ВГ с повышенной пульсностыо выпрямленного напряжения:

тэ=2Ь- т ,

где Ь =1, 2, 3...- число трехфазных якорных обмоток, сдвинутых между собой на угол в,, который может быть равен или 6>г =2и / т - при использовании симметричной т фазной системы (рис.2а), или Д =п / т - при использовании несимметричной т фазной системы (рис.26). Заметим, что в дальнейшем параметру Ь будет придан более обобщающий смысл (и новый термин -число каналов преобразования энергетического потока).

Таким образом, качество выпрямленного напряжения определяется числом фаз якорной обмотки т. Параметры пульсаций двухполупериодно выпрямленного напряжения определяются их частотой/п=2/-Ь-т и их размахом, который может быть определен или абсолютным его значением:

Д6Гйр= \Jdmax~ и^тп, (1"1)

или относительным значением:

U <i о

где Udmax и Udmin -максимальное и минимальное значения выпрямленного напряжения ud(t).

Взаимосвязь постоянной составляющей выпрямленного напряжения Ud0

с амплитудным значением фазного напряжения якорной обмотки 11фт для идеализированного СГ (то есть без учета угла коммутации у) имеет следующий известный вид [1-17]:

= —sin-^- • К^ ■ 11фт , (1-3)

п тэ

где Ксх - схемный коэффициент, определяемый числом фаз т СГ, топологией якорной т фазной обмотки (например, при т=3 Ксх=4з) и структурной организацией ВГ, которая может быть охарактеризована двумя видами суммирования в цепи постоянного тока L частей выпрямленного энергетического потока — суммированием напряжений или суммированием токов [1-10]. В главе 4 приводятся значения коэффициента Ксх в зависимости от значения параметра т.

В настоящем исследовании используется общепринятый на начальных этапах прием идеализации объекта исследования, который позволяет оперативно выявить основные (наиболее значимые) закономерности синтеза и возможные направления его совершенствования.

1.2.2.2. Влияние параметра т на действующее значение фазного тока СГ

При системном проектировании помимо знания влияния параметра т на показатели качества выходного (выпрямленного) напряжения, необходимо также знать его влияние и на показатели качества напряжения и тока СГ, то есть входных параметров вентильного блока (ВБ).

Известно, что напряжение СГ искажается из-за наличия в его обмотках так называемых коммутационных сопротивлений -хк[1-4, 1-17], определяемых, прежде всего, индуктивностями рассеяния якорных обмоток (а также их сверхпереходными индуктивными сопротивлениями [1-4]), которые опре-

деляют угол коммутации вентилей (диодов) - у. Поскольку проведение исследования с учетом этих коммутационных процессов достаточно сложное и не является принципиально важным с позиции решаемой в настоящей работе задачи, то представляется, что на данном этапе без особого ущерба результатам оно может быть отложено и проведено в рамках последующих уточняющих работ в этом направлении. Из этих же соображений не будем также учитывать падение напряжения на диодах ВБ. Таким образом, с учетом указанных допущений, характеризующих определенную идеализацию объекта исследования, заострим здесь внимание на других, не исследованных (или же недостаточно исследованных) закономерностях. Одной из них является зависимость действующего значения фазного тока СГ от его фазности т и от структуры ВГ.

Для наиболее традиционной структуры ВГ (рис.1-4а) в виде синхронной машины (СГ) с якорной обмоткой по т фазной лучевой схеме и вентильного блока (ВБ), выполненного по т фазной мостовой схеме (при допущении достаточной сглаженности выпрямленного тока, то есть при Ьа —> оо), фазный ток имеет форму импульсов прямоугольной формы длительностью 6>,- =2к / т. Действующее значение импульсного фазного тока 1Яф , выраженное через его скважность

и через постоянную составляющую выпрямленного тока Ido, имеет следующий вид:

Полученное выражение понадобится нам (в главе 4) при определении габаритной (называемой также расчетной) мощности якорной обмотки ЭМ.

Модифицированная структура ВГ

Традиционная структура ВГ может быть модифицирована путем преоб-

Наиболее распространенная структура ВГ

(1-5)

разования ее в явно выраженную L канальную структуру с суммированием токов каналов (рис.4в). Подробнее об этом сказано в следующем подразделе. Простейший пример ВГ такого типа при т-12 описан в [1-19].

В модифицированной таким образом структуре на данном этапе нас будет интересовать только действующее значение фазного тока якорной обмотки в зависимости от числа фаз m . Каждый из L каналов ВГ здесь представляет собой последовательно включенные трехфазную обмотку и трехфазный выпрямительный мост. При этом каналы работают независимо друг от друга, каждый с выходным током, равным

(1-6)

В выходной цепи токи каналов суммируются с помощью трансфильтра (ТФ). Фазные токи имеют форму прямоугольных импульсов длительностью 2ти/3 со скважностью импульсов s=3/2. Действующее значение токов равно:

I = 1 (1-7)

Lyfs L ]l 3 ' U J

Для сравнения традиционной и модифицированной структур ВГ нужно учесть, что число фаз СГ m с канальностыо L связано следующим образом:

m=3L (1-8)

или L= т/3. (1-9)

Подставив значение L из (1-9) в (1-7), получим выражение для фазного тока:

L \ 3 m V -> m

Из сопоставления (1-5) и (1-10) находим, что действующее значение фазного тока якорной обмотки в модифицированной структуре (с ТФ) по сравнению с традиционной структурой (без ТФ) меньше в к раз, причем это число растает с ростом числа фаз т:

\/б

к = Ь*.

v . m

-7,0

m

/

Например, при т=9 число k=J3 =1,732, при т=15 число =2,236.

(1-11)

Для полной оценки преимуществ якорной обмотки одного варианта структурной организации ВГ перед традиционным (по критерию габаритной мощности) необходимо знать также в каждом из этих вариантов (при принятых допущениях) действующее значение фазного напряжения ияфд в долях от постоянной составляющей выпрямленного напряжения и ¿о- Для каждой из двух структур эта взаимосвязь определяется схемным коэффициентом Ксх (см. подробнее главу 4), который зависит от числа фаз т и структурной организации ВГ. Если для Ь канального варианта ВГ (то есть для структуры с ТФ) он неизменный и равен /<"сх=л/з (см. рис.1-4в), то для альтернативной структуры ВГ (без ТФ - рис.1-4а) этот коэффициент зависит от параметра т и при т >3 будет несколько больше 7з , а, следовательно, и результирующий коэффициент выпрямления Кф^ (см. главу 4) здесь также будет больше. Забегая наперед, заметим, что итоговый результат однозначен в пользу модифицированной структуры на рис.1-4в (см. главу 4, а также [1-13]).

Эта тема на конкретных примерах вариантов В Г будет продолжена в главе 4.

1.3. Синтез (и выбор) структуры преобразующего

тракта ВГ

На сегодня известно (или может быть предложено) достаточно большое число структур ВГ. Возможная вариантность, прежде всего, определяется типом используемой ЭМ (синхронная, асинхронная, индукторная), числом фаз т ЭМ, топологией якорной обмотки (лучевая схема или многоугольник) и структурной организацией (или структурой ВГ). К относительно новым и мало изученным направлениям синтеза ВГ можно отнести следующие:

- использование при синтезе многоканального принципа (МКП) преобразования энергетического потока [1-10, 1-12, 1-13], который характеризуется: а) разбиением Ьт фазной системы якорных обмоток ЭМ на Ь число т фазных, гальванически развязанных обмоток (здесь обычно т-3); б) разбиением Ьт фазного выпрямительного моста (с 2Ьт числом диодов) на Ь число т фазных мостов; и в) одним из двух способов суммирования энергетическо

\ъ, Уй3 уо} го, уо9 УО,, хъц УОЦ га.

ВМ1 ВМ1

б) в)

Рис 1-4. Варианты структурной организации 9 фазного вентильного генератора : а) - традиционный; б), в) - нетрадиционные.

го потока (ЭП) - рис. 1-46, в:

— суммированием напряжений Ь каналов (путем последовательного соединения выходов Ь мостов, рис. 1-46);

- или суммированием токов Ь каналов (путем параллельного соединения одноименных по полярности выходов Ь мостов через обмотки одного - рис. 1-4в или двух трансфильтров);

- использование в качестве ЭМ асинхронной машины (АМ) с коротко-замкнутым ротором и с управляемым самовозбуждением от активного выпрямителя, реализующего комбинированный режим: управляемого выпрямления и управляемой компенсации реактивной мощности [1-6ч 1-8] - рис. 1-6.

Общими признаком для двух видов суммирования ЭП при МКП (рис.46, в) являются независимая друг от друга работа Ь мостов, что выражается в том, что:

1) выходное напряжение и ¿о - в первом варианте (рис. 1-46) и выходной ток 1М - во втором варианте (рис. 1-4в) каждого моста соответственно равны:

(1-12)

или

0; (ыз)

2) токи на входе каждого их Ь мостов имеют импульсный вид с формой «квазимеандр с паузой тс/З» между полуволнами с максимальными значениями, которые в первом и втором вариантах соответственно равны:

0-14)

■ (1-15)

Детально преимущества ВГ, синтезированные на основе принципа МКП, будут рассмотрены в главе 4 на конкретных примерах. Здесь лишь обратим внимание на тот факт, что фазный ток ЭМ в момент коммутации диодов ВБ в ВГ с МКП по структуре на рис.1-4в в Ь раз меньше, чем в традиционной структуре по рис.1-4а. Это означает, что в реальном случае с учетом коммутационного сопротивления якорной обмотки ЭМ хк угол коммутации диодов у будет значительно меньше (см. ниже выражения (1-16)ч(1-18)), а, значит, энергетические характеристики ВГ будут лучше.

1.4. Влияние индуктивностеи рассеяния обмоток ЭМ на выпрямленное напряжение и на их габаритную мощность

Индуктивность рассеяния обмоток (а точнее коммутационное сопротивление хк) ЭМ в системе ВГ приводит:

1) к снижению напряжения Udo в соответствии с выражением [1-17]:

(Мб)

где Udo — постоянная составляющая выпрямленного напряжения при Udo(y) , IdO(y) — реальные постоянные составляющие выпрямленного напряжения и тока, ахк — коммутационное сопротивление;

2) к замедленному нарастанию и спаданию фазного тока [1-17], что выражается в деформации его формы (рис. 1-5), и к его фазовому сдвигу на угол:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ян Наинг Мьинт, 2014 год

Литература

К главе 1

1-1. Вентильные генераторы автономных систем электроснабжения / Н.М. Рожнов, A.M. Русаков, A.M. Сугробов, П.А. Тыричев.- М.: Издат.-о МЭИ, 1996.-280 с.

1-2. Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. В двух томах / под ред. Грузкова С.А. - М.: Издательство МЭИ. 2005 - Том 1. Системы электрооборудования летательных аппаратов. - 2005. - 568

1-3. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф., Ларионов А.Н. Электрические машины с постоянными магнитами. - М - Л.: Энергия, 1964. - 480 с.

1-4. Балагуров В.А. Проектирование авиационных генераторов переменного тока. Часть 1. Лекции по курсу «Проектирование ЭСА». - М.: Изд.-о МЭИ, 1970.- 163с.

1-5. Сугробов A.M., Русаков A.M. Проектирование электрических машин автономных объектов. Учебное пособие для вузов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012.-304с.

1-6. Горякин Д.В., Мыцык Г.С. Вентильный генератор на базе асинхронной машины с управляемым самовозбуждением. Н\т-й сборник «Известия ВА РВСН им. Петра Вели-кого», №251, 2012. - 758с., С.216-224.

1-7. Горякин Д.В., Мыцык Г.С. Трехфазная мостовая инверторная схема в режиме компенсатора реактивной мощности. Практическая силовая электроника, 2012г., №45. -С. 13-17.

1-8. Горякин Д.В. Исследование новых возможностей совершенствования машинно-электронных генерирующих систем для малой энергетики и автономных объектов. Автореферат на соиск. уч. степ, к.т.н. - М.: НИУ «МЭИ», 2013.-20 с.

1-9. Торопцев Н.Д. Авиационные асинхронные генераторы. - М.: Транспорт, 1970.-С.204.

1-10. Мыцык Г.С. Поисковое проектирование устройств силовой электроники (трансформаторно-полупроводниковые устройства): учебное посо-

бие / Г.С. Мыцык, A.B. Берилов, В.В. Михеев. - М : Издательский дом МЭИ. 2010.-284 с.

1-11. Пью Мьинт Тхейн. Создание информационно-методического обеспечения для системного проектирования статических преобразователей частоты в составе машинно-электронных генерирующих систем для малой энергетики и автономных объектов. Автореферат на соиск. уч. степ, к.т.н. - М.: НИУ «МЭИ», 2013.-20 с.

1-12. Маслов С.И., Хлаинг Мин У, Ян Наинг Мьинт,. О некоторых возможностях совершенствования электрических машин для автономных систем электроснабжения/ Радиоэлектроника, электротехника и энергетика / Девятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов 28 февраля -1 марта 2013г., Москва./ Тезисы докладов. Том 2. - М.: Издательский дом МЭИ, 2013. - С.203.

1-13. Маслов С.И., Ян Наинг Мьинт. О некоторых возможностях улучшения массогабаритных показателей автономных систем электроснабжения на базе генераторов с переменной частотой вращения вала. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика / Девятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов 28 февраля -1 марта 2013г., Москва./ Тезисы докладов. Том 2. - М.: Издательский дом МЭИ, 2013. - С.205.

1-14. Ян Найнг Мьинт, Маслов С.И. О возможности улучшения массогабаритных показателей вентильных генераторов / Радиоэлектроника, электротехника и энергетика / Восемнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов 1-2 марта 2012г., Москва./ Тезисы докладов. Том 2. -М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - С.272-273.

1-15. Хлаинг Мин У, Ян Наинг Мьинт, Маслов С.И. О некоторых возможностях совершенствования электрических машин для автономных систем электроснабжения/ Радиоэлектроника, электротехника и энергетика / Девятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и ас-

пирантов 28 февраля -1 марта 2013г., Москва./ Тезисы докладов. Том 2. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - С.203.

1-16. Мастяев Н.З. Выбор основных размеров и расчет обмотки якоря. Учебное пособие по курсу «Проектирование электрооборудования летательных аппаратов». - М.: Изд.-о МЭИ, 1980. - 163с.

1-17. Каганов И.Л. Промышленная электроника. — М.-Л.: Госэнергоиз-дат, 1961.-559 с.

1-18. Полупроводниковые выпрямители. Под ред. Ф.И. Ковалева, и Т.П. Мостковой. -М.: Энергия, 1967. -480 с.

1-19. Патент РФ на полезную модель №81011. Система генерирования постоянного тока/ Авторы: Копяхин С.Ф., Мыцык Г.С. Опубл. 27.02. 2009, Бюл. №6.

1-20. Горякин Д.В., Мыцык Г.С. Исследование режимов работы трехфазной мостовой инверторной схемы. Электричество, 2012, №5. - С.23-31.

1-21. Ефимов A.A., Шрейнер Р.Т. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах переменного тока / Под общ. ред. д-ра, техн. наук проф. Р.Т. Шрейнера. - Новоуральск: Изд.-о НГТИ, 2001. — 250 с.

1-22. Хуторецкий Г.М., Воронов Г.Г. Шестифазные турбогенераторы. Сборник «Электросила», 1969, №28.

1-23. Левин A.M., Лейкин Б.В., Мясникова Н.И.. Родштейн Л.А. Вопросы проектирования электропривода с автономным источником энергии // Автоматизированный электропривод в народном хозяйстве. Труды V Всесоюзной конференции по автоматизированному электроприводу. Том 1. (Общие вопросы и средства управления). Под общ. ред. М.Г. Чиликина, И.И.Петрова, М.Н. Соколова. -М.: Энергия, 1971. - С. 194-197.

К главе 2

2-1. Копылов И.П. Проектирование электрических машин: Учеб.для вузов / И.П Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф.Токарев // Под ред И.П. Копылова.4- е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2005. - 767с.

2-2. Сергеев ПС. и др. Проектирование электрических машин. Изд.З-е, переработ. И доп.М., Энергия, 1969. 632 с. с илл.

2-3. Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока.- М.: Высшая школа, 1982.-272 с.

2-4. Сугробов A.M. Проектирование электромашинных преборазователь-ей для систем электрооборудования автономных объектов. Ч.2: учеб.пособие / A.M. Сугробов. -М.: Издательство МЭИ,2005. -172 с.

2-5. Рожнов . Н.М., Русаков A.M., Сугробов A.M., Тыричев П.А. Вентильные генераторы автономных систем электроснабжения. / Под ред. П.А. Тыричева -М.: Издательство МЭИ, 1996.-280 с.

2-6. Петров Г.Н. Электрические машины. В 3 ч. 4.2. Асинхронные и синхронные машины. -М. -Д.: Госэнергоиздат, 1963. - 416 с.

2-7. Токарев Б.Ф. Электрические машины: Учеб.пособие для вузов.М-. :Энергоатомиздат,

1990.624 с.

2-8. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. ,- М.: Высш. шк., 2001. 326с.

2-9. Справочник по электрическим машинам: В 2 т./Под ред. И.П.Копылова, Б.К.Клокова. - М.: Энергоатомиздат, 1988. Т.2-683 с.:ил. Т.1-455 е.: ил.

2-10. Вольдек А.И. Электрические машины. - JL: Энергия, 1978.

К главе 3

3-1. Копылов И.П. Электрические машины. ,- М.: Высш. шк., 2004. 607 с.

3-2. Иванов-Смоленский A.B. электрические машины: Учебник для вузов. В 2-х т.Том 2. - 2-е изд., перераб. И доп. - М.: Издательство МЭИ, 2004.532[4] с.

3-3. Гольдберг О.Д., Гурин Я.С., Свириденко И.С. Проектирование электрических машин. М.: Высшая школа, 2006. - 431 с.

3-4. Пинский Г.Б., Домбровский В.В. Расчет явнополюсных машин. JL: Энергоатомиздат, 1984.

3-5. Пекне В.З. Синхронные компенсаторы (конструкция, монтаж, испытания, эксплуатция). М.: Энергия, 1980.

К главе 4

4-1. Белопольский И.И. и др. Расчет трансформаторов и дросселей малой мощности. Изд. 2-е, перераб. и доп.: - М.: Энергия, 1970. - 400с.

4-2. Маслов С.И., Мыцык Г.С., Хлаинг Мин У, Ян Найнг Мьинт. О влиянии топологии и числа фаз якорной обмотки на показатели качества вентильного генератора. Электричество, 2014, №2. - С. 32-40.

4-3. Мыцык Г.С., Кьо Зо Лин. Анализ структур вентильных генераторов. -М.: Издательский дом МЭИ, Вестник МЭИ, 2010, №5. - с.85-96.

4-4. Маслов С.И., Мыцык Г.С., Хлаинг Мин У, Ян Наинг Мьинт. Методика сопоставительной оценки вариантов вентильного генератора с различной пульсностью выпрямленного напряжения. - М.: Издательский дом МЭИ, Вестник МЭИ, 2014, №1.

4-5. Патент РФ на полезную модель №81011, Н02К 21/12. Система генерирования постоянного тока/Авторы: Коняхин С.Ф., Мыцык Г.С. Опубл.: 27.02.2009 Бюл. №8.