Синтез трифазних нетрадиційних обмоток на базі узагальненої структурної моделі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Синтез трифазних нетрадиційних обмоток на базі узагальненої структурної моделі

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Багатофазні обмотки грають важливу роль у процесі електромеханічного перетворення енергії в електричних машинах змінного струму, що обертаються. Експлуатаційні, технічні і вартісні показники електричних машин значною мірою залежать як від електромагнітних властивостей обмоток, так і від їх конструктивних особливостей.

В останні роки основними напрямками удосконалення електричних машин є підвищення рівня їх удільних показників, спрощення технології виготовлення й розробка спеціальних модифікацій (електродвигуни з регульованою частотою обертання, електричні машини з сумісною магнітною системою, різні види електромашинних перетворювачів, вітрогенератори й таке інше). Практика проектування показала, що для успішного рішення подібних задач часто доводиться відмовлятися від застосування відомих раніше обмоток, замінюючи їх нетрадиційними. Такі обмотки можуть суттєво відрізнятися від звичайних електромагнітними, конструктивними та технологічними властивостями. Необхідність застосування нетрадиційних обмоток привела до розробки різноманітних методів синтезу. Характерною особливістю більшості цих методів є їх орієнтація на індивідуальне проектування обмоток електричних машин спеціального призначення, які виключають формування серійних модифікацій. Значно ширше можливості метода структурного синтезу, який дозволяє виконувати множинне проектування обмоток з заданими властивостями.

В цій роботі поставлена задача використати вказані можливості для створення нових типів трифазних обмоток, призначених для укладання в електричних машинах загальнопромислового використання з ціллю поліпшення їх техніко-економічних показників. Застосування таких обмоток може бути доцільним у рішенні проблеми ресурсозбереження в Україні

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Теоретичні питання дисертації, пов'язані з розробкою двокоординатних структурних моделей трифазних нерівновиткових обмоток, відображені у звіті про науково-дослідну роботу «Розробка методики і структурне проектування багатофазних обмоток на базі узагальненої математичної моделі», державна реєстрація №0193U035066, виконаної в 1990-1992 г. г. на кафедрі електричних машин Одеського державного політехнічного університету у рамках національної енергетичної програми України, код напряму 4, пріоритетний напрямок науки і техніки «Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології».

Структурні і математичні моделі, синтезовані на їх основі трифазні рівновиткові одношарові і двошарові обмотки знайшли своє відображення в науково-дослідних роботах кафедри електричних машин Одеського національного політехнічного університету, №446-51 «Розробка ресурсо- і енергозберігаючих електромеханічних і електромеханотронних перетворювачів», виконану за наказом Міністерства освіти і науки України №746 від 07.11.2003 р., №409-51 «Математичне моделювання, оптимальний проектний синтез та дослідження електромагнітних процесів високоефективних електромеханічних перетворювачів енергії», №625-51 «Розробка засобів автоматизованого синтезу високоефективних електромагнітних та електромеханотронних пристроїв на основі інноваційних технічних рішень», №0106U013174, №641-51 «Удосконалення засобів автоматизованого проектування високоефективних електромагнітних та електромеханотронних перетворювачів» 0109U002616, №560-51 0107U001962 «Розробка математичних моделей та дослідження процесів в електричних машинах й трансформаторах».

Мета і завдання дослідження.

Метою дисертації є створення нових модифікацій багатофазних обмоток електричних машин загальнопромислового і спеціального застосування з поліпшеними властивостями з допомогою подальшого розвитку методів структурного синтезу статорних багатофазних обмоток електричних машин (класу ЦЛ 0,2y).

Задачами дослідження є:

- дослідження особливостей полярних векторних діаграм нетрадиційних обмоток з метою забезпечення розробки адекватних математичних моделей;

- детальне дослідження існуючих структурних моделей і проектування на їх основі нових модифікацій обмоток;

- розробка нових структурних однокоординатних моделей і створення на їх основі оригінальних модифікацій одношарових і двошарових рівновиткових обмоток;

- розробка нових структурних двокоординатних моделей і створення на їх основі оригінальних модифікацій двошарових нерівновиткових обмоток;

- проектування електричних машин з синтезованими обмотками;

- теоретичне і експериментальне порівняння властивостей електричних машин з серійними і розробленими обмотками.

Об'єктом дослідження є трифазні статорні обмотки електричних машин класу ЦЛ 0,2y та їх властивості.

Предметом дослідження є структурний синтез нетрадиційних трифазних обмоток електричних машин, що виконується на базі узагальненої структурної моделі (УСМ) і аналіз їх властивостей.

Методи досліджень. Рішення поставлених в роботі завдань забезпечене використанням теорії електричних машин, математичної теорії симетрії, застосуванням методів структурного синтезу багатофазних обмоток, метод розкладання періодичної функції на гармонічні компоненти Фурьє а також експериментальною перевіркою отриманих теоретичних результатів.

Наукова новизна отриманих результатів. У дисертації особисто здобувачем отримані наступні наукові результати, які виносяться на захист:

- уперше запропонована однокоординатна структура трифазних обмоток і розроблена їх математична модель, що дозволило отримати модифікацію одношарових обмоток, електромагнітні властивості яких наближаються до властивостей серійних двошарових обмоток;

- уперше отримано модифікацію одношарових двополюсних обмоток з поліпшеними електромагнітними і технологічними властивостями, проведено детальне дослідження однокоординатної структури трифазних обмоток з неповною фазною зоною;

- уперше запропонована двокоординатна структура і розроблена математична модель, дослідження якої дозволило отримати нову модифікацію двошарових трифазних нерівновиткових обмоток з виключеною частиною спектру вищих гармонік.

- вдосконалена методика аналізу властивостей нетрадиційних обмоток за допомогою полярних векторних діаграм, що дозволило розробити адекватні математичні моделі;

- отримав подальший розвиток метод структурного синтезу багатофазних обмоток;

Практичне значення отриманих результатів

Наукове значення полягає в розвитку методу цілеспрямованого структурного синтезу багатофазних обмоток, що забезпечило синтез оригінальних структурних і математичних моделей обмоток. Порівняльний аналіз властивостей синтезованих узагальнених структурних моделей двокоординатних багатофазних обмоток з групою симетрії максимального порядку і їх однокоординатних аналогів створює передумови для синтезу обмоток з поліпшеними електромагнітними властивостями при будь-якому числі фаз.

Практичне значення виконаної роботи полягає в розробці оригінальних модифікацій трифазних статорних обмоток електричних машин, що обертаються, захищених патентами, що дозволяє у ряді випадків підвищити їх споживчі властивості або забезпечити ресурсозбереження при їх виробництві, експлуатації і ремонті. Деякі з запропонованих обмоток використовуються при ремонті електричних двигунів на електроремонтному підприємстві ТОВ «Контакт» (м. Одеса).

Особистий внесок здобувача. Усі результати і висновки, які складають основну частину дисертації, належать дисертантові. Робота [7] опублікована претендентом самостійно. У друкарських працях, які опубліковані в співавторстві, дисертантові належать: в [1] - розробка математичної моделі і дослідження електромагнітних властивостей; у [2] - виключення взаємноінверсних варіантів і виключення тотожних варіантів; у [4] - структура і математична модель пропонованої обмотки; у [8] - розрахунок обмотки, виготовлення дослідного зразка і обробка результатів випробувань; у [3] - структура запропонованих обмоток; у [6] - ідея статті, її формулювання і проведення розрахункових досліджень; у [9] - дослідження властивостей обмоток.

У інших роботах, патентах і авторських свідоцтвах, опублікованих у співавторстві автор брав участь у дослідженнях, виконував аналіз результатів і електромагнітні розрахунки.

Апробація результатів дисертації

Основні результати дисертаційної роботи докладалися і обговорювалися на Двадцять шостій науково-технічній конференції студентів і молодих дослідників із спеціальних наук (1991 р. Одеса), 2-ій Міжнародній науково-технічній конференції «Інформаційна техніка та електромеханіка» (ІТЕМ - 2003 Луганськ 2003 г.), 5-ої Міжнародної конференції «Електромеханіка, електротехнології і електроматеріалознавство» (МКЭЭЭ-2003), Крим, Алушта 2003 р., Міжнародному симпозіумі «Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів» Теорія і практика (SIEMA 2003), Харків 2003 р., Першій всеукраїнській науково-технічній конференції з міжнародною участю «Проблеми автоматики та електрообладнання транспортних засобів» (ПАЕТЗ - 2004), Миколаїв 2004 р., Науково-технічній конференції з міжнародною участю «Електромашинобудування та електрообладнання» Одеса 2004 р., Міжнародному симпозіумі «Проблеми вдосконалення електричних машин і апаратів», Теорія і практика (SIEMA 2004), Харків 2004 г.

Публікації

По темі дисертації опубліковано 11 статей в наукових журналах і збірниках наукових праць, 4 патенти, 7 доповідей в матеріалах конференцій. Одноосібно опубліковано 1 наукову роботу.

Структура дисертаціі. Дисертаційна робота загальним об'ємом 195 сторінки складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 122 найменувань, 10 додатків, містить 150 сторінок основного тексту, 54 рисунків, 43 таблиць.

Основний зміст роботи

рівновитковий обмотка електричний технологічний

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і завдання досліджень, визначені наукова новизна і практична цінність. Приведена структура роботи і основні положення, які виносяться на захист.

У першому розділі виконаний огляд літератури, присвяченій проблемі проектування і використання трифазних обмоток в електричних машинах. Встановлено, що більшість методів синтезу нетрадиційних (обмотки які відрізняються від загальноприйнятих обмоток з цілою та дробовою кількістю пазів на полюс та фазу) обмоток спрямована на проектування обмоток для машин спеціального, а не загальнопромислового призначення. Це дозволило сформулювати мету дослідження - створення нових модифікацій багатофазних обмоток електричних машин з поліпшеними властивостями. Основним методом дослідження вибраний метод структурного синтезу, заснований на узагальненій структурній моделі багатофазних обмоток.

Другий розділ присвячений дослідженню і синтезу однокоординатних структурних моделей рівновиткових трифазних обмоток.

Досліджені особливості векторних діаграм МРС (ЕРС) нетрадиційних обмоток у рамках узагальненої структурної моделі. Встановлено, що при переході від структурних моделей до адекватних їм математичних моделей слід враховувати особливості об'єднання модулів в групи. Виконаний порівняльний аналіз двох підходів при визначенні результуючих векторів F_iн МРС (ЕРС) груп модулів: з прив'язкою або до радіусу R_i базового кола, або до величин одиничних векторів МРС (ЕРС) активних котушкових сторін. В результаті запропоновано три види узагальнених формул розрахунку коефіцієнтів розподілу k_Rн. Для перших двох підходів узагальнений вираз має вигляд



а для третього

У приведених виразах: б_н - кут мінімального зрушення між МРС f_i для н-ої гармоніки, И_н - кут між результуючими векторами F_1н и F_2н.

Доведена рівна спроможність кожного з розглянутих підходів.

Тут і далі цифровим індексам 0, 1, 2, 3, 4, 5 відповідають загально прийняті літерні позначки A, z, B, x, C, y. Узагальнена векторна діаграма вказаної структури представлена на рис. 1.

Використовуючи другий підхід з прив'язкою до одиничних векторів МРС, отримана математична модель обмоток підмножини W_5c у вигляді формули розрахунку коефіцієнтів розподілу k_Rн по гармоніках довільного порядку н

,

що дозволила виконати дослідження електромагнітних властивостей обмоток типу W_5c.

Для ряду обмоток проведені дослідження залежностей коефіцієнта розподілу k_R1 по робочій гармоніці і коефіцієнта диференціального розсіяння ф_d від структурних параметрів Q і k. При зміні параметра k в діапазоні від 0 до Q/2 коефіцієнт k_R1 монотонно зменшується приблизно до 80% від максимального значення. В той же час залежності ф_d=ц(k) мають яскраво виражений екстремум. Це дозволяє у кожному конкретному випадку вибрати раціональне значення параметра k. Так, в обмотці W_5c, виконаній в 36 пазах (Q=6) при k=2, коефіцієнт диференціального розсіяння ф_d зменшується на 70%, а коефіцієнт розподілу по робочій гармоніці k_W1 усього на 10%.

Одношарові обмотки модифікації W_5c можуть бути виконані рівнокотушковими або концентричними розвальцем. Як приклад, на рис. 2 приведена концентрична конструкція котушкових груп обмотки, що допускає механізовану технологію її виготовлення і укладання.

Аналіз свідчить, що за своїми електромагнітними властивостями обмотки W_5C займають проміжне положення між одно- і двошаровими серійними, тому можна рекомендувати їх застосування у електричних машинах з вісями обертання від 132 до 200 мм. Обмотки модифікації W_5C можуть бути виконані у любому числі пазів, кратних 6, та захищені патентом України.

Синтезована структура підмножини W₅₀ однокоординатних обмоток. Вказана структура характерна тим, що із загального числа Q використаних модулів перші k є інваріантними блоками b₀, а усі наступні (Q-k) - модулями b₅ з максимальним потокозчепленням по робочій гармоніці. Матрична модель синтезованої структури має вигляд

Математична модель обмоток підмножини W₅₀ у вигляді формули розрахунку коефіцієнтів розподілу k_Rн по гармоніках довільного порядку н має вигляд

.

Отримана формула дозволила досліджувати залежність гармонійного складу МРС синтезованої модифікації обмоток від відносного значення k*=k/Q структурного параметра k.

Дослідження залежності коефіцієнтів розподілу k_Rн гармонічних складових н від параметру k* показало, що після досягнення ним значення 0,5 величини k_Rн небезпечних вищих гармонік швидко підвищуються. Тому для подальшого аналіз впливу параметру k* на електромагнітні властивості обмоток обмежений діапазоном 00,5. На рис. 3 представлена гістограма залежності відносних амплітуд H_н таких гармонік від структурного параметра k*, з якої випливає, що для кожної з цих гармонік (крім н=5) можна знайти таке значення параметра k*, при якому вони повністю знищуються.

Дослідження властивостей обмоток підмножини W₅₀ в двошаровому виконанні дозволило встановити, що відносні амплітуди H₇ сьомої гармоніки мають малі значення в усьому діапазоні зміни кроку, а для п'ятої гармоніки крок можна вибрати так, щоб значення H₅ задовольняло умовам проектування.

Проведені дослідження дозволили синтезувати модифікацію обмоток, які дозволяють економити до 10% ізоляційних та провідникових матеріалів. При цьому практично не змінюються технологія виробництва обмотувально-ізолювальних робіт і технічні характеристики двигунів. Обмотки цього типу запатентовані в Росії і Україні.

Для розширення сфери застосування обмоток W₅₀ запропоновано зміну структури зубцевого шару з варійованим значенням кута мінімального зрушення б_н у магнітному полі, яке визначається не загальним числом пазів, а числом пазів, що належать до кожного з 6 секторів б_z.

Сформовані структурна і матрична моделі перетвореного зубцевого шару, а потім і матрична модель підмножини обмоток W₅₀*, що укладаються в пази такого шару. Матрична модель має вигляд



Завдяки цьому доведено, що симетрія обмоток W₅₀* у такій геометрії характеризується кольоровою циклічною групою ={^0,0, ^1,1, ^2,2, ^3,3, ^4,4, ^5,5}, а в гармонійному спектрі проявляються тільки гармоніки непарних порядків.

Виведено вираз розрахунку коефіцієнтів розподілу k_Rн по гармоніках довільних порядків н

,

де б_Z* - змінюване значення кута б_z.

Відмічено, що в обмотках W₅₀* не дотримується відома властивість періодичності абсолютних величин обмотувальних коефіцієнтів k_Rн=k_R(nZн), тому детальний гармонійний аналіз слід виконувати в діапазоні зміни порядків гармонік, як мінімум, від н=1 до н=Z*+1, а розрахунок коефіцієнта диференціального розсіяння до н=30Q*+1.

Запропонована структура зубцевої зони окрім додаткових можливостей регулювання гармонійного складу МРС (ЕРС) обмотки дозволяє варіювати поперечними розмірами пазів і зубців, забезпечуючи тим самим підвищення техніко-економічних показників електричних машин.

Матеріал третього розділу присвячений синтезу нерівновиткових обмоток і аналізу їх властивостей.

Структура є композицією базової М_QБ і допоміжної М_QВ матриць, кожна з яких складається з Q строк. Базова матриця є відображенням традиційної обмотки з цілим числом пазів на полюс і фазу, котушки якої виконані з числом витків w₁, а допоміжна - її перетворену копію, в крайніх групах блоків якої, що містять по (Q - k)/2 рядків, виконане n циклічних перестановок у взаємно протилежних напрямах. Число витків у котушках допоміжної матриці - w₂, звідки w*=w₂/ w₁ - відносне число витків.

Розроблена математична модель обмоток підмножини W_5wkn у вигляді формули розрахунку обмотувальних коефіцієнтів k_Wн по гармоніках довільних порядків н

. (1)

Отриманий вираз є функцією 3 змінних k_Wн =f (w*, k*, n), тому свідчить про можливість дії на обмотувальний коефіцієнт k_Wн по усіх трьох каналах одночасно або по кожному з них окремо:

Аналіз виразу (1) відносно робочої (н=1) гармоніки показав, що у міру зростання відносного числа витків w* і параметра k* обмотувальний коефіцієнт k_W1 швидко зменшується. При цьому швидкість його падіння тим більше, чим більше число циклічних перестановок n у крайніх рядках матриці M_5wkn. Тому значення n в подальших дослідженнях обмежене одиницею. Показано, що особливо успішно значного зменшення змісту вищих гармонік у гармонійному спектрі МРС (ЕРС) вирішується при фіксованому значенні параметра k*=0. За цих умов отримали новий тип обмоток W_5wk0, включених у підмножину W_5wkn, а відповідна їй математична модель спрощується

. (2)

На гістограмі рис. 4 показані залежності обмотувальних коефі-цієнтів k_Wн по вищих гармонікам параметра w*. Характер зміни k_Wн дозволяє підрозділити гармонійний спектр на 3 групи рядів:

- гармоніки з порядками н=12n±1=1, 11, 13, 23… обмотувальні коефіцієнт-ти яких повільно змен-шуються;

- непарні гармоніки, кратні 3, з порядками н=6n±3=3, 9, 15, 21., обмотувальні коефіцієнт-ти k_Wн яких швидко зменшуються до нульового значення;

- гармоніки з порядками н=12n±5=5, 7, 17, 19., обмотувальні коефіцієнти k_Wн яких мають чітко виражений мінімум при певному значенні відносного числа витків. Вираз (2) дозволяє визначити це особливе значення w*. Для цього досить прирівняти ліву частину до нуля і вирішити отримане рівняння відносно w*

(3)

Підставимо в (3) значення порядків третього ряду і отримаємо значення w*=0,366 в обмотках типу W_5wk0 виділяється модифікація W_5w, в якій повністю пригнічена певна частина спектру, що містить гармоніки з порядками н=12n±5=5, 7, 17, 19. Крім того, при незначному зниженні коефіцієнта k_W1 по робочій гармоніці, різко (до 35%) зменшуються коефіцієнти k_Wн гармонік, кратних 3. По своєму гармонічному складу обмотки вказаної модифікації наближаються до дванадцятифазних обмоток.

Запропонований алгоритм перетворення структурної моделі обмоток модифікація W_5wk0 в схему-розгортку. Технологічною перевагою вказаної модифікації обмоток, захищених патентом СРСР, є ідентичність концентричних котушкових груп і можливість механізованого укладання на сучасному статорообмотковому устаткуванні.

Проведені дослідження структури трифазних синусних обмоток підмножини W_S, що дозволили представити ці обмотки у вигляді матричних моделей і уперше довести, що симетрія обмоток W_S визначається кольоровою циклічною групою шостого порядку.

Розроблені узагальнені структурні моделі множини однокоординатних 2m-зонных W_2m, а також багатофазних двокоординатних обмоток W_m2m і W_2mс. Для обмоток множин W_m2m і W_2mс запропоновані математичні моделі у вигляді формул розрахунку обмотувальних коефіцієнтів

.

Із застосуванням отриманих виразів проведено дослідження електромагнітних властивостей обмоток множин W_m2m і W_2mс. В результаті отримана формула визначення значення відносного числа w* витків, що забезпечує мінімізацію змісту вищих гармонік у спектрах. По своїй структурі отримана формула аналогічна формулі «золотого перетину»

.

Показано, що визначення w* по цьому виразу забезпечує мінімальний зміст вищих гармонік МРС (ЕРС) при числах фаз m=2 і m=3, але при подальшому зростанні m вимагає використання уточнених формул

w* =1/{1-2cos [р·н/(2m)]}, (4)

w* =2sin [р·н/(2m)]·sin [р·н/(4m)]·cos [3р·н/(4m)]. (5)

Виконаний порівняльний аналіз електромагнітних властивостей множини W_2m і підмножин W_m2mw* і W_2mсw* при w*, відповідних (4) (5). Результати показали, що обмотки підмножин W_m2m* і W_2mс* кращі за аналогічні обмотки підмножини W_2m і за електромагнітними властивостями наближаються до властивостей 2m-фазних обмоток.

Четвертий розділ присвячений порівняльному аналізу властивостей електричних машин з серійними і запропонованими в попередніх розділах обмотками.

На Одеському електроремонтному підприємстві «КОНТАКТ» виготовлений експериментальний зразок на базі серійного двигуна 4АМУ250М2. У зразку серійна обмотка замінена обмоткою W₅₀, схема-розгортка якої приведена на рис. 5. Випробування зразка проведені в лабораторії «Відділення науково-дослідного, проектно-конструкторского і технологічного інституту вибухозахищеного і копальневого електроустаткування» (м. Нова Каховка).

Двигун АМУ250М2 використано як тестовий для оцінювання розрахунків. Безпосереднє порівняння показників серійного двигуна (дані заводської обмоткової записки) і експериментального зразка (дані випробувань) приведене в табл. 1. Порівняння цих даних показує, що експериментальні дані дуже близькі до показників серійного двигуна.

Дані серійного двигуна і експериментального зразка

Двигатель	P2н	I1фн		cos	s	sкр	kI	kM	kП
	кВт	А	%	-	%	%	-	-	-
АМУ250М2	90	-	92	0,93	1,5	-	7,8	3	1,8
Образец	90	95,89	91,55	0,9	1,41	12,5	7.81	3,24	1,4

Тут і далі: I - номінальний фазний струм; - коефіцієнт корисної дії; cos - коефіцієнт потужності; s_н - номінальне ковзання; k_M - кратність максимального моменту; k_I - кратність пускового струму; k_П - кратність пускового моменту.

Запропонована обмотка підтвердила свою працездатність при збереженні можливості економії обмоткового проводу, а отримані результати випробувань дозволили використовувати їх для тестування програми перевірочного електромагнітного розрахунку FLINT. Порівняльний аналіз розрахункових і експериментальних даних зразка представлений в табл.

Порівняння номінальних даних випробувань зразка і розрахунку ЕОМ

Позначення	I		cos	sн	kM	kI	kП
Розмірність	A	%	-	%	о.е.	о.е.	о.е.
Експеримент	95,89	91,55	0,8996	1,41	3,237	7,81	1,4
Розрахунок FLINT	95,84	92,1	0,894	1,6	3,328	8,05	1,386
Різниця, %	0	0, 6	0, 62	11,8	2,8	3,1	1

Позитивні результати тестування програми дозволили провести розрахункове дослідження можливостей застосування обмотки за рисунком 6 в двигуні АМУ280М2У3. Порівняльні результати приведені в табл. 4. Як випливає з даних табл. 3, при забезпеченні економії майже 10% обмоткового проводу двигун з розглянутою обмоткою практично ні в чому не поступається серійному, тому вказану обмотку можна рекомендувати для промислового впровадження.

Порівняння розрахункових номінальних даних двигуна АМУ280М2У3 з серійною і пропонованою обмоткою

Обмотки АМУ280М2	I1фн		cos	s	kM	kI	kП	Иобм1	GCu
	А	%	-	%	-	-	-	єС	кг
Серійна	131,47	93,6	0,94	1,0	3,786	9,592	2,42	63,56	66,97
Нова	131,8	93,5	0,938	1,0	3,640	9,16	2,31	66,84	60,33
Різниця%	0,3	-0,1	-0,2	0	-0,027	-4,5	-0,034	5,2	-9,91

На Новокаховському заводі електромашинобудування виготовлений і випробуваний дослідний зразок синхронного неявнополюсного генератора з нерівновитковою обмоткою підмножини W_5wk0 схема-розгортка якої приведена на рис. 6.

У процесі виготовлення зразка підтверджена можливість її механізованого укладання, а також зменшення витрат обмоткового проводу в порівнянні з серійною через скорочення довжини лобових частин.

Основною метою експерименту планувалося зіставлення гармонійних спектрів ЕРС на затискачах генератора з двома варіантами обмоток (серійною і запропонованою) в одній геометрії і порівняння техніко-економічних показників. Зразок з нерівновитковою обмоткою випробуваний в лабораторії НКЭМЗ згідно ГОСТ10169 - 77. Результати експерименту підтвердили працездатність запропонованої обмотки, але не дозволили виконати порівняльний аналіз, оскільки зразок з серійною обмоткою виготовлений не був.

Тому на кафедрі електричних машин ОНПУ виготовлений експериментальний зразок неявнополюсного синхронного генератора, наведений на рис. 7. На роторі зразка укладена спеціальна обмотка ротора, яка дозволяє генерувати двополюсне поле збудження і 2 варіанти поля з числом полюсів 2 р=6.

У 36 пазах статора послідовно укладено два комплекти обмоток, що зіставляються. Перший комплект містив по одній фазі кожного з різновидів обмоток з числом полюсів 2 р=2: двошарова рівнокотушкова серійна обмотка з числом пазів на полюс і фазу q=6 і кроком по пазах у=15 и обмотка підмножини W_5wk0, виконана з концентричних котушкових груп. В даному випадку використовувалось двополюсне збудження.

Другий комплект складався з двох фаз кожної з обмоток, що зіставлялися, з числом полюсів 2 р=2, виконаних у 12 пазах: двошарової рівнокотушкової серійної обмотки з числом пазів на полюс і фазу q=2 і кроком по пазах у=5 і концентричної обмотки підмножини W_5wk0. Цій комплект був призначений для випробувань при шестиполюснім збудженні.

Для зняття кривих ЕРС і їх наступної обробки був використаний цифровий осцилограф «BORDO USB», призначений для обробки періодичних і одноразових аналогових електричних сигналів, відображення їх на екрані стандартного монітора, занесення в пам'ять комп'ютера і перетворення даних у цифрові файли.

В процесі осцилографування лінійних ЕРС двополюсних обмоток зіставлення гармонійних спектрів обмоток виконувалось по інтегральному показнику - коефіцієнту несинусоїдальності k_нес, а обробка результатів експерименту виконувалася на декількох періодах, а як підсумкові приймалися середні значення.

Результати зіставлення експериментальних кривих лінійних ЕРС при шестиполюснім збудженні показали, що середні значення коефіцієнтів несинусоидальності k_нес в обмотці W_5wk0 виявилися меншими, ніж у серійної обмотки, при першому варіанті збудження на 34,5% і при другому - на 28,1%.

Порівняльні випробування осцилограм першого комплекту обмоток при двополюсному збудженні, наведені на рис. 8 і 9, показали, що середнє значення коефіцієнтів несинусоїдальності k_Нср фазної напруги у нової обмотки на 13,5% менше, ніж у серійної.

Зіставлення коефіцієнтів несинусоїдальности лінійних ЕРС нової та серійної обмоток при збудженні с затисків В1-В2

Обмотка	kН1	kН2	kН3	kНср
Нова	5,5·10-4	6,1·10-4	6,2·10-4	5,7·10-4
Серійна	6,2·10-4	6,4·10-4	6,8·10-4	6,6·10-4

У розділі 3 було встановлено, що в обмотках W_5wk0 найбільше зменшення обмоткових коефіцієнтів k_Wн в порівнянні з серійними обмотками спостерігається для вищих гармонік, кратних 3. Зіставлення гармонійних спектрів двополюсних обмоток зразка підтвердило цю особливість. Значення коефіцієнтів k_Wн обмотки W_5wk0 по будь-яких гармоніках н=6n±3 складають ~0,65 від відповідних значень серійної обмотки. Таку різку відмінність можна або підтвердити, або спростувати експериментально, зіставляючи середні значення ЕРС цих обмоток, якщо поле збудження генерує тільки гармоніки, кратні 3. Такі випробування двополюсних обмоток проведені при двох варіантах шестиполюсного збудження. При тому порівняння середніх величин ЕРС виконувалось двома засобами: безпосереднім вимірюванням ЕРС на затисках обмоток и розрахунком середніх значень ЕРС по площі кривих, отриманих в результаті їх осцилографування і наведених на рис. 10а, б. В останньому випадку площі півхвиль кривих S пропорційні середнім значенням відповідних ЕРС і визначаються як суми площ гармонік S_н, отриманих при розкладанні цих кривих у ряд Фур'є по виразу

В усіх випадках максимальне відхилення співвідношення експериментально встановлених середніх значень фазної напруги від теоретичного співвідношення не перевищує 5,5%.

Висновки

Необхідність пошуку нових типів обмоток, нових модифікацій обмоток, спеціальних типів обмоток визначається вимогами до обертових машин. Застосування нових і спеціальних обмоток може бути істотним вкладом у рішення завдань, які стоять перед інженерами.

Використання узагальненої структурної моделі багатофазних однокоординатних обмоток забезпечило можливість створення нових структур, визначення нових властивостей раніше отриманих структур і їх використання при розробці реальних обмоток.

До найбільш важливих наукових результатів, отриманих у дисертації, відносяться наступні.

1. Удосконалена методика розробки математичних моделей нетрадиційних обмоток, з урахуванням особливостей векторних діаграм нетрадиційних обмоток.

2. Сформовані однокоординатна структурна M_5c і математична модель підмножини W_5c з одношарових трифазних обмоток, захищених патентом України. Доведена можливість заміни ними існуючих двошарових обмоток.

3. Розроблені структурна М₅₀ та математична моделі підмножини W₅₀ одношарових обмоток, що дозволило досліджувати їх властивості і встановити допустимі діапазони зміни структурних параметрів для проектування реальних обмоток, новизна яких підтверджена патентами України і Росії.

4. Запропонована структура обмоток W₅₀* із зміненою геометрією зубцевого шару, досліджені властивості такої структури, що дозволило розширити сферу застосування обмоток підмножини W₅₀.

5. Синтезовані двокоординатна структура М_Qw і математична модель. Проведені дослідження їх властивостей, що дозволило сформувати підмножину W_Qw трифазних нерівновиткових обмоток з пониженим вмістом додаткових гармонік.

6. Розроблена двокоординатна структурна модель М_5wkn з використанням її симетрування, на основі якої отримані адекватні математичні моделі обмоток підмножини W_5wkn. Дослідження моделі М_5wkn дозволило запропонувати технологічну модифікацію W_5w шестизонних нерівновиткових обмоток, що наближаються за своїми властивостями до дванадцятифазних обмоток. Ці обмотки захищені патентом СРСР.

7. Уперше сформована узагальнена структурна модель підмножини трифазних синусних обмоток, що дозволила довести, що симетрія обмоток Ws визначається кольоровою циклічною групою шостого порядку.

8. Уперше сформовані узагальнені структурні моделі обмоток підмножин W_m2m і W_2mс і розроблені їх математичні моделі. Доведено, що незважаючи на формальну ідентичність по рівню симетрії, обмотки підмножини W_m2m і W_2mс, при певних значеннях параметра w* перевищують аналогічні обмотки підмножини W_2m за електромагнітними властивостями.

Справедливість виявлених властивостей синтезованих структур обмоток і достовірність результатів аналізу їх електромагнітних властивостей підтверджена збігом результатів традиційного гармонійного аналізу і розрахунків, зроблених по запропонованих в дисертації математичних моделях.

Наукове значення розроблених структурних моделей полягає в можливості подальшого розвитку теорії багатофазних обмоток і розробки на її базі нових більш досконалих обмоток, в проведеному аналізі властивостей нових модифікацій обмоток, визначених їх структурами.

Практичне значення роботи полягає в можливості використання отриманих модифікацій обмоток при ремонті, модернізації і удосконаленні електричних машин. Заміна двошарових обмоток серійних двополюсних асинхронних двигунів з висотами осі обертання від 160 до 200 мм синтезованими в роботі одношаровими обмотками можуть забезпечити значне зниження трудомісткості обмотувально-ізолювальних робіт. Застосування двошарових обмоток запропонованих структур дозволяє економити активні матеріали без зміни споживчих властивостей двигунів. Застосування двокоординатних обмоток дозволяє створювати генератори з практично синусоїдальною формою кривої напруги.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Дегтев В.Г. Многофазные обмотки с улучшенными электромагнитными свойствами /Дегтев В.Г., Шульгин Д.М. // «Электромашиностроение и электрооборудование», Респ. межвед. науч. техн. Сб., - 1992 - №.46. - С. 75-79.

2. Дегтев В.Г. Алгоритм проектирования трёхфазных обмоток с заданным уровнем избирательности /Дегтев В.Г., Шульгин Д.М. // «Электромашиностроение и электрооборудование», Респ. Межвед. науч. техн. сб. - 1995 - №47. - С. 73-78.

3. Дегтев В.Г. К вопросу о замене двухслойных обмоток однослойными/ Дегтев В.Г., Шульгин Д.М., Кокул А.А., Горсткій І.Н. // «Електромашинобудування та електрообладнання», Міжвід. Наук.-техн. зб. - 2002 - №59. - С. 80-83.

4. Дегтев В.Г. Синтез обмоток с уменьшенным содержанием прямовращающихся гармоник МРС /Дегтев В.Г., Шульгин Д.М. // «Електротехніка і Електромеханіка» Щоквартальний науково-практичний журнал - 2003 - №4. - С. 23-25.

5. Дегтев В.Г. Трехфазные обмотки с измененным зубцовым делением /Дегтев В.Г., Шульгин Д.М. // Збірник наукових праць. Миколаїв: Національний Універсітет Кораблебудування, 2004. - №3 (396). - С. 127-132.

6. Дегтев В.Г. Модернизация асинхронных двигателей заменой двухслойных статорных обмоток /Дегтев В.Г., Шульгин Д.М., Кокул А.А., Горсткій І.Н. // Праці Луганського відділення Міжнародної Академії інформатизаціїї, - 2004. - №1 (8). - С. 56-58.

7. Шульгин Д.М. /Структурный синтез трехфазных обмоток с улучшенными свойствами /Шульгин Д.М. // «Електромашинобудування та електрообладнання», Міжвід. Наук.-техн. збірник. - 2004. - №63., С. 82-86.

8. Дегтев В.Г. Свойства многофазных обмоток с минимальным содержанием высших гармоник /Дегтев В.Г., Шульгин Д.М. // «Електротехніка і Електромеханіка» Науково-практичний журнал - 2005 - №1. - С. 38-41.

9. Дегтев В.Г. Анализ электромагнитных свойств нетрадиционных обмоток /Дегтев В.Г., Шульгин Д.Н., Дмитриева Т.Н. // Електротехніка і Електромеханіка, 2005, №3. С. 20-2

10. Патент 1816335 СССР, МКИ Н 02 К 3/28, 17/14. Трёхфазная многополюсная двухслойная симметричная обмотка / Дегтев В.Г., Шевченко В.П., Чайковский В.П., Шульгин Д.Н., Коцюбенко В.П., Яковлев М.М., (Украина). - №4899212/07. Заявлено 03.01.1991; Опубл. 15.05.93, Бюл. №18. - 4 с.

11. Патент на винахід 73222 Україна, 7 Н02К3/12. Симетрична трифазна двополюсна двошарова обмотка/ Дегтєв В.Г., Шульгін Д.Н. Заявлено 18.06.2003; Опубл. 15.06.2005, Бюл. №6, 2005 р.

12. Патент на изобретение №2256275 Россия, Симметричная трехфазная двухполюсная двухслойная обмотка/ Дегтев В.Г., Шульгин Д.Н. Заявлено 18.06.2003 Опубл. 10.07.2005 Бюл. №19.

13. Патент на винахід 92966 Україна МПК(2009) Н02К 3/12 Н02К 3/28 Н02К 17/14 (2006.01) Симетрична трифазна одношарова обмотка/ Дегтев В.Г., Шульгин Д.Н., Самойлов Г.О. Заявлено 21.04.2009; Опубл. 27.12.2010, Бюл. №24.

14. Дегтев В.Г. Сравнительный анализ трехфазных обмоток с максимальной симметрией /Дегтев В.Г., Шульгин Д.Н., Глухов А.А. // «Електромашинобудування та електрообладнання» Міжвідомчий науково - технічний збірник, 2008 - №70 - С. 72-75.

15. Дегтев В.Г. Экспериментальное сравнение двух типов обмоток /Дегтев В.Г., Якимец А.М., Шульгин Д.Н., Бабушанов А.В., Чеснов Я.А. // «Електромашинобудування та електрообладнання» Міжвідомчий науково - технічний збірник, - 2009 - №73 С. 76-81.

Размещено на Allbest.ru

...