Импульсное возбуждение электрической машины

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Донецкий национальный технический университет

Импульсное возбуждение электрической машины

Чашко М.В.

Введение

импульсный электрический преобразователь магнитодвижущий

Работа посвящена способу возбуждения электрической машины постоянного тока.

Актуальность работы обусловлена возможностью снизить материалоемкость и повысить надежность электромеханического преобразователя.

В настоящее время магнитодвижущая сила (МДС), обусловливающая магнитный поток машины, создается многовитковой обмоткой. В каждом витке обмотки протекает ток источника (амперы), магнитодвижущей силой является произведение этого тока на число витков (ампервитки).

Этот способ создания МДС обусловливает необходимость изолировать витки, изоляция составляет от 50 до 70% сечения обмотки (коэффициент заполнения паза проводником 0,3 0,5). Сечение обмотки определяет диаметр машины и, следовательно, ее размер и материалоемкость.

При нарушении изоляции между витками происходит отказ, так что ее наличие снижает надежность машины.

Современная элементная база электротехники позволяет создать МДС одним витком.

При одновитковой обмотке отсутствует межвитковая изоляция, что снимает связанные с ней проблемы - позволяет уменьшить размер и материалоемкость машины, повысить ее надежность, упразднить нетехнологичный процесс изготовления многовитковой обмотки.

Цель работы - представить способ создания заданной МДС одновитковой обмоткой электромеханического преобразователя.

Материал и результаты исследований

Цель достигается за счет того, что источник питания возбуждения сначала подключают к электрическому конденсатору, после заряда конденсатора током от источника питания конденсатор подключают к обмотке возбуждения. После разряда конденсатора до нуля током возбуждения конденсатор отключают от обмотки, а обмотку шунтируют. Процесс повторяют с периодом, который зависит от необходимого тока возбуждения.

Указанный способ реализуется устройством, приведенным на рис. 1.

Устройство содержит источник питания возбуждения Е, обладающий индуктивностью LИ и сопротивлением RИ, полупроводниковый ключ К1, который попеременно соединяет конденсатор с источником питания и обмоткой возбуждения, электрический конденсатор С, в котором заряды от источника Е накапливаются и передаются в обмотку возбуждения, полупроводниковый ключ К2, который соединяет начало и конец обмотки возбуждения, когда конденсатор С ключом К1 отсоединен от обмотки, обмотку возбуждения, обладающую индуктивностью LВ и сопротивлением RВ, в которой суммируются заряды, переданные от конденсатора.

Рисунок 1 - Схема импульсного управления током возбуждения

Устройство работает следующим образом. Для создания магнитного потока возбуждения электрический конденсатор С соединяют с источником питания Е ключом К1, ключ К2 замкнут. От источника Е проходит ток, заряжающий конденсатор С по цепи Е- RИ - LИ - К1- С- Е. Когда конденсатор зарядится и ток источника питания станет равным нулю, ключ К1 отсоединяет конденсатор С от источника и подключает его к обмотке возбуждения. Одновременно размыкается К2, ток возбуждения проходит по цепи С - К1 - LВ - RВ - С. Этот ток разряжает конденсатор, так что напряжение на нем снижается, а ток возбуждения увеличивается. В момент, когда напряжение на конденсаторе станет равным нулю, ключ К1 отсоединяет его от обмотки возбуждения. Одновременно замыкается К2, ток возбуждения проходит по цепи К2 - LВ - RВ - К2.

При необходимости максимального возбуждения К1 подключает конденсатор С к источнику сразу после отключения от обмотки возбуждения LВ - R. При необходимости обеспечить возбуждение, меньшее максимального, ключ К1 подключает конденсатор С к источнику энергии Е через промежуток времени после отключения его от обмотки возбуждения.

Указанная последовательность операций периодически повторяется, причем максимальному току возбуждения соответствует минимальный период, равный сумме промежутков времени на заряд и на разряд конденсатора, а для получения тока возбуждения, меньшего максимального, период увеличивают за счет промежутка времени между отключением конденсатора от обмотки возбуждения и подключения его к источнику.

При таком способе обеспечить необходимый магнитный поток может обмотка, состоящая из одного витка. Этот виток имеет сечение, равное суммарному сечению проводников витков традиционной обмотки. По этому витку проходит ток, равный произведению числа витков традиционной обмотки на ток в каждом витке традиционной обмотки.

Возможность обеспечить необходимый магнитный поток одним витком обусловлена тем, что ток обмотки не проходит через источник питания, а замыкается через конденсатор С или ключ К2.

Ниже приведено математическое описание процессов, обеспечивающих возбуждение импульсами во времени.

За время подключения конденсатора С к источнику Е конденсатор зарядится до напряжения [1]:

,(1)

где Е - напряжение источника; RИ - сопротивление источника; И - волновое сопротивление цепи источник - конденсатор:

,

где LИ - индуктивность источника; С - емкость конденсатора.

Если активное сопротивление источника существенно меньше волнового сопротивления цепи источник - конденсатор, то UC 2Е.

Максимальный ток заряда имеет место при Иt =/2, значение его:

. (2)

Среднее за период Т значение тока источника:

.(3)

Энергия, запасенная в конденсаторе:

.(4)

За время разряда конденсатора на обмотку возбуждения энергия магнитного поля увеличится на:

,(5)

где LВ - индуктивность обмотки возбуждения;

i0 - ток в момент подключения конденсатора к возбуждению; itP - ток в момент tP, момент окончания разряда конденсатора на обмотку возбуждения; iCPВ - среднее за период значение тока возбуждения; Дi - разница между максимальным и минимальным значениями тока возбуждения.

Так как вся энергия электрического поля конденсатора преобразуется в энергию магнитного поля возбуждения:

.(6)

В течение периода энергия магнитного поля рассеивается на активном сопротивлении обмотки, количество этой энергии:

.(7)

Из равенства энергий:

,

cледует:

.(8)

Коэффициент пульсаций:

.(9)

В функции напряжения источника МДС:

.(10)

Как известно, при традиционном способе создания МДС:

,(11)

где F - магнитодвижущая сила обмотки возбуждения; IB=IИ - ток источника, он же ток каждого витка обмотки возбуждения; wB - число витков обмотки.

Из выражений (3) и (10) следует, что отношение МДС в одновитковой обмотке возбуждения к току источника:

.(12)

Для традиционной многовитковой обмотки это отношение, как известно, равно количеству витков обмотки возбуждения:

.

Следовательно, в одновитковой обмотке возбуждения можно получить МДС такую же и при том же токе источника, что и в многовитковой обмотке. При этом будут иметь место пульсации тока:

,(13)

с коэффициентом, представленным формулой (9).

Описанный способ получения МДС был проверен моделированием в программном пакете Matlab-Simulink [2].

На рис. 2 показана модель устройства, реализующего описанный способ.

Рисунок 2 - Модель импульсного управления током возбуждения

Модель работает следующим образом. Конденсатор С соединяется с источником питания U1 ключом К1, ключ К2 разомкнут, ключ К3 замкнут. От источника U1 проходит ток, заряжающий конденсатор С по цепи U1- RИ - LИ - К1- С- U1. Когда конденсатор зарядится и ток источника питания станет равным нулю, ключ К1 размыкается, конденсатор С отсоединяется от источника. Затем ключ К2 подключает его к обмотке возбуждения. Одновременно размыкается К3, ток возбуждения проходит по цепи С - К2 - LВ - RВ - С. Этот ток разряжает конденсатор, так что напряжение на нем снижается, а ток через обмотку возбуждения увеличивается. В момент, когда напряжение на конденсаторе станет равным нулю, коммутатор К2 отсоединяет его от обмотки возбуждения. Одновременно замыкается К3, ток возбуждения проходит по цепи К3 - LВ - RВ - К3.

При необходимости максимального возбуждения К1 подключает конденсатор С к источнику сразу после отключения от обмотки возбуждения LВ - RВ. При необходимости обеспечить возбуждение меньшее максимального, коммутатор К1 подключает конденсатор С к источнику энергии U1 через промежуток времени после отключения его от обмотки возбуждения.

Образец осциллограммы показан на рис. 3.

Рисунок 3 - Осциллограммы токов источника и возбуждения

В процессе моделирования варьировались значения LИ=0,1 0,025 Гн, C=10 40 мкФ, T=0,03 0,015 с, Lв=0,001 0,1 Гн, Rв=0,01 0,1 Ом. Напряжение источника принято U1=100 В. Контролировались средние значения тока источника и тока индуктивности Lв, имитирующей обмотку возбуждения.

При обработке результатов эксперимента сравнивались расчетные и экспериментальные значения тока источника и тока возбуждения. Расчетные значения определялись по формулам (3), (10) и (13).

В результате эксперимента установлено, что расхождения между расчетными и экспериментальными зависимостями находятся на уровне единиц процентов. Несколько сочетаний параметров дали расхождение около 10%. Поэтому, по результатам эксперимента можно сделать вывод, что формулы (3), (10) и (13) адекватно описывают зависимости между токами источника и возбуждения, электрическими и временными параметрами устройства.

Выводы

Возможность создать МДС одним витком, не используя многовитковую обмотку, уменьшает материалоемкость электрической машины: благодаря отсутствию межвитковой изоляции. При этом снижается глубина паза или длина полюса и, соответственно, внешний диаметр машины, ее объем и масса.

Отсутствие межвитковой изоляции при одновитковой обмотке повышает надежность электрической машины: исключается опасность пробоя и межвиткового замыкания.

МДС одним витком можно создать при использовании электрической емкости, периодически подключаемой к источнику и витку обмотки. МДС при этом зависит от емкости, периода переключения и сопротивлением витка. Это дает возможность гибкого управления МДС изменением значения периода при неизменном напряжении источника.

Полученная описанным способом МДС имеет пульсации во времени, которые также зависят от величины емкости, периода переключения и сопротивления витка. Изменением периода или подбором значения емкости пульсации могут быть снижены до допустимого значения.

Литература

1. Гинзбург С.Г. Методы решения задач по переходным процессам в электрических цепях. - М.: Высшая школа, 1967. - 388 с.

2. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем. Санкт-Петербург. КОРОНА принт, 2001. - 315 с.

Размещено на Allbest.ru