Уровни частоты. Достоинства и недостатки применения высокой частоты в СЭЭС

2.3. Уровни частоты

Частота напряжения в СЭЭС отечественных судов принята равной 50 Гц. На судах где массогабаритные показатели являются решающими (суда с динамическими принципами поддержания) применяется 400 Гц.

Рассмотрим влияние повышения частоты на массогабаритные показатели ЭО.

Отметим вначале положительные стороны повышения частоты в СЭЭС:

1. Снижаются массогабаритные показатели генераторных агрегатов (ГА). Это происходит из-за того, что при повышении частоты сети увеличивается значение максимальной частоты вращения синхронного генератора (СГ). Это следует из следующего соотношения:

где n – частота вращения первичного двигателя (об/мин), f – частота сети (Гц), p – число пар полюсов. Для сетей с частотой 50 Гц она составляет 3000 об/мин, а для сетей с частотой 400 Гц – 24000 об/мин, что позволяет при стыковке СГ с первичными высокоскоростными двигателями (ПД) исключить редуктор, а, следовательно, уменьшить вес ГА. Кроме этого с повышением частоты вращения улучшаются показатели ПД и самого генератора. Так генератор мощностью 50 кВт выполненный на 50 Гц и частоту вращения 1500 об/мин весит 600 кгм, а генератор такой же мощности на 400 Гц и частоту вращения 12000 об/мин – 150 кгм. Обычно, при оценке массогабаритных показателей генераторов полагают, что в заданном объеме .

2. Повышенная частота позволяет увеличить частоту вращения механизмов и электроприводов в 2…3 раза, что приводит к существенному уменьшению габаритов и массы агрегатов двигатель – механизм. Так переход от частоты вращения 3000 об/мин к частоте вращения 8000 об/мин дает снижение массы АД в 2,5…3,5 раза и габаритов в 2,5 раза.

3. Улучшаются массогабаритные показатели трансформаторов, дросселей, магнитных усилителей. Убедимся в этом с помощью простых соотношений.

По закону электромагнитной индукции Фарадея где Ψ – потокосцепление, Ф – поток, W – число витков, е – э.д.с. Полагая U = E и U = U_m sin(ω t), а следовательно и Ф=Ф _m sin(ω t) получим:

, учитывая, что соs(ω t)=-sin(ω t- π/2), е= ωФ _mW sin(ω t- π/2),

Е_m =2π f Ф _mW, а , где В – индукция, S – сечение.

Таким образом, если Е ₄₀₀= Е _{50 ,} то .

Реальное преимущество рассматриваемых видов оборудования на 400 Гц ниже. Это связано с тем, что магнитопроводы изготавливают из электропроводящего материала, в котором под действием переменного магнитного поля возникают микротоки – токи Фуко или вихревые токи. Электрическое сопротивление стали мало, а значит, вихревые токи могут достигать большого значения, что приводит к разогреву магнитопровода - потери в стали оценивают пропорциональными f ^1,3…1,5. Поэтому для сохранения теплового баланса в высокочастотном оборудовании снижают индукцию В_{m 400} < В_{m 50}, плотность тока и стальные сердечники набирают из более тонких пластин:

50 Гц - толщина пластин 0,35 мм, 400 Гц – 0,08 мм. Сравнение существующего оборудования показывает, что в заданном объеме трансформатора .

4. Сокращается время переходных процессов. Рассмотрим это более подробно.

При увеличении частоты с 50 до 400 Гц и одновременном увеличении частоты вращения при той же мощности размеры генератора, периметр витка обмотки статора и число витков уменьшаются.

Постоянная времени обмотки равна . Выразим индуктивность через конструктивные параметры машины:

Так как , то зная что

и по закону полного тока ;

тогда в свою очередь, отсюда

, в представленных выражениях использованы следующие обозначения: Н – напряженность поля; μ – магнитная проницаемость; μ₀= 4π10^-7 (Гн/м); λ – магнитная проводимость.

Проводимость, при прочих равных условиях, уменьшается пропорционально периметру витка. Активное сопротивление R уменьшается пропорционально уменьшению числа витков и уменьшению их периметра. Таким образом, постоянные времени уменьшаются приблизительно пропорционально уменьшению числа витков.

Следует отметить, что индуктивные сопротивления обмотки, определяемые , увеличиваются. Это происходит из-за того, что число витков обмотки статора уменьшается не прямо пропорционально увеличению частоты.