Содержание к диссертации
Введение
I. Технико-экономические предпосылки использования энергии зубцовых гармоник магнитного поля для возбуждения синхронных машин 14
1.1 Сравнительный анализ массогабаритных показателей синхронных машин с совмещенными системами возбуждения 15
1.2. Возможность авторегулирования и бесконтактного регулирования возбуждения 26
1.3.Основные принципы проектирования дополнительной обмотки.Анализ схем дополнительной обмотки 33
1,4.Основные задачи теоретических и экспериментальных исследований 44
2. ЭДС и параметры дополнительной обмотки в стационарных режимах работы синхронной машины 47
2.1.Выбор метода исследования 47
2.2. Применение метода проводимостей зубцовых контуров к расчету ЭДС и индуктивных параметров дополнительной обмотки 50
2.3.0собенности расчета ЭДС и параметров катушки дополнительной обмотки методом проводимостей зубцовых контуров 64
2.4.Расчет функции изменения проводимости взаимоиндукции зубцовых контуров 71
2.5.Расчет ЭДС и индуктивных параметров дополнительной обмотки во всех стационарных режимах работы синхронной машины без учета насыщения 90
З. Влияние насыщения на эдс и индуктивные параметры дополнительной обмотки.методйка расчета электромагнитных процессов системы 114
3.1.Учет насыщения магнитопроводов при расчете электрической машины методом проводимостей зубцовых контуров 114
3.2. Влияние насыщения зубцового слоя синхронной машины на ЭДС и индуктивные параметры катушки дополнительной обмотки при их расчете методом проводимостей зубцовых контуров 123
З.З.Расчет тока цепи дополнительной обмотки 141
3.4.Исследование авторегулировочных свойств системы 144
3.6 .Алгоритм и особенности электромагнитного расчета системы 159
4.Экспериментальные исследования 175
4.1.Исследование физических моделей системы, изготовленных на базе асинхронных двигателей АОЛ 21-2 и 4А63-2-2 176
4.2. Исследование макетного образца системы,изготовленного на базе синхронного генератора ЕСС-52 192
4.3.Экспериментальная проверка методики учета насыщения зубцового слоя на ЭДС и параметры дополнительной обмотки 203
Выводы по главе 208
Заключение 210
Список использованных источников 212
- Возможность авторегулирования и бесконтактного регулирования возбуждения
- Применение метода проводимостей зубцовых контуров к расчету ЭДС и индуктивных параметров дополнительной обмотки
- Влияние насыщения зубцового слоя синхронной машины на ЭДС и индуктивные параметры катушки дополнительной обмотки при их расчете методом проводимостей зубцовых контуров
- Исследование макетного образца системы,изготовленного на базе синхронного генератора ЕСС-52
Введение к работе
Актуальность темы
Ускорение научно-технического прогресса и дальнейшее повышение производительности труда неразрывно связано с ростом энерговооруженности народного хозяйства. Практически во всех отраслях народного хозяйства широко применяются автономные системы электропитания и электроприводов .В связи с этим большое значение имеют работы, связанные с разработкой новых и усовершенствованием существующих автономных электромеханических систем (АЭС).
Применение АЭС в различных отраслях народного хозяйства (системах связи, авиации, сельском хозяйстве ,дорожном и гражданском строительстве,в добывающей промышленности, на всевозможных транспортных средствах,в различных промышленных и бытовых установках труднодоступных и развивающихся районах нашей страны) обусловило их бурное развитие,и в первую очередь, развитие синхронных машин (СМ),которые составляют подавляющее большинство генераторов ,применяемых в АЭС,и все возрастающее число синхронных электроприводов.
Анализ работ /1-9/,посвященных исследованию, проектированию и разработке новых синхронных генераторов (СГ) для АЭС, показал,что требования, предъявляемые к ним, многообразны и противоречивы.
Действительно, минимальность массы и габаритов ;высокий уровень энергетических, экономических и эксплуатационных показателей; высокое качество вырабатываемой электроэнергии (синусоидальность выходного напряжения ,кратковременность протекания переходных процессов, минимальные значения всплесков и посадок напряжения при внезапных сбросах и набросах нагрузки); работа при большой не симметрии нагрузки, а также при плавных, внезапных и аварийных изменениях нагрузки; работа при значительных внешних тепловых и механических нагрузках, в различных нейтральных, агрессивных и запыленных средах, при пониженном и повышенном давлении; возможность регулирования в широких пределах величины и частоты выходного напряжения при одновременном быстродействии и высокой точности системы регулирования; прочность конструкции при ее одновременной технологичности,низкий уровень радиопомех и другие невозможно удовлетворить при разработке каждой конкретной машины. Подчас это бывает и нецелесообразно, поскольку для различных групп потребителей одни из вышеперечисленных требований являются первоочередными другие даже не регламентируются.
Все более широкое применение в народном хозяйстве находят синхронные двигатели (СД) средней и большой мощности .Их использование позволяет повысить энергетические показатели систем энергоснабжения .Как и для СГ,требования, предъявляемые к СД,достаточно многообразны /10,11/.
. При всем многообразии предъявляемых к СМ АЭС требований неизменно высокими являются требования по массогабаритным показателям .Большой опыт и достаточная отработанность методик проектирования позволяет получать высокие массогабаритные показатели самой СМ при заданных энергетических и эксплуатационных показателях за счет их оптимального проектирования на базе уточненных методов и методик,а также применения новых материалов и улучшения технологии производства /12-23/.В комплексе задач, связанных с разработкой и созданием высокоэффективных СМ автономной энергетики,определенная роль принадлежит сиситемам воз - 6 буждения /24-35/,
В настоящее время общепромышленные СМ АЭС в подавляющем большинстве выпускаются со следующими системами возбуждения (СВ):
I. Контактная статическая СВ с устройством фазавого компаундирования /26,29,33/,включающая компаундирующий трансформатор тока в сочетании с основной или дополнительной обмоткой (ДО) на статоре (рис.ВЛ(а,б)).
2« Контактная СВ с совмещенным авторегулируемым источником питания обмотки возбуждения (ОВ) /36-38/ (рис.ВД(в)).
3. Бесконтактная СВ с применением приетраеваемого электромашинного возбудителя (рис.В.2(а)).В качестве приетраеваемого электромашинного возбудителя могут быть использованы:синхронные и асинхронные возбудители /39-41/,гармонические и бигармо-нические возбудители /42-44/,каскадные асинхронно-синхронные возбудители /45,46/ и другие.
4. Сравнительно недавно разработана бесконтактная СВ,использующая совмещенную ДО по третьей гармонике магнитного поля на статоре и силовой кольцевой трансформатор совершенной конструкции,являющийся устройством бесконтактной передачи мощности возбуждения на ротор СГ /47/ (рис.В.2(в)),
5. Известна совмещенная бесконтактная СВ /48,49/,использующая энергию обратно-синхронного поля,но применение ее ограничено, поскольку она может функционировать лишь в однофазных и несимметричных режимах работы СМ,
Каждая из перечисленных СВ имеет свои преимущества и недостатки и соответственно нашла применение для различного рода потребителей.
1. Все более широкое использование принципов электрического и магнитного совмещения СВ с самой СМ с целью уменьшения габаритов системы в целом.Действительно,с целью уменьшения габаритов все выпускаемые нашей промышленностью автономные СМ со статической СВ широко используют принципы электрического и магнитного совмещения возбудителя с СМ.Это позволяет уменьшить вес системы за счет экономии конструкционных и активных материалов. В то же время применение новых принципов регулирования возбуждения также способствует уменьшению габаритов и веса системы в целом.Ярким примером тому может служить переход от СВ,использующей энергию основной гармоники поля,построенной по принципу фазового компаундирования,к совмещенной системе авторегулируе-мого возбуждения,использующей энергию третьей гармоники магнитного поля.При этом за счет уменьшения габаритов и веса регулирующей аппаратуры удалось снизить общий вес системы на (10-15)$ /50,51/.
2. Разработка бесконтактных СВ СМ,способных по массогаба-ритным показателям,надежности и простоте эксплуатации конкурировать с существующими контактными СМ.Существует ряд потребителей, предъявляющих как одно из первоочередных требований - бесконтактность конструкции СІ .ЇЇри этом требования по массогаба-ритным показателям системы остаются также одними из основных. Необходимо отметить,что выпускаемые нашей промышленностью бесконтактные СМ по своим массогабаритным показателям значительно уступают существующим статическим СВ СМ контактного исполнения. Объясняется это тем фактом,что большинство бесконтактных СМ выпускаются с пристраеваемыми возбудителями,и хотя регулирующая аппаратура их имеет меньшие габариты и вес,из-за малой мо - 10 щности управления такие системы уступают совмещенным СВ по мас-согабаритным показателям.Наиболее приближающейся по своим мас-согабаритным показателям к статическим СВ является разработанная сравнительно недавно бесконтактная СВ,применяющая статическую совмещенную систему авторегулируемого возбуждения,использующую энергию третьей гармоники поля,и силовой кольцевой трансформатор, служащий устройством бесконтактной передачи мощности возбуждения на ротор СМ /47/.
В связи с этим представляет особый интерес СВ,использующая энергию зубцовых гармоник магнитного поля (ЗГП),обладающая одновременно совмещенностью,бесконтактностью,а при определенных условиях (как это показано в данной работе) - авторегулируемостью.
Перечисленные свойства системы одновременно со все расширяющимся спросом на СГ,для которых первоочередную роль играют простота эксплуатации и уменьшение массогабаритных показателей, и на СД с бесконтактным возбуждением определяют актуальность исследования подобных систем.
Состояние вопроса
Идея использования энергии ЗГП для возбуждения СМ (в частности СД) принадлежит английскому ученому Чалмерсу /52/.Прин-цип действия предложенной СВ заключается в следующем: при перемещении индуктора СМ относительно якоря в проводниках,расположенных на индукторе,наводится ЭДС,обусловленная изменением проводимости воздушного зазора,связанным с зубчатой структурой якоря СМ.Если на индукторе имеется обмотка с шагом,равным нечетному числу половин зубцовых делений якоря,то в ней будет наводится ЭДС частоты .
В /53/ приведены некоторые теоретические и экспериментальные результаты исследования предложенной СВ,по которым можно сделать следующие выводы:
I» При правильном проектировании системы мощность ЗГП достаточна для возбуждения СМ.
2. ЭДС,наводимая в ДО,зависит от угла сдвига оси ДО относительно оси полюса (olje) и режима работы СМ.
3. Сделан общий вывод о возможности применения предложенной СВ для бесконтактного возбуждения СД.
У нас в стране проблемой использования энергии ЗГП для возбуждения СМ успешно занимаются в Уральском политехническом институте /54-56/ и в ПО "Уралэлектротяжмаш" под руководством Пластуна А.Т. в связи с исследованием и разработкой крупных бесконтактных СД для газо- и нефтеперекачивающих станций, а также бесконтактных возбудителей для крупных СМ.Проведенные в указанных работах и в работах,отраженных в отчетах по НИР теоретические и экспериментальные исследования рассматриваемой СВ включают:
1. Экспериментальное исследование на макетных образцах ряда факторов,влияющих на ЭДС,наводимую в ДО (глубину погружения проводников в паз,массивную и шихтованную структуру индуктора, место расположения ДО на полюсе СМ,шага катушки ДО,схемы соединения катушек Д0,режима работы СМ,наличие демпферов),
2. Экспериментальное исследование максимальной мощности ДО в различных режимах работы СМ,а также зависимость мощности ДО от величины и рода приложенной к ней нагрузки,
3. Разработаны рекомендации по размещению ДО на полюсе СМ при наличии на нем демпферной обмотки,а также разработана методика учета влияния демпферной обмотки на ЭДС,наводимую в ДО.
4. Проведены экспериментальные и теоретические исследования работы ДО на выпрямительную нагрузку при различных схемах ДО и различных схемах управляемых и неуправляемых выпрямителей.
По результатам проведенных работ был сделан вывод о возможности и экономической целесообразности использования рассматриваемой системы возбуждения в бесконтактных СД,а также в синхронных компенсаторах.
В целом, анализируя состояние работ связанных с исследованием бесконтактной совмещенной СВ СМ,использующей энергию ЗГП, можно заключить,что подтверждена принципиальная возможность использования энергии ЗГП для возбуждения СМ,в частности СД, исследованы некоторые вопросы,связанные с расчетом и проекти - ІЗ -рованием рассматриваемой СВ,характерные для синхронных двигателей большой и средней мощности.При этом ряд экспериментально полученных результатов не получил достаточно полного теоретического обоснования.В ряде случаев влияние отдельных факторов на ЭДС ДО оценивается интегрально из-за наличия только экспериментальных данных.Практически не исследованы автономные СГ с рассматриваемой СВ.Не в полной мере исследовано влияние геометрических соотношений,характеризующих двухстороннезубчатый воздушный зазор,на ЭДС,наводимую в ДО.Не исследовано влияние формы зубцов якоря и индуктора,а также насыщения зубцо-вого слоя на ЭДС и параметры ДО.
Резюмируя все вышесказанное отметим, что отсутствие детального описания электромагнитных процессов,конкретных рекомендаций к проектированию и расчетных методик исключает возможность реальной оценки конкурентоспособности и экономической оправданности использования рассматриваемой системы.
Цель работы
Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование электромагнитных процессов синхронных машин с бесконтактной совмещенной системой возбуждения, использующей энергию зубцовых гармоник магнитного поля.
Возможность авторегулирования и бесконтактного регулирования возбуждения
Выше было отмечено,что в силу самого принципа действия, позволяющего утилизировать энергию зубцовых гармоник магнитного поля непосредственно на роторе,можно получить бесконтактную СМ,не требующую специального электромеханического устройства бесконтактной передачи энергии.Однако,в силу именно этой особенности наибольшую актуальность получил вопрос авторегулируемости возбуждения такой системы.Действительно,высокие требования,предъявляемые к качеству выходного напряжения автономных СГ,невозможно удовлетворить без наличия регуляторов и корректоров напряжения.Системы же бесконтактного регулирования возбуждения уступают статическим системам регулирования по массогабаритным показателям и надежности.Наличие определенных авторегулировочных свойств позволяет значительно снизить габариты коммутирующей аппаратуры и,в отдельных случаях, даже полностью отказаться от нее.
В данном параграфе рассматриваются основные предпосылки наличия авторегулировочных свойств системы,а также приводятся возможные способы бесконтактного регулирования возбуждения.
Принципиальная схема рассматриваемой системы была приведена на рис.В.З.На рис.1,7 показана предложенная схема замещения цепи ДО,которая включает источник ЭДС 90 и последовательно включенные XL90, Г 0 , Yc и »гДе = Кг Hf , а коэффициент Кг интегрально учитывает как приведение параметров ОБ к цепи переменного тока ДО,так и несинусоидальность ЭДС и тока ДО.Как будет показано далее,в достаточно широких пределах изменения режимов работы СМ и самой ДО коэффициент КЕ меняется в незначительных пределах,и для инженерных расчетов он может быть принят постоянным.В данной постановке Ego, зо и Хс рассчитываются для основной гармоники,частота которой равна f,sf Z./p ta значение коэффициента Пг определяется опытным путем.
Необходимо отметить,что схема замещения,приведенная на рис.1 7,соответствует однофазной ДО.Возможные схемы выполнения ДО и их схемы замещения будут приведены ниже.Все они могут быть сведены к схеме,приведенной на рис.1.7.
Наличие определенных авторегулировочных свойств подразумевает изменение тока возбуждения при изменении нагрузки СМ. При анализе выражения (I.II) можно отметить,что только величины Еэо и XL9o могут в какой-то степени зависить от режима работы СМПредпосылками этому служат следующие обстоятельства.
Как известно,основным условием постоянства выходного напряжения СГ при различной нагрузке является условие постоянства величины результирующего потока машины.Однако,при этом в режиме нагрузки происходит перераспределение магнитного потока СГ в пределах полюсного деления.Если учесть,что полюсное деление катушки ДО значительно меньше полюсного деления СГ и составляет нечетное число половин зубцовых делений якоря,то существует возможность выполнения ее таким образом,чтобы дуга ротора,охваченная ДО,составляла бы только часть от полюсного деления СГ.В этом случае при выполнении общего условия ф = COnSt в различных нагрузочных режимах СМ поток,пронизывающий ДО,будет величиной переменной,зависящей от угла между осью ротора и осью ДО,а также режима работы СМ,характеризующегося углом Ф и током якоря СМ,т.е. %0- f[Ia.fiOSf) #в то же время ЭДС и индуктивное сопротивление ДО являются функциями от потока Тц0 ЛЗ конечном итоге получим:
Как можно заметить,только наличие компенсирующей емкости в цепи ДО позволяет надеяться на то,что при изменении режима работы СМ ток цепи ДО будет меняться нужным образом.Действительно , еели, проектируя СВ, задаться условием Хс = XL9 )M , где XL9OH - индуктивное сопротивление ДО в номинальном режиме, то с уменьшением нагрузки данное условие нарушается и даже при Е 0= const ток цепи ДО уменыпаетея.С другой стороны, на полюсе СМ нельзя выделить участок (во всяком случае при явнополюсной конструкции СМ),на котором поток все время увеличивался бы с увеличением нагрузки СМ.Поэтому наличие ком пенсирущей емкости в цепи ДО является необходимым условием наличия определенных авторегулировочных свойств системы.
Необходимо отметить,что функция зависимости тока ДО от тока якоря является весьма сложной и зависит от целого ряда параметров,степень воздействия которых оценить,даже качественно на основе физических представлений,весьма сложно.Так,возрастание или уменьшение потока 0 при увеличении нагрузки и ее CGS P зависит от угла сдвига оси ДО относительно оси полюса 0(90 ,отношения величины дуги,охваченной ДО,к величине полюсного деления СГ и уровня насыщения магнитной цепи маши-ны.При этом увеличение или уменьшение значений величин Ego и yL90 при увеличении потока 0 в свою очередь зависит от геометрии зубцов статора и ротора,а также от уровня насыщения зубцового слоя машины основным потоком и потоком,созданным током в ДО.
Таким образом,влияние режимов работы СМ на ток в цепи обмотки возбуждения является несомненным фактом.Однако для его правильного расчета,а также проектирования системы,ток возбуждения которой изменялся бы по заданному закону,необходимо провести целый комплекс теоретических и экспериментальных исследований с целью выявления влияния всех вышеперечисленных факторов на ток в цепи ДО.
Целью данной работы не является разработка и исследование схем бесконтактного регулирования возбуждения СМ с совмещенной СВ,использующей энергию зубцовых гармоник магнитного поля.Известен целый ряд работ /26,34/,посвященных разра ботке и исследованию схем бесконтактного регулирования возбуждения.Основным элементом большинства существующих схем бесконтактного регулирования возбуждения СМ являются вращающиеся управляемые выпрямители различного типа.При этом достаточно хорошо изучены режимы работы таких выпрямителей на различного рода нагрузки,а также разработано большое количество схем их бесконтактного управления /72.73/.
Рассмотрим два новых возможных варианта бесконтактного регулирования возбуждения СМ рассматриваемой системы с применением кольцевого трансформатора. На рисЛ.8 приведена принципиальная схема бесконтактного регулирования возбуждения, основным элементом которой является кольцевой трансформатор,последовательно включенный в цепь Для объяснения принципа действия данной системы регулирования рассмотрим два крайних режима работы КТ (кольцевого трансформатора):холостой ход и короткое замыкание. В режиме холостого хода КТ представляет из себя индуктивное сопротивление XLKr .последовательно включенное в цепь ДО.Ток в цепи ДО при этом определяется по выражению
Применение метода проводимостей зубцовых контуров к расчету ЭДС и индуктивных параметров дополнительной обмотки
Более широкими возможностями по одновременному учету двухсторонней зубчатости сердечников,дискретности обмотки,насыщения стальных участков и перемещения статора и ротора друг относительно друга при речете электромеханических процессов в электрических машинах обладает метод проводимостей зубцовых контуров (ПЗК) .Впервые метод был предложен Д.Е.Синельниковым Д03/,а в дальнейшем развит в работах Л.Ф.Коломейцева,Р.В.Ро-тыча и Ф.И.Цибулевского Д04/ применительно к расчету асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.При этом поле воздушного зазора электрической машины представлялось в виде совокупности полей элементарных контуров,охватывающих один зубец и созданных токами,расположенными на дне пазов.Аналогичный подход был сделан Е.Е.Коником /105,106/ к расчету поля двух-стороннезубчатого воздушного зазора,при этом для возможности описания поля с помощью скалярного магнитного потенциала токи пазов эквивалентировались поверхностными токами,равномерно распределенными по стенкам пазов.
Дальнейшее развитие метод ПЗК получил в работах,проводимых под руководством А.В.Иванова-Смоленского Д09-ІІ8/ на кафедре электрических машин МЭИ.В них метод был развит на контура, образованные реальными проводниками,расположенными в со седних пазах,и на основе анализа магнитного поля выявлены их свойства.В работах целого ряда авторов: В.А.Кузнецова,В.А.Хво-стова, Карпова,А.И.Власова,В. Мартннова,Н Р.Хачатряна,В,М. Минасян метод был удачно применен к расчету параметров и характеристик турбо- и гидрогенераторов ДП-ПЗДк расчету линейных двигателей Д15/,к расчету переходных процессов в синхронных машинах Д12,ИЗ/,к расчету добавочных моментов асинхронных двигателей Діб/,к расчету токов в демпферных обмотках явнополюсных синхронных машин и к расчету режима разгона синхронного двигателя ДІ7,ІІ8/,В результате проведенных исследований было разработано обоснование метода для расчета параметров «характеристик и процессов насыщенных и ненасыщенных электрических машин с учетом двухсторонней зубчатости сердечников, дискретности обмоток и перемещения.
Быстрое развитие метода объясняется тем,что обладая высокой точностью расчета,он позволяет значительно сократить расчетное время и может быть использован для непосредственного расчета параметров,характеристик и процессов электрических машин.
Суть метода заключается в следующем:магнитное поле электрической машины представляется в виде суммы полей элементарных контуров;реальная обмотка машины заменяется эквивалентной обмоткой,все секции которой имеют шаг по пазам,равный единице. При этом могут рассматриваться как однослойные,так и многослойные обмотки,соответственно,элементарные контура могут располагаться в один или несколько слоев.В самом общем случае один слой реальной обмотки машины может быть заменен несколькими слоями элементарных контуров,причем элементарные контура могут создаваться как проводниками,по которым протекает ток,так и проводниками,по которым ток не протекает,или,что то же самое, создаваться фиктивными проводниками.Основным условием эквивалентной замены для всех перечисленных случаев является условие равенства действующего значения тока проводников паза, принадлежащих к данному слою одновременно реальной обмотки машины и обмотки,созданной элементарными контурами.
На следующем этапе рассчитываются индуктивные параметры само- и взаимоиндукции всех контуров,по которым в дальнейшем рассчитываются потоки всех зубцовых контуров .И на последнем этапе расчета по значениям потоков элементарных контуров определяются потокосцепления ветвей реальной обмотки машины.
В /112/ разработана матричная форма математической записи метода,позволяющего унифицировать программу расчета электромагнитных процессов электрических машин методом ПЗК.Ниже приводится математическая запись метода применительно к расчету ЭДС и параметров ненасыщенной электрической машины,включающая следующие основные этапы: I Расчет токов зубцовых контуров; 2. Расчет параметров зубцовых контуров; 3. Расчет потоков зубцовых контуров и потокосцеплений ветвей машины; 4. Расчет ЭДС и параметров ветвей машины. Поскольку приведенный ниже алгоритм метода положен в основу программы расчета ЭДС и параметров ДО во всех стационарных режимах работы СГ,математическая запись метода ПЗК,разработанная в /112/,приводится применительно к исследуемой модели СМ с совмещенной СВ,использующей для возбуждения энергию зубцовых гармоник магнитного поля. Исследуемая модель СМ с совмещенной СВ,использующей для возбуждения энергию зубцовых гармоник магнитного поля,включает: 1. Кольцеобразный зубчатый статор,в пазах которого уло жена трехфазная однослойная якорная обмотка с целым числом па зов на полюс и фазу.Зубцы статора равномерно распределены по окружности и зубцовое деление 1г1 для всех зубцов статора есть величина постоянная.Данная конструкция обмотки якоря при нята в связи с тем,что способ выполнения якорной обмотки СГ рассматриваемой системы не оказывает существенного влияния на ЭДС и параметры ДО (как это будет показано ниже),а реализация метода ГОК применительно к данному типу обмотки является наи более простой.Таким образом,число зубцов статора равно где IT1 = 3 - число фаз; О = I - число пар полюсов; = 1;2;3;..... целое число. Число параллельных ветвей В соответствии с допущениями,принятыми в Ді2/,все зуб-цовые контура статора являются "широкими и углубленными в пазы". 2. Круглый зубчатый ротор с числом зубцов Zz образу ется равномерно распределенными по окружности зубцами,с пос тоянным для всех зубцов ротора зубцовым делением 1г2 «На роторе расположена концентрическая обмотка возбуждения (ОБ) с числом пар полюсов р = 1 и числом секций на полюс,равным Qf .При этом число пазов ротора,занятых под ОВ,равно Во всех остальных Zt - Zz пазах ротора могут располагаться катушки ДО, как впрочем, и в пазах, занятых под ОВ .Ранее было отмечено,что основной конструктивной единицей ДО является катушка с шагом по пазам У 0 = »и схема замещения ДО может быть представлена в виде включенных соответствующим образом элементарных источников ЭДС и сопротивлений ZK.0 s Пив+І ков «Таким образом,исследование ЭДС и параметров ДО можно проводить с помощью всего одной катушки,которая в то же самое время представляет из себя глементарннй зубцовый контур. То есть поток любого зубцового контура,расположенного на роторе исследуемой модели,равен потокосцеплению одновитковой катушки ДО.Необходимо отметить,что как и якорная обмотка статора, так и ОВ и ДО являются однослойными,а зубцовые контура - широкими и углубленными в пазы".Число зубцов ротора Zz определяется соотношением
Влияние насыщения зубцового слоя синхронной машины на ЭДС и индуктивные параметры катушки дополнительной обмотки при их расчете методом проводимостей зубцовых контуров
Основным допущением,позволяющим развить метод ПЗК на расчет параметров и процессов насыщенных электрических машин являлось то,что при насыщении поверхности зубцов считаются эк-випотенциалями скалярного магнитного потенциала.Такое допущение было сделано в результате анализа целого ряда работ /80, І2І,І22/,посвящбнннх исследованию влияния насыщения на поле в воздушном зазоре электрической машины.В них отмечалось,что при определенных соотношениях,характеризующих двухстороннезубча тый воздушный зазор,и при определенной конфигурации зубцов, насыщение незначительно влияет на величину коэффициента Kz . В то же время при этом резко меняется гармонический состав поля воздушного зазора.Первый вывод позволяет с высокой точностью учитывать основную составляющую магнитного поля при расчете электрической машины методом ПЗК.Второй же - может служить объяснением увеличения погрешности расчета ЭДС и параметров ДО с учетом насыщения»
В данной работе сделана попытка учесть влияние насыщения зубцового слоя на гармонический состав поля в воздушном зазоре электрической машины при ее расчете методом ПЗК.
На рис.3.3 показано распределение поля в воздушном зазоре при односторонней зубчатости для насыщенного (а) и ненасыщенного (б) зубца прямоугольной формы.Односторонний зазор рассматривается в связи с тем,что анализ поля двухстороннезубчатого воздушного зазора очень затруднен,а свойства зубцового контура Д09/ доказаны для любого зазора.Приведенные кривые распределения поля получены на физической модели,моделирующей зубцовую зону электрической машины /122/.
Поскольку проводимость воздушных участков не зависит от насыщения,то подобное перераспределение индукции может объясняться только изменением характера функции распределения МДС на поверхности зубца.Таким образом,если при ненасыщенном зубце его поверхность является эквипотенциалью для скалярного магнитного потенциала (т.е.функция распределения МДС по поверхности зубца постоянна),то при насыщении эквипотенциаль для скалярного магнитного потенциала не совпадает с поверхностью зубца.Свойства зубцового контура были доказаны для первого случая,следовательно,второй случай необходимо также свести к нему. Можно предложить два способа решения данной задачи: 1, Эквипотенциаль скалярного магнитного потенциала сов мещается с поверхностью зубца,и при этом конфигурация зубца меняется таким образом,чтобы в результате получить заданное распределение индукции в воздушном зазоре.Необходимо отметить, что решение данной задачи гораздо сложнее решения прямой по левой задачи и предполагает многократный расчет поля при по следовательном изменении конфигурации зубца.В то же время по лученная в конечном итоге конфигурация зубца не будет геомет рически подобна реальной его конфигурации,поэтому при даль нейшем численном расчете поля для определения функции AK(me ІФ необходимо будет для каждого насыщения составлять новую математическую модель описания границ зубца. 2. Второй способ более прост и сводится к следующему: Эквипотенциаль скалярного магнитного потенциала совмещается с поверхностью зубца,и далее определяется не точная форма зуб ца, обеспечивающая получение заданной функции распределения индукции в воздушном зазоре,а ее наиболее близкая аппроксима ция, позволяющая на основе приведенной в 2.3. расчетной модели параметров зубцового контура,более точно описать поле в воз душном зазоре при насыщении зубцов,изменением размеров данной модели. Решение задачи в данной постановке можно получить без многократного расчета поля воздушного зазора при последовательном изменении размеров зубцов. По рис.3.3 можно заметить,что при ненасыщенном зубце (рис.3.3 а) индукция воздушного зазора практически по всей длине зубцового наконечника остается постоянной.Обозначив индукцию на участке 2-3 через 0$ можно записать для данного участка следующее выражение прямоугольным распределением индукции,величины которых соответственно равны us и Da Т0 при неизменной величине потока на участке 1-4 для обоих случаев получим величины: (L характеризующую эквивалентное открытие паза при ненасыщенном зубце и оП} - при насыщенном зубце,которые можно определить
Исследование макетного образца системы,изготовленного на базе синхронного генератора ЕСС-52
Данный макетный образец был изготовлен с учетом отдельных рекомендаций,полученных в результате проведенных расчет-но-теоретических исследований и предназначался для исследования более широкого круга вопросов. 1. Исследование зависимости величины и формы кривой ЭДС, а также индуктивных параметров ДО от насыщения в режиме холостого хода СГ. 2. Исследование влияния места расположения ДО на полюсе -в нагрузочных режимах СГ на величину ЭДС,наводимой в ДО. 3. Исследование макетного образца в нагрузочных режимах при самопитании ОБ от ДО. 4. Оценка качества переходных процессов системы при самопитании ОБ от ДО.
Общий вид макетного образца приведен на рис,4.18,а в табл. 4.3 приведены его основные конструктивные и обмоточные данные.
При изготовлении макетного образца активная часть машины была спроектирована и изготовлена с возможным учетом полученных рекомендаций на базе парка штампов ЦОК ВНИИКЭ.На статоре модели уложена распределенная трехфазная якорная обмотка, соединенная в звезду.На роторе - распределенная концентрическая обмотка возбуждения и дополнительная обмотка,состоящая из двух групп катушек,каждая из которых включает по две последовательно соединенные катушки,расположенные на разных полюсах симметрично оси машины (рис.4.19).Угол сдвига осей групп катушек составляет соответственно + 22,5эл и - 22,5эл.
Согласно первому пункту исследований на рис.4.20 приведена расчетная кривая функции вК90 -j(t) ,рассчитанная без учета насыщения магнитопроводов при Fss ІА для следующих геометрических соотношений,характеризующих двухстороннезубчатый воздушный зазор макетного образца: По полученным результатам можно сделать следующие выводы:
Характерной особенностью данной физической модели яв ляется то,что геометрические соотношения,характеризующие ста тор и ротор,обеспечивают прямо пропорциональную зависимость между ЭДС ДО и МДС воздушного зазора.Этот вывод можно сделать, сравнив зависимости С/ с / ЧФШ = J ( / и Ёхуоко/Цо j(lj), ПОЛучеННЫе ПРИ СООТВеТСТВуЮЩеЙ Обработке ФУНКЦИЙ tr j =j(lf) и EK?0-f(If) (рис.4.4). 2. Второй ее характерной особенностью является то,что форма кривой ЭДС практически не зависит от насыщения магнитной системы СГ (рис.4.5 - 4.7). 3. Расчетная кривая с = (рис.4.3) по форме практически совпадает с осцилограммами (рис.4.6,4.7),а погрешность между расчетными и измеренными значениями ЭДС ДО не превышает 15$.Погрешность при этом определяется следующим образом: а) Для расчетной кривой Ц 9о=]и) определяется действующее значение На рис.(4.8,4,9) приведены зависимости ск$о = л1о) и IK90 = j(IQ) ДЛЯ всех катушек физической модели при Со$ Р=1 и I,- 2 A = Const .При получении функций в ка честве нагрузки для катушек ДО использовалась обмотка возбуждения идентичной физической модели. Целью данной серии экспериментов являлось подтверждение влияния режима работы СГ и места расположения ДО на полюсе СГ на величину ЭДС,наводимой в ДО.Для всех катушек величина компенсирующей емкости подбиралась из условия максимума тока цепи ДО в данном режиме работы СГ.При этом величина компенсирующей емкости практически не менялась,из чего можно заключить, что индуктивные параметры ДО в данной физической модели также не зависят от насыщения.На рис.4.4 приведена функция X e =}и$) ,способ получения которой аналогичен описанному в 4.2. Полученная функция не противоречит выводам,сделанным выше. Форма кривой ЭДС в нагрузочных режимах СГ практически не менялась,что также подтверждает выводы,сделанные в 2.5. Поскольку кривые Kjo для соответ ствующих катушек отличаются только масштабами,то можно сделать также вывод,что величина 0 = 0 также остается постоянной при широком изменении величины тока цепи ДО.
