книги из ГПНТБ / Морозовский В.Т. Системы электроснабжения летательных аппаратов

короткого замыкания момент времени, при котором ток корот­ кого замыкания генератора становится максимальным, прибли­ зительно один и тот же (см. рис. 13. 5). Это позволяет построить стационарную вольт-амперную характеристику генератора для этого, наиболее интересного, момента времени. Эксперименталь­ но переходная вольт-амперная характеристика генератора может быть построена так. Осуществляются режимы короткого замы­ кания при различных сопротивлениях RK. Для каждого из них известны максимальное значение , тока короткого замыкания іа max и напряжение на генераторе, равное UK= iBmaxRK. Нанося эти точки на координатную плоскость UK— гятах, можно постро­ ить искомую переходную вольт-амперную характеристику корот­ кого замыкания.

Экспериментальные исследования авиационных генераторов постоянного тока мощностью 9, 12 и 18 кВт показали, что в отно­ сительных единицах их переходные вольт-амперные характери­ стики почти совпадают и могут быть аппроксимированы линей­ ной характеристикой. Так, например, на рис. 13. 10 приведены экспериментальные точки, полученные для авиационных генера­ торов различной мощности при п=4000 1/мин и номинальная предварительная нагрузка генераторов. В этих же координатах приведена спрямленная вольт-амперная характеристика. При расчетах токов короткого замыкания обычно исходят из самого неблагоприятного случая, когда ток короткого замыкания полу­ чается наибольшим. Таким случаем является короткое замыка­ ние предварительно нагруженного номинальным током генера­ тора при наименьшей частоте вращения (я = 4000 1/мин).

Эквивалентная расчетная э. д. с. генератора для этого случая равна ег* = 1,29, а внутреннее сопротивление дг* = 0,258. Анало­ гичным образом определяются эквивалентные (расчетные) э. д. с. и для режимов установившегося короткого замыкания.

На рис. 13. 11 приведены установившиеся вольт-амперные ха­ рактеристики (внешние характеристики) авиационных генерато­ ров постоянного тока, мощностью 9, 12 и 18 кВт при п = = 9000 1/мин в относительных единицах. Как видно, эти харак­ теристики почти совпадают. Эти характеристики аппроксимиру­ ются двумя прямыми. Первая прямая параллельна оси абсцисс (ы=1) и соответствует режиму номинального возбуждения. Для нее ег* = 1, дг* = 0. Вторая прямая имеет отрицательный наклон и характеризуется отрицательными э. д. с. и внутренним сопро­ тивлением (ег* = —0,81, рг* = —0,62). Этот результат несколько необычен. Однако при расчетах токов короткого замыкания все токи получаются положительными, так как в режиме предель­ ного возбуждения сопротивление короткого замыкания QK по модулю всегда меньше эквивалентного внутреннего сопротивле­ ния генератора

QK < 0 ,6 2 .

В противном случае переходим в режим номинального возбуж­ дения.

В подавляющем большинстве случаев авиационные генерато­ ры работают совместно с аккумуляторными батареями.

На рис. 13.12 приведены вольт-амперные характеристики ак­ кумуляторных батарей в именованных единицах.

Одни характеристики сняты для момента времени, непосред­ ственно следующего за коротким замыканием, другие характери­ стики для моментов через 5 мс (для свинцовой аккумуляторной

батареи емкостью 28 = А-ч) и 40 мс (кривая 3). Первые харак­ теристики можно принять в качестве переходных вольт-амперных характеристик, характеристику 3 в качестве установившейся. Для аккумуляторной батареи емкостью 28 А-ч, расчетная э. д. с. как для переходного, так и для установившегося режимов равна Д* = 25,2 В, внутреннее сопротивление для переходного режима

При расчетах токов короткого замыкания именованные ве­ личины э. д. с. и внутреннего сопротивления аккумуляторных батарей следует перевести в относительные единицы в соответ­ ствии с используемыми при расчете базисными величинами.

Сопротивления всех участков системы передачи и сети в цепи короткого замыкания также представляют в относительных еди­ ницах.

Целесообразно при расчете использовать метод эквивалент­ ного генератора, определив его э. д. с. и проводимость по фор­ мулам

292

V,B

Рис. 13. 12. Вольт-амперные характеристики некоторых акку­ муляторных батарей

293

Сопротивление цепи короткого замыкания от ЦРУ до точки короткого замыкания определяется обычными электротехниче­ скими способами. При этом пользуются методами преобразова­ ния схем треугольника сопротивлений в звезду и обратно и др.

Ток короткого замыкания

І= — т — .

аабсолютное значение переходного тока

^пер= ^б/і

где /б — базисный ток.

Величина /пер дает представление о максимальных значениях токов, которые должны разрывать исполнительные элементы им­ пульсной защиты, и тех токов, которые обусловливают макси­ мальные динамические удары.

13. 4.' АВАРИЙНЫЕ РЕЖИМЫ В СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА,

СВЯЗАННЫЕ С О ТКАЗОМ РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

При совместной работе генератора постоянного тока с регу­ лятором напряжения возможны режимы автоколебаний напря­ жения, недопустимые повышения и понижения напряжения в се­ ти. Здесь рассматриваются только режимы, связанные с недо­ пустимым повышением напряже­ ния в сети, представляющие боль­ шую опасность для потребите­ лей. При этом определяются ус­ тановившиеся значения напря­

жений.

При использовании угольных регуляторов напряжения причи­ нами недопустимого повышения напряжения в сети являются раз­ рыв цепи рабочей обмотки элек­ тромагнита регулятора напряже­ ния или спекание шайб угольного столба. Величина установивше­ гося напряжения в сети в резуль­ тате перечисленных выше при­

чин и при отсутствии защиты зависит от частоты вращения гене­ ратора и сопротивления нагрузки.

Повышение напряжения в сети обусловлено значительным током возбуждения генератора. При этих режимах ток возбуж­ дения достигает максимального значения. При достаточно боль­ шой величине проводимости нагрузки происходит разогрев не только обмотки возбуждения, но и обмотки якоря, сопротивле­ ния которых увеличиваются.

294

Максимальная величина установившегося напряжения в сети при данной частоте вращения генератора или стартер-генератора будет иметь место, когда обмотки возбуждения и якоря находят­ ся в «холодном» состоянии.

При параллельной работе генератора с аккумуляторной бата­ реей эквивалентная схема замещения для расчета установивших­ ся напряжений в сети приведена на рис. 13.13.

При т аккумуляторных батарей, работающих параллельно, величина внутреннего сопротивления их

где га 1— внутреннее сопротивление одной аккумуляторной ба­ тареи с учетом величины сопротивления проводов от батареи до центрального распределительного устройства. Собственное со­ противление аккумуляторной батареи определяется из ее внеш­ ней характеристики.

Установившаяся величина напряжения в сети

іа — ток заряда аккумуляторной батареи.

Э. д. с. генератора при постоянной частоте вращения являет­ ся функцией тока возбуждения. Эта зависимость выражается характеристикой холостого хода (рис. 13.14). При тех зна­ чениях тока возбуждения, которые устанавливаются вследствие выхода из строя регулятора напряжения, генератор насыщается. Поэтому при расчете э. д. с. генератора используется линеаризо­ ванная характеристика холостого хода самого насыщенного уча­

295

Кві — коэффициент пропорциональности между изменяю­ щейся частью э. д. с. и током возбуждения.

Для любой другой частоты вращения п значение э. д. с.

Токи в цепи нагрузки, обмотки возбуждения и заряда бата­ рей соответственно равны:

где R, Гв, гс и Гпр — соответственно сопротивления нагрузки, об­ мотки возбуждения, угольного столба регулятора и соединительных проводов с переходными сопротивлениями контактов.

С учетом уравнений (13. 21) — (13.27) установившаяся вели­ чина напряжения в сети

На рис. 13.15 изображены усредненные кривые зависимости

для трех частот вращения стартер-генератора мощно-

2S6

стью 12000 Вт, работающего параллельно с двумя аккумулятор­ ными батареями 15 СЦС-45 А, полученные при исследовании ава­ рийных режимов, связанных с недопустимым повышением напря­ жения в сети.

При параллельной работе генераторы с исправными регулято­ рами напряжения отключаются от сети, и установившееся напря­ жение в сети может быть определено по формуле (13.28).

Установившиеся величины напряжений в сети в функции про­ водимости нагрузки при различных частотах вращения генерато­ ра позволяют определить величины токов, протекающих через аккумуляторные батареи и перегрузки потребителей, установлен­ ных на летательном аппарате. Эти характеристики необходимы также для расчета аппаратов защиты от повышения напряжения.

Нарастание напряжения от Un до установившегося значения происходит по экспоненте с постоянной времени

____

Гв + Гс + Гпр

где LB — индуктивность обмотки возбуждения генератора для за­ данного режима работы.

13. 5. КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ НА ЗАЖ ИМ АХ

СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Короткое замыкание на зажимах синхронной машины, несмот­ ря на свою небольшую продолжительность, представляет очень тяжелый режим как для самой машины, так и для связанных с ней элементов системы передачи и распределения электрической энергии, так как возникающие при этом явлении «всплески» то­ ков могут превосходить номинальные значения более чем в де­ сять раз.

Ниже рассматриваются явления, сопровождающие внезапное трехфазное (симметричное) короткое замыкание на зажимах синхронного генератора.

В целях упрощения анализа и выяснения основных физиче­ ских явлений предполагается, что перед коротким замыканием генератор работал без нагрузки с некоторым током возбужде­ ния, остающимся постоянным и в дальнейшем.

При внезапном коротком замыкании на зажимах синхронно­ го генератора в цепях статора и ротора возникают электродви­ жущие силы, обусловленные постоянством потокосцеплений в ма­ шине в первый момент времени. В процессе короткого замыкания

Y% E0sin (ü^-|-<p);

297

б) электродвижущая сила взаимоиндукции, вызванная изменением тока ротора в процессе короткого замыкания, d i R »

где Мя_в — взаимная индуктивность фазы статора и обмотки ро­ тора по продольной оси, гв — ток возбуждения;

в) электродвижущая сила взаимоиндукции, создаваемая из­ менением тока в успокоительной (демпферной) обмотке в про­

цессе короткого замыкания — Л)яд — , где Мя.д — взаимная dt

индуктивность фазы статора и успокоительной обмотки, гд — ток

Ья— индуктивность фазы статора по продольной оси, ія — мгно­ венный ток короткого замыкания в фазе статора.

В обмотке возбуждения действуют:

а) приложенное к обмотке возбуждения постоянное напряже­

буждения — уИ ,в—- ; dt

в) э. д. с. самоиндукции, обусловленная изменением тока в

успокоительной обмотке — /,д— 1 , где Ья — индуктивность успо- dt

коительной обмотки.

На рис. 13. 16 приведены характерные осциллограммы токов трех фаз якоря генератора при трехфазном коротком замыка­ нии. Как видно из этих осциллограмм, кривая тока короткого замыкания в общем случае может состоять из периодической и апериодической составляющих. Периодические составляющие всех трех фаз одинаковы по величине и отличаются лишь фазой, апериодические же составляющие в разных фазах различные. На рис. 13.17 изображена периодическая составляющая тока

298

короткого замыкания. Как видно из этой осциллограммы, в на­ чальный момент амплитуда периодической составляющей имеет наибольшее значение. В дальнейшем происходит постепенное уменьшение амплитуды, и, спустя длительный промежуток вре­ мени после возникновения короткого замыкания, амплитуда периодической составляющей достигает установившейся величи­ ны, значительно меньшей начального значения. Соответствую­ щий этому режиму ток носит название установившегося тока короткого замыкания, который на рис. 13. 17 представлен для од­

и ток статора начинает быстро увеличиваться, причем скорость изменения тока статора в моменты времени, непосредственно следующие за коротким замыканием, очень большая. Увеличение тока статора вызывает усиление потока реакции статора, стре­ мящегося размагнитить машину. Быстрое изменение тока стато­ ра, а следовательно, и потока реакции статора вызывает наведе­ ние э. д. с. в цепях ротора (обмотке возбуждения, демпферной обмотке и массиве ротора), создающих значительные экраниру­ ющие намагничивающие токи. В результате размагничивающая реакция статора, вызванная увеличивающимся током статора, компенсируется действием экранирующих намагничивающих токов ротора, и результирующее потокосцепление уменьшается

299