Рус Eng За 365 дней одобрено статей: 2127,   статей на доработке: 286 отклонено статей: 924 
Библиотека
Статьи и журналы | Тарифы | Оплата | Ваш профиль

Вернуться к содержанию

Взаимодействие и воздействие аккумуляторной батареи на динамические характеристики генераторов постоянного тока на холостом ходу
Семко Игорь Александрович

кандидат технических наук

профессор, кафедра Автоматизация производственных процессов, Донской государственный технический университет

344000, Россия, Ростовская область, г. Ростов-На-Дону, пл. Гагарина, 1, кор. 6

Semko Igor Alexandrovich

PhD in Technical Science

Professor at the Department of Automation of Production Processes of Don State Technical University

344000, Russia, Rostov-on-Don, Gagarin's Square, 1, building 6

nik04.1@mail.ru
Таукчи Вера

техник, Донской государственный технический университет

344000, Россия, Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, корп. 6

Taukchi Vera

Engineer at Don State Technical University

344000, Russia, Rostov-on-Don, Gagarin's Square, 1, building 6

veruncik.t@mail.ru
Закалюжный Алексей Александрович

Техник, Донской государственный технический университет

344000, Россия, Ростовская область, г. Ростов-На-Дону, пл. Гагарина, 1, кор. 6

Zakalyuzhnyy Alexey Alexandrovich

Engineer at Don State Technical University 

344000, Russia, Rostov-on-Don, Gagarin's Square, 1, building 6

zakalizhnuy-95@yandex.ru
Аннотация. Объектом исследования статьи является электрическая машина постоянного тока, преобразующая механическую энергию в электрическую, то есть генератор постоянного тока. Работа машины описывается такими характеристиками как: внешняя, регулировочная и характеристика холостого хода. Цель исследования представляет собой влияние присутствия аккумуляторной батареи в электрической цепи генератора на динамические характеристики. Так как на холостом ходу генератор отключен от внешней цепи, следовательно величина нагрузки равна нулю, а ток в его последовательной обмотке равен 2-3 А , что позволило исключить влияние электродвижущей силы поляризации на приборы измерения. Проведение экспериментальных исследований динамики системы регулирования напряжения генератора постоянного тока позволили выявить тот факт, что система при определенных условиях становится неустойчивой. При анализе динамики системы регулирования напряжения ГПТ, работающего с АБ, было установлено, что вместо обычного представления объекта регулирования в виде звена с одной постоянной времени возбуждения T1, следует рассматривать объект регулирования как звено второго порядка. Подключение инерционного регулятора напряжения принципиально меняет вопрос об устойчивости системы при определенных условиях. В данном случае определенным условием является достаточно большой коэффициент передачи инерционного регулятора. Именно этот нюанс может вывести из состояния устойчивости систему регулирования.
Ключевые слова: коэффициент передачи, объект регулирования, холостой ход, устойчивость системы, динамические характеристики, аккумуляторная батарея, генератор постоянного тока, автоколебания, передаточная функция, индуктивность
УДК: 621.3
DOI: 10.7256/2453-8884.2017.2.23042
Дата направления в редакцию: 18-05-2017

Дата рецензирования: 22-05-2017

Дата публикации: 17-09-2017

Abstract. The research object is a DC machine transforming mechanical energy into electric, i.e. a DC generator. The authors describe the work of the machine in terms of external and regulatory characteristics and characteristics of idle run. The research purpose is to study the influence of an accumulator battery in an electric circuit of a generator on dynamic characteristics. Since at idle a generator is out of circuit, the load rate is zero, and the current in its series winding is 2-3 A. Therefore, we can exclude polarization voltage influence on measurement devices. Experimental tests of the dynamics of a voltage regulating system of a DC generator help conclude that under certain conditions, the system becomes unstable. While analyzing the dynamics of a voltage regulating system of a DC generator with accumulator battery, the authors find out that instead of a common consideration of a controlled object as a link with one excitation time constant T1, it’s necessary to consider the controlled object as a second-order link. Connection of inertial voltage regulator fundamentally changes the issue of stability of a system under certain conditions. In this case, a high transfer ration of an inertial regulator is a certain prerequisite. This nuance can destabilize the controlling system. 

Keywords: transfer function, self-oscillation, transfer factor, idle run, controled unit, system stability, dynamic characteristics, accumulator battery, DC generator, inductivity

При анализе динамики систем регулирования напряжения генераторов постоянного тока (ГПТ) средней мощности (до нескольких десятков киловатт) [1] объект регулирования рассматривается обычно как апериодическое звено первого порядка с постоянной времени, определяемой постоянной переменной времени обмотки возбуждения [2]. При подключении к такому генератору полупроводникового регулятора напряжения система регулирования описывается уравнениями первого или второго порядка, что является достаточным условием устойчивости системы [3].

Однако экспериментальные исследования динамики системы регулирования напряжения ГПТ показывают, что при работе ГПТ совместно с аккумуляторными батареями (АБ) [4] система регулирования при определенных условиях становится неустойчивой. Отмечено, что система обладает наибольшей склонностью к автоколебаниям в режиме холостого хода.

С целью выявления причины неустойчивой работы системы регулирования были проанализированы динамические характеристики ГПТ [5] и АБ и составлена передаточная функция объекта регулирования – генератора постоянного тока, работающего с аккумуляторными батареями на холостом ходу (рис 1.).

1

Рис.1. Схема генератора на холостом ходу

Передаточная функция объекта регулирования составлена при условии, что скорость вращения якоря (Я) и температура обмоток генератора постоянны, а реакция якоря и гистерезис не учитываются.

2

Рис.2. Схема замещения объекта регулирования

На рис. 2. изображена схема замещения объекта регулирования для приращений, где элементами Lя, Lв, Rв, Rяц=(Rя+Rщ) представлены индуктивности и активные сопротивления обмоток возбуждения (ОВ) и якорной цепи ГПТ. Дифференциальное сопротивление якорной цепи Rяц включает в себя сопротивление якоря Rя и дифференциальное сопротивление щеточных контактов Rщ.

Аккумуляторная батарея как элемент цепи переменного тока в общем случае может быть представлена в виде последовательного соединения емкости Cб, индуктивности Lб и активного сопротивления Rб.

Для оценки влияния АБ на работу системы регулирования были экспериментально определены величины элементов схемы замещения якорной цепи генератора и аккумуляторной батареи.

В качестве объекта регулирования рассматривалась группа мощностью от 10 до 18 кВт, используемых в системах электроснабжения гусеничных машин совместно со свинцово-кислотной батареей 12 СТ-70.

Сопротивление якоря этих ГПТ при 20℃, согласно паспортным данным, rя = 0,003-0,01 Ом.

Для определения индуктивности якоря были экспериментально сняты частотные характеристики якорной цепи.

3

Рис.3. Схема экспериментального определения частотных характеристик

На рис. 3 изображена схема для экспериментального определения частотных характеристик якорной цепи. С помощью проволочного реостата в цепи возбуждения поддерживался ток определенной величины, соответствующий току возбуждения при максимальных оборотах якоря ГПТ. С помощью двухлучевого осциллографа С1-16 определялись амплитуды напряжения и тока якорной цепи, а также фазовый сдвиг между ними.

В результате с учетом зависимости дифференциального сопротивления щеточного контакта от тока якорной цепи величины элементов схемы замещения якорных цепей группы исследованных ГПТ были получены

Rяц ≈ 0,008 – 0,011 Ом, Lя ≈ (10-100) * 10-6 Гн.

Частотные характеристики f1(φ), f2(φ) свинцово-кислотной батареи 12 СТ-70 представлены на рис.4.

4

Рис.4. Частотные характеристики объекта регулирования.

Характеристики были получены с помощью схемы (см. рис. 3), в которой к клеммам 1,2 вместо якорной цепи ГПТ подсоединялась батарея. Величина тока через АБ в процессе эксперимента не превышала 2-3 А, что позволило исключить влияние Э.Д.С. поляризации на показания приборов.

Исходя из величины полного сопротивления zб = Uв / Iб фазового сдвига fб и резонансной частоты fрез была рассчитана величина элементов схемы замещения свинцово-кислотной батареи 12 СТ-70 по переменной составляющей до частоты 1 кГц:

Rб ≈ 0,012 Ом; Cб ≈ 0,3 Ф; Lб ≈ 1,0 *10-6 Гн.

Анализ полученных экспериментальных данных позволяет обосновать возможность упрощения схемы, замещения объекта регулирования. Так, благодаря значительной величине ёмкости АБ и малой величине индуктивности батареи по сравнению с индуктивностью якорных цепей ГПТ схему замещения АБ можно представить в виде резистора с сопротивлением, равным внутреннему активному сопротивлению АБ.

В результате упрощения схема замещения объекта регулирования (ГПТ с АБ работает на холостом ходу) будет иметь вид, представленный на рис.5.

5

Рис.5. Упрощенная схема замещения объекта регулирования

На основании полученной упрощенной схемы замещения можно составить передаточную функцию объекта регулирования.

Уравнение цепи возбуждения для приращений имеет вид:

ΔIв(p)*(Rв+pLв) = ΔUв(p) (1)

Электромагнитная связь цепи возбуждения и якорной цепи генератора определяется зависимостью:

ΔE(p) = Kг *ΔIв(р), (2)

где Kг = (E)/(∂Iв) – коэффициент передачи генератора, определяемый по характеристике холостого хода E= f(Iв).

Уравнение якорной цепи для приращений:

[(Rяц + Rб) + pLя]*ΔUг(р) = Rб * ΔE(p) (3)

На основании уравнений (1) - (3), после исключения промежуточных переменных и соответствующих преобразований передаточная функция объекта регулирования может быть записана в виде:

Wo (p) = Ko / ((T1 p + 1)*(T2 p +1)),

где Ko = (Kг * Rб)/(Rв+(Rяц + Rб)) , T1 = Lв / Rв , T2 = Lя / (Rяц + Rб).

Отличительная особенность полученной передаточной функции объекта регулирования заключается в том, что подключение к якорной цепи генератора свинцово-кислотной батареи, имеющей малую величину внутреннего сопротивления (сотые доли ома), приводит при достаточной величине индуктивности якоря к появлению значительной по величине постоянной времени якорной цепи T2. В результате при анализе динамики системы регулирования напряжения ГПТ, работающего с АБ, вместо обычного представления объекта регулирования в виде звена с одной постоянной времени, равной постоянной времени цепи возбуждения T1, следует рассматривать объект регулирования как звено второго порядка, а это, как известно, при подключении инерционного регулятора напряжения принципиально меняет вопрос об устойчивости системы при определенных условиях (при достаточно большом коэффициенте передачи инерционного регулятора) может привести к неустойчивости системы регулирования. Очевидно также, что наиболее критический режим с этой точки зрения – режим холостого хода.

Библиография
1.
Автоматика энергосистем (с 106)/Павлов Г.М., Меркурьев Г.В. / [Электронный ресурс] URL: http://www.cpk-energo.ru/metod/PavlovAvtomatika4.pdf
2.
САР напряжения генератора постоянного тока: [Электронный источник] URL: http://edu.alnam.ru/book_v_tau1.php?id=42
3.
Электромеханические системы (с 27)/Заковоротный В. Л., Семко И. А./2000г.
4.
Устройство стартерных аккумуляторных батарей: [Электронный источник] URL: http://www.4akb.ru/spravochnaya_informatsiya/ustroystvo_starternih_akkumulyatornih_batarey/
5.
Выбор двигателей постоянного и переменного тока и расчет их статических и динамических характеристик (с 128)/И. А. Семко, А. В. Чубукин, В. В. Христофорова, Д. В. Дарниченко/2014г.
References (transliterated)
1.
Avtomatika energosistem (s 106)/Pavlov G.M., Merkur'ev G.V. / [Elektronnyi resurs] URL: http://www.cpk-energo.ru/metod/PavlovAvtomatika4.pdf
2.
SAR napryazheniya generatora postoyannogo toka: [Elektronnyi istochnik] URL: http://edu.alnam.ru/book_v_tau1.php?id=42
3.
Elektromekhanicheskie sistemy (s 27)/Zakovorotnyi V. L., Semko I. A./2000g.
4.
Ustroistvo starternykh akkumulyatornykh batarei: [Elektronnyi istochnik] URL: http://www.4akb.ru/spravochnaya_informatsiya/ustroystvo_starternih_akkumulyatornih_batarey/
5.
Vybor dvigatelei postoyannogo i peremennogo toka i raschet ikh staticheskikh i dinamicheskikh kharakteristik (s 128)/I. A. Semko, A. V. Chubukin, V. V. Khristoforova, D. V. Darnichenko/2014g.