автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Математические модели для расчета электромагнитных параметров совмещенного многофункционального бесщелочного возбудителя с учетом несимметрии и двухсторонней системы зубчатости магнитной системы

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ОБЩЕМУ И СПЕЦИАЛЬНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

МИТРОФАНОВ ОЛЕГ ПАВЛОВИЧ

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЁТА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СОВМЕЩЁННОГО! --МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО БЕСЩЁТОЧНОГО ВОЗБУДИТЕЛЯ С УЧЁТОМ НЕСЙММЕТРИИ И ДВУХСТОРОННЕЙ ЗУБЧАТОСТИ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ

05.09.01 - «Электромеханика» Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор А.Т. Пластун

Научный консультант -кандидат технических наук, профессор В.И. Денисенко

Екатеринбург, 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ---------------------------------------------------------------- 8

В.1. Современный этап развития бесщёточных систем возбуждения синхронных машин. Существующие разработки

и тенденции дальнейшего развития---------------------------------------— 8

В .2. Постановка задачи разработки математической модели для исследования установившихся режимов работы совмещённых многофункциональных бесщёточных возбудителей------- --------------25

1. СОВМЕЩЁННЫЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ БЕСЩЁТОЧНЫЕ ВОЗБУДИТЕЛИ (СМБВ)-----------------------------28

1.1. Устройство, принцип действия и основные функциональные особенности возбудителя-------------------------------28

1.2. Особенности математического моделирования электромагнитных процессов в СМБВ------------------------------------35

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СМБВ НА ОСНОВЕ РАСЧЁТА МАГНИТНОЙ ЦЕПИ МАШИНЫ В ОСЯХ <1 И я--------3 7

2.1. Основные допущения и положения модели в осях d и q--------3 7

2.2. Алгоритм расчёта электромагнитного ядра СМБВ в

установившемся режиме----------------------------------—;-----------------У5

2.2Л. Подход к расчёту параметров схемы замещения

магнитной цепи в осях d и q и параметров режима работы-----------45

2.2.2. Принципы формирования системы уравнений, описывающих состояния магнитной цепи машины в установившемся режиме----------------------------------------------------ЬЗ

2.2.3. Подход к расчёту магнитных характеристик нелинейных

элементов схемы замещения магнитной цепи возбудителя---------58

2.2А. Подход к моделированию обмотки якоря, обмотки

возбуждения и постоянных магнитов-------------------—.--------63

2.2.4.1. Подход к моделированию МДС обмотки возбуждения-----/53

2.2.4.2. Подход к моделированию постоянных магнитов-------------— 63

2.2.4.3. Подход к моделированию МДС обмотки якоря----------------66

2.2.5. Подход к определению потоков, электродвижущих сил и

индуктивных сопротивлений обмоток машины--------------------------72

2.2.5.1. Методика расчёта индуктивных сопротивлений

обмотки якоря —---------------------------------------------------------------72.

2.2.5.2. Методика расчёта потоков в зазоре и

коэффициентов МДС зазора-------------------------------------------------74

2.2.5.3. Методика определения электродвижущих

сил обмоток машины--------------------------------------------------------76

2.2.6. Учёг влияния взаимоперпендикулярно направленных

потоков при определении магнитных проводимостей

некоторых участков магнитной цепи СМБВ--------------------------------77

2.3. Оценка математической модели по результатам

испытания промышленных образцов СМБВ-----------------------------79

2.4. Программный комплекс на основе модели в осях <1 и я------------83

3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЗАЗОРЕ СМБВ С УЧЁТОМ ДВУХСТОРОННЕЙ ЗУБЧАТОСТИ НА ОСНОВЕ МЕТОДА УДЕЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ (МУМС)----------88

3.1. Сущность метода удельных магнитных сопротивлений-----------88

3.1.1. Основные допущения и положения модели----------------------88

3.1.2. Способ пространственного представления МДС

обмотки возбуждения и якоря в модели-----------------------------90

3.2. Способы аппроксимации решения полевой

задачи при односторонней зубчатости--------------------------95

3.2.1. Расчёт поля в воздушном зазоре электрической

машины при односторонней зубчатости согласно

подходу Шуйского В. П.---------------------------------------------95

3.2.2. Расчёт поля в воздушном зазоре электрической машины при односторонней зубчатости согласно

подходу Вольдека А. И.-------------------------------------------------------10/

3.2.3. Использование результатов решения частных полевых задач методом конечных элементов для исследования

процессов в зазоре при двухсторонней зубчатости —-----------------103

3.3. Подход к определению характеристик магнитных полей в зазоре. Методика расчёта ЭДС подвозбудителя----------------------------------/2/

3.3.1. Определение характеристик магнитных полей в зазоре электрических машин с использованием модели по МУМС----------/2/

3.3.1.1. Гармонический анализ поля в зазоре при различных нагрузках и сочетаниях параметров зубцов на вращающейся

и неподвижной частях машины-------------------------------------- -72/

3.3.1.2. Расчёт коэффициента воздушного зазора с помощью

модели по МУМС-----------------------------------------------------------/22

3.3.1.3. Расчёт коэффициентов полей реакции якоря по

продольной и поперечной осям-----------------------------------------/22

3.3.1.4. Определение расчётной полюсной дуги-----------------------/23

3.3.1.5. Расчёт коэффициента формы поля возбуждения--------------/2 V

3.3.2. Алгоритм расчёта ЭДС обмоток СМБВ с учётом двухсторонней зубчатости-----------------------------------------------¡24

3.4. Расчёт провалов индукции вследствие зубчатости якоря и ЭДС измерительной обмотки физической модели бесщёточного синхронного двигателя с индукторным подвозбудителем -----------/3 /

3.4.1. Результаты сравнения относительных провалов индукции из-за наличия пазов якоря, рассчитанных в модели по МУМС с результатами эксперимента и расчётом с помощью МКЭ------------/ 31

3.4.2. Сравнение ЭДС измерительной катушки, рассчитанной

в модели по МУМС с результатами испытаний------------------------/3/

3.5. Расчёт ЭДС обмотки индукторного подвозбудителя СМБВ

на холостом ходу возбудителя---------------------------

3.6. Программный комплекс для анализа процессов в зазоре электрических машин на основе МУМС —

3.7. Выводы-------------------------------------------------

139

4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ В ОСЯХ а И я И МОДЕЛИ НА ОСНОВЕ МУМС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Исследование влияния вторичной зубцовой поверхности на величину результирующего зубцового поля и

индуцируемой им электродвижущей силы-----------------------------¡45

4.2. Исследование влияния площади поперечного сечения постоянных магнитов на величину

форсировочного напряжения СМБВ -----------------------------------------/50

4.3. Анализ магнитных полей вращающихся электрических машин в зазоре при различных нагрузках и взаимных положениях зубцовых сердечников на вращающейся и неподвижной частях-------/52

4.4. Определение характеристик электромагнитных

полей в зазоре электрических машин------------------------------------/61

4.4.1. Сравнение зависимостей коэффициента полюсного перекрытия, рассчитанных программой анализа процессов

в зазоре СМБВ по методу удельных магнитных сопротивлений с полученными согласно классической теории —-----------------------¡Ы

4.4.2. Сравнение результатов расчёта коэффициентов формы поля поперечной реакции якоря программы анализа процессов в зазоре СМБВ по методу удельных магнитных сопротивлений (МУМС) со значениями, полученными

в ходе расчётов согласно классической теории------------------------/Ь /

4.4.3. Сравнение результатов расчёта коэффициентов формы поля возбуждения программой анализа процессов в зазоре СМБВ по методу удельных магнитных

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В СМБВ

/43

сопротивлений (МУМС) со значениями, полученными в ходе расчётов согласно классической теории---------------------------/ Ь2

4.5. Исследование влияния числа полюсов СМБВ, а также степени насыщения магнитной цепи на распределение потоков в рабочем зазоре и тангенциально направленных

потоков в ярме индуктора-----------------------------------------------------¡66

4.6. Исследование зависимости ЭДС источника питания системы управления СМБВ от тока нагрузки с помощью математической модели анализа процессов в зазоре электрических машин по МУМС--------------------------------------------///

4.7. Исследование зависимости ЭДС обмотки датчика тока якоря СМБВ от тока нагрузки с помощью математической модели анализа процессов в зазоре электрических машин по МУМС ---------------------------------------/ 75

4.8. Исследование влияния элементов крепления магнитных

вставок на величин)' форсировочного напряжения СМБВ--------— / 77

4.9. Исследование ЭДС обмотки подвозбудителя

при нагрузке СМБВ------------------------------------------------------¡8/

4.10. Рекомендации по использованию результатов исследования магнитных полей программным

комплексом по МУМС в проектировочных расчётах СМБВ-------¡84

4.11. Выводы-------------------------------------------------------------

ЗАКЛЮЧЕНИЕ-------------------------------------------------------¡88

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ------------------¡91

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. К учёту влияния взаимоперпендикулярно направленных потоков при определении магнитных

проводимостей некоторых участков магнитной цепи СМБВ--------¡9/

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Исходный текст программного модуля, содержащего процедуру расчёта нелинейной магнитной

цепи СМБВ и параметров работы возбудителя совместно

с возбуждаемой СМ в установившемся режиме------------------------- 206

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Исходный текст программного модуля, содержащего процедуру расчёта поля на выделенном

участке активной зоны электрической машины------------------------2.! 5

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. К расчёту относительного провала индукции и ЭДС измерительной обмотки физической

модели на основе ПН-205--------------------------------------------------22 Ь

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. К оценке несимметрии в распределении

потоков СМБВ-----------------------------------------------------------------227

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. К расчёту некоторых характеристик электромагнитного ядра СМБВ с помощью

математической модели по МУМС-----------------------------------------2 32

ПРИЛОЖЕНИЕ 7. К определению влияния площади поперечного сечения постоянных магнитов на

величину форсировочного напряжения СМБВ--------------------------233

ПРИЛОЖЕНИЕ 8. К исследованию ЭДС обмотки

подвозбудителя при нагрузке СМБВ---------------------------------------235~

ПРИЛОЖЕНИЕ 9. К исследованию зависимости ЭДС обмотки датчика тока якоря от тока нагрузки с помощью

математической модели по МУМС-------------------------------------2 36

ПРИЛОЖЕНИЕ 10. К описанию программного комплекса

на основе математической модели в осях с! и ц-------------------------- 2 40

ПРИЛОЖЕНИЕ 11. К описанию программного комплекса для анализа

процессов в зазоре электрических машин на основе МУМС----------256

ПРИЛОЖЕНИЕ 12. К исследованию влияния элементов крепления

магнитов на величину форсировочного напряжения СМБВ----------264

ПРИЛОЖЕНИЕ 13. Акты, справки------------------------------------26 7

ВВЕДЕНИЕ

В.1. Современный этап развития бесщёточных систем возбуждения синхронных машин. Существующие разработки и тенденции дальнейшего развития

В условиях рыночной экономики использование высокоэффективных технологий является не столько условием благополучия предприятий, сколько, зачастую, необходимым условиям их выживания. Жёсткая конкуренция на рынке энергетического оборудования заставляет отечественных производителей электрических машин всё более совершенствовать функциональные возможности выпускаемых электромеханических устройств, добиваясь при этом более эффективного использования материалов и улучшения эксплуатационных свойств электрических машин.

В рамках общей тенденции поиска эффективных технологических решений происходит совершенствование возбудительной техники для синхронных машин (СМ). Современная система возбуждения (СВ) должна иметь минимальную материалоёмкость, трудоёмкость и энергопотребление по сравнению с существующими и другими разработанными вариантами систем возбуждения одновременно при обеспечении высокой степени надёжности функционирования возбудительного устройства (ВУ).

Большой вклад в создание основ современной возбудительной техники, использование технологии совмещения в возбудительных устройствах, а также в математическое моделирование СВ, внесли такие учёные как Важнов А.И., Веников В.А., Вольдек А.И., Глебов И.А., Горев

A.A., Иванов-Смоленский A.B., Копылов И.П., Кузнецов В.А., Сипайлов Г.А., Сиунов Н.С, Фильц Р.В., Шуйский В.П., Янко-Триницкий A.A., Загрядский В.И., Коломейцев Л.Ф., Костырев М.Л., Пластун А.Т., Попов

B.И., Саралулов Ф.Н., Скороспешкин А.И., Сидельников Б.В., Фёдоров В.Ф., Денисенко В.И., Логинов С.И., Мамедов Ф.А., Павлинин В.М., Пульников A.A. и другие.

Признанными научными центрами по изучению и развитию систем возбуждения синхронных машин на территории СНГ являются ВНИИэлектромаш, ЦПКТБ КЭМ, Институт. электродинамики Национальной академии наук Украины, НИЭИ им. Г.М. Кржижановского, Уральский государственный технический университет, заводы Электросила, Уралэлектротяжмаш, Лысьвенский турбогенераторный завод.

Современное возбудительное устройство, как исполнительный элемент системы возбуждения, должно удовлетворять целому комплексу требований. Наипервейшими в этом комплексе являются автономность,

быстродействие, нечувствительность к малым и большим возмущениям со стороны воздействующих на устройство факторов, однозначность воспроизведения сигнала и способность гарантированного обеспечения в любой момент времени требуемого уровня форсировки.

Исследования по синтезу идеального возбудительного устройства [1], ведущиеся уже несколько десятилетий на кафедре электрических машин под руководством проф. Пластуна А.Т., показали, что практическая реализация ВУ, удовлетворяющего столь широкому кругу требований, возможна лишь путём объединения в нём нескольких взаимосвязанных электромеханических преобразователей. Настоящий этап развития возбудительной техники характеризуется наличием двух основных направлений. Первое направление составляют статические ВУ, основанные на использовании статических полупроводниковых преобразователей в сочетании с трансформаторным оборудованием. Второе направление - это бесщёточные системы возбуждения (БСВ), выполняемые, чаще всего, на базе синхронных возбудителей.

Анализ [2, 3] выпускаемых российской промышленностью статических и бесщёточных систем возбуждения показал, что удельный расход материалов на единицу форсировочной мощности системы возбуждения непропорционально больше по отношению к удельному расходу материалов на единицу номинальной мощности возбуждаемой СМ и составляет для статических тиристорных систем возбуждения величину, находящуюся в пределах 6.34^-20.65 кг/кВт, для бесщёточных диодных СВ 3.68-^-8.8 кг/кВт. При этом доля материальных затрат на СВ весьма существенна, несмотря на то, что величина форсировочной мощности возбудителей составляет всего 4-г5 % по отношению к номинальной мощности возбуждаемой машины. Так, например, масса БСДК 15-21-12 при номинальной мощности СД составляет 36,9 % от массы двигателя. При статической тиристорной СВ серии ВТЕ-200 масса системы возбуждения по отношению к массе синхронного двигателя составила 43.4 %. Массы цветного металла составляют, соответственно, 20.5 % и 42 % от массы цветного металла двигателя. В то же время масса бесщёточной системы возбуждения зависит от величины номинальной частоты вращения генератора. С уменьшением номинальной частоты СГ масса БСВ возрастает и становится соизмеримой с массой статической системы. Таким образом, существуют области, где по затратам материалов и условиям эксплуатации целесообразно использовать бесщёточные системы возбуждения, но существуют также и области, где предпочтительнее использовать статические.

Факт необходимости применения в составе БСВ нескольких электромеханических преобразователей, а также эффект снижения затрат конструктивных материалов при использовании магнитного и

электрического совмещения создают предпосылки для активного использования технологии совмещения при создании ВУ.

На рис. В.1 приведена конструкция фирмы AEG (Германия) [4]. Здесь часть магнитного потока обмотки возбуждения возбуждаемой машины отводится через магнитный мостик для создания поля возбуждения подвозбудителя (ПВ). Благодаря оригинальному конструктивному решению совмещены две электрические машины -подвозбудитель и возбуждаемая СМ, причём обмотка возбуждения СМ выполняет функцию обмотки возбуждения подвозбудителя.

Значительный интерес представляют собой системы с самовозбуждающимися возбудителями, для которых характерно широкое использование принципов классического электрического и магнитного совмещения. Подвозбудитель в этих системах совмещается с возбудителем. В качестве ПВ применяют известные типы электрических машин: асинхронные, синхронные, индукторные, электромашинные усилители. Основное отличие при применении этих машин заключается в схемах включения обмотки, создающей поле ПВ.

На рис. В.2 и В.З приведены примеры включения этой обмотки в схемах, где в качестве ПВ используется асинхронная машина. Роторная обмотка асинхронного ПВ включается либо параллельно [5] якорной обмотке подвозбудителя, либо последовательно. Параллельное включение [1] приводит к необходимости увеличения мощности ПВ. По данным исследования [6] мощность ПВ достигает 30 % от номинальной мощности возбудителя. Это обусловлено влиянием тока возбуждения СМ в режиме короткого замыкания, в котором преобразователь переходит в более глубокий режим, и напряжение, питающее роторную обмотку асинхронного ПВ, пада