автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Электромагнитное поле зубцовой зоны синхронной машины с массивными полюсами, с совмещенным индукторным возбудителем

ВВЕДЕНИЕ

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Краткая характеристика бесщеточных систем возбуждения

1.2. Индукторная система возбуждения

1.3. Постановка задачи исследования

2. ВЫБОР МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Методы исследования электромагнитного поля в воздушном зазоре электрической машины

2.2. Выбор метода исследования

3. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В ВОЗДУШНОМ ЗАЗОРЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С

МАССИВНЫМИ ПОЛЮСАМИ ПРИ ОДНОСТОРОННЕЙ ЗУБЧАТОСТИ

3.1. Допущения, принимаемые при решении задачи

3.2. Решение уравнения Лапласа для скалярного потенциала магнитного поля в I области

3.3. Решение краевой задачи для уравнения Лапласа во II области и нахождение неизвестных коэффициентов пограничных функций

3.4. Решение краевой задачи для векторного потенциала в случае односторонней зубчатости с учётом массива ивдуктора

3.5. Определение коэффициента реакции вихревых токов при односторонней зубчатости

3.6. Результаты аналитического исследования электромагнитного поля в воздушном зазоре электрической машины с массивными полюсами при односторонней зубчатости

4. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ШГЕКТРОГМГНЙТНОГО ПОЛЯ В ВЭЗДУШЮМ ЗАЗОРЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С МАССИВНЫМИ ПОЛЮСАМИ ПРИ ДВУХСТОРОННЕЙ

ЗУБЧАТОСТИ

4.1. Решение краевой задачи для скалярного потенциала

4.2. Решение краевой задачи для векторного потенциала с учётом массива индуктора для двухсторонней зубчатости

4.3. Результаты решения краевой задачи для векторного потенциала с учётом массива индуктора для двухсторонней зубчатости ЮЗ

4.4. Решение краевой задачи для пульсирующего поля III

4.5. Результаты решения краевой задачи для пульсирующего поля. Определение общего коэффициента реакции вихревых токов зубчатого массивного индуктора

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В ВОЗДУШНОМ ЗАЗОРЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С МАССИВНЫМИ ПОЛЮСАМИ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА

ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

5.1. Построение физических моделей

5.2. Методика проведения геометрических измерений физических моделей

5.3. Экспериментальное исследование влияния вихревых токов в гладких массивном и шихтованном полюсах с различной толщи -ной листа на величину ЭДС витка якорной обмотки индукторного возбудителя

Одной из основных задач развития народного хозяйства СССР, поставленных ХХУ1 съездом КПСС, является задача экономии т о п ливно-энергетических, материальных и трудовых ресурсов I Эта задача поставлена и в "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" [2 Там,в частности,говорится о необхо димости "на основе использования достижений науки и техники повышать в оптимальных пределах единичные мощности машин и оборудования при одновременном уменьшении их габаритов, металле ёмкости, энергопотребления и снижения стоимости на единицу конечного полезного эффекта* В электротехнической промышленности особое внимание уде лить разработке и освоению выпуска электротехнического обору дования, имеющего более высокий коэффициент полезного действия, меньший удельный расход цветных металлов и других материалов"; На успешное решение этой задачи иацравлено и постановле ние ЦК КПСС "О работе Министерства электротехнической промыш ленноети по экономии материальных и трудовых ресурсов в свете требований ХХУ1 съезда КПСС" [З] В постановлении отмечается, что в электротехнической промышленности достигнуты определен ные успехи в решении этого вопроса, однако,."имеются значительные резервы и возможности эконсщии ресурсов* Недостаточны темпы технического перевооружения предприятий;* Не находят широкого применения прогрессивные методы обработки материалов. Коэффи циент использования проката черных металлов растёт медленно* В отрасли около одной трети потребляемого металлопроката идёт в отход 0 Выцускается еще немало продукции» неотвечащей современным требованиям* Не во всех исследовательских и конструкторских организациях обеспечивается приоритет.созданию энерго- и материале оберегающей техники и технологии* В результате некоторые виды трансформаторов, аппаратуры, электрических машин по своим основным параметрам уступают уровню лучших образцов" В статье заместителя министра электротехнической промышленности Ю;Никитина f4 говорится, что проблема экономии мате риалов и в первую металлов, является в настоящее время цент ральной оказывающей огромное влияние на всю деятельность от расли, на ее конечные результаты"*; В соответствии с указанными требованиями, перед учёными и специалистами, работающими в области исследования и разработки систем возбувдения (СВ) синхронных машин (СМ), стоит задача создания таких СВ, которые обладали белее высокими технически ми показателями и имели бы меньший удельный расход материалов и трудоёмкость их изготовления* Одной из таких СВ является бесщёточная совмещённая индук торная система возбувдения (ИСВ) [5 J разрабатываемая в проб лемной лаборатории электрических машин Уральского политехнического института им* С*М*Еирова совместно с Центральным проект но-ковструкторским бюро крупных электрических машин (ЦПЕТБКЭМ) в городе Ленинграде* I. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССУЩЦОВАВШ 1 Л Краткая характеристика бесщёточных систем возбуения Опыт эксплуатации бесщёточных систем возбуждения (БСВ) как у нас в стране, так и за рубежом показывает их высокую надёж ность и экономичность [6-12]. Об этом говорит тот факт, что свыше 70 синхронных двигателей (СД) и почти все генераторы за рубежом выпускаются в бесщёточном исполнении [6 В СССР и за рубежом преимущественное распространение в серийно выпускаемых машинах получили БСВ с возбудителем, выполненным на основе обращенной синхронной машины и с управлением, осуществляемым со стороны обмотки возбуадения возбудителя [10 Применение за рубежом асинхронных возбудителей не получило ши рокого распространения [6 В нашей стране помимо синхронных возбудителей распространены и асинхронные для.генераторов и двигателей малой и средней мощности [II, 12 J В последние годы начинает применяться новый тип возбудителя каскадный, в котором совмещены две электрические машины асинхронная и синх ровная [13, 14 Каскадный возбудитель обладает свойствами асинхронного и синхронного возбудителей. Использование в ка честве основной части асинхронного возбудителя позволяет обеспечить заданные динамические характеристики СМ. Регулирование со стороны обращенной синхронной машины синхронного возбудителя требует малых мощностей управления. В БСВ преимущественно применяется вращающийся диодный преобразователь Для повышения быстродействия системы возбуждения в последнее время стали применяться управляемые тиристорные

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Созданная на основе методов математической физики (методов разложения решения в ряд по собственным функциям - Фурье и Гринберга) математическая модель для исследования электро -магнитного поля в воздушном зазоре и зубцовом слое электрических машин с массивным индуктором и реализованная с помощью ряда программ на языке PL / / для ЕС ЭВМ позволила решить поставленную в диссертационной работе задачу.

2. Исследования, цроведённые в диссертационной работе показали, что решение уравнений электромагнитного поля для случая двухсторонней зубчатости с учётом массива индуктора с помощью уравнения Гельмгольца для зон массивного индуктора и уравнения Лапласа для зон воздушных промежутков не даёт полной картины влияния вихревых токов в зубцах на электромагнитное поле в зубцовой зоне. Для определения влияния вихревых токов в зубцах на поле в зубцовой зоне необходимо, как показано в диссертационной работе, решать краевую задачу для пульсирующего поля.

3. В случае, когда граничные условия для какой-либо об -ласти на паре противоположных границ неизвестны, решение краевой задачи возможно только с помощью метода разделения пере -менных Фурье. При попытке решения задачи с помощью метода Гринберга, в результате интегральных преобразований исходного уравнения получается неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с неизвестной функцией в правой части. Вид частного решения неоднородного дифференциального уравнения в этом случае не определен, и, следовательно, не определена вся задача.

4. Проведенные с помощью метода физического моделирования исследования электромагнитного поля в воздушном зазоре электрических машин с массивными полюсами при односторонней и двухсторонней зубцатости доказывают адекватность полученной мате -матической модели, правомерность принятых допущений и корректность задания граничных условий.

5. Величина ЭДС якорной обмотки индукторного возбудителя может быть определена с использованием разработанной в диссертационной работе математической модели. Учёт влияния вихревых токов можно произвести с помощью коэффициентов реакции вихре -вых токов , при этом достаточно знать величину и форму кривой ЭДС на поверхности гладкого или зубчатого массивного индуктора.

6. Коэффициент реакции вихревых токов на поверхности гладких и зубчатых индукторов /fъ мал0 зависит от величины магнитной проницаемости стали JU и частоты вращения ротора. При изменении JU от 20 до 1000 Кг изменяется от 0,88 до 0,99, а при изменении частоты от 0 до 2000 Гц К% меняется от I до 0,98.

7. Коэффициент Кг зависит от линейных размеров длины полуволны первой зубцовой гармонической. При изменении длины полуволны от 14 до 40 мм. Коэффициент Кх меняется от 0,986 до 0,933.

8. Коэффициент реакции вихревых токов зубчатого индуктора К г?, на поверхности зубчатого массивного индуктора равняется единице и изменяется взависимости от изменения координаты по глубине паза по закону косинуса. Значение коэффициента К на дне паза равняется его амплитудному значению,которое зависит от глубины пазов индуктора. Для индукторного возбудителя с четырехфазной зубцовой зоной целесообразно выпол -нять пазы индуктора глубиной не более двойной ширины паза.

9. Зависимость коэффициента Кгг от частоты вращения ротора и величины магнитной цроницаемости зубцов J4 аналогична зависимости окэффициента от этих величин, но в то же время коэффициент Кг? существенно зависит от величины ли -нейных размеров полуволны первой зубцовой гармонической.

10. Общий коэффициент реакции вихревых токов К опре -деляется произведением коэффициентов Кг и Кц . Анализ величины общего коэффициента реакции вихревых токов показывает, что для крупных синхронных машин с массивными полюсами с большим значением длины полуволны первой зубцовой гармонической (30 мм и более) этот коэффициент может достигать величины 0,5.

11. Результаты исследований, полученные в данной диссертационной работе использовались в научно-исследовательской работе кафедры электрических машин УПИ им. С.М.Кирова, проводи -мой совместно с ЦПКТЕКЭМ и Лысьвенским турбогенераторным заводом (ЛТГЗ) в соответствии с комплексным планом Министерств высшего и среднего специального образования РСФСР и СССР по целевой программе "Потери энергии" на 1981-85 годы (Приказ Минвуза СССР $ 708 от 16.06.82), а также в соответствии с отраслевым планом НИР и ОКР Министерства электрической промышленности в части крупных электрических машин переменного тока (ТОЗ 1484 "Исследование путей повышения технико-экономических показателей бесщёточных синхронных машин на 1981-84 годы.Разработка и исследование бесщёточных синхронных двигателей с совмещенным индукторным возбудителем"), и вошли в 7 отчетов по НИР. Ожидаемый экономический эффект от внедрения индукторной системы возбуждения на двигателях СДК2 16-24-12 и БСДК 15-21-12 составляет 1678 тыс. рублей в год. Акты о внедрении приведены в Приложении.

12. Результаты полученные в диссертационной работе ис -пользовались при расчете опытно-промышленного образца синх -ронного двигателя с индукторной системой возбуждения с рас -слоенными полюсами изготовленного на базе двигателя БСДК 1521-12 на Сафоновском электромеханическом заводе. Опытный образец был испытан на испытательном стенде ЩШТЕКЭМ. Справка об испытании опытно-промышленного образца приведена в Приложении.

1. ШФОРМЭЛЕКТРО, 1972. с . 49 - 50.

2. Глебов И;А. Системы возбуждения мощных синхронных машин. Л.1: Наука, 1979. - 316 с.

3. Глебов И.А.:, Логинов С .И. Применение синхронных и асинхронных возбудителей в бесконтактных синхронных машинах. В сб. "Системы возбуждения и регулирования синхронных машин и мощные статические преобразователи", М.! - Л.: Наука, 1967.-с. 60-66.'

4. OfiaPme?! Q.J. ЗуяеЛ zo/iouf genezato? » Unifec/ States Paten 19 , 7$Г, f*2t /975.

5. Как видно из графиков (рис; 5.9),вихревые токи в зубцах различной высоты по разному ослабляют ЭДС витка, находящегося на одной и той же глубине в пазу;

6. Для оценки влияния вихревых токов в зубцах введём коэф -фициент реакции вихревых токов в зубцах индуктора К г z1. К-, 1. ЭС = Огде 'Е- действующее значение ЭДС витка,находящегося в пазу массивного индуктора на глубине от поверхности В . ;

7. Е действующее значение ЭДС витка,1. JC — онаходящегося на поверхности массивного зубчатого индуктора 3 .;

8. Коэффициент /Г? зависит от линейных размеров длины полуволны первой зубцовой гармонической. При изменении длины полуволны от 14 до 40 мм. Коэффициент Кх меняется от 0,986 до 0,933.

9. Материалы ХХУ1 съезда КПСС; М.: Политиздат,1981. 223 с;

10. ИНФОРМЭЛЕКТРО, 1972. с. 49 - 50.;9; Глебов И;А. Системы возбуждения мощных синхронных машин. -Л;: Наука, 1979. 316 с.

11. Глебов И.А.:, Логинов С .И. Применение синхронных и асинхронных возбудителей в бесконтактных синхронных машинах. В сб. "Системы возбуждения и регулирования синхронных машин и мощные статические преобразователи", М; - Л.: Наука, 1967.-с 60-66;

12. Логинов С.И. Бесщёточные системы возбуждения синх -ронных машин с управляемыми вентилями. В сб. "Системы возбуждения, регулирования и устойчивость синхронных машин", АН СССР. - Наука, 1968. - с; 79 - 87.18Tjew Л С деле га fan flat mouses /ог ех£?&&о/г,

13. S.J. ЗумсЯ гоиоиЗ generate? ? ; United States Patent9 7V°5, 7$r} 782, £epta 4^ /вТЗ.

14. УЯе&'ОтЗо* /7.С., в. J. # TJozrtf fein,ofc ly/i&fizoKoc/s /nac&ctte . " g&e. 97/ae-fi.ztte/ g&c-tbofecg t * 7977, t, 7V<? 4. p. 36S-376.

15. Кгги^ /-/.P. ZaJmSmpee/afrWh а ы of раки htez a то a? ей ??Ja-55 с' & <?a я fw. />7 a e*. -"(Zzofi. g&vtzotedx, "(ъ$Ле?еси), W3, Af* 6. «Г. 3*/- 3U.

16. Куцевалов В.М. Асинхронные машины с массивным рото -ром. Рига, 1962. - 188 с.43Куцевалов В;М. Асинхронные и синхронные машины с массивными роторами. М.: Энергия, 1979. - 161 с.

17. Куцевалов В.М. Синхронные машины с массивными полюсами. Рига: Изд-во АН Латв. ССР, 1965. - 249 с.

18. Глазков В.П. Расчёт параметров ферромагнитного зуб -чатого ротора; "Электричество", 1975, № 9. - с. 37 - 41.

19. Струневич Е.В., Попов П.Г., Шумилов Ю.А. К определению электромагнитных параметров асинхронной машины с массивным ротором. Киев политехи; ин-т;, Киев: 1981; - 27 с; (Рукопись деп. в УкрНЙИНТИ 4 мая 1981 г; № 2745).

20. Cartel F. Ы. Лег Gap Jпо/иetcо,« сле 1б~оМ аяо/ f90f, ЗЗ.

21. Саг fez F. г*Г. ?£е ТГ/^^е/сс /сеёо/of tSe $>Снлто ^ вес tz.ee ТЦаейсне, ~ ? па 6 ZEE * t926j fffS9

22. Монюшко Н.Д. Расчёт потерь на поверхности полюсных наконечников синхронных машин. "Электротехника", 1966, № 6. - с. 59 - 62.

23. Монюшко Н.Д. Добавочные потери в массивном полюсе.-Тр. Ленингр. политехн.ин-та, 1966, № 273. с* 87 - 92.

24. Федоришин М.И. О магнитном поле в зазоре синхронной машины с массивным цилиндрическим ротором.' Тр.5 Ленингр. политехи*1 ин-та, 1969, & 301. - с. 61 - 68.56« (J. Pofe е {ec-tzow ag/retype ur

25. Иванов-Смоленский А.В. Электромагнитные поля и процессы в электрических машинах и их физическое моделирование;'- М.: Энергия, 1969.^ 304 с;

26. Кононенко Е.В., Сипайлов Г.А., Хорьков К.А; Электрические машины (спец.курс.О. Учебное пособие для ВУЗов;' - М;: Высш.Школа, 1975. - 279 с.

27. Альтшулер И.Б;, Карташевский П;Я., Лившиц А,А., Файнштейн М.Б. Расчёт электромагнитных полей в электрических машинах;' М;: Энергия, 1968.- - 88 е.67.- Бинс К., Лауренсон П; Анализ и расчёт электрических и магнитных полей. М.: Энергия, 1970. - 376 с;

28. Горохов В.Л., ЗВуловян В.В., Мацанова АД. Расчёт магнитного поля в воздушном зазоре бесконтактного синхрон -ного двигателя с внутренним каскадом^ "Изв; ВУЗов Электромеханика", 1976, № 6; - с. 624 - 635.

29. Ь f К. / Зоп?е асс«г*?е f&sx foz Ue tfotteof aFzpap. "Pzoc.IBE ", /эг£,г.г, л/*зщ -/>. зоо-зо/.95? tftia^eofS. IF., ёъо/еЛде P.//. г ve&fozp о fen & P ec^uafc'oh AFpMy jatutafea/ fief его роба? ePecfticae юаеАсъез „ Тган*.

30. Клоков Б.К., Кузнецов В.А.', Хвостов В.А?! Применение метода конечных разностей к расчету магнитного поля на зуб -цовом делении электрических машину "Тр. Моск.^нерг.ин-та", 1977? - вып? 314? - с? 14 - 18.

31. SC-Atocy. eeecttof-ec4h . . 7975, ^ Ms 13.-Н96-МЪ.10Cfictzc 7.оп&'/*еаг facte so

32. ПО? Котенко Г.И.,, Кархин В.А. Исследование магнитного поля между противолежащими пазами магнитной цепи; "Электричество", 1981, № 7, - с. 72-73.

33. RcLj<x£jopaecLh P.K., ваСаъаматиг^р V., SazmaP.J. rJootA-$-k<x c/c$tt>c6c/frd>fi 7*7 56oitteo7 Зо&е/ его* -zotozs . "flzoe.IEE /970, V. H7, № 1P-- •129; G.J., Mmanf S.Z>. 6t moo/ef poufezsytteM. Pa? 7 I, ЗЭ-г^сдъ /ъое/е?

34. Корн Г., Корн Т.1 Справочное пособие по математике для научных работников и инженеров; М.: Наука, 1977; - 832с;

35. Анго А.: Математика для электро- и радиоинженеров; М.: Наука, 1964; - 772 с;

36. Фролов Г.Д., Олюнин В;Б; Практический курс програ -мирования на языке PL I. - М.: Наука, 1983. - 348 с.

37. Зайдель А.Н. Ошибки измерения физических величин; -Л.: Наука, 1974. 108 с;

38. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. В 2-х т. Т. 2 , Л.: Энергия. - 1975. -407с.

39. Марактанов В.А. Комплексное магнитное сопротивление массивных стальных роторов асинхронных двигателей. Тр. Уральского политехи.института. Сб. 77. - I960. - с. 227-233.

40. Поздеев А.Д. Теория и расчёт механической харак -теристики электромагнитной муфты скольжения с массивным стальным пазовым якорем. Тр. Харьковского политехи, института. Вып.1. - I960. - с. 211 - 231.

41. Кашарский Э.Г., Шапиро А.С. О влиянии зубчатости напараметры турбогенератора при несимметричной нагрузке. В сб. "Теория, расчёт и исследование внсокоисполъзованных электри -ческих машин". - М. - Л.: Наука. - 1965. - с. 73 - 84.

42. Данилевич Я.Б. Добавочные потери в турбо- и гидрогенераторах. Л.: Наука. - 1973. - 182 с.

43. Брынский Е.А., Косачевский В.И., Попов В.В., Чернышев Н.Н. Исследование температурного поля ротора турбогене -ратора при несимметричных нагрузках. "Электротехника", 1973, гё 9. - с. 46 - 49.

44. Брынский Е,А., Поклонов С.В. Распределение электромагнитного поля в роторе асинхронного турбогенератора. В кн.: "Методы расчёта турбо- и гидрогенераторов". - Л.: Наука.- 1975. - с. 67 - 73.

45. Данилевич Я.Б., Левин В.И. Пульсации магнитного потока и вызванные ими потери в роторе (статоре) электричес -ких машин. В кн.: "Методы расчёта турбо- и гидрогенерато -ров. - Л.: Наука. - 1975. - с. 73 - 80.

46. P- if>i- ios. 129; ТаТс'Сзои G.J., Mmanf S.Z>. 72 moo/ef poufez