автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Совершенствование методов улучшения коммутации мощных машин постоянного тока

Министерство науки, высшей школы и технической политики РФ

Новочеркасский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт имени Серго Орджоникидзе

На правах рукописи

БИТЮЦКИЙ Игорь Борисович

УДК 621.313.2.3.06:537.811.001.57

Совершенствование методов улучшения коммутации

мощных машин постоянного тока

05.09.01 — Электрические машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

НОВОЧЕРКАССК 1992

Работа выполнена в Липецком политехническом институте.

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор. Скороспешкин А. И., доктор технических наук, профессор Кононенко Е. В., доктор технических наук, профессор Сидельников Б. В.

Ведущая организация — Всероссийский научно - исследовательский, проектно-конструкторский институт электровозостроения (ВЭлНИИ).

Защита диссертации состоится « .. . . . 1993 г.

в 10 часов в ауд. 107 главного корпуса на заседании специализированного совета Д 063.30.01 в Новочеркасском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте по адресу: 346400, г. Новочеркасск Ростовской обл., ГСП-1, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

¿А у-У

Автореферат разослан » ...Л/.... 1992 г.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по адресу совета института.

Ученый секретарь специализированного совета Д 063.30.01,

доктор технических наук, проф. Э. В. Подгорный

'ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемн. Эксплуатационные требования к машинам постоянного тока большой мощности всегда шли впереди их коммутационных возможностей. Поэтому несмотря на то, что над решением проблемы коммутационной надёжности постоянно работах® ведущие научно-исследовательские центры, специалисты вузов и электротехнической промышленности, успехи в этой области всегда носили временный характер. В частности, сохраняют неизменную актуальность повышение точности расчёта ют,"¿утащенных процессов к разработка принципов управления этим:: процессами.

Цель работы. Основная цель предлагаемой работы состоит в совершенствовании методов формирования электромагнитных условий в коммутационной зоне машины, облегчающих-работу скользящего контакта.. В такой постановке задача, требует нового аналитического уровня и принципиально новых технических решений. Ка защиту выносятся следующее основные положения диссертации.

1. Новый подход к расчёту реактивной ЭДС и прогнозировала ¡Тор,'.-; реактивного поля в коммутационной зоне машины.

2. Новы;; подход к анализу и использованию эффекта коммутационных вихревых токсв.

3. Ковки подход к формированию коммутирующего поля, адекватного совокупности ;)лехтромагнитнцх процессов в коммутационной зоне, в зависимости от режима работы машины.

4. Общие принципы ряда технических решений, соответствую-И55Х новым подходам к проблеме.

Научная новизна полученных результатов. Перевод анализа коммутант с уровня теории цепей'на уровень теории элсктромаг-, ниткого поля даёт возможность на основе гармонического анализа вероятного закона изменения тока з коммутируемых секциях синтезировать в масштабе реактивной ЭДС форму кривой реактивного поля с учётом демпфирующего эффекта коммута:иокн:гх вихревых токов. Полученные новые знания позволяют, применяя пазовые демпферы, в разумной мере стимулировать роль этих токов и -оценить приемлемый уровень и распределение в объёме паза добавочных коммутационных потерь. В частности, показана возможность модернизации работающих прокатных электродвигателей с размещением пазовых демпферов без изменения геометрии зубцового слоя, переходом от укладки, активных проводников на ребро - к укладке

плашмя, как ото принято в тяговых электродвигателях.

Показано, что гармонический анализ в случае необходимости может быть распространён на расчёт, всех известных составляющих реактивной ЭДС.

В расчёт ЭДС, индуктируемой потоками рассеяния через коронки зубцов якоря, внесены принципиальные уточнения, учитывающие одновременные изменение тока в пазу и движение паза относительно дополнительного полюса.

Теоретически выявлен эффект коммутационных вихревых токов, способствующий образований "ступени малого тока" на завершающем этапе коммутации секции.

Знание формы кривой реактивного поля в зависимости от режима работы машины и от желаемых тенденций изменения тока в коммутируемых секциях позволяет отказаться от расчётов "в средних значениях ЭДС в коммутационной зоне" и впервые постазить задачу автоматического формирования коммутирующего поля, адекватного реактивному, с учётом известного распределения поля главных полюсов. Математическим моделированием доказана возможность эффективного решения этой задачи.

12 технических решений в области демпфирования пазовых полей рассеяния, в области компенсации запаздывания изменений ко;,-А.ут5фукдего потока при переходню: процессах, в области методов компенсации трансформатррной ЭДС в коммутируемых секциях и в области формирования поля дополнительных полюсов, предложенных в процессе исследований различных аспектов коммутации, признаны изобретениями.

Практическая ценность работы. Расчёты реактивной ЭДС и её составляющих с учётом эффекта коммутационных вихревых токов, a ToiCie расчеты потерь в активных проводниках и демпферах, доведена до уровач инженерных методик и представлены прикладнн-программами для персональных ЭВМ. Работа с прикладными программам*. осуществляется з диалоговом режиме с графическим отображением результатов в виде эскизов пазоЕ с различными варианта-.:?. заполнения, графиков реактивной ЭДС и её составляющих, таблиц результатов расчета распределения потерь в объёме паза и т. п. Эта часть работы, как и математическая модель регулятора ¡¿орми коимутирувдсгс поля, также реализованная на ПЗЗМ., •voxct рассматриваться гак элемент СЛПР ксзщых машин постоянно-

го тока, использоваться при формировании экспертной систем; "Коммутация машины постоянного тока" и АБД.

Методы исследований. Расчёты пазовой составляющей реактивной ЭДС с учётом тенденций изменения тока в коммутируемых секциях, исследование коммутационной эффективности пазовых делдгУ еров и расчёты потерь в кеди активного слоя якоря построен» на методах теории электромагнитного поля и гармонического анализа. Эти разработки прошли многостороннюю экспериментальную проверку на физической модели паза с-демпфером обобщённой конструкция. .\!атемцгическая модель для оценка влияния зихрезых тскоб на характер изменения тока в коммутируемом контуре основана на использовании частотных характеристик его параметров в интеграле Фурье. При построении схем, моделирующих вихревые токи, использованы методы теории цепей. Процессы в магнитной цепи коммутирующего потока анализировались на основе осцилло-гргфического исследования и математического моделирования. Математической основой работы регулятора формы коммутирующего поля является минимизация методом наименьших.квадратов алгебраической суммы всех ЭДС, возникающих в коммутируемых секш!ях.

Реализация результатов. Методика расчётов реактивной ЭДС и потерь в якорной обмотке с учётом коммутационных зихревлх токов на ПЭВМ передана для использования в расчётной практике ВЭлИИ;-:. Там же, на испытательном стенде тяговых электродвигателей, реализовано изобретение "Устройство форсировки возбуждения дополнительных полюсов электрических машин в динамических ре;;;пмах".

Апробация работы и публикации. Новые подходы, изложенные в диссертации, представлены в докладе "Расчёт коммутации как элемент САПР мощных машин постоянного тока" на XI научно-методическом семинаре "Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике" (г. Новочеркасск, сентябрь 1957 г.). Полное содер-лкие диссертации доложено, обсутдено и одобрено на заседании кафедры электромеханических систем Вороке,т.ского политехнического института в мае 1992 г., на заседании кафедры электромеханики Нозочеркасского политехнического института з мае IS92 г., на заседании секции "Электрические машины" НТС ВЭлНИИ в июле 1992 г., на заседании кафедры электромеханики к нетрадиционной энергетики Самарского политехнического института в

сентябре 1892 г. По теме диссертации в общей сложности опубликованы монография, 22 статьи и 12 изобретений.

Объём тботы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, перечня литературных источников и приложения. Содержание работы изложено на 275 страницах машинописного текста, включая 73 с. иллюстраций и 19 с. библиографического списка из 173 наименований.

. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Г ■ .

Во введении обоснована актуальность исследования, даны цель и краткая характеристика диссертационной работы, сформулированы основные положения, -вынесенные на защиту.

• Первая глава на основе критического анализа 47 отечественный и зарубежных публикаций формирует представление о сложности исследуемой проблем и перспективных методах её решения.

Вторая глава посвящена разработке нового подхода к расчёту реактивной ЭДС коммутации, анализу роли её составляющих я исследованию влияния тенденции изменения тока в кокмутируе- • мых секциях на распределение реактивного поля до ширине коммутационной зоны.

В основу нового подхода положено представление рядами Фурье вероятных вариантов периодического закона изменения тока в секция:'. якорной обмотки, расчёт результирующего электромагнитного поля в пазу для совокупности одноимённых гармоник тока' в проводниках, вычисление соответствующей гармоники пазовой части реактивной ЭДС с учётом демпфирующего действия коммутационных вихревых токов и синтезирование искомой кривой ЭДС суммированием ряда гармонических составляющих.

Гармонический анализ может бить распространён такзее на расчёт лобовой составляющей реактивной ЭДС я составляющей, индуктируемой потоками рассеяния через коронки зубцов якоря. Однако такая постановка задачи целесообразна 'лишь при существенных проявлениях коммутационных вихревых токов в соответствуз-

областях. ' -

•Представлены методика к результата многосторонней экспериментальной "проверки разработанного метода расчёта произвольной пн-мс'&кк электромагнитного .поля на физической моделз паза с демг^ером обобщенного конструктивного■ исполнения /1-3, 26/,

Хорошее совпадение расчётных данных с опытными позволяет пользоваться общепринятым! в подобных задачах допущениями. Для иллюстрации разработок приняты примеры расчётов прокатного к тягового электрсдвигателе;; с характерным; способами расположения активных проводников "на ребро" и "плашмя", взятые из литературных источников, доступных широкому кругу специалистов. Ниже приводится минимальны?, математический аппарат нового подхода к расчету составляющих реактивной ЗДС.

На рис.1 изобретён паз якоря с 'проводниками двухслойной обмотки и упрощенными очертания»® области клина /23/. Начало координаты X для расчёта электромагнитного поля з любой области с током по высоте паза располагается на верхней грани меди, а её направление совпадает с вектором Пойнтинга, Кроме размеров, показанных на рис.1, принят следующий ряд обозначений: i - длина железа якоря; ¿а - ток параллельной ветви якорной обмотки; Тк - период коммутации 'секции; Т - период коммутации паза; р - число пар полюсов; Q - угловая скорость якоря: о) = - pQ - угловая частота основной гармоники тока секции; К -число коллекторных "олений; СС == 2Jíp/K - угловой интервал очерёдности вступления в коммутацию проводников верхнего или нижнего слоев обмотки; - (I - -(Тазовый сленг меж-

ду токами з проводниках верхнего и нижнего слоев, определяемый первым частичным иагом оомотки у{ . Предполагается, что первым б пазу вступает в коммутацию верхний левый проводник.

В простейшем случае, когда коммутация прямолинейна, ток , первого проводника может, быть представлен частичной суммой ряда ' N ' '

¿(ы()= ¿ Itsjóo-sinftcút) , (I)

где I = (,JÍ)}% Тк )-8-¿a-S¿n (\)CJ Тк/2) - амплитуда V -й гар-• моники тока: бя = (// +1))-S¿nf)Jt/{f/+ I>7 - множитель сходимости Ланцоса.

Комплексная амплитуда У -й гармоники суммарного тока верхнего слоя проводников б пазу

4 - 4/ <2)

а нижнего слоя - V? ".''""'•'■•

4 = ё -stnfjua/г)' s¿ñ 'fa/a), сз) .;

- - 6 -

где и - число коллекторных делений на паз; ^ = - {и- 1)Л2/2; (р = - У/С I) СГ/2

Уравнение V —к гармоники напряжённости магнитного поля в области Л паза, занятой.слоем обмотки, и его решение имеют следующий вид:

где И0 - магнитная постоянная; у - электропроводность меда; ^ =' (!+]) Д^ъ постоянные интегрирования,

Верхнему и низшему слоям проводников з пазу соответствуют граничные условия

¿¿о! - л* * в* = (Ъ * и*, у

яз которшс определяются посгоя!£нне иктегсирозання

т

-я гармоника реактивной ЭДС в верхнем или з низшем -слое проводников паза индуктируется магнитным полем, сосредоточенным з области между нижней границей слоя и устьем паза. Эта ЭДС монет рассматриваться как сумма двух составляющих, Первая . из них, £^пд, определяется скоростью изменения .во времени .магнитного потока Ф , пересекающего паз над верхней' границей слоя. Следовательно, б верхнем слое проводнккоз имеем

. ш» <

в в нижнем слое - . . - , - ' ;

Другая составляющая пазовой реактивной ЭДС, , индуктируется \)-й гармоникой потока, пронизывающего проводники слоя П . Очевидно, речь может идти только сб усреднённых величинах • , так как в любом продольном Еолокне проводника с координатой X индуктируется своя ЗДС:

О I

Следовательно,

Таким образом, для \) -й гармоники результирующей пазовой ЭДС слоя П. получаем

£' - Е, +Е. ;■ = ЯеЕЛп+']ТтЕ

где £ , = f+arnEj/Ur = агсШтВ./^L ).

^aivüilüU, p'ociliVH^Üj C*^ . „•--'<.; - • - - - •■-■j--"

кировакпя гармонических составляющих ЭДС верхнего и нижнего слоёв с учётом укорочения аага обмотки:

Äe.farji ¿¿ /oti-f). (i6)

На рис.2 с графиками токов паза при прямолинейней коммутации совмещены расчётные графики пазовой составляющей реактивной 'ЭДС, состроенные на основе конструктивных данных прокатного двигателя мощностью 6000 кВт. Для сравнения'с рассмотренным вариантом заполнения паза (рио.1) на топ же теоретической основе

построены графики для случая, когда каадый эффективный проводник разделён по высоте на-два элементарных, и для варианта с гильзообразными пазовыми демпферами /16, 25/. Как видно из этих графиков, коммутационные вихревые токи не только снижают ашлитуду Qn , но и смещают'её в сторону запаздывания относительно оси коммутационной зоны. -

В основу нового подхода к расчёту реактивной ЭДС лобовых частей секций положено сочетание методов гармонического анализа с разработанной Л.Дрейфусом методикой вычислений коэффициентов само- и взаимоиндукции L^ (в интерпретации С.Юдицкого). ■О -я гармоника реактивной ЭДС. в лобовых частях любой полусекции верхнего или нижнего слоя определяется сочетанием одноимённых гармоник ЭДС само- и взаимоиндукции: .

4.=h/?ei™-(17)

где/шё^ принимается в соответствии с (I); 5 - расчётное число взаимоиндуктивных связей лобовых частей секций, определяемо числом коллекторных делений, перекрываемых щётками; (f^ = У^а' , Следовательно, реактивная ЭДС в ло6оеых частях любой полусекц:;к

(is)

fi^C'h (ImEj/2-, arctgamEjRzE^).

На рис.3 графики I, 2 и 3 соответствуют лобовым составляющим реактивной ЭДС левой, средней и правой полусекций верхнего слоя паза, представленного ка рис.1. Разница между ними обусловлена различными сочетаниями L. Нижнему слою будут соответствовать таете же графики, но сдвинутые по фазе на угол р . Результирующая кривая реактивной ЭДС лобовых частей построена как сумма кривых, огибающих графики ЭДС полусекций верхнего и нижнего слоев.

Чрезвычайная сложность задачи расчёта электромагнитного поля в лобовых частях обычно вынуждала пренебрегать вихревыми токами. Метод гармонического анализа упрощает эту задачу, по крайней мере, в экспериментальном отношении, так как приезд/ построения и использования частотных характеристик Z (jO) в других областях электротехники хорошо разработаны и широко известны.

Не выдерживает критики существующая методика расчёта ре-актизной ЭДС 63 , индуктируемой потока:.« рассеяния через коронки зубцов якоря. В диссертация представлена более совершенная последовательность расчёта 6Л , учитывающая взаимодействие двух изменяющихся по мере вращения якоря факторов: магнитной прово-дгуости рассеяния по коронка:.: зубцов у? и суммарного тока паза г. ком-.гу гационпсй зоне. На основе исследования вероятных путей

потоков рассеяния, замыкающихся через наконечники дополнительных полюсов, предложены формулы, позволяющие избежать крайностей в оценках минимальной проводимости рассеяния, соответствующей границам коммутационной зоны ' '

и максимальной проводи'/¡ости, соответствующей совпадению осе!:

коммутируемого паза и дополнительного полюса ' •

^ = ' ' '(20)

При известных . к Лтдх закономерность изменения индуктивности рассеяния через коронки зубцов по ширине коммутационной зоны в угловом измерении может быть представлена в следующем виде/32/:

¿/со{)= г£-фт)=21[л™+/т'1 _ А^фи (21) •

с с. г "к

В (19)-(21) к принятым ранее добавлены следующие обозначения:

Ь3 - ширина коронки зубца; 0,8 -коэффициент демпфирования потока рассеяния вихревыми токами, возникающим: в наконечнике дополнительного полюса с.аксиальной шихтовкой; Ьк- ширина коммутационной зоны; к - коэЭДЕйпиек? воздушного зазора; & - воздушный зазор под дополнительным полюсом; Ц - диаметр ян оря. Ыитзина наконечника дополнительного полюса Ь^ учтена в п^рамет-& 28.

Как видно из рис.1 и многих других примеров, при прямолинейной коммутации изменение полного тока паза в коммутационной зоне с хорошим приближением можно описать следующим уравнением:

Таким образом, . .

, ,, ¡/цОС^С) V , .¿///¿Л7

--¿М-7—— =

= . гт^.^Аф^г _ Л^-Аш»

, (23) .

На рис.4.кривая I представляет зависимость В ШЪ, построен. ' «3

" - ю - .

кую по (23) для проекта прокатного электродвигателя, у которого расчётный воздушный зазор под дополнительным полюсом близок к верхнему практическому пределу. С уменьшением & помимо общего увеличения в3 возрастает и относительное влияние второго слагаемого в правой части (23). Если в том >:.г примере, уменьшить $ на 4.0%, соответственно увеличив ширину полюсного наконечника так, чтобы неизменной осталась Ь + 2$ = Ь.Л , то Ш^) примет форму, показанную на рис.4 пунктиром. Последний График илл:-ост-рирует одну из возможных причин обострения формы кривой полной реактивной ЭДС и связанные с этим трудности формирования адекватного коммутирующего поля (32).

Задача точного расчёта реактивной ЭДС останется беспредметной, если она ориентирована на какую-то единственную форму кривой тока в коммутируемых секциях. Математически строгое описание реальным токам дать невозможно. Но если говорить не о законах, а о тенденциях изменения токов,' то сложившиеся представления об ускоренной и замедленной коммутации Бполне объективны,, как и пснятие о прямолинейной комг.!утации с теми или иными отклонениями от геометрически прямой, линии. Методы гармонического анализа позволяют оперировать с любыми разумкы?ги кривыми токов. В диссертации на примере расчёта пазовой составляющей реактивно:! ЭДС прокатного двигателя рассмотрены пять характерных вариантов (помимо прямолинейного, принятого за основу)- Три из них представлены на рис.5. Как видно из этого рисунка* отклонения графика I (дЗА от прямой линии приводят не только 2: возрастанию амплитуды, но и к усугублению пикообразной форм Вп , Более того, как замедленный, так и ускоренный характер коммута- • ции вызывают смещение пика £? 'С^г?) относительно оси коммутационной зоны. Очевидно тем ае по характеру будет Елияпие формы кривых тока и на <5. . Лобовая составляющая реактивной ЭДС

ч5 —

менее подвержена влиянию характера кривых тока в секциях, но сна и не вносит решающей доли в формирование результирующего графика реактивно;! ЭДС и соответствующей кривой "реактивного поля. - ■ ■'• • ",'• ;■■.." ."-. ■ ■ ■ ',-.■' •.-,''..'.

Таким, образом, отклонения коммутации от прямолинейного ва- ' рпаита йатруднпэт формирование тактирующего поля, адекватного реактивному. С-другой стороны, если ко^г/тнругщее поле очи- ' тать первичным, тс симметричная форма наконечников дополннтель-

них полюсов нэ может быть признана оптимальной даже при прямолинейной коммутации в тех случаях,.когда, необходимо учитывать эффект коммутационных вихревых токов /26/ к, тем более в случаях, когда существенно влияние поля главных полисов г, коммутационной зоне /33/.

Известные достоинства радиального способа укладки активных сторон секций в пазах обеспечили ему доминирующее положение в тяговых двигателях и позволяют считать перспективным л других классах машин постоянного тока- /29/. Но при этом уелож-пеппе лццуяткггшх связей е^ё более снижает достоверность коммутационных расчётов традиционными метода?.!!?. В диссертации на конкретных примерах /21, 29/ показаны возможности нового подхода в приложении и к этому конструктивному варианту.

На рис.5 показан паз, в котором помимо проводников двухслойной обмотки, с целью развития теоретического базиса предполагается размещение демпфирующей пластины. Характерной особенностью таких обмоток является сложная очерёдность вступления. проводников в коммутацию. Рис.6 поясняет принцип формирования такси очерёдности для случая, когда первым н:> 3 проводников паза ь коммутацию вступает верхний. Комплексна.-: а:-глиуу-да -и харменики ряд-' (I), котором мокот сыть кредита:-к: периодическая кривая тот, для проводника /1 име-л' ни;;

^ г „ J

f = f.-,

Kaie видно из рис.6, для проводников верхнего слоя такой оС-• мотки, то есть при I^/i=S5/2, имеем

Ф = - {n-i)ZiiJpK~'= -fn-tty.) (25)

пэ у

где ^ - такт коммутации в.угловом измерении..

В нижнем слое паза, где S/2<n$S, в коммутацию вступает сначала проводник S с запаздыванием относительно верхнего на угол 'и (рис.6), определяемый первым частичным шагом обмотки

Гу = ({-SpuK'1)]^ • (26)

затем коммутируется проводник 5-1. и так далее, с известными интерзалами Ъ?, • Таким образом для любого проводника в нижнем слое получаем ,

С = (S-ПЩ] . (27) '

Система уравнений, описывающая \)-ю гармонику электромагнитного поля в области, занятой проводником п и соответствующей частью демпфирующей пластины (рис.6), имеет следующий вид:

Ьс

(28)

где - напряжённость V -й гармошки магнитного поля в области проводника /? ; Д^ и - плотность \)-й гармоники тока т; проводнике П и в соответствующей части демпфирующей пластины Сх,п~ комплексная постоянная. Размеры обозначены на рис.6. Система (28)-(30) сводится к одному уравнению /Э, 21/:

= ■' с®

I ■ Г

решение которого имеет вид (5), но А; = • (1+/ /Д/2Ьу .

Далее индексы в расчёте произвольной гармоники поля опущены.

Плотность тока в области демпфирующей пластины, соответствующей проводникуП но высоте, находим из (28), (30) и (5):

6п-Ьк(а^)'(Лпёк-&/х)+ й(а*р)\ . саг)

■ Непрерывность магнитного поля и плотности тока по высоте демпфирующей пластины позволяют на основе (5) и (32) зависать следующие граничные условия: • ■

-/Л

Н{ (о) = 4 * в, = Ь~ 7- 1п ; (33)

^„е + > п<5;. (о4>

; : *; ' лзо)

Уравнение, определяющее яостоянную , получаем, подставляя (305 в (23) и интегрируя полученный" результат по Л" в преде-

-ах высоты области проводника/7 с учётом (5). В результате

- В/"- (а+?№)'%], . (37)

Уравнения (33)-(37) образуют систему, необходимо и достаточную для расчёта 3S комплексных неизвестных/? ,и С оптзеде-

^ п я

ляи.;нх произвольную гармонику электромагнитного поля в пазу.

Над верхней гранью проводника п паз пересечется потоком рассеяния ¡к

H;dxt (38)

• 1*{ m

где ^ . - поток рассеяния, пронизывающий проводник Ь и соответствующую часть демпфирующей пластины.

Интегрируя (29) по X в пределах высоты области i -го проводника и умножая результат на > получаем

¿y'[j -Ly([ê.(<hhG,(th-h)].

' л, ч-'i J ~ W 0 ' •¡i

'Г.';!«:.'.: осралсм, \>-я гй].;.:он8ка пазовой составлявшей реактпаиоЯ ¡л, J, к;;а;.кл'.;Лч-.%:о;: в н;.оаодшисе «непшигл полем рассеян;»',

é^-nkoï! = ¿y'ZûjW-ÎM-tij =

V;: J /.-г/ * " v'i. >'.:

-ty'fé fhh-h)~G fo)] /?>/. (40) / ^ Vn-/ M - '

Полем рассеяния, пронизывающим проводник /2 , в каждом продольном его волокне с координатой

Cn-Dh&x^nh

индуктируется своя ЭДС. Среднее значение этой ЭДС находим по гшалогии с (l'.i) к (13), учитывая (5):

* /II

¿и'^ф^ф-фурм-у-ё*)-

*Ае т- (U- к h - Q j-Ô У j. ( А т I

Я кодером счете : Чазове;; составлятедая реактивной ЭДС

пронодмшео огшеьэаетг-я выражениями вида (14), (15) И

. /У

е M ^ Ж. ■ - (42)

- и -

Устремляя к нулю толщину демпфирующей пластики, получаем вариант паза без демпфера. Таким образом, разработана универсальная методика расчёта пазовой составляющей реактивной ЭДС в проводниках, расположенных плашмя. Для секши ЭДС <2Л вычисляется в результате сложения ЭДС образующих её активных проводников с учётом укорочения шага обмотки. Дальнейшие расчёты полной реактивной ЭДС не имеют принципиальных особенностей.

Третья глава содержит теоретический анализ коммутационной эффективности пазовых демпферов в двух характерных вариантах конструктивного исполнения. Целью этого анализа является разработка точного расчётного аппарата, позволяющего проектировщику на основе вычислительного эксперимента принимать обоснованные решения. Основой этого аппарата является сочетание приёмов,* изложенных во второй главе.

Благоприятным результатом замедления изменения во времени потоков рассеяния, сцеплённых о коммутируемым секциями является снижение уровня или вероятности искрения под щётками. Однако достижение этого результата сопряжено с ростом потерь в активном слое машины; при этом усложняется и конструкция якоря. Таким образом, проблема демпферной.коммутации должна рассматриваться в электромагнитном, энергетическом, технологическом и экономическом аспектах.

Обеспечение предпосылок демпфирующего взаимодействия коммутируемых секций обязательно предусматривается на стадии проектирования дабой крупной машины. Однако такие процессы не поддаются расчёту из-за неопределённости свойств скользящего контакта, замыкающего демпфирующие контура, ж совершенно недостаточны в машинах с напряжёнными условиями коммутации. Значительно эффективнее демпфирующее действие комл.«утационных вихревых токсв, возникающих в высоких проводниках обмотки якоря. Этот ойфект, как показано во второй главе,,/может быть уже точно рассчитан. Использование такото автодемпфирования для снижения реактивной ЭДС ограничивается перегревом -обмотки якоря, связанным с возрастанием дополнительных потерь. Эти потери можно вынести из активны^ проводников в пазовые демпферы, применение которых является более радикальным щагда па пути улучшения коммутации.

I] одном из конструктивных вариантов лкоря /II/ предлагается укладывать демпф-еры э лодпазэвые выемки таким образом,

чтобы демпфирующий контур схватывал зубец у основания. В таком

случае демпфируются потоки рассеяния, замыкающиеся не только через паз, но и через коронки зубцов. Добавочные коммутационные потери выносятся за пределы паза и не должны повышать нагрев якорной обмотки. Однако за пределами коммутационной зоны демпфирующие контуры должны размыкаться вентильными ключами. Такое усложнение конструкции сильно сужает перспективу применения управляемых демпферов. Более рациональным решением представляется передача всех функций управления коммутацией дополнительным полюсам /20, 26, 27, 31, 33, 34/. Таким образом, неуправляемому варианту пазовых демпферов следует отдать предпочтение как наиболее технологичному и не требующему пшижого обслуживания.

Неуправляемые коммутационные демпферы традиционно делятся на две конструктивные группы: рамки и пластины, расположенные в любом случае параллельно боковым стенкам паза. Ломимо неизбежных дополнительных потерь, которые тем зыше, чем эффективнее демпфирование пазового поля, их общими недостатками являются ухудшение использования зубцового слоя якоря и невозможность деквфкрэдошя наиболее сильного поля рассеяния а области пазо-пего клхна. Принято считать, что раиси по своим демффу.адос качествам уступают пластинам. Однако ото мнение справедливо лйсь в случае относительно тихоходных машш, когда рамки не-ижях/е мгут Аобавкть к аьголеа^ирбштъ. По, например, тяговые двигатели работают с широким регулирован:;ем скорости вверх от номинальной. В этих условиях поверхностны;! эффект снижает ценность иектр-эльнсИ части демпфера-мастины, поэтому относительная эффективность демпфирующих рамок возрастает. На расчётном примере тягового электродвигателя мощность» 900 кЗт в часовом режима в диссертации исследованы свойства нового конструктивного исполнения демпфера-рамки, отличающегося тем, что медь демпфирующего контура вынесена за пределы паза и не ухудшает использование зубцового слоя якоря /24, 30/.

Па рис.7 показан паз с таким демпфером, образованным двумя медным: рамками. Их лобовые части, как к обычно располага-гаются :;а торцах сердечника якоря'.' Нижние стороны расположены в кодпазовых виылкйх, а верхние - з области пазового кисла, образованного дву:ля изоляционными вкладышами, о хваченным обой-

кой. В отличие от известных вариантов рамок, псле демпфируется и в области клина. При этом высота зубца и индукция в нём практически не возрастают. На'ряс.8 с графиком суммарного тока паза совмещены график тока демпфера и графики ЭДС самоиндукции паза, под которой подразумевается скорость изменения во времени потока рассеяния в области между нижней гранью пазового клина и низшей гранью нижнего проводника (рис.?). На рис.*9 к скоростным характеристикам этого двигателя, ограничивающим диапазон регулирования частоты вращения ослаблением возбуждения, привязаны соответствующие графики амплитудных зна-чеш!й ОДС самоиндукции паза и графики потерь в демпфере. В зто.м расчётном примере снижение пазовой ЭДС самоиндукции на 60,'I достигнуто ценой снижения КПД с 94$ до 92,Однако КПД тягов-го двигателя в часовом режиме - понятие достаточно условное и не является единственным критерием, определяющим эксплуатационную экономичность электровоза.'

Зарубежная практика допускает объём демпфирующей меди в пазу, достигающий 1% от объёма активной. При этом демпферам обычно придаётся форма Г-образных пластин. Последние яе в сравнении с модернизированными ра».жами /24, 30/ имеют очевидные недостатки. Во-первых, не де.мпфнруется наиболее сильное поле рассеяния в области пазового клина, .а во-вторых, демпферы укладываются в, пазы после укладки обмотки, что монет привести ¡с повреждению изоляции. Оба, эти недостатка устранены з гильзообраз-но;л демпфер» /15,, 25, 29/, очертания которого в поперечном сечении повторяет периметр паза. Наиболее технологичен вариант гильзы, образованной двумя одинаковыми деталями, симметричными относительно! радиальной оси паза. Объём демпфера мс.т.ет быть несколько уаеяачеа за счёт использования цодпаэовой зыемки, не ухуцшаэдей. использование зубцовего слоя. Эта конструкция имеет и максимальную поверхность теплоотдачи.

Задача расчёта электромагнитного поля в пазу с таким демпфером в своей поста-чозке имеет много общего с с од ер;,хани ем второй глазу: те зе допущения, то ss представление токов з активных проводниках уравнениями (1)-(3). Однако более; сложное за- • г^'л^ние ваза требует козой системы обозначений, новой затеи ураг-неКЕЙ Максвелла и более слохных операций с ними /25/. Ка рве.2 графгх. 3 рассчитан для варианта с демпфирующими гильзами.

размечтёншаз: г?а счёт сокращения толщины изоляции, при неизменных размерах пазов лгттателя-прототипа. Амплитуда Q уменьшена в 1,6 раза ценой снижения КПД (условного - для двигателя, работающего с ударной нагрузкой) с cjA% до 93,Следует заметить, что в этом примере площадь поперечного сечения демпфера не превышает 35;t площади сечения активной меди в пазу.

Проблема размещения таких демпферов может быть решена переходом от укладки активных проводников па ребро - к укладке плашмя. Так например, если в принятом за иллюстрационную основу проекте прокатного двигателя, неизменяя очертания зубцово-го сдс.1 :: площадь сечения ;«еди активных проволникоь, ивъвкять конструкцию изоляции и способ заполнения паза современного тягового двигателя, то высвободившееся место даёт возможность разместить по периметру паза демпфирующую гильзу толщиной I им. Изложенные выше принципы решения задачи расчёта электромагнитного поля и пазовой реактивной ЭДС сохраняются. Изменяется лишь система граничных условий. Устремляя толщину гильзы к нулю, получаем вариант паза без демпфера. Как видно из рис.Ю, такое гнпетстн-епкг" изменение конструкции якорной обмотки без применения д'-..цферов приводят к возрастанию амплитуды реактивной, ЗДС (ог-мзчсйкая рано., закономерность изменения форма кривой /гр:: ускорении и закоглсяях коммутации сохраняется /29/). ~.аким образом, предлагаем;:;: расчетный аппарат вносит полную определенность :> сравнителъку;.. оценку коммутационных свойств оомоток с тангенциальным и с радиальным размещенном активных сторон секция нага:/;, 3 последнем варианте эффективность пазовых «емц^ер;-* несколько снккаехса' (сраьн. рис.2 и 10), но остаётся очевидной. В любом случае сохраняется способность поглошать часть энергии, уцдедкк^екоя сколь;:.:.:':::.: контакте, Зст^ ¡Zl&ui полагать тшас, что аазиаие демпферы должны онинать уровень рассогласования: условий коммутации секций, принадлежащих разным ходам сложны:-: обмоток.

Как пример оценки целесообразности подобно" етдерннеакик работающей яа одно;" прокатном станс группу двигателей с разной длиной, но одинаковым заполнением зуОтюг.ого слоя якоря, р серташп; рассчитан» уделмшо чмялитуда ноаояо'. реактивной сД-я аотери ь дешфере-х'ильэе на единицу длины паза и единицу тока параллельной ветви к зависимости от.частоты вращения.

Четвёртая глава посвящена'совершенствованию методов расчёта потерь в якорных обмотках с учётом коммутационных вихревых токов.

Дополнительные коммутационные потери - это та цена, которую приходится платить за'снижение реактивной ЭДС и облегчение энергетических процессов в скользящем контакте. Поэтому проектирование активного слоя якоря с использованием эффекта демпфирования требует точной оценки приемлемого-уровня потерь и связанного с ними перегрева.

Результаты расчета произвольной гармоники электромагнитного поля в пазу, полученные для вычисления Вп , могут быть полностью использованы и в расчёте пазовой составляющей потерь в меди якоря. При этом в диссертации использованы оба известных подхода. В основе первого из них, более удобного в применении к обмоткам без демпферов /6, 7/, (рис.6 при (2 = 0), лежит вектор Пойнтинга. В этом случае потери в пазовой части проводника, обусловленные \>-й гармоникой электромагнитного поля, могут быть найдены как разность мощности, поступающей через верхнюю грань проводника» и мощности, выходящей через шшною грань. Полные потер;: Рп в проводнике/? получаем в результате сложения потерь, соответствующих отдельным тармоникам. Практический интерес представляет коэффициент Ц Р0 > где Р0 -потери в любом проводнике без-учёта влияния вихревых токов. Па рпоЛ1 представлены некоторые фрагменты расчётных закономерностей нарастания потерь в проводниках паза тягового двигателя мощностью 900 кВт.

В обшем случае, например, при питании двигателя от однофазного выпрямителя, ток в коммутируемых секциях периодическим не является. Однако он становится периодическим при определённа значениях скорости вращения якоря О.' /7/. Его период Т можно определить, исходя из следующих соображений. Если М -чеу.'меньаее возможное число полных периодов переменной составлю ие« тока /псоря, размешавшихся на отрезке ЫТ» где //- число то при известной угловой частоте Л' основной гарко-ы*.ки переменной составляющей тска нагрузки, находим

г - ггм/я'//, 2*/рт. (4зг

Ддя ряда выделенных такаи способом значений в рабочем дк-

апазоне можно рассчитать потери и построить зависимости Рп ) по которым можно судить о потерях при любых промежуточных значениях угловой скорости якоря.

Как видно из рис.XI, переменная составляющая выпрямленного тока якоря может заметно повышать добавочные потери даже при расположении проводников плашмя. Более того, в нарастании потерь возможны резонансные з4$ехты. Отклонению расчетных точек ст усредненной пунктирной кривой I на рис.11 трудно дать иное объяснение.

Другой подход кеоохоадм при неоднородпсм засалнеыаа паза по дарине, когда применение вектора Пойнтинга затруднительно. Характерной в этом отношении является задача расчёта потерь в пазу о демпфирующей пластиной и проводниками, расположенным! плашмя /9/. В таком случае целесообразно для каждой области по высоте паза (рис,6) использовать интегралы

вида

(2у[\0 .7 сЫ + у) [в § ск'~р+р (44)

1 г у ■ у

где ._/ и комплексы, сопряженные с коплексами плотности тока в проводнике и в демпфере; р ир^- потери, обусловленные -л гзрмошткой электрог/лгнитного поля в проводнике п и в соответствующей части демпфера.

На рис.12 проявление резонансного эффекта иллюстрирует фрагмент расчётных зависимое гей эквивалентных (с учётом всех потерь на вихревые токи) сопротивлений проводников, паза /? от частоты гармоники тока параллельной ветви тягового двигателя мощностью 900 кВт /9/. Для некоторых частот фазовые сдвиги между оддоиме иными гармониками тока проводников обусловливает минимальные поток рассеяния и потери в области П , а для других - максимальные.

В этой главе диссертации сосредоточены все расчеты потерь з проводниках ~л демпферах для различных иллюстративных вариантов заполнения пазов' якорей" тягового и прокатного двигателей.

3 пятой главе методом точного вычислительного эксперимента исследуется процесс изменения тока в коммутируемой электрической цепи с существенным проявлением поверхностного эффекта.

В предыдущих разделах изучено демпфирующее влияние кокму-тационных вихревых токов на. форму реактивного поля С в «ласста-

■е реактивной ЭДС). Столь же значительно может сказаться эффект демпфирования потоков рассеяния и на процессах изменения токов в секциях при заданной форме коммутирующего поля (в масштабе коммутирующей ЭДС).

Предельно упрощённая математическая модель исследуемых процессов соответствует замыканию цепи, основным элементом которой является стальной шихтованный паз, заполненный массивным медным стержнем с известными частотными характеристиками активного сопротивления /? 00) и индуктивности рассеяния (сд). Коммутирующая ЭДС может быть представлена как единичная функция с непрерывным частотным спектром £ (у^) = 1/уд , воздействие которой рассматривается на конкретном интервале времени Тн . 3 таком случае закон изменения тока при замыкании цеш может быть представлен интегралом Фурье /4/:

I (45)

Влияние коммутационных вихревых токов в этой модели можно полностью исключить, полагая Р, (сд ) = сопН: -Р0 и I (О) = = соп$£ = !_ . При этом получаем

/ Л А*^*.

о Л (

В численных примерах /4, 5/ графики (сО), /. (а))', (г) и

имеют вид, показанный на рис«13. Очевидно для выхода тока I (Г) на заданный уровень при {' - требуется меньшая ЭДС, чем для тока ¿0 (£) . -Распространяя этот вывод на процессы в'реальных машинах, можно утверждать, что вихревые токи ускоряют коммутацию. Таким образом, коммутационные вихревые токи, демпфируя реактивную ЭДС, фхэрсйруют изменение тока в коммутируемых секциях. Более того, если при соответствующем подборе соотношения величин коммутирующей ЭДС обеспечить ¿^ () = ( 7!), как показано на рис.13, то лсегуД

¿и__

сИ итп~ сЦ- - ,

что по общепринятый представлениям в варианте ¿¡¿(£) разгружает сбегающий край щёткл й способствует образованию "ступени .талого тока".

Ж'

ць„ (47)

Форсирующий пиетет коммутационных вихревых тскоз, очевид но, ко гложет бить отражён никакой одноконтурной цепью , / . Поэтому, чтобы, учитывать эти токи в известных методах расчёта

коммутации, необходимо представить коммутируемую секция с частотный: характеристиками Я ид), /.(л)) млогоконтурной схемой замещения с сосредоточенными параметрами Я- , . Такая схема ;ло:кет быть синтезирована, если известен тек при включении секции на сдишппутз ЭДС б /5/. В результате ряда преобразований операторной проводимости этой схемы коммутационные вихревые токи могут быть вынесены в отдельную многоконтурную цепь, индуктивно овязагдух с секцией лкорпей обмотки.

Преимущества моделирования вихревых токов отдельной цепью особенно очевидны при расчёте одновременной коммутации нескольких секций одного паза. Чтобы выделить такую цепь, достаточно рассчитать или получить экспериментально переходный ток лишь в одной секции данного паза при £ ,= I. Выделенная демпфирующая С а по отношений к токам секций - форсирующая) цепь будет вести себя одинаково по отношению к любой секши рассматриваемого гтппп;. Толггцт "кгкгодентная схема должна правильно описывать пропзссы при л .сбой 'Терме ко^.гудпрумхе/ так как не аме?\т ограничений по хиро-ге частотного спектул.

Однако та:"/;; подход к расчёту токов з ко:/гугдру;:ягх. секция:: трсОует чрезмерно громоздких систем уравнении с большой 2орог"т::остьл) сзибск и унито индуктивных связей. Ьолсс практичным путём :;рсдста1!,;:аетс>г развитие сфх>р.*уляроваккой в /Ч/ идеи непосредственного пепольоснанкя частотных характеристик коммутационных параметров обмотки якоря и частотных спектров коммутирующей ЭДС для расчета токов с псмощт>л интеграл*ньтх преобразований вида (45 к

Пошма цришщштального вывода о предпосылках образования ступени малого тога в коммутируемых секциях материал этого раздела в полной мере может быть применён к расчёту электрода--логических процессов и потерь в стержнях гешексшяониоЯ обмотки магипы, работающей, при переходных процессах и при питании зьтаямлект'км' текзгл.

Шестая гл-та посвящена разработке принципов и технических приёмов управления коьтаутиругацш полек в статических и динамических режимах.

Проблема управления комму тирухгдам полем тлеет два уровня.

щостейшем случае - это авторегулирование НС дополнительных полюсов с учётом факторов, возникающих лишь при переходных процессах. К этим факторам относятся рассогласование скоростей изменения тока якоря и коммутирующего потока, а также возникновение трансформаторной ЭДС в коммутируемых секциях машин с последовательным возбуждением. Здесь речь идёт обычно о форсировке возбуждения дополнительных полюсов при ударных нагрузках. Значительно сложнее задача авторегулирования распределения индукции по ширине коммутационной зоны в зависимости от режима работы машины (даже статического). В этих аспектах дополнительные полюсы, оставаясь совершенно необходимым звеном, в классическом варианте исполнения и возбуждения свои возможности исчерпала. В то же время современная элементная база систем управления зз задачах коммутационной адаптации мощных машин до настоящего времени оставалась практически невостребованной.

Понимая достоинства обратных сеяз&й, автор на данном этапе предпочёл всё же разомкнутые системы регулирования, как более жизнеспособные в конкретных условиях эксплуатации. При этом в диссертации из ряда возможных принципов управления форсиров-кой предметом исследования избрано управление по сигналам, пропорциональным первой и второй производным тока якоря в различных сочетаниях /10, 12, 13, 18/.

Исходную информацию о демпфирующем эффекте вихревых токов в магнитной цепи дополнительных полюсов даёт анализ расчётных /8/ либо экспериментальных кривых тока и коммутирующего потока при включении цепи заторможённого якоря ¡¡а постоянное напряжение. Ядя компенсации отставания коммутирующего потока в некоторых случаях достаточно эффективна фюрсировка трансформаторами тока различной конструкции /14, 17, 19/, которые включаются в цепь якоря V. поэтому не требуют специального источника энергии. Вторичная обмотка такого трансформатора является источником питания вспомогательной обмотки дополнительных полюсов или же источником непосредственной подпитки. В последнем варианте реверсивный вентильный ключ во вторичной цепи исключает шунтирование обмотки дополнительных полюсов при любом направлении тока якоря в статическом режиме /18/. Но трансформатор, обычно реализующий форсировку по первой реальной производной тока якоря, не всегда обеспечивает необходимую кругиаиу фронта форсирующего импульса.

В атом отношении эффективнее способ управления форсировкой по второй производной тока. 3 /15/ аналоговый блок управления усилителем- мощности состоит ил двух последовательно соединённых реалцдю-дгп'Меренцпрующих звеньев и компаратора, ограничивающего длительность форсировки отрезком времени, на котором знаки скорости и ускорения изменения тока якоря совпадают. Сигнал на вход блока управления поступает с датчика тока. На физической' модели, в качестве которой использовался двигатель ПБ21 с заторможённым якорем, получены осциллограммы процессов, представленные на рис.14. При очевидной эффективности обоих способов формирования тока поддихкк предпочтительнее управление по «торой производной тока якоря. Наиболее рациональную форсировку, при которой относительные кривые тска якоря и коммутирующего потока практически совпадают на любо м интервале переходного процесса, обеспечивает форсирующий импульс» пропорциональный сумме обеих производных (рис. 15), доля каждой из которых рассчитывается изложенным в диссертации методом. Управляющий усилителем мощности сигнал такой формы легко обеспечивается сочетанием параметров цепи, й , С Ь , включаемой ка постоянное напряжение. На типовых схемах с операционными усилителями соответствующий регулятор синтезируется последовательным соединением реально-дифференцирующего и инерциокно-ф.ороярующего звеньев.

Способ управления коммутирующим потоком в динамических режимах двигателей, имеющих последовательную обмотку возбуждения, должен предусматривать и компенсацию трансформаторной ЭДС в коммутируемых секциях. В /22/ сигналы с измерительного трансформатора тока и с измерительного .контура ла наконечнике дополнительного полюса суммируют и получают сигнал, пропорциональный рассогласованию скоростей изменения тока якоря и коммутирующего потока. Полученную сумму интегрируют и, умножая на сигнал, пропорциональный скорости вращения якоря, получают сигнал,, пропорциональный разности коммутирующей и реактивной ЭДС„ Последний суммируют с сигналом с измерительного контура на наконечнике главного полюса. 3 результате получают сигнал, пропорциональна;1, алгебраической сумме всех возможных ЭдС в коммутируемой секции. Этот сигнал является управляющим для усилителя моцностл, регулирующего КС дополнительных полюсов. Очевидно, в статлчесгсом режиме управляющий сигнал равен нулю.

3...4-кратные броски тока при внезапном восстановлении пи-шия тяговых двигателей с последовательным возбуждением исклю-¿ют возможность адекватной форсировки возбуждения дополнитель-ых полюсов. Причина таких бросков в запаздывании нарастания ..-ДС якоря. В /28/ предложена последовательность операций, исключающая броски тока и связанные с ниш: опасные оффекты. После потери контакта с сетью продолжающий вращаться' якорь выключается из схемы соединений двигателя, а обмотка возбуждения остается подготовленной к. восстановлению питания. При возобновлении контакта ток возбуждения быстро нарастает и когда ЭДС якоря достигает номинального уровня, собирается обычная силовая цепь двигателя с током, близким к номинальному, с соответствующими потенциальными условиями на коллекторе и реактивной ЭДС, а маг-нкткач цепь дополнительных полюсов не насыщается. На случай опасного нарасташш трансформаторной ЭДС, ничем не скомпенсированной при отключённом якоре, 'можно предусмотреть временное реверсирование поля дополнительных полюсов, с тем чтобы коммутирующая ЭДС компенсировала трансформаторную.

Высказанная в /20/ идея независимого возбуждения дополнительных полюсов от источника, управляемого ЗВ.М по параметрам режима работы машины, развита з /27/ с обоснованием возможности регулирования распределения индукции коммутирующего поля по ширине коммутационной зоны. На.рис.16 изображено чередование полюсов в такой системе. Очертания наконечника каждого дополнительного полюса несимметричны относительно геометрической нейтрали, но для любой пары соседних- дополнительных полюсов ось расположенного между ними главного полюса является осью симметрии. При одинаковом возбуждении полюсов N и 5 форме наконечпи-ников соответствуют графики ЭДС ^ и ^ в активных сторонах . коммутируемой секции, имеющие одинаковую амплитуду. С учетом согласного действия этих ЭДС в контуре их сумма 6К симметрична относительно оси коммутационной зоны.(рис.16а). Изменяя соотношение и даже направление токов возбуждения разноимённых групп обмоток дополнительных полюсов, можно управлять формой коммутирующего поля и соответствующей ЭДС Вк (рис.166). С этой целью каждая из двух групп последовательно соединённых катушек, расположенных на одноимённых дополнительных полюсах, должна иметь собственный управляемый источник питания. Регуляторы, управляю-

щие усилителями мощности, могут быть реализованы как на аналоговой /31/, так и на цифровой /34/ элементной базе. В диссертации представлены результаты математического моделирования цифрового регулятора коммутирующего поля /33/. Здесь в качест-. ве задающих воздействий используется информация о величинах и направлениях тока якоря I, тока возбуждения / и скорости вращения .О. . Коэффициенты усиления мощности ^ и 0.г источников пк-танил разноименных групп дополнительных полюсов определяются управляющими сигналами, сочетание которых вычисляется в зависимости от режима работы машины. Ставка делается на достоверность всех составляющих результирующего магнитного поля в коммутационной зоне. Функциональные преобразователи реализуют в относительных единицах ЭДС нввсдимуто полем главных по-

люсов а коммутируемых секциях; реактивную ЭДС , а также

ЭДС Е, иЕ*(а)/), индуктируемые коммутирующим полем .в верхних и нижних сторонах секций в режиме / , и 0.тах, принятом за базисный. При отклонениях от базисных величин регулятор корректирует кривую Е* с учетом насыщения, акривуто - с учетом демпфирующего действия коммутационных вихревых то-■ коз. Работа вычислительного звена регулятора заключается в рас-•чбте методом наименьших квадратов такого сочетать коэффициентов 0 ц 0 , ПРИ котором >у '2 ' ■

Быстродействие гакого регулятора определяется периодом синхронизации Тс , за который производится расчёт новых значений 0 и ^. '3 течение этого' времени усилители мощности работают с коэффициентами усиления, полученными в предыдущем цикле вычкеле-■ ; най.;Таким образом, -коммутационная.адаптация происходит с запаздыванием на период синхронизации, величина которого определяется элементной базой регулятора. Так при реализации регудя-тора на-базе микропроцессорного комплекта К1810.время Тс не превышает периода:коммутации паза., который в принятом расчётном ,. примере ■ прокатного двигателя -при-' составляет 1,ЗГЮ~5с'. Задержку, вносимую инерционностью самих усилителей мощности, кох-но свести к приемлемому уровню, сочетанием,форсировки с ограничение:/.. В основе настройки системы формирования комму.прущего полл лежит допущение, .что(принятый профиль кошеных.иакоиечяи-,

нов обеспечивает равенство амплитуд реактивной и коммутирующей ЭДС при 0,5 в базисном режиме. ЭДС представлена

кубической параболой с абсолютными значениями на краях коммутационной зоны, составляющими в базисном режиме 30$ амплитуды реактивной ЭДС. Как видно из рис.17, даже при холостом ходе, то есть в труднейшем для регулятора режиме, когда дополнительным полюсам приходится компенсировать, в основном, поле главных полюсов в коммутационной зоне, несбалансированная ЭДС в коммутируемых секциях не превышает 1 Б. При этом противоположные знаки % и °зка'ча!0Т > что °йе группы дополнительных полюсов имеют одинаковую полярность. Помимо режимов холостого хода и базисного работа регулятора моделировалась при номинальной нагрузке и при 2,5-кратной перегрузке пс току. .

Управляемая система .независимого возбуждения несимметричных дополнительных полюсов открывает следующие новые эксплуах-ционные и технологические возможности: I) компенсация поля главных полюсов в коммутационной зоне; 2) адекватная реакция на нелинейную зависимость реактивной ЭДС от эффекта коммутационных вихревых токов; 3) формирование желательных закономерностей изменения токов в коммутируемых секциях; 4) компенсация насыщения и демпфирующего действия вихревых.токов в магнитной цепи; 5) исключение трудоёмких операций регулирования немагнитного зазора; 6) гальваническая развязка цепей якоря и -возбуждения дополнительных полюсов; 6) использование многовиткоеых обмоток при относительно малых токах возбуждения дополнительных полюсов; 7)-изготовление этих обмоток из медной ленты с целью Демпфирования потоков рассеяния в переходных режимах. '

В заключении подводятся итоги работы и формулируются следующие основные результаты.

1. Разработана и экспериментально проверена методика рас- . чёта произвольной гармоники электромагнитного поля, обусловленного сочетанием периодических токов в активных проводниках, паза с демпфером обобщённой конструкции для использования в расчётах реактивной ЭДС и потерь в меда якоря. .

2. Для известных способов расположения активных проводников предложен новый подход к расчёту пазовой составляющей реактивной ЭДС, при котором искомая функция синтезируется сложением отдельных гармоник; вычисляемых в результате представления ха-

-ZI -

рактерных периодических токов .секций рядами Фурье. Показана принципиальная несимметрия кривой реактивной ЭДС,' возникающая цод влиянием коммутационных вихревых токов и усугубляющаяся от-клоненидая хокцутацзи от прямолинейной.. Показана также-возможность распространения нового подхода на расчеты других составляющих реактивной ЭДС.

3. Принципиально изменена методика расчёта реактивной ЗДС, индуктируемой потокам: рас.сеянкя через коронки-,зубцоз, о учётом одновременного изменения токов секций я движения паза относительно допслиптешгого полюса.

4. lia принятой теоретической основе разработана методика расчёта коммутационной- эййектизностк пазсдц:: ъаътч-погз кодотруятивного успояненэд..

5. На той же теоретической основе достроена методика расчётов потерь' для различных 'конструктивных исполнений якорных обмоток с различными вариантами пазовш: демпферов. Достигнутая возможность точного знания распределения'потерь-по объёму паза позволяет оптимизировать размера демпферов и уточнить расчёты температурных полей в .активном слое паза.

6. Разработки, .отмененные в п.п. I - 5,-язилксь теоретической базой дакгта придладних программ расчётов реактивной ОДС и потерь д мс учёте:.: ком-мутацпонны;: вихревых токов /35/.

V. ::s ":атс:.п;т::носко:: мидели обоснован о*-?ект коммухашок-ДЫХ вихре-д:.." ДОХОД, сцссобствующий qOpWlCOBCIKW СТуПОгЯ }.v:u10vc тока на за:' зтане ко:,-.мутации секции.

G. ^„ааапд-геокн:.: и физическим моделированием доказана с-ф-з-октигнеот:. прзд:;з:::онного способа управления й.орсировкой возбужден:::: дополнптодьдш: лол:ссс1> цои ударных нагрузках по сочетанию сигналов, пропрционалышх скорости и ускорения изменения тока-якоря.

0. '-азработана математическая модель регулятора распределения индукции коммутирующего -поля по ширине коммутационной зоны в зависимости от релмма работы машины з широком диапазоне нагрузок'. ' ' •

Б нгн~;:-:c:;i:n кратко описывается программные средства, разработанные для расчёта реакт:-*зной ЗДС и потерь в моди якоря при любом из общепринятых вариантов размещении обмотки в пазах якоря.с вогьюашы использованием пааовых дош$ерсв;'

Содержание диссертации отражено в следующих публикациях автора.

1. A.c. I4IS25 СССР. Пазовый демпфер для электрических машин. / И.Б.Битюцкий. - Опубл. в Б.И., 1961, ß 20.

2. Битюцкий И.Б. Расчёт индуктивности паза при демпфировании. //Изв. вузов..Электромеханика. 1965.. Л' 3. С. 30S-3I5.

3. Битюцкий И.Б. К расчёту индуктивности паза при демпфировании. /Изв. вузов. Электромеханика. IS65. Ji 5. С. 580-581.

4. Битюцкий- И.Б. Коммутация электрической машины при демпфировании Еихревыми токами. //Изв. вузов. Электромеханика. 1966. Л 7. С. 729-735.

5. Бахвалов ¡O.A., Битюцкий И.Б. Синтез цепи, моделирующей коммутационные вихревые токи в пазу -якоря. //Изв. вузов. Электромеханика. 1967. ü 10. -С. 1079-1085.

6. Битюцкий И.Б., Курочка А.Л. Расчёт коммутационных потерь в пазу якоря с проводниками, расположенными плашмя. //Изв. вузов. Электромеханика. IS7I. ii II. С. 1257 -1259.

7. Битюцкий И.Б. Приближённый расчёт потерь, обусловленных током в обмотке якоря коллекторной машины. // Изв.- вузов. Электромеханика. IS74. Je 12.. С. 1322-1328.

8. Битюцкий И.Б., Щедринов. А.Б. Математическая модель магнитной цепи дополнительных полюсов. //Изв. зузов. ■ Электромеханика. 1981. £ 6. С. 630-636.- .

9. Битюцкий И.Б. демпфирование пазового поля при расположении проводников плашмя. //Электротехника. 1982. Je4. С;' 14^17. -

10. Битюцкий И.Б.,. Щедринов A.B. "Синтез регулятора форси- . ровки коммутирующего потока. //Изв. вузов. Электромеханика. 1982. ü 4. С. 440-445. . •

11. A.c., 930220 СССР.--Якорь электрической.машины постоян-. ного тока.' / И.Б.Битюцкий, В.Б.Сайфутдинов. - Опубл. в Б.И.,, . 1982, « 45. • . -. : ; .'.-. '. '

12. Битюцкий И.Б., Щедринов A.B. Подпитка дополнительных полюсов в динамических режимах. //Изв. вузов. Электромеханика. /,,. 1982. к 12. с. 1466-1468. ■•:;.•■'.. -.:ЛЛГ'-

13. Битюцкий И.Б., Щедринов'.A.B. Моделирование рациональной форсировки возбуждения дополнительных полесов. /Изв. ву- Л., , зов. Электромеханика. 1983. Je I. С. 48-52. ; .-- .

14. A.c.I0I9555 СССР. .Устройство форсировки возбуждения

- 2S -

дополнительных полюсов электрических машин в динамических режимах. /И.Б.Битюцкий и А.В.Щедринов. -Опубл. в Б.И., 1983, Уе 19.

•15. A.c. I02S243 СССР." Устройство форсировки 'возбуждения дополкятелышх полюсов электрических машин в динамических реет-мах. /И.Б.Еитюцкяй и А.В.Щедриноз. - Опубл. в Б.И., 1983, № 24.

16. A.c. I08I74I СССР. Якорь коллекторной электрической машины. / И.Е.Битюякий. - Опубл. з Б.И., 1934, II.

17. A.c. IIC0686 СССР. Устройство фо'рсировки возбуждения дополнительных полюсов электрических машин пульсирующего тока э динамических режимах. /Р.И.Аликин, Э.А.Долгсэеез, А.С.Степа-пенко, И.Б.Еитюцкий и А.З.Щедринов. -Опубл. в Б.И., 1984, И 24.

16. Ептюцкий И.Б., Щедринов A.B. Уточнение параметров трансформатора для форсировки возбуждения дсп"."с:тельных полюсов в динамических режмах. //Изв. вузов. Электромеханика. IS35. Ü 4. С. 27-30.

19. A.c. II75005 СССР. Устройство форсировки возбуждения дополнительных полюсов машин постоянного тока последовательного возбуждения. / Ю.Н.Сумин, И.Б.Битхлзшй и А.В.Щедриноз. -Опубл. в Б.И., 1985, 1$ 31.

20. Битюцкий И.Б..Актуальные проблемы коммутации машин постоянного тока большой и предельной мощности, //1'зв. вузов. Электромеханика. 1965. 9. С. 26-35.

21. Бптюцхяй И.Б. РасчУт пазовых составляющих реактивной ЭДС о уйтом влияния ком;утациеннш: вихревых токов. //Изв. вузов. Электромеханика. 1986.-J* 10. С. 24-30,

22. A.c. 1277302. СССР. Способ улучшения коммутации коллекторных электрических мащин в динамических ре:кймах. / И.Б.Еитюцкий и Н.А.;.'урашкин. - Опубл. в Б.И., 1926, Ä 46.

23.. Битюцкий И.Б. Новый подход к расчёту реактивной ЭДС канзга постоянного тока. /Изв. вузов. Электромеханика. 1987. й 7. С. -11-47;

24. Еииснкий И.Б. Пазовый демпф-ер.для коллекторного тягового электродвигателя. Изв. вузов. Электромеханика. 1987. £8. С. 16-22. '

25. Битюцкий И.Е., Бугакоз В.П. Пазовые демпферы: за и против. //Изв. вузов. Электромеханика. IS87. .т 10. С. 37—13.

26. Еитгнкнй И.Б. Новый подход к расчёту коммутационных процессов в маггннах постоянного тока большой мощности. -ЛипПИ. - Липецк. 1987. 148 с. Деп. з Информэлектро 25.11.87. .4 376-эт. '■

27. Битюцкий И.Б, Новый подход к формированию коммутирующего поля машины постоянного тока. /Изв. вузов. Электромеханика. 1988. й 2. С. 19-23.

28. A.c. I37438I СССР. Электропривод постоянного тока. / И.Б.Битюцкий и Н.А.Мураиккн. - Опубл. в Б.И., 1988, )'<>■ 6.

29. Битюцкий И.Б. Снижение коммутационной напряжённости прокатных электродвигателей. /Изв. вузов. Электромеханика. 1989. Л I. С. 54-61. -30. A.c. I494II6 СССР. Якорь коллекторной электрической

машины./И.Б.Еитюцкий и А.Б.Щедринов.-Опубл. в Б.И. ,1989,JE26.

31. A.c. 1506501 СССР. Коллекторная электрическая машина с устройством, формирования коммутирующего поля. / И.Б.Битюцкий и Н.А.Муралжин. - Опубл. в Б.Й.,- 1989, У? 33.

32. Битюцкий И.Б. К -расчёту реактивной ЭДС коммутации. / Изв. вузов. Электромеханика. 1990. И 5. С. 34-39.

33. Битюцкий И.Б., Иванова И.В. Математическая модель регулятора формы коммутирующего поля. /Изв. вузов. Электромеханика. 1991. Je 2. С. 23-30.

34. Битюцкий И.Е., Иванова И.Б. Электрическая машина постоянного тока с устройством формирования коммутирующего поля./ Положительное решение по заявке & 4892045 от 17.12.90.

35. Битюцкий И.Б,, Иванова К.В. Пакет прикладных программ расчёта на ПЭВМ' реактивной ЗДС и потерь в меда якоря с учётом коммутационных вихревых токов.. /Изв. вузов. Электромеханика. 1992. Ü I. С. 39-45. _

Личный вклад. Из содержания работ, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежат: в /5/ - постановка задачи к оценка результатов; в /6/ - математическая формулировка и решение задачи; в /8, 10, 12, 13, 18, 25, 33, 35/- постановка к математическая формулировка задач, основные математические выкладки ж оценка результатов; в /17/ -- идея, послужившая прототипом устройства; в /II,.14, 15, 19, 22, 28, 30, 31, 34/ -разработка основной идеи и способа ее реализации.

0

V л

о

к

о

. .1

9

9

Рис.. I. Размеры паза и активных проводников ггоскатного двигателя.

#3 В

Ряс.2. Пазовая: составляющая реактивной ЗДС: 'I - б 'сипнкх проводниках; 2 - в проводниках, разделённых по высоте; 3-2 проводниках, разделенных по высоте,при . наличии демпфера-гильзы.

Рис.3. Лобовая составляющая реактивной ЭДС: I - в левой верхней полусекции; 2 - в средней верхней полусекции; 3 - в правой верхней полу-Сйкцна,; 4 - результирующая.

е ыТ/г ьдТ/2

3.0 В

Г \ \ \ 2.5 Б

г/ V / тах

уГ / ¿>п1П

// /1 У! : \\

о ч V

Рис.4. ЭДС, индуктируемая, потоком рассеяния по коронкам зубцов якоря (I) и изменение расчётной индуктивности в пределах комму-тацконной зоны (2).

СдТ/2 сдТ/2

пА

М-

-V в/

ртг-Г

V

в-/

1/

п

5/?

15

Рис.6. Паз тягового двигателя с демпфирующей пластиной и очерёдность коммутации, тока в проводниках.

Рис.5. Пазовая составляющая реактивней ЭДС с учётом тенденций изменения тока: а, I- прямолинейная коммутация; 6,2- замедленная коммутация; в,3 -ускоренная коммутация; г, 4 - коммутация сопротивлением с учётом параметров секции и петушков.

-ци

Рис.7. Паз якоря тягового двигателя с демпфером-рамкой.

Рис.8. Процессы в коммутируемом пазу: с у.:-/лрный ток активных проводников (I) и ток демпфера (2); ЭДС самоиндукции паза с демпфером (3) и без демпфера (4),

гоо

ооо ш юо тн /гоо /1

рис.9. Оценка эффективности демпферов-рамок в зависимости от режима работы тягового двигателя:

-- степень

возбуждения 0,96;

----- степень

возбухчения 0,49; 1,2- скоростные характеристики; 3, 4 - ЭДС самоиндукции паза без демпфера; 5, 6 -ЭДС самоиндукция паза с демпфером; 7,6- потери в демпфере.

1.6

/Л

Рис.10. Пазовая составляющая реактивной ЗДС прокатного двигателя: I - при /2 укладке проводников на ребро; 2 - при укладке плашмя без демпфера; 3 - при укладке плашмя с демпфером-гильзой.

/

/ / . / /

/ /

/ / /

i / / / /

/ / / / 5

У / /

/ У S

— -

ЧОЪ Of1

1.6

t.2 Dfi ОМ

7

/ 1 \ \

1 1 1 5 _ / / \ Ч\

/7 / kj

¡и / л \

'at

',0

750 (ООО ¡¿50 оЬ/нин

Рис.11.. Коэффициент, характеризующий полные' потери в проводниках паза тягового двигателя: -- при.питании постоянным током; ---- при питании выпрямленным током с коэффициентом пульсаций 0,3.

О

г 4 6 & */Ozрад/с

■Рис.12. Эквивалентное сопротивление некоторых проводников паза тягового двигателя в зависимости от частоты гармоник тока: -- без демпфера; --- - с демпфирующей пластиной.

4 ---

Ш *ю4 Ом Ш) чо'е Гн' Ш) чоъ А

/.о 0.5 $ 2

во I

Ряс.13.. Результаты математического моделирования форсирующего эффекта коммутационных вихревых токов: ¿ц -ток в цеггл й (о)), £ Ш)

при 0^=1;

¿а - ток в

0 0 О 0.2 0,4 0.6 0,1 *{дV

I_._■" ' . .

О 50 ЮО 450 * гтт рад

цепи /?0 , 1.0 при I;

1'й - ток в цепи 1в при подборе соответствующей величины 6К .

Рис. 14.. Осциллограммы токов и коммутирующего потока в относительных единицах:. I - ток якоря; 2 -

естественный коммутирующий поток; 3-ток подпитки, пропорциональный первой реальной- производной тока якоря; 4-ток подпитки, пропорциональный второй реальной производной тока якоря; 5 - коммутирующий поток при токе подпитки 3; 6 - коммутирующий поток при токе подпитки 4.

£нс.15.. Рациональная фор-сировка возбуждения дополнительных полюсов: I-ток якоря; 2 - естественный коммутирующий поток.; 3 - ток подпитки; 4 - форсированный ток в обмотке дополнит ельных полке ов;

о - форсированный коммутирующий ноток

г1 | «зф М ———==г:-—3-

Рис. 16. Формирование коммутирующей ЭДС несимметричными дополнительными полюсам N и 5 с раздельным управляемым возбуждением: а - полюсы возбуждены в равной мере; б - полюсы возбуждены в разной мере, а в обмотке 5 изменено и направление тока.

е,е

-I -

Холостой ход I * .1 Чн V = .68 ал 1е* ?.3 #1вбаз « = 1.78 «»баз

юИ^ регулятора

кошут^>у*»я"о поля: 41= .534 ; Я2=-.5!5 .

Длзгвзон изменения кххочтеюрсззтой 3¿С ■ первой пзлоежг кожутгциожей зоны: от -.57 хо .73 В; »3 второй ПОЛО ЕДОЮ ксы/тгцютоЯ аони: от -.71 ао .57 В

Грг$*ки:

1 - Ер(й>;

2 - ЕгЫ);

3 - ЕкШ}

< - нескоипснсиэавгннгя ЭДС.

Рис.1?. Баланс ЭДС в коммутируемых секциях прокатного двигателя в режиме холостого хода, отображённый на видеомониторе персональной ЭВМ "Электроника МС-0585", как результат работы математической модели регулятора форш коммутирующего поля.

2