Удосконалення методик визначення електромагнітних параметрів і теорії електромагнітних процесів в індукційних реостатах

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

Автореферат

дисертацiї на здобуття наукового ступеня кандидата технiчних наук

УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДИК ВИЗНАЧЕННЯ

ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ПАРАМЕТРІВ І ТЕОРІЇ

ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ПРОЦЕСІВ

В ІНДУКЦІЙНИХ РЕОСТАТАХ

Спецiальнiсть: Електричні машини та апарати

Вербовий Андрiй Петрович

Харків, 2001 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальнiсть теми. Асинхроннi двигуни (АД) використовуються в усiх галузях господарської дiяльностi i споживають близько 60% всiєї електроенергії, що виробляється. Тому навiть незначне пiдвищення енергетичних показникiв (коефiцiєнтiв потужностi i корисної дiї) або ефективностi використання (пiдвищення надiйностi, зниження рівня споживання електроенергiї, розширення функцiональних можливостей i т. п.) в масштабi держави забезпечує значний економiчний ефект.

Серед шести класів АД з покращеними пусковими, регулювальними та динамічними властивостями знаходиться клас двигунів з фазною обмоткою ротора та допоміжними індукційними реостатами. Індукційні реостати (ІР) розміщуються на валу поза обсягом двигуна в місці розташування контактних кілець і забезпечують автоматичну зміну активно-індуктивного опору від ковзання. При цьому АД стає безконтактним, а частина втрат потужності виноситься з обсягу, що забезпечує більш ефективне охолодження ІР.

З розвитку теорії АД з ІР до цього часу захищені чотири дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук. При цьому ІР розглядалися як еквівалентний активно-індуктивний опір і не забезпечували прийнятної точності розрахунків. Не розглядалися процеси в ІР, не визначалися електромагнітні параметри обмотки та екрана як двох елементів. Тому актуальною стала задача більш детального розгляду особливостей роботи ІР при представленні екрана еквівалентною одновитковою коротко замкнутою обмоткою. Розробка принципових основ теорії та методик визначення електромагнітних параметрів визначає науковий напрямок роботи. Зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Представлена дисертацiя є результатом виконання НДР з природничої та науково-технічної тематики Iнституту електродинамiки НАН України (теми: "Статор-2П" (проблема 1.9.2.5), №ДР 01.91.0006210, інв. №0992002008, "Електромашина-3" (проблема 1.9.2.5), №ДР 01.91.0006209, інв. №0296U002316, шифр 05.51.06.17/218-92 (з 1995 р. - 04.11.05/001К-95), №ДР 0195U016352. інв. №0296U002829, шифр 05.51.06/133-93 (проблема 5.1.6), №ДР 0195U008757, "Двигмех", 04.11.05/003К-95 (проблема 5.1.6), №ДР 0195U000087, інв. №0298U533, шифр 2/1036-97 (проблема 26.08/01883), №ДР 0198U000553, інв. №0201U001096, х.д. №26/680-98 (держзамовлення з пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки), №ДР 0198U000552, інв. №0299U001016 (за 1998 р.), інв. №0200U001489 (за 1999 р.), інв. №0200U004816 (ч. 1 за 2000 р.), інв. №0201U004817 (ч. 2 за 2000 р.)), виконаних у вiдповiдностi до планiв наукових дослiджень згiдно з постановами Президiї НАН України та координацiйними планами ДКНТ.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розвиток і удосконалення принципових основ класичної теорії електричних ланцюгів, а також теоретичне і експериментальне визначення нелінійних електромагнітних параметрів для подальшого створення індукційних реостатів з оптимальними техніко-економічними показниками. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- провести аналіз і класифікацію запропонованих конструктивних і схемних виконань ІР, визначити перспективні варіанти, розробити рекомендації по їх удосконаленню;

- розробити фізичні, математичні, схемні і векторні моделі для дослідження електромагнітних процесів у статичних і динамічних режимах роботи ІР, при представленні екрана еквівалентною одновитковою коротко замкнутою обмоткою із зосередженими електромагнітними параметрами;

- розробити методи визначення коефіцієнта індуктивності;

- виконати теоретичні й експериментальні дослідження, провести порівняння отриманих результатів.

Об'єктом дослідження є електромагнітні процеси в індукційних реостатах і в інших аналогічних електротехнічних пристроях, що містять обмотку з екраном, сердечником або шихтованим пакетом.

Предметом дослідження є особливості розподілу струмів, напруг, магнітних потоків, магнітних індукцій, активних і реактивних потужностей, вплив їх на зміну електромагнітних параметрів обмоток.

Методи дослідження. Основним методом дослідження прийнятий метод теорії електричних ланцюгів. Електромагнітні процеси описані системами рівнянь у диференціальній і символічній формах запису і доповнені схемами заміщення, векторними діаграмами, рівняннями балансу активних і реактивних потужностей. Рішення диференціальних рівнянь виконано класичним методом і методом Рунге-Кутта на IBM PC. Визначення електромагнітних параметрів ІР здійснено розрахунковим шляхом з використанням експериментальних даних. Для визначення коефіцієнта індуктивності розроблений метод використання векторної діаграми для двох електромагнітно пов'язаних контурів зі струмами.

Практичне значення одержаних результатiв полягає в тому, що використання їх дозволить здійснювати бiльш детальні дослiдження електромагнiтних i теплових процесів у обмотцi та екранi, визначати їх електромагнiтнi параметри, глибше зрозумiти i дослiджувати вплив параметрiв i властивостей матерiалiв обмоток на характеристики IР та АД, виробляти i приймати правильні рiшення при проектуванні регульованих електроприводів. Математичнi моделi, алгоритми i програми дозволяють дослiджувати електромагнiтнi процеси як в статичних, так i в динамiчних режимах роботи IР. Для однофазних IР рiвняння рiвноваги напруг доведенi до рiшення в загальному виглядi, алгоритму i програми для IBM PC. Розробленi методики визначення електромагнiтних параметрiв i коефiцiєнтiв служать основою для подальшого удосконалення теорiї i технiко-економiчних показників АД з IР. Результати досліджень передані Державному комітету України з енергозбереження, що підтверджується актами передачі від 23.02.1999, 27.12.1999, 15.11.2000 рр. Крім того, результати дисертаційної роботи використані при розробці Державного стандарту України "Енергозбереження. Системи електропривода. Методи аналізу і вибору", реалізованого підприємством "Електромеханіка" за замовленням Державного комітету України з енергозбереження і підтвердженого актом від 10.12.1999 р.

Особистий внесок здобувача у наукових працях, опублікованих із співавторами. В роботі розроблена методика визначення параметрів. В отримані результати експериментальних досліджень, розроблена методика. В отримані результати теоретичних досліджень. В отримані результати експериментальних досліджень. В розроблена методика визначення коефіцієнта відношення індуктивних і активних параметрів. В виявлені фактори зміни розрахункової величини активного опору екрана при розбивці його на окремі ділянки.

Апробацiя результатiв дисертацiї. Основнi положення i результати дисертацiйної роботи доповiдались та обговорювались на Всеукраінській конференції "Повышение физико-механических и служебных свойств чугунов в отливках путем их легирования, модифицирования, термической и высокоэнергетической обработки" (Киев, 1995 г.), I-й Мiжнароднiй науково-технiчної конференцiї "Математичне моделювання в електротехнiцi й електроенергетицi" (Львiв, 1995 р.), Мiжнароднiй науково-технiчнiй конференцiї "Проблемы совершенстования систем аэронавигационного обслуживания и управления подвижными объектами" - "Аэронавигация - 96" (Київ, 1996 р.), Мiжнароднiй науково-технiчнiй конференцiї "Проблемы развития систем аэронавигационного обслуживания и авионики воздушных судов" - "Аэронавигация и Авионика - 98" (Київ, 1998 р.).

Публiкацiї.

Список наукових праць за темою дисертації складає 15 найменувань, з них: 4 статті у наукових журналах, 7 статей в збірниках наукових праць Інституту електродинаміки НАНУ, 4 доповіді на наук. - техн. конференціях.

Структура та обсяг роботи.

Дисертацiйна робота складається з вступу, 4-х частин тексту з висновками по кожнiй частинi, загальних висновків i налічує 153 сторiнок тексту, 46 рисункiв по тексту, списку використаної лiтератури iз 55 найменувань на 6 сторiнках i додатків на 7-х сторiнках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМIСТ РОБОТИ

У вступi обґрунтовано актуальнiсть проблеми, зв'язок роботи з науковими програмами, планами i темами, сформульовано мету i задачi роботи, викладено наукову новизну, практичну значимiсть одержаних результатiв.

В першому розділі дисертацiї розглянуті конструктивнi виконання ІР, проведена їх класифiкацiя, розглянутi окремi класи IР, наведена історична довідка. Низька надiйнiсть контакторної апаратури i громiздкiсть реостатiв в сучасних електроприводах (ЕП) спричинили необхiднiсть пошуку бiльш надiйних i компактних систем управлiння пуском і регулюванням частоти обертання АД з фазним ротором.

Серед них найбільш перспективною була пропозиція Ю.М. Розова, щодо усунення ковзаючіх контактів, врезультаті АД стає безконтактним. Ця пропозиція продовжує розвиватис.

а) індукційні реостати стержневих типів;

б) iндукцiйнi реостати у виглядi порожнiх масивних феромагнiтних дискiв, в середині яких розмiщуються котушки концентричного типу;

в) індукційні реостати у вигляді зубчатих конструкцiй;

г) iндукцiйнi реостати iнших конструкційних форм виконання.

Перевагу належить вiддавати тим конструкцiйним i схемним рiшенням, якi забезпечують однакові умови для протiкання електромагнiтних i теплових процесiв, рівномірного охолодження в усiх трьох фазах, використовують рiзнi ефекти (наприклад, ефект близькостi, компенсацiї магнiтного потоку, витиснення струму), максимально заповнюють простiр, технологiчнi у виготовленнi, простi в експлуатацiї, пiддаються фiзичному i математичному опису, теоретичному моделюванню процесiв, оптимiзацiї.

У другому розділі розроблені принципові основи теорії ІР. Індукційний реостат розглядається як система, що складається з двох електромагнітно пов'язаних контурів зі струмами. Кожен з контурів має активний опір і власну індуктивність, а електромагнітний зв'язок між ними враховується взаємною індуктивністю. Для цієї системи початкові рівняння рівноваги напруг для миттєвих значень величин мають такий вигляд:

Де:

r - активні опори контурів;

i - миттєві значення струмів в контурах;

е - миттєві значення ЕРС, які наводяться в контурах.

Індекси "о" і "с" у величин в рівняннях (1) і (2) та в подальшому викладанні відносяться до величин обмотки і екрана (сталі).

При підстановці повних потокощеплень і перетворень отримуємо систему рівнянь:

Якщо до обмотки підводиться синусоїдальна напруга:

То струми в контурах також змінюються за синусоїдальними законами, тобто:

Де:

і - амплітуди змінних напруги і струмів.

Для амплітудних значень напруги та струмів рівняння (3) і (4) переписуються у такому вигляді:

Переходячи від тригонометричної форми запису рівнянь до комплексної та беручи похідну струмів за часом, рівняння (5) і (6) переписуємо у такому вигляді:

Вирази для невідомих струмів мають вигляд:

Знак мінус перед правою частиною у рівнянні (10) означає, що струм в еквівалентній обмотці сталі тече від кінця до початку.

При проектуванні та розрахунках характеристик пристроїв, що розглядаються, зручніше користуватися рівняннями, які описують не систему електромагнітно пов'язаних контурів зі струмами, а рівняннями, що описують електричну схему, тобто еквівалентну їй схему заміщення.

Для цього приводимо числа витків коротко замкнутого контуру до числа витків обмотки:

індукційний реостат електромагнітний

Об'єднуємо гілки з рівними за величині та напрямком ЕРС в одну гілку, отримуємо схему заміщення та будуємо векторну діаграму.

Еквівалентність схеми заміщення електромагнітно пов'язаним контурам із струмами досягається рівністю МРС, активних і реактивних потужностей до і після приведення.

В роботі виведені рівняння балансу активних і реактивних потужностей, які підтверджують правильність схеми заміщення та векторної діаграми. Встановлено (математично доведено) взаємозв'язок між власними та взаємними індуктивностями та індуктивними опорами схеми заміщення:

Які піддаються теоретичному та експериментальному визначенню.

Скориставшись співвідношеннями (11) систему з двох рівнянь (3) і (4) переписуємо у такому вигляді:

Для рішення рівнянь (12) у загальному виді за допомогою диференціювання приводимо їх до лінійних неоднорідних диференціальних рівнянь другого порядку з постійними коефіцієнтами. Диференціальні рівняння електромагнітної рівноваги вирішені класичним методом та методом Рунге-Кутта. Для цих методів розроблені алгоритми та написані програми для дослідження перехідних процесів на ПЕОМ.

Третій розділ присвячений вирішенню задач щодо визначення та дослідження електромагнітних параметрів ІР. До них належать активні та індуктивні опори схеми заміщення, власні індуктивності реальних та еквівалентних обмоток, а також взаємна індуктивність між ними. Перед розв'язанням рівнянь, визначенням струмів та інших електромагнітних величин мають бути визначені електромагнітні параметри і задані у вигляді аналітичних залежностей, графічних або числових даних. Розв'язання задач здійснювалось для конкретних конструкцій ІР. Визначення активного опору екрана ІР проводиться спочатку для бокових пластин і кільцевих частин, а потім загального опору екрана - як при паралельному їх підключенні. Встановлено, що величина активного опору визначена таким чином менша величини опору, визначеної за середньою довжиною кільця та площі загального радіального перерізу. Відношення цих величин названо коефіцієнтом ефективності активного опору. Його розрахункова величина залежить від числа поділу масивних замкнутих елементів конструкції на паралельні частини. Ця величина наближається до межі, за якої подальший поділ на паралельні частини не дає зменшення розрахункової величини опору. Розроблена методика визначення індуктивного опору розсіювання основної обмотки, що охоплена з усіх боків екраном. При протіканні струмів у обмотці та екрані буде створюватися результуюче магнітне поле, магнітні силові лінії якого замикатимуться навколо центру симетрії. Індуктивний опір розсіювання обмотки визначається рівнянням:

Розроблена методика експериментального визначення електромагнітних параметрів ІР. При цьому в зразках розміщувалась допоміжна обмотка для вимірювання ЕРС взаємоіндукції. Виявлена суттєва різниця між значеннями ЕРС на внутрішньому і зовнішньому боці обмотки.

На рис.6 наведені залежності струму в обмотці, споживаної активної потужності і коефіцієнта потужності від величини підведеної напруги, що отримані експериментально.

В четвертому розділі наведені результати розроблених методик визначення коефіцієнта індуктивності, який характеризується відношенням. У зв'язку з труднощами визначення до цього часу використовувалось припущення про його постійність, тобто:

Разом з тим відомо, що не є постійною величиною, і для екранів ІР потрібно шукати шляхи його визначення. В дисертації розглянуто декілька наближених методів.

В методі з використанням динамічної петлі гістерезису використовується кут зсуву фаз між магнітною індукцією та напруженістю магнітного поля, або між ЕРС взаємоіндукції і струмом в еквівалентній обмотці. Якщо прийняти зміну магнітної індукції в осерді косинусоїдальною:

Де:

b - миттєве та максимальне значення індукції, то значення остаточної індукції можна визначати виразом.

Це досягається тоді, коли напруженість магнітного поля рівна нулю. При відомих і визначаємо косинус кута зсуву фаз:

На підставі проведених теоретичних і експериментальних досліджень можна зробити такі висновки:

1. Заміна звичайних реостатів з дискретною або плавною зміною величини активного опору на ІР з автоматичною зміною активно-індуктивного опору і розміщення їх на валу ротора у місці розташування контактних кілець робить такий АД безконтактним і надає йому позитивних властивостей звичайного коротко замкнутого двигуна;

2. Для моделювання усталених і перехідних електромагнітних процесів в ІР розроблені фізичні та математичні моделі, побудовані схеми заміщення і векторні діаграми, виведені рівняння балансу активних і реактивних потужностей, які підтверджують адекватність моделей реальним фізичним процесам;

3. Теоретичні задачі вирішені в класичній постановці, тобто відомими приймаються підведена до обмотки напруга і електромагнітні параметри, а визначенню підлягають струми в обмотках, електромагнітні навантаження, втрати та інші величини;

4. Встановлений взаємозв'язок між індуктивностями і електромагнітними параметрами схеми заміщення дозволяє власні і взаємні індуктивності в диференціальних рівняннях змінювати на індуктивні опори схеми заміщення, які піддаються розрахунковому та експериментальному визначенню;

5. Для однофазних ІР рівняння рівноваги напруг доведені до рішення в загальному вигляді, алгоритму і програми для IBM PC, що дозволяє проводити теоретичні дослідження і порівнювати їх з експериментальними даними конкретних зразків;

6. Для визначення індуктивного опору розсіювання обмотки, що розміщується в екрані, розроблена методика, яка відрізняється від методики визначення індуктивного опору пазового розсіювання електричних машин тим, що магнітні силові лінії замикаються навколо центру симетрії розташування обмотки. Такий підхід більш точно відповідає реальним електромагнітним процесам ІР;

7. Розрахунок магнітного ланцюга показав, що його насичення відбувається при малих значеннях підведеної напруги і в пусковому режимі робота ІР проходить при індукціях в екранах більше 2 Тл;

8. Розроблені методи визначення коефіцієнта індуктивності.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Вербовой А.П. Уравнения, схема замещения и векторная диаграмма индукционных сопротивлений с учетом процессов в экранах // Регулируемые асинхронные двигатели: Сб. науч. тр. - Киев, Ин-т электродинамики НАН Украины, 1996. - С. 31-38.

2. Вербовой А.П. Решение уравнений электромагнитного равновесия индукционных сопротивлений с учетом процессов в экранах // Регулируемые асинхронные двигатели: Сб. науч. тр. - Киев: Ин-т электродинамики НАН Украины, 1997. - С. 26-33. індукційний реостат електромагнітних

3. Вербовой А.П., Вербовой П.Ф., Съянов А.М. Определение и исследование электромагнитных параметров индукционных сопротивлений // Регулируемые асинхронные двигатели: Сб. науч. тр. - Киев: Ин-т электродинамики НАН Украины,1997. - С. 38-48.

4. Вербовой А.П., Вербовой П.Ф., Съянов А.М. Определение электромагнитных параметров индукционных реостатов по экспериментальным данным // Регулируемые асинхронные двигатели'98: Сб. науч. тр. - Киев: Ин-т электродинамики НАН Украины. 1998. - С. 66-76.

5. Вербовой А.П., Вербовой П.Ф. Разделение эквивалентных общих электромагнитных параметров параллельных контуров на составляющие // Регулируемые асинхронные двигатели'98: Сб. науч. тр. - Киев: Ин-т электродинамики НАН Украины. 1998. - С. 84-90.

Размещено на Allbest.ru