автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Синхронизированные однофазные асинхронные машины

На правах рукописи

ГОРНОСТАЕВА СВЕТЛАНА СЕРГЕЕВНА

СИНХРОНИЗИРОВАННЫЕ ОДНОФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Специальность 05.09.01-«Электромеханика и электрические аппараты»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена на кафедре электромеханики Московского энергетического института /Технического университета/.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

КОПЫЛОВ

Игорь Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук, профессор

ГОЛЬДБЕРГ Оскар Давидович

АЛИЕВ

Исмаил Ибрагимович

Ведущее предприятие - ФГУП НПП «Всероссийский научно-исследовательский институт электромеханики», г. Москва.

Защита диссертации состоится "18" июня 2004 г. на заседании диссертационного совета Д 212.157.15 при Московском энергетическом институте /Техническом университете/ в аудитории Е-205 в 13 час. 00 мин. по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.. 13.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ /ТУ/.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ /ТУ/.

Автореферат разослан 2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.15. к.т.н., доцент

СОКОЛОВА Е.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Однофазные асинхронные двигатели находят широкое применение в бытовой технике, сельском хозяйстве, торговле, медицине и в других областях, где требуется дешевый нерегулируемый электропривод, питаемый от однофазной сети переменного тока. Они выпускаются миллионами штук в год и потребляют около 10% вырабатываемой электроэнергии.

В последние годы проявилась тенденция к объединению электромеханических преобразователей с электронно-вычислительными машинами, которые позволяют управлять, как отдельными машинами, так и комплексами электрических машин, что актуально для сложных электроприводов. Большинство серийных электрических машин работают в замкнутых системах автоматического регулирования и в основе своей имеют обратные связи, демпфирующие контуры, блоки усиления, датчики положения и другие неотъемлемые элементы системы автоматического регулирования. Для удовлетворения новых требований к электромеханическим преобразователям, которые появляются при объединении их с микропроцессорами, необходимо изменять конструкции электромеханических преобразователей.

Применение в однофазных асинхронных двигателях на роторе, вместо короткозамкнутой обмотки, обмотки с фазным ротором, в цепь которой включены выпрямители, придает однофазному двигателю новые важные качества. Включение в цепь ротора выпрямителей координально изменяет свойства однофазного асинхронного двигателя, превращая его в синхронизированный, когда энергия обратной последовательности расходуется на возбуждение. При работе такого двигателя в синхронном режиме жесткая обратная связь между током нагрузки и током возбуждения обеспечивает устойчивую работу двигателя. С ростом нагрузки растет ток возбуждения, что обеспечивает высокие энергетические показатели синхронизированного однофазного асинхронного двигателя. Синхронизированный однофазный асинхронный двигатель является примером, когда сравнительно небольшие конструктивные изменения дают значительную экономию электроэнергии без применения управления машиной с помощью электроники.

Использование энергии обратной последовательности для возбуждения позволяет создать не только

I библиотека I

I «УЖ? У/1

тическими характеристиками, но и тихоходный генератор для бесплотинных ГЭС.

Цель работы заключается в создании методики расчета синхронизированных однофазных асинхронных машин, оптимизации конструктивных решений, создание математических моделей и расчетных программ для исследования статических и динамических режимов синхронизированных асинхронных машин, а именно, создание методики проектирования синхронизированного однофазного асинхронного двигателя и синхронизированного однофазного генератора, создание математической модели для исследования процессов пуска и рабочего режима синхронизированного однофазного асинхронного двигателя, сравнительная оценка схем возбуждения синхронизированных асинхронных машин.

Задачи исследования: описание принципа действия и конструкции синхронизированных асинхронных машин; разработка математической модели для пуска и рабочего режима синхронизированного однофазного асинхронного двигателя с преобразованием дифференциальных уравнений по методу симметричных составляющих; сравнительная оценка схем возбуждения синхронизированных асинхронных машин; оценка адекватности разработанных алгоритмов и программ процессам, происходящим в реальном синхронизированном двигателе, на основе сравнения расчетных и экспериментальных данных.

Научная новизна. Научная новизна диссертации заключается в создании новых машин на базе хорошо известных путем внесения небольших конструктивных изменений. Предложена конструкция однофазных и трехфазных генераторов, которые могут использоваться в качестве тихоходных без-редукторных гидроагрегатов в малой гидроэнергетике. Созданы математические модели, позволяющие адекватно оценить процессы, происходящие в синхронизированном однофазном асинхронном двигателе при пуске и в синхронном режиме работы.

Практическую ценность представляют результаты расчетов отрезка серии синхронизированных однофазных асинхронных двигателей и нескольких синхронизированных однофазных генераторов; инженерные рекомендации по выбору схем возбуждения и проектированию трехфазного генератора; согласование результатов исследования с ЯЭМЗ и ОАО «Электросила».

Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования, теории электрических цепей и машин, теории поля, гармонического и векторного анализа, метода двух ре-

акций, симметричных составляющих, алгебры матриц, координатных преобразований Все вычисления и графические построения производились на ПЭВМ с применением следующих пакетов программ: MathCAD 2000 Pro, Matlab6.5, Mechanical Desktop, Corel Draw 11, MSWord XP, MSExel XP. Для экспериментального исследования динамических режимов работы синхронизированного двигателя был использован испытательный стенд кафедры Электромеханики МЭИ (ТУ).

На защиту выносятся следующие основные положения:

• теория и конструкция синхронизированного однофазного асинхронного двигателя, синхронизированных однофазного и трехфазного генераторов;

• математическая модель пускового режима синхронизированного однофазного асинхронного двигателя;

• сравнительная оценка систем возбуждения синхронизированных асинхронных машин;

• оценка адекватности разработанных алгоритмов и программ процессам в реальпом синхронизированном двигателе на основе сравнения расчетных и экспериментальных данных.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 169 страниц и содержит 44 рисунка, 7 таблиц, 85 наименований списка литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, отмечена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе сделан обзор публикаций по вопросам создания электрических машин малой мощности, машин с полупроводниковыми преобразователями и методов моделирования статических и динамических режимов работы асинхронных машин малой мощности.

Большой вклад в развитие теории и практики однофазных асинхронных двигателей внесли отечественные ученые Адаменко А.И., Алымкулов К.А., Беспалов В.Я., Ефименко Е.И., Иванов-Смоленский А.В., Копылов И.П., Костраускас П.И., Лопухина Е.М.,

Мамедов Ф.А., Мощинский Ю.А., Семснчуков Г.А., Сомихина Г.С., Торопцев Н.Д., Хрущев В.В., Чечет Ю.С., Юферов Ф.М. и др.

В начале 90-х годов XX века группа ученых под руководством Копы-лова И.П. начала разработку электродвигателей нового поколения. Эти машины представляют собой машины малой мощности с полупроводниковыми преобразователями и автоматическими регуляторами возбуждения. Причем автоматический регулятор возбуждения не требует наличия дополнительных устройств, он заложен непосредственно в самой конструкции и принципе действия этих машин.

Дальнейшее развитие синхронизированных асинхронных машин представляется перспективным, как с точки зрения улучшения качества сети (в маломощных двигателях), так и с точки зрения защиты окружающей среды (тихоходные гидроагрегаты) Синхронизированные однофазные асинхронные двигатели малой мощности имеют более высокий по сравнению с другими однофазными

двигателями. Тихоходные бесплотинные гидроагрегаты обеспечивают высокие энергетические показатели, используют энергию малых рек и не требуют строительства плотин.

Вторая глава посвящена теории и особенностям конструкции синхронизированного однофазного асинхронного двигателя, рассмотрению различных схем возбуждения.

Синхронизированный однофазный асинхронный двигатель представляет собой обычный однофазный асинхронный двигатель с фазным ротором, в цепь которого включены выпрямители, позволяющие использовать в качестве возбуждения обратное поле. В однофазных двигателях при возбуждении от обратной последовательности получены в меньших габаритах лучшие энергетические характеристики, которые достаточно близки к характеристикам трёхфазных асинхронных двигателей.

При включении однофазной обмотки статора в сеть переменный ток, проходя по обмотке, создает пульсирующий магнитный поток, неподвижный в пространстве и изменяющийся во времени. Для создания пускового момента в однофазном асинхронном двигателе на статоре двигателя помимо основ. ной (рабочей) обмотки А, занимающей 2/3 пазов сердечника, расположена . вспомогательная (пусковая) обмотка В. При этом оси обмоток смещены в пространстве относительно друг друга на угол 90 эл. град (рис. 1), атоки 1а и в обмотках сдвинуты по фазе относительно друг друга Так как обе обмотки включены в однофазную сеть параллельно, то для получения фазового

сдвига между токами Iа и 1в в цепь вспомогательной пусковой обмотки В включают фазосдвигающий элемент, в качестве которого лучше всего использовать конденсатор.

Вспомогательная обмотка В необходима только для пуска. В рабочем режиме двигатель работает с одной обмоткой на статоре. Отключение пусковой обмотки можно осуществить несколькими способами: с использованием реле тока или силовых ключей. Использование силовых ключей требует наличия системы управления. В простейшем случае можно использовать в качестве отключающего элемента позистор. Для включения диодов в цепь фазного ротора в процессе запуска двигателя предусмотрено центробежное реле.

Обмотка возбуждения синхронизированного двигателя может быть выполнена как однофазной, так и многофазной. Она должна иметь такую конструкцию, при которой может быть получена требуемая МДС при наименьшем расходе обмоточного материала.

При переходе от однофазной к т-фазной обмотка возбуждения будет состоять из т однофазных катушек. Очевидно, что при этом возрастает МДС, создаваемая обмоткой, но одновременно повышается расход обмоточного провода. Основная идея сравнения состоит в том, что если при переходе к т-фазной системе возрастание МДС будет происходить быстрее, чем увеличение расхода меди, то такой переход оправдан, и наоборот.

В данной работе проведен сравнительный анализ одно-, двух- и трехфазной обмоток возбуждения (рис.2 - 4).

Для анализа различных схем обмотки возбуждения было сделано допущение, что двухфазная и трехфазная системы выполняются соответственно из двух и трех одинаковых фаз, таких же как и при однофазной обмотке. Таким образом, параметры всех фаз во всех

обмотках были одинаковы, то есть фазы обмоток имели одинаковые комплексные сопротивления, в них наводились одинаковые по амплитуде ЭДС. При сравнении проанализировали не только изменение результирующей МДС при переходе от одного варианта к другому, но и требуемое количество обмоточного провода.

В двухфазной системе возбуждения результирующая МДС равна векторной сумме МДС двух фаз.

Результирующая МДС обмотки в трехфазной системе возбуждения определется как геометрическая сумма МДС отдельных фаз. В течение первого полупериода ток протекает в фазах 2 и 3, в течение второго - в фазах 1 и 2. Очевидно, что при протекании тока по двум фазам значения токов и МДС фаз соответственно равны.

Значения результирующих МДС для однофазной, двухфазной и трехфазной обмоток возбуждения определяются по следующим выражениям соответственно:

.Кщг_ 2х '

Р

Гср1—

р"ср" 4ж ~ (2)

Р,

2 3Кщ

2

Т~2~Г>

где ДГ = V2-444-/-Ф,.,

г = л/й2 +Хг - модуль полного комплексного сопротивления каждой фазы.

Из сопоставления формул (1) - (3) видно, что при переходе от однофазной схемы к двух- и трехфазной схеме среднее значение результирующей МДС возрастает, однако, при этом возрастает и расход обмоточного провода, который (характеризуется произведением числа витков обмотки w и сечения проводников Б Для сравнительной оценки вводим критерий:

где w0 - число витков в однофазной обмотке.

Тогда при значении критерия А>1 увеличение среднего значения результирующей МДС происходит быстрее, чем увеличение расхода обмоточного провода, то есть переход от однофазной системе к данной, оправдан с точки зрения. расхода обмоточного провода. И наоборот, значение критерия А<1 будет свидетельствовать об обратном» Очевидно, что для однофазной системы А=1, для двухфазной А=0,893, а для трехфазной - А=1,015,

Налицо сравнительно малое отличие значения критерия А от единицы для этой системы, вместе с тем трехфазная система обладает явной несимметрией обмоток фаз: две фазы имеют одинаковое сечение проводников, а оставшиеся - повышенное, в связи с этим встает проблема выполнения обмоток фаз с одинаковым числом витков (ввиду ограниченности сечения пазов) и необходимость дополнительной балансировки ротора. При этом для своей реализации трехфазная конструкция требует использования двух вентилей и центробежного реле с двумя блоками контактов, то есть столько же, сколько требуется для двухфазной системы, которая несмотря на явный недостаток (А<1) обладает преимуществами: по сравнению с однофазной - лучшим использованием объема ротора (поскольку в однофазной системе размещать обмотку во всех пазах нецелесообразно, так как в этом случае она будет иметь низкий коэффициент

распределения и, следовательно, плохое использование материала). Помимо указанного недостатка, однофазная обмотка обладает также и механической несимметрией. Наличием только одного вентиля и центробежного реле с одним блоком контактов снижает стоимость такой системы.

Из вышеизложенного следует, что наиболее целесообразным является применение двухфазной системы возбуждения в однофазных синхронизированных асинхронных двигателях.

В синхронизированном однофазном асинхронном двигателе автоматический регулятор возбуждения заложен непосредственно в самой конструкции и принципе действия. Ток статора жестко связан с током возбуждения, поэтому при изменении нагрузки меняется ток статора и, следовательно, ток возбуждения. Задержка минимальна и зависит лишь от значений механической и электрической постоянных времени

Проектирование синхронизированного однофазного асинхронного двигателя (СОАД) представляет собой многовариантную задачу. Методика его расчета должна включать в себя элементы расчета "как асинхронного, так и синхронного двигателя. Отличительной 'особенностью разработанной машины можно считать то, что в рабочем режиме синхронизированный однофазный асинхронный двигатель представляет собой однофазный синхронный неявнополюсный двигатель. Взять за основу расчет неявнополюсного синхронного двигателя не представляется возможным, так как в пусковом режиме СОАД представляет собой асинхронный двигатель, а, значит, конструкция должна быть выполнена таким образом, чтобы обеспечить требуемые пусковые свойства.

Сопоставив методики расчета синхронного и асинхронного двигателя, за основу было решено взять расчет однофазного асинхронного двигателя с фазным ротором с пусковой обмоткой на статоре, дополнив его расчетом параметров обмотки возбуждения, подбором диода и расчетом рабочих характеристик с учетом того, что двигатель работает в синхронном режиме.

Разработанная методика расчета позволила спроектировать отрезок серии синхронизированных однофазных асинхронных двигателей, переданный на ЯЭМЗ. Отрезок включает в себя 12 двигате-

лей мощностью 250 - 1100 Вт с частотой вращения 1500 и 3000 об/мин.

В третьей главе проведено экспериментальное исследование синхронизированного однофазного асинхронного двигателя на физической и математической модели.

Эксперименты были проведены на стенде лаборатории курса электрических машин кафедры электромеханики Московского энергетического института. Основу стенда составляет трёхфазный асинхронный двигатель типа АК 52/6 с фазным ротором со следующими паспортными данными: номинальная мощность Рн=2,8 кВт; номинальная частота питающей сети 1=50 Гц; номинальное напряжение питающей сети при соединении обмоток статора 127/220 В; номинальный ток 1Н=22,8/13 А; номинальная частота вращения па=960 об/мин; номинальное значение коэффициента мощности совф =0,74; номинальный КПД 75,5%; схема соединения ротора У; номинальный ток ротора 21,2 А. Для ограничения пусковых токов используется пусковой реостат, включаемый в цепь ротора. По мере разгона двигателя сопротивление пускового реостата постепенно уменьшают и, затем закорачивают. Двигатель нагружается электромагнитным тормозом. Частота вращения измеряется с помощью тахометра, а при небольших скольжениях - с помощью стробоскопа.

Этот стенд позволяет проводить испытания трехфазного асинхронного двигателя, однофазного асинхронного двигателя (при однофазном питании трехфазного асинхронного двигателя) и синхронизированного однофазного асинхронного двигателя (при однофазном питании и включенных в цепь ротора выпрямителях). Полученные в результате проведения экспериментов рабочие характеристики представлены на рис. 5 - 8.

Для более точной оценки введем энергетический коэффициент, равный произведению коэффициента полезного действия и коэффициента мощности:

(5)

По экспериментальным данным строится зависимость энергетического коэффициента от нагрузки (рис.9), откуда видно, что синхронизированный двигатель в указанном диапазоне рабочих нагрузок обладает наилучшим энергетическим коэффициентом.

Зная значение номинального фазного тока, равного 13 А, можно определить контролируемый ток при переходе на однофазное питание:

= 13-—= 195 А 2

(6)

В проведенном эксперименте за номинальную нагрузку однофазного асинхронного двигателя принимали 580 Вт, синхронизированный двигатель в процессе опыта был недогружен, недогруженным был так-

же и трехфазный двигатель. При нагрузке 580 Вт рассматриваемые двигатели имели следующие значения энергетического коэффициента: трехфазный асинхронный двигатель Кэ=0,25; однофазный асинхронный двигатель Кэ=0,28; однофазный синхронизированный двигатель Кэ=0,44.

Определенный по номинальным данным трехфазного асинхронного двигателя энергетический коэффициент равен 0,55.Таким образом видно, что синхронизированный однофазный двигатель приближается к трехфазному по своим энергетическим показателям.

Эффективным и универсальным инструментом исследователя и инженера при разработке новых электрических машин служит их математическое моделирование. В работе была предложена математическая модель пускового режима синхронизированного однофазного асинхронного двигателя. Анализ возможных вариантов программной реализации представленной математической модели показал, что наиболее приемлемым с точки зрения отсутствия трудоемкой реализации различных вычислительных методов является программный комплекс МайаЬ с входящим в его состав приложением визуального моделирования 81шиКпк.

В режиме пуска синхронизированный однофазный асинхронный двигатель целесообразно представить как машину с двумя обмотками на статоре (одна из них пусковая) и двумя на роторе. СОАД состоит из симметричного ротора и двухфазного статора. Поэтому для моделирования используется система координат а-р. Фазы а и Р обмотки статора расположены под углом 90° и имеют различные числа витков, а в фазу Р включен конденсатор.

Запишем уравнения для статора синхронизированного однофазного асинхронного двигателя в режиме пуска:

Г

и„«' ьа'+4м1аг

Л

0= ¡Да +ЬрГОг1рГ+МоПр'

0= -Мюгс+ (-Ьагог)1аг+ 1ргГрг+

М,=М(1аГ V ¡а')

¿и

<к

В данной системе уравнений имеем три независимые переменные (11а', Ир* и Мс) и пять зависимых переменных (¡вя .¡аг .¡р* ,1рг и

Коэффициенты перед зависимыми переменными называют параметрами электрической машины; ими являются активные сопротивления, индуктивности, взаимные индуктивности обмоток, а также момент инерции. При моделировании на. ЭВМ удобно уравнения электрической машины записывать относительно потокосцеплений. Такое преобразование уравнений- позволяет сократить количество решающих блоков в модели.

Исследование математической модели проводилось на примере двигателя мощностью 750 Вт и частотой вращения 1500 об/мин.. Результаты моделирования можно было наблюдать на экране виртуального осциллографа.

Данные математического моделирования процесса пуска и рабочие характеристики, полученные в результате экспериментальных исследований на физической модели, подтверждают теоретические положения о работе двигателя, представленные в главе 1.

Четвертая глава посвящена теории и особенностям конструкции синхронизированного однофазного асинхронного генератора, рассмотрению конструкции трехфазного синхронизированного асинхронного генератора.

Предложенный генератор предполагается использовать в составе малых ГЭС, так как он обладает низкой частотой вращения, что не требует наличия дополнительного редуктора.

В основу синхронизированного асинхронного генератора положена конструкция машины двойного вращения.

Так как тихоходные гидроагрегаты предназначены в основном для автономной работы, то их целесообразнее выполнять однофазными, тем более

на мощности до нескольких десятков киловатт. Трехфазные агрегаты такого же типа могут в перспективе иметь мощности единицы мегаватт и работать параллельно с сетью.

Поскольку гидроагрегат рассчитывается на длительный срок службы, а ремонт его весьма затруднителен, то он должен быть конструктивно надежен. Поэтому лучше всего применять в таких генераторах систему самовозбуждения от обратного поля, которая не требует дополнительных источников постоянного тока для питания обмотки возбуждения.

Если делать ротор машины двойного вращения явнополюсным, то так как машина тихоходная и имеет большое количество полюсов, это повлечет за собой сложность сборки ротора и увеличение массы стали.

Учитывая эти проблемы, была предложена конструкция синхронизированного асинхронного генератора с числом фаз т=1 с неявнополюсным ротором, имеющего диоды в своей цепи. Число пар полюсов и число зубцов на ' статоре в такой машине равно соответственно

В однофазных тихоходных генераторах в отличие от двух- и трехфазных число зубцов меньше, так как оно напрямую зависит от числа фаз. В рассчитанном однофазном генераторе число пар полюсов равно 150, число зубцов на статоре - 150. Зубцовое деление в этом случае выбирается минимально возможным из технологических соображений (в рассчитанном генераторе =0.015 м). Такой агрегат имеет два выходных вала (расположенных горизонтально), через которые передается вращающий момент с гидроколес как на ротор, так и на статор. Ротор такой машины неявнополюсный. Из особенностей гидрогенератора следует выделить наличие скользящих контактов для снятия напряжения со статора и необходимость дополнительной балансировки для уменьшения вибраций из-за вращающегося статора.

Двухмерная машина интересна тем, что в ней обеспечивается вращение и статора и ротора, а нагрузка может быть приложена к обеим частям машины. Математическое описание такой машины имеет ряд важных особенностей, что и определяет ее новые качества Кроме того, это дает возможность глубже разобраться в процессах электромеханического преобразования энергии.

(8)

- 2рщ

(9)

Система уравнений машины двойного вращения содержит четыре уравнения напряжений, одно уравнение электромагнитного момента и два уравнения движения (для статора и ротора). Уравнение электромагнитного момента имеет такой же вид, как и в обычной' машине. В диссертации рассматривается двух-

Ьс. 10. Однофазный синхронизированный асин- мерная машина с общеприня-

электромагнитный момент равен вращающему моменту, а его вибрационные и деформационные составляющие отсутствуют. Вращающий момент приложен к статору и ротору, которые вращаются в противоположные стороны. Важной особенностью системы уравнений двухмерной машины является наличие в ней уравнения (10), которое свидетельствует о том, что сумма скоростей статора и ротора равняется синхронной скорости поля. Принципиальным отличием уравнении двухмерной машины от одномерной является наличие двух уравнений движения.

Преобразование энергии, как и в остальных электрических машинах, происходит в воздушном зазоре, где концентрируется энергия магнитного ,лоля.

Установившиеся скорости статора и ротора определяются моментами инерции ^ и 1Г, а также моментами Мз и Мг. При пуске часть машины с меньшим моментом инерции разгоняется быстрее и достигает большей ско-роста, так как синхронная скорость поля равна сумме скоростей статора и ротора. При изменении вращающего момента на одном валу, изменяются скорости вращения обеих частей машины.

Поля, создаваемые токами взаимодействующих частей машины, неподвижны друг относительно друга. В двухмерных машинах более наглядно представляется независимость и единство магнитных полей, связанных с точками.

Предложенный синхронизированный однофазный асинхронный генератор представляет собой неявнополюсный синхронный тихоходный генера-

хронный генератор

тыми допущениями. Поэтому

0с = а>г±е>,

(10)

тор, в котором вращаются как ротор, так и статор. Поэтому в основу разработанной методики расчета положена методика расчета синхронной машины. Пример расчета генератора по этой методике приведен в Приложении 3 диссертации.

Разработанная методика расчета позволила провести анализ изменения основных размеров генератора в зависимости от числа фаз, частоты и числа пазов на полюс и фазу при неизменном значении мощности генератора и зубцового деления, выбираемого из технологических соображений минимально возможным. Анализ показал, что с уменьшением частоты уменьшается внешний диаметр магнитопровода статора, а его длина увеличивается. Основная задача проектировщика - уменьшить внешний диаметр статора как можно больше, следя при этом за длиной магнитопровода, чтобы машина не получилась слишком длинной. Если рассматривать гидроагрегаты частотой 50 Гц, то у них лидерами являются двухфазный с я=1/2 и однофазный с д=1. Длина таких агрегатов невелика (0,030 м). Из всего вышеперечисленного можно сделать вывод о том, что наиболее технологичной будет двухфазная конструкция с числом пазов на полюс и фазу равным У2 или однофазная с числом пазов на полюс и фазу равным 1.

Основным подходом к созданию трехфазного генератора на базе трех однофазных явился тот факт, что большинство рек, на которых предполагается поставить малые ГЭС, не глубоководные. Конструкция гидроагрегата требует его полного затопления, поэтому чем меньше диаметр гидроагрегата, тем лучше. Длина агрегата в этом случае играет второстепенную роль.

Если проектировать трехфазный генератор двойного вращения по той же методике, что и однофазный, то мы получим гораздо больший диаметр всего агрегата, нежели в однофазной конструкции. Поэтому было принято решение создать трехфазный агрегат на базе трех однофазных. Принципиальная схема такого гидроагрегата представлена на рис. 11. Конструкция трехфазного синхронизированного асинхронного генератора представлена на рис. 12.

Рис. 11. Принципиальная схема трех- Рис. 12. Конструкция трехфазного синфазного гидроагрегата двойного враще- хронизированного асинхронного генера-ния тора

Трехфазный гидрогенератор содержит корпус I, статоры 2-4, роторы 57, статоры с пазами 2-4 запрессованы в единую станину 8, которая расположена на валу 9. Роторы с пазами 5-7 установлены на валу 10. Обмотки 11-13 расположены в пазах статоров 2-4, выводы обмоток 11-13 соединены с контактными кольцами 14. В пазы роторов 5-7 вложены обмотки роторов 15-17. Выпрямители 18 включены в цепь обмоток 15-17 роторов 5-7. Система возбуждения содержит выпрямители 18 и обмотки 15-17 роторов 5-7. Гидроколеса 19,20 установлены на валах 9 и 10 с внешней стороны корпуса 1.

Трехфазный генератор представляет собой систему трех однофазных генераторов, имеющих общий вал 10. Вращающее магнитное поле создается за счет наличия трехфазной системы токов, каждый из которых сдвинут друг относительно друга на 120 электрических градусов. В пространстве это представляет собой сдвиг обмоток трех статоров, каждый из которых имеет однофазную обмотку, друг относительно друга на 48'. Технологически такой сдвиг можно обеспечить путем посадки статоров в корпус на шпонки, сдвинутые друг относительно друга на 48'. Современное оборудование позволяет создать подобную конструкцию.

Трехфазный гидрогенератор работает следующим образом.

Вода поступает на гидроколеса 19,20. Энергия поступающей воды создает вращающие моменты на валах 9 и 10, которые передают их статорам 2-4 и роторам 5-7. Причем вращение вала 9 со статорами 2-4 и вала 10 с роторами 5-7 осуществляется в противоположные стороны. Поток остаточного намагничивания роторов 5-7 гидрогенератора при их вращении наводит ЭДС в обмотках 15-17. Под действием этой ЭДС в обмотках 15-17 роторов 5-1 начинает протекать ток самовозбуждения, создающий магнитодвижущую силу.

В системе самовозбуждения создается постоянный поток возбуждения от МДС обратной последовательности. Полученная МДС создает поле роторов 5-7, которое, вращаясь, наводит в обмотках 11-13 статоров 2-4 ЭДС. Напряжение с обмоток. 11-13 трехфазного гидрогенератора снимается с помощью контактных колец 14.

Поверочный расчет показал, что предложенная конструкция трехфазного безредукторного гидроагрегата обеспечивает неплохие массо-габаритные и энергетические показатели. Эти достоинства трехфазного генератора позволят ему в дальнейшем заменить собой ряд малых ГЭС, использующихся сейчас на малых реках и имеющих большие размеры и требующих сооружения дополнительных зданий.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведенный сравнительный анализ широко использующихся синхронных микромашин и представленных в данной диссертации синхронизированных асинхронных машин показал, что по своим энергетическим характеристикам они превосходят существующие синхронные и в том числе гисте-резисные двигатели. А предложенные конструкции однофазного и трехфазного генераторов могут с успехом использоваться в качестве безредукторных тихоходных гидроагрегатов на малых ГЭС.

2. Разработана методика расчета синхронизированных однофазных асинхронных двигателей, которая позволяет дать рекомендации по проектированию серии подобных электродвигателей.

3. Произведена оценка схем возбуждения синхронизированных асинхронных машин. Наилучшими характеристиками обладает двухфазная схема возбуждения. Данная система возбуждения может быть использована не только в двигателях, но и в генераторах.

4. Разработана математическая модель пускового режима синхронизированного однофазного асинхронного двигателя в координатах Рассчитаны коэффициенты системы дифференциальных уравнений, описывающих пусковой режим для одного из двигателей из отрезка серии. Представлены результаты моделирования пускового режима этого двигателя.

5. Достоверность принятых положений проверена на физической и математической моделях.

6. Экспериментальные исследования показали, что синхро

нофазный асинхронный двигатель приближается по своим энергетических показателям к трехфазным асинхронным двигателям в тех же габаритах. 7. Рассмотрены основные вопросы проектирования синхронизированного однофазного генератора. Предложена конструкция синхронизированного однофазного генератора и трехфазного, созданного на базе трех однофазных. Предложенное решение позволит создавать бесплотинные автономные ГЭС.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Горностаева С.С. Математическое моделирование синхронизированных однофазных асинхронных двигателей // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. восьмой межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. В 3-х т. 28 февраля - 1 марта 2002г. - М.: Изд-во МЭИ, 2002.-Т.2.-С.4-5

2. Горностаева вС Разработка программного пакета для расчета асинхронных микродвигателей // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. девятой межд. науч.-техн. конф. студентов и аспиран-тйв. В 3-х т. 4-5 сентября 2003г. - М.: Изд-во МЭИ, 2003. - Т.2. - С.21-22

3. Горностаева С.С. Серия синхронизированных асинхронных двигателей // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. седьмой межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. В 3-х т. 27-28 февраля 2001г. -М.: Изд-во МЭИ, 2001. -Т.2. - С.5

4. Горностаева С.С. Синхронизированный однофазный асинхронный двигатель // Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение: Тез. докл. пятой международной конференции. В 2-х ч. 2003г. - М.: Изд-во МЭИ, 2003. - Ч. 1. - С.461-462

5. Горностаева С.С. Серия синхронизированных асинхронных двигателей // Радиоэлектроника, электротехника, и энергетика: Тез. докл. десятой межд. науч.-техн. конф.' студентов и аспирантов. В 3-х т. 2-3 марта 2004г. - М.: Изд-во МЭИ, 2004. - Т.2. - С.8-9

6. Горностаева С.С, Копылов И.П. Синхронизированный однофазный асинхронный двигатель// Электротехника, 2001, № 10. - С. 1-4

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. РАЗВИТИЕ МАШИН МАЛОЙ МОЩНОСТИ И МАШИН С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ.

1.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ МАЛОЙ МОЩНОСТИ.

1.2. ВЕНТИЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ.

1.3. СИНХРОНИЗИРОВАННЫЕ ОДНОФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ.

1.4. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОДНОФАЗНЫХ МАШИН.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 2. СИНХРОНИЗИРОВАННЫЙ ОДНОФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ.

2.1. ТЕОРИЯ СИНХРОНИЗИРОВАННОГО ОДНОФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ.

2.2. ПУСК ДВИГАТЕЛЯ.

2.3. СРАВНЕНИЕ ОДНО-, ДВУХ- И ТРЕХФАЗНОЙ СИСТЕМ ВОЗБУЖДЕНИЯ.

2.4. ПЕРЕХОД ОТ КОНТАКТНОЙ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ К БЕСКОНТАКТНОЙ.

2.5. АВТОМАТИЧЕСКИЙ РЕГУЛЯТОР ВОЗБУЖДЕНИЯ В

СИНХРОНИЗИРОВАННОМ ДВИГАТЕЛЕ.

2.6. МЕТОДИКА РАСЧЕТА СИНХРОНИЗИРОВАННОГО ОДНОФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИНХРОНИЗИРОВАННОГО ДВИГАТЕЛЯ.

3.1. ОСНОВНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ

МАТЕМАТИЧЕСКОМ МОДЕЛИРОВАНИИ.".

3.2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ.

3.3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ПУСКОВОГО РЕЖИМА.

3.4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК

3.5. ОБОБЩЕНИЕ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИССЛЕДОВАНИЙ.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4. СИНХРОНИЗИРОВАННЫЙ ТИХОХОДНЫЙ ГИДРОГЕНЕРАТОР.

4.1. КОНСТРУКЦИИ ГИДРОАГРЕГАТОВ ДВОЙНОГО ВРАЩЕНИЯ.

4.2. ТЕОРИЯ И КОНСТРУКЦИЯ СИНХРОНИЗИРОВАННОГО АСИНХРОННОГО ГИДРОГЕНЕРАТОРА.

4.3. УРАВНЕНИЯ СИНХРОНИЗИРОВАННОГО ГИДРОГЕНЕРАТОРА ДВОЙНОГО ВРАЩЕНИЯ.

4.4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА СИНХРОНИЗИРОВАННОГО ОДНОФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА.

4.5. АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ГИДРОГЕНЕРАТОРА.

4.6. ТРЕХФАЗНЫЙ ТИХОХОДНЫЙ БЕЗРЕДУКТОРНЫЙ ГИДРОАГРЕГАТ.

ВЫВОДЫ.

Актуальность темы. В последние годы проявилась тенденция к объединению электромеханических преобразователей с электронно-вычислительными машинами, которые позволяют управлять, как отдельными машинами, так и комплексами электрических машин, что актуально для сложных электроприводов. Как правило, электрические машины работают в автономных системах, совместно с другими машинами, а в энергосистемах совместно работают миллионы машин. Электрические машины проектируются таким образом, чтобы их выходные характеристики отвечали требованиям ГОСТов и удобству эксплуатации. Рабочие характеристики двигателей, внешние и регулировочные характеристики генераторов отвечают большинству требований заказчиков различных отраслей народного хозяйства.

Большинство серийных электрических машин работают в замкнутых системах автоматического регулирования и в основе своей имеют обратные связи, демпфирующие контуры, блоки усиления, датчики положения и другие неотъемлемые элементы системы автоматического регулирования. Для удовлетворения новых требований к электромеханическим преобразователям, которые появляются при объединении их с микропроцессорами, необходимо изменять конструкции электромеханических преобразователей.

Однофазные асинхронные двигатели находят широкое применение в бытовой технике, сельском хозяйстве, торговле, медицине и в других областях, где требуется дешевый нерегулируемый электропривод, питаемый от однофазной сети переменного тока. Они выпускаются миллионами штук в год и потребляют около 10% вырабатываемой электроэнергии.

Большой вклад в развитие теории и практики однофазных асинхронных двигателей внесли отечественные ученые Адаменко А.И., Алымкулов К.А., Беспалов В.Я., Ефименко Е.И., Иванов-Смоленский А.В., Копылов И.П., Костраускас П.И., Лопухина Е.М., Мамедов Ф.А., Мощинский Ю.А., Семенчуков Г.А., Сомихина Г.С., Торопцев Н.Д., Хрущев В.В., Чечет Ю.С., Юферов Ф.М. и др.

Применение в однофазных асинхронных двигателях на роторе, вместо короткозамкнутой обмотки, обмотки с фазным ротором, в цепь которой включены выпрямители, придает однофазному двигателю новые важные качества. Включение в цепь ротора выпрямителей коорди-нально изменяет свойства однофазного асинхронного двигателя, превращая его в синхронизированный, когда энергия обратной последовательности расходуется на возбуждение. При работе такого двигателя в синхронном режиме жесткая обратная связь между током нагрузки и током возбуждения обеспечивает устойчивую работу двигателя. С ростом нагрузки растет ток возбуждения, что обеспечивает высокие энергетические показатели синхронизированного однофазного асинхронного двигателя. Синхронизированный однофазный асинхронный двигатель является примером, когда сравнительно небольшие конструктивные изменения дают значительную экономию электроэнергии без применения управления машиной с помощью электроники.

Проведем краткий сравнительный анализ широко использующихся микромашин и представленных в данной диссертации синхронизированных асинхронных машин.

Мамины с постоянными магнитами позволяют уменьшить потери, а также (при полюсах, расположенных на роторе) устранить подвод тока через контактные кольца к обмотке возбуждения. Постоянные магниты в таких машинах располагают в большинстве случаев на роторе. Статор имеет обычную конструкцию, в его пазах размещают одно-, двух- или трёхфазную обмотку.

Пусковые характеристики у синхронных двигателей с постоянными магнитами хуже, чем у гистерезисных двигателей, но они имеют лучшие энергетические показатели, повышенную перегрузочную способность и стабильность частоты вращения [15, 64].

Достоинства: простота конструкции, отсутствие скользящего контакта, высокий КПД и меньший нагрев из-за отсутствия потерь в обмотке возбуждения и в скользящем контакте, а также отсутствие источника постоянного тока для возбуждения.

Недостатки: сложность регулирования магнитного потока, высокая стоимость, малая предельная мощность из-за невысокой механической прочности ротора.

Синхронные двигатели с электромагнитным возбуждением -это двигатели с обмоткой возбуждения постоянного тока. Вследствие сложности их конструкции и пуска, а также необходимости источника постоянного тока для питания обмотки возбуждения в схемах автоматики применяется редко. Однако возможность работы с coscp—»1 является весьма важным качеством, способствующим их широкому распространению.

Такой двигатель непосредственным включением обмотки статора не может быть пущен в ход. Существует несколько способов пуска двигателей: главное, чтобы в процессе пуска ротор двигателя разогнался до скорости близкой к скорости вращающегося поля, после чего двигатель входит в синхронизм и начинает работать как синхронный. Наиболее широкое распространение получил асинхронный пуск, частотный пуск и пуск с помощью разгонного двигателя.

Достоинствами этих двигателей являются высокие энергетические показатели, а недостатками — сложность конструкции и пуска, необходимость источника постоянного тока [15, 64].

Синхронные реактивные микродвигатели (СРД) — это явнопо-люсные синхронные машины без обмотки возбуждения и постоянных магнитов, у которого магнитный поток создаётся реактивным током, проходящим по обмотке статора. Вращающий момент создаётся за счёт различия проводимостей по продольной и поперечной осям. При этом явно выраженные полюсы ротора стараются ориентироваться относительно поля так, чтобы магнитное сопротивление для силовых линий поля было минимальным [15, 64]. Вследствие этого появляются тангенциальные силы, создающие вращающий момент, и ротор вращается в том же направлении и с той же частотой вращения, что и поле статора.

К достоинствам этих двигателей можно отнести простоту конструкции, надёжность в работе, дешевизну, отсутствие источника постоянного тока для питания цепи возбуждения. Основным недостатком СРД является сравнительно небольшой пусковой момент и низкий coscp, не превышающий обычно 0,5. Это объясняется тем, что магнитный поток создаётся только за счёт реактивного тока обмотки якоря, значение которого довольно велико.

Гистерезисный двигатель - синхронный двигатель, вращающий момент которого создаётся за счёт явления гистерезиса при перемаг-ничивании ферромагнитного материала ротора.

Статор в гистерезисном двигателе выполняется так же, как у других машин переменного тока; обмотка статора может быть трёх-или двухфазной с конденсатором в одной из фаз. У этих двигателей цилиндр на роторе сплошной или шихтованный, выполнен из магни-тотвёрдого материала, имеющего широкую петлю гистерезиса.

Гистерезисный двигатель может работать в двух режимах: в синхронном режиме и асинхронном. Асинхронный режим используется главным образом при пуске. В этом случае получается большой пусковой момент, что является основным преимуществом этого типа двигателей [15, 64].

Достоинствами данного двигателя является надёжность в эксплуатации, простота конструкции, малошумность при работе, большой пусковой момент и малый пусковой ток, высокий КПД (до 60%), плавность входа в синхронизм.

К недостаткам относят низкий коэффициент мощности, склонность к качаниям ротора при изменяющихся нагрузках, высокую стоимость из-за применения для роторов дорогостоящих магнитотвёрдых материалов и сложность их механической обработки.

Проанализировав все выше сказанное можно сделать вывод о преимуществах исследуемого двигателя перед представленными синхронными микромашинами. Удобнее всего производить анализ на основе метода Шенфельда. Метод основан на экспертной оценке сравниваемых двигателей и является разновидностью балльно-индексного метода. Выбираются частные показатели качества, которым присваиваются соответствующие весовые коэффициенты с точки зрения важности для потребителей. Для каждого критерия сравниваемых двигателей проводится экспертная оценка по пятибалльной шкале: большему обобщенному показателю качества соответствует лучший вариант системы.

Наименование частного показателя качества Весовой коэффициент СДПМ сд СРД сгд СОАД

КПД 5 4,5 4,8 2 3 4,5

Coscp 4 3 4 2 2,5 5

Сложность конструкции 3 4,8 2,5 4,7 5 3,5

Стоимость 2 2 3,2 5 2,8 3

Пуск двигателя 1 . 3,5 4 4 4,5 4

Комплексный показатель качества определяется как сумма произведений весовых коэффициентов на оценочный балл частных показателей.

КСд=5-4,4 + 4-3 + 3-4,8 + 2-2 + 1-4=56,4

КСдпм=5-4,8 + 4-4 + 3-2,5+2-3,2 + 1-3,5=57,4

КСрд=5-2 + 4-2 + 3-4,7 + 2-5 + 1-4=46,1 КСгд=5-3 + 4-2.5 + 3-5 + 2-2,8 +1-4,5=50,1 Ксо ад= 5 -4,8+ 4- 5 + 3-3,5+ 2- 3 + 1- 4=64,5

Большему обобщенному показателю качества соответствует лучший вариант системы. В нашем случае лучшим является синхронизированный однофазный асинхронный двигатель.

Таким образом, из таблицы видно, что по энергетическим показателям разрабатываемый двигатель является лучшим среди синхронных микродвигателей. По остальным показателям он им уступает, однако обобщенный показатель качества, определенный методом Шен-фельда, максимален. На основании этого видна уникальность данного двигателя по сравнению с остальными синхронными микродвигателями. Необходима разработка, проектирование и производство данного типа двигателей.

Использование энергии обратной последовательности для возбуждения позволяет создать не только двигатель с высокими энергетическими характеристиками, но и генератор. В данной работе рассмотрен синхронизированный асинхронный генератор с включенными в цепь ротора выпрямителями по той же схеме, что и в синхронизированном однофазном асинхронном двигателе.

В основу синхронизированного асинхронного генератора положена конструкция многополюсной машины двойного вращения, что обеспечивает низкую частоту вращения генератора. Частота вращения разработанного генератора составляет 20 об/мин, а на валу гидроколеса 10 об/мин. Это позволяет использовать его в качестве безредукторного гидрогенератора в составе бесплотинных малых ГЭС.

Область применения разработанного генератора — малая гидроэнергетика. Одно из основных требований к малым гидроэлектростанциям заключается в минимизации стоимости их строительства и эксплуатации, а также проектирования. Установка, созданная на базе разработанного генератора позволяет отказаться от строительства плотин и зданий станций, а также затопления огромных площадей плодородных земель. Диаметр всего агрегата не превышает 1 м, что позволяет устанавливать его на неглубоководных реках. Перспективным является использование на приливных ГЭС.

Из всего вышеперечисленного видна актуальность исследования синхронизированных однофазных асинхронных машин.

Цель работы заключается в создании методики расчета синхронизированных однофазных асинхронных машин, оптимизации конструктивных решений, создание математических моделей и расчетных программ для исследования статических и динамических режимов синхронизированных асинхронных машин, а именно, создание методики проектирования синхронизированного однофазного асинхронного двигателя и синхронизированного однофазного генератора, создание математической модели для исследования процессов пуска и рабочего режима синхронизированного однофазного асинхронного двигателя, сравнительная оценка схем возбуждения синхронизированных асинхронных машин.

Задачи исследования:

- описание принципа действия и конструкции синхронизированных асинхронных машин;

- разработка математической модели для пуска и рабочего режима синхронизированного однофазного асинхронного двигателя с преобразованием дифференциальных уравнений по методу симметричных составляющих;

-сравнительная оценка схем возбуждения синхронизированных асинхронных машин;

- оценка адекватности разработанных алгоритмов и программ процессам происходящим в реальном синхронизированном двигателе на основе сравнения расчетных и экспериментальных данных.

Научная новизна. Научная новизна диссертации заключается в создании новых машин на базе хорошо известных путем внесения небольших конструктивных изменений. Предложена конструкция однофазных и трехфазных генераторов, которые могут использоваться в качестве тихоходных безредукторных гидроагрегатов в малой гидроэнергетике. Созданы математические модели, позволяющие адекватно оценить процессы, происходящие в синхронизированном однофазном асинхронном двигателе при пуске и в синхронном режиме работы.

Практическую ценность представляют результаты расчетов отрезка серии синхронизированных однофазных асинхронных двигателей и нескольких синхронизированных однофазных генераторов. Инженерные рекомендации по выбору схем возбуждения и проектированию трехфазного генератора. Согласование результатов исследования с ЯЭМЗ и ОАО «Электросила».

Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования, теории электрических цепей и машин, теории поля: гармонического и векторного анализа, метода двух реакций, симметричных составляющих, алгебры матриц, координатных преобразований. Все вычисления и графические построения производились на ПЭВМ с применением следующих пакетов программ: MathCAD 2000 Pro, Matlab6.5, Mechanical Desktop, Corel Draw 11, MS Word XP, MSExel XP. Для экспериментального исследования динамических режимов работы синхронизированного двигателя был использован испытательный стенд кафедры Электромеханики МЭИ (ТУ).

На защиту выносятся следующие основные положения:

Теория и конструкция синхронизированного однофазного асинхронного двигателя, синхронизированных однофазного и трехфазного генераторов; математическая модель пускового и рабочего режимов синхронизированного однофазного асинхронного двигателя; сравнительная оценка систем возбуждения синхронизированных асинхронных машин; оценка адекватности разработанных алгоритмов и программ процессам в реальном синхронизированном двигателе на основе сравнения расчетных и экспериментальных данных.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Объём работы составляет 169 страниц и содержит 44 рисунка, 7 таблиц, 85 наименований списка литературы.

Выводы

1. Решение энергетической проблемы напрямую связано с использованием нетрадиционных источников энергии. Синхронизированный асинхронный генератор может входить в состав бесплотинных ГЭС, не требующих строительства крупных ГЭС и затопления огромных площадей плодородных земель.

2. Использование конструкции, в которой вращается как статор, так и ротор, позволило спроектировать однофазный синхронизированный асинхронный генератор с низкой частотой вращения, что позволяет использовать его в качестве безредукторного тихоходного гидрогенератора в малой гидроэнергетике.

3. Система уравнений математической модели синхронизированного асинхронного генератора включает в себя, в отличие от математических моделей одномерных машин, два уравнения движения и уравнение для синхронной скорости поля, равной сумме скоростей статора и ротора.

4. Анализ изменения основных размеров гидрогенератора показал, что наиболее технологичной является однофазная конструкция с числом пазов на полюс и фазу q=l или 1/2.

5. Введение двух дополнительных статоров и роторов в конструкцию синхро,-низированного однофазного асинхронного "генератора позволило создать трехфазный синхронизированный асинхронный генератор без увеличения внешнего диаметра генератора.

128

Заключение

1. Проведенный сравнительный анализ широко использующихся синхронных микромашин и представленных в данной диссертации синхронизированных асинхронных машин показал, что по своим энергетическим характеристикам они превосходят существующие синхронные и в том числе гистерезисные двигатели. А предложенные конструкции однофазного и трехфазного генераторов могут с успехом использоваться в качестве безредукторных тихоходных гидроагрегатов на малых ГЭС.

2. Разработана методика расчета синхронизированных однофазных асинхронных двигателей, которая позволяет дать рекомендации по проектированию серии подобных электродвигателей.

3. Произведена оценка схем возбуждения синхронизированных асинхронных машин. Наилучшими характеристиками обладает двухфазная схема возбуждения. Данная система возбуждения может быть использована не только в двигателях, но и в генераторах.

4. Разработана математическая модель пускового режима синхронизированного однофазного асинхронного двигателя в координатах (а-Р). Рассчитаны параметры системы дифференциальных уравнений, описывающих пусковой режим для одного из двигателей из отрезка серии. Представлены результаты моделирования пускового режима этого двигателя.

5. Достоверность принятых положений проверена на физической и математической моделях.

6. Экспериментальные исследования показали, что синхронизированный однофазный асинхронный двигатель приближается по своим энергетических показателям к трехфазным асинхронным двигателям в тех же габаритах.

7. Рассмотрены основные вопросы проектирования синхронизированного однофазного генератора. Предложена конструкция синхронизированного однофазного генератора и трехфазного, созданного на базе трех однофазных. Предложенное решение позволит создавать бесплотинные малые ГЭС.

1. Адаменко А.И. Методы исследования несимметричных асинхронных машин. Киев: Наукова думка, 1969. - 356 е., ил.

2. Адаменко А.И. Несимметричные асинхронные машины. Киев: Изд-во АН УССР, 1962.-212 с.

3. Адаменко А.И. Однофазные конденсаторные двигатели. Киев: Изд-во АН УССР, 1960.-247с.

4. Алиев И.И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию. М.: Высшая школа, 2002. — 255 с.

5. Алымкулов К.А. Однофазные асинхронные двигатели для электроприводов малой мощности. Бишкек: МП "Нива", 1995. - 740 е., ил.

6. Антонов М.В. Использование обратного синхронного поля для возбуждения и регулирования однофазных синхронных генераторов. Дис. кан. тех. наук. Москва: МЭИ, 1967. - 210с.

7. Аракелян А.К., Афанасьев А.А., Чиликин М.Г. Вентильный электропривод с синхронным двигателем и зависимым инвертором. Москва: Энергия, 1977.-223 с.

8. Балагуров В.А., Гридин В.М., Лозенко В.К. Бесконтактные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. Москва: Энергия 1975. — 127 с.

9. Башук И.Б. Конденсаторные двигатели в применении к электрической тяге// «Электричество», 1939, №6. С. 31-35

10. Ю.Бертинов А.И., Варлей В.В. Электрические машины с катящимся ротором. -М.: Энергия, 1969. 200 с.11 .Беспалов В.Я. Асинхронные машины для динамических режимов работы. Диссертация доктора технических наук. М.: МЭИ, 1992. - 493 с.

11. Беспалов В.Я., Алиев И.И., Клоков Ю.Б. Асинхронный генератор с гарантированным самовозбуждением // Электричество, 1997, № 7. С.43-45.

12. З.Беспалов В.Я., Мощинский Ю.А. Теория и расчет несимметричных электрических машин. Москва: МЭИ, 1985. - 83 с.

13. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов B.C. Электрические машины и микромашины. М.: Высшая школа, 1981. - 432 е., ил.

14. Булаев Н.М. Питание однофазным током трехфазного асинхронного электродвигателя с конденсатором// Электричество, 1937, № 12 С. 44-47

15. Вагнер К.Ф., Эванс Р.Д. Метод симметричных составляющих. Перевод с англ. М.-Л.: ОНТИ НКТП СССР, 1936. - 407 е., ил.

16. Вентильные двигатели и их применение на электроподвижном составе, под ред. Б.Н.Тихменева, М.: Транспорт, 1976. - 178 с.

17. Вилячкин Л.В., Галишников Ю.П. Компьютерная модель асинхронного вентильного каскада// Электротехника, 1997, № 9. С. 40-45.

18. Винокуров В.А., Попов Д.А. «Электрические машины железнодорожного транспорта». М.: Транспорт, 1986. - 232 с.

19. Воробьев А.В. Релоксантный привод. М.: Машиностроение, 1978. — 160 е., ил.

20. Говгаленко В.П. Разработка и применение математической модели асинхронной машины с несинусоидальными и несимметричными обмотками: Автореф. дисс. канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1985. - 20 с.

21. Гольдберг О.Д. Испытания электрических машин. М.: Высшая школа, 2000.-255 с.

22. Гольдберг О.Д., Гурин Я.С., Свириденко И.С. Проектирование электрических машин / Под ред. О.Д. Гольдберга. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 2001. - 430 с.

23. Горностаева С.С. Серия синхронизированных асинхронных двигателей // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. седьмой межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. В 3-х т. 27-28 февраля 2001г. -М.: Изд-во МЭИ, 2001. Т.2. - С.5

24. Горностаева С.С. Синхронизированный однофазный асинхронный двигатель // Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение: Тез. докл. пятой международной конференции. В 2-х ч. 2003г. — М.: Изд-во МЭИ, 2003. Ч. 1. - С.461 -462

25. Горностаева С.С. Серия синхронизированных асинхронных двигателей // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. десятой межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. В 3-х т. 2-3 марта 2004г. М.: Изд-во МЭИ, 2004. - Т.2. - С.8-9

26. Джумабаев З.А. К расчету пускового режима конденсаторных двигателей // Электричество, 1976, №11. С. 73-75.

27. Дубенский А.А. Бесконтактные двигатели постоянного тока. М.: Энергия, 1967. - 144 е., ил.

28. Ефименко Е.И. Исследование асинхронных машин с пространственной и магнитной асимметрией методом симметричных составляющих: Автореф. дисс. канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1971. - 28 с.

29. Ефименко Е.И. Несимметричные микромашины переменного тока. Чебоксары: ЧГУ, 1983.- 120 с.

30. Иванов-Смоленский А.В. Исследование и расчет асинхронной многофазной машины с несимметричной обмоткой на статоре // Труды МЭИ. Электрические машины и аппараты. M.-JL: Госэнергоиздат, 1951. - Вып.VII. -С. 10-36.

31. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. М.: Энергия, 1980. -928 е., ил.

32. Камень И.М. Методы исследования несимметричных схем асинхронных двигателей // Электричество, 1950, №11. С. 30-35.

33. Камень И.М. Работа асинхронного двигателя при несимметричных схемах и сопротивление нулевой последовательности // Электричество, 1949, №10. -С. 37-41.

34. Копылов И.П. Адаптивность, как одно из свойств электромеханических преобразователей // Известия академии наук. Энергетика, 1998, № 4. С. 135-139.

35. Копылов И.П. К определению активной, реактивной и обменной мощности в электромеханике // Электротехника, 1989, №7. С.64-66.

36. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. М.: Высшая школа, 2001. - 327 е., ил.

37. Копылов И.П. Низкопотенциальные источники энергии: пройденный этап или перспектива? // Экология и промышленность России, 1999, « 2. С.15-18.

38. Копылов И.П. Электрические машины. М.: Высшая школа, 2004. — 607 с.

39. Курманова Г.Т. Оптимизация параметров и режимов асинхронных конденсаторных двигателей. Диссертация кандидата технических наук. М.: МЭИ, 1981.-150 с.

40. Лопухина Е.М. Асинхронные исполнительные двигатели для систем автоматики. — М.: Высшая школа, 1988. 328 с.

41. Лопухина Е.М., Машкин В.Г., Плужников А.В., Пименов В.Г., Семенчуков Г.А. Математическое моделирование и автоматизированное проектирование однофазных асинхронных двигателей // Электротехника, 1995, № 3. -С.12-16.

42. Лопухина Е.М., Семенчуков Г.А. Автоматизированное проектирование электрических машин малой мощности. М.: «Высшая школа», 2002. -511 е., ил.

43. Лопухина Е.М., Семенчуков Г.А. Проектирование асинхронных микродвигателей с применением ЭВМ. М.: Высшая школа, 1980. - 359 с.

44. Лопухина Е.М., Семенчуков Г.А., Машкин В.Г. Автоматизированное проектирование асинхронных двигателей малой мощности и резервы повышения их качества / Труды МЭИ, 1989, № 196. С.31-41.

45. Лопухина Е.М., Сомихина Г.С. Расчет асинхронных микродвигателей однофазного и трехфазного тока. -М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961. — 312 е., ил.

46. Лутидзе Ш.И. Основы теории электрических машин с управляемым полупроводниковым коммутатором. М.: Издательство «Наука», 1968. — 303 с.

47. Мамедов Ф.А., Малиновский А.Е., Марусев С.А. Особенности использования метода симметричных составляющих при анализе электрических машин. Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт, 1989, №4. С.58-63.

48. Матевосян А.А. Разработка математической модели асинхронных микродвигателей с произвольной асимметрией обмоток статора и ее применение для улучшения пусковых свойств: Автореф. дисс. канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1989.-20с.

49. Мощинский Ю.А., Бессмертных Н.А., Мамани Н. Математическое моделирование однофазных асинхронных двигателей на основе метода симметричных составляющих // Электричество, 1996, №11. — С. 45-50.

50. Мощинский Ю.А., Петров А.П. Математические модели трехфазных асинхронных двигателей включенных в однофазную сеть // Электричество,2000, № 1. С.40-41.

51. Мощинский Ю.А., Петров А.П. Математическая модель асинхронного конденсаторного двигателя по методу симметричных составляющих с использованием стандартного программного обеспечения // Электричество,2001, №7.-0.43-48.

52. Мощинский Ю.А., Петров А.П. Математическая модель для исследования асинхронного двигателя при выбеге // Электротехника, 2004, №17. С.19-22.

53. Овчинников И.Е., Лебедев Н.И. Бесконтактные двигатели постоянного тока. Л.: Изд-во Наука, 1979. - 270 е., ил.62.0вчинников И.Е., Лебедев Н.И. Бесконтактные двигатели постоянного тока автоматических устройств. М.-Л.: Изд-во «Наука», 1966. - 187 е., ил.

54. Овчинников И.Е. Теория вентильных электрических двигателей. Ленинград: Изд-во Наука, 1985. - 164 е., ил.64.0син И.Л., Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств.- Москва: Изд-во МЭИ, 2003.- 424 е., ил.

55. Петров А.П. Исследование асинхронных конденсаторных двигателей с трехфазными обмотками: Диссертация канд. техн. наук. М.: МЭИ, 2000. -179 с.

56. Плахтына Е.Г. Математическое моделирование электромашиновентильных систем. Львов: Изд-во Вища школа, 1986. - 164 с.

57. Плющ Б.М., Рейфман Д.И. К расчету однофазного конденсаторного двигателя // Электричество, 1968, №6. с. 26-29.

58. Постников И.М. Проектирование электрических машин. Киев: Госэнер-гоиздат, 1960. - 910 с.

59. Постников И.М., Адаменко А.И. Особенности проектирования однофазных конденсаторных двигателей // Вестник электропромышленности, 1957, №10. С.224-230.

60. Проектирование электрических машин / И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев; Под ред. И.П. Копылова. 3-е изд., испр. и доп. -М.: Высшая школа, 2002. - 757 е., ил.

61. Рихтер Р. Электрические машины. Т. 4. М.-Л.: ОНТИ, 1939. - 471 с.

62. Сорокер Т.Г. Теория и расчет многофазных асинхронных машин с несимметричными обмотками статора // Труды ВНИИЭМ, 1976. Т.45. - С. 103121.

63. Хрущев В.В. Электрические микромашины автоматических устройств. — Л.: Энергия, 1976. 384 е., ил.

64. Чечет Ю.С. Влияние третьей пространственной гармоники магнитного потока на пусковые свойства трехфазного асинхронного двигателя, работающего от сети однофазного тока // Электричество, 1950, №3. С. 19-23.

65. Чечет Ю.С. Расчет вспомогательной обмотки однофазных асинхронных микродвигателей // Электричество, 1949, №2. С.48-58.

66. Чечет Ю.С. Универсальный асинхронный микродвигатель // Электричество, 1950, №10. С.5-12.

67. Чечет Ю.С. Электрические микромашины автоматических устройств. М.-Л: Энергия, 1964.-424 с.

68. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург: Уральское отделение РАН, 2000. - 654 с.

69. Faiz J., Ojaghi М., Keyhani A. PSPICE simulation of single-phase induction motors // IEEE Transaction on Energy Conversion, Vol. 14, No. 1, March 1999. P. 86-92.

70. F.Grupp. Matlab 6 fur Ingenieure. Oldenbourg, 2002. - 92 s.81 .J. Lewis Blackburn. Symmetrical Components for Power System Engineering. -Washington, 1993.- 164 p., ill.

71. K.L. Shi, T.F. Chan, Y.K. Wong, S.L. Ho. Speed Estimation of an Induction motor drive using an optimised extended Kalman filter// IEEE Transaction on in-dustrisl electronics, 2002, № 1. P. 124-133.

72. R. Leidhold, G. Garcia, M. I. Valla. Field-oriented controlled induction generator with loss minimization// IEEE Transaction on industrisl electronics, 2002, № 1. P.147-155.

73. T. Markel, A. Brooker, T. Hendricks, V. Johnson. ADVISOR: a systems analysis tool for advanced vehicle modeling// Journal of Power Sources, 2002, № 110. P.255-266.

74. Venkata Rao P. Transient analysis of single-phase induction motors. -By ASIA publishing house, 1964. 146 p., ill.