Раціональні системи післяремонтних випробувань генераторів постійного струму

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КРЕМЕНЧУЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.313.2.001.4

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

РАЦІОНАЛЬНІ СИСТЕМИ ПІСЛЯРЕМОНТНИХ ВИПРОБУВАНЬ ҐЕНЕРАТОРІВ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

Спеціальність 05.09.01 - Електричні машини і апарати

БЯЛОБРЖЕСЬКИЙ Олексій Володимирович

Кременчук - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі систем автоматизованого управління та електропривода Кременчуцького державного політехнічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

РОДЬКІН Дмитро Йосипович,

завідувач кафедри систем автоматизованого управління та електропривода Кременчуцького державного політехнічного університету Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Чучман Юрій Іванович, професор кафедри електричних машин і апаратів Національного університету “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України;

- кандидат технічних наук, Любарський Борис Григорович, доцент кафедри електротранспорту і тепловозобудування Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Провідна установа:

Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра електромеханіки і теоретичних основ електротехніки.

Захист відбудеться 25 жовтня 2004 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 45.052.01 Кременчуцького державного політехнічного університету Міністерства освіти і науки України за адресою: 39614, Полтавська обл., м. Кременчук, вул. Першотравнева 20, корпус 1, ауд. 1211.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Кременчуцького державного політехнічного університету Міністерства освіти і науки України (39614, Полтавська обл., м. Кременчук, вул. Першотравнева 20)

Автореферат розісланий 23 вересня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

канд. техн. наук, доц. А.В. Некрасов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

енергія генератор струм втрата

Актуальність роботи. В останні роки після довготривалої кризи економіка країни починає процес відновлення, розширення виробництва практично в усіх галузях народного господарства. Цей процес особливо відчутно торкається електрифікованих транспортних систем, гірничодобувної й металургійної промисловості. Оновлення устаткування через фінансові обмеження практично неможливе в жодній із галузей народного господарства. Однаковою мірою це стосується й електротехнічної промисловості. За цих умов істотно зросла роль електроремонтної галузі, яка здійснює відновлення устаткування, зокрема електричних машин. Для оцінювання властивостей відремонтованої машини проводять післяремонтні випробування.

Як правило, системи випробувань реалізуються за схемами із взаємним навантаженням декількох електричних машин, способи реалізації яких запропоновані в роботах Нюрнберга Г.В., Жерве Г.К., Піотровського Л.І., і набули подальшого розвитку в роботах Костенка М.П., Копилова І.П., Астахова Н.В. Схемні рішення, за якими відбуваються випробування машин під навантаженням, передбачають наявність додаткових електромашинних аґреґатів, що є їх основним недоліком.

Існують також системи, які забезпечують навантаження двигунів постійного струму без механічного аґреґування з іншими електромеханічними пристроями. Ці системи, які одержали назву систем динамічного навантаження, застосовуються для двигунів будь-якої потужності, не вимагають додаткового технологічного оснащення і можуть використовуватися як на випробувальних станціях електроремонтних цехів, так і при вхідному контролі електричних машин на промислових підприємствах і технологічних установках.

Специфіка ґенераторів постійного струму й вимоги до їх випробувань не дозволяють у повному обсязі застосовувати системи, які знайшли сферу використання при випробуваннях двигунів. З цієї причини необхідно провести комплекс досліджень, який дозволив би встановити можливість використання раніше розроблених пристроїв і систем для випробування ґенераторів постійного струму, розробити методи і схемні рішення, що забезпечують одержання їхніх стандартних характеристик, необхідний обсяг інформаційних ознак для оцінювання реальних характеристик машин різних ґабаритів і потужностей.

Тому, актуальною є задача створення систем післяремонтних випробувань ґенераторів постійного струму на основі методу динамічного навантаження, розробки якісно нових способів одержання характеристик, синтезу методів визначення реальних робочих параметрів та навантаження, яке відбувається за умови допустимого перевищення температури обмотки якоря, впровадження цих систем у ремонтних цехах і на підприємствах. Це дозволить спростити випробувальні пристрої, знизити витрати часу й енергії на випробування, а також робити обґрунтований висновок про доцільність подальшого застосування відремонтованої машини.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана як елемент комплексної проблеми НАН України "Наукові основи електроенергетики". Основні результати роботи одержані під час виконання держбюджетних і госпдоговірних НДР, що проводилися протягом 1999-2003 років у Кременчуцькому державному політехнічному університеті: "Дослідження і розробка теорії енергозбереження й енергозберігаючого електромеханічного устаткування" (№ 0199U004068); "Створення систем контролю і керування енергоспоживанням промислових комунальних об'єктів і транспортних засобів" (№ 0102U002622); "Розробка методичного і метрологічного забезпечення для комп'ютеризованих електромеханічних комплексів, впровадження в навчальний процес і дослідницьку практику" (№ 0103U003993).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в уточненні математичного опису процесів перетворення енергії в ґенераторах постійного струму та розвитку технології їх післяремонтних випробувань з використанням методу динамічного навантаження для підвищення її продуктивності, інформативності та зниження енергетичних витрат.

Для досягнення мети в роботі поставлені й вирішені наступні задачі:

- дослідження режимів роботи й особливостей перетворення енергії у ґенераторі постійного струму для уточнення рівнянь, які описують процеси у ньому, при регулюванні напруги якоря, напруги збудження і комбінованому регулюванні у динамічних режимах;

- уточнення математичного апарату, який описує машину постійного струму, введенням додаткових коефіцієнтів або функціональних залежностей, які відображають процеси перетворення енергії в машині з урахуванням втрат і явища реакції якоря, на підставі параметрів зовнішніх впливів, стану машини (струм, напруга, кутова частота обертання);

- розробка на підставі рівнянь балансу миттєвої потужності методу визначення параметрів і функціональних залежностей, які характеризують процеси розподілу енергії в машині, з метою визначення рівня втрат;

- розробка методу одержання стандартних характеристик ґенераторів постійного струму в динамічних режимах без застосування приводних пристроїв;

- розробка системи для навантаження, діагностики і визначення стандартних характеристик ґенераторів постійного струму;

- розробка алгоритму еквівалентизації втрат, які виникають при динамічному навантаженні, до статичних режимів для машин із примусовою і самовентиляцією;

проведення лабораторних досліджень та впровадження розробленої системи навантаження ґенераторів постійного струму і діагностики їхніх характеристик в умовах ремонтного цеху або підприємства.

Об'єкт досліджень - процеси визначення параметрів і характеристик ґенератора постійного струму під час його випробувань без механічного аґреґування з електромеханічними пристроями.

Предмет досліджень - динамічні режими ґенератора постійного струму для виявлення закономірностей перетворення енергії, якісної оцінки його характеристик і параметрів.

Методи досліджень. При вирішенні поставлених задач використовувалися загальні методи теоретичних основ електротехніки; теорія електричних машин; теорія рядів Фур'є; чисельні методи розв'язання диференціальних і лінійних рівнянь та систем; методи наближень, апроксимації й інтерполяції; теорія побудови пристроїв аналогово-цифрового перетворення; математичне моделювання на ЕОМ і експериментальні дослідження.

Ідея роботи полягає у використанні методу динамічного навантаження, аналізу миттєвих потужностей для одержання типових характеристик і параметрів ґенераторів постійного струму під час їх випробування.

Основні наукові положення і результати досліджень, їх новизна.

Наукові положення

1. Динамічні режими ґенератора постійного струму, який підключається до джерел живлення якоря і обмотки збудження з вихідними напругами, які змінюються періодично, мають інформаційні ознаки, достатні для одержання стандартних характеристик, картини розподілу втрат в елементах конструкції, теплових випробувань і оцінки якості комутації струму в щітково-колекторному апараті.

2. Закономірності процесів обміну енергією у ґенераторі постійного струму при полігармонійній зміні напруг якоря і збудження, одержані в динамічних режимах на підставі балансу гармонійних складових миттєвої потужності, визначають характеристики і параметри випробуваного аґреґату.

Наукові результати

1. Доведено, що в умовах електроремонтних підприємств та при контролі відремонтованих машин замовником, системи динамічного навантаження, на відміну від існуючих систем, є доступним і ефективним устаткуванням для одержання необхідного спектра характеристик ґенераторів постійного струму.

2. Уперше розроблено методи одержання п'яти стандартних характеристик генераторів постійного струму (неробочого ходу, короткого замикання, регулювальної, зовнішньої й навантажувальної) в динамічних режимах без механічного з'єднання випробуваної машини з навантажувальними або приводними пристроями.

3. Установлені закономірності частотних перетворень потужності в колах якоря та збудження на основі аналізу її миттєвих значень, що, на відміну від раніше відомих результатів, дозволило сформулювати умови рівноваги на кожній з гармонік потужності й, тим самим, розширити можливості діагностики на підставі енергетичних критеріїв.

4. Розроблена математична модель ґенератора постійного струму при періодичних впливах з боку якоря та обмотки збудження, яка вирізняється тим, що для оцінювання енергетичних і теплових режимів до її складу введено зв'язки, які враховують залежності механічних втрат і втрат у сталі.

5. Установлено, що при гармонійних впливах на коло якоря ґенератора постійного струму спектр складових миттєвої потужності є інформаційною ознакою, яка дозволяє визначити електромагнітні параметри машини, у тому числі реакцію якоря електричної машини. При цьому доведено, що у випадку лінійної залежності потоку реакції якоря від струму якоря, складові миттєвої потужності містять нескінченну кількість гармонік з частотами, кратними частоті зміни напруги.

6. Обґрунтована та розроблена структура вимірювально-діагностичного комплексу випробування ґенераторів постійного струму, який дозволяє реалізувати незалежне задання кутової частоти обертання і струму якірного кола, а також їхніх похідних, що забезпечують заданий рівень втрат потужності в міді та сталі електричної машини.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується коректністю прийнятих у математичних моделях припущень та підтверджується збігом теоретичних положень з результатами математичного моделювання і даними експериментальних досліджень, позитивними впровадженнями результатів роботи.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблені принципи і режими функціонування силового устаткування, а також системи керування дозволили реалізувати в лабораторних і промислових умовах системи випробувань ґенераторів постійного струму без механічного аґреґування з іншими електричними машинами.

Розроблене вимірювально-діагностичне устаткування, яке вирізняється як у конструктивному, так і в апаратному виконанні, може використовуватися на будь-яких випробувальних станціях, у дослідницьких організаціях, що займаються дослідженням машин постійного струму в статичних і динамічних режимах. Схемні і системні рішення вимірювально-діагностичних комплексів захищені охоронними документами.

Розробки пройшли експериментальну перевірку і є готовим продуктом для практичного використання. Результати роботи впроваджені в проекті системи післяремонтних випробувань машин постійного струму в електроремонтному цеху підприємства "Індустріал - сервіс" (м. Нікополь), а також у навчальному процесі у Кременчуцькому державному політехнічному університеті в рамках дисциплін "Силова перетворювальна техніка автоматизованого електропривода", "Цифрові системи керування електроприводами", "Теорія надійності та діагностики електромеханічних систем".

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно сформулював задачі досліджень, наукові положення і результати, виконав теоретичну частину роботи, брав безпосередню участь у проведенні стендових експериментальних досліджень.

Особистий внесок дисертанта в роботах, опублікованих у співавторстві: [3] - синтезовано алгоритми одержання характеристик ґенераторів постійного струму в динамічних режимах; [4] - проведено аналіз розподілу енергії в нелінійних елементах електромеханічних систем; [5] - синтезовано систему регулювання з регуляторами струму і кутової частоти для підтримки заданих законів зміни струму якоря і кутової частоти обертання; [6] - синтезовано загальну структуру керуючого вимірювально-діагностичного комплексу, яка дозволяє підвищити ефективність застосування дослідницької електромеханічної системи; [8] - синтезовано систему управління напругою якоря та напругою збудження для здійснення режимів динамічного навантаження двигуна постійного струму; [9] - синтезовано систему автоматизованого управління процесом динамічного навантаження ґенератора постійного струму із заданням струму та кутової частоти обертання якоря; [10] - розроблено алгоритми роботи комп'ютеризованого комплексу; [11] - розроблено пристрій для одержання характеристик ґенератора постійного струму в динамічних режимах.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися на міжнародних науково-технічних конференціях: "Проблеми створення нових машин і технологій" (м. Кременчук, 1999 - 2001 р.р.), "Електромеханічні системи, методи моделювання й оптимізації" (м. Кременчук, 2002 р.), "Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика." (м. Алушта, 2003 р.) та на міжнародному симпозіумі "Проблеми вдосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика." (SІEMA'2003) (м. Харків, 2003р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 11 друкованих працях, з них 7 - у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України, 2 - матеріали конференцій. Три наукові роботи видані без співавторів.

Структура й обсяг дисертації. Повний обсяг дисертації складає 247 сторінок друкованого тексту та містить вступ, п'ять розділів, висновки що до роботи, список використаних джерел і дев'ять додатків. Основна частина роботи викладена на 143 сторінках. Список використаних джерел складається з 111 найменувань і займає 10 сторінок. Дисертація містить 50 рисунків і 8 таблиць, з них 30 рисунків та 5 таблиць займають 29 повних сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи і показано її зв'язок з науковими програмами, сформульовано мету й основні наукові та практичні задачі дослідження, наведено наукові положення, що виносяться на захист, показано наукову новизну і практичну цінність одержаних результатів, а також рівень апробації результатів роботи, кількість публікацій за темою та особистий внесок автора.

У першому розділі проведено огляд сфер застосування та особливостей конструкцій ґенераторів постійного струму. Широке застосування ґенераторів постійного струму в промисловості, їх технічна зношеність, відсутність фінансової можливості заміни застарілого устаткування новим, призводять до того, що машини, які виходять з ладу, ремонтуються та повертаються на попереднє місце роботи в технологічному процесі.

Аналіз причин виходу з ладу машин постійного струму свідчить, що основними факторами є невідповідність режиму експлуатації реальним характеристикам, відсутність достовірної інформації про реальні параметри і характеристики машин та можливості її врахування у відповідних умовах експлуатації. Це призводить до необхідності створення випробувальних систем для визначення реальних характеристик і параметрів машин під час післяремонтного випробування.

Існуючі методи випробування дозволяють одержати ряд статичних характеристик машини постійного струму, яких недостатньо для оцінювання можливості максимального використання машини у складних динамічних умовах експлуатації.

Розроблені методи динамічного навантаження машин постійного струму, які виключають додаткові електромеханічні перетворювачі, можуть бути застосовані для створення струмових навантажень у ґенераторах, але не реалізують режими, які забезпечують одержання статичних характеристик, визначення їх динамічних властивостей і стійкості комутаційних процесів. Для організації раціональної системи випробувань необхідно розробити комплекс, який дозволяє, за умов мінімального споживання енергії, без застосування електромеханічних приводних пристроїв, забезпечити одержання типових характеристик ґенератора в динамічних режимах, а також проведення теплових випробувань машин різних потужностей і виконання.

У другому розділі доведено, що застосування відомих рівнянь енергобалансу, з урахуванням особливостей режиму динамічного навантаження машини постійного струму, не достатньо для аналізу не тільки енергетичних процесів, а й відображення в часі параметрів стану машини.

Аналіз фізичних процесів у машині постійного струму і способів їхнього аналітичного зображення дозволив запропонувати систему диференціальних рівнянь, яка описує стан електричної машини в будь-який заданий момент часу з урахуванням електромагнітних, механічних й електричних втрат та їхніх нелінійних залежностей:

(1)

де , - відповідно миттєві значення напруги збудження і якоря; , - відповідно миттєві значення струму збудження і якоря; - миттєве значення частоти обертання якоря; , , - відповідно індуктивності кіл якоря, збудження і еквівалентного контуру вихрових струмів; , , - відповідно активні опори кіл якоря, збудження і еквівалентного контуру вихрових струмів; , - коефіцієнти механічних втрат; - момент інерції якоря; , - відповідно коефіцієнти втрат у сталі від вихрових струмів і гістерезису; , , - відповідно коефіцієнти основного потоку, потоку вихрових струмів індуктора і потоку реакції якоря; - коефіцієнт, який враховує дію реакції якоря; , - додаткові коефіцієнти зв'язку струму з магнітним потоком відповідних контурів.

Режим навантаження зміною напруги якоря при постійній напрузі збудження формується у вигляді:

, (2)

де U_с - постійна складова напруги якоря; U_k - гармонійні складові напруги якоря; Щ_k - частота відповідних гармонійних складових; - кут зсуву фаз k-ої гармоніки напруги.

Реалізація режиму призводить до зміни струму і частоти обертання якоря:

;

,

де , - відповідно постійні складові струму та частоти обертання якоря; , - відповідно змінні складові струму та частоти обертання якоря; , - частоти змінних складових відповідно струму та частоти обертання якоря; , - кути зсуву фаз змінних складових відповідно струму та частоти обертання якоря.

Діюче значення струму якоря у динамічному режимі наближується до номінального

,

а частота змінюється таким чином, щоб середнє її значення і миттєві значення . У цьому режимі формуються втрати, середнє значення яких за період основної гармоніки напруги:

,

де ; .

При цьому втрати в сталі не відокремлюються від механічних втрат.

Дія реакції якоря призводить до впливу струму якоря на потік, що аналітично відображається рівнянням:

,

у результаті чого, навіть при постійній напрузі збудження, потік буде залежати від струму якоря, тобто

,

і містити постійну складову і деякі змінні складові частоти , зсунуті на кути .

У результаті аналізу процесів у колі якоря машини постійного струму під час зміні потоку збудження, на підставі відомої схеми заміщення де , доведено, що рівняння струму якоря має вигляд:

,

де - примусова складова струму якоря; - корені характеристичного рівняння, які визначають ступінь згасання і резонансну частоту контуру;

; ;

і - параметри, обумовлені схемою і початковими умовами.

При цьому рівняння не має загального рішення, а лише безліч часткових рішень, які зображаються за допомогою функцій Бесселя.

Установлено, що режим зі зміною потоку збудження і напруги якоря дозволяє формувати задані закономірності зміни струму якоря і частоти обертання для реалізації теплових випробувань та, відповідно, їх похідні і з метою реалізації динамічних режимів різного характеру для дослідження комутаційних властивостей машини.

При зміні потоку збудження момент опору обертанню, який виникає в результаті дії магнітних втрат у сталі якоря, аналітично виділяється з загального моменту холостого ходу:

;

;

.

Аналіз миттєвих потужностей у колі якоря на підставі системи (1) у вигляді

дозволив установити закономірності частотних перетворень періодичної потужності, що, на відміну від раніше відомих результатів, дозволило сформулювати умови рівноваги для кожної з гармонік потужності й, тим самим, розширити можливості діагностики ґенератора.

Третій розділ присвячено одержанню характеристик генератора постійного струму (неробочого ходу, короткого замикання, зовнішньої, навантажувальної й регулювальної) на підставі використання методів динамічного навантаження, тобто формування періодичних впливів по колах якоря і збудження без застосування електромеханічних пристроїв. У результаті чого сформульовані алгоритми керування електромеханічною системою і розрахунку динамічних і статичних характеристик ґенератора.

Режими, в яких одержуються характеристики генератора, реалізуються в такий спосіб: машина в режимі двигуна розганяється до частоти обертання ; якірне коло машини перекомутується, за рахунок енергії обертання ротора машина переходить до ґенераторного режиму; під час уповільнення якоря за заданими періодичними законами змінюються напруга якоря і (або) напруга збудження; під час зменшення частоти обертання якоря реєструються миттєві значення струму збудження, частоти обертання, напруги і струму якоря; одержані дані перераховуються на номінальне значення частоти обертання, в результаті чого відновлюються динамічні характеристики ґенератора. Статичні ж характеристики отримано шляхом додаткового перерахунку масиву даних, що дозволяє виключити вплив інерційних елементів.

Доведено, що динамічні характеристики генератора постійного струму більш інформативні, ніж статичні, тому що відображають електромагнітну інерційність кіл якоря і збудження, а також явище реакції якоря, з урахуванням гістерезису і вихрових струмів, причому оцінка цього впливу вимагає додаткового аналізу експериментальних даних.

У четвертому розділі розроблено пристрій для навантаження ґенераторів постійного струму та одержання їхніх статичних характеристик

Пристрій включає до свого складу безпосередньо електричну машину постійного струму (МПС), контроль струму якоря якої здійснюється датчиком струму (ДС), а напруга контролюється датчиком напруги (ДН). Для контролю частоти обертання на вал машини встановлений датчик швидкості (ДШ), додатковий контроль процесу комутації щітково-колекторного апарата здійснюється датчиком (Д). Обмотка збудження машини через датчик струму (ДСз) підключена до керованого силового перетворювача КСП2, напруга якого контролюється (ДНз). Для реалізації режиму двигуна введений контактор К1, замикання контактів якого призводить до підключення керованого силового перетворювача КСП1 до якірного кола машини. Узгодження роботи перетворювачів з мережею живлення здійснюється трансформаторами TV1 і TV2. Контактори К1, К2, К3 введені в схему для реалізації ґенераторних режимів роботи: неробочого ходу, навантаження на активний опір (R_н), короткого замикання. Автоматизований контроль вихідних параметрів датчиків і керування силовими перетворювачами та контактною апаратурою виконується електронною обчислювальною машиною (ЕОМ) відповідно до алгоритмів її роботи, за допомогою пристрою гальванічної розв'язки та узгодження (ПГРУ). Відображення процесів, які відбуваються в системі, здійснюється за допомогою пристрою виведення інформації (Пвив). Оперативне керування функціонуванням системи здійснюється за допомогою пристрою введення інформації (ПВ).

Для аналізу процесів у розробленій схемі динамічного навантаження синтезована математична модель, яка відрізняється від існуючих тим, що враховує явище реакції якоря, втрати в сталі й міді якоря та індуктора, механічні втрати.

Доведено, що зміна напруги якоря для організації режимів навантаження при постійному потоці збудження призводить до коливань реактивної потужності в системі, яка порівняна з потужністю ґенератора і вимагає підвищення потужності перетворювальних пристроїв. При комбінованому регулюванні напруги якоря і струму збудження реактивна потужність, яка циркулює в системі, знижується до рівня активної потужності та є можливість реалізації необхідного гармонійного складу струму якоря при навантаженні.

Під час аналізу втрат енергії в ґенераторі постійного струму при динамічному навантаженні доведено, що оцінювання втрат на нагрівання у машині необхідно робити не тільки за втратами у міді, а і з урахуванням втрат у сталі якоря і механічних втрат:

при цьому повинна контролюватися кожна складова потужності втрат.

У п'ятому розділі на підставі аналізу існуючих способів контролю температури машин при випробуваннях доведено, що найбільш простим способом контролю температури є спосіб контролю активного опору обмотки якоря.

Аналіз основного рівняння термодинаміки машини дозволив виявити взаємозв'язок факторів теплоємності (сm) і тепловіддачі (S) зі сталою часу нагрівання і сталою величиною температури при відомій величині втрат Р у вигляді:

; .

При відомому значенні втрат потужності у розглянутому режимі та визначеному в процесі навантаження значенні можна визначити поточний ступінь відведення тепла якоря і еквівалентну теплоємність . За вихідними паспортними даними електричної машини і класу ізоляції визначаються номінальна еквівалентна теплоємність машини і технологічний показник відведення тепла . У результаті чого при певному значенні втрат у машині , яка працює з номінальними параметрами струму і кутової частоти обертання, температура визначиться як:

.

Якщо , де - максимальне перевищення температури за класом ізоляції, то робиться висновок, що машина не придатна для експлуатації в таких технологічних умовах.

У розділі обґрунтовано структуру керуючого вимірювально-діагностичного комплексу, застосованого в експериментальній установці, наведено розрахункові співвідношення і рекомендації для вибору необхідних датчиків, показано можливість побудови подібних пристроїв для випробування машин будь-якого виконання.

Експериментально одержано динамічні характеристики неробочого ходу і короткого замикання ґенератора постійного струму.

а) б)

Рис. 1. Динамічні характеристики ґенератора постійного струму

незалежного збудження:

а - характеристика неробочого ходу;

б - характеристика короткого замикання

Відомі рівняння електромагнітної рівноваги кіл ґенератора для режиму неробочого ходу ( ) і короткого замикання ( ):

; (3)

; (4)

; (5)

, (6)

де - миттєве значення напруги збудження; - миттєве значення потокозчеплення обмотки збудження; - миттєве значення потокозчеплення еквівалентної обмотки вихрових струмів; , - відповідно миттєві значення струмів збудження та еквівалентного вихрового контуру; , - відповідно опори обмотки збудження та вихрового контуру; - кількість витків еквівалентної обмотки, яка розмагнічує або підмагнічує потік якоря; - коефіцієнт, який враховує еквівалентні геометричні параметри електромагнітної системи.

Покладаючи магнітну проникність як функцію часу:

,

на основі рівнянь (3-6) обґрунтовано можливість діагностики індуктора і кількісної оцінки дії реакції якоря.

Таким чином, доведено, що урахування динамічних показників електромагнітної системи призводить до поглибленої діагностики індуктора та визначення його характеристик.

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішена актуальна наукова задача створення системи післяремонтних випробувань ґенераторів постійного струму для одержання їх стандартних характеристик, проведення теплових випробувань і діагностики без застосування додаткових машин на підставі методу динамічного навантаження і рівнянь розподілу миттєвої потужності в елементах конструкції машини. Виконані в дисертаційній роботі дослідження дозволяють сформулювати наступні висновки:

1. Надійність ґенераторів постійного струму, які є складовою частиною електромеханічних систем різних виробничих механізмів, визначається відповідністю їх характеристик до умов експлуатації. Експлуатаційні режими, періодичні ремонти призводять до зміни характеристик електричних машин, а їх точне визначення є передумовою для ефективного подальшого використання. В умовах випробувань електричних машин постійного струму різних конструкцій необхідне створення спеціалізованого випробувального обладнання, яке вирізняється високою продуктивністю, відсутністю додаткових машин, високою інформативністю й економічністю.

2. Доведено, що в умовах електроремонтних підприємств та при контролі відремонтованих машин замовником, системи динамічного навантаження є доступним та ефективним устаткуванням для одержання необхідного спектра характеристик ґенераторів постійного струму.

3. Уточнено математичний опис процесів у машині постійного струму в динамічних режимах на підставі єдиного комплексного уявлення про розподіл енергії в її конструктивних елементах за різних способів керування.

4. З'ясовано закономірності протікання процесів і розроблено систему диференціальних рівнянь, яка описує стан електричної машини в будь-який заданий момент часу з урахуванням електромагнітних, механічних і електричних втрат та їх нелінійних залежностей.

5. Доведено необхідність динамічного навантаження ґенераторів постійного струму зі зміною потоку збудження. Установлено, що гармонійний вплив на кола збудження з деякою постійною складовою при постійній напрузі якоря, з оглядом на нелінійний взаємозв'язок параметрів струму якоря, частоти обертання і потоку збудження, навіть при лінеаризації кривої намагнічування, викликає полігармонійні періодичні зміни струму якоря і частоти обертання. При цьому загальне рішення рівняння зміни струму і частоти обертання якоря одержати неможливо, існують лише часткові рішення, які виражаються за допомогою функцій Бесселя.

6. Розроблено метод одержання п'яти стандартних характеристик ґенератора постійного струму (неробочого ходу, короткого замикання, зовнішньої, регулювальної та навантажувальної) у динамічних режимах без застосування додаткових приводних пристроїв.

7. Аналіз миттєвих потужностей у силовому колі та колі збудження дозволив установити закономірності частотних перетворень періодичної потужності, що, на відміну від раніше відомих результатів, дозволило сформулювати умови рівноваги на кожній з гармонік потужності й, тим самим, розширити можливості діагностики на підставі енергетичних критеріїв.

8. У результаті аналізу динамічних характеристик ґенератора постійного струму на підставі диференціальних рівнянь рівноваги електромагнітної системи індуктора з використанням гармонічного аналізу розроблено метод визначення електромагнітних параметрів обмотки збудження з урахуванням нелінійності кривої намагнічування, явища гістерезису і вихрових струмів.

9. На підставі закономірностей розподілу втрат у конструкції електричної машини при динамічному навантаженні розроблено метод еквівалентизації теплових режимів машини з урахуванням механічних втрат, втрат у міді й сталі якоря та індуктора.

10. Розроблено структуру випробувального комплексу, що дозволяє реалізовувати динамічні режими навантаження ґенератора постійного струму із заданням рівня втрат, динамічні режими для визначення стандартних характеристик машини на підставі реальних показників розподілу енергії в ній.

ОСНОВНІ НАУКОВІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

Бялобржеский А.В. Влияние изменения параметров электрической машины постоянного тока на энергетические процессы при динамическом нагружении // “Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету”. Наукові праці Кременчуцького державного політехнічного університету. - Кременчук: КДПУ. - 2002. - Вип. 1/2002(12) - С. 223-227.

Бялобржеский А.В. Особенности динамических режимов работы генераторов постоянного тока // Електротехніка та електромеханіка. - Харків: НТУ “ХПІ”. - 2003. - №4. - С. 123-129.

Величко Т.В., Родькин Д.И., Бялобржеский А.В., Чистов А.А Определение характеристик генератора постоянного тока без механической связи с приводным двигателем. // “Проблемы создания новых машин и технологий”. Научные труды Кременчугского государственного политехнического института. - Кременчуг: КГПИ. - 1999. - Вып. 1/1999(6). - С. 93-97.

Ломонос А. И., Бялобржеский А.В. Составляющие мгновенной мощности элементов преобразования энергии. // “Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету”. Наукові праці Кременчуцького державного політехнічного університету. - Кременчук: КДПУ. - 2003. - Вип. 2/2003(19). - С. 158-163.

Родькин Д.И., Сисюк Г.Ю., Бялобржеский А.В., Кусяка В.В. Синтез системы управления нагружением двигателя постоянного тока с воздействием на поток. // “Проблемы создания новых машин и технологий”. Научные труды Кременчугского государственного политехнического института. - Кременчуг: КГПИ. - 1998. - Вып. 2/1998(5) - С. 53-57.

Бялобржеский А.В. Принципы эквивалентизации режимов работы машины постоянного тока при динамическом нагружении // Тр. междунар. науч.-техн. конф. “Проблемы создания новых машин и технологий” // Сборник научных трудов Кременчугского государственного политехнического института. - Кременчуг: КГПИ. - 2000. - Вып. 1/2000(9) - С. 206-208.

Бялобржеский А.В., Ломонос А.И., Гордиенко М.Г., Курбанова Н.Г., Калинов А.П., Величко Т.В. Исследовательские компьютеризированные лабораторные комплексы // Міжнар. наук.-техн. конф. “Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика”. // Вісник Національного технічного університету “Харьківский політехнічний інститут”. Збірник наукових праць. - Харків: НТУ “ХПІ”. - 2003. - Т.2, №10. - С. 284-286.

Патент № 40067А, Україна, МКИ G01R 31/24. Спосіб динамічного навантаження двигуна постійного струму незалежного збудження та пристрій для його здійснення / Родькін Д.Й., Луговий А.В., Бялобржеський О.В., Добрецов В.В., Пасмурських О.О., Величко Т.В., Вошун О.М. - №99105911; заявл. 28.10.1999; опубл. 16.07.2001, бюл. №6.

Патент № 49281А, Україна, МКИ G01R 31/24. Спосіб динамічного навантаження генераторів постійного струму незалежного збудження та пристрій для його здійснення / Родькін Д.Й., Величко Т.В., Бялобржеський О.В., Чорний О.П., Кривонос С.А. - №2001107001; заявл. 15.10.2001; опубл. 16.09.2002, бюл. №9.

Патент № 62488А, Україна, МКИ G01R 31/24. Іспитова електромеханічна система і спосіб керування нею / Родькін Д.Й., Величко Т.В., Бялобржеський О.В., Барвінок Д.В., Прус В.В., Калашнік С.С. - №2003042857; заявл. 02.04.2003; опубл. 15.12.2003, бюл. №12.

Патент № 62493А, Україна, МКИ G01R 31/24. Спосіб одержання характеристик генераторів постійного струму незалежного збудження і пристрій для реалізації способу / Родькін Д.Й., Величко Т.В., Бялобржеський О.В., Ломонос А.І., Кривонос С.А. - №2003042865; заявл. 02.04.2003; опубл. 15.12.2003, бюл. №12.

АНОТАЦІЯ

Бялобржеський О.В. Раціональні системи післяремонтних випробувань генераторів постійного струму. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 - Електричні машини і апарати. - Кременчуцький державний політехнічний університет, Кременчук, 2004. Дисертацію присвячено розробці методів післяремонтних випробувань і методів одержання характеристик ґенераторів постійного струму у динамічних режимах.

Уточнено математичний опис процесів у машині постійного струму в динамічних режимах на підставі єдиного комплексного уявлення про розподіл енергії в ній, враховуючи електромагнітні, механічні і електричні втрати, за різних способів керування. П'ять стандартних характеристик ґенератора постійного струму (неробочого ходу, короткого замикання, зовнішня, регулювальна і навантажувальна) визначаються в динамічних режимах без застосування додаткових приводних пристроїв. Розроблено метод визначення електромагнітних параметрів обмотки збудження з урахуванням нелінійності кривої намагнічування, явища гістерезіса і вихрових струмів. На підставі закономірностей розподілу миттєвої потужності у конструкції електричної машини при динамічному навантаженні розроблено метод еквівалентизації теплових режимів машини, враховуючи механічні втрати, втрати у міді й сталі якоря та індуктора.

Розроблено структуру випробувального комплексу, що реалізує динамічні режими навантаження ґенератора постійного струму з реалізацією заданого рівня втрат, динамічні режими для визначення стандартних характеристик ґенераторів на підставі реальних показників розподілу енергії в машині.

Ключові слова: ґенератор постійного струму, динамічне навантаження, миттєві значення потужності, динамічні характеристики, втрати потужності.

АННОТАЦИЯ

Бялобржеский А.В. Рациональные системы послеремонтных испытаний генераторов постоянного тока. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 - Электрические машины и аппараты. - Кременчугский государственный политехнический университет, Кременчуг, 2004.

Диссертация посвящена разработке методов послеремонтных испытаний и методов получения характеристик генераторов постоянного тока в динамических режимах.

В работе выполнен анализ существующих методов испытания электрических машин постоянного тока. Обоснована необходимость применения нового испытательного оборудования, отличающегося высокой производительностью, отсутствием механического агрегирования нескольких машин, высокой информативностью и экономичностью. Проведен анализ систем динамического нагружения двигателей постоянного тока, выделены их достоинства и недостатки.

На основании существующих способов математического описания электромагнитных и электромеханических процессов, а так же единого комплексного представления о распределении энергии в машине постоянного тока получена система уравнений, отражающая процессы в генераторе постоянного тока и его конструктивных элементах с учетом электромагнитных, механических и электрических потерь при различных способах управления. Установлены закономерности частотных преобразований, периодической мощности, что в отличие от ранее известных результатов, позволило сформулировать условия равновесия на каждой из гармоник мощности и, тем самым, расширить возможности диагностики на основании энергетических критериев.

Разработаны методы определения характеристик генератора постоянного тока (холостого хода, короткого замыкания, внешней, регулировочной и нагрузочной) в динамических режимах без использования дополнительных приводных устройств.

Синтезирована математическая модель автоматизированной системы динамического нагружения генераторов постоянного тока с формированием заданных периодических функций изменения тока и угловой скорости якоря во времени. Для анализа потерь мощности при нагружении в модель введены связи, учитывающие механические потери, потери в стали и меди якоря и индуктора. В результате моделирования доказана возможность снижения мощности силового оборудования при нагружении и формирования необходимого гармонического состава тока и угловой скорости вращения якоря для диагностики генератора.

Разработан метод определения электромагнитных параметров обмотки возбуждения с учетом нелинейности кривой намагничивания, явления гистерезиса и вихревых токов по данным, полученным в динамических режимах холостого хода и короткого замыкания.

На основании закономерностей распределения потерь в конструкции электрической машины при динамическом нагружении, а также изменения условий вентиляции разработан метод эквивалентизации тепловых режимов машины с учетом механических потерь, потерь в меди и стали якоря.

Обоснована и разработана структура испытательного комплекса, реализующего динамические режимы нагружения генератора постоянного тока с реализацией заданного уровня потерь, динамические режимы для определения стандартных характеристик генераторов на основании реальных показателей распределения энергии в машине.

Ключевые слова: генератор постоянного тока, динамическое нагружение, мгновенные значения мощности, динамические характеристики, потери мощности.

ABSTRACT

Bjalobrzheskij A.V. Efficient systems for postrepair testing of direct current generators. - Manuscript.

The dissertation for Candidate of Technical Sciences Degree on a speciality 05.09.01 - Electric Machines and Apparatuses. - Kremenchuk State Polytechnical University, Kremenchuk, 2004.

The dissertation deals with the development of methods for post-repair testing and direct current generators performance determination in dynamic conditions.

The mathematical description of processes in the direct current machine in dynamic conditions has been specified on the basis of uniform complex idea about energy distribution in the direct current machine in various control conditions taking into account electromagnetic, mechanical and electrical loss. Five basic characteristics of the direct current generator (idling, short-circuit, external, regulating and loading) are determined in dynamic conditions without additional driving devices application. The method for excitation winding electromagnetic parameters determination taking into account the nonlinear nature of the magnetization curve, hysteresis and eddy currents has been developed. The method for machine heating conditions equivalentization taking into account mechanical, copper and iron losses has been developed on the basis of regulations for instantaneous power distribution in the electric machine design in dynamic conditions.

It has been developed the structure of the testing complex for the realization of direct current generator dynamic loads with specified level of losses and dynamic loads for generators standard performance determination based on the actual indexes of energy distribution into machine.

Key words: direct current generator, dynamic loading, instantaneous power, dynamic characteristics, power losses.

Размещено на Allbest.ru

...