автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Пути улучшения технико-экономических показателей электродвигателей постоянного тока предельного использования

ХАРЬКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ В.И.ЛЕНИНА

На правах рукописи

Хабиб Муса Шехук

ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПРЕДЕЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

05.09.01 - электрические машины

. --Л

V

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков - 1992

? »

! \ ? / / У ■/ •

Работа выполнена на кафедре электрических машин Харьковского политехнического института имени В.И.Ленина.

Научный руководитель - кандидат технических наук, • доцент Егоров Б.А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Толкунов В.П.;

кандидат технических наук, доцент Мякшина И.Г.

Ведущая организация - НШ завода "Электротяжмаш"

(г. Харьков)

Защита диссертации состоится АЧ* оь 1992 г. в 14 часов на ааседании специализированного совета К 068.39.04 в Харьковском политехническом институте имени В.И.Ленина (310002, г. Харьков, ГСП, ул. Орунзе, 21).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Харьковского политехнического института имени В.И.Ленина.

Автореферат разослан "I? " января_1992 г.

Ученый секретарь специализированного совет Егоров Б.А.

05ЦЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТА. Электродвигатели постоянного тока находят самое широкое применение в промшлснности и на транспорте. Преимущества эксплуатационных характеристик рлоктродвигателей постоянного тока настолько суще-.тьенка, что первоначальные повы-пенные затраты на их изготовление и установку очень быстро окупаются, В таких отраслях проюлиенности, как металлургия, горнодобывающая, электрифицированный транспорт, судостроение, бумажная, текстильная и резиновая прожлленность, только электродвигатели постоянного тока :,:огут удовлетворить все требования к регулировании частоты вращения, пуску, роверсу. и перегрузочным способностям, а также автоматизации электропривода в целом.

Поэтому дальнейпий поиск путей совершенствования электродвигателей постоянного тока предельного использования является актуальной и своевременной задачей. Одним из таких путей является создание метода автоматизированного расчета крупных машин постоянного тока для расширения выбора вариантов мамины и поиска такого варианта', который наиболее полно отвечал бч требованиям к проектируемой машине. Другое направление, выбранное в работе, состоит в повышении точности расчета параметров обмотки якоря, что позволяет увеличить надежность машины постоянного тока (МИГ) в переходных режимах работы. С учетом того, что уточнение расчета магнитного поля дополнительных полюсов электродвигателей, работающих в режиме толчкообразных нагрузок, позволяет улучшить коммутацию при переходных процессах, был разработан уточненный метод расчета на ЭВМ небалансной коммутирующей ЭДС в указанных режимах раооты.

ЦЕЛЬЮ-НАСТОЯЩЕЙ РАБОТЫ является разработка метода автоматизированного расчета крупных двигателей постоянного тока, анализ влияния на показатели МПТ изменения числа пазов и размеров проводников обмотки якоря, разработка метода для уточненного расчета пазовой и зубцовой проводимости обмотки якоря МПТ при определении индуктивности обмотки и уточнении расчета коммутации, а также расчет небалансной коммутирующей ЭДС при толчкообразных нагрузках в электродвигателе постоянного тока.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и ренины следующие задачи:

I. Проведен анализ технического уровня крупных машин посто-

Hiworo тока.

2. Указаны возможные пути дальнейшего повышения надежности и технического уровня крупных МпГ.

3. Разработана методика автоматизированного расчета и предварительного конструирования крупных ЮТ.

4. С помощью разработанной методики сделан анализ ряда важнейших показателей проектируемой KIT при варьировании числа пазов или размеров проводников обмотки якоря.

5. Провиден анализ нескольких методов расчета собственной индуктивности пазовой части обмотки якоря и через коронки зубцов.

6. Разработан кодифицированный метод Рота для расчета проводимости пазовой части якоря и по коронкам зубцов МПТ с учетом насыщения к величины зазора между якорем и полюсом.

7. Проведены oKcnopi -чтвльние и теоретические исследования для разработки автоматизированного расчета коммутации МПТ при толчкообразных нагрузках.

М5ГГОДЦ ИССЛЕДОВАНИЙ, Расчеты крупных MIT проводились на основе применения метода динамического программирования и общепризнанных методов расчете, и проектирования крупных МПТ. Расчеты, срязанныо с определением магнитного поля, проводились с помощью метода конечных разностей и метода двойных рядов £урье (метода Гота). Обобщения и елялиз результатов расчетов проводились методом планирования эксперимента. Все методы реализованы в виде программ на ЭВМ EC-I06I на языках Фортран и ПЛ-1. Результаты расчетов сравнивались с результата.™ экспериментов и испытаний крупных MIT, проведенных в Н!ГЛ завода "Элоктротяжмаш",

НАУЧЯЛЯ НСГЛН1Л роботы состоит:

- в разработке метода евтоматизироншпйго расчета крупных

MIT;

- в определении количессвиного характера изменений кон-струкгип:;:-«: и тпянико-акиомичоских показателей крупных МПТ при варьировании числа пазов пли размеров проводников обмотки «коря;

- в создан/»! модифицированного метода Гота, позволягчцзго учесть насыионие и величину зазора при определении проводимости обмотки якоря;

- г определении количественного изменения проводимости пазовой члети обмотки при изменении насыщения зубцов якоря;

- в уточнении методики расчета пазовой проводимости пои зазорах меньше 8 мм;

- в составлении метода автоматизированного распета небяланс-ной ЭДС крупных ¡ШТ при толчкообразной нвгрузке для разных типов магнитных систем.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается:

- в создании комплекса программ для распета на SBM всех показателей крупных ШТ с целью гыбора наиболее приемлемого варианта для производства и эксплуатации;

- в разработке практических рекомендаций при выборе числа пазов и размеров проводника обмотки якоря крупных МПТ по показателям надежности и основных технико-экономических параметров таких машин;

- в создании автоматизированной методики, увеличивающей точность расчета индуктивных параметров обмотки якоря, что важно для проектировщиков как крупных МПТ, так и электроприводов на базе крупных MIT;

- в разработке автоматизированного метода расчета неб&ланс-ной ЭДС крупных MIT при толчкообразных нагрузках.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты работы в виде методик и программ расчетов на ЭВМ крупных МИГ испопьзовались в НПО "Электротяжмэш" при проектировании крупных уникальных МПТ»' По предложенной методике был проведен анализ параметров прокатного электродвигателя типа 2I12-I9/60-4 и ряда других крупных электродвигателей. Все разработанные методики и программы для ЭВМ переданы в НИИ завода "Электротяжмпш" для практического использования.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждплись на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава,сотрудников и аспирантов кафедры электрических мэшин Харьковского политехнического института в 1988-91 гг.

ПУБЛИКАЦИИ. Содержание диссертационной работы отражено в двух печатных статьях.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 88 наименований и приложений. Основной текст содержится на 130 машинописных страницах, снабженных 48 рисунками и К! таблицами.

Автор приносит искренним благодарность к.т.н. Черсмисову И.Я. и к.т.и. Калинич'шко U.C., научными к.-нсуттьтапипми и пом'-ды; ко-торгх он пользовался при работе над дигеертрчиеп.

СОДЕРлЛНИЕ РАБОТЫ

ВО ВйЗЦЗВМ отмечены основные тенденции развития электроприводов постоянного тока, обосновывается актуальность темы диссертации, определяются возможные пути совершенствования крупных ШТ, работающих а установившихся и переходных режимах, формулируются чел и к задачи исследований, кратко излагаются основные г,о-лог.очия диссертации.

В ПйРЗОЛ ГЛАВЕ сделан анализ определяющих показателей технического уровня современных крупных мапин постоянного тока. Сделана оценка динамики роста единичной мощности крупных 1.1ПТ, дчны сравнительные характеристики современных крупных ШТ, выпускаемых заводями России и Украины, а также зарубешкш фирмами.

Проведен анализ отказов крупных лПТ на металлургических заколах ига Украины и отмечено, что отказы из-за неполадок влект-рич'-.-ской части магаин составляют примерно 55 % от общего числа отказов, в тек чи.;ле 23 % - из-за расстройства коммутации, 25 % -по причине снижения уровня изоляции и 5 % - прочие отказы.

Отказы из-за механических неполадок составляют более 35 %, HiWweM наиболее часто происходят поломки ккоря, коллектора или г-.ы,\однт из строя обмотки якоря и компенсационные обмотки. Около лО % отказов связано с поломками вала, ступицы якоря, подшипников у. т.п. Все это заставляет расчетчиков к проектировщиков большое внимание при проектировании крупных И1Т уделять вопросам НЕДелашсти в работе таких ЬШТ, повышения сроков безотказной работы всех узлов и деталей ,УПТ.

Анализ литературы по расчету, проектированию и опыту эксплуатации крупных КПТ показал, что D настояло время наращивание мошостк крупных Ш1Т будет происходить не столько за счет улуч-ж>!нкя сройстя и характеристик эл-'ктротехническнх материалов, сколько за счет совершенствования методов расчета с помощью раз-рабсткп систем автоматизированного проектирования крупных ШТ, а таете за с.чзт улучшения технологии и культуры производства крупных мамин, В главе рассмотрены показатели, определяющие надежность рабс:ы MiiT: коммутационные и теплопме факторы, показатели динамики нарастания нагрузки по току якоря и др.. и сделаны рекомендации по определен;® отих покаоэтепей при создании методов расчета MiiT на ЭВМ. Указаны основные проблемы при создании САПР крупных MIT, в том числе проблема выбора оптимизационного критерия для крупной lihT. Как показывает опыт проектирования та-

6

кк:-: тан!, лрятсулп оптимизации могут быть разл:1чнт,:ми, в зависимости от конкретных условий работы келдоЙ из этих уникальных каяи. Сформулирована задача создания такой методики расчета крупных ЖГ с применением современных ЭВ.М, которая позволк.гг-. бы расчетчику накапливать банк данных з виде вариантов расчетных формуляров, хранящихся я памяти ЭЗМ, для поиска оптимального варианта при любых количестве и сочетании критериев, которые определяются из технического зЕдаяк? и конкретных условий произнод-ства. Пол этом полученное вариант!,! должны бить неде.гнимя в коммутационном откопенж:, не допускать пределов превышения температуры изоляции и достаточно прочиам в мохьничоскоч отношении.

Для повьпения точности расчета коммутации- в устаковиетемся рокиме и в переходных процессах решена задача по разработке методики автоматизированного расчета сашиндуктиЕНОсти обмотки в газовой части и пазового рассеяния через коронки зубцов с учетом насыщения стали, а тшске методики расчета переходных процессор, з крупных ШТ мри толчкообразных-нагрузках, которые характерны для такого класса машин.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ иэлокенк основы методики расчета и выбора размеров крупных МП'Г с помощью ЭВМ, а также проведен анализ некоторых результатов этих расчетов на примере заводских малин.

Задачей расчета явилось получение при наименьших возможных размерах якоря крупной Ш1Т таких размеров и параметров основных узлов и деталей ЫПТ, при которых показатели надежности двигателя находились бы в области допустимых значений по современным данным практики эксплуатации и научных исследований, а технико-око-номические показатели (такие, как вес, маховой момент, габарит!'. КПД и т.п.) были бы близки к наилучшим аналогичным показателя!-! в отечественном и мировом машиностроении.

Методика расчета базируется на работах И.Н.Рабиновича, И.Г.Иубова, В.Т.Касьянова, В.И.Толкунова, И.М.Постникова в области проектирования крупных Ш1Т и состоит из двух процедур. Первая, полностью автоматизированная с помощь» ЭВМ, процедура осуществляется без каких-либо явных оптимизационных расчетов и позволяет найти совокупность параметров размеров и показателей проектируемой крупной ШТ, которая будет удовлетворять требованиям технического задания с использованием только общепринятых лимитеров (ограничителей), с помощью которых отбрасываются варианты проекта машины, не удовлетворяющие требованиям этих лимитеров. Ме-

7

тодика расчета учитывает дискретный характер изменения диаметра якоря, числа пазов, числа полюсов, размеров проводников, диаметра коллектора и т.п. Поэтому основным методом проектирования на отом этапе является идея сканирования (перебора) вариантов, заранее предполагающая конечность решения рассматриваемой задачи. Проведение расчетов согласно рекомендациям динамического программирования позволяет преобразовать одновременный (однозтапный) процесс расчета многих переменных в развернутый 1.0 времени (многоэтапный) процесс, в котором на каждом последующем этапе осуществляются расчет и выбор гораздо меньшего числа переменных.

Вторая процедура расчета строится на алгоритме нахождения наилучшей совокупности показателей проекта в рамках требования технического задания на базе полуденных из расчетов по первой процедуре вариантов машины.

Вторая процедура может быть также автоматизирована на базе алгоритма любого классического метода оптимизации параметров при условии, что расчетчику известны критерий или группа критериев, по которым следует искать оптимум.

Критерием расчетного процесса во всех случаях выбора того или того варианта размеров или показателей МПТ являются требования технического задания, ГОСТа или нормали к оцениваемому параметру. Степень отклонения полученного проекта от оптимального явным образом не устанавливается. После определения варианта расчета ЬЯТ, наиболее приемлемого и допустимого по показателям наделаюсти и технико-экономическим показателям, может проводиться ограниченный поиск локального оптимума при варьировании одного из показателей по выбранному критерия. Для иллюстрации эффективности разработанной методики, алгоритма и программы по заданию проектирующей организации - ШШ харьковского завода "Электро-тл»иа" - были .проведены расчеты при варьировании числа пазов якоря или размера проводника обмотки якоря для определения максимума КПД. Одновременно программа обеспечила получение всех показателей проектируемой крупной МПТ, что позволило проЕ'.Ч'ТН анализ отдельных показателей, например габаритов якоря, веса деталей и узлов и в целом каиинм, потерь по элементам и в целом в мвиине, махового момента и других.

При подготовке программы для расчета и проектирования крупных Ы1ГГ все лимитеры, нормы, ограничиваю;:'!« показатели и т.п. ,условия проектирования были приведены в соответствие с совропеп-

8

ными величинами отих показателей, которые используются в практике производства крупных ШТ на заводе "Электротяжмаш".

Проектирование.проводилось при следующих основных условиях. Обмотка якоря принималась петлевой простой или сложной ступенчатой с числом проводников в слое 3, как наиболее надежной в коммутационном отношении. Габариты и диаметры якоря рассматривались такими, чтобы возможно было применить компенсационную обмотку. Изоляция закладывалась по классу Р и рассчитыпалась, как это принято в крупных ИЛ, по норкам класса В .

Для примера был рассчитан по предлагаемой методике двигатель мощностью 6000 кВт, напряжением 825 'Л, с частотой вращения Пы/Лп,а*~ 200/320 об/мин, с перегрузкой по току Л'¿- = 2,5. Било рассчитано II вариантов двигателя при изменении числа пазов лкоря от 324 до 414 с пагом 9 пазоп. Анализ характера количественных изменений параметров машины проводился по показателям надежности, а также по технико-экономическим показателям. К показателям надежности были отнесены параметры, связанные с характеристиками работы щеточно-коллекторного узла и коммутации, показатели перегрева обмотки якоря и сердечника, показатели механической прочности. Было установлено, что основной коммутационный показатель -реактивная ЭДС - не превышал 10 В при минимальной частоте вращения и номинальной погрузке. Среднее напряжение мекду коллекторными пластинами находится в допустимых пределах и но превышает 16 В. Тепловой фактор Аизменялся на -4 % от среднего значения, линеРная нагрузка повы'толась, а плотность уменьшалась. Все эти факторы не превышали предельных значений для данного класса машин. Превышение температуры сердечника якоря с ростом числа пазов снижалось (рис. I). Из рисунка видно, как влияет на температуру якоря подразделение проводника. Было определено, что объем меди в целом увеличивается, вес стали сердечника и зубцов уменьшается, увеличивается теплоотдающая поверхность, что и приводит к снижению температуры. В таблице представлен характер изменения веса, КПД и махового момента исследуемой машины при варьировании числа пазов. Как видно из таблицы, общий вес и маховой момент минимальны при Е = 414, а максимальный 1(ГЩ - при £ = 387.

Таким образом, имея под рукой все возможные допустимые вариант:! крупной МИТ с различным числом пазов, расчетчик может определить уровень отклонения показателей от оптимального по эа-дмчнш критериям.

Изменение температуры в функции числа пазов

- подразделенный проводник;------неподразделешп:):

нроиодник.

Рис. I 10

Зависимость ряда показателей проектируемого двигателя от числа пазов

Показатели

Число пазов ¿?

324 333 342 356 360 369

33,36 94,81 32,70 94,72 32,09 94,01 31,43 94,84 30,77 94,88 30,31 95,01

100,5 98,7 97,4 96,2 95,4 94,7

Вес, т КГЦ, %

Маховой момент, у

т»м *

Продолжение

Показатели

Число пазов Я

378 387 396 405 414

29,78 95,04 29,20 95,05 28,94 94,91 28,40 94,85 28,00 94,86

93,6 92,1 • 91,5 91,2 90,2

Вес, г КПД, %

Маховой момент, т-м*

Большое влияние на характеристики МПТ оказывает :")бор размеров проводников в пазу якоря. Поэтому по рекомендациям завода-изготовителя по разработанной методике были проведены расчеты и сделан анализ характеристик двух крупных МПТ при постоянстве числа пазов, но с разными размерами проводников в пазу якоря. При этом плотность тока сохранялась примерно постоянной, площадь проводника и его размеры менялись дискретно в соответствии с ГОСТом на обмоточные провода. Сделано две серии расчетов - с фиксированной длиной якоря и с переменной длиной якоря в пределах ¿10 % от среднего значения.

Лнализ количественных результатов расчета показал, что показатель надежности коммутации Р-ь- снижается по мере увеличения ширины проводника более чем на Ш 1 Если одновременно с изменением ширины проводника изменять длину якоря, то уменьиается по абсолютной величине ( на 15 %) и диапазон изменения ^ уменьшается до 25 %. Превышение температуры сердечника при постоянной длине с ростом ширины проводника уменьшается на 15 ',», а если при этом увеличивается длина якоря, то превышение температуры сердечгшка уменьшается на 50 % от максимального значения (109 °С) при самом узком проводнике. Аналогичную картину мокно было наблюдать и для превыяения температуры якоря - одновременное кзмене-

ние ширины проводника и длины якоря вызывает больший перепад превышения температур, чем в иариантах машины с постоянной длиной. Указать однозначно причину этих явлений практически невозможно, так как на перегрев влияет многофакторный процесс нагрева от потерь в машине и охлаждения через различные поверхности. В целом можно сделать вывод о том, что машины с более широким проводником имеют перегревы меньше, чем с узким проводником. Шггод позволяет расчетчику получить весь спектр количественных соотношений, характеризующих механическую прочность узлов (в том числе и напряжение растяжения основания зубца) при постоянной и переменной длине якоря и при изменении размеров проводников, из которых он может выбрать наиболее подходящий для конкретной ма-иинн гариант.

М1Д крупной ШТ при варьировании ширины и высоты проводника в значительной степени определяется добавочными потерями в проводниках обмотки якоря и в стали наконечника главного полюса. При постоянной длине якоря максимум КПД без учета потерь на возбуждение будет при самом узком и самом высоком проводнике обмотки якоря. В серии расчетов с изменением длины якоря и размеров проводника максимум КПД был найден при ширине проводника, равной 2,0 N3.1. Величина максимума КПД, найденная с учетом потерь на возбуждение и для режима работы с максимальной частотой вращения, лежит в области самого узкого проводника, если длина якоря фиксированная, и смещается внутрь области варьирования размеров проводника, если одновременно с размерами менять длину якоря. В работе указаны области оптимума КПД при различных условиях выполнения пазовой зоны. Дальнейшее использование более совершенных методов расчета добавочных потерь позволит получить оптимум размеров проводника по максимальному КПД уже на стадии проектирования.

По согласованию с НИИ завода "Электротяжмшп" по разработанной методике бал проведен анализ изменения показателей крупного прокатного двигателя (2000 кВт, 930 В, 200/400 об/мин, 2300 А, коэффициент перегрузки 2,75) при постоянном числе пазов, но при изменении размеров (ширимы и высоты) проводника в допустимых по г.'сем показателям пределах. Били выполнены дрс> серии расчетов -при постоянной длина якоря ( 0,6 м) и при одновременном изменении длины (на ¿15 % от среднего значения) и размеров проводников обмотки якоря. Попучэно по 10 вариантов возможного выпол-

12

нения ШГ в кадцой серии со всеми показателями. Характер изменения показателей совпадает с характером аналогичных величин, полученных ранее для других рассчитанных МПТ по предложенной методике. Контрольный вариант выполненной машины имел показатели, совпадающие с соответствующими значениями показателей, полученных на заводском стенде во время испытаний исследуемого двигателя. Если критерием является максимальный КЩ, то в серии расчетов с постоянной длиной якоря оптимальный вариант может быть получен при самом узком (t£a = 2,0 мм) и самом длинном проводнике и »-чбое увеличение ширины проводника увеличивает суммарные потери в машине. В серии расчетов с одновременным варьированием ширины (высоты) проводника и длины якоря оптимальный вариант двигателя получается при ширине проводника ¡fa 2,2 ми, а любое изменение размера проводника и длпнм якоря ухудняет К1Щ. Если г.е критерием оптимальности будет маховой момент (что для динамики реверсивного привода может иметь решающее значение), то в первой серии расчетов, с постоянной длиной якоря, оптимальным вариантом (с минимумом GD ) будет двигатель с самым широким и низким проводником {Sa= 3,4 мм), а во второй серии расчетов, с изменением длины якоря, минимум &D будет в машине с самым узким и высоким проводником и самым коротким якорем. Одновременно был сделан анализ таких показателей, как изменение потерь, веса, удельных нагрузок, перегрева обмотки и якоря, коммутационных показателей и т.п.

В ТРЕТЬЕ»! ГЛАВЕ в результате анализа магнитного поля в пазу якоря крупных ШТ предложен усовершенствованный метод расчета собственной индуктивности пазовой части обмотки якоря с учетом насыщения и изменения зазора между якорем и полюсом (как главным, так и дополнительным). При этом исследованы результаты расчетов индуктивности по трем методикам - по общему (классическому) методу, по методу расчета поля с помоцью двойных рядов Оурье (метод Рота) и с помощью расчета картины поля в Пазу ШТ методом конечных разностей (Î.KP). При этом определение собственной индуктивности обмотки якоря проводилось для любого переходного процесса - будь то переходный процесс, связанный с коммутацией токов, или переходный процесс изменения тока нагрузки в связи с пуском, торможением или реверсом двигателя. Поэтому собственная индуктивность определялась как для пазов, находящихся под дополнителып.т>.'и полюсами (процесс коммутации), так и под главным

13

полюсом и в меклолюсном пространстве.

Хорошо известны ограничения применения классического метода расчета собственной индуктивности (проводимости) пазовой части обмотки, в частности, допущения о том, что сталь зубцов насыщена, в пазу находится один проводник в слое, зазор между якорем и полюсом бесконечно большой. В современных машинах проводников в слое всегда больше одного; сталь зубцов достигает насыщения даже под дополнительными полюсами при заданных максимальных уровнях перегрузки по току и зазоры между якорем и полюсом имеют Еирокий спектр величин - от 3-4 мм под главным полюсом до 0-15 мм под дополнительным полюсом - и равны бесконечности только в межполюсном пространстве.

Метод Рота позволяет получить собственную индуктивность проводника с током с помощью расчета векторного потенциала /! в пазу якоря, при этом учитывается месторасположение проводника с током в пазу, величина тока кадцого проводника, их геометрия. Однако этот метод не учитывает насыщение стали, окружающей паз, и зазор (считая его бесконечным)-между якорем и полюсом. С помощью двойных рядов Фурье и ряда преобразований, установленных Ротом, можно получить выражение для собственной индуктивности проводника в пазу:

где О., £ - ширина и высота паза; С/ , -.ширина и высота ^ -го проводника; О^ , - расстояния сторон ^ -го проводника от левой боковой стенки паза; В^ расстояния сторон у-го

проводника от дна паза; - число элементов рядов; Вдм ~ коэффициент, определяющий связь между ^ -ми проводниками.

В настоящее время наиболее совершенным методом расчета поля для определения собственной индуктивности является метод конечных разностей (МКР). Покрывая расчетную область сеткой, можно определить распределение поля в области с учетом геометрии проводника, лаза, эрзора, магнитного- сопротивления материалов и величины токов в проводниках. При этом с помощьо метода итерации

определяется потенциал в узловых точках области по формуле

где 1о - среднее значение тока в узловой точке; ^ - коэффициенты, учитывающие неравномерность размеров прямоугольно!! сетки и удельное магнитное сопротивление в каждой ячейке.

С помощью 1лКР был проведен расчет магнитного поля в пазу с проводниками с током, при этом изменялся зазор между якорем и полюсом и насыщение. На рис. 2 представлен характер изменения индуктивности паза в зависимости от зазора и уровня насыщения основания зубца, а также характер изменения собственной индуктивности от потока через воздушный зазор только для случая ненасыщенного зубца. Видно, что индуктивность, определенная классически л методом (при -00 и &г- 1,7 Тл), будет максимально возможной собственной индуктивностью проводников в пазу, при всох других условиях, т.е. при изменении зазора и насыщения, она будет тем меньше, чем меньше зазор и больше насыщение стали зубцов. ЖР мест существенный недостаток, задерживающий широкое внедрение его в практику расчетов полевых задач для электрических машин, - необходимость для каждого конкретного случил области составлять свою расчетную сетку, довольно громоздкую, и дали современные персональные компьютеры относительно медленно считают эти задачи.

Метод Рота имеет существенное преимущество в том, что но нуждается в построении расчетной сетки для расчета поля и очень подходит для персональных компьютеров для широкого применения. Поэтому разработан Модифицированный метод Рота, который учитывает насыщение к зазор между якорем и полюсом.

С помощью метода конечных разностей по плану ортогонального центрально-композиционного планирования (ОЦКП) были проведены У расчетных экспериментов в ядре полного факторного эксперимента, в нулевой и звездных точках плена. В результате были получены коэффициенты нелинейного полипемп и определена функция откгикр, котерэй являлась собственная енхуктиго'озть паза с учетом нп'-чщч-ния зубцов и величины зазор?:

.,б7

22

21

20

19

18

17

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7

б

5

4

3

2

1

Индуктивность паза в зависимости от зазора,и насыщения (I) и индуктивность по коронкам зубпор (2)

где X, - закодированное значение первого фактора - зазора;

Хг - закодированное значение второго фактора - насыщетг зубца;

У - собственная индуктивность, Гн/м.

Как было уже указано, собственная индуктивность снижается по мере уменьшения зазора и роста насыщения. Тот же эффект можно получить, если рассчитывать собственную индуктивность методам Рота с увеличенной расчетной шириной паза cl но формуле (I).

Гиперболическое уравнение, описывающее зависимость мсуду индуктивностью паза и шириной паза, имеет вид

¿--¿0-5е'М И)

где о ~ предельное значение собственной индуктивности для минимального зазора и ненасыщенного режима; Л и ê - постоянные гиперболы, определяющие характер гиперболы; Cl'„- прнведекнал расчетная ширина паза для (I).

Определяя при двух-трех значениях факторов значение собственной индуктивности из уравнения (4) и подставляя его в формулу (5), получаем систему уравнений, из которой находим значение такой расчетной (условной) ширины паза bfl , подстановка которого в формулу (I) дает значение собств°»шой индуктивности с учетом зазора и степени насыщения.

Учет насыщения проводился с помощью введения в расчет поля МКР участка кривой насыщения, соответствующей установленному уровню насыщения, - только такой подход позволяет получить картину поля в пазу с учетом насыщения зубцов от внешнего поля обмотки возбуждения.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ(из опыта эксплуатации большого числа крупных ШТ)установлено, что MIT, хорошо коммутирующие при установившихся режимах, в нестационарных режимах имеют неудовлетворительную коммутации. Причины нарушения коммутации заключаются в том, что нарушается условие равенства реактивной ЭДС и коммутирующей ЭДС £к , а результате чего появляется небалансная ЭДС л С и нескоипенсированная транейорматорная ЭДС éV . Значение нсском-пенсироранной реактивной ЭДС определяется степенью отстазания коммутирующего потока от тока нагрузки:

ле

Ф

где л 0 - —* - относительное отставание коммутирующего по* Ф т п

7 км I 1

тока; среднее значение коммутирующей ЭДС в номинальном

режиме; П/пном - относительная частота вращения двигателя.

Поэтому при проектировании крупных 1ЛТ, предназначенных для работы в режимах толчкообразных нагрузок, необходимо производить расчет коммутации не только при установиЕс.ег.:ся режиме, но к определять величину небалансной ЭДС при переходных рели/.ах. Для отого необходимо найти величину относительного изменения коммутирующего потока (см. формулу (5).

Гсвестна методика расчета изменения коммутирующего потока при толчкообразных нагрузках для крупных ¡'«ИТ, в которой решением уравнения магнитного поля методом Дирихле определяется закон изменения магнитного потока в дополнительных полисах, рассчитывается магнитная проводимость магнитопровода дополнительных полюсов и, наконец, определяются изменения потока дополнительных полюсов при толчкообразных нагрузках А . Эта методика расчета А Фт имеет существенный недостаток - применение ее в инженерной практике СЕЯзако для' кеокдого варианта машины с длительным и трудоемким процессом расчетов. Причем, если пойти на упрощение формул, то это приведет к таким погрешностям, которые обесценят выполненную работу. Поэтому была составлена методика расчета небалансного потока, ориентированная на применение Эйд, написана программа и сделаны серии контрольных расчетов, результаты которых сравнивались с результатами окспериментов на реальных МПТ и специальных моделях магнитопровода в лаборатории завода.

При этом определение постоянной времени цепи якоря , равной отношению продуктивного сопротивления Аа якоря к его ■ активному сопротивлению, проводилось с учетом уточнения расчетов собственной индуктивности, которое изложено в третьей главе диссертации. Параметры и размеры МПТ, необходимые для определения постоянной времени эквивалентной цепи магнитопровода дополнительных полюсов ; определялись по результатам расчетов МПТ, работающей в стационарном режиме, по методике, изложенной во второй главе.

Анализ результатов расчета показал, что чем больше отношение Та/Т^ , тем меньше всплеск небалансного коммутирующего потока. Поэтому при допущении, что , .необходимо уменьшать величину 7/ . Увеличение 7а при хотя' и приводит к уменьшению всплеска но увеличивает время переходного процесса, что ухудшает коммутацию.

18

Коммутирующий поток при переходном процессе МПТ

I - эксперимент ; 2 - упрошенной расчет ; 3 - уточненный расчет

Рис. 3

Анализ полученных в главе результатов показал, что при прочих постоянных условиях чем менызе внутренний диаметр станины ЫГГГ и высота спинки 6 и чем больше число пар полюсов р и длина дополнительного полюса (и следовательно, и всего двигателя) , тем меньше небалансный поток л Ят,. Зазоры между Д11 и станиной и ДП и якорем желательно увеличивать, так как ото уменьшает . Экспериментальная проверка результатов расчета на крупной Ш? показала хорошее совпадение расчетных данных с опытными величинами, что видно из рис. 3, где I - изменение л 6т? по предлагаемой методике, 2 - то же - по упрощенной методике, 3 -кривая А ^ , экспериментально снятая на заводском лабораторном стенде.

■ В ЗАКЛЮЧЕНИИ приведены основные результаты работы и сделаны следующие выводы.

1. На основе анализа работы крупных ШТ установлено, что улучшение их технико-экономических показателей на современном этапе развития должно осуществляться путем повышения точности расчета комплексными автоматизированными методами, позволяющими осуществить всесторонний анализ всех возможных вариантов выполнения МПТ и выбрать вариант исполнения, наиболее полно отвечающий техническому заданию и технологическим возможностям производства.

2. Разработана двухступенчатая методика автоматизированного расчета крупных ЫПТ, позволяющая существенно ускорить расчеты МПТ; проводить оптимизацию показателей по отдельным критериям; делать оценку технико-экономических показателей вариантов ШТ; использовать программу в расчетной части САШ1 крупных МПТ; создавать базы данных и банки модульных решений для САПР крупных МПТ.

3. Выявлен характер изменения показателей надежности исследуемых в работе ШТ при варьировании числа пазов якггп:

- прочность зубца якоря в его основании уменьшается на 40 % при увеличении числа пазов на 24 %\

- с ростом числа пазов на 24 % нагрев сердечника снижается на 10+12 %, а нагрев обмотки якоря - на 7*8 %;

- максимальное напряжение между соседними коллекторными пластинами с ростом числа пазов на 24 % снижется на 22 %.

4. Установлено, что варьирование размеров проводника обмотки якоря при изменении длины якоря позволяет получат;, варианты

20

•KIT с повышенными показателя;.™ надежности и улучшенными технико-экономическими показателями в более широких пределах, че.л при изменении размеров проводника при фиксированной длине якоря; в частности, мокко снизить величину реактивной ЭДС на 20 %, уменьшить перегрев обмотки якоря на 6 % и сердечника якоря на 18 % относительно вариантов с постоянной длиной якоря.

5. Показано, что при варьироаснии размеров проводников и постоянной длине якоря величина КПД ¡ШТ изменяется монотонно и имеет максимальное значение в случае самого узкого проводника; для вариантов с изменяющейся длиной якоря - внутри области варьирования размеров проводника.

6. Установлено, что коэффициент использования и К!1Д ыПТ больше при более узких проводниках, а показатели коммутационной и тепловой надежности лучше при более широких проводниках обмотки якоря. Поэтому при выборе нужного варианта MIT необходимо определять критерий выбора.

7. Выполнена модификация метода Рота, позволяющая при расчете собственной индуктивности пазовой части обмотки и по коронкам зубцов учитывать насыщение зубцовой области, размер зазора между полюсом и якорем, геометрию проводников и их положение в пазу, что повышает точность расчета собственной индуктивности обмотки якоря.

8. Разработана методика автоматизированного расчета небалгнс-ной ЭДС при толчкообразных нагрузках, учитывающая экспериментально установленный характер изменения магнитного поля в магни-топроводе при толчкообразных нагрузках, что позволяет уточнить расчет коммутирующего поля.

ПО TB1Ü ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТ!!:

1. Определение параметров электромагнитных систем методом конечных элементов / Хябиб !."уса Шехук, В.А.Егоров, А.А.Ильшщкий и др. // Вестн. Харьк. политехи, ин-та. 1990. № 279: Электромашиностроение и автоматизация пром. предприятий. Вып. 15. С.14-17,

2. Хябиб Муса Шехук, Егоров Б.А., Илышцкнй A.A. Анализ экспериментальных исследований переходных процессов прокатного двигателя // Вестн. Харьк. политехи, ин-та. 1992: Электромашиностроение и автоматизация пром. предприятий. Вып. 17. (Принята

в печать).