ELECTROMECHANICAL PRINCIPLES OF MUTUAL LOADED ELECTRICAL DC MACHINES

УДК 621.313.001.4 А. М. АФАНАСОВ (ДИИТ) ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВЗАИМНОЙ НАГРУЗКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА Розглянуто принципово можливі варіанти забезпечення взаємного навантаження електричних машин постійного струму. Рассмотрены принципиально возможные варианты обеспечения взаимной нагрузки электрических машин постоянного тока. The possible variants of providing the mutual loading of electric machines of direct current are considered on principle. Решение общей проблемы выбора рациональной схемы для испытания тяговых электрических машин требует предварительного определения всех возможных вариантов обеспечения взаимной нагрузки электромашин постоянного тока [1, 2]. Для решения этой задачи необходим системный подход, основанный на анализе общих принципов обеспечения процесса взаимной нагрузки. В результате такого анализа должны быть определены соотношения электромеханических параметров системы, на основании которых смогут быть построены конкретные электромеханические схемы испытательного стенда всех возможных вариантов. Проведем такой анализ для системы взаимной нагрузки, структура которой не определена, но известен принцип энергетических преобразований в ней. Для обеспечения процесса взаимной нагрузки электромашин с энергетической точки зрения необходимы следующие условия: − обеспечение передачи электрической мощности от генератора двигателю; – обеспечение передачи механической мощности от двигателя генератору; – компенсация всех потерь, которые возникают при передаче мощности. С электромеханической точки зрения для выполнения этих условий требуется: – наличие устройств передачи электрической мощности; – наличие устройств передачи механической мощности; – положительная результирующая электродвижущая сила в цепи электрических преобразователей, компенсирующая падения напряжений от протекания токов; – положительный результирующий момент в цепи механических преобразований, компен- 42 сирующий потери момента от вращения роторов электромашин. Основной контур энергетических преобразований любой схемы взаимной нагрузки можно условно разбить на две цепи: – цепь электрических преобразований выходной мощности генератора во входную мощность двигателя; – цепь механических преобразований выходной мощности двигателя во входную мощность генератора. Универсальная схема замещения преобразователя электрической мощности представлена на рис. 1. Рис. 1 Преобразователь электрической мощности ПЭ (обведен пунктиром) включает в себя пассивный четырехполюсник Т, представляющей собой конвертор постоянного напряжения, источник электродвижущей силы ИЭ и источник тока ИТ. Ко входу преобразователя подключен якорь генератора Г, а к выходу – якорь двигателя Д, при этом имеется в виду возможность независимого регулирования магнитных потоков испытуемых машин (обмотки возбуждения на схеме не показаны). В данной схеме замещения предусмотрены все теоретически возможные виды электрических преобразований: – трансформация напряжения (тока); – добавка электродвижущей силы ( Eи ); – подпитка якоря двигателя током ( I и ). В принципе и источник э.д.с., и источник тока могут быть включены в первичную цепь конвертора Т. Для проведения данного анализа это непринципиально. Отметим, что на приведенной схеме (рис. 1) не показаны диссипативные элементы самого преобразователя ПЭ. Такое упрощение вполне допустимо для анализа, целью которого является определение самих принципов создания взаимной нагрузки электромашин. Таким образом, будем рассматривать работу данной универсальной схемы без учета потерь мощности в преобразователе ПЭ. Работа преобразователя будет описываться системой уравнений ⎧⎪uд = uг ⋅ KU + Eи ; ⎨ ⎪⎩iд = iг ⋅ K I + I и , (1) (2) где uд – напряжение на входе двигателя; uг – напряжение на выходе генератора; iд – ток двигателя; iг – ток генератора; KU – коэффициент передачи напряжения; K I – коэффициент передачи тока. Коэффициенты передачи KU и K I связаны между собой соотношением KU ⋅ K I = 1 . (3) Напряжения на зажимах двигателя и генератора: uд = Cд ⋅ Фд ⋅ ωд + iд ⋅ Rд ; (4) uг = Cг ⋅ Фг ⋅ ωг − iг ⋅ Rг , (5) где Cд и Cг – конструктивные постоянные двигателя и генератора; Фд и Фг – магнитные потоки двигателя и генератора; ωд и ωг – угловые скорости валов двигателя и генератора; Rд и Rг – внутренние сопротивления двигателя и генератора. Универсальная схема замещения преобразователя механической мощности представлена на рис. 2. Преобразователь ПМ включает в себя механический редуктор Р, источник дополнительного момента (дополнительный двигатель с моментом M и ) и источник дополнительной угловой скорости ИС (устройство добавки угловой скорости ωи ). Со входом преобразователя связан вал ротора двигателя Д, а с выходом – вал ротора генератора Г. В данной схеме замещения предусмотрены все теоретически возможные виды механических преобразований: – трансформация механического момента (угловой скорости); – добавка крутящего момента дополнительным источником момента; – добавка угловой скорости дополнительным источником угловой скорости. Дополнительные источники механической мощности в данной схеме могут быть включены в первичную механическую цепь редуктора. Необходимо отметить полную аналогию процессов преобразования электрической и механической мощностей по схемам, представленным на рис. 1 и 2. Аналогами напряжений электрической схемы являются моменты механической схемы. Аналогами токов являются угловые скорости. Аналогами источников э.д.с. и токов являются источники механического момента и угловой скорости соответственно. Аналогом конвертора постоянного напряжения (тока) является редуктор. На схеме замещения преобразователя механической мощности (рис. 2) так же, как и в схеме замещения электрического преобразователя, не показаны диссипативные элементы. И в дальнейшем его работа будет рассматриваться без учета внутренних потерь. Работа преобразователя описывается системой уравнений: ⎧⎪ M г = M д ⋅ K м + M и ; ⎨ ⎪⎩ωг = ωд ⋅ K ω + ωи , (7) где M г – момент на валу генератора; M д – момент на валу двигателя; ωд – угловая скорость вала двигателя; ωг – угловая скорость вала генератора; K м – коэффициент передачи момента; K ω – коэффициент передачи угловой скорости. Коэффициенты передачи K м и K ω связаны между собой соотношением Kм ⋅ Kω = 1 . Рис. 2 (6) (8) Моменты на валах двигателя и генератора: 43 M д = Cд ⋅ Фд ⋅ iд − ∆M д ; (9) M г = Cг ⋅ Фг ⋅ iг + ∆M г , (10) где ∆M д и ∆M г – потери момента двигателя и генератора, обусловленные механическими и магнитными потерями мощности в электромашинах. Рассмотрим условия компенсации электрических потерь в стенде взаимной нагрузки по универсальным соотношениям основных параметров схемы, полученным выше. Объединив формулы (1), (4), (5), (7), после преобразований получим выражение, характеризующее баланс напряжений в электрической части схемы взаимной нагрузки в установившемся режиме iд Rд + iг Rг KU = ( CгФг KU K ω − CдФд ) ωд + + CгФг ωи KU + Eи . (11) Левая часть выражения (11) представляет собой сумму падений (...truncated)