Структурний синтез двофазних обмоток асинхронних двигунів

Спеціальність 05.09.01 - Електричні машини і апарати

Одеса 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському національному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор,

Дьогтєв Володимир Григорійович,

Одеський національний політехнічний університет,

професор кафедри електричних машин

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор,

Ставинський Андрій Андрійович,

Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, м. Миколаїв, завідувач кафедри суднових електроенергетичних систем

- кандидат технічних наук, доцент,

Радимов Ігор Миколайович,

НТЦ ТОВ “Завод “Електротехніка”, м. Одеса,

головний конструктор

Захист дисертації відбудеться 24 жовтня 2008 р. о 14.00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К41.052.05 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1, адм. корпус, ауд. 400-а

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету (м. Одеса, пр. Шевченка, 1)

Автореферат розіслано 15 вересня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.П. Шевченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

синтез двофазний обмотка двигун

Актуальність теми. В останні роки потрібність в електричних машинах побутового призначення зросла та намітилася тенденція пошуку шляхів їх удосконалення. Номенклатура різних побутових приладів і пристроїв, основу приводу яких становлять конденсаторні двигуни, має стійку тенденцію до розширення. Пральні машини, міксери, кухонні комбайни, насоси, вентилятори, кондиціонери, фени, рукосушителі - далеко не весь список пристроїв, у двигунах яких використовуються двофазні обмотки. Експлуатаційні, технічні та вартісні показники електричних машин у значній мірі залежать як від електромагнітних властивостей обмоток, так і від їх конструктивних особливостей. Тому питання удосконалення теорії та методів синтезу двофазних обмоток зберігають актуальність.

Більшість існуючих методів проектування двофазних обмоток електричних машин не можуть забезпечити ефективного рішення задач синтезу обмоток з необхідними властивостями. Головна причина - орієнтація на класичну теорію обмоток змінного струму. Це визначає цілий ряд недоліків, які, так чи інакше, проявляються в різних методах формування обмоток. Вагомий внесок в удосконалювання методів проектування обмоток може внести систематизація двофазних обмоток і розробка ефективних методів синтезу, що забезпечують отримання нових модифікацій обмоток з поліпшеними електромагнітними властивостями, застосування яких в електричних машинах дозволить підвищити їх техніко-економічні показники.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно з планами науково-дослідних робіт кафедри електричних машин Одеського Національного політехнічного університету по наступним темам:

- №560-51 (номер державної реєстрації 0107U001962) “Розробка математичних моделей та дослідження процесів в електричних машинах й трансформаторах”;

- №625-51 (номер державної реєстрації 0106U0113174) “Розробка засобів автоматизованого синтезу високоефективних електромагнітних та електромеханічних пристроїв”;

- №409-51 “Математичне моделювання, оптимальний проектний синтез та дослідження електромагнітних процесів високоефективних електромеханічних перетворювачів енергії”;

- №446-51 “Розробка ресурсо- і енергозберігаючих електромеханічних і електромеханотроних перетворювачів”, виконується за наказом Міністерства освіти та науки України № 746 від 07.11.2003 р.

Метою дослідження є розробка методик синтезу двофазних обмоток з поліпшеними властивостями на основі їх структурного моделювання та створення нових модифікацій двофазних обмоток асинхронних двигунів.

Задачі дослідження:

- удосконалення методики гармонійного аналізу для дослідження електромагнітних властивостей різних типів двофазних обмоток;

- систематизація двофазних обмоток на базі узагальненої моделі;

- вибір стратегії синтезу двофазних обмоток із застосуванням модульного принципу;

- розробка методики синтезу двофазних обмоток із заданими властивостями;

- розробка методики структурного синтезу двофазних обмоток;

- синтез нових модифікацій двофазних обмоток на основі їх структурних моделей.

Об'єктом дослідження є процеси електромеханічного перетворювання енергії в асинхронних машинах з двофазними обмотками.

Предметом дослідження є склад і структура повної множини двофазних обмоток, особливості їх внутрішньої будови, електромагнітних властивостей і гармонійного спектру МРС.

Методи дослідження. Систематизація двофазних обмоток виконана із застосуванням теорії множин, основ узагальненої теорії багатофазних обмоток та структурного аналізу. Дослідження електромагнітних властивостей двофазних обмоток проведені з використанням гармонійного аналізу. При дослідженні симетрії двофазних обмоток використана математична теорія груп. Проектування нових модифікацій обмоток виконано із застосуванням методів структурного синтезу.

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

- вперше встановлена фундаментальна властивість гомологічної подібності рівновитокових двофазних обмоток, яка дозволила виконати їх систематизацію у межах повної множини;

- вперше сформована структурна модель повної множини двофазних обмоток, що дозволила здійснити вибір раціональної стратегії синтезу;

- вперше запропоновано використання властивості подібності коефіцієнтів розподілу обмоток у гомологічних рядах для виконання гармонійного аналізу МРС (ЕРС) багатополюсних симетричних двофазних обмоток;

- вперше сформовані структурні моделі із застосуванням інваріантного блоку та циклічних перестановок базового модуля, що дозволили одержати нові модифікації двофазних обмоток, коефіцієнти розподілу яких визначаються аналітично;

- вперше сформована структурна модель із застосуванням частково-несиметричних модулів, що відображає нову модифікацію слабко несиметричних двофазних обмоток, і виведена формула для розрахунку коефіцієнтів розподілу по гармонікам довільних порядків;

- вперше синтезований різновид двофазних полюсоперемикаємих обмоток із співвідношенням чисел пар полюсів 1:2, що характеризуються повною симетрією.

Практичне значення отриманих результатів. Встановлена властивість гомологічної подібності полягає в науково обґрунтованій систематизації всього різноманіття двофазних обмоток, включаючи як симетричні, так і несиметричні їх різновиди, що забезпечує правильний вибір напрямків досліджень і дозволяє визначити стратегії ефективного синтезу.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці ефективних методик, алгоритмів і програмного забезпечення для аналізу та синтезу двофазних обмоток.

Частина отриманих результатів (спрямований і структурний синтез двофазних обмоток, методи і алгоритми синтезу та інше) реалізовані безпосередньо в представленій роботі. Із застосуванням структурного синтезу отримані 3 нові модифікації двофазних обмоток. Показано, що застосування двофазних обмоток кожного із зазначених типів в асинхронних двигунах забезпечує підвищення їх техніко-економічних показників. Спрямований синтез реалізований у вигляді інтерактивного проектування двофазних обмоток із заданими властивостями в середовищі створеного в роботі програмного забезпечення GarAn-2. Властивість гомологічної подібності застосовується при гармонійному аналізі багатополюсних двофазних обмоток.

На основі виконаних досліджень розроблена методика проведення нових лабораторних робіт по дисципліні “Аналіз і синтез обмоток електричних машин”, створені два спеціалізованих лабораторних стенди і методичне забезпечення цих робіт (Рег.№МВО2863 від 24.04.08 р. №3088-РС-2008). Розроблена розрахунково-оптимізаційна програма “РОАКД”, яка використовується студентами-електромеханіками для електромагнітних розрахунків і оптимізації асинхронних конденсаторних двигунів у курсовому та дипломному проектуванні.

Частина розроблених схем двофазних обмоток використовуються у ТОВ "Енергомакс-проект" для ремонту електричних машин змінного струму побутового призначення, а програмні продукти GarAn-2 і “РОАКД” ? для розрахунку обмоткових даних.

Документи про впровадження наведені в додатках до дисертації.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційну роботу включено теоретичні положення та результати, отримані автором особисто. Роботи [11, 17, 18] опубліковані здобувачем персонально. Розроблені алгоритми і програмне забезпечення, які призначені для синтезу та аналізу двофазних обмоток [11]. У друкованих працях, опублікованих у співавторстві, дисертанту належать: структурна модель повної множини рівновиткових двофазних обмоток [10, 15]; структурний синтез двофазних обмоток [3, 4, 5], полюсоперемикаємих обмоток [8] і обмоток із застосуванням інваріантного блоку [14]; розробка алгоритму формування гомологічних рядів [19]; розрахункові дослідження, отримання аналітичних виражень і гармонійний аналіз [7]; розробка та виготовлення лабораторних стендів, проведення досліджень [6, 16]; електромагнітні розрахунки і дослідження асинхронних конденсаторних двигунів [9, 12, 13]. В інших роботах, опублікованих у співавторстві, автор брав участь у теоретичних дослідженнях, виконував аналіз результатів і електромагнітні розрахунки.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на: науково-технічних семінарах АН України (1997, 1999-2002, 2008 р.р., ОНПУ); республіканському семінарі “Електромагнітні процеси та проектний синтез електричних машин та трансформаторів”, Одеса - 2004; V Міжнародній конференції “Електромеханіка, електротехнології та електроматеріаловедення” (МКЭЭЭ-2003), Крим, Алушта - 2003; VІ Міжнародній науково-технічній конференції “Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці”, Львів - 2003; Міжнародному симпозіумі “Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів” (SІEMA 2003), Харків - 2003; конференціях “Енергозбереження та екологія на підприємствах морського й річкового транспорту”, 2003-2006 р.р. - МТП Южний; І-й Всеукраїнській науково-технічній конференції з міжнародною участю “Проблеми автомати та електрообладнання транспортних засобів” (ПАЕТЗ-2004), Миколаїв - 2004; міжнародній науково-технічній конференції “Енергоефективність - 2004”, Одеса - 2004.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 19 статей у наукових журналах і збірниках наукових праць, 16 доповідей у матеріалах конференцій. Без співавторів опубліковано 3 наукові роботи.

Структура та обсяг роботи. Дисертація загальним обсягом 232 сторінки, складається із вступу, п'яти розділів, висновків по роботі, списку використаних джерел з 152 найменувань на 14 сторінках, містить 84 малюнка, 32 таблиці, а також 13 додатків на 50 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовано мету та задачі дослідження, визначені наукова новизна, теоретична та практична цінність досліджень і їхній зв'язок з науковими програмами, планами. Подана інформація про апробацію роботи, публікації, структуру роботи та основні положення, які виносяться на захист.

У першому розділі виконано огляд літератури, присвячений проблемі проектування та використання багатофазних обмоток в електричних машинах. Показано, що за останні роки зросла тенденція пошуку шляхів удосконалення побутових електричних машин у напрямку підвищення рівня їх питомих показників, спрощення технології виготовлення та розробки спеціальних модифікацій. Внаслідок цього потрібні більш ефективні методи синтезу, які дозволяють створювати двофазні обмотки (ДО) з необхідними властивостями. Такі ДО називаються нетрадиційними, і відрізняються від серійно застосовуваних електромагнітними властивостями або конструктивно-технологічними характеристиками, або тим і іншим одночасно. Проектування таких двофазних обмоток супроводжувалося розробкою значного числа методів їх синтезу. Розробкою таких методів займалися багато вітчизняних і закордонних вчених: Захаров М.К., Белікова Л.Я., Куделькін І.М., Войтех А.А., Кірічек Г.М., Лопухина О.М., Семенчуков Г.А., Weatherley M.R., Krіshnamurthy M.R., Fong W., Broadway A.R.W., Sastry V.V. та інші.

Проведений аналіз літератури показав, що зазначені методи засновані, як правило, на класичній теорії обмоток електричних машин змінного струму, і зводяться до того або іншого способу формування розподілів активних котушкових сторін по фазах і в просторі. В окремих випадках такий підхід дозволяє одержувати задовільні для практики варіанти ДО, але орієнтований на синтез ДО в заданому числі пазів і не може забезпечити повноту рішень, тому що розглядається випадкова вибірка комбінацій просторово-фазових розподілів активних котушкових сторін.

Для усунення зазначених недоліків треба досконально вивчити електромагнітні властивості не тільки серійно застосовуваних, але й нетрадиційних ДО, дослідити взаємовідносини між властивостями ДО різних типів для виконання науково обґрунтованої їх систематизації. Тільки при вирішенні вказаних задач може бути обрана раціональна стратегія синтезу ДО із заданими технічними властивостями.

В основу досліджень покладена узагальнена структурна модель багатофазних обмоток і методи структурного синтезу та аналізу, які розроблені д.т.н. Дьогтєвим В.Г.

Сутність структурного представлення ДО полягає у наступному.

Найпростішими елементами ДО є просторові й фазові структурні параметри, які представляються у вигляді чисел, кратних базовим значенням просторового Zb=360/Z0 (Z0 - число рівномірно розподілених пазів на періоді обмотки) і тимчасового tb=90 кутів. У цьому випадку просторові структурні параметри xj збігаються з номерами пазів, а фазові ti утворюють масив цілих чисел: {ti}={0, 1, 2, 3}, де 0 A, 1 B, 2 A? (X), 3 B? (Y). В основі узагальненого підходу покладений інваріант - співвідношення просторових структурних параметрів блоку, яке залишається незмінним при будь-яких варіаціях вихідних даних або при переході від одного типу ДО до іншого. На рис. 1, а, б, в, представлені відповідно: фізична, структурна та матрична моделі інваріантного просторового блоку b0, найважливішою характеристикою яких є фіксований (xi=90°=const) кутовий відносний зсув його складових. Це дозволяє при будь-якому числі пазів Z0, кратному 4, представити просторову структуру періоду довільної ДО у вигляді набору з Q блоків b0, розташованих один під одним (рис. 2, а). Номера довільного осередку {xij} і кутові координати ij для -х гармонік зв'язані аналітично: {xij} = Q·(i-1)+j; ijн = 90·(i-1) ·н + 90·(j-1) ·н/Q (де i - стовпець, j - рядок матричної моделі). Структурна модель (рис. 2, б) відображає обмотковий простір і є узагальненою моделлю векторних діаграм пазових ЕРС (МРС). Перехід до активних моделей здійснюється заповненням осередків матриць фазовими структурними параметрами ti.

Узагальнене представлення ДО в сукупності з апаратом операційних перетворень структурних параметрів дозволяє адекватно відображати не тільки серійні, але й нетрадиційні модифікації обмоток, у тому числі несиметричні та нерівновиткові різновиди.

Проведений аналіз дозволив визначити мету та основні задачі наукових досліджень роботи.

Другий розділ присвячений дослідженню електромагнітних властивостей двофазних обмоток на базі узагальненої структурної моделі. Розроблено універсальну підсистему автоматизованого гармонійного аналізу довільних ДО GarAn-2, що забезпечує одержання повної інформації про їх електромагнітні властивості та дозволяє виконати синтез ДО в інтерактивному режимі з оперативним аналізом результатів.

Із застосуванням GarAn-2 проведені детальні дослідження гармонійних спектрів ДО, які дозволяють встановити фундаментальну властивість гомологічної подібності. Основою гомологічних рядів є двополюсні обмотки, а сам ряд утворюється багатополюсними обмотками, виконаними в тому ж числі пазів, що і основа. Для обмоток-основ визначається аналітичний спосіб розрахунку коефіцієнтів kR розподілу по гармонійним складовим довільних порядків 0, а їх відповідність із порядками d багатополюсних обмоток встановлюється виразом

d = (4Qn ± 0)/p, (1)

де n - найменше ціле число, при якому нd - ціле непарне число; p - число полюсів.

Запропонований наступний алгоритм формування гомологічних рядів симетричних ДО, який дозволяє значно спростити гармонійний аналіз МРС (ЕРС) багатополюсних ДО.

АГ.1. Вихідні дані: двополюсна двофазна обмотка (Q =const, 2p=2).

АГ.2. Формування матричної моделі двополюсної двофазної обмотки.

АГ.3. Визначення кроку послідовного обходу пазів двофазної обмотки із числом полюсів 2p по виразу R=(4Qn+1)/p, де n - таке ціле число, при якому R - ціле непарне число.

АГ.4. Визначення послідовності номерів Nd =1+(jq-1)·R пазів активних котушкових сторін обмотки та складання масиву номерів активних котушкових сторін mNd ={Nd1, Nd2, Nd3, …, NdQ}, де jq- номера рядків у матричній моделі обмотки-основи.

АГ.5. Визначення номерів рядків jd двофазної обмотки із числом полюсів 2p по виразу jd = {[(jq-1)+Q·n]/p} + 1 = ц.ч. ? Q

АГ.6. Визначення числа циклічних перестановок kd у рядках матричної моделі двофазної обмотки із числом полюсів 2p по виразу kd = (Nd - jd)/Q = (0…3) = ціле число.

АГ.7. Формування матричної моделі двофазної обмотки.

АГ.8. Визначення величин коефіцієнтів розподілу kR обмотки із числом полюсів 2p.

Наприклад, синтезована модель нетрадиційної двополюсної основи, яка виконана у 28 пазах, відповідно до алгоритму формується модель шестиполюсної похідної ДО гомологічного ряду. У матричній формі зазначені моделі мають вигляд:

Для обмотки-основи величини kR визначаються за виразом

і наведені у 2-ому стовпці табл. 1. Тоді відповідні значення коефіцієнтів шестиполюсної обмотки визначаються по (1). Наприклад, розрахункове значення нd довільно обраної гармоніки =11 шестиполюсної (р=3) двофазної обмотки : нd = (471+11)/3=13.

Аналогічно можна побудувати матричні моделі для похідних багатополюсних ДО з іншими числами полюсів і визначити їхні коефіцієнти розподілу. Так, у двох крайніх правих стовпцях табл.1 наведені значення зазначених коефіцієнтів для ДО розглянутого гомологічного ряду із числами пар полюсів p=5 и p=9.

Розроблено структурну модель повної множини WS симетричних ДО, яка представлена у вигляді блок-схеми (рис. 3), що включає в себе всі види структурних складових (від структурних параметрів ti та xj до гомологічних ланцюжків багатополюсних ДО) і співвідношення між ними.

Таблиця 1

Гармонійний аналіз двофазних обмоток гомологічного ряду G7SO1 (Q=7)

Матеріал третього розділу присвячений синтезу нових типів двофазних обмоток. Запропонована структурна модель повної множини ДО, що доповнює попередню модель частково-несиметричними й несиметричними підмножинами ДО. Вона дозволяє вибрати дві стратегії синтезу ДО: спрямований синтез із заданим рівнем потокозчеплення та структурний синтез.

Вихідні дані спрямованого синтезу: число пазів статора Z1, число полюсів 2р, тип блоків і їх число nI. При сталості Q і р виконується пошук таких параметрів блоків, яким відповідає найбільш компактне розташування векторів ЕРС на векторній діаграмі в масштабі робочої гармоніки, для досягнення необхідного коефіцієнта розподілу по робочій гармоніці kRp.

Структурний синтез ДО полягає у формуванні обмоткових структур із заданим числом полюсів, незалежно від числа пазів, у яких вони виконуються. Синтез структурних моделей здійснюється зміною числа груп і порядку їхнього чергування, кількості блоків у кожній групі й циклічних перестановках у них. Кожна з таких структур однозначно визначає електромагнітні властивості відображених обмоток відповідної модифікації залежно від співвідношення структурних параметрів. Як правило, такі залежності можуть бути виражені в аналітичній формі, що забезпечує ефективне застосування структурного синтезу при серійному проектуванні електричних машин.

Сформовано структурну модель двофазних обмоток SO1 із застосуванням циклічних перестановок базового модуля, яка складається із центральної групи, що містить N блоків без циклічних перестановок і двох крайніх груп - по (Q-n)/2 блоків із циклічними перестановками

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для отриманої моделі виведений вираз для розрахунку коефіцієнтів розподілу kRн по гармонікам довільних порядків

,

де N*=N/Q - відносна кількість центральних рядків, що містять блоки без циклічних перестановок.

Отримано нову модифікацію ДО, порівняльний аналіз якої із серійним аналогом показує значне зменшення відносних амплітуд Hн по 3-й і 5-й гармоніках (табл. 2). Зменшення впливу вищих гармонік МРС показує й коефіцієнт диференціального розсіювання D, який знизився на 23 %. У конструктивному й технологічному відношенні, запропонована одношарова ДО не поступається серійній, і може бути виконана (рис. 4) концентричною. За рахунок скорочення середнього кроку забезпечується зменшення витрат обмоткового проводу.

Таблиця 2

Порівняльний аналіз властивостей двофазних обмоток

(Q = 6, N = 4, 2p=2)

Одна з модифікацій ДО структури SO2 при Q = 6 і n = 2, представлена на рис. 5 у вигляді схеми-розгортки. Котушкові групи обох фаз відрізняються різними кроками по пазах середньої та внутрішньої котушок: усрA=(5+7+11)/3=7,66; усрB= [(3+5+11)+(7+9+11)]/6=7,66.

Сформовано структурну модель SO0_1 із застосуванням інваріантного блоку та циклічних перестановок крайніх рядків матричної моделі, що відрізняється від обмоткової структури SO1 тим, що центральний блок завжди інваріантний. Отримано модифікації ДО цієї структури та виведені аналітичні вирази для визначення kRн.

Сформовано структурну модель SO2 із застосуванням частково-несиметричних модулів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

і виведено вираз для розрахунку kRн по гармонікам довільних порядків

,

де N*=N/Q - відносне число центральних рядків, що містять блоки b1.

Виконано і проаналізовано структурний синтез різних типів ДО, який дає можливість регулювання їхнього гармонійного складу. Запропоновано методику множинного синтезу двошвидкісних двофазних полюсоперемикаємих обмоток з перемиканням чисел пар полюсів у відношенні 1:2, які мають повну симетрію на обох полюсностях.

Четвертий розділ присвячений розробці розрахунково-оптимізаційної програми “РОАКД”, яка дозволяє виконувати електромагнітний розрахунок асинхронних конденсаторних двигунів з візуалізацією механічних (рис. 6) та робочих характеристик. Програма дозволяє виконувати оптимізаційні розрахунки обмоткових даних двигунів при різних числах витків на фазу А - WA і коефіцієнтах трансформації КТ=wB/wA, які змінюються у заданих межах при заданій величині ємності робочого конденсатора. На підставі результатів розрахунку аналізуються побудовані програмою лінії рівня основних критеріїв (коефіцієнта корисної дії (ККД) з та коефіцієнта потужності cos ц) і технічних показників (кратності пускового й максимального моментів, напруги на конденсаторі в режимі неробочого ходу) у площині незалежних змінних WA і КТ.

Оптимізація обмоткових даних являє собою багатокритеріальну задачу нелінійного математичного програмування. Задача формулюється в наступному виді: необхідно знайти WА, КТ, СР, які забезпечують максимально можливі значення критеріїв ККД з (WА, КТ, СР) змах і коефіцієнта потужності cos ц (WА, КТ, СР) cos ц мах, при цьому значення WА, КТ, СР мають задовольняти заданим обмеженням за технічним завданням. Поставлена задача ефективно вирішується в інтерактивному режимі на ЕОМ з використанням візуалізації, при послідовному наближенні значень незалежних змінних до оптимального значення та двомірному відображенні ліній рівня критеріїв (з и cos ц) і обмежень (kп, kmax, UKO). При такому підході ЕОМ виконує та обробляє результати розрахунків у допустимій області зміни керованих змінних, а конструктор - аналізує ці дані й приймає відповідні рішення. Завдяки можливості корегування вихідних даних при оптимізаційних розрахунках, система проектування стає інваріантною що до змінювання технічних і економічних умов. Такий підхід є зручним та наочним, і залишає кінцеве рішення за користувачем, який вибирає з множини припустимих рішень кращий варіант.

Адекватність алгоритму електромагнітного розрахунку і його програмної реалізації перевірені зіставленням розрахункових, довідкових і дослідних даних різних типів асинхронних конденсаторних двигунів, і доводять коректність його застосування при інженерних розрахунках. По найважливішим параметрам відносна помилка не перевищує 5%.

Основним завданням п'ятого розділу є застосування синтезованих двофазних обмоток у серійних асинхронних конденсаторних двигунах. При цьому розрахунки всіх варіантів двигунів виконані без зміни геометрії машини із застосуванням розрахунково-оптимізаційної програми “РОАКД” за умови заміни стандартних ДО на спроектовані. Оптимізація обмоткових даних асинхронних конденсаторних двигунів з новими ДО виконувалася по критерію оптимальності ККД при дотриманні технічних умов.

Виконано порівняльний аналіз і оптимізацію обмоткових даних асинхронного конденсаторного двигуна серії КДР-25-2 (P2н = 25 Вт), з новою обмоткою M6_so1. Запропонований варіант не поступається базовій моделі двигуна й дозволяє в кожному зразку знизити витрати проводу на 2,6 %. Враховуючи масовий характер виробництва таких двигунів така економія забезпечує суттєвий економічний ефект.

Розглянуто варіант поліпшення техніко-економічних показників асинхронного конденсаторного двигуна серії ДАК-40 (P2н = 40 Вт). У результаті проведеного розрахункового експерименту й порівняння отриманих результатів цього двигуна із серійною одношаровою та одно-двошаровою обмоткою економічний ефект досягається за рахунок економії обмоткового проводу на 18,7 %, а також підвищення ККД на 1,7 %. Рекомендується випускати такий двигун з одно-двошаровою обмоткою, із кращими техніко-економічними показниками в порівнянні із серійними двигунами.

Проведено дослідження (рис. 7) для двигуна серії 2ДАВ 71-2 (P2н = 370 Вт) з новою двофазною обмоткою M4_SO2. Запропонований варіант двигуна забезпечує економію обмоткового проводу на 6,3 % і підвищення ККД на 7,6 %.

Всі пропоновані обмотки можна виготовляти та укладати в пази із застосуванням стандартної технології і обладнання.

У додатках наведені програми, алгоритми, структурні моделі підмножин двофазних обмоток, результати розрахунків двигунів і акти впровадження.

ВИСНОВКИ

Дисертація присвячена рішенню важливої науково-технічної проблеми удосконалення двофазних обмоток електричних машин побутового призначення.

Електромагнітні властивості двофазних обмоток значною мірою визначають техніко-економічні показники електричних машин, у яких вони використовуються. Враховуючи масовий випуск таких машин, навіть незначні поліпшення властивостей обмоток можуть забезпечити суттєвий економічний ефект. Тому рішення таких питань є актуальним.

Основні наукові й практичні результати, одержані в роботі, полягають у такому:

1. Розроблено алгоритм формування рядів багатополюсних симетричних двофазних обмоток, які базуються на довільних двополюсних основах, встановлено відношення гомологічної відповідності, що спрощує процеси гармонійного аналізу та синтезу багатополюсних обмоток.

2. Розроблено структурну модель повної множини двофазних обмоток, що дозволяє обмежити область дослідження й визначати ефективні стратегії синтезу двофазних обмоток, у тому числі й слабко несиметричних.

3. Розроблено методику спрямованого синтезу двофазних обмоток, яка дозволила формувати обмотки із заданими електромагнітними властивостями.

4. Розроблено методику структурного синтезу, що дозволила сформувати модифікації двофазних обмоток з новими властивостями, які забезпечують підвищення технічних показників електричних машин.

5. Спроектовано модифікацію повністю симетричних двофазних полюсоперемикаємих обмоток із співвідношенням чисел полюсів 1:2.

6. Розроблено універсальну підсистему автоматизованого аналізу довільних двофазних обмоток, яка дозволяє реалізувати методику спрямованого синтезу в інтерактивному режимі та отримала застосування в учбовому процесі.

7. Розроблена й протестована розрахунково-оптимізаційна програма “РОАКД”, що дозволяє виконувати ефективне проектування асинхронних конденсаторних двигунів і оптимізацію їх обмоткових даних.

8. Запропоновано заміну статорної обмотки асинхронного конденсаторного двигуна серії КДР-25 (P2н = 25 Вт) на обмотку підмножини SO1 для досягнення здешевлення двигуна за рахунок зменшення маси міді на 2,6 %.

9. Для поліпшення техніко-економічних показників асинхронного конденсаторного двигуна серії ДАК-40 (P2н = 40 Вт) запропонована заміна серійної одношарової обмотки одно-двошаровою обмоткою, що забезпечує економію обмоткового проводу на 18,7 %, підвищення ККД на 1,7%.

10. Запропоновано заміну серійної обмотки двигуна серії 2ДАВ 71-2 (P2н = 370 Вт) на обмотку із застосуванням частково-несиметричних модулів, що забезпечує економію обмоткового проводу на 6,3 % і підвищення ККД на 7,6 %.

11. Спроектовані й виготовлені два спеціалізованих лабораторних стенди по випробуванню асинхронних двигунів з універсальною обмоткою статора, що застосовуються в учбовому процесі підготовки інженерів-електромеханіків. Розроблено методичні вказівки до лабораторних робіт по дослідженню нетрадиційних обмоток електричних машин спеціального призначення.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Дёгтев В. Г. Модификации трехзонных обмоток / В. Г. Дёгтев, С. Б. Смирнов // Електромашинобуд. та електрообладн. наук. техн. зб. - 2000. - № 54. - С. 68-70.

2. Дёгтев В. Г. Синтез однослойных обмоток с четными знаменателями дробности / В. Г. Дёгтев, И. С. Лаврук, С. Б. Смирнов // Вестник ХГПУ. - 2000. - № 77. - С. 66-68.

3. Дёгтев В. Г. Структурный синтез обмоток / В. Г. Дёгтев, И. С. Лаврук, С. Б. Смирнов // Вісник НТУ “ХПІ”. - 2001. - № 16. - С. 65-68.

4. Дёгтев В. Г. Особенности несимметричных двухфазных обмоток / В. Г. Дёгтев, С. Б. Смирнов // Електромашинобуд. та електрообладн. наук. техн. зб. - 2001. - № 56. - С. 66-70.

5. Дёгтев В. Г. Стратегия структурного синтеза обмоток / В. Г. Дёгтев, С. Б. Смирнов // Вісник СНУ. - 2002. - № 4 (50) . - С. 85-88.

6. Дёгтев В. Г. Активизация процесса изучения теории многофазных обмоток / В. Г. Дёгтев, С. Б. Смирнов, О. Б. Бабийчук // Вестник ХГТУ. - 2002. - № (14). - С. 334-337.

7. Дёгтев В. Г. Расчёт коэффициентов распределения двухфазных обмоток / В. Г. Дёгтев, С. Б. Смирнов // Труды ОПУ. - 2002. - вып. 1(17). - С. 95-97.

8. Дёгтев В. Г. Двухфазные полюсопереключаемые обмотки / В. Г. Дёгтев, С. Б. Смирнов // Труды ОПУ. - 2003. - вып. 1(19). - С. 89-92.

9. Билоненко Н. И. Модернизация асинхронных конденсаторных двигателей / Н. И. Билоненко, С. Б. Смирнов // Електромашинобуд. та електрообладн. наук. техн. зб. - 2003. - № 60. - С. 33-34.

10. Дёгтев В. Г. Обобщенная структурная модель обмоток электрических машин переменного тока / В. Г. Дёгтев, Д. Н. Шульгин, Г. А. Самойлов, С. Б. Смирнов // Труды V МКЭЭЭ-2003 (ICEEE-2003), Часть І. - С. 465-466.

11. Смирнов С. Б. Гармонический анализ двухфазных обмоток с применением ЭВМ / С. Б. Смирнов // Вісник НУ “Львівська політехніка”. - 2003. - № 485. - С. 126-131.

12. Беликова Л. Я. Влияние ёмкости конденсатора на пусковые и рабочие свойства АКД / Л. Я. Беликова, С. Б. Смирнов // Електротехніка і електромеханіка. - 2004. - № 1. - С. 8-11.

13. Беликова Л. Я. Улучшение технико-экономических показателей асинхронного конденсаторного двигателя серии ЭАО-18-2 / Л. Я. Беликова, С. Б. Смирнов // Труды ОПУ. - 2004. - вып. 1(21). - С. 75-78.

14. Дёгтев В. Г. Двухфазные обмотки с применением инвариантного блока / В. Г. Дёгтев, С. Б. Смирнов // Зб.наук. праць. - Миколаїв: НУК. - 2004. - № 3 (396). - С. 122-126.

15. Дёгтев В. Г. Структура множества двухфазных однокоординатных обмоток / В. Г. Дёгтев, С. Б. Смирнов // Електромашинобуд. та електрообладн. наук. техн. зб. - 2004. - № 62. - С. 133-136.

16. Омельченко Ю. М. Экспериментальные исследования нетрадиционных многофазных обмоток / Ю. М. Омельченко, С. Б. Смирнов // Сборник научных трудов Межд. науч.-техн.конф. “Энергоэффективность - 2004”. - 2004. - С. 266-271.

17. Смирнов С. Б. Направленный синтез двухфазных обмоток / С. Б. Смирнов // Електромашинобуд. та електрообладн. наук. техн. зб. - 2004. - № 63. - С. 87-93.

18. Смирнов С. Б. Нетрадиционные двухфазные обмотки с подобием гармонических спектров / С. Б. Смирнов // Електромашинобуд. та електрообладн. наук. техн. зб. - 2005. - № 64. - С. 80-82.

19. Дёгтев В. Г. Гомологические ряды симметричных двухфазных обмоток / В. Г. Дёгтев, С. Б. Смирнов, А. В. Бабушанов // Електромашинобуд. та електрообладн. наук. техн. зб. - 2006. - № 67. - С. 98-104.

Смирнов С. Б. Структурный синтез двухфазных обмоток асинхронных двигателей. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 - Электрические машины и аппараты. Одесский Национальный политехнический университет, Одесса, 2008.

Диссертация посвящена разработке методик синтеза двухфазных обмоток с улучшенными свойствами на основе обобщенной структурной модели и модульного представления обмоток для обеспечения проектирования новых модификаций двухфазных обмоток асинхронных двигателей с улучшенными технико-экономическими показателями. Состояние теории двухфазных обмоток электрических машин переменного тока не соответствует современному уровню требований электромашиностроения, которые нуждаются в высокоэффективных методах проектирования обмоток для электрических машин специального назначения. Подобные методы могут быть созданы только на основе обобщённых матричных моделей обмоток, учитывающих особенности структуры их полного множества.

Изложены основные положения модульного представления двухфазных обмоток и проведен детальный анализ электромагнитных свойств элементарных обмоток-модулей. Для повышения эффективности исследования разработан алгоритм и отлажена подсистема автоматизированного гармонического анализа произвольных двухфазных обмоток GarAn-2, проведены детальные исследования гармонических спектров двухфазных обмоток, позволившие установить фундаментальное свойство гомологического подобия характеризующих эти спектры коэффициентов распределения. Предложен алгоритм формирования гомологических рядов многополюсных симметричных двухфазных обмоток, базирующихся на произвольных двухполюсных основаниях. Установлено отношение гомологичности, связывающее значения коэффициентов распределения многополюсных обмоток с аналогичными значениями обмотки-основания, что позволило упростить выполнение гармонического анализа многополюсных обмоток. С применением обобщенной структурной модели и свойства гомологичности выполнена научно обоснованная систематизация полного множества двухфазных обмоток и предложена их классификация по уровню симметрии на симметричные, слабо-несимметричные, частично-несимметричные и несимметричные.

Разработанная структурная модель полного множества двухфазных обмоток позволяет ограничить область исследования и определить эффективные стратегии проектирования двухфазных обмоток в зависимости от заданной системы ограничений. Разработаны две методики направленного синтеза двухфазных обмоток, позволившие формировать обмотки с максимальным либо заданным уровнем потокосцепления по рабочей гармонике в конкретном числе пазов.

Предложенная методика структурного синтеза двухфазных обмоток заключается в формировании обмоточных структур с заданным числом полюсов, независимо от числа пазов, в которых они выполняются. Любая из структурных моделей определяет зависимость электромагнитных свойств отображаемых обмоток соответствующей модификации от соотношения структурных параметров. Это дает возможность получения аналитических выражений расчёта коэффициентов распределения по гармоникам произвольных порядков, что обеспечивает эффективное применение указанного вида синтеза двухфазных обмоток при серийном проектировании электрических машин.

Сформирована структурная модель модификации двухфазных полюсопереключаемых обмоток с соотношением чисел пар полюсов 1:2, характеризующихся полной симметрией на каждом из чисел полюсов.

Разработана и протестирована расчётно-оптимизационная программа “РОАКД”, позволяющая выполнять инженерное проектирование асинхронных конденсаторных двигателей и оптимизацию их обмоточных данных. Приведены примеры, доказывающие, что замена серийных двухфазных обмоток асинхронных конденсаторных двигателей обмотками, синтезированными в диссертации, обеспечивают экономию активных материалов и улучшение технико-экономических показателей. Предлагаемые двухфазные обмотки могут изготавливаться и укладываться в пазы с применением стандартной технологии и оборудования.

Ключевые слова: двухфазная обмотка, матричная модель, асинхронный конденсаторный двигатель, гармонический анализ, структурный синтез.

Смірнов С.Б. Структурний синтез двофазних обмоток асинхронних двигунів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 - Електричні машини та апарати. Одеський Національний політехнічний університет, Одеса, 2008.

Дисертація присвячена розробці методик синтезу двофазних обмоток з поліпшеними властивостями на основі їх структурного моделювання та створення нових модифікацій двофазних обмоток асинхронних двигунів. Стан теорії двофазних обмоток електричних машин змінного струму не відповідає сучасному рівню вимог електромашинобудування, які потребують високоефективних методів проектування обмоток для електричних машин спеціального призначення. Подібні методи можуть бути створені тільки на основі узагальнених матричних моделей обмоток, що враховують особливості структури їх повної множини.

Викладено основні положення модульного представлення двофазних обмоток і проведений детальний аналіз властивостей блоків. За допомогою підсистеми автоматизованого гармонійного аналізу довільних двофазних обмоток GarAn-2, проведені детальні дослідження гармонійних спектрів двофазних обмоток, що дозволили встановити фундаментальну властивість гомологічної подібності. Запропоновано алгоритм формування рядів багатополюсних симетричних двофазних обмоток, який базується на довільних двополюсних основах, а також встановлене відношення гомологічності, що спрощує методику гармонійного аналізу та синтезу таких обмоток.

Розроблено структурну модель повної множини двофазних обмоток, яка дозволяє обмежити область дослідження і визначити ефективні стратегії синтезу. Представлені методики спрямованого синтезу двофазних обмоток, які дозволили формувати обмотки із заданими електромагнітними властивостями. Розроблено методику структурного синтезу, що дозволила сформувати модифікації двофазних обмоток, застосування яких в електричних машинах забезпечує підвищення їх техніко-економічного рівня. Спроектована модифікація двофазних полюсоперемикаємих обмоток із співвідношенням чисел пар полюсів 1:2 з повною симетрією на обох полюсностях.

Розроблено та протестовано розрахунково-оптимізаційну програму “РОАКД”, яка дозволяє виконувати інженерне проектування асинхронних конденсаторних двигунів і оптимізацію їх обмоткових даних. Наведено приклади, які доводять, що заміна серійних обмоток конденсаторних двигунів обмотками, синтезованими в дисертації, забезпечують економію активних матеріалів і поліпшення техніко-економічних показників. Пропоновані обмотки можна виготовляти та укладати в пази із застосуванням стандартної технології і обладнання.

Ключові слова: двофазна обмотка, матрична модель, асинхронний конденсаторний двигун, гармонійний аналіз, структурний синтез.

Smirnov S.B. Structural synthesis of two-phase windings of asynchronous engines. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. by a speciality 05.09.01 - Electric machines and devices. The Odessa National polytechnic university, Odessa, 2008.

The dissertation is devoted to development of techniques of synthesis of two-phase windings with the improved properties on the basis of their structural modelling and creation of new modifications of two-phase windings of asynchronous engines. The condition of the theory of two-phase windings of electric machines of an alternating current mismatches a modern level of requirements of electromechanical engineering which require highly effective methods designing of windings for electric machines of special appointment. Similar methods can be created only on the basis of the generalized matrix models of the windings considering features of structure of their full set.

Basic positions of modular representation of two-phase windings are stated and the detailed analysis of properties of blocks is lead. By means of a subsystem of the automated harmonious analysis of any two-phase windings GarAn-2, are carried out detailed researches of harmonious spectrum of the two-phase windings, allowed to establish fundamental property homologous similarity. The algorithm series forming of the multipolar symmetric two-phase windings which are based the any bipolar bases is offered and the relation homology, simplifying a technique of the harmonious analysis and synthesis of such windings is established.

The structural model of full set of two-phase windings is developed, allowing to limit area of research and to define effective strategy of synthesis. Techniques of the directed synthesis of two-phase windings, allowed to form a winding with the set electromagnetic properties are presented. The technique of the structural synthesis, allowed to form modifications of two-phase windings which application in electric machines provides increase of their technical and economic level is developed. The modification two-phase pole-changing windings with a relation of numbers poles pairs 1:2 with full symmetry on both polar is designed.

It is developed and tested settlement-optimization the program “ROAKD”, allowing to carry out engineering designing asynchronous condenser engines and their optimization of windings data. The examples proving are resulted, that change of serial windings of condenser engines with the windings synthesized in the dissertation, provide economy of active materials and improvement of technical and economic parameters. Offered windings can be made and keep within slots with application of standard technology and the equipment.

Key words: two-phase winding, matrix model, the asynchronous condenser engine, the harmonious analysis, structural synthesis.

Размещено на Allbest.ru