автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Проектная проработка маховичных синхронных генераторов для источников питания кратковременного действия на основе системного подхода

ггз Оп

2 ц ФЕВ

Институт проблем электрофизики Российской Академии наук

На правах рукописи УДК-621.313.322.014

ПЛАТОНОВА Мария Юрьевна

ПРЕДПРОЕКТНАЯ ПРОРАБОТКА МАХОВИЧНЫХ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ДЛЯ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ КРАТКОВРЕМЕННОГО ДЕЙСТВИЯ НА ОСНОВЕ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА

Специальность 05.09.03

«Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование»

А в. тореф'ерат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург • 1997 г.

Работа выполнена в Институте проблем электрофизики Российской Академии Наук.

Научный руководитель — доктор технических наук,

Официальные оппоненты:— доктор технических наук

Зашита диссертации состоится «^7 уРЖР/*) & 1997г. в УМ. 00 час. на заседании Специализированного Совета К 200.32.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Институте проблем электрофизики РАН по адресу:

г. Санкт-Петербург, Дворцовая набережная, д. 18

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПЭФ РАН.

Отзывы на диссертацию в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 191186, г. Санкт-Петербург, Дворцовая наб., д.18, Ученому секретарю специализированного Совета.

профессор Э.Г.Кашарский

Р.Б.Гончаренко

Ведущее предприятие

кандидат технических наук, доцент М.В.Мартьянов

ОАО «Сила»

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат технических наук

А.А.Киселёв

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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, Н1 — электродуговая нагрузка,

Н2 — выпрямительная нагрузка для питания магнита, НЗ — асинхронный двигатель.

Помимо электрофизических установок в широком диапазоне мощностей имеется потребность также в импульсном

Н1 Н2

НЗ

электропитании исттольнительных механизмов, например, разгонных асинхронных электродвигателей.

Указанные обстоятельства делают тему данной работы актуальной.

Цель работы и задачи исследования. Пельюработыявляется 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:

1. 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.

2. 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 регулирования 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 рационально проводить предпроектную проработку, маховичного синхронного генератора кратковременного действия по исходным техническим требованиям, включая выбор промышленно выпускаемого генератора — прототипа. Указанные приемы реализованы при предпроектной проработке источников питания кратковременного действия для различных типов нагрузок.

Практическая ценность:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дан краткий анализ характеристик синхронного маховичного генератора как элемента системы импульсного электропитания, сформулированы особенности системных исследований в области импульсной энергетики, определены основные области применения маховичных синхронных генераторов кратковременного действия (диапазон мощностей 10 -НО Вт, диапазон величин .кинетической энергии, запасенной во вращающихся массах, 10 -5-7* 10 Дж, длительность импульса нагрузки в пределах 1-^30 сек).

Приведены характеристики наиболее типичных нагрузок.

Сформулированы цель и задачи исследований, обоснована актуальность темы, а также новизна и практическая ценность выполняемой работы.

Как известно, основные характеристики режима питания нагрузки от автономного маховичного генератора определяются системой уравнений, которые связывают процессы, происходящие в маховичном агрегате при передаче энергии маховых масс в нагрузку:

(1) (2)

Здесь Ра ~ активная мощность генератора;

иг ~ напряжение генератора;

/г — ток генератора;

ш — угловая частота вращения;

t — время;

т|г — к.п.д. генератора, соответствующий данной точке режима;

/ — момент инерции агрегата; 2нагр — сопротивление нагрузки в каждой фазе.

В зависимости от типа нагрузки и закона регулирования напряжения иг конкретные формы уравнений могут различаться.

На практике режимы маховичных синхронных генераторов могут быть подразделены на две наиболее типичные группы:

— режимы при практически постоянном токе нагрузки;

— режимы при постоянном или регулируемом в сравнительно узких пределах напряжений генератора и меняющемся токе нагрузки.

В первой главе произведена оценка особенностей работы маховичного синхронного генератора в режиме, близком к режиму источника тока, для питания нагрузки диссипативного типа.

1. Сложный характер режима питания кратковременной нагрузки не позволяет на предпроектной стадии получить необходимую информацию об этом режиме с помощью одного какого-либо метода расчета. Поэтому разработан комплекс расчетных приемов, которые позволяют:

— наглядно описать процесс питания нагрузки с учетом изменения частоты тока генератора, насыщения его магнитной цепи и (в случае необходимости) переходных процессов;

— сформулировать требования к системе возбуждения.

Представлен следующий комплекс расчетных приемов (рис.2).

I. Расчет каждой точки процесса как квазистационарного . режима (без учета электромагнитных переходных

процессов) при заданных частоте и нагрузке, что позволяет значительно достовернее учитывать насыщение при разных частотах вращения.

II. Расчет процесса в момент включения на нагрузку как внезапного трехфазного короткого замыкания из режима холостого хода при синхронной частоте вращения за симметричной системой активных и реактивных

сопротивлений, включающих сопротивления нагрузки, без учета насыщения, что позволяет оценить броски сверхпереходных токов статора и ротора и провал напряжения статора в момент включения на нагрузку.

Рис. 2. Структурная схема используемых расчетных приемов

Обозначения:

О

— исходные данные;

— временной отрезок; .

— учитываемый фактор;

— расчетный прием;

— результаты расчета;

Ш. Расчет форсировки напряжения возбуждения из условия обеспечения в конце импульса питания нагрузки требуемого тока возбуждения, рассчитанного по п.1.

IV. Расчет эквивалентного наброса нагрузки при усредненных по частоте параметрах режима. Данный расчет

необходимо проводить, если длительность импульса соизмерима с переходной постоянной времени генератора. Это требуется для более точной оценки величины форсировки напряжения возбуждения, поскольку в расчетах по п.Ш следует учитывать значение затухающего свободного тока ротора.

2. Выполнено сопоставление результатов расчета параметров режима по предложенной методике с результатами расчета на ЭВМ с использованием полной системы дифференциальных уравнений Парка-Горева и упрощенной системе дифференциальных уравнений медленных переходных процессов для ненасыщенной машины.

Результаты сопоставления свидетельствуют, что предложенный комплекс расчетных приемов позволяет с достаточной для предпроектной стадии точностью описать переходный процесс для случая питания от маховичного синхронного генератора активно-индуктивной нагрузки (рис.3).

Рис. 3. Характер изменения тока //, напряжения е/ возбуждения в процессе питания нагрузки

1 — расчет квазистационарным методом; 2— численный расчет по системе уравнений Парка-Горева;

3 — аналитический расчет еГ на базе эквивалентного

расчета наброса нагрузки;

4 — численный расчет еГ по уравнениям медленных

переходных процессов.

3. Расчетный прием на базе квазистационарного режима был экспериментально проверен на специальном стенде с маховичным синхронным генератором мощностью 12,5 МВт. В качестве нагрузки был использован водяной реостат. Расхождение между результатами эксперимента и расчетов для токов статора и ротора не превышало (6+8)%.

4. Разработана упрошенная методика расчета управления потоком энергии путем регулирования возбуждения параллельно работающих маховичньтх генераторов. Перераспределение активной мощности между ними невозможно, так как будучи синхронизированы, они вращаются с одной скоростью. Изменение же потока энергии достигается изменением напряжения на общих шинах.

5. Разработана методика уточнения рабочей области токов трехфазного плазмотрона с учетом изменения параметров цепи в процессе торможения маховичного синхроннного генератора, питающего указанный плазмотрон (нагрузка НI на рис.1).

Как известно, область рабочих значений тока плазмотрона в координатах, соответствующих активной (/а) и реактивной (/р) составляющим тока, при питании от источника переменного тока ограничена четырехугольником АВСД (рис.4). При этом граница' А В, соответствующая наиболее экономичному режиму, обусловлена необходимостью обеспечения устойчивости горения дуги путем включения в цепь минимальной по сравнению с другими зонами индуктивностью.

»1

А / / . / 25 ГЩ N

/ / / / / / Ж (50 Ги)

/ / / / / ш

в/Ч / N 'Л С

г 4 6 8 кА

Рис. 4. Изменение области допустимых рабочих характеристик плазмотрона при снижении частоты тока

Показано, что с учетом изменения частоты тока область допустимых рабочих характеристик плазмотрона А1В1СД, построенная для частоты 50 Гц, сужена относительно границы АВ на угол:

ср" = агссо5([созф^,])-агссо5-р= ^ =

1 + Нсмф«]2 2

I

где [со5<рпл]— максимально допустимый коэффициент мощности, определяемый условиями горения дуги;

йсДн ~~ заданное соотношение значений частоты тока в начале и в конце режима питания.

6. Выполнен анализ характеристик линейного разгонного электродвигателя как объекта питания системы с махович-ным синхронным генератором (табл.1).

Таблица 1

Параметры нагрузки Значения параметров нагрузки

вар.1 вар. 2 вар.З вар.4

Пиковая мощность, МВт 152 250 7,5 4,25

Энергия, выделяемая в нагрузку за импульс, Дж 1,4-Ю8 5- 108 1,8- 107 3,6- 106

Длительность импульса, с 2,7 3,2 1,3 1,2

Асинхронный двигатель эквивалентируется индуктивно-активным сопротивлением, изменяющимся во времени.

Расчет режима питания проводится с использованием описанного выше комплекса расчетных приемов.

Во второй главе анализируется работа маховичного синхронного генератора в режиме со сравнительно мало меняющимся напряжением (в пределах 30%) и током, меняющимся от нуля до максимального значения.

Обоснована стадийная методика выбора параметров режима запитки индуктивного накопителя энергии или магнита от маховичного синхронного генератора, заключающаяся в рассмотрении электромеханического переходного процесса на стороне постоянного тока с последующим определением с учетом режима работы выпрямителя параметров

цепи переменного тока. Отмечается, что предлагаемая методика позволяет нагрядно представить и проанализировать физический процесс в индуктивном накопителе, выпрямителе и синхронном генераторе. Указанная проработка имеет наибольшее значение на стадии предпроектных работ и прогнозных исследований.

1. Проанализированы соотношения между параметрами цепей переменного и постоянного тока в зависимости от частоты тока генератора и параметров нагрузки.

Показана при определенном соотношении параметров возможность изменения режима работы выпрямителя в ходе торможения: переход из режима поочередного горения двух и трех вентилей в режим одновременного горения трех вентилей.

Отмечается, что при снижении частоты тока генератора внешние характеристики выпрямителя становятся более пологими, что приводит к смещению границы перехода из одного режима работы в другой.

2. При наличии трансформатора между генератором и выпрямителем для учета влияния схемных факторов обосновано применение метода расщепления трехобмоточного трансформатора на два двухобмоточных трансформатора и генератора на 2т расщепленных генераторов, каждый из которых работает на двухобмоточный трансформатор. Здесь т - число трехобмоточных трансформаторов, подсоединенных к генератору.

Для расчета реактивного сопротивления коммутации параллельной расщепленной ветви может быть применена формула

Здесь Хтр—

2бт-

Ха ~

Z6r~ кГр —

XK={2X^Z6Jl+2mXaZ6T)/Kl

индуктивное сопротивление трансформатора при сквозном коротком замыкании, o.e.;

базовое сопротивление трехобмоточного трансформатора, Ом.;

индуктивное сопротивление рассеяния генератора, o.e.;

базовое сопротивление генератора, Ом; коэффициент трансформации трансформатора.

3. Обоснованы приемы замены маховичного синхронного генератора с преобразовательным блоком при учете схемы соединения эквивалентной машиной постоянного тока.

Рассмотрены упрощенные законы регулирования эдс эквивалентного генератора постоянного тока в функции различных параметров режима (табл.2).

Таблица 2

№ варианта Параметр, по которому регулируется ЭДС Формула для ЭДС Формула для тока

1 2 3 4

1 со. V Г ш Е = Е0— со н / = В{е~а>' -эта! /

2 г Е = Е0 сс^/с]? + к{) / = Вг Е0 Гз1П(А:1/+к{') - - к{"е~а2' ]

3 г Е = Е0- к-^ 1 = (В3Е0-В$К2)-(1 -е^-Вз^

4 Е = Е0 -к3/ /= Е° 1 е В А +К-1 ч ;

5 — Ьч II ¡=В6Е0(\-е~^)

В таблице обозначено:

Е, 1 — текущие значения эдс эквивалентного генератора постоянного тока и тока в цепи;

Е0 = Е(1=0), ©н = © (г=0).

Величины В, к, а являются функциями параметров цепи. 4. Для случая, когда согласованные параметры всех элементов системы «источник питания - накопитель» известны, поставлена и решена задача рациональной организации режима зарядки, заключающаяся в выборе такого закона регулирования напряжения маховичного синхронного генератора, который обеспечивает учет следующих требований:

— создание заданного объема электромагнитного поля в накопителе при накоплении требуемой величины суммарной энергии;

— достижение по возможности максимально высокого коэффициента передачи энергии при зарядке г)3, определяемого отношением энергии, запасенной в индуктивном накопителе за время импульса Оь, к энергии, выделенной в нагрузку генератором (Зв,

зарядки было соизмеримо с постоянной времени накопителя;

— обеспечение в конце импульса зарядки параметров режима генератора, лежащих в области допустимых электромагнитных и тепловых нагрузок.

Задача решена' с использованием указанных выше методов применительно к условиям питания токамака ТСГГ от двух маховичных синхронных генераторов ТКД-200-2, работающих параллельно. К рассмотрению приняты законы регулирования, указанные в табл.2.

Характер изменения параметров режима генератора отражен на рис.5 (а-г).

Отмечается, что наиболее эффективными с точки зрения коэффициента передачи энергии в накопитель являются законы линейного изменения эдс эквивалентного генератора в функции тока и времени, которые позволяют максимально использовать возможности генератора, имея в начале импульса максимально допустимое значение напряжения синхронного генератора и постепенно снижая его в течение импульса до значения, допускаемого техническими условиями.

Сделана оценка практической реализации рассматриваемых вариантов (рис.5,г) автоматическим регулятором возбуждения, который настроен на выполнение двух законов регулирования:

— поддержание напряжения генератора постоянным;

— линейное снижение напряжения генератора в функции частоты вращения.

Рекомендуемым к реализации является закон 3 на рис.5,г.

В третьей главе рассмотрены основные научно-технические проблемы перехода в рамках предпроектной проработки к повышенным параметрам электромашинных источников переменного тока, проанализированы возможности создания такого агрегата на базе отечественных турбогенераторов и гидрогенераторов, сформирована концепция проектирования генератора кратковременного действия.

). При этом желательно, чтобы время

1А

20

12

3 ✓

у У у

/4 У

А X.

1.0 0.9 0.8 0,7 0.6 0,5

кВ 12

11

10

9

8

7

кВ 12

II

10 9

8 7

Ч-

V- 3

х! \

] ___

1

О 1 2

г)

Ч-

Ч \ \

1 V__

-2. й>н

1.0 0,9 0.8 0.7 0.6 0,5 о.с.

Рис. 5. Кривые изменения параметров режима генератора ТКД-200-2 при питании индуктивного накопителя установки ТСП.

1. Е=3600 В;

2. Е=5230 ш/он (В);

3. Е=4848-3461 (В);

4. Е=5330-5201 (В);

5. Е=5330-0,0141 (В).

»

1. Сделан обзор имеющихся в литературе данных наиболее крупных применяемых маховичных синхронных генераторов кратковременного действия, выполнено их сопоставление по уровню запасаемой энергии и пиковой мощности.

Разработана классификационная схема электромашинных агрегатов по типу генератора кратковременного действия.

Показано, что структура агрегата предполагает три варианта обеспечения требуемой величины запасаемой во вращающихся элементах агрегата энергии С!з:

вариант 1

вариант 2 —

вариант 3 —

маховик отсутствует; для накопления требуемой кинетической энергии достаточно маховых масс ротора электрической машины;

отдельный маховик отсутствует; электрическая машина имеет утяжеленный ротор, что влияет на ее конструкцию и характеристики;

маховик и генератор имеют отдельные валы, соединенные между собой.

Выявлена корреляционная связь структуры маховичного агрегата с длительностью импульса питания нагрузки (табл.3).

Таблица 3

Вариант структуры маховичного агрегата вариант 1 вариант 2 вариант 3

Установка, для которой предназначен TETR Doublet Ш JET JT-60

Длительность импульса, с 6,7 7 20 30

Средняя мощность за импульс, МВт 330 320 130 134

Отношение длины активной части к длине обода ротора, ¡l/h , o.e. 1 . "0,75 0,35 -

2. Рассмотрена задача формирования комплекса НИОКР как элемента предпроектной проработки.

Показано, что поскольку маховичный синхронный генератор кратковременного действия отличается от обычного синхронного генератора как в части распределения потока энергии внутри агрегата, так и в части регулирования отдачи активной и реактивной мощности в нагрузку и амплитуды напряжения статора, то на стадии предпроектной проработки необходимо проведение соответствующего объема НИОКР.

Представлена структура комплекса научноисследова-тельских работ применительно к мощному маховичному синхронному генератору.

Отмечается, что помимо разделов, подлежащих разработке специалистами в области проектирования и технологии электрических машин, значительный объем работы должен быть проведен в общепроекгной организации.

Для конкретизации обобщенных положений структурной схемы приведена структура НИОКР, проводившихся в связи с созданием источника электропитания кратковременного действия ТКД-200-2 для токамака ТСП.

Дан ретроспективный анализ -хода проектирования маховичного синхронного генератора ТКД-200-2.

На рис.6 приведена схема принятия технических решений при проектировании указанного генератора. Стрелками обозначена последовательность практически принятых решений. Отмечено, что на стадии предпроектной проработки необходимо проанализировать возможность создания требуемого генератора на базе уже выпускаемых (предпочтительно отечественной промышленостью) машин, т.е. решить задачу выбора промышленного прототипа.

3. Показано, что использование откорректированного понятия «предельная мощность генератора» позволяет рационально обосновать выбор промышленного прототипа маховичного синхронного генератора.

На базе анализа практического опыта показано, что может быть выделено три группы синхронных генераторов, предназначенных для покрытия пиковых нагрузок (табл.4). При этом с длительностью импульса коррелируется допустимая кратность пиковой мощности по отношению к номинальной стационарной.

Таблица 4

№ п/п Группа генератора Диапазон длительности импульсов, сек. Кратность мощности по сравнению с обычным генератором тех же габаритов

1 I 2-30 2-2,5

2 II 1,1 - 1,5 4-8

3 III 0,01-0,2 15-30

Рис. 6. Схема выбора технических решений при создании источника питания ТКД-200-2УЗ

Группы I и Т1 объединяются понятием генераторов кратковременного действия, однако при анализе режимов генераторов группы П большее внимание уделяется учету влияния переходных процесов в контурах ротора на процесс питания нагрузки.

Группа Ш включает так называемые ударные генераторы, которые в рамках данной работы не рассматриваются.

4. Рассмотрена задача формирования импульсов мощности до 800 ВМт при запасаемой энергии (4-6)40 Дж на базе горизонтальных генераторов. Проанализированы возможности выбора прототипов на основе машин, выпускавшихся отечественной промышленностью.

5. Для диапазона энергетических показателей согласно п.4 обоснован комплекс мероприятий по повышению энергоемкости маховичных генераторов на базе промышленных образцов гидрогенераторов с внесением минимальных изменений в конструкцию и повышением уровня их механического использования.

6. Определены особенности выбора и применения промышленного прототипа маховичного генератора с горизонтальным валом в условиях ограничения массогабаритных характеристик. Сформирован алгоритм предпроектной проработки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Обоснован комплекс приемов системного подхода к задаче предпроектной проработки источника электропитания на базе маховичного синхронного генератора кратковременного действия. В частности, проведена разбивка возможных кратковременных нагрузок такого генератора на группы:

— со сравнительно мало меняющимся током;

— со сравнительно мало меняющимся напряжением.

Определены особенности подхода к анализу проектных решений для каждой из этих групп, с учетом также длительности импульса, влияющей как на методы анализа режимов, так и на кратность мощности генератора кратковременного действия по сравнению с обычным генератором тех же размеров.

2. Обоснован подход к выбору типа синхронного маховичного генератора. Указанный вопрос решается с учетом горизонтального или вертикального расположения вала.

На примере ряда изготовленных машин показана корреляционная связь между длительностью импульса питания нагрузки и структурой агрегата.

3. Разработан комплекс расчетных приемов предпроект-ного анализа переходного процесса маховичного синхронного генератора, являющегося также и рабочим режимом.

Указанный метод включает учет насыщения, изменения частоты вращения и влияние переходного процесса в контурах ротора.

Результаты расчета позволяют сформировать требования к системе возбуждения.

Осуществленное сопоставление для частных случаев с результатами численного расчета по полной и по упрощенной системе дифференциальных уравнений Парка-Горева показало достоверность использованных допущений.

4. Проанализированы особенности расчета процессов питания индуктивного накопителя (магнита) в рамках предпроектной проработки источника питания «синхронный маховичный генератор - выпрямитель». Сопоставлен ряд законов регулирования эдс эквивалентного генератора при питании такой нагрузки.

5. Дана оценка влияния меняющейся частоты тока в ходе процесса питания нагрузки на параметры процесса питания. Для выпрямительных нагрузок это влияние сказывается на режиме работы мостового выпрямителя, который может переходить от режима поочередного горения вентилей группами по два и по три к режиму одновременного горения трех вентилей.

Для диссипативной трехфазной электродуговой нагрузки влияние частоты тока сказывается на изменении границ устойчивой области работы.

При питании асинхронного линейного электродвигателя влияние частоты может быть учтено путем его эквивален-тирования активно-индуктивной нагрузкой, меняющейся в функции времени.

6. Сформулирована задача организации комплекса НИОКР как элемента предпроектной проработки источника питания кратковременного действия.

На базе ретроспективного анализа хода проектирования установки этого типа для токамака ТСП определена схема принятия технических решений, отражающая наиболее рациональное построение процесса проектирования. Обосновано также построение комплекса мероприятий по научно-техническому обеспечению проектирования.

7. Обоснован алгоритмичесий подход к выбору промышленного прототипа - синхронного генератора в качестве базы для проектирования маховичного агрегата кратковременного действия. Рассмотрены основные изменения, которые

должны быть внесены в конструкцию генератора и агрегата в целом.

8. Проведено комплексное обоснование возможностей создания на базе продукции отечественной промышленности нового поколения маховичных источников электропитания кратковременного действия (запасаемая энергия (4-6)-10 Дж, мощность 800 МВт).

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. О законе регулирования возбуждения синхронного генератора с инерционным накопителем энергии./ Генераторы плазмы и методы их диагностики. Л.:ВНИИэлектромаш, 1984, с.105-111

(соавторы Кашарский Э.Г., Саблин А.Д.).

2. Оценка перспектив создания мощных агрегатов кратковременного действия с инерционными накопителями энергии на базе восьмиполюсных синхронных машин. / Источники питания импульсного и кратковременного действия для физических установок.

Л.: ВНИИэлектромаш, 1986, с.26-33 (соавторы Григорьев Ю.Д., Сыромятников В.В.).

3. Зарядка индуктивного накопителя от электромашинного агрегата при различных законах регулирования напряжения. / Тезисы докладов. 4 Всесоюзная конференция по инженерным проблемам термоядерных реакторов. Ленинград. 19-21 января 1988 г. М.: Государственный комитет по использованию атомной энергии СССР, 1988г., с. 184 (соавторы Кашарский Э.Г., Кичаев В.В., Корольков С.А.).

4. О возможном выборе промышленного прототипа генератора кратковременного действия вертикального исполнения. / Источники электропитания кратковременного и импульсного действия для физических установок. Л.: ВНИИэлектромаш, 1988 г., с.32-37.

5. Перспективы создания генераторов кратковременного действия на базе гидрогенераторов./Краткие тезисы. Всесоюзное науч.-техн. совещание «Вопросы проектирования, исследования и производства мощных турбо-, гидрогенераторов и крупных электрических машин.» Л.: ВНИИэлектромаш, 1988 г., с.79

(соавтор Кашарский Э.Г.).

6. Системный подход к выбору характеристик электромашинных маховичных агрегатов./Тезисы докладов. П Всесоюзная конференция «Маховичные накопители энергии». Житомир, 1989 г. (соавторы Кашарский Э.Г., Марков В.Е., Рутберг Ф.Г.).

7. Испытания электромеханического накопителя средней мошности./Тезисы докладов. 3 Всесоюзная конференция «Импульсные источники энергии» М.:ЦНИИатоминформ, 1989 г., с.175-176

(соавторы Григорьев Ю.Д., Чернятин В.П.).

8. Режимы работы выпрямителя, питаемого от маховичного синхронного генератора кратковременного действия./ Источники импульсов электрической мощности. JI.¡ВНИИэлектромаш, 1990 г. (соавтор Корольков С.А.).

9. Системный подход к выбору источника энергии кратковременного действия на базе маховичных агрегатов./ Тезисы докладов. 5 Всесоюзная конференция по инженерным проблемам термоядерных реакторов, 1990г., М.: Государственный комитет по использованию атомной энергии СССР, 1990г. (соавторы Глебов И.А., Рутберг Ф.Г., Кашарский Э.Г., Григорьев Ю.Д.).

10. Использование структурных схем при системном анализе проблем создания мощных . маховичных агрегатов. БУ ВИНИТИ «Депонированные научные работы», 1992 г., N° 9, с.60 (соавтор Кашарский Э.Г.).

11. Изготовленный для атомной электростанции генератор питает мощные электромагниты в импульсном режиме. Электрические станции, 1993, № 10

(соавтор Кашарский Э.Г).

12. Regulation of the Flywheel Synchronous Generator Exitation. 9-th IEEE International Pulsed Power Conference. Digest of Abstracts. Albuquerque, New Mexico USA. June 21-23. 1993.

(соавторы Рутберг Ф.Г., Бобров B.M., Кашарский Э.Г.).

13. Сравнение эффективности методов регулирования ЗДС маховичного генератора при питании индуктивного накопителя (магнита). Деп.ВИНИТИ №1980-В94 (соавторы Болгов И.А., Кашарский Э.Г.).

14. Technical decision choice when creating power sypply source for «tokamak». Abstract book of 10-th IEEE International Pulsed Power Conference. Albuquerque, New Mexico. USA. July 10-13, 1995, p.3-14 (соавторы Рутберг Ф.Г., Кашарский Э.Г., Хуторецкий Г.М.).

15. Выбор технических решений0 при проектировании источника электропитания с синхронным маховичным генератором. Известия Академии наук. Энергетика. 1995. №5, с. 67—72 (соавторы Рутберг Ф.Г., Кашарский З.Г., Хуторецкий Г.М.).