Heger, Gernot

Henry, J. Y.

Paulus, Werner

Pinol, S.

Vigoureux, P.

Сипайлов, Геннадий Антонович

Лоос, Александр Владимирович

Собко, Э. И.

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University

И З  В Е С Т И Я  ТОМСКОГО О РД Е Н А  ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮ ЦИИ  И О РД Е Н А  ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗН А М ЕН И  ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО  ИНСТИТУТА имени С. М. КироваТом 2 4 2  19 7 2ПОВЫ Ш ЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ  УДАРНЫ Х ГЕНЕРАТОРОВ ПРИ ПИТАНИИ ДУГОВОЙНАГРУЗКИГ. А . СИПАИЛОВ, А. В. ЛООС, Э. И. СОВКО(Представлена научным семинаром кафедр электрических машин и общейэлектротехники)Для питания импульсных ламп накачки оптических квантовых ге­нераторов —* лазеров, а также установок, использующих электрогидрав- лический эффект (установки для возбуждения сейсмических колебаний при геологоразведке, разрушения крепких горных пород и т. д .), необ ходимы импульсные источники питания, обеспечивающие выделение в дуговом промежутке потребителя за время нескольких миллисекунд энергии порядка 10— 100 мдж  [1].Как правило, в настоящее время для питания вышеуказанных по­требителей применяют в качестве накопителей и источников энергии конденсаторные батареи. Накопление энергии в конденсаторах являет­ся выгодным с точки зрения минимальных потерь, однако, с другой сто- роны, электрический метод накопления является самым дорогим и гро­моздким по объему, не позволяющим накапливать указанные величины энергии.Индуктивные накопители, несмотря на значительно высокую энер­гоемкость, обладают малой экономичностью из-за больших потерь энер­гии и требуют мощного зарядного устройства. Нерешенной является и проблема коммутации энергии от индуктивного накопителя в нагрузку.Анализ существующих тенденций в решении вопроса питания им­пульсных дуг показывает, что одним из наиболее перспективных им­пульсных источников энергии является синхронный ударный генера­тор [2]. В связи с этим возникает задача исследования возможностей  ударных генераторов и повышения эффективности их использования при питании дуговой нагрузки.Наиболее полно описывает электромеханические переходные про­цессы, происходящие в ударном генераторе, система дифференциаль­ных и алгебраических уравнений [3].Импульсная дуга является динамической. В ней нет однозначной зависимости напряжения от тока. При возрастании тока эта зависимость отличается от таковой при его уменьшении. Кроме того, вольтамперные характеристики описанных 'выше устройств, в основу которых положе­но использование импульсной дуги, определяются их конструкцией и могут иметь различный характер. Для выяснения качественной картины была принята упрощенная аппроксимация вольтамперной характеристи­ки дуги гиперболой, известной в литературе под названием уравнения Айртони д =  K1 + - + ,  (1)11Решение нелинейной системы дифференциальных и алгебраических урав­нений, описывающей происходящие процессы, невозможно в общем ви­де, поэтому с целью выполнения большой программы исследований по полной системе уравнений была создана математическая модель на б а ­зе аналоговой 'вычислительной машины M H -14. гОдной из главных задач исследований является определение опти­мальной величины напряжения горения дуги, при котором в дуговом  промежутке выделится максимальная энергия. Как показали исследо­вания, величина оптимального напряжения горения дуги почти не за ­висит от параметров ударного генератора, а существенно зависит от уг­ла инициирования дуги а. При увеличении угла а до определенных пределов происходит рост согласованного напряжения горения дуги и величины энергии, выделяемой в дуговом промежутке, при одновремен­ном сокращении длительности ее ввода +  в дуговой промежуток, что весьма благоприятно для указанных выше потребителей.В этой связи нами был предложен следующий способ питания по­требителей, в основу работы которых положена импульсная дуга. Схе­ма работы генератора приведена на рис. 1, где Xc, Хв, XDd, Xdq —  ин­дуктивные сопротивления контуров генератора соответственно статорно­го, обмотки возбуждения и демпферных по осям d и q; гс, гв, rDd, rDq — активные сопротивления контуров: K -I, К-2 — коммутирующие аппа­раты;dн - іРис. 1. Схема работы генератора на дуговой промежутокD n  —* дуговой промежуток, замкнутый накоротко в начальный мо­мент времени инициирующей проволочкой.Способ питания импульсных дуг с  использованием в качестве ис­точника энергии ударного генератора можно уяснить, рассмотрев ра­боту схемы, показанной на рис. I. В исходном состоянии ударный гене­ратор работает на холостом ходу, контактный аппарат K-I разомкнут* К-2 замкнут.12В момент перехода эдс генератора через нуль (рис. 2) производят замьйание коммутирующего аппарата К-1. Генератор попадает в ре­жим внезапного короткого замыкания и ток іс быстро растет. При этом в полях рассеяния генератора происходит накопление энергий. Ток генератора іс распределяется по двум параллельным ветвям: контактно­го аппарата К-2 и замкнутого инициирующей проволочкой дугового промежутка ДП , обратно пропорционально их сопротивлениям.При достижении определенного угла инициирования дуги а, после того как в индуктивности генератора будет накоплено некоторое коли­чество энергии, производят размыкание контактного аппарата К-2, шун­тирующего дуговой промежуток. Перевод тока из контактов К-2 в цепь дугового промежутка осуществим, так как время перегорания иницииру­ющей проволочки нетрудно выбрать несколько большим времени раз­мыкания контактов К-2. Инициирующая проволочка перегорает, и в дуговом промежутке возникает дуга. Дальнейшее изменение тока в ду­ге .и передача энергии в нее определяется запасом электромагнитной энергии в индуктивности генератора и фазовым углом напряжения гене­ратора, при котором произошло инициирование дуги. При этом проис­ходит передача энергии в дугу одновременно из полей рассеяния гене­ратора и из маховых масс генератора. В момент перехода тока стато­ра іс через нуль производят размыкание К-1.На рис. 2 приведены осциллограммы решения на аналоговой вы­числительной машине M H -14 уравнений ударного генератора с парамет­рами в ое..x"d =  0,0391, XDd =  XDq= 1,02, хв= 1 ,2 ,  гс =  0,00156, rB =  rDd =  = 8Dq = O,001, U B =  0,001 с напряжением горения дуги в о. е. U a= I. За  единицу напряжения принято амплитудное значение напряжения удар­ного генератора.На рис. 3 приведены зависимости согласованного напряжения горе­ния дуги Uд, длительности ввода энергии в дугу tH, коэффициента пере-0.9 ' Wd 0.6 LcРис. 2. Форма кривых тока, напряжения и энергии13\Ѵддачи энергии в дугу Кд = - ш ~  (WK.3 — энергия короткого замыкания) иW K 3коэффициента амплитуды тока Ki =  —т в зависимости от угла ини-*кзциирования дуги а, рассчитанные для ударного генератора с парамет­рами, указанными выше. Как видно из рис. 3, при увеличении угла ини­циирования дуги а ударный генератор все больше превращается в ин­дуктивный накопитель, заряжаемый за время поворота ротора на угол а и разряжаемый за время tH.При этом если инициировать дугу в момент времени, когда ток статора іс достигает максимума (на рис. 2 показан пунктирной линией), то при бесконечном большом напряжении горения дуги в этом случае теоретически возможно полностью передать в дуговой промежуток энергию внезапного короткого замыкания, запасенную в полях рассея­ния генератора, за бесконечно малый промежуток времени. На практи­ке это невозможно, поэтому ограничимся напряжением горения дуги в о. е. и д= 1 (т. е. равном амплитудному значению эдс генератора). При этом коэффициент передачи энергии в дуговой промежуток составит Кд =  0,9, а длительность импульсаt H  =  1,7 рад  (при f =  50 гц, t H =  5,4 ясен .)Для инженерных расчетов необходимы аналитические выражения для определения тока и энергии в дуге. Определим их, приняв следую­щие допущения:1. Будем считать контуры ротора сверхпроводниками, т. е. потоко­сцепления фв, Фбсь ^Dq за время импульса тока не изменяются. Воз­можность такого допущения подтверждается осциллограммами потоко- сцеплений обмоток ротора при работе на дугу, полученными на машине МН-14.2. Так как ісчс^Пд пренебрегаем падением напряжения на актив­ном сопротивлении статорной обмотки.3. Принимаем Xrrd =  Xrrq, что вполне допустимо для ударного генера­тора неявнополюсного типа, имеющего мощную демпферную систему.4. Градиент напряжения в стволе дуги постоянен [4]. Исходя из; этих допущений получаем выражение для тока в дугеJ c o  —  U n t  -  C O S  ( а  +  ( O t )COіс —X", CO (2)где t — текущее время, начиная с момента зажигания дуги, фсо — начальное значение потокосцепления статорной обмотки. Энергия, выделяемая в дуговом промежутке, определится по фор­мулеWa =  Uf l J icClt, (3>ОПосле подстановки выражения (2) в формулу (3) получаем. _  ид«) / t’V  E mд -  х * I W  ~  2 ш2 sin(a -J- cot) +  Sina д ж . (4)Конечное значение энергии, выделяемой в дуге за время одного им­пульса, может быть определено по более простой зависимостиW . - а * .гдеКд =  Ц а) может быть определено из рис. 3-14I Z 3Рис. 3. Энергетические характеристики генерато­ра при работе на импульсную дугуТаким образом, выполненные исследования показали, что согласо­ванное напряжение горения дуги не зависит от параметров ударного ге­нератора, а в сильной степени зависит от угла инициирования дуги. Причем увеличение угла инициирования приводит к увеличению ис­пользования ударного генератора. Последнее обстоятельство позволило разработать схему питания импульсной дуги от ударного генератора, по­зволяющую передать в дугу значительно большую долю энергии внезап­ного короткого замыкания, чем при непосредственном включении гене­ратора на дуговой промежуток. При этом одновременно сокращается время передачи энергии в дугу, достигая нескольких миллисекунд при частоте эдс генератора 50 гц у что значительно расширяет области при­менения ударных генераторов.Л И Т Е РА Т У РА1. С. П. К о н о н о в ,  Б.  А.  С к р е б и  е в .  Применение импульсных элек­троэнергетических систем, импульсная электроэнергетика. — Сборник статей. Казань, 1970 .2. Л. П. Г н е д и н ,  Э. Г. К а ш а р е к и й ,  Ф. Г. Р у т б е р г .  О перспек­тивах применения турбогенераторов для получения больших импульсных мощно­стей при питании мощных плазматронов. — «Электротехника», 1 9 7 1 , №  3.3. А . В. Л о о с ,  Г. А.  С и п а й  л о в. Математическое моделирование электромагнитных процессов ударного генератора. —  «И зв. ТПИ». Т. 152 , 1 9 6 6 .4. Л. М. З а л е с с к и й .  Электрическая дуга отключения. ГЭИ, 1963.

Повышение эффективности использования ударных генераторов при питании дуговой нагрузки

Повышение эффективности использования ударных генераторов при питании дуговой нагрузки

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University

Publikationsserver der RWTH Aachen University

RWTH Publications

RWTH Publications