SU942200A1

SU942200A1 - Controllable power supply source on tne base of electric machines sets with inertia accumulators

Info

Publication number: SU942200A1
Application number: SU782652088A
Authority: SU
Inventors: Юрий Иванович Самойленко
Original assignee: Ордена Ленина Институт Кибернетики Ан Усср
Priority date: 1978-07-31
Filing date: 1978-07-31
Publication date: 1982-07-07

Description

(54) УПРАВЛЯЕМЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ НА БАЗЕ(54) CONTROLLED POWER SUPPLY ON BASE

ЭЛЕКТРОМАШИННЫХ АГРЕГАТОВ С ИНЕРЦИОННЫМИELECTRIC MACHINE UNITS WITH INERTIAL

НАКОПИТЕЛЯМИDRIVERS

1one

Иэобрютение относитс к технике энергоснабжени импульсных потребителей электроэнергии, установок физичеокого эксперимента либо объектов промышленной технологии, характеризуемых преимущественно индуктивным импедансом нагрузки и необходимостью быстрого управлени током в ее uemii, таких, как термо дерные установки с магнитным удержанием плазмы, плазме - ,д ные ускорители, мощные электромагниты и т. п.Power management refers to the technique of power supplying pulsed power consumers, physical experiment facilities, or industrial technology objects characterized mainly by inductive load impedance and the need for fast current control in its uemii, such as thermo-nuclear installations with magnetic plasma confinement, plasma, accelerators, powerful electromagnets, etc.

Дл обеспечени энергией указанных и других подобных им устройств, работающих , как правило, в импульсном жиме, не редко используютс источн1пси пита НИН на базе электромашинных ре гатов с инерционными накопител ми.For providing these and other similar devices with power, which, as a rule, operate in a pulsed press, it is not uncommon to use a source of NINs based on electric machine programs with inertial storages.

Известны инерционные накопители с регулированием напр жени Known inertial drives with voltage regulation

Однако в известных вариантах быст. родействие регулировани тока в индуктивной нагрузке существенно ограничено вследствие инерционности цепи возбужд ни генератора и инерционности цепи нагрузки (посто нна времени пор дка 1 с.).However, in the known variants of fast. The effect of current control in an inductive load is significantly limited due to the inertia of the excitation circuit or the generator and the inertia of the load circuit (constant time for about 1 s.).

Некоторое улучшент е динамических характеристик управл емого электромашинного источншса питани с инерционными накопител ми достигаетс за счет введени электромеханической положительной обратной св зи посредством отбора части мощности из цепи нагрузки дл создани дополнительного крут щего момеета на валу генератора (в устано&не энергоснабжени с накопителем механической энергии, выполненным в виде маховика 1.21.Однако | в этом устройстве вз-за инерционности системы электромеханической обратной св зи нельз осуществить быстрое wsMeasaas тока в цепи нагрузки путем BOSftej CTBHH на цепи возбужде-ни генераторе или се жодвигател в контуре обратной св зи.Some improvement in the dynamic characteristics of a controlled electric power source with inertial accumulators is achieved by introducing positive electromechanical feedback by taking some of the power out of the load circuit to create additional torque on the generator shaft (not installed with mechanical energy storage, made in the form of a flywheel 1.21. However, in this device, due to the inertia of the electromechanical feedback system, it is impossible to implement Stroe wsMeasaas current in the load circuit by BOSftej CTBHH excitation circuit for audio-generator zhodvigatel se or in the feedback loop.

Таким образом, анализ рассмотренных авалс гов показывает, что с точки зрени требованвй высокого быстродействи иThus, the analysis of the considered avalsov shows that from the point of view of the requirements of high speed and

3942200439422004

большой энергоемкости наиболее приемле- ты. Последние при отсутстоии тока в мым вл етс сочетание инерционного на-обмотках статоров сивдронных го ератокопитеп и эпектрон П)го управл ющего устройства в цепи нагрузки. В этом случае знач ггельные пре 5мущества перед иоточниками с другими видами генераторов имеет источник с синхронным генератором и коммутируемой цепью нагрузки.high energy intensity most acceptable. The latter, in the absence of current in my mind, is the combination of the inertia on the windings of the stators of a Sivdronic mountain pyrotechnic and a P – e controlling device in the load circuit. In this case, the significant advantages before sources with other types of generators have a source with a synchronous generator and a switched load circuit.

Известен инерционный накопитель, который содержит некоторое число идентичных синхронных генераторов с включенными последовательно обмотками статоров и синфазно ориентированными магнит ными моментами роторов. Последние жестко св заны с .маховиками, приводимыми во вращение синхронными двигател ми , питаемыми от сети переменного тока. Обмотки подключены через регул тор тока к индуктивно-резистивной нагрузке З. Так как синхронные генераторы в этом устройстве работают в синфазном режиме, а угловые скорости их вращени 1за рабочий импульс измен ютс незначи . тепьно (обычно на величину не более 2О%), то напр жение на входе регул тор тока существенно не мен етс . Оно долж но быть примерно равно максимальному напр жению на 1агрузке . , необходимому дл соединени требуемой скорости изменени тока через нее. Следовате ьно , регул тор тока устройствапрототипа должен быть рассчитан на мак симальное напр жение и максималь ный токО| д ц,в 1агрузке. При бопьщой импульсной мощности Pмaкc aкc мallc потребл емой нагрузкой, быстродействующий регул тор тока становитс трудно осу ществимым из-за чрезмерно больщой требуемой мощности электронной аппаратуры котора должна возрастать с увеличением требовантш по. быстродействию. Цель изобретени - значительное уменьщение требуемой установленной мощности регулирующей аппаратуры при сохранении основных достоинств прототипа - больщой удельной энергоемкости рекуперации энергии при сбросе нагрузки и возможности быстрого управлени токов в нагрузке с преш ущественно индуктивным характером импеданса. Указанна цель достигаетс тем, что в качестве регул тора тока в цепи нагрузки примен етс управл емый источник напр жени , а роторы синхронных генэужторов привод тс во вращение от синхронных двигателей с махоPiiKaNfH 4ej.)e3 упрутчь-демпфирующие муфров задают начальные направлени маг нитных моментов из роторов во вращающейс системе отсчета в виде многофазной симметричной звезды, т. е. с равноотсто щими начальными фазами, дающими в сумме 2.JI . Кроме того, муфты обеспечивают возможность демпфированных крутильных колебаний магнитных моментов роторов относительно их невозмущенных направлений. Собственна частота этих колебаний , должна быть ниже частоты синхронных генераторов. На чертеже показано предлагаемое устройство. Предлагаемое устройство состоит из р да идентичных синхронных генераторов в количестве N 3 с включенными последовательно обмотками 1 статоров. Роторы 2 синхронных генераторов механически св заны через упруго-демпфирующие муфты 3 с маховиками 4, приводимыми во вращение синхронными двигател ми 5, питаемыми от сети 6 переменного тока. Обмотки 1 статоров через последовательно включенный упра&л емый источник 7 напр жени подключены к индуктивно-резистивной нагрузке 8. начальна фазировка магкитных моментов роторов 2 в виде симN -фазной звезды обеспеметричной чиваетс начальными углами установки муфт 3 на валах маховиков 4 и синхрофазкостью вращени синхронных двигателей 5, имеющих дл устранени неоднозначности их начальных фаз двухполюсные роторы и трехфазные обмотки статоров , рассчитанные на электропитание от промышленной трехфазной сети, Устройство работает следующим обраПеред включением управл емого иоточника 7 напр жени маховики 4 и роторы 2 должны быть приведены во вращение с помощью синхронных двигателей 5. Тогда, благодар выбранной начальной ориентации магнитных моментов роторов 2 в виде qиммeтpичнoй звезды и последовательному соединению обмоток 1 статора, суммарна электродвижуща , сила на нагрузке 8 равна нулю. Ток в цепи нагрузки 8 не протекает и роторы 2 не испытьшают никаких электродина1ч1ических воздействий из-за отсутстви маг- нитного пол обмоток 1 статора. При подаче управл ющего сигнала ш управл емый ис1-очник 7 напр жени последний развива т некотор то алектродвижущую силу и вызывает протека1гае тока через обмотки 1 статора и через нагрузку 8 в направпеЕ1ИИ заданном управл ющим сигналом. Возникший ток привод к периодической неравномерности вращени ротора 2 под действием знакопеременных электродинамических усилий со стороны магнитного пол обмоток 1 статора благодар тому, что упруго-демп- фируюише муфты 3 допускают крутильные колебани . Ранее было указано, что собственна частота крутильных колебаний выбираетс ниже частоты синхронного генератора , т. е. частоты периодических сил, дей- ствующих на ротор при его вращении в поле статора. Более конкретно, вращение ротора замедл етс , когда его полюсы приближаютс к одноименно намагниченным полюсам статора и ускор етс при сближении разноименных полюсов. Это приводит к тому, .что в среднем за период вращени полюсы ротора наход тс дольще вблизи одноименных им полюсов статора и меньщее врем - вблизи противоположных полюсов. Таким образом , у каждого из синхронных генераторов средний за период магнитный поток ротора направлен навстречу магнитному потоку, который создаетс током, протекающим по обмотке статора. Благодар последовательному соединению генераторов и сдвигу их начальных фаз быстропеременные составл ющие магнитных потоков через обмотки 1 взаимно компе нсируютс . За счет того, что увеличение времени полупериода, в котором полюса ротора и статора отталкиваютс , не полностьюкомпенсируетс сокращением времени полупериода , соответствующего прит жению разноименных полюсов, средн длительность всего периода вращени увеличиваетс . Таким образом,, движение роторов синхронных генераторов в срейнем тормозитс пондеромоторными силами при увеличении силы ток& в обмотках ста тора и ускор етс в обратном случае. Это означает, что при увеличении тока в цепи нагрузки энерги маховиков пе- редаетс к нагрузке. Соответственно, при уменьшении тока энерги возвращает с , от нагрузки к маховикам, ускор их вращени . Тем самым автоматически ; осуществл етс режим рекуперации энергии , часть энергии, KOHe4HCk., тер етс на активном сопротивлении цепи и поглощаетс в упруго-демпфирующих муфтах. Впрочем, при электромагнитном демпф ровании можно осуществить рекуперацию энергии. Е)лагодар первоначальной звездообразной ориентации магнитных моментов роторов переменные составл ющие магнитного потока сквозь обмотки 1 статоров взаимно компенсируютс , так что при достаточно большом числе N синхронных генераторов суммарна переменна соотавл юща потока оказываетс практически равной нулю. Посто нные же соотавл ющие магнитного потока, возникаюшие за счет колебаний роторов по фазе и направленные навстречу первичному потоку статора, суммируютс . При достаточ- но большой величине магнит(ых моментов роторов 2 втo pVIчный поток Фп по абсолютной величине оказываетс больше первичного ф , так что суммарный поток Ф направлен навстречу первичному. Это означает, что- измен ющийс магнитный поток создает электродвижущую силу, .противоположную по направлению индуктивной составл ющей падени напр жени по обмотках 1 статора. Указанна электродвижуща сила складываетс с напр жением и тхравл емого источника 7 напр жени , усилива его и привод к даль-кейшему возрастанию тока 3 в цепи в соответствии с уравнением b-f«- -if где R - суммарное активное сопротиБление цепи, - самоиндукци цепи нагрузки , Ф - суммарный поток магнитного пол сквозь обмотки 1 статоров. Отрицательный коэффициент пропорциональности между потоком Ф и током 3 в обмотках 1, имеющий отрицательную ве личину и размерность -самоиндукции, обозначают через Ц - , Тогда уравнение цепи примет вид: ( ь-Цн) Отсюда видно, что при Ц 7 U) система устойчива, так как корень характеристического уравнени в этом случае имеет вещественнуюотриаательгную величину. Основной эффект заключаетс в том, что при заданной величине требуемой скорости . нарастани тока 3 напр жение U .Ткоторое должен развивать управл емый источник 3 напр жени , может быть уменьшено без потери устойчивости системы до величины R2 падени напр жени на активном сопротивThere is a known inertial drive, which contains a number of identical synchronous generators with stator windings connected in series and phase-locked magnetic moments of rotors. The latter are rigidly connected with flywheels driven by synchronous motors powered by an AC network. The windings are connected through a current regulator to an inductive-resistive load Z. Since the synchronous generators in this device operate in the in-phase mode, and the angular speeds of their rotation, the working pulse changes slightly. warm (usually not more than 2%), then the input voltage regulator does not change significantly. It should be approximately equal to the maximum load on one load. required to connect the desired rate of change of current through it. Consequently, the current controller of the prototype device must be rated for maximum voltage and maximum current | dc, in the first load. With a high impulse power of P max of a max size consumed by the load, the fast current regulator becomes difficult to implement due to the excessively large required power of the electronic apparatus which must increase with increasing demand. speed. The purpose of the invention is to significantly reduce the required installed power of the regulating equipment while retaining the main advantages of the prototype - greater specific energy intensity of energy recovery during load shedding and the possibility of fast control of load currents with a predominantly inductive impedance pattern. This goal is achieved by using a controlled voltage source as a current regulator in the load circuit, and the rotors of synchronous generators are rotated from synchronous motors with maxi-kiNaH 4ej.) E3 elbow-damping mufrs set the initial directions of magnetic moments from rotors in a rotating frame of reference in the form of a multiphase symmetric star, i.e., with equally spaced initial phases, giving a total of 2.JI. In addition, the couplings provide the possibility of damped torsional oscillations of the magnetic moments of the rotors relative to their unperturbed directions. The natural frequency of these oscillations must be lower than the frequency of synchronous generators. The drawing shows the proposed device. The proposed device consists of a number of identical synchronous generators in the amount of N 3 with 1 stator windings connected in series. The rotors 2 of the synchronous generators are mechanically connected through the elastic-damping couplings 3 to the flywheels 4, driven by the rotation of the synchronous motors 5, fed from the AC mains 6. Stator windings 1 are connected through an sequentially controlled & ampli ﬁ ed voltage source 7 to inductive-resistive load 8. The initial phasing of the magnetic moments of the rotors 2 in the form of a syN-phase star is provided with the initial angle of installation of the couplings 3 on the flywheel 4 shafts and the synchronous phase rotation of synchronous motors 5, having to eliminate the ambiguity of their initial phases, bipolar rotors and three-phase windings of stators, designed for power supply from an industrial three-phase network, device works Next, before turning on a controlled source of voltage 7, the flywheels 4 and rotors 2 must be rotated using synchronous motors 5. Then, thanks to the chosen initial orientation of the magnetic moments of the rotors 2 in the form of a symmetric star and a series connection of the stator windings 1, the total electromotive force on load 8 is zero. The current in the load circuit 8 does not leak and the rotors 2 do not experience any electrodynamic effects due to the absence of the magnetic field of the stator windings 1. When the control signal w is applied, the controlled voltage generator 7 of the last voltage develops some electromotive force and causes the current to flow through the stator windings 1 and through the load 8 in the direction of the control signal. The resulting current leads to periodic non-uniformity of rotation of the rotor 2 under the action of alternating electrodynamic forces from the magnetic field of the stator windings 1 due to the fact that the elastic-damping coupling 3 allows for torsional oscillations. It was previously stated that the natural frequency of torsional oscillations is chosen lower than the frequency of the synchronous generator, i.e., the frequency of periodic forces acting on the rotor when it rotates in the stator field. More specifically, the rotation of the rotor slows down when its poles approach the like-magnetised poles of the stator and accelerates as the opposite poles approach. This leads to the fact that, on average, during the period of rotation, the rotor poles are longer than the stator poles of the same name and the shorter time is near the opposite poles. Thus, for each of the synchronous generators, the average for the period the magnetic flux of the rotor is directed towards the magnetic flux, which is created by the current flowing through the stator winding. Due to the sequential connection of the generators and the shift of their initial phases, the fast-varying components of the magnetic flux through the windings 1 are mutually combined. Due to the fact that the increase in half-time, in which the rotor and stator poles repel, is not fully compensated by the reduction in the half-time corresponding to the attraction of opposite poles, the average duration of the entire period of rotation increases. Thus, the movement of the rotors of the synchronous generators in the sludge is slowed down by ponderomotive forces with an increase in the strength of the current in the windings of the stator and accelerates otherwise. This means that with increasing current in the load circuit, the flywheel energy is transferred to the load. Accordingly, as the current decreases, the energy returns, from the load to the flywheels, to their acceleration. Thereby automatically; The energy recovery mode is realized, a part of the energy, KOHe4HCk., is lost on the active resistance of the circuit and is absorbed in the elastic-damping couplings. However, with electromagnetic damping, energy can be recovered. E) the initial star-like orientation of the magnetic moments of the rotors, the variable components of the magnetic flux through the windings 1 of the stators are mutually compensated, so that with a sufficiently large number of N synchronous generators, the total variable is the corresponding flux almost equal to zero. The constant corresponding magnetic flux arising due to the oscillations of the rotors in phase and directed towards the primary flux of the stator are summed. When a magnet is sufficiently large (the rotor moments of the rotors 2, the pVI flux Fp in absolute value turns out to be greater than the primary φ, so that the total flux F is directed toward the primary. This means that a varying magnetic flux creates an electromotive force opposite to its direction inductive component of the voltage drop across the stator windings 1. This electromotive force is added to the voltage of the source 7 and the voltage source 7, amplifying it and causing a further increase in the current 3 in the circuit according to according to the equation bf «- -if where R is the total active resistance of the circuit, is the self-induction of the load circuit, Ф is the total flux of the magnetic field through the stator windings 1. The negative proportionality factor between the flux F and the current 3 in the windings 1 has a negative magnitude and the dimension of the self-induction is denoted by C -, Then the circuit equation takes the form: (l-Cn) This shows that at C 7 U) the system is stable, since the root of the characteristic equation in this case has a real triple value. The main effect is that at a given value of the required speed. the increase in current 3, voltage U. That which must develop a controlled source 3, can be reduced without losing the stability of the system to a value R2 of the voltage on the active resistance

Claims

Claim

A controlled power source based on electric machine units with inertial drives, containing a current regulator and synchronous generators connected in series with an inductive-resistive load, mechanically connected to a voltage source.