Ботвинник М.М., Шакарян Ю.Г.
Управляемая машина переменного тока
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА»
МОСКВА
1969
М. М. Ботвинник и Ю. Г. Шакарян. Управляемая машина переменного тока. Изд-во «Наука», 1969 г.
В данной монографии рассмотрена теория машины переменного тока с симметричными в магнитном и электрическом отношениях статором и ротором, а также некоторые стороны практического исполнения этой машины. Показано, что свойства такой машины полностью зависят от напряжений управления, являющихся частью напряжений, приложенных к машине. С точки зрения рассмотренной теории все машины переменного тока являются управляемыми, полностью или частично. Показана перспективность внедрения управляемых машин в энергетическое хозяйство. Монография рассчитана на научных работников и инженеров, преподавателей и студентов, специализирующихся по электрическим машинам переменного тока и автоматическому управлению. Таблиц 1. Иллюстраций 38. Библ. 33. назв.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящей монографии отражена информация, накопленная за последние годы об управляемой машине переменного тока, информация в основном о работе одиночной машины на мощную сеть.
Сейчас исследуются более сложные случаи, например параллельная работа асинхронизированных машин, параллельная работа асинхронизированных и синхронных машин, включение асинхронизированного компенсатора в начале линии передачи энергии от удаленной станции с синхронными генераторами в мощную сеть, каскад асинхронизированного генератора и асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и т. д. Результаты этих работ пока таковы, что они не могли быть освещены в монографии.
При работе машины на мощную сеть наименее разработанными остаются вопросы, связанные с динамическими режимами управляемой машины. Сейчас проводятся расчеты на ЦВМ, соответствующие различным частным случаям — объяснение и обобщение результатов этих расчетов только начинается.
Наконец, вопросы аппаратного исполнения элементов системы управления в данной монографии освещены бегло, что объясняется, с одной стороны, тем, что работы в этой области были начаты лишь недавно и только что были получены удовлетворительные результаты, а с другой, тем, что сейчас продолжается поиск новых решений. Только после получения надежных результатов по исполнению системы управления есть смысл публиковать их подробно.
Следует особо отметить необходимость исследований по управляемой машине при питании ее от однофазной сети. Хотя технико-экономические достоинства машины в этом случае неизбежно будут ниже, чем в случае питания от трехфазной сети, перспектива создания электровоза, полностью работающего на переменном токе (электротяга в СССР выполнена на однофазном токе), определяет интерес к этой проблеме.
Вероятно, многим специалистам некоторые методы, применяемые в монографии, а также терминология и определения покажутся необычными. Но все это логически вытекает из математической теории, описывающей процессы, которые протекают в управляемой машине переменного тока. Студенты, по мнению авторов, легко должны понять эту теорию, которая содержит достаточно стройное изложение общих вопросов, относящихся ко всем типам машин переменного тока.
В данной работе авторы не касались вопросов, связанных с выводом системы уравнений. Была использована система уравнений, хорошо известная в литературе под названием системы уравнений Парка — Горева. Читатель может заметить, что форма записи уравнений была приспособлена к Машине с симметричными статором и ротором, уравнения записаны в комплексной форме.
Работа над монографией проводилась несколько лет параллельно с теоретическими и практическими работами по управляемой машине. Читателю судить, насколько монография удалась авторам.
В некоторых главах в различной степени были использованы работы сотрудников лаборатории асинхронизированных синхронных машин ВНЙИЭ, а именно: в гл. II и III — работы Н. Н. Блоцкого; в гл. V — Н. Н. Блоцкого и Т. В. Плотниковой; в гл. VI —М. С. Фези-Жилинской; в гл. VII —И. Я. Довганюка, В. К. Стрюцкова и Б. П. Климова; в гл. VIII —Н. Н. Блоцкого, П. А. Кяляна, Р. Г. Мкртчяна. В гл. VI также были использованы работы 3. К. Сазоновой. Существенную помощь в подготовке рукописи оказал А. Г. Мурзаков.
Монография была обсуждена на семинаре лаборатории под руководством Л. Г. Мамиконянца.
Авторы благодарны Г. Н. Петрову и В. А. Веникову за ценные замечания.
Сделал множество критических замечаний и давал важные советы благодарным авторам наш редактор И. В. Антик.
Авторы
ВВЕДЕНИЕ
Начало истории машины переменного тока относится к 1888 г., когда М. О. Доливо-Добровольский создал трехфазный асинхронный двигатель; синхронная машина появилась несколько позже.
В асинхронной машине обмотка ротора замкнута накоротко или на сопротивление, в синхронной — к кольцам ротора подводится постоянное напряжение. В пользу асинхронной машины говорят ее простота и возможность в некоторых пределах регулировать скорость вращения; однако, регулирование реактивной мощности исключается, a cos ф является отстающим. Синхронная машина не допускает регулирования скорости, но cos ф может меняться в широких пределах, в зависимости от требований эксплуатации.
Можно добавить, что оба типа машин переменного тока, хотя они и нашли широчайшее применение в энергохозяйстве, не могут быть применимы во всех случаях — именно этим и объясняется живучесть маи!ины постоянного тока. Вообще говоря, к машине переменного тока можно предъявить четыре основных требования: 1) высокое значение к. п. д., 2) возможность регулирования реактивной мощности, 3) возможность регулирования скорости и 4) возможность регулирования характера переходного процесса. Ни асинхронная, ни синхронная машина не отвечает полному комплексу этих требований.
В 20- и 30-х годах нашего столетия были сделаны попытки улучшить характеристики машины переменного тока. Немецкие инженеры Зейц, Осанна и др. [13, 14, 30] опубликовали ряд работ по так называемым коллекторным каскадам. Было показано, что если в цепь трехфазной обмотки ротора ввести э. д. с. частоты скольжения ротора, то возможно регулирование и скорости и реактивной мощности. Такие системы машин были названы коллекторными каскадами. Они более соответствовали четырем упомянутым требованиям, чем асинхронная и синхронная машины. В этих каскадах напряжение на кольцах ротора (функция регулирования) формировалось с помощью коллекторных машин. Несмотря на ограниченные средства, применявшиеся в системе управления, были предложены не лишенные остроумия схемы, но в целом найденные решения относились лишь к установившемуся режиму, а применение для управления сложных коллекторных машин ограничило распространение этих каскадов.
Следует все же отметить выдающуюся идею, предложенную Зейцем,— компенсацию электромагнитной инерционности ,цепи ротора (э. д. с. самоиндукции и э. д. с, наведенной в роторе токами статора). Если введено напряжение компенсации, то на кольца ротора можно подать напряжение (закон) управления, являющееся произвольной функцией любой переменной; ток ротора при этом будет безынерционно следовать за изменениями этой произвольной функции. В этом и заключается содержание принципа Зейца.
После работ немецких инженеров наступил длительный перерыв в исследованиях. Работы возобновились лишь в 50-е годы, чему способствовал ряд факторов.
В 1928 г. Парк [1] дал систему уравнений, описывающую переходные процессы в машине переменного тока; Горев [2] более строго доказал, для какой идеализированной машины данная система уравнений справедлива. После опубликования этих работ появилась серия исследований, посвященная теории регулирования возбуждения синхронной машины, что способствовало накоплению необходимого ойыта. Однако практическое решение проблемы, поставленной Зейцем, оказалось возможным лишь на современной технической основе.
Всякая система автоматического управления призвана выполнять три функции: 1) получение информации, 2) переработку информации или принятие решения и 3) исполнение решения. Необязательно, чтобы эти функции четко разделялись между отдельными частями системы управления, но, если мы обратимся к системе управления машины переменного тока, все же можно говорить о наличии датчиков первичной информации, собственно регулятора (управляющего органа), где отрабатывается решение, и исполнительного органа (силового элемента).
Принцип Зейца может быть легко реализован лишь в том случае, если вся система будет безынерционна. Действительно, какой смысл компенсировать электромагнитную инерционность цепи ротора, если в систему управления будет внесена иная инерционность? Таким образом, и датчики, и регулятор, и исполнительный орган должны быть практически безынерционными. Современная техника позволяет решить эту задачу, которую ранее не имели возможности решить немецкие электротехники.
В данной монографии исследуется управляемая машина переменного тока. Будет рассмотрена машина с симметричными в мягнитном и электрическом отношениях статором и ротором.
Для четкости задачи надлежит дать определение управляемой машины. Это можно сделать различными по форме, но одинаковыми по содержанию способами.
Будем называть управляемой (полностью) такую машину, у которой на напряжения управления, являющиеся составляющими напряжений, приложенных к статору и ротору, не наложены какие-либо ограничения (подробнее см. в гл. IV).
Вообще говоря, для решения широкого класса задач достаточно изменять лишь напряжение на кольцах ротора. При этом в большинстве случаев, рассматриваемых в настоящей книге, можно пренебречь переходными процессами в цепи статора и считать напряжение на зажимах статора нерегулируемым.
Если вводить на кольца ротора одновременно напряжение компенсации и напряжение управления, то ток ротора будет определяться исключительно напряжением управления (см. гл. IV). Тогда можно заданным способом (в функции напряжения управления) изменять электромагнитный момент машины и, следовательно, скорость вращения ротора. Такая машина также является управляемой.
Если же, например, напряжение на кольцах ротора (функция регулирования) не содержит напряжения компенсации, то простой зависимости между напряжением управления и током ротора уже нет. Здесь действие заданного закона управления искажается, так как переходные процессы в роторе не компенсируются. Однако можно воспользоваться следующим приемом — считать, что напряжение компенсации есть, но при этом э. д. с. самоиндукции и э. д. с, наведенную в роторе токами статора (составляющие компенсируемого напряжения), нужно включить в напряжение управления. Это означает, что напряжение управления искажается, на него накладывается определенное ограничение. Вообще говоря, на напряжение управления могут быть наложены различные ограничения. Такую машину будем называть частично управляемой. Следовательно, будем считать, что напряжение, приложенное к обмоткам ротора (функция регулирования), всегда содержит напряжение компенсации и напряжение управления и, если на напряжение управления накладываются какие-либо ограничения, машина будет частично управляема, а если ограничений нет, то — полностью управляема.
С этой точки зрения коллекторные каскады, вентильные каскады и прочие могут рассматриваться как частично управляемые машины переменного тока.
Скачать книгу "Управляемая машина переменного тока". Москва, Издательство Наука, 1969
|
