Обмотки з полюсами, що перемикаються, для однофазних двошвидкісних конденсаторних асинхронних двигунів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут електродинаміки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність: 05.09.01 - електричні машини і апарати

Обмотки з полюсами, що перемикаються, для однофазних двошвидкісних конденсаторних асинхронних двигунів

Педру Кума Діатілу (Ангола)

Київ - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському державному політехнічному університеті, Мiнiстерство освiти України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Захаров Михайло Костянтинович, Одеський державний політехнічний університет, професор кафедри електричних машин.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Войтех Олександр Арсенович, Нацiональна академiя наук України, Iнститут електродинаміки, провідний науковий співробітник відділу електромеханічних систем;

- кандидат технiчних наук, Примаченко Дмитро Володимирович Український науково-дослідний інститут електропобутових машин “ВЕСТА”, начальник відділу електроприводу.

Провiдна установа - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Мiнiстерства освiти України, кафедра електромеханіки

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Титко О.I.

Анотацiя

Педру Кума Діатілу. Обмотки з полюсами, що перемикаються для однофазних двошвидкісних конденсаторних асинхронних двигунів - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01.- електричні машини і апарати. - Інститут електродинамiки НАН України, Київ, 1999.

Дана дисертаційна робота є теоретичними та експериментальним дослідженням з метою модернізації асинхронних конденсаторних двигунів. Розглядаються: синтез і формування схем двофазних двошвидкісних обмоток з полюсами, що перемикаються (ДДОПП); аналіз властивостей даних обмоток за допомогою програм EXCEL; аналіз типів оптимізаційних завдань при проектуванні одно- і двофазних двошвидкісних електродвигунів. Розроблені i випробувані нова схема комутації для двофазних ОПП і спосіб побудови обмоток за новою схемою комутації. Розроблені мовою СI програма і підпрограми мовою VISUAL BASIC для вирішення завдань наукового і дослідницького характеру, перевірочного розрахунку, оптимізації обмоткових даних і аналізу властивостей обмоток при проектуванні нових і відомих схем як одношвидкiсних, так і двошвидкісних обмоток АКД.

Ключові слова: двошвидкісні, двофазні, обмотки з полюсами, що перемикаються, активні котушкові сторіні, число пар полюсів, критерiї, обмеження, керовані змінні, допустимі області, схема комутації, аналiз, оптимiзацiя.

Аннотация

Педру Кума Диатилу. Полюсопереключаемые обмотки для однофазных двухскоростных конденсаторных асинхронных двигателей. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 - электрические машины и аппараты - Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 1999.

Настоящая диссертационая работа представляет собой теоретические, экспериментальные исследования в целях модернизации асинхронных конденсаторных двигателей. Рассматриваются: анализ и формирование схем двухфазных двухскоростных полюсопереключаемых обмоток (ДДППО); анализ свойств данных обмоток с помощью программ EXCEL; анализ типов оптимизационных задач при проектировании одно и двухфазных двухскоростных электродвигателей. Разработаны и апробированы новая схема коммутации для двухфазных ППО и способ построения обмоток с новой схемой коммутации. Разработаны на языке СИ программа и подпрограммы на языке VISUAL BASIC для решения задач научного и исследовательского характера, поверочного расчета, оптимизации обмоточных данных и анализа свойств обмоток при проектировании новых и известных схем как односкоростных, так и двухскоростных обмоток АКД.

Ключевые слова: двухскоростные, двухфазные, полюсопереключаемые обмотки, активные катушечные стороны, число пар полюсов, критерии, ограничения, управляемые переменные, допустимые области, схема коммутации, анализ, оптимизация.

Annotation

Pedro Kuma Diatilo. Pole-changing windings of single-phase, double-speed condenser-type asynchronous induction motors.- Manuscript.

Thesis for the doctor's degree by speciality 05.09.01.- Electrical machines and apparatus.- The Institute of electrodynamics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 1999.

The present thesis represents theoretical, experimental researches with the purposes of modernization of asynchronous condenser-type motors. Considered are: analysis and formation of two-phase double-speed pole-changing windings (TDPCW) circuits (schemes); analysis of properties of datas of windings with the help of the program EXCEL; analysis of types of optimizations of problems at designing one and two-phase double-speed induction motors. The new switching chart for two-phase PCW and way of build-up of windings with a new switching chart designed and approved.

The techniques of designing on single-speed and double-speed condenser-type induction motors with the usage of computer programing language C "“ОКАД”" are created.

The types of optimizations problems are stated at designing one and two-phase, double-speed induction motors. The theoretical fundamentals and program of optimization of windings of datas of examined machines, are set up.

On using Visual Basic language, algorithm and program of formation of the automized symmetrics on working harmonics of two-phase, double-speed windings, was designed, implemented with the help of the program Excel and a subsystem, permitting to carry out: - analysis of a symmetry of a winding on working and nius () harmonics for two pairs of poles; - analysis of influence of step of spools on the harmonical composition MMF and on a relation of induction in an air gap of a double-speed winding; - check of absence in the difference of EMF at switching a winding with a connecting circuit of phases in two parallel branches.

Designed with the program language C program and subsystems on the language Visual Basic for problem solving of scientific and exploratory character, proven calculation, optimization of windings of datas and analysis of properties of windings at designing the new and known circuits (schemes) both single-speed, and double-speed windings ACM. Their application is effective at a stage of formation and choice of variants two-phase PCW depending on the requirements shown to designed condenser-type motor.

This thesis (work) can be utilised also in an electric machine industry at development of new types of machines and in the educational process, in course and degree designing at preparation of the engineers for electromechanics.

Keywords: double-speed, two-phase, pole-changing of a winding, active bobbin sides, number pair of poles, criterion, limitations controlled variables, valid areas, switching chart, analysis, formation, optimization.

1. Загальна характеристика роботи

обмотка полюс двошаровий

Актуальність теми. Модернізація багатошвидкісних (двошвидкісних) одно- і двофазних асинхронних електродвигунів, розширення їх номенклатури з тим, щоб підвищити конкурентоспроможність даних машин на основі поліпшення споживчих якостей, є завданням неоднозначним. Його можна вирішувати тільки з використанням нового покоління ЕОМ, що мають високу швидкодію і значний обсяг оперативної пам'яті. Це дозволяє здійснювати системний підхід до автоматизації проектування таких машин, що включає створення складних програмно-технічних засобів, які дозволяють здійснювати вирішення завдань вивчення фізичних процесів, що існують при роботі асинхронних конденсаторних двигунів (АКД). Це дозволяє оцінювати властивості та характеристики машини в будь-якому режимі роботи з достатньою точністю.

На основі фізико-математичної моделі АД на кафедрі електричних машин ОДПУ (м. Одеса) розроблена програма “ОКАД” перевірочного розрахунку, на основі якої створені система та оптимізація обмоткових даних як одношвидкісних, так і двошвидкісних конденсаторних електродвигунів.

До цього часу використовувалася розрахункова програма для одношвидкісних електродвигунів. На відміну від неї, в програмі, представленій в цій роботі, розраховуються і досліджуються двошвидкісні АКД. При цьому враховується, що тут склад гармонік МРС є не наперед заданим, а визначається за результатами гармонічного аналізу МРС обмотки.

Робота зі створення методики алгоритмів програми аналізу властивостей двошвидкісних двофазних обмоток АД є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Тема дисертаційної роботи “Обмотки з полюсами, що перемикаються, для однофазних двошвидкісних конденсаторних асинхронних двигунів” виконувалась відповідно до планів Одеського державного політехнічного університету, програми ДКНТ України.

Мета i задачi дослiдження. Метою роботи є створення математичних моделей, алгоритмів і програм формування й аналізу двошвидкісних (симетричних) двофазних обмоток з полюсами, що перемикаються, (ДДОПП) змінного струму з урахуванням додаткових гармонік магнітного поля, зручних для реалізації на сучасних ЕОМ. Базою для цього напрямку досліджень обраний АКД.

Основні задачі дисертаційної роботи:

1. Розробка алгоритму комп'ютерного (автоматизованого) формування ДДОПП;

2. Створення підсистеми автоматизованого проектування АКД з використанням у них розроблених ДДОПП;

3. Дослідження складу гармонік ДДОПП і вибір кроку при двошаровому виконанні;

4. Розв'язання для спрощення технології виготовлення ДДОПП за рахунок одношарового й одно-двошарового виконання;

5. Оптимізація обмоткових даних АКД з урахуванням вимог технічного завдання.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Розроблена і запропонована методика формування симетричних двофазних двошвидкісних ОПП з непарними числами пар полюсів при двошвидкісній комбінації, що дозволила одержувати нові оригінальні та високоефективні схеми ОПП;

2. Розроблено спосіб побудови обмоток із новою схемою комутації, який дозволив одержати алгоритм для автоматизації процесу формування ОПП;

3. Розроблена нова схема комутації для двошвидкісних ОПП, що дає можливість одержати обмотки з коефіцієнтами розподілу порівняними з одношвидкісними обмотками на двох числах пар полюсів;

4. Розроблені алгоритм та програма автоматизованого формування симетричних за робочими гармоніками двофазних двошвидкісних обмоток, реалізовані за допомогою програм EXCEL;

5. Розроблені алгоритм та програма оптимізації обмоткових даних;

6. На базі даних алгоритмів реалізовані підсистеми автоматизованого аналізу властивостей двохфазних двошвидкісних обмоток.

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність роботи полягає: в підвищенні ефективності процесу проектування і прискорення розробки необхідних схем ОПП; в розширенні функціональних властивостей і впровадженні нових конструкцій машин; у використанні підсистеми автоматизованого аналізу двофазних двошвидкісних обмоток.

Особистий внесок здобувача. Розроблені алгоритм і програми перевірочного розрахунку для двошвидкісних конденсаторних асинхронних двигунів; використано та модернізовано алгоритм векторно-табличного способу для формування ДДОПП, з допомогою програм EXCEL розроблена програма автоматизованого формування, симетричного по робочим гармонікам; на базі відомих і розроблених в даній роботі алгоритмів реалізовані підсистеми автоматизованого синтезу та аналізу властивостей двошвидкісних, двофазних обмоток; розроблено оригінальну методику формування симетричних двошвидкісних, двофазних обмоток з полюсами, що перемикаються, з непарними числами пар полюсів при двошвидкісній комбінації, що дозволяє одержувати нові, високоефективні схеми обмоток з полюсами, що перемикаються.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідалися й обговорювалися:

На науково-технічних конференціях молодих дослідників факультету автоматизації та електрифікації промисловості ОДПУ (Одеса - 1994), на науковому семінарі наукової ради НАН України з комплексних проблем “Наукові основи електроенергетики” на кафедрі електричних машин ОДПУ (березень, 1999), на науковому семінарі наукової ради НАН України з комплексних проблем “Наукові основи електроенергетики” на розширеному науковому семінарі відділу електромеханічних систем Інституту електродинаміки НАН України (листопада, 1999.).

Публікації. Основний зміст дисертації відображено в 6 публікаціях у наукових фахових виданнях.

Структура і обсяг роботи: Дисертація складається зі вступу, п'ятьох глав тексту, висновків по главах, висновку, списку літератури, що включає 147 найменувань, додатків. Робота в загальному обсязі складає 199 сторінок; містить 101 сторінку основного тексту; 35 таблиць, 58 рисунків і 3 додатки.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, визначені основні положення, які виносяться на захист, і наведений короткий опис змісту роботи.

У першому розділі містяться огляд і аналіз літературних джерел (включаючи патентну літературу) по темі дисертації. Проаналізовано відомі методи побудови схем трифазних ОПП, а також одно- і двофазних ОПП. Проаналізовані задачі, розрахунки і оптимізація однофазних асинхронних двигунів. За результатами аналізу сформульовані мета, основні напрямки і задачі даної роботи.

Другий розділ присвячений побудові двошвидкісних двофазних ОПП.

Для побудови ДДОПП застосовані існуючий метод і спосіб побудови трифазних ОПП (векторно-табличний спосіб при його відповідних коригуваннях).

Формування ДДОПП дозволяє одержувати симетричні двофазні ОПП з будь-яким співвідношенням чисел полюсів при виконанні наступних умов:

1. Обмоткові коефіцієнти фаз А і В мають бути рівні (Kw_А = Kw_В);

2. Число активних котушкових сторін (АКС) у фазах А і В має бути однаковим (N_A = N_B);

3. Просторовий кут зрушення між вісями фаз має дорівнювати 90 електричним градусам.

Третя умова виконується завжди при цілому числі пазів на полюс і фазу (q). При дрібному q знаменник дрібності (d) не має бути кратним числу фаз, тобто двом:

q = Z₁/(2p.m) = Z₁/(2p.2) = A(c/d) = (A.d+c)/d.

Виходячи з цього видно, що числа пазів статора залежать від чисел пар полюсів обмотки (p). У даному випадку вони мають бути кратні чотирьом (Z₁/4 = ц.ч.). При обох непарних числах пар полюсів необхідно, щоб Z₁/4 було числом цілим і парним, а в паралельних гілках числа котушок мають бути однаковими.

Ці умови мають виконуватись для кожного числа полюсів.

Векторно-табличний спосіб (ВТС) заснований на перетворенні векторних діаграм пазових ЕРС у таблиці АКС обмоток.

Номера АКС обмотки необхідно записувати в межах 180 градусних фазних зон. Зрушення між номерами АКС аналогічних стовпців А і В складає 90 градусів. Число горизонтальних рядків із позитивними номерами АКС у кожній фазі дорівнює p. Така ж кількість рядків АКС і з негативними знаками.

Приклад:

для Z₁ = 24 і 2p = 6. Обчислюємо кут зрушення між векторами ЕРС:

=360.p/Z₁=360.3/24=45ел.градусів.

Якщо розрізати діаграму по вертикальній вісі, що збігається з номером першого паза, і розгорнути на площину, одержимо векторну діаграму на площині. Перемістимо під першу другу половину плоскої діаграми для сполучення зон А з А' і В з В'. Тобто, змінимо напрямки векторів ЕРС на 180 град.

Цифри, що знаходяться в одній колонці, збігаються по фазі (+) або знаходяться в протифазі (-). Для числа полюсів p = 3.

Можна одержувати номери АКС для розширеної зони фази А за допомогою такого виразу:

Номери АКС для розширеної зони фази А:

1- й рядок: 1, 2,...

2-й рядок: ,...

3-й рядок: , ,...

р-й: ,...

[(К₂ + 1) + (p - 1) К₁],

де К₁, К₂ - коефіцієнти, визначені з виразів:

Застосовуємо симетрування чисел, що виражають АКС щодо горизонтальної вісі таблиці, для розподілу двофазної обмотки.

Аналогічним способом можна сформувати таблиці АКС для будь-якого числа полюсів у заданому числі пазів.

Об'єднуючи АКС для різних чисел полюсів у загальну таблицю одержуємо розподіли двошвидкісних ОПП.

Приклад:

2p₁ : 2p₂ = 6 : 4 у Z₁/2 = 12,

Формування обмотки показано в табл. 1.

Таблиця 1. Формування ППО з 2р1 : 2р2 = 6:4

А	1 2 3 -5 -6 -7 -8 9 10 11	1 2 3 4 -7 -8 -9 -10
В	3 4 5 6 -7 -8 -9 11 12 -1	4 5 6 7 -10 -11 -12 -1

Для одержання симетричної двофазної ОПП в кожній фазі виділяємо по 12 АКС, що займають ідентичне положення відносно границь фазних зон (див. табл. 1).

Таблиця 2. Формування одно-двошарової ДДОПП з 2р1: 2р2 = 6:4

Фаза	2р=6	2р=4
	1	2	3	4
А	-5	-6	-7	-8	11	12	1	2	3	4
	9	10	11	12	-5	-6	-7	-8	-9	-10
	3	4	5	6
В	-7	-8	-9	-10	2	3	4	5	6	7
	11	12	-1	-2	-8	-9	-10	-11	-12	-1

2р1 : 2р2 = 6:4

Рис. 1. Схема комутацiї одно-двошарової ППО з 2р1 : 2р2 = 6:4

Нові схеми комутації з 10 вивідними кінцями, що дозволяють переключати обмотку зміною кількості паралельних гілок у фазах і при цьому одержувати високі коефіцієнти розподілу для p₁ і p_2.

Для роботи обмотки на 2p₂ кожна фаза з'єднується в дві паралельні гілки. Напрямок струму для цього випадку зображено пунктирними стрілками.

При зміні числа пар полюсів у гілках перемикання змінюються напрямок і фаза струму.

Третій розділ присвячений формуванню і аналізу ДДОПП за допомогою програми EXCEL.

EXCEL - одна із систем електронних таблиць (програма електронних таблиць). Вона є інтерактивним середовищем, що дозволяє працювати з числами і текстами, розташованими в таблицях.

Автоматизування побудови ДДОПП зі схемою комутації U/UU на основі алгоритму, наведеного в другому розділі, відбувається в 17 етапів. Вхідними даними тут є числа пазів статора (Z₁) і співвідношення чисел пар полюсів (p₁:p₂). Алгоритм заповнення осередків стовпців таблиці наступний:

1-й стовпець - (Z₁ )-номери пазів статора від 1 до Z₁/2;

2-й стовпець - (А₁)- номери АКС, що входять у зону фази А, при першому числі пар полюсів, тобто при р₁= 3;

3-й стовпець - ( В₁)- номери АКС, що входять у зону фази В, при першому числі пар полюсів, тобто при р₁= 3;

4-й стовпець - (А₂)- номери АКС, що входять у зону фази А, при другому числі пар полюсів, тобто при р₂ = 2;

5-й стовпець - (В₂)- номери АКС, що входять у зону фази В, при другому числі пар полюсів, тобто при р₂ = 2;

Дані для заповнення осередків 2, 3, 4 і 5-го стовпців розраховуються за формулами (2.1). При відсутності значення в діапазоні цифр від 1 до Z₁/2, осередкам присвоюється “нуль”.

6-й стовпець - (А_об)- номери АКС, однакові за абсолютним значенням для фаз А при першому і другому числах пар полюсів, тобто при р₁= 3 і р₂ = 2, утворюються в результаті порівняння значень осередків 2-го і 4-го стовпців.

7-й стовпець -(В_об)- номери АКС, однакові за абсолютним значенням для фаз В при першому і другому числах пар полюсів, тобто при р₁= 3 і р₂ = 2, утворюються в результаті порівняння значень осередків 3-го і 5-го стовпців.

8-й стовпець - ( А )- номери АКС, що при формуванні обмотки будуть включені у фазу А в усіх варіантах, визначаються за даними осередків одноiменних рядків 6-го і 7-го стовпців. Якщо в осередку 6-го стовпця - значуща цифра, а 7-го -“нуль”, то в осередок 8-го стовпця записується значення осередка 6-го стовпця і навпаки за однакових значень в осередках 6-го і 7-го стовпців в осередок 8-го стовпця записується “нуль”.

9-й стовпець -(В)- являє собою номери АКС, що при формуванні обмотки будуть включені у фазу В в усіх варіантах.

Це відбувається аналогічно порівнянням значень однакових рядків осередків 6-го і 7-го стовпців. Тільки тепер числові значення осередкам 7-го стовпця присвоюються за нульового значення в осередках 6-го стовпця.

10-й стовпець-(ДП)- дає номери АКС, що будуть доповнювати фази А i В у різних варіантах обмоток. Якщо в осередках одноiменних рядків 6-го і 7-го стовпців однакові цифри, то осередкам 10-го стовпця присвоюються номери рядка.

Наприклад, в осередках 1-го рядка 6-го і 7-го стовпців цифри 1,1. Отже, осередку 10-го стовпця присвоюється цифра 1.

Якщо в осередках 6-го рядка - 0;0 , то осередку 10-го стовпця присвоюється цифра 6; якщо в осередках 7-го рядка - 7;7, то в осередку 10-го стовпця - 7; якщо в осередках 8-го рядка - 0;0, то в осередку 10-го стовпця - 8 і т.д.

11-й стовпець - (ФА)- номери АКС фази А з 8-го стовпця з додаванням номерів взаємозалежних АКС (якщо вони є).

Перевірка наявності взаємозалежних номерів АКС проводиться в спеціальній таблиці програми Excel. Вона необхідна для одержання варіантів симетричних двошвидкісних обмоток на обох числах полюсів.

12-й стовпець - (ФВ)- номери АКС фази В з 9-го стовпця з додаванням номерів взаємозалежних АКС.

13-й стовпець - (ДП)- номери АКС 10-го стовпця за винятком взаємозалежних номерів АКС.

14-й стовпець - (1-й вар. А)- номери АКС (по абсолютному значенню) фази А для р₁=3 і р₂=2 першого варіанту обмотки.

15-й стовпець - (1-й вар. В)- номери АКС (по абсолютному значенню) фази В для р₁=3 і р₂=2 першого варіанту обмотки.

16-й стовпець - (2-й вар. А)- номери АКС (по абсолютному значенню) фази А для р₁=3 і р₂=2 другого варіанту обмотки.

17-й стовпець - (2-й вар. В)- номери АКС (по абсолютному значенню) фази В для р₁=3 і р₂=2 другого варіанту обмотки.

Програма в EXCEL автоматизованого формування двошвидкісних обмоток дозволила одержувати нові симетричні варіанти двошвидкісних обмоток.

Таблиці в EXCEL дозволяють аналізувати такі властивості обмоток:

- симетрію обмотки по робочій і додаткових гармонікам для двох чисел пар полюсів;

- вплив кроку обмоток на гармонічний склад і на співвідношення індукцій у повітряному зазорі двошвидкісної обмотки;

- перевірку відсутності різницевих ЕРС у паралельних гілках обмоток у схемах з двома паралельними гілками.

Програма в EXCEL також виконує розрахунки коефіцієнтів розподілу, обмоткових коефіцієнтів фаз А, В при обраному кроці обмотки, визначає кути зрушення осей фаз по відношенню до вісі ординат, а також обмоткові коефіцієнти для прямих і зворотнiх гармонік магнітного поля. При розробці програми гармонічного аналізу написані спеціальні користувальні функції в модульних листах мовою Visual Basic, за допомогою яких встановлюються залежності, що дозволяють вибрати схему обмотки і рекомендувати крок, а також проводити графічну ілюстрацію результатів гармонічного аналізу двошвидкісної обмотки для МРС -х гармонік.

Формування і аналіз ДДОПП за допомогою програм EXCEL дозволяють всебічно проаналізувати варіанти обмоток і вибрати варіант, сприятливий за рівнем обмоткових коефіцієнтів і за амплітудою робочих і -х гармонік МРС.

Четвертий розділ присвячений питанням оптимізації обмоткових даних при проектуванні двофазних двошвидкісних АД.

При цьому визначаються числа витків обмоток (W_A, W_B) і ємність конденсатора (Cp) двошвидкісного асинхронного конденсаторного двигуна (АКД). Це здійснюється на основі вирішення оптимізацiйної задачі в інтерактивному режимі з ПЕОМ при двомірному відображенні техніко-економічних характеристик АКД у вигляді ліній рівного рівня на екрані дисплею.

Створення двофазних двошвидкісних АКД із необхідними робочими властивостями можливе при використанні геометрії одношвидкісних машин шляхом проектування їх на дві частоти обертання при оптимізації обмоткових даних.

Задача вирішується на основі принципу декомпозиції, тобто шляхом розбивки її на дві незалежні одна від одної окремі задачі. Одна з них - це визначення схеми двошвидкісної обмотки, що залежить в основному від числа полюсів і пазів, а друга - визначення оптимального числа витків фаз А і В і ємності конденсатора при заданих технічних вимогах.

При цьому основними технічними вимогами є: кратності пускового (К_п) і максимального (К_м) моментів, а також розмір напруги на конденсаторі при холостому ході (U_ко). Як критерій оптимізації приймаються cos і розмір зворотного поля, що має бути мінімальним. Цьому відповідає максимально можливий ККД. За керовані змінні приймаються числа витків у фазах А i В обмоток. У якості керованих змінних тут прийняті W_A і K_T = W_B/W_A, а також значення ємності конденсатора (Ср).

У двошвидкісних АКД задача оптимізації ще більш ускладнюється і може бути визначена як багатокритеріальна, тому що є дві частоти обертання, на кожній з яких має бути забезпечений максимально можливий ККД. Тому вимоги формулюються у такому вигляді: знайти W_A, К_T, Ср, що вiдповiдають критеріям

W_А > 0, К_Т > 0, С_Р > 0 ,

де - ККД за даної частоти обертання.

Принциповим у таких задачах є характер допустимої області (ДО), бо він визначає однозначність рішення і можливість його одержання. Виходячи з цих понять, нормалізація алгоритмів синтезу й оптимізації АКД значно ускладнюється.

Сучасні ПЕОМ дозволяють успішно вирішувати дану задачу в інтерактивному режимі при двомірному відображенні техніко-економічних характеристик АКД на екрані дисплею у вигляді ліній рівного рівня для двох режимів.

Слід зазначити дуже важливий аспект. ПЕОМ виконує розрахунки у визначеному експериментальному полі зміни керованих змiнних і обробляє результати експериментів (цих розрахунків), а конструктор, аналізуючи ці дані, приймає відповідні рішення.

У нашому випадку для двошвидкісних АКД задача вирішується на основі принципу суперпозиції, тобто шляхом накладання двох незалежних рішень оптимізаційних задач для двох різних частот обертання. Утворюється дві залежності W_A (К_T) і їх допустимі області, кожна з яких утворюється перетинанням ліній рівного рівня характеристик: Кп, Км і Uко.

Для вирішення задачі на основі принципу суперпозиції, спочатку в інтерактивному режимі вирішується перша частина задачі синтезу, тобто задача забезпечення непорожніх ДО і їх сполучення для двох частот обертання за однакових значень коефіцієнтів трансформації. З заданими обмеженнями з технічного завдання визначаються загальні значення керованих змiнних. Потім знаходиться загальна допустима область із перетинання ДО для двох частот обертання, по якій приймається оптимальне рішення.

Рішення оптимізаційних задач на основі двомірної інтерактивності дозволяє:

- зменшити розмірність оптимізаційної задачі і звести її до варіації тільки розміру ємності конденсатора;

- мати оптимізаційну систему, інваріантну до зміни техніко-економічних вимог;

- проектувати двошвидкісні АКД з досить високим ККД на обох частотах обертання.

П'ятий роздiл присвячений експериментальним дослідженням і випробуванням макетного зразка електродвигуна, спроектованого на базі серійної машини АIМ-71-4. При цьому виконується:

- перевірка працездатності двошвидкісного АКД;

- дослідження впливу значення робочого конденсатора на електромагнітні і електромеханічні властивості машини;

- зняття робочих характеристик АКД.

Дослідження складалися з кількох етапів:

1. Використовуючи розроблені програми перевірочного розрахунку і оптимізації обмоткових даних (див. розділ 4.), а також автоматизованої побудови ДДОПП (див. розділ 3.) при проектуванні двошвидкісних АКД, попередньо були проведені електромагнітні розрахунки варіантів АКД при р=2 і р=3 з різними обмотувальними даними і різними розмірами конденсаторів; здійснювався пошук оптимального варіанта обмотки. За отриманими даними був виготовлений макетний зразок двошвидкісного АКД;

2. Експериментальні дослідження макетного зразка полягали в здійсненні:

Досліду холостого ходу, що виконувався при постійному значенні конденсатора і змінному значенні живлячої напруги. За отриманими результатами були побудовані залежності Io, Р_о, cos_o = f( Uo ), а також знаходилися втрати Р_ст + Р_мех = f( Uo ). Тут характер магнітного поля АКД залежав від величини конденсатора;

Дослідження робочих характеристик двигуна. Для цього як навантаження було використане електромагнітне гальмо. За допомогою стробоскопа визначалася частота обертання двигуна. Втрати і ККД встановлювалися за методом поділу втрат. Характеристики знімалися при різних напругах і при різних ємностях робочих конденсаторів. Отримані результати підтверджують із достатньою точністю дані розрахунків і необхідні властивості двошвидкісного конденсаторного двигуна.

У додатках містяться: А) користувальні функції в програмах EXCEL; Б) вихідний код програми перевірочного розрахунку АКД та оптимізації обмоткових даних; В) приклади фрагментних листів на основі програми EXCEL для автоматизованої побудови та аналізу властивостей схем обмоток АКД.

Висновки

1. На сьогодні надзвичайно актуальними є задачі модернізації та ремонту одно-, двошвидкісних електродвигунів. Проте автоматизація методик розрахунку ефективної техніки обмоток та інші деталі відсутні. Застосування векторно-табличного способу розробленого автором, для побудови двофазних, одно-двошарових ОПП дозволить значно спростити процес розробки та виготовлення двошвидкісних обмоток.

2. Запропонована методика ефективного проектного формування симетричних двофазних двошвидкісних ОПП дозволяє побудову обмоток з непарними числами пар полюсів у двошвидкісній комбінації.

3. Розроблена нова схема комутації для двофазних ОПП, що дає можливість одержувати обмотки з високими коефіцієнтами розподілу, близькими до аналогічних коефіцієнтів одношвидкісних обмоток на обох числах пар полюсів.

4. Розроблений оригінальний спосіб побудови обмоток із новою схемою комутації дозволив побудувати ефективний алгоритм для автоматизації процесу формування ОПП.

5. Побудовані за допомогою розроблених способів двошвидкісні обмотки за величинами обмоткових коефіцієнтів перевищують на 7-15 % відомі обмотки.

6. Розроблений алгоритм автоматизованого формування симетричних, по робочим гармонікам, двофазних двошвидкісних обмоток, реалізований на базі програм EXCEL, дозволяє зменшити трудовитрати розробника обмоток.

7. Запропонований алгоритм вирішення оптимизаційної задачі для визначення даних АКД обмоткових і обмоток з полюсами, що перемикаються на основі двомірної інтерактивності, яка дозволяє:

зменшити розмірність оптимізаціиної задачі і звести її до варіації лише значення ємності конденсатора; мати оптимістичну систему, інваріантну до зміни техніко-економічних вимог; проектувати двошвидкісні АКД із досить високими ККД на обох частотах обертання.

8. Показано можливість створення високоефективних двошвидкісних АКД з одержанням обмоток при сполученні фаз U/UU, при мінімальному рівні (як правило, відсутності) різниці ЕРС у паралельних гілках.

9. Здійснене проектування ряду варіантів схем двофазних обмоток з полюсами, що перемикаються, підтверджує ефективність розроблених способів.

10. Отримані нові варіанти схем ОПП з високими значеннями обмоткових коефіцієнтів можуть бути рекомендовані для використання в конденсаторних двигунах з метою розширення їх функціональних можливостей.

11. Результати досліджень і випробувань макетного зразка двошвидкісного АКД підтвердили основні теоретичні положення і розрахункові співвідношення, що мають мiсце у роботі.

12. Розроблена мовою СІ програма розрахунків АКД використовується в навчальному процесі на кафедрі електричних машин ОДПУ при вирішенні завдань науково-дослідного характеру, при курсовому і дипломному проектуванні для перевірочного розрахунку i оптимізації обмоткових даних, розробці нових і аналізі відомих схем як одношвидкісних, так і двошвидкісних обмоток асинхронних конденсаторних електродвигунів.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Беликова Л.Я., Диатилу Педру Кума. Построение двухфазных полюсо-переключаемых обмоток.// Электромашиностроение и электрооборудование: Респ. межвед. науч.- техн. сб. - Киев: Техника.- 1995.- №. 47.- С. 83-86.

2. Беликова Л.Я., Чайковский В.П., Диатилу Педру Кума. Оптимизация обмоточных данных двухскоростных асинхронных конденсаторных двигателей.// Електромашинобудування та електрообладнання: Респ. мiжвiд. наук. техн. зб. - Киiв: Технiка. - 1997.- №. 49.- С. 79-82.

3. Захаров М.К., Беликова Л.Я., Диатилу Педру Кума. Автоматизированное формирование двухскоростных двухфазных обмоток с применением Excel.// Електромашинобудування та електрообладнання: Респ. мiжвiд. наук. техн. зб. - Киiв: Технiка. - 1998.- №. 50.- С. 87-91.

4. Диатилу Педру Кума. Анализ свойств двухскоростных двухфазных обмоток с помощью Excel.// Електромашинобудування та електрообладнання: Респ. мiжвiд. наук. техн. зб.- Киiв: Технiка.- 1998.- №. 51.- С. 54-57.

5. Захаров М.К., Беликова Л.Я., Чайковский В.П., Диатилу Педру Кума. Оптимизационные задачи при проектировании двухскоростных однофазных асинхронных электродвигателей.// Електромашинобудування та електрообладнання: Респ. мiжвiд. наук. техн. зб.- Киiв: Технiка.- 1998.- №. 51.-С. 30-33.

6. Беликова Л.Я., Диатилу Педру Кума. Двухскоростные двухфазные обмотки с новой схемой коммутации.// Науч. и Произв. Практ. Зб. - Одесса: труды Одесского Политехнического Университета.- 1998.- Вып. 1(5), 1998.- С. 228-230.

Размещено на Allbest.ru

...