импульсное возбуждение электрической машины

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
УДК 621.3.015.3
ИМПУЛЬСНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
Чашко М.В.
Донецкий национальный технический университет
Введение. Работа посвящена способу возбуждеобмотку возбуждения, обладающую индуктивнония электрической машины постоянного тока.
стью LВ и сопротивлением RВ, в которой суммируАктуальность работы обусловлена возможноются заряды, переданные от конденсатора.
стью 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).
Рисунок 1 - Схема импульсного управления
Этот способ создания МДС обусловливает необтоком возбуждения
ходимость изолировать витки, изоляция составляет
от 50 до 70% сечения обмотки (коэффициент заполУстройство работает следующим образом. Для
нения паза проводником 0,3  0,5). Сечение обмотки
создания магнитного потока возбуждения электриопределяет диаметр машины и, следовательно, ее
ческий конденсатор С соединяют с источником пиразмер и материалоемкость.
тания Е ключом К1, ключ К2 замкнут. От источника
При нарушении изоляции между витками происЕ проходит ток, заряжающий конденсатор С по цепи
ходит отказ, так что ее наличие снижает надежность
Е– RИ – LИ – К1– С– Е. Когда конденсатор зарядится
машины.
и ток источника питания станет равным нулю, ключ
Современная элементная база электротехники
К1 отсоединяет конденсатор С от источника и подпозволяет создать МДС одним витком.
ключает его к обмотке возбуждения. Одновременно
При одновитковой обмотке отсутствует межвитразмыкается К2, ток возбуждения проходит по цепи
ковая изоляция, что снимает связанные с ней проС – К1 – LВ – RВ – С. Этот ток разряжает конденсаблемы – позволяет уменьшить размер и материалотор, так что напряжение на нем снижается, а ток
емкость машины, повысить ее надежность, упраздвозбуждения увеличивается. В момент, когда
нить нетехнологичный процесс изготовления мнонапряжение на конденсаторе станет равным нулю,
говитковой обмотки.
ключ К1 отсоединяет его от обмотки возбуждения.
Цель работы – представить способ создания заОдновременно замыкается К2, ток возбуждения
данной МДС одновитковой обмоткой электромехапроходит по цепи К2 – LВ – RВ – К2.
нического преобразователя.
При необходимости максимального возбуждения
Материал и результаты исследований.
К1 подключает конденсатор С к источнику сразу поЦель достигается за счет того, что источник писле отключения от обмотки возбуждения LВ – R.
тания возбуждения сначала подключают к электриПри необходимости обеспечить возбуждение,
ческому конденсатору, после заряда конденсатора
меньшее максимального, ключ К1 подключает контоком от источника питания конденсатор подклюденсатор С к источнику энергии Е через промежучают к обмотке возбуждения. После разряда конток времени после отключения его от обмотки возденсатора до нуля током возбуждения конденсатор
буждения.
отключают от обмотки, а обмотку шунтируют. ПроУказанная последовательность операций периоцесс повторяют с периодом, который зависит от недически повторяется, причем максимальному току
обходимого тока возбуждения.
возбуждения соответствует минимальный период,
Указанный способ реализуется устройством,
равный сумме промежутков времени на заряд и на
приведенным на рис. 1.
разряд конденсатора, а для получения тока возбужУстройство содержит источник питания возбуждения, меньшего максимального, период увеличидения Е, обладающий индуктивностью LИ и сопровают за счет промежутка времени между отключетивлением RИ, полупроводниковый ключ К1, котонием конденсатора от обмотки возбуждения и подрый попеременно соединяет конденсатор с источниключения его к источнику.
ком питания и обмоткой возбуждения, электричеПри таком способе обеспечить необходимый
ский конденсатор С, в котором заряды от источника
магнитный поток может обмотка, состоящая из одЕ накапливаются и передаются в обмотку возбужного витка. Этот виток имеет сечение, равное сумдения, полупроводниковый ключ К2, который сомарному сечению проводников витков традиционединяет начало и конец обмотки возбуждения, когда
ной обмотки. По этому витку проходит ток, равный
конденсатор С ключом К1 отсоединен от обмотки,
Вісник КДПУ. Випуск 3/2006 (38). Частина 2
43
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
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]:

i CPВ  U C
Коэффициент пульсаций:
.
R T
i
kП 
 B .
2i СР
2L B
В функции напряжения источника МДС:
(9)
2C
.
(10)
R BT
Как известно, при традиционном способе создания МДС:
Ew B
,
(11)
F  IBw B 
RB
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:
i CPВ
T

.
(12)
i CPИ
2R B C
(1)
U C  E(1  e
),
где Е - напряжение источника; RИ - сопротивление
источника; И - волновое сопротивление цепи источник – конденсатор:
И  LИ / С ,
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:
Для традиционной многовитковой обмотки это
отношение, как известно, равно количеству витков
обмотки возбуждения:
IИ w B
 wB .
IИ
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:
R B TC U C
Е
(13)
i 

2R B TC ,
2
LB LB
с коэффициентом, представленным формулой (9).
Описанный способ получения МДС был проверен моделированием в программном пакете MatlabSimulink [2].
На рис. 2 показана модель устройства, реализующего описанный способ.
R И
E  4И
.
(2)
i mЗ 
e
И
Среднее за период Т значение тока источника:
1
2ЕС
.
(3)
i CPИ   i mЗ sin И tdt 
t
T З
Т
Энергия, запасенная в конденсаторе:
1
2
WC  CU C
.
(4)
2
За время разряда конденсатора на обмотку возбуждения энергия магнитного поля увеличится на:
1
WL  L B (i 2tP  i 02 )  L Bi CPВ i ,
(5)
2
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; Δi –
разница между максимальным и минимальным значениями тока возбуждения.
Так как вся энергия электрического поля конденсатора преобразуется в энергию магнитного поля
возбуждения:
(6)
WL  WC .
В течение периода энергия магнитного поля рассеивается на активном сопротивлении обмотки, количество этой энергии:
WR 
Из равенства энергий:
WL  WC  WR ,
cледует:
(8)
i CPВ  Е
R И
2И
2
R Bi CP
Т.
C
.
2R B T
Рисунок 2 - Модель импульсного управления током
возбуждения
(7)
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
Вісник КДПУ. Випуск 3/2006 (38). Частина 2
44
К1
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
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.
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.
СанктПетербург. КОРОНА принт, 2001. – 315 с.
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
Стаття надійшла 15.04.2006р.
Рекомендовано до друку
д.т.н., проф. Родькіним Д.Й.
Вісник КДПУ. Випуск 3/2006 (38). Частина 2
45