Методические указания по подготовке к выполнению и выполнению лабораторной работы Описание лабораторного стенда (стр. 4 из 20)

Рисунок 3.5. Стабилизированный по напряжению источник питания

Будем считать, что нагрузка, подключаемая на шины распределительного устройства, имеет чисто активный характер. Тогда, без изменения схемы подключения нагрузки к генератору, мы будем иметь дело с внешней характеристикой генератора, представленной на рисунке 3.4. Если, как это показано на рисунке 3.5, между зажимами генератора и точками подключения нагрузки включить конденсаторы постоянной емкости, то относительно нагрузки источник электропитания получит новые свойства. Относительно напряжения на нагрузке (

) математическую модель внешней характеристики источника переменного тока можно представить в виде системы уравнений

(3.7) Если сравнить системы уравнений (3.2) и (3.7), то можно установить, что источник переменного тока, схема которого представлена на рисунке 3.5, можно рассматривать как эквивалентный синхронный генератор, в котором реактивности вычисляются как эквивалентные параметры

. (3.8) При указанных обстоятельствах источник электропитания, близкий по свойствам к источнику ЭДС можно сформировать или уменьшением знаменателя в уравнении (3.8), или изменением соотношения эквивалентных реактивностей генератора, что отражено на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6. Стабилизатор напряжения с конденсатором, включенным

последовательно с сопротивлением нагрузки.

Предпочтительность использования второго способа решения поставленной задачи очевидна, так как при его использовании желаемый эффект достигается установкой конденсаторов меньшей емкости.

В технической литературе рассматривается и структура источника с подключением конденсаторов постоянной емкости параллельно сопротивлению нагрузки. Схема такого источника представлена на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7. Источник с конденсаторами постоянной емкости,

включенными параллельно сопротивлениям нагрузки

О возможности приближения свойств подобной структуры источника к свойствам источника ЭДС можно судить, преобразовав сопротивление на зажимах генератора к виду, используемому в математической модели генератора. Если учесть, что результат преобразования параллельно соединенных конденсатора и активного сопротивления к последовательно соединенным, составляющим эквивалентного комплексного сопротивления имеет вид

, , (3.9) то применительно к рассматриваемому случаю математическая модель внешней характеристики генератора примет вид

. (3.10)

Как видно из соотношений, представленных формулами (3.9), при параллельном подключении к нагрузке конденсаторов постоянной емкости емкостная составляющая сопротивления генератора уже не может рассматриваться как параметр в системе уравнений (3.10). Изменение емкостной составляющей (

) сопротивления нагрузки генератора при изменении сопротивления нагрузки ( ) приводит к существенному увеличению емкости конденсаторов при приемлемой точности стабилизации напряжения источника. Расчеты, выполненные по математической модели, представленной системой уравнений (3.10), проиллюстрированы графиками на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8. Стабилизатор напряжения с конденсаторами,

включенными параллельно сопротивлению нагрузки

Из сравнения графиков, представленных на рисунках 3.6 и 3.8 можно сделать вывод, что при одинаковой точности стабилизации напряжения на сопротивлении нагрузки, емкость конденсаторов при их подключении по схеме, представленной на рисунке 3.7. получается почти на порядок большей, чем при использовании конденсаторов по схеме, представленной на рисунке 3.5. Кроме того, из сопоставления величин тока генератора и тока нагрузки (рисунок 3.8) можно сделать вывод, что при параллельном подключении конденсаторов эффект стабилизации получается только за счет наличия в рассматриваемой схеме балластной реактивной нагрузки, сопротивление которой много меньше сопротивления нагрузи. Естественно, этот вывод справедлив для интервала изменения сопротивления нагрузки в виде

.

Таким образом, представленный обзор показывает, что математическая модель синхронного генератора не ставит принципиальных препятствий в проблеме создания в рамках конструкции генератора источника питания с параметрической стабилизацией напряжения на нагрузке. При этом, если не удается решить поставленную задачу управлением внутренними параметрами генератора (

), то более предпочтительным способом добиться желаемого результата будет способ, связанный с введением в структуру источника конденсаторов постоянной емкости. Простота структуры источников с параметрической стабилизацией напряжения и их надежность в эксплуатации являются главными предпосылками их использования в качестве автономных источников питания. В рамках основной модели синхронного генератора и рассмотренных выше ее разновидностей можно оценить (при необходимости) влияние изменения частоты синхронного генератора на параметры используемого в структуре источника конденсатора постоянной емкости.

На рисунке 3.9, применительно к генератору с параметрами в относительных единицах

, представлены графики изменения напряжения на нагрузке для двух способов включения конденсаторов постоянной емкости в структуру источника. Графики даны для трех опорных точек по частоте переменного тока – номинальной частоты и для двух граничных частот из допускового диапазона и .

Рисунок 3.9. Влияние изменения частоты генератора переменного тока на

уровень напряжения на нагрузке

Анализ графиков, представленных на рисунке 3.9, показывает, что при невысоких требованиях к стабильности напряжения на нагрузке нет технических препятствий для создания источника переменного тока с параметрической стабилизацией напряжения. Причем, параметрическая стабилизация напряжения источника может быть достигнута или средствами управления величиной внутреннего сопротивления генератора, или средствами управления коэффициентом мощности нагрузки генератора.

Возможность технического использования источника переменного тока с параметрической стабилизацией напряжения должна базироваться на сравнении его технических и эксплуатационных характеристик с функционально однотипными источниками. Альтернативным источником в рассматриваемом случае является синхронный генератор с управляемым магнитным потоком. Принцип создания источника переменного тока на базе синхронного генератора с управляемым магнитным потоком показан на рисунке 3.10 применительно к генератору с независимым электромагнитным возбуждением.

Рисунок 3.10. Источник с управляемым магнитным потоком

Как следует из построений, представленных на рисунке 3.10, если при произвольном сопротивлении нагрузки

подбирать ЭДС холостого хода генератора ( ) так, чтобы точка пересечения внешней характеристики генератора с линией нагрузке приходилась на номинальное напряжение, то при генератор переменного тока будет обладать свойствами источника ЭДС. Если учесть, что ЭДС, наведенная в рабочей обмотке генератора равна , а частота вращения вала генератора или остается постоянной, или жестко задается режимом работы привода, то следует признать, что управление величиной ЭДС возможно исключительно средствами изменения магнитного потока. Этот вывод позволяет считать универсальной регулировочной характеристикой генератора (характеристикой, не зависящей от способа возбуждения генератора) функциональную связь величины магнитного потока с током нагрузки генератора.

Рисунок 3.11. Универсальная регулировочная характеристика генератора

На рисунке 3.11 представлено семейство универсальных, регулировочных характеристик синхронного генератора применительно к наиболее распространенному случаю работы генератора на активно-индуктивную нагрузку.

Графики, представленные на рисунке 3.11, позволяют сделать два важных вывода относительно возможности создания источника переменного тока на базе синхронного генератора с управляемым магнитным потоком: