Введение к работе
Появление принципиально новых видов потребителей в составе, бортовых электромеханичесих комплексов транспортных средств требует повышения как мощности первичных источников электроэнергии, так и уровня рабочего напряжения. Традиционно эта задача решается путем создания систем электропитания высокого напряжения на базе низковольтных генераторов (СГ) и повышающих трансформаторов (ВТр). Однако, стремление к улучшению массогабариткых показателей, повышению КПД и надежности таких источников , особенно для транспортных средств, требуют поиска новых путей развития бортовых систем электропитания высокого напряжения. Решение этой проблемы возможно как в рамках дальнейшего совершенствования элементов градидаоннои структуры источников электропитания высокого напряжения, так и путем создания автономных источников питания на основе электромеханических генераторов повышенного и высокого (на параметры рабочих органов) напряжения (до 100 кВ и более).
Синхронные генераторы высокого напряжения (ВСГ) в комплексе с емкостными накопителями (ЕН) находят все более широкое применение в передвижных технологических установках, использующих импульсные магнитные поля и электрогидравлический эффект, в передвижных конденсаторных сварочных машинах, в системах накачки оптических квантовых генераторов и радиофизических устройствах импульсного действия наземных транспортных средств и летательных аппаратов (ЛА) . ВСГ применяются и имеют большую перспективу развития в сельскохозяйственных транспортных установках, а также в ряде объектов исследовательского и специального назначения: радиоэлектронное противодействие (РЭП), геологоразведочные работы, передвижные технологические установки для производства озона и т.п..
По сравнению с традиционными бортовыми электромеханическими системами высокого напряжения, включающими в себя СГ и ВТр, ВСГ присуши лучшие массогабаритные показатели, более высокий КОД и надежность, низкие значения постоянных времени регулирования и т.д.. Это обусловлено тем, что ВСГ функционально объединяет в одном агрегате первичный источник электроэнергии и ВТр. Отсутствие двойного преобразования энергии в
случае использования генератора высокого напряжения определяет высокие иассоэнергегнческие показатели источника электропитания высокого напряжения в целом.
Впервые генераторы высокого напряжения с классической активной зоной были разработаны в МЭИ под руководствон А.В.Иванова - Смоленского. Однако, трудности размещения большого количества пазовой изоляции обмотки якоря (ОЯ) ВСГ, особенно для средних и малых уровней мощностей генераторов, присущих транспортным средствам, не позволяют использовать ВСГ с классической активной зоной на напряжения свыше 4-10 кВ.
Достижение более высокого уровня напряжения в генераторах средней и малой мощности возможно за счет перехода к стержневой конструкции якоря генератора высокого напряжения, которая позволяет разместить в межстержневом пространстве необходимое количества изоляции, обеспечивающее достаточную электрическую прочность ОЯ ВСГ.
Синхронные генераторы высокого напряжения со стержневым якорем относятся к новому виду электрических машин. Им присущи специфические конструкции магнитной цепи, значения магнитных и электрических параметров, характер переходных и установившихся электромагнитных, тепловых и механических процессов. В силу существенных отличий ВСГ со стержневым якорем от генераторов с классической активной зоной, их многостороннее исследование с целью создания теории рабочих процессов, выработки рекомендаций по проектированию и разработки методики расчета генераторов с наилучшими массоэнергетическими показателями является важной и самостоятельной задачей.
Выполненная работа способствует решению комплекса задач, связанных с созданием транспортных генераторов высокого напряжения с высокими массоэнергетическими показателями для питания электрофизических установок средней и малой мощности как непрерывного, так и импульсного действия.
Диссертационная работа выполнялась в рамках НИР, проводимой на кафедре "Электрические машины и электроэнергетические установки" Московского государственного авиационного института в соответствии с заказом промышленности на основании решения директивных органов .
Цель диссертационной работы - развитие теории рабочих 4
процессов, разработка методики расчета и рекомендаций по проектированию синхронных .. генераторов высокого напряжения со стержневым якорем.
Для достижения этой цели в данной работе были поставлены и решены следующие задачи:
-
Сравнительный анализ бортовых систем электропитания высокого напряжения на базе ВСГ и традиционных систем, содержащих СГ и ВТр с целью обоснования областей рационального применения генераторов высокого напряжения.
-
Анализ и разработка рациональных магнитных систем синхронных генераторов высокого напряжения со стержневым якорем .
-
Исследование и расчет индуктивных параметров ВСГ .
-
Создание математической модели синхронного генератора со стержневым якорем с целью исследования его рабочих процессов .
5.Исследование тепловых и механических процессов ВСГ для обоснования наиболее эффективных систем охлаждения и конструктивных схем , обеспечивающих накопление механической энергии ротором ВСГ .
6. Разработка рекомендаций по проектированию и методики оасчсга БОГ .
?. Экспериментальные исследования рабочих процессов ВСГ для подтверждения полученных теоретических результатов .
Методы исследования.
Научные положения, выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертации, базируются на основных положениях универсального метода расчета электрических машин ("метод проводимостей зубцовых контуров"), метода гармонического анализа магнитных полей, критериальных методах подобия, численных методах решения систем линейных и нелинейных дифференциальных уравнений с использованием ЭВМ и экспериментальных методов исследования установившихся и динамических режимов работы электрических машин при общепринятых допущениях. Достоверность полученных результатов подтверждена материалами экспериментальных исследований на макетных образцах синхронных генераторов высокого напряжения. Количественные расчеты'проводились с использованием ЭВМ типа PC/AT-486 DLX , языков программирования Turbo Paskal 7.0 , Turbo C++ 3.0 и средств решения систем уравнений
математического пакета програш PC-MATLAB .
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые результаты :
получены зависимости массоэнергетических показателей бортовых систем электролитания высокого напрякения на базе ВСГ от. частоты тока и уровня рабочего напряжения для диапазона мощностей 2.. .200 кВА, определяющие области рационального применения подобных систем;
развита теория электромагнитных процессов ВСГ с использованием методов лроводимостей эубцовых контуров и гармонического анализа магнитных полей, а также теория тепловых и механических процессов синхронных генераторов высокого напряжения на ociiODo критериальных методов подобия;
создана универсальна математическая модель, учитывающая насыщение элементов магнитной цепи генератора и несину-соидашюсть распределения магнитной индукции в рабочем зазо-ое;
выявлена совокупность параметров оптимизации, созданы алгоритмы и программы автоматизированного расчета ВСГ;
разработаны рациональные структуры систем охлаждения, а также получены зависимость скорости и расхода хладагента, обеспечивающие высокие массоэнергетические показатели ВСГ.
Практическая ценность работы.
предложена методика электромагнитного расчета ВСГ, на основании которой может быть рассчитан генератор для бортового канала электроснабжения высокого напряжения;
на основании оптимизационных расчетов даны рекомендации по выбору злеісгромагнитньк нагрузок ВСГ, обеспечивающие наилучшие массоэнергетические показатели генератора;
предложены методики теплового, механического и гидравлического расчетов ВСГ;
разработаны рекомендации по выбору системы охлаждения ВСГ и допустимым перегрузкам генератора в динамических режимах;
даны количественные оценки и рекомендации по использованию механических накопителей энергии для стабилизации частоты вращения ротора в режиме "заряд-разряд" ЕН;
рассчитан, изготовлен и испытан макетный образец синхронного генератора высокого напряжения.
Реализация результатов работы.
Основные результаты диссертации использованы в Московском государственном авиационном институте при разработке структуры бортового канала электропитания высокого напряжения с улучшенными массоэнергетическими показателями, а также при создании источника электропитания высокого напряжения лазерных и рентгеновских установок. На основе проделанной работы был рассчитан, изготовлен и испытан макет источника электропитания высокого напряжения лазерных и рентгеновских установок.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы и ее отдельные разделы докладывались и обсуждались: на конференциях молодых специалистах МАИ в 1991-94 годах, на Всесоюзной конференции " Проблемы энергетики и транспорта " (г. Севастополь, 1992 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции " Электронные средства преобразования энергии "(г. Москва, 1993 г..) и на Международном аэрокосмическом конгрессе (г. Москва 1994 г.). Материалы диссертации опубликованы в 5 печатных работах и использованы в 4 научно-технических отчетах.
Структура и обьем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Основная часть диссертации содержит SQ_ страниц машинописного текста, SO рисунков и 6 таблиц на <2>2- страницах. Список использованных источников содержит Ю_ страниц машинописного текста и включает /й наименований. Общий обьем работы составляет 176 страниц.
