автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Рабочие процессы синхронных генераторов высокого напряжения

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Р Г Б На правах рукописи

~ 5 с с Ц г^^ЫБКИН ЭДУАРД ВИКТОРОВ]«

УДК 621.322

РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ.

Специальность 05.09.01 - Электрические машины .

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994'

Работа выполнена на кафедре "Электрические машины и электроэнергетические установки летательных аппаратов" Московского государственного авиационного института. . -

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Зечихин Б.С. Официальны« оппоненты - доктор технических наук, профессор Беспалов Е..Ч..

- кандидат технических

наук

Синайский 2.5. Ведущее предприятие - АКБ "Якорь", г. Ыссква.

io Защита диссертации состоится "fty " QQ 1594 года з часов на заседании диссертационного совета К.053.18.08 в Московском государственном авиационном институте.

Отзывы на автореферат <е одном экземпляре), гаверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 125871. ГСП Изсквз А-5С-. гс-докодамское socce. 4. ученый совет MAIi.

1 даесерт-шиса мо.гно огк^комитьсд в библиотеке института.

Автореферат разослав' "_"_1994 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.г.к., доцент

В.Н. Базаров

ОБЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Появление принципиально новых видов потребителей в составе, бортовых электромеханически комплексов транспортных средств требует повышения как мощности первичных источников электроэнергии, так и уровня рабочего напряжения. Традиционно эта задача решается путем создания систем электропитания высокого напряжения на базе низковольтных генераторов (СГ) и повышающих трансформаторов (ВТр). Однако, стремление к улучшению массогабаритных показателей, повышению КПД и надежности таких источников , особенно для транспортных средств, требуют поиска новых путей развития бортовых систем электропитания высокого напряжения. Решение этой проблемы возможно как в рамках дальнейшего совершенствования элементов традиционной структуры источников электропитания высокого напряжения, так и путем создания автономных источников питания на основе электромеханических генераторов повышенного и высокого (на параметры рабочих органов) напряжения (до 100 кВ и более).

Синхронные генераторы высокого напряжения (ВСГ) в комплексе с емкостными накопителями (ЕН) находят все более широкое применение в передвижных технологических установках, использующих импульсные магнитные поля и электрогидравлический эффект, в передвижных конденсаторных сварочных машинах, в системах накачки оптических квантовых генераторов и радиофизических устройствах импульсного действия наземных транспортных средств и летательных аппаратов (ЛА) . ВСГ применяются и имеют большую перспективу развития в сельскохозяйственных транспортных установках, а тайке в ряде обьектов исследова- • тельского и специального назначения: радиоэлектронное противодействие (РЭП), геологоразведочные работы, передвижные технологические установки для производства озона и т.п..

По сравнению с традиционными бортовыми электромеханическими системами высокого напряжения, включающими в себя СГ и ВТр, ВСГ присущи лучше массогабаритные показатели, более высокий КЕД и надежность, низкие значения постоянных времени регулирования и т.д.. Это обусловлено тем, что ВСГ функционально объединяет в одном агрегате первичный источник электроэнергии и ВТр. Отсутствие двойного преобразования энергии в

3

случае использования генератора высокого напряжения определяет высокие массоэнергетические показатели источника электропитания высокого напряжения в целом.

Впервые генераторы высокого напряжения с классической активной зоной были разработаны в МЭИ под руководством А.В.Иванова - Смоленского. Однако, трудности размещения большого количества пазовой изоляции обмотки якоря (ОЯ) ВСГ, особенно для средних и малых уровней мощностей генераторов, присущих транспортным средствам, не позволяют использовать ВСГ с классической активной зоной на напряжения свыше 4-10 кВ.

Достижение более высокого уровня напряжения в генераторах средней и малой мощности возможно за счет перехода к стержневой конструкции якоря генератора высокого напряжения, которая позволяет разместить в межстержневом пространстве необходимое количества изоляции, обеспечивающее достаточную электрическую прочность ОЯ ВСГ.

Синхронные генераторы высокого напряжения со стержневым якорем относятся к новому виду электрических машин. Им присущи специфические конструкции магнитной цепи, значения магнитных и электрических параметров, характер переходных и установившихся электромагнитных, тепловых и механических процессов. В силу существенных отличий ВСГ со стержневым якорем от генераторов с классической активной зоной, их многостороннее исследование с целью создания теории рабочих процессов, выработки рекомендаций по проектированию и разработки методики расчета генераторов с наилучшими массоэнергетическими показателями является важной и самостоятельной задачей.

Выполненная работа способствует решению комплекса задач, связанных с созданием транспортных генераторов высокого напряжения с еысокими массоэнергетическими показателями для питания электрофизических установок средней и малой мощности как непрерывного, так и импульсного действия.

Диссертационная работа выполнялась в рамках НИР, проводимой на кафедре "Электрические машины и электроэнергетические установки" Московского государственного авиационного института в соответствии с заказом промышленности на основании решения директивных органов .

Цель диссертационной работы - развитие теории рабочих

процессов, разработка методики расчета и рекомендаций по проектированию синхронных .генераторов высокого напряжения со стержневым якорем.

Для достижения этой цели в данной работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Сравнительный анализ бортовых систем электропитания высокого напряжения на базе ВСГ и традиционных систем, содержащих СГ и ВТр с целью обоснования областей рационального применения генераторов высокого напряжения.

2. Анализ и разработка рациональных магнитных систем синхронных генераторов высокого напряжения со стержневым якорем .

3. Исследование и расчет индуктивных параметров ВСГ .

4. Создание математической модели синхронного генератора со стержневым якорем с целью исследования его рабочих процессов .

5.Исследование тепловых и механических процессов ВСГ для обоснования наиболее эффективных систем охлаждения и конструктивных схем , обеспечивающих накопление механической энергии ротором BÇT .

6. Разработка рекомендаций по проектированию и методики расчета БОГ .

?. Экспериментальные исследования рабочих процессов ВСГ для подтверждения полученных теоретических результатов .

Методы исследования.

Научные положения, выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертации, базируются на основных положениях универсального метода расчета электрических машин ("Метод проводимостей зубцовых контуров"), метода гармонического анализа магнитных полей, критериальных методах подобия, численных методах решения систем линейных и нелинейных дифференциальных уравнений с использованием ЭВМ и экспериментальных методов исследования установившихся и динамических режимов работы электрических машин при общепринятых допущениях. Достоверность полученных результатов подтверждена материалами экспериментальных исследований на макетных образцах синхронных генераторов высокого напряжения. Количественные расчеты'проводились с использованием ЭВМ типа PC/AT-486 DLX , языков программирования Turbo Paskal ?.0 , Turbo С++ 3.0 и средств решения систем уравнений

в

математического пакета программ PC-MATLAB .

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые результаты :

- получены зависимости массоэнергетических показателей бортовых систем электролитания высокого напряжения на базе ВСГ от. частоты тока и уровня рабочего напряжения для диапазона мощностей 2.. .200 кВА, определяющие области рационального применения подобных систем;

- развита теория электромагнитных процессов ВСГ с использованием методов лроводимостей эубцовых контуров и гармонического анализа магнитных полей, а также теория тепловых и механических процессов синхронных генераторов высокого напряжения на основе критериальных методов подобия;

- создан - универсальна математическая модель, учитывающая насыщение элементов магнитной цепи генератора и несину-соидаиность распределения магнитной индукции в рабочем зазо-ое;

- выявлена совокупность параметров оптимизации, созданы алгоритмы и программы автоматизированного расчета ВСГ;

- разработаны рациональные структуры систем охлаждения, а также получены зависимость скорости и расхода хладагента, обеспечивающие высокие массоэнергетические показатели ВСГ.

Практическая ценность работы.

- предложена методика электромагнитного расчета ВСГ, на основании которой может быть рассчитан генератор для бортового канала электроснабжения высокого напряжения;

- на основании оптимизационных расчетов даны рекомендации по выбору элегаромагнитных нагрузок ВСГ, обеспечивающие наилучшие массоэнергетические показатели генератора;

- предложены методики теплового, механического и гидравлического расчетов ВСГ;

- разработаны рекомендации по выбору системы охлаждения ■ ВСГ и допустимым перегрузкам генератора в динамических режимах;

- даны количественные оценки и рекомендации по использованию механических накопителей энергии для стабилизации частоты вращения ротора в режиме "заряд-разряд" ЕН;

- рассчитан, изготовлен и испытан макетный образец синхронного генератора высокого напряжения.

б

Реализация результатов работы.

Основные результаты диссертации использованы в Московском государственном авиационном институте при разработке структуры бортового канала электропитания высокого напряжения с улучшенными массоэнергетическиыи показателями, а также при создании источника электропитания высокого напряжения лазерных и рентгеновских установок. • На основе проделанной работы был рассчитан, • изготовлен и испытан макет источника электропитания высокого напряжения лазерных и рентгеновских установок.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы и ее отдельные разделы докладывались и обсуждались: на конференциях молодых специалистах МАИ в 1991-94 годах, на Всесоюзной конференции " Проблемы энергетики и транспорта " (г. Севастополь, 1992 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции " Электронные средства преобразования энергии "(г. Москва, 1993 г..) и на Международном аэрокосмическом конгрессе (г. Москва 1994 г.). Материалы диссертации опубликованы в 5 печатных работах и использованы в 4 научно-технических отчетах.

Структура и обьем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Основная часть диссертации содержит Эр страниц машинописного текста, 50 рисунков и 6 таблиц на страницах. Список использованных источников содержит Ю_ страниц машинописного текста и включает наименований. Общий обьем работы составляет 176 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена решаемая научно-техническая проблема, обоснована актуальность темы и сформулирована цель и основные задачи диссертации, показана ее научная новизна и практическая ценность результатов и дана информация по структуре, апробации, публикации и практическому использованию материалов диссертационной работы.

В первой главе представлен сопоставительный анализ бортовых систем электропитания высокого напряжения на базе ВСГ

?

со стержневым якорем и традиционных бортовых высоковольтных систем, содержащих СГ и ВТр. На основе анализа состояния разработок синхронных генераторов высокого напряжения со стержневым якорем обоснована необходимость решения задачи развития теории рабочих процессов электрических машин данного типа, а также разработок методики расчета и рекомендаций по проектированию ВСГ.

Проведен анализ конструктивных схем ВСГ с различными стержневыми якорями и системами возбуждения, на основании которого, сделан вывод о целесообразности, с точки зрения обеспечения наилучших массоэнергетмческих показателей, использования в бортовых системах электропитания генераторов с электромагнитным (рис. 1) и магнитоэлектрическим (рис. 2) возбуждением.

ВСГ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

рис. 1

ВСГ С ВОЗБУЖДЕНИЕМ ОТ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ

рис. 2

Показано, что наиболее рациональной является стержневая конструкция якоря, которая может иметь торцевой (рис.2) или радиальный (рис.1) рабочие воздушные разоры, а также распределенные по всей длине стержня, или смещенные к концам стержней и расположенные в "шахматном" порядке (рис.1) катушки ОЯ высокого напряжения. 8

Получены зависимости массы активных материалов и КПД бортовых систем электропитания на базе ВСГ и систем, содержащих СГ и ВТр от частоты тока и уровня рабочего напряжения для диапазона мощностей 2. ..200 кВА (таб. 1+2).

Таблица 1.

5 кВА Ь 50 ГЦ Г=400 ГЦ

ВСГ . СГ+ВТр ВСГ СГ+ВТр

ш П т Т) Л1 Т| ш П

2 8.05 0.63 14.64 0.51 1.44 0.81 3.12 0.76

5 6.7 0.81 11.31 0.62 1.16 0.84 2.44 0.84

10 5.57 0.70 9.03 0.67 0.96 0.85 1.75 0.85

20 5.37 0.72 8.07 0.71 0.94 0.86 1.60 0.86

60 4.24 0.78 5.91 0.78 0.76 0.89 1.13 0.89

100 3.41 0.80 5.20 0.80 0.64 0.90 0.96 0.91

160 3.02 0.83 4.57 0.82 0.73 0.903 0.90 0.92

! :;00 О уу 0.831 1.15 0.83 0.69 0.905 и. 8? "аблнца 0.9? — 1 .»««•.-»аЧ

1'= 800 Гц || Г= 1200 Гц

! кВА ВСГ СГ+ВТр ВСГ СГ+ЕТр

ш т» ш т» ш Т| ш И

2 0.85 0.83 1.83 0.78 0.635 0.83 1.40 0.80

5 0.67 0.85 1.34 0.85 0.504 0.856 1.03 0.86

10 0.558 0.874 1.12 0.87 0.471 0.859 0.79 0.87

20 0.653 0.862 1.01 0.89 0.72 0.804 0.77 0.89

60 0.79 0.85 0.65 0.91 0.96 0.75 0.49 0.90

Исходя из этих зависимостей сделан вывод о целесообразности применения ВСГ в системах с частотой тока Г=50...400 Гц. Для частоты С«800...1200 Гц целесообразно применение ВСГ до '-/ропня мощности Б=50 кВА.

Показано, что для диапазона рабочего напряжения и= 100...Я50кВ преимущество по млссе для систем электропитания

С|

высокого напряжения на базе ВСГ сохраняется (таб.3).

Во второй главе представлена математическая модель

Таблица 3.

и KB (S=100kBA,f=400Гц) 100 150 200 250

ВСГ 1) 0.900 0.89 0.883 0.875

ш 0.640 0.76 0.890 1.010

СГ+ВТр 41 0.916 0.914 0.913 0.910

ш 0.960 1.058 1.210 1.540

синхронного генератора высокого напряжения со стержнеЕЫм якорем. вырах-.-ния для сосредоточенных параметров и расчетных коэффициенте« магнитной цели, а также представлены описания алгоритмов :: грсдстЕ прогрзмной реализации математической модели и розу г: тати работы.

На сснове аначига возможных методов создания математической модели ВСГ был выбран универсальный метод расчета электрических машин A.B. Иванова-Смоленского ("Метод проводи-мостей зубцовых контуров", МПЗК), который позволяет учесть явно выраженную зубчатость активной зоны синхронного генератора высокого напряжения со стержневым якорем ( рациональным количеством зубцов на полюс и фазу для ВСГ со стержневым якорем является q=0.5) и отказаться от приведения зубчатого рабочего зазора к гладкому посредством коэффициента Картера. Кроме того в модели, использующей МПЗК, возможно учесть несинусоидальность распределения магнитного потока в рабочем зазоре машины, а также -насыщение магнитной цепи генератора.

Математическая модель синхронного генератора высокого напряжения со стер:кпс-ЕЫм якорем состоит из:

•i. Система £8 нелинейных дифференциальных уравнений, описывающая схему замещения магнитной цепи ВСГ, представленную на рис.3;

2. Система нелинейных дифференциальных уравнений, описывающая схемы замещения электрических цепей ВСГ.

Схема замещения магнитной цепи ВСГ, представленная на рис.3 эквивалентна трехстержневому двухполюсному генератору с q=0.5, с электромагнитной или магнитоэлектрической системами возбуждения.

На этой схеме нелинейными сопротивлениями Ri,R2.R3,Rbi

и Rasr учитывается нелинейность магнитной цепи генератора (экспоненциальная интерполяция кривых намагничивания сталей) .переменными сопротивлениями Ri>p) 1-. -RCl») 12- изменяющиеся

СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ ВСГ

рис. 3

по несинусоидачьному закону сопротивления зазора, имитирующие вращение ротора, Г; и Г^-ЩС возбуждения генератора и РЧь •-Р^з-ЩС реакции якоря ВСГ. Остальные элементы имитируют постоянные проводимости участков магнитной цепи генератора и проводимости рассеяния стержневого статора и ротора машины.

Система уравнений., описывающая схему, представленную на рис.3, имеет вид:

/Э1, 1+ . . .+31.25 =0

! (1) 325.•-+а25.25=0,

где элементы а1.1.. .аг5.25" магнитные потоки и падения магнитного потенциала на участках магнитной цепи генератора.

Система уравнений, описывающая схемы замещения электрических цепей ВСГ для различного вида нагрузок (активная, индуктивная, емкостная, выпрямительная) в общем виде может быть записана как:

/Кх. а ' Л]. ^ • •. -ад. ю =0

■!: (2) ...

1+ • • • ^п, щ'аю. ю=0. где: ах. ]...аю. ю- токи и падения напряжения на участ-

11

ках схемы замещения электрических цепей ВСГ,

ki.i---kio.io- коэффициенты, моделирующие ВАХ диодов и принимающие значения

Л -для и С нагрузок.

кп.п= (0.001ч

Ч'10°'-для схем выпрямительной нагрузки.

Характерной особенностью математической модели является

учет реакции якоря генератора в каждый момент времени путем введения МДС„ реакции якоря в схему замещения магнитной цепи ВСГ. которым присваиваются значения, полученные из уравнении электрических цепей Р^ка'ц-.'Уф'соз^, где: ка-коэффициент приведения МДС реакции якоря к МДС возбуждениячисло битков фазы,ф-электрический угол нагрузки.

Получены соотношения для сосредоточенных параметров схемы замещения магнитной цепи синхронного генератора высокого напряжения со стержневым якорем методом гармонического анализа магнитных полей. Выражение для магнитной проводимости поля возбуждения имеет вид

4"£ п собСЛ-П^м/Т)•5Й(Я'1Т'ПМ/Х) Х=Ио—^--—--- [1-соз(2'П'п/3)1, (3)

я-1

где:т-полюсное деление,1-длина генератора,с1м-расстояние между магнитами,Им"высота магнита,Ь-сумма высоты магнита и величины рабочего зазора,п-лорядок гармоники поля.

Для магнитной проводимости поля стержневого якоря ВСГ получено выражение

1г1 2*1 п 51п(л'п,ЬаА),сЫ;п,п-1т/х) Х=До"—г+Иэ'—-• „Е--5——-—-• [1-соз(2-я-п/3)3, (4)

З'О ' Я'Ьы П'--5П! Л'П-П/Т")

где:б-величина рабочего зазора, Ьа-расстояние между

магнитами.

Алгоритм реэл:пации модели синхронного генератора высокого напряжения со стержневым якорем представлен на рис.4. АЛГОРИТМ РАБОТЫ МОДЕЛИ ВСГ

Да

Расчет Ф, р,г и

ЭДС

Расчет 1 и

и.

>-

Расчет МДС

реакции якоря

рис. л

Представленная модель позволяет рассчитывать электромагнитные процессы ВСГ с учетом МДС реакции якоря в каждый

•1 О

1с

момент времени, а также динамические режимы работы генератора при небольших затратах машинного времени.

Результаты расчетов электромагнитных процессов для случая работы ВСГ на выпрямительную нагрузку, а также на заряд ЕН представлены на рис. 5 и б.

КРИВАЯ ВЫПРЯМЛЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

рис.5

КРИВАЯ ЗАРЯДНОГО ТОКА ЕН

рис. б

Сопоставление этих результатов с экспериментальными данными, полученными на макетных образцах показали, что отклонения не превышают 10%, что свидетельствует о правильности полученных выражений и о корректности сделанных допущений при разработке математической модели.

В третьей главе исследованы ' тепловые и механические процессы синхронного генератора высокого напряжения со стержневым якорем. Показано, что на массоэнергетические характе-

13

ристики генератора наиболее сильно влияет следующая совокупность параметров: ^-относительная длина машины, 1К-длина катушки ОЯ высокого напряжения ВСГ,В5-индукция в рабочем зазоре генератора,А-линейная нагрузка и За-плотность тока ОЯ ВСГ, причем для ^Дк и Вб существуют выраженные зкстреммуыы для критерия максимума КПД и минимума массы. Оптимальными для диапазона мощности ВСГ' 20...200 кВА являются значения А=0.15...0.25,1. 1к=0.2.. .0.3 м и В5-1...1.2 Тл.' Показано, что для оптимальных величин Х,1к и Вб целесообразно выбирать значения А равными 30...4.0 кА/м и За равными 15 А/мм2, так как это обеспечивает лучше массоэнергетические характеристики ВСГ по сравнению с системой, содержащей СГ и ВТр, хотя и приводит к необходимости интенсифицировать охлаждение генератора высокого напряжения.

После анализа возможных систем принудительного охлаждения ОЯ ВСГ, как наиболее нагруженного в тепловом отношении элемента генератора, был сделан вывод о целесообразности применения канальной системы охлаждения обмоток, как наиболее отвечающей условиям ик охлаждения и обеспечения необходимой электрической прочности. Каналы охлаждения рекомендуется организовывать в толще изоляции, непосредственно примыкающей к меди обмоток, так как они в этом случае не не увеличивают межстержневое пространство генератора (рис.7).

Хладагентом в канальной системе охлаждения могут слу-

СХЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ КАТУШКИ ОЯ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

1.-Высоковольтная изоляция,2.-Обмотка,3.-Патрубок,4.-Стержень.

рис. 7

жить фторорганические или кремнийорганические жидкости, отличающиеся высокой электрической прочностью и теплоемкостью. В 14

качестве хладагента может также использоваться масло ППО при условии его тщательной фильтрации.в мелкодисперсном фильтре с целью удаления примесей и повышения его электрической прочности.

Для трех структур организации каналов охлаждения катушки ОЯ ВСГ мощностью 20 кВЛ :"параллельной","последовательной" и "спиральной" получены зависимости потерь мощности на прокачку масла от скорости его движения, представленные на рис.8.

ЗАВИСИМОСТЬ ЗАТРАТ МОЩНОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ ОЯ ВСГ ОТ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ МАСЛА

----- Ксивпя темлерат'.'он.-- Кривая затрат мощности.

1.-Параллельная схема,2.-Последовательная схема,3,- Спиральная схема.

рис. 8

Зависимости температуры наиболее нагретой точки катушки ОЯ ВСГ от скорости движения масла для аналогичной геометрии канала охлаждения также представлены на рис. 8. Показано, что оптимальной является скорость' движения масла в диапазоне 0.3...0.7 м/с, при которой потери на его прокачку не превышают 1кВт. С другой стороны, из зависимости температуры наиболее нагретой точки катушки ОЯ ВСГ от скорости движения масла , видно, что увеличение скорости движения масла выше 0.7 м/с не приводит к уменьшению температуры ОЯ в следствии того, что определяющую роль начинает играть теплопередача от наиболее нагретой точгл к поверхности катушки. Кроме того, сделан вывод о целесообразности использования параллельной схемы организации охлачадающих каналов, так кок она обеспечивает миии-

15

мальную температуру ОЯ по сравнению с другими схемами, при практически равных потерях на прокачку масла.

Время нагрева катушки ОЯ высокого напряжения ВСГ до температуры разрушения межслойной изоляции (Д8=300 °С) в зависимости от плотности тока короткого замыкания (к.з.) ЛКз генератора,при условии адиабатического характера процесса нагрева ОЯ, определяется выражением

-/Д8оя+8оя+232.б^2

252,6+62О'(Рм'См+Ф'Ри'Си)

tfí3=

■ Р

•1п

I"

25.3

+ Х2о

а+232.6

+ Х20

,(5)

25.3

где: tKa- время короткого замыкания,Хго_ относительные потери от вихревых токов в процентах основных потерь при 20 °C,<j. = S;.¡/SM. SM - площадь поперечного сечения проводника, SK - площадь поперечного сечения изоляции проводника, рм - плотность меди, ри - плотность изоляции меди, См - удельная теплоемкость меди, Си - удельная теплоемкость изоляции, JKs -плотность тока к.з. ОЯ ВСГ, G20- проводимость меди,8оя- температура ОЯ ВСГ, Д8оя-увеличение температуры нагрева ОЯ ВСГ за время к.з.. Это выражение позволяет определить тепловое состояние ОЯ ВСГ в режиме к.з. при непрерывном характере нагрузки, а также при одиночном или циклическом заряде ЕН. По времени нагрева ОЯ ВСГ до температуры теплового разрушения должны быть согласованы время срабатывания системы защиты генератора, а также параметры зарядного контура импульсной нагрузки.

Для исследования измепеиия теплоюго состояния ОЯ ВСГ в режиме холостого хода (х.-х.) била использована "трехтельная" тепловая схема замещения генератора (ОЯ.магнитопровод и масло) , математическое описание которой имеет вид

г Ы dxl -'(Х1-ХЗ) —

h1 b2

(Х2-ХЗ)

dt dX2

dt

(6)

аг

bi b<¿ ---Xi----X2 -

33 23 .Здесь: ai =mi-Ci,

(bi+Ьг+Ьз)

-•ХЭ

cb<3

аз dt

аг =тг*С2, аз =шз*Сз,

=F2*a2, 16

Ьз =Роя/й03, Xl =Л8ь Х2 =Д02, хз

bi =Fi*«i, Ьг Д83. mi,Ci,o(i,Fi;

тг.Сг.«2.^21 m3.C3.ci3.F3 - масса, теплоемкость,коэффициент теплопередачи с поверхности и площадь теплопередачи для ОЯ, магнитопровода и масла соответственно, Д61,ЛБг-превышение температуры ОЯ и магнитопровода над температурой масла, й8з-превышение температуры масла над температурой окружающей среды. Было получено численное решение системы уравнений /б/ для ВСг мощностью 20 кВА. Постоянная времени охлаждения ОЯ ВСГ составляет 10 е.. По этому времени необходимо согласовывать частоту следования циклов "заряд-разряд" ЕН, причем если длительность пауз будет меньше, чем три постоянных времени, то температура ОЯ ВСГ будет постепенно повышаться. Этот процесс в свою очередь должен быть соотнесен с тепловым ресурсом изоляции ВСГ.

Показано, что при сопоставимой мощности импульсного и стационарного каналов потребления мощности в автономной системе электроснабжения транспортного средства (АЗЭС) целесообразно использовать кинетическую энергию ротора ВСГ в качестве дополнительного источника энергии или как механического демпфера. Причем, за счет срабатывания механической энергии вращающихся элементов возможен частичный заряд ЕН до 25% от полной запасаемой энергии.

В работе рекомендовано выполнять ВСГ, работающие в комплексе с ЕН торцевой конструкции (рис.2) с дополнительными маховыми массами на роторе. Проведенный расчет бандажей из стали и органоволоконных нитей показал возможность увеличения окружной скорости ВСГ до 200 м/с. Ввиду того, что начальный момент заряда ЕН подобен ударному короткому замыканию, было исследовано электромагнитное взаимодействие катушек ОЯ высокого напряжения ВСГ от токов к.з..Расчетные исследования показали, что суммарное усилие, приходящееся на катушку не превышает 120 Н, что обусловлено распределенным характером ОЯ ВСГ.

В четвертой главе приводится описание макетов синхронного генератора высокого напряжения, спроектированных и изготовленных при непосредственном участии автора.

Приводится описание действующего макета ВСГ с торцевыми рабочими зазорами и магнитоэлектрической системой возбуждения. ОЯ макета ВСГ размещена на 12 стержнях со сдвигом,- в "шахматном" порядке. Изоляция ОЯ выполнена из кремнийкаучуко-

17

вой самоспекающейся изоляции ЛЭГСАР, а сами катушки подвергнуты вакуумной пропитке лаком ИЛ-92. Количество полюсов макета генератора р-4, число зубцов на полюс и фазу 4-0.5, номинальная мощность 5-1.5 кВА, число фаз т=3.

Для проведения ходовых испытаний была собрана двигатель-генераторная установка (ДГУ), в которой в качестве привода макета использовался двигатель постоянного тока Ш-31 В , номинальной мощностью Р=2.25 кВт и частотой вращения ротора п= 4200 об/мин.' ' Достигнутый уровень выпрямленного напряжения на макете составил 3000 В.

Проведены экспериментальные исследования макета ВСГ на стационарную активную, индуктивную и выпрямительную нагрузки и получены осцилограмш для перечисленных режимов. Расхождения результатов математического моделирования и эксперимента составили не более Ю.% (рис.5).

Проведены экспериментальные исследования неуправляемого заряда ЕН емкостью 800 ыкФ через электронный тиристорный выпрямитель- коммутатор и получены осцилограмми изменения зарядного тока (рис.6) и напряжения на емкости. Расхождения теоретически и экспериментально полученных результатов не превысили 10 %. При единичном заряде ЕН наблюдалось 10% уменьшение частоты вращения ротора ДГУ, которое обеспечило 276 Дж энергии, что составило более 25% от полной, запасаемой ЕН. В месте с тем, при частоте следования циклов "заряд-разряд" 2 Гц и выше практически не наблюдаюсь колебания частоты вращения ротора макета, что подтверждает целесообразность использования ротора ВСГ как механического демпфера.

Проведены исследования образцов катутаек ОЯ еысокого напряжения различной конфигурации (в плане-круглая, прямоугольная, со скругленными.краями) залитых эпоксидной изоляцией Монолит-2 на предельное''напряжение. Результаты показали, что прямоугольные в плане катушки ОЯ ВСГ выдерживают напряжение до 100 кВ ( испытания проводились в элегазовой среде), что свидетельствует о возможности применения прямоугольных катушек в обмотках высокого напряжения бортовых синхронных генераторов высокого напряжения со стержневым якорем.

В заключении работы приведены основные результаты и выводы, полученные автором в процессе исследований.

1. Обосновано применение ВСГ в бортовых каналах элект-

роснабжения на основе анализа конструктивных схем и магнитных систем.синхронных генераторов высокого напряжения со стержневым якорем, а также определены области рационального применения бортовых систем электропитания высокого напряжения на базе ВСГ.

2.Получены соотношения для расчета сосредоточенных параметров схем замещения магнитной цепи ВСГ методом гармонического "анализа магнитных полей в активной зоне генератора с магнитоэлектрическим возбуждением.

3. Развита теория электромагнитных процессов синхронных генераторов высокого напряжения со стержневым якорем.

4. Развита теория тепловых и механических процессов синхронных генераторов высокого напряжения на основе критериальных методов подобия.

5. Создана универсальная математическая модель на основе МПЭК, учитывающая насыщение элементов магнитной цепи генератора н несинусоидал* иооть распределения магнитной индукции в рабочем зазоуе.

6. Разоаботпнь! .методики электромагнитного, теплового, гидравлического и механического расчетов ВСГ с электромагнитной и магнитоэлектрической системами возбуждения для установившихся и переходных режимов работы.

7. Разработаны рекомендации по выбору системы охлаждения ВСГ и допустимым перегрузкам генератора в динамических режимах.

8. На основании оптимизационных расчетов разработаны рекомендации по выбору электромагнитных нагрузок при интенсивной канальной масляной системе охлаждения.

9. Получены зависимости массоэнергетических показателей бортовых систем электропитания высокого напряжения на базе ВСГ от частоты тока и уровня рабочего напряжения для диапазона- мощностей генератора 2...200 кВЛ.

10.Даны количественные оценки и рекомендации по использованию механических накопителей энергии для стабилизации частоты вращения ротора генератора в режиме "заряд-разряд" ЕН.

11.Рассчитан, изготовлен и испытан макетный образец синхронного генератора высокого напряжения с торцевым рабочим зазором и магнитоэлектрической системой возбуждения.

12.Проведенные экспериментальные исследования на макетных образцах синхронных генераторов высокого напряжения, а также на высоковольтных стендах подтвердили их работоспособность и достоверность расчетно-теоретических положений и результатов диссертационной работы.

Полученные результаты позволяют при разработке автономной системы электропитания транспортного объекта получить высокие массоэн^ргетические характеристики высоковольтного импульсного канала и улучшить массознергетические показатели АЭсО в целом. Показана перспективность использования ВСТ со стержневым якорем в высоковольтных.источниках электропитания лазерных, рентгеновских и других транспортных установок. Разработанные подходы к исследованию установившихся и переходных процессов генераторов высокого напряжения целесообразно также использовать при проектировании АЗЭС ЛА с повышенными требованиями к энергетической эффективности и качеству электроэнергии.

Основные публикации по теме диссертации.

1.3ечихин Б.С..Рыбкин Э.В. • Генератор переменного тока высокого напряжения //Электромеханические системы в промышленности и на транспорте. Тез.докл. Всесоюзной научно-технич. конф.-Севастополь, 1992.

2.3ечихин B.C.,Рыбкин Э.В. Анализ магнитных систем электрогенераторов высокого напряжения// Деп, в ВИНИТИ N 879-В93 от 7.03. 1993.

З.Зечихин B.C..Рыбкин Э.В. Малогабаритный высокоэнергетический источник постоянного тока // Электронные средства преобразования электрической энергии. Тез.докл. Всесоюзной научно-технич. конф.-Москва, 1994, с. 28.

4.Зечихин B.C..Рыбкин Э.В. Тепловые процессы высоковольтных электрогенераторов со стержневым якорем// Деп. в ВИНИТИ 1994.

ö.Zetchlhln B.S..Ribkin E.V. High voltage syncronous generator for supplying airborne lasers and X-rays equipment // International aerospace congress.- Moscow, 1994 r. 20