2.2 Генератор – қозғалтқыш жүйесі негізіндегі электр жетегі

Генератор - қозғалтқыш (Г - Қ) жүйесі тұйықталмаған, яғни кіріс және шығыс мәндері бір-бірімен байланыспаған басқару жүйесінің классикалық мысалы болып табылады. Басқарылатын қуат күшейткіші (ҚК) ретінде шығысында ТТҚ (Қ) қосылған тұрақты ток генераторы (Г) қолданылады.

Генератор - қозғалтқыш жүйесіндегі машинаның қосылу сұлбасы 2.11 - суретте көрсетілген.

2.7 – сурет. Генератор - қозғалтқыш жүйесінің блоктық сұлбасы

2.7 - суреттегі белгілеулер:

X_кір, X_шығ - кіріс және шығыс шамалары;

U_LM – генератордың қоздыру орамасындағы кернеуі;

_қ – қозғалтқыштың айналу жылдамдығы.

Г - Қ жүйесі өнеркәсіпте оның жақсы реттеу қасиеттері арқасында – генератордың (қозғалтқыштың) якорь кернеуін және қозғалтқыштың қоздыру тогын басқарумен кең тарады. Жүйенің ықшамдалған принциптік сұлбасы 2.8 - суретте келтірілген.

2.8 – сурет. Генератор - қозғалтқыш жүйесі

М1 – генератор - қозғалтқыш жүйесіндегі генераторды қозғалысқа келтіретін қозғалтқыш.

М2 – генератор.

М3 – тәуелсіз қоздырылатын қозғалтқыш.

LM2 – генератордың қоздыру орамасы.

М4 – қоздырушы (өзі қозатын машина).

LM3 – қозғалтқыштың қоздыру орамасы.

R1, R2 – реттелетін кедергілер.

S₁ – кері ауыстырып-қосқыш (генератордың қоздыру орамасындағы тогын кері ағызу үшін).

Реттелетін қуат көзі ретінде М2 генераторы қолданылады. М3 қозғалтқышындағы кернеуді реттеуге болады. Жылдамдықты реттеу ауқымдары келесі факторлармен шектеледі:

а) генератордың аз қоздыру токтарында оның якорь реакциясы әсер береді;

б) щеткалардағы кернеу төмендеуі 2 В шамасын құрайды;

в) реттеу ауқымының төменгі шегінде жылдамдық төмендеуі өседі.

Сондықтан, якорь тізбегі бойынша жылдамдықты реттеу ауқымы 15: 1 - 20: 1 шамасын құрайды. Қозғалтқыштың өрісін 2: 1 ауқымында азайтуды есепке алсақ, жалпы реттеу ауқымы 30: 1 - 40: 1 шамаларын құрайды.

Бұл жүйенің кемшілігі – қозғалтқыштың қуатынан үш есе көп қойылған жүйенің жалпы қуаты. Асқан кемшілігі болатын генератор айналмалы түрлендіргіш болып жұмыс істейді, бұл оның төмен сенімділігінің және тұрып қалмай жұмыс істеу мүмкіндігінің шектелуін анықтайды.

Іске қосқандағы қозғалтқыштың якорь тогының секіруі оның аса жүктемелік икемділігін есепке алып рұқсат етілген мәнін I_н құрау керек, мұнда I_н – қозғалтқыштың нақты тогы. Іске қосқанда қозғалтқыштың якорь тогын шектеу үшін R1 толық қосылған (R2 сырғымасы жоғарғы қалыпта), ал R2 толық ажыратылған (R2 сырғымасы төменгі қалыпта). R1 кедергісін ептеп азайтқанда (R1 сырғымасын төменге жылжытқанда), генератор кернеуі U_Г өсе бастайды, яғни қозғалтқыштың кернеуі U_қ өседі, ол қозғалтқыштың айналуына әкеледі.

Генератордың қоздыру орамасының тогын өзгерту арқылы генератор кернеуін U_Г (U_Г1, U_Г2, U_Г3) басқарумен қозғалтқышты нақты жылдамдығына _Н дейін айналдыруды қарастырайық. Сипаттамалар қозғалтқыш ағынының нақты мәні Ф_НҚ үшін көрсетілген. I₂ – I_Н бөлігі Г - Қ жүйесінің динамикалық иін күшін және қозғалтқыштың келесі жүріп кетуіне икемділігін сипаттайды.

Қозғалтқыштың жылдамдығын генератордың кернеуімен реттеу қозғалтқыштың иін күші тұрақты кезде реттеу болып табылады. Қозғалтқыштың иін күші

, (2.21)

мұнда К – машинаның конструктивті тұрақтысы;

Ф_Қ – қозғалтқыш ағыны;

I_Я – қозғалтқыш тогы.

Реттеудің барлық ауқымында машина нақты токпен I_Н жұмыс істей алатынын атап өту қажет.

Қозғалтқыштың жылдамдығын ағынды Ф_Қ азайтумен реттеу қуат тұрақты кезінде реттеу болып табылады, сонда иін күш азаяды, ал қозғалтқыш жылдамдығы ағынның Ф_Қ азаюына кері пропорционал өседі. Қуат келесі формуламен анықталатын болса,

(2.22)

онда, жылдамдықты ағынын азайтумен реттеу қуат тұрақты кезіндегі реттеу болады. Якорь кернеуі мен ағынын азайту арқылы реттеу екі аймақтық реттеу деп аталады. Генератор кернеуінің полюстері ауысқанда сипаттамалар абсцисса осінен төмен орналасады. Кернеудің U_Г полюстерін өзгертумен қозғалтқышты кері айналдыруға болады, оның сипаттамалары III–IV квадранттарда орналасады.

Қозғалтқыштың механикалық сипаттамалары 2.10 - суретте көрсетілген. U_ГН-Ф_Қ1; U_ГН – Ф_Қ2 сипаттамалары генератордың кернеуі тұрақты кезде қозғалтқыштың өрісін азайту режиміне сәйкес келеді. U_ГН – Ф_Қ.Н; U_Г1 – Ф_Қ.Н; U_Г2 – Ф_Қ.Н сипаттамалары қозғалтқыш ағыны тұрақты кезде генератордың кернеуін реттеуге сәйкес келеді.

2.9 – сурет. Г - Қ жүйесінің іске қосу диаграммасы

U_Г=0 деп белгіленген сипаттама генератордың якорь тізбегінің кедергісі түріндегі тежеу кедергісіне қозғалтқыштың якорь тізбегін тұйықтау динамикалық тежеу режиміне сәйкес келеді. 2.17 - суреттегі III–IV квадранттардағы сипаттамалар жоғарыдағы сипаттамаларға ұқсас және қозғалтқыш айналуының кері бағытына сәйкес. Рекуперативті тежеу – тежеудің негізгі түрі болады.

2.10 – сурет. Екі аймақтық басқару кезіндегі генератор-қозғалтқыш жүйесінің механикалық сипаттамалары

Рекуперативті энергияны желіге асинхронды қозғалтқыш М1 ғана бере алады. Рекуперация режимінде М3 машинасы генератор болып істейді. Генератор болып жұмыс істейтін және энергияны желіге беретін М1 машинасын М2 қозғалтқышы айналдырады. Егер жетек 1-ші нүктеде жұмыс істесе, (2.10 - сурет) генератор кернеуін (U_Г=0) нолге дейін түсіруге болмайды, өйткені ток I_Н мәнінен асып түседі. (тежеу траекториясы II-квадрантта үзік сызықпен көрсетілген). Сондықтан тежеудің бірінші қадамымен қозғалтқыштың ағынын Ф_Қ2 мәнінен Ф_Қ1 мәніне дейін өсіруге болады және жетек жылдамдығы 1-ші нүктеден 2-ші нүктеге дейін төмендейді. 2-ші нүктеде қозғалтқыш ағынын Ф_Қ1 мәнінен Ф_Қ.Н нақты мәніне дейін өсіру керек.

Рекуперация режимінде жұмыс істеп тұрып, қозғалтқыш айналу жылдамдығын 2-ші нүктеден 3-ші нүктеге дейін азайтады. Келесі қадам якорь тогы I_Н мәнінен асып түспеу үшін генератор кернеуін U_Г мәніне дейін азайтады. Генератордың кернеуі U_ГН мәнінен U_Г1 мәніне дейін төмендеген кезде жетектің жылдамдығы 3-ші нүктеден 4-ші нүктеге дейін төмендейді. Жетек II квадрантта жұмыс істеп тұрғанда рекуперативті тежеу режимі орын алады. Генератордың кернеуі U_Г1 мәнінен U_Г2 мәніне дейін азайғанда жетектің жылдамдығы 4-ші нүктеден 5-ші нүктеге дейін төмендейді. Ары қарай тежеу жоғарыдағыға ұқсас орындалады. Яғни, екі аймақтық басқаруда тежеу екі қадам бойынша орындалады: қозғалтқыштың өрісі күшею және генератордың U_Г кернеуі төмендеу керек, оның әрқайсысында тежеу тогының секіруі I_Н мәнінен аспауы қажет.

Шексіз үлкен қуатты желіден қоректенетін тәуелсіз қоздырылатын ТТҚ – ның электр механикалық және механикалық сипаттамаларының теңдеулеріне ұқсас, Г - Қ жүйесіндегі қозғалтқыштың электр механикалық және механикалық сипаттамаларының теңдеуі былай жазылады

, (2.23)

, (2.24)

мұнда Е_Г – генератордың э.қ.к – сі;

I_Я – якорь тогы;

R_ЯТ – генератор - қозғалтқыш жүйесі якорь тізбегінің кедергісі;

К – қозғалтқыштың конструктивті коэффициенті;

Ф_С – қозғалтқыш ағыны;

М – қозғалтқыш иін күші;

₀ – бос жүріс жылдамдығы;

_С – жүктеме бар кездегі жылдамдықтың статикалық төмендеуі.

Генератор э.қ.к – сі келесі формула бойынша анықталады

,

мұнда Ф_Г - генератор ағыны;

_Г – генератордың айналу жиілігі;

K – генератордың конструктивті тұрақтысы.

Г - Қ жүйесі якорь тізбегінің кедергісі R_ЯТ қозғалтқыштың якорь тізбегі кедергісі R_ЯТ.Қ мен генератордың якорь тізбегі кедергісімен R_ЯТ.Г анықталады

. (2.25)

Генератордың якорь тізбегі R_ЯТ.Г кедергісі генератордың якорь кедергісімен R_Я.Г, генератордың қосымша полюстері кедергісімен R_Г.ҚП және генератордың якорінің компенсациялау орамасының кедергісімен R_КО.Г анықталады.

R_ЯТ.Г=R_Я.Г+R_Г.ҚП+R_КО.Г . (2.26)

Жалпы жағдайда, генератор - қозғалтқыш жүйесінің якорь тізбегіндегі сымдардың кедергісін есепке алу керек. Генератор - қозғалтқыш жүйесінің механикалық сипаттамасының қатаңдығын шексіз үлкен қуатты қондырғыдан қорек алатын бөлек қозғалтқыштың механикалық сипаттамасының қатаңдығымен салыстырғанда, Г - Қ жүйесіндегі механикалық сипаттамаларында кедергілер R_ЯТ > R_ЯТ.Қ болу есебінен неғұрлым жұмсақ келеді.

М3 қозғалтқышының якорь тогы өскенде М1 асинхронды қозғалтқышы механикалық сипаттаманың теңдеуіне сәйкес өзінің жылдамдығын төмендетеді. М2 генераторы _Г жиілігімен айналады (бір білікте), М2 генераторы _Г мәнінің өзгеруіне сәйкес өзінің э.қ.к – сін Е_Г төмендетеді.

Егер айналдырушы қозғалтқыш ретінде асинхронды машина М1 орнына синхронды қозғалтқыш қойсақ, онда механикалық сипаттамалардың қатаңдығы өседі, өйткені жүктемесі бар синхронды қозғалтқыш синхронизмнен шықпаса, синхронды жылдамдықпен айналады.

Генератор мен қозғалтқыштың қоздыру орамасы тізбегіндегі R1 және R2 реттеу кедергілерінің қуатын анықтайық (2.15 - сурет). М2 генераторының қуаты Р=1000 кВт – қа тең, қоздыру орамасының қуаты орташа генератор қуатының 5% - ын құрайды, яғни 50 кВт болады. Қуатты Г - Қ жүйелерінде R1 және R2 кедергілері едәуір үлкен болғандықтан, оларды қолмен басқару қиын болады. Бұл жағдайда машиналардың қоздыру тізбектері де Г - Қ жүйесімен басқарылады. Жүйе мұндай жағдайларда квадратты (кубты) Г - Қ жүйесі деп аталады.

Қоздырушы агрегаттарды басқару оның басқару қуатын 2,5 кВт – қа дейін азайту есебінен мүмкін болады (50 кВт – тың 5% - ы). Бұл жүйеде басқару қоздырушы агрегаттарға ауыстырылған: М5 – М2 генераторының қоздырушысы, М6 – М3 қозғалтқышының қоздырушысы. М7 – М5 және М6 қоздырушы агрегаттардың айналдырушы қозғалтқышы.

2.11 – сурет. Г - Қ квадраттық жүйесі

2.11 - суретте LM5 и LM6 қоздыру орамалары М5 генераторы мен М6 қозғалтқыш қоздырушысының қоздыру орамалары болады. М5 және М6 қоздырушылары ортақ білікпен байланысқан және М7 асинхронды машинасымен айналдырылады. М3 қозғалтқышының кері айналуы S1 ауыстырып-қосқышымен орындалады. Г - Қ – ның қарапайым жүйесімен салыстырғанда, квадраттық жүйеде жоғары реттік дифференциалды теңдеулер бар, яғни олар үлкен инерцияға ие болады.