Experimental study of brushless generator with integrated exciter

Full Text

В современных публикациях по теоретическому исследованию и практической реализации электромашинных источников электроэнергии малой и средней мощности для автономных энергетических установок (АЭУ) большое внимание уделяется бесщеточным генераторам с электромагнитным возбуждением [1-4]. В таких источниках, обеспечивающих электрической энергией потребителей, остро нуждаются, например, автомобильная промышленность, авиация, бронетанковая техника нового поколения с повышенной энерговооруженностью. К ним часто предъявляются жесткие требования по массе и габаритным размерам ввиду их размещения в зоне главных двигателей. Эти машины эксплуатируются при повышенной температуре окружающей среды, достигающей 100 ºС, что предполагает нагрев активных частей генератора до 200 ºС и выше. Столь жесткие условия накладывают существенные ограничения при выборе проводниковых и изоляционных материалов. В тоже время современные отечественные потребители, эксплуатирующие АЭУ, не спешат с заменой устаревших, морально изношенных, зачастую коллекторных электромашинных источников на современные бесщеточные. В период с 2014 по 2017 гг. сотрудники кафедры «Электромеханика и автомобильное электрооборудование» СамГТУ совместно с НПО «Шторм» участвовали в разработке и освоении опытной партии бесщеточных электрических генераторов для ОАО «Барнаултрансмаш», которые предназначались для замены применяемых ранее коллекторных генераторов. В процессе работы ставилась задача повышения удельной мощности и улучшения энергетических показателей. В результате проведенной работы были спроектированы, изготовлены и прошли исследовательские испытания [5] синхронный генератор Г-408, выполненный по каскадной схеме [6], и бесщеточный электрический генератор с интегрированным возбуждением Г-409 [7]. Для сравнения основных характеристик разработанных и серийновыпускаемых промышленностью генераторов, предназначенных для использования на стационарных агрегатах и передвижных транспортных средствах в качестве низковольтных источников постоянного тока,были определены следующие электрические генераторы: - генератор с когтеобразным индуктором ВГ-8К1; - коллекторный генератор ВГ-7500. Основные технические данные выпускаемых промышленностью и разработанных авторским коллективом генераторов приведены в таблице. Технические данные генератора с интегрированнымвозбудителем и его аналогов Параметр Тип генератора ВГ-8К1 ВГ-7500 Г-408 Г-409 Номинальная мощность , кВт 8 9 18 12 Номинальное напряжение , В 28,5 28,5 28,5 28,5 Номинальная частота вращения , об/мин 3000 7200 7200 7340 Рабочий диапазон частотвращения,об/мин 2500÷6500 4000÷8000 4000÷8000 4000÷8000 Температура окружающейсреды , -50÷+60 -50÷+70 -50÷+100 -50÷+100 МассаM, кг 60 26 32 20 Удельная массаm, кг/кВт 7,5 2,9 1,78 1,67 Удельная мощность кВт/кг 0,13 0,35 0,56 0,60 Мощность возбуждения , Вт 250 266 232 178 Коэффициент усиления по мощности , о.е. 32 34 78 67 Номинальный КПД , о.е. 0,75 0,77 0,75 0,8 Анализируя данные таблицы, можно заметить, что генератор с интегрированным возбуждением превосходит по основным критериям (удельная мощность, КПД, мощность возбуждения) не только генераторы с клювообразным ротором, двухкаскадный синхронный, но и коллекторный генератор. Таких результатов удалось достичь прежде всего за счет реализацииразработанных при синтезе процедур оптимизационного поискаи применения новых авторских технических решений. С целью проверки адекватности теоретических моделей, лежащих в основе разработки генератора, опытный образец БЭГ с интегрированным возбудителем подвергался испытаниям на соответствие статическим и динамическим показателям: величина изменения и качество выходного напряжения, значение постоянных времени переходных процессов по управляющему и возмущающему воздействиям, точность стабилизации напряжения при изменении нагрузки и т. д. На рис.1,2 показаны экспериментальные (сплошная линия) и рассчитанные по математической модели (прерывистая линия) внешние характеристики в разомкнутой и замкнутой системе стабилизации напряжения соответственно. Рис.1. Внешние характеристики БЭГпри: 1 - 7200 об/мин; 2 - 6000 об/мин;3 - 5000 об/мин; 4 - 4000 об/мин; 5 - 3000 об/мин Относительное расхождение экспериментальных и теоретических характеристик не превышает 7 %, что указывает на адекватность используемой математической модели. Система автоматического регулирования поддерживает стабильное напряжение в диапазоне изменения нагрузки (0,05 1,05) . Рис.2. Внешняя характеристика БЭГ с регулятором напряжения Автором предложено оригинальное техническое решение, позволяющее стабилизировать выходное напряжение БЭГ посредством воздействия на величину тока возбуждения основного генератора. На рис. 3 показана принципиальная электрическая схема, поясняющая суть решения. БЭГ состоит из -полюсного синхронного генератора (СГ) с обмоткой возбуждения на роторе и -фазной якорной обмоткой на статоре, подключенной к выпрямителю В2. К выходным зажимам последовательно с нагрузкой подключена однофазная обмотка , выполненная с числом полюсов . В магнитную систему генератора интегрирован возбудитель (СВ), представляющий собой -полюсную трехфазную синхронную машину с обмоткой возбуждения на статоре и обмоткой якоря на роторе, которая подключена к обмотке возбуждения генератора через однополупериодный выпрямитель В1. Обмотка выполнена электрически совмещенной и возбуждает одновременно -полюсное вращающееся и -полюсное неподвижное в пространстве магнитные поля. Рис.3. Электрическая схема БЭГ с компаундированием Генератор работает следующим образом. При питании обмотки постоянным током и вращении ротора в обмотке индуктируется ЭДС частоты и по обмоткам и протекает выпрямленный ток. Переменная составляющая этого тока в обмотке создает магнитное поле реакции якоря возбудителя. Обмотка , обтекаемая выпрямленным током, создает поле возбуждения основного генератора, которое при вращении ротора индуктирует в силовой обмотке ЭДС частоты . При работе под нагрузкой по обмотке протекает ток, величина которого определяется сопротивлением нагрузки и суммой ЭДС обмотки и ЭДС, индуктируемой в обмотке -полюсным магнитным полем, созданным постоянной составляющей тока обмотки . Таким образом, за счет магнитной связи обмоток и при уменьшении нагрузки и увеличении выпрямленного напряжения ток в обмотке уменьшается, что приводит в итоге к падению ЭДС обмотки и уменьшению выходного напряжения БЭГ. Помимо эффекта стабилизации напряжения при изменении нагрузки предложенная схема БЭГ дает существенное снижение пульсации выпрямленного напряжения. Например, при работе в режиме холостого хода выходное напряжение БЭГ содержит кроме постоянной составляющей переменную, частота которой в раз выше частоты ЭДС обмотки . Постоянная составляющая тока обмотки индуктирует в обмотке ЭДС частоты . Обмотка включена последовательно в цепь нагрузки таким образом, что ее ЭДС сдвинута по фазе на угол 180 относительно переменной составляющей напряжения . На рис.4 показана форма выходного выпрямленного напряжения , ЭДС обмотки и напряжения на нагрузке. Рис.4. Пульсации выходного напряжения БЭГ Рис. 5. Напряжение холостого хода За счет реализации предложенного технического решения коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения был снижен по сравнению с аналогами на (2 4)%. Оценка качества генерируемой БЭГ энергии получена из экспериментальных осциллограмм, показанных на рис. 5,6. Рис.6. Осциллограммы напряжения и тока при нагрузке Регистрация данных проводилась цифровым осциллографомАКИП 4115А с использованием датчика тока компенсационного типа LTC 1000-SI/SP98 для электронного преобразования тока - постоянного, переменного, импульсного в пропорциональный выходной ток с гальванической развязкой между первичной (силовой) и вторичной (измерительной) цепями. На рис.7 показана осциллограмма переходного процесса в цепи якоря БЭГ при включении возбуждения в нагрузочном режиме работы. Рис.7. Осциллограмма выпрямленного напряжения и тока при включениивозбуждения в режиме номинальной нагрузки Анализ переходного процесса показывает, что время установления напряжения в обмотке якоря при внезапном изменении напряжения возбуждения не превышает в нагрузочном режиме 50 мс, что указывает на хорошее быстродействие БЭГ по контуру регулирования напряжения. Электромагнитная постоянная времени генератора как объекта регулирования, наибольший вклад в величину которой вносит индуктивность обмотки возбуждения возбудителя, весьма близка к расчетной теоретической величине с. При исследовании магнитного поля генератора методом конечных элементов установлено, что с точки зрения увеличения быстродействия системы автоматического регулирования напряжения магнитную систему возбудителя следует выполнять более насыщенной. Выводы 1. Теоретические положения и практические рекомендации, изложенные в настоящей статье, стали основой при разработке гаммы бесщеточных синхронных машин малой и средней мощности (генераторов с интегрированным возбуждением), изготовленных и испытанных на профильных предприятиях электротехнической отрасли. 2. Результаты испытаний бесщеточного генератора с интегрированным возбуждением, изготовленного НПО «Шторм» по заказу АО «Барнаултрансмаш», подтвердили все основные теоретические положения и рекомендации, предложенные автором. Генератор отличается от известных аналогов повышенным на 7 % КПД, сниженной на 70 % удельной массой, более высоким быстродействием по цепям возбуждения и нагрузки. 3.Адекватность моделейгенератора с интегрированным возбуждением по длительности, характеру переходных процессов подтверждена экспериментальными данными.

About the authors

Yuriy V Zubkov

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskayast., Samara,443100, Russian Federation

References

Supplementary files