2.1.
Генераторы постоянного тока (ГПТ).
В системах АЭП ГПТ применяются в качестве управляемых преобразователей (УП) напряжения, подводимого к двигателю. В энергетическом отношении ГПТ – электромеханический преобразователь энергии, в котором механическая энергия, поступающая с вала приводного двигателя (АД или СД), преобразуется в электроэнергию постоянного тока.
Достоинства преобразовательного агрегата с ГПТ:
- линейность преобразования управляющего сигнала в выходную ЭДС в большом диапазоне его изменения;
- отсутствие искажений в напряжении питающей сети переменного тока от работы генератора;
- слабое влияние колебаний напряжения питающей сети на выходную ЭДС генератора;
- возможность работы с высоким и регулируемым коэффициентом мощности.
Недостатки:
- невысокий результирующий КПД (за счет потерь в генераторе и приводном электродвигателе);
- большие массогабаритные двигатели (3 и более машин);
- значительные затраты на установку преобразовательного агрегата;
- шум при работе, существенная инерционность в канале управления.
Общие показатели для генераторов:
- для малой и средней мощности до 100-200 кВт отсутствует компенсационная обмотка;
- ГПТ мощностью более 2-3 кВт имеют дополнительные полюса, число которых равно числу главных полюсов;
- щетки генераторов устанавливаются на геометрической нейтрали;
- максимальная перегрузочная способность по току якоря для большинства генераторов равна 2 при продолжительности перегрузки до 3 с и 1,5 до 60 с.
Электрическая схема генераторов для общего случая возбуждения приведена на рис.2.1.
Рис.2.1.
Электрическая схема ГПТ для общего случая возбуждения
Магнитный поток продольной оси
создается МДС обмоток
возбуждения независимой LG1,LG2 – параллельной (шунтовой), LG3
– последовательной (сериесной).
– магнитный поток по поперечной оси
создается МДС якорной обмотки ГПТ (при наличии LG4 
). Магнитный поток Фдп
от дополнительных полюсов LG5,
действует в зоне щеточных контактов, улучшая процесс коммутации.
Электрическое
состояние генератора (рис. 2.2.)характеризуется тремя внешними и одной
внутренней координатами:
-
напряжение или
пропорциональное ему в статических режимах МДС и ток цепи обмотки независимого
возбуждения 
– управляющее воздействие;
-
ЭДС -
(
) – выходная величина;
-
ток якорной цепи (
) – возмущающее воздействие по нагрузке;
- результирующая МДС одного полюса (F) – внутренняя координата.
Строчными буквами обозначены мгновенные значения в динамических режимах, а прописными – установившиеся значения.
Рис.2.2. Блочно-функциональное
представление ГПТ
Взаимосвязь между координатами определяется по формуле:
где 
– конструктивная постоянная машины;
р – число пар полюсов;
а – число пар параллельных ветвей якорной обмотки;
N – число активных проводников;
– угловая скорость
генератора;
Ф(F) – магнитный поток одного полюса в зазоре машины.
Без учета реакции якоря (при КО или без КО, но при малых нагрузках) результирующая МДС по продольной оси:
где
где F1,F2,F3 – МДС LG1,LG2,LG3
– число пар
параллельных ветвей обмоток LG1,LG2,LG3
– сопротивления LG1,LG2
– сопротивления
якоря генератора
Знак «+» – если включение LG1,LG2,LG3 согласное, при встречном включении знак «-» .
Таким образом, ЭДС генератора
оказывается однозначной функцией результирующей МДС по продольной оси Fd,
слагаемые которой линейно зависят от внешних координат, 
что облегчает расчет
статических характеристик генератора.
Зависимость
является
характеристикой управления генератора, которая может быть определена
экспериментально, как характеристика холостого хода, при отключении якорной
цепи и параллельной обмотки.
Характеристики
управления относительно входной величины 
, при 
, а также внешние характеристики генератора могут быть
построены графическим методом. На прямолинейном
участке характеристики управления коэффициент передачи по МДС равен 
. Коэффициент передачи по току для любой из обмоток
возбуждения
Коэффициент
усиления по напряжению
Динамические характеристики генератора определяют его уравнением возбуждения. При этом принимаются следующие основные допущения:
- потоки рассеяния по продольной оси отсутствуют;
-
напряжение генератора не зависит от ЭДС самоиндукции
якорной обмотки, т.е. 
- трансформаторная ЭДС в коммутируемых секциях равна нулю.
Решая систему уравнений, описывающей динамический режим генератора относительно ЭДС и суммарной мгновенной МДС по продольной оси, получим уравнение:
,
где
,
где СВ – конструктивный параметр цепи возбуждения, 
;
WВГ – число витков эквивалентного контура вихревых токов.
Характеристика ГПТ согласно этого уравнения имеет следующий вид (рис.2.3.).
Отсюда видно, если 
имеет полярность (+), то
мы имеем процесс запуска (или намагничивания ГПТ), если 
, происходит процесс торможения (или размагничивания)
генератора; если 
имеет (-), то
происходит процесс реверса или перемагничивания генератора.
Большое применение в эл.
приводе находят генераторы значительной мощности, имеющие компенсационную
обмотку и обладающие большим КПД и высоким 
. Самым распространенным является генератор с
независимым возбуждением (рис. 2.4.).
Рис.2.3. Характеристика
управления генератора
Рис.2.4. Эл. схема ГПТ с независимым возбуждением.
При этом 
(
на линейном участке кривой намагничивания, определяют по
справочным, пренебрегая гистерезисом).
.
ТГ – гл. магнитная постоянная времени тока
Тогда
подставляем в уравнение еГ
окончательно получим
передаточная функция
Структурная схема на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Структурная схема
Характеристики управления обладают высокой линейностью (рис. 2.6,а), внешние параллельны оси тока (рис.2.6, б).
Рис. 2.6. Характеристики
управления
Этой передаточной функции соответствуют амплитудная L(w) и фазовая j(w) логарифмические характеристики (рис. 2.7).
Рис.
2.7. ЛАЧХ и ЛФЧХ
генератора
Форсирование переходных процессов. Для ГПТ с НВ (Р>100
кВт) постоянная времени значительно больше 1 с. Такая инерционность затягивает
переходные процессы и значительно ограничивает его полосу пропускания. Для форсировки (убыстрения) переходных процессов применяют
следующие два способа: уменьшение эквивалентного
значения ТГ или изменение ЭДС генератора за счет управления
напряжением возбуждения.
Рис. 2.8. Схемы включения ГПТ с НВ: а) непосредственное
включение на 
; б) через управляемый выпрямитель
При
первом способе (
включено постоянно) необходимо подводить повышенное
значение 
с тем, чтобы в
номинальном режиме выполнялось условие: 
, т.е. к обмотке возбуждения подводилось номинальное значение
.
Второй
способ заключается в том, что к обмотке возбуждения на время переходного
процесса прикладывается повышенное напряжение, которое должно мгновенно,
в конце процесса, уменьшено до требуемого установившегося значения. Это
достигается введением с помощью контакта К2
резистора (рис. 2.8, а) или
снижением напряжения за счет отрицательной связи по напряжению генератора
(рис.2.8, б штриховая линия). Такой способ форсировки
называют форсировкой с отсечкой.
Степень форсировки переходных процессов характеризуется коэффициентом форсировки:
,
где 
– начальное значение
напряжения на обмотке возбуждения при 
, В;
.– установившееся значение напряжения на
обмотке возбуждения, В.
Для первого случая
– кратность разрядного
сопротивления
– сопротивление
обмотки возбуждения.
Для схемы возбуждения с шунтируемым дополнительным резистором
Для схемы с управляемым возбудителем
,
где UН – напряжение насыщения управляемого возбудителя
– коэффициент усиления
возбудителя
– коэффициент
отрицательной связи по напряжению генератора
.
С помощью 
можно подсчитать
напряжение цепи возбуждения и управляемого возбудителя, а также сопротивление .
Графики переходных процессов для обоих случаев на рис.2.9.
1 – 
с постоянно введенным
сопротивлением
2 - 
с форсировкой
Как
видно из графиков форсировка с отсечкой более эффективна, т.к. повышенное напряжение возбуждения остается
неизменным.
Отделим 
, когда надо снять форсировку, т.е.
Рис.2.9. Графики переходных
процессов
В электроприводе имеют место задачи, где требуется не форсирование процесса, а, напротив, дефорсирование в целях ограничения ускорения и поддержание его постоянным. В этих случаях инерционность генератора оказывается полезной. Однако при апериодическом характере переходного процесса в соответствии с передаточной функцией темп изменения ЭДС генератора, ограниченный инерционностью в начальный момент, не сохраняется постоянным, а непрерывно уменьшается. Обеспечить ограничение и постоянство темпа изменения ЭДС можно с помощью схемы с критическим самовозбуждением генератора (рис. 2.10).
Условием критического
самовозбуждения является равенство сопротивления цепи самовозбуждения 
передаточному
коэффициенту по току данной обмотки, т.е.
.
Полученное значение
сопротивления называется критическим. Так как 
, то можно записать
(*)
Это означает, что при
критическом самовозбуждении коэффициент усиления генератора относительно
обмотки самовозбуждения должен быть равен 1. Данное условие имеет также и
графическую интерпретацию: равенство углового коэффициента прямой МДС
самовозбуждения 
величине 
означает параллельность
характеристики управления генератора и прямой суммарной МДС в осях 
, Fd
а) с критическим
самовозбуждением с двумя обмотками
б) с критическим
самовозбуждением с одной обмоткой
Рис. 2.10. Схемы включения обмоток возбуждения
генератора
Для варианта схемы возбуждения с двумя обмотками (ОВ1 и ОВ2) (рис. 2.10,а)
,
где 
- сопротивление параллельной обмотки, Ом;
- дополнительное сопротивление в цепи параллельной
обмотки, Ом.
Для варианта с одной, но разделенной на две равные части обмоткой возбуждения (рис.2.10,б)
,
где - сопротивление резистора, дополнительно включаемого
последовательно с симметричной мостовой цепью самовозбуждения, Ом.
Цепь самовозбуждения выполняет функцию положительной обратной связи по ЭДС, ее МДС FСВ действует согласно с МДС независимой обмотки FВ1 и при линейной характеристике генератора
.
Подставляя условие (*) в данное, получаем, что 
. Таким образом, любое значение ЭДС
обеспечивается самим генератором без постороннего источника возбуждения, т.е.
статическая мощность источника независимого возбуждения равна нулю. Однако
с учетом нелинейности характеристики управления генератора 
и для обеспечения
номинального возбуждения потребуется тем большее значение 
, чем сильнее насыщен генератор в этом режиме.
Данный способ возбуждения
позволяет существенно снизить мощность управления
генератором:
Для схемы с двумя обмотками возбуждения (см. рис. 2.10,а)
.
Для схемы с одной разделенной обмоткой возбуждения (см. рис. 2.10,б)
,
где
– относительное значение МДС независимого возбуждения;
. – номинальные значения
напряжения и тока возбуждения в схеме независимого возбуждения.
Динамические режимы генератора с критическим самовозбуждением в пределах прямолинейного участка его характеристики управления будут определяться общим уравнением возбуждения
, (**)
где 
, 
для схемы с двумя
обмотками возбуждения (рис. 2.10,а); 
, 
для схемы с одной
разделенной обмоткой возбуждения (см. рис. 2.10,б).
Генератор
с критическим самовозбуждением представляет собой в динамике интегральное звено
с передаточной функцией
Темп интегрирования при неизменных параметрах kГ и TГ определяется значением выходного напряжения управляемого возбудителя UВ1.
Для получения устойчивого установившегося режима работы генератора на прямолинейном участке характеристики управления на вход возбудителя вводится напряжение отрицательной обратной связи. При этом уравнение (**) дополнено уравнением для управляемого возбудителя, и совместное их решение даст выражение
.
Данному уравнению
соответствует структурная схема, приведенная на рис.2.11. Отрицательная
обратная связь оказывается блокированной, когда управляемый возбудитель
работает на участке насыщения и генератор, являясь интегратором, имеет
максимально допустимый темп изменения ЭДС. При работе возбудителя на
усилительном участке характеристики управления отрицательная связь переводит
генератор в режим работы апериодического звена с
передаточной функцией:
где
.
Рис. 2.11. Структурная схема
генератора с критическим самовозбуждением и отрицательной
обратной связью по
напряжению
При высоком коэффициенте
усиления возбудителя постоянная 
мала, и генератор по
свойствам приближается к безыинерционному звену для частот
.