Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ опыта технической эксплуатации электрооборудования ... 11
1.1 Общие сведения... 11
1.2 Анализ опыта эксплуатации судовых электрических машин . 14
1.3 Выводы 19
2 Обзор и анализ технологических процессов и средств повышения качества изоляции электрических машин 20
2.1 Обзор известных технологических процессов и средств повышения качества изоляции электрических машин .20
2.1.1 Общие положения... 20
2.1.2 Конвекционные технологические процессы.. 25
2.1.3 Токовые технологические процессы повышения качества изоляций электрических машин ... 26
2.1.4 Индукционные технологические процессы улучшения характеристик изоляций электромеханических преобразователей 30
2.1.5 Другие технологические процессы повышения качества изоляции электрических машин... 32
2.2 Исследование технологических процессов повышения характеристик изоляции электрических машин, наиболее приемлемых для судовых условий.. 35
2.2.1 Общие вопросы 36
2.2.2 Исследования и оценка тепловых потерь в неоднородных (совмещенных) магнитных системах, возникающих при синусоидальных магнитодвижущих силах.. 41
2.3 Выводы 51
3 Исследования процессов повышения качественных характеристик электрических изоляций обмоток судовых электрических машин .. 53
3.1 Постановка задачи 53
3.2 Моделирование массивных станин статоров ЭМ при намагничиваниях индукторами . 55
3.3 Моделирование ферромагнитных сердечников статоров с учетом явлений гистерезисов. 67
3.4 Аналитические исследования комбинированных магнитопроводов ЭМ на основании разработанного математического моделирования 72
3.5 Выводы 78
4 Физическое моделирование индукционных процессов повышения качественных характеристик изоляций обмоток электрических машин 80
4.1 Разработка физической модели для экспериментальных исследований. Общие сведения 80
4.2 Экспериментальная установка для исследований электромагнитных процессов в физических моделях статора электрической машины 81
4.3 Исследования потерь в магнитопроводах электрических машин при физических моделированиях и питании индуктора напряжениями основной частоты
4.3.1 Экспериментальные исследования электромагнитных процессов 88
4.3.2 Экспериментальные исследования потерь в шихтованных магнитопроводах при f = 50 Гц 101
4.3.3 Экспериментальные исследования потерь в сплошных частях магнитопроводов .106
4.4 Исследования потерь в магнитопроводах ЭМ при физических
моделированиях и питании индукторов напряжениями частот,
отличных от основной 111 4.4.1 Экспериментальные исследования потерь в магнитопроводах ЭМ при частоте тока в индукторе f = 150 Гц 111
4.4.2 Экспериментальные исследования потерь в магнитопроводах ЭМ при питании индуктора от источника частотой f = 250 Гц 113
4.5 Выводы 116
5 Сравнительный анализ результатов аналитических и экспериментальных исследований 118
5.1 Результаты моделирований нешихтованной части магнитопроводов. 118
5.2 Сравнительный анализ результатов исследований шихтованной части магнитопроводов 120
5.3 Технологический процесс улучшения качественных характеристик электрических изоляций 126
5.4 Выводы 129
Заключение 131
Список сокращений и условных обозначений 133
Список литературы
- Анализ опыта эксплуатации судовых электрических машин
- Токовые технологические процессы повышения качества изоляций электрических машин
- Моделирование массивных станин статоров ЭМ при намагничиваниях индукторами
- Исследования потерь в магнитопроводах электрических машин при физических моделированиях и питании индуктора напряжениями основной частоты
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Повышение ресурса судового электрооборудования (ЭО) имеет большое значение для эффективной работы судовых энергетических установок и эксплуатации судов в целом. Необходимость решения задач, связанных с повышением ресурсов, отражена в государственной программе «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года», утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 27.12.2010 № 2446-р.
Эксплуатация судового ЭО происходит в условиях, связанных с повышенной влажностью, изменениями температур в широком диапазоне, агрессивностью окружающей среды, повышенной вибрацией и др. Создание необходимых условий для эффективной эксплуатации судов и жизнедеятельности экипажей во многом зависит от надежной работы судовых систем, генерирующих электрическую энергию и потребителей, к основным составным частям которых относятся судовые электрические машины (ЭМ) – генераторы и электродвигатели (ЭД), потребляющие ориентировочно около 75 % от всей электроэнергии (ЭЭ), вырабатываемой в мире. Установленное число ЭМ на одном судне достигает сотни единиц.
В процессе эксплуатации судовых ЭМ, под действием внешних факторов или в результате критических ситуаций ухудшаются, как правило, качественные характеристики их электрической изоляции (ЭИ), что приводит к необходимости принятия эффективных мер к ее восстановлению. Во многих случаях, важным технологическим процессом (ТП) является удаление влаги из изоляционных слоев.
Для судовых ЭМ на стадии потребления «жизненного цикла» выбор варианта удаление влаги определяется техническими возможностями и определенными требованиями к соблюдению ТП. В настоящее время разработаны и широко распространены методики повышения сопротивления ЭИ Rиз в заводских условиях, сопровождающиеся относительно трудоемкими сопутствующими работами. Поскольку ЭМ относятся к основным составным частям судовых электроэнергетических систем, разработанные и реализованные научно-технические мероприятия, направленные на повышение качества их ЭИ в судовых условиях без их демонтажа и бльшей части сопутствующих работ могут оказать существенное влияние на судовую энергетическую эффективность.
Таким образом, решение актуальной задачи улучшения качества ЭИ ЭМ в судовых условиях становится вынужденной необходимостью и оказывает существенное влияние на технико-экономическое развитие морской отрасли.
Анализ выполненных исследований позволяет сделать вывод об ограниченности теоретических исследований и практических разработок по данной тематике.
Степень разработанности темы исследований. Вопросы теории и технические решения, связанные с повышением качества ЭИ ЭО освещены в работах Антонова М. В., Барэмбо К. Н., Ганеева Э. А., Грибанова А. А., Джамо А., Коваленко Д. В., Котрикова К. П., Лебедева П. Д., Приходько В. М., Сюбаева М. А., Хомутова С. О. и др.
Для применения в судовых условиях представляются наиболее приемлемыми конвекционные, токовые, электроосмотические и индукционные ТП повыше-
ния качества ЭИ. В результате сравнительной оценки характеристик определено, что к наиболее целесообразным следует отнести индукционный способ. В общем случае применение индукционного нагрева ферромагнитных изделий исследовано в работах Гемке Р. Т., Кувалдина А. Б., Немкова В. С., Сидоренко В. Д., Слу-хоцкого А. Е., Сологуба Н. П. и др.
Цель и задачи исследований. Цель настоящей диссертационной работы состоит в разработке на основе обобщенного анализа результатов опыта эксплуатации судового ЭО, экспериментальных исследований и сравнительных оценок эффективной методики повышения качества изоляции ЭМ в судовых условиях.
Достижение цели требует решения основных задач, включающих:
– анализ опыта использования технических мероприятий, направленных на улучшения качества изоляции ЭМ с целью выявления вариантов, приемлемых в судовых условиях, исследование структур и алгоритмов работы изделий;
– исследование распределения тепловых потерь в сложных магнитопрово-дах ЭМ с целью оптимизации параметров и улучшения технических характеристик ЭИ в судовых условиях;
– разработку математической модели для аналитических исследований системы «индуктор – статор ЭМ» (И–СЭМ), обусловленных технической реализацией предложенных мероприятий, направленных на повышение сопротивления ЭИ ЭМ;
– физическую реализацию исследований ТП повышения качества ЭИ ЭМ;
– сравнительный анализ аналитических и экспериментальных исследований с целью проверки достоверности математического моделирования.
Научная новизна состоит в следующих положениях:
– обоснована целесообразность применения индукционного ТП повышения ЭИ ЭМ, основанного на использовании для питания индуктора регулируемого источника несинусоидального напряжения;
– разработана математическая модель, позволяющая оценивать потери, возникающие в элементах магнитопроводов;
– разработана методика и алгоритмы, позволяющие на основе разработанных и изготовленных устройств обеспечивать приемлемый ТП улучшения качества ЭИ обмоток ЭМ.
К практической значимости работы относятся:
– результаты исследований распределений потерь в сложной магнитной системе позволяющие выбирать более эффективные способы установки индуктора;
– схема замещения и компьютерная модель системы И–СЭМ, учитывающие явления гистерезиса на основной гармонической составляющей и явления вихревых токов на основной и высших гармониках, позволяющие прогнозировать мощность потерь в элементах статора;
– разработанное устройство, позволяющее обеспечивать адекватный ТП улучшения качества изоляции ЭМ.
Методология и методы научного исследования. Работа выполнена с применением математических методов анализа, обработки результатов, математического и компьютерного моделирования, физического моделирования, лабораторных исследований. Теоретической и методологической базой диссертационной работы являются законы и методы физики, теоретической электротехники и ЭМ.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту. К основным положениям и результатам работы, выносимым на защиту, относятся:
– концепция повышения эффективности средств улучшения характеристик ЭИ судового ЭО, основанная на результатах анализа сравнительных оценок статистических исследований опыта эксплуатации, теоретических разработок и технических реализаций, аналитических и экспериментальных исследованиях;
– обоснование метода, основанное на использовании в качестве источника питания индуктора при индукционном ТП повышения изоляции ЭМ регулируемого источника несинусоидального напряжения;
– математическая модель, позволяющая оценивать потери, возникающие в элементах магнитопроводов;
– методика, включающая алгоритм, реализующий индукционный ТП улучшения качества изоляции обмоток ЭМ.
Степень достоверности и апробация результатов научных исследований
подтверждена полученными результатами аналитических исследований и физического моделирования, сравнительным анализом, наличием свидетельства и патента на полезную модель. Внедрение результатов подтверждено актами.
Основные результаты диссертационного исследования были представлены и обсуждались на XXIX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции (НТК) Тихоокеанского высшего военно-морского училища (ТОВВМУ) им. С. О. Макарова, Владивосток, 1996 г.; НТК «Морское образование на Дальнем Востоке. Современное состояние и перспективы развития», Владивосток, 1996 г.; межвузовской НТК «Проблемы развития морского транспорта на Дальнем Востоке», Владивосток, 1997 г.; ХХХ Всероссийской межвузовской НТК ТОВВМУ им. С. О. Макарова, Владивосток, 1997 г.; НТК «Вологдинские чтения», Владивосток, 2000 г.; НТК «Вологдинские чтения», Владивосток, 2009 г.; юбилейной десятой международной НТК «Проблемы транспорта Дальнего Востока», Владивосток, 2013 г.
Отдельные результаты исследований внедрены в ТП повышения качества ЭИ ЭМ на судоремонтных предприятиях Дальневосточного региона, используются в учебном процессе в Морском государственном университете (МГУ) им. адм. Г. И. Невельского.
Работа в полном объеме докладывалась на кафедрах «Теоретические основы электротехники» и «Электрооборудование и автоматика судов» МГУ им. адм. Г. И. Невельского.
Основное содержание работы отражено в 28 основных публикациях (монографии, научных статьях, свидетельстве и патенте на полезную модель, докладах на конференциях), включая пять статей в рецензируемых научных журналах перечня высшей аттестационной комиссии (ВАК).
В работах 1, 5, 12, 15, 16 списка публикаций соискателю принадлежит постановка задачи и теоретическая часть. Обработка результатов выполнена совместно с соавторами. В 8, 9, 13, 22, 24, 26 списка соискателю принадлежит теоретическая часть. Постановка задачи и обработка результатов выполнены совместно с соавторами. В работах 2, 6, 7, 10, 11, 14, 17, 19, 20 постановка задачи, теоретическая часть и обработка результатов выполнены совместно с соавторами.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из списка сокращений и условных обозначений, введения, пяти глав, заключения, библиогра-
фического списка, включающего 136 наименования. Работа изложена на 159 страницах машинописного текста, содержит 82 рисунка и 14 таблиц.
Анализ опыта эксплуатации судовых электрических машин
Эксплуатация судового ЭО, включая ЭМ, происходит в условиях, определяемых местом нахождения судов и особенностями, связанными с их назначением, местом установки и выполняемыми функциями. Транспортные, промысловые и др. суда в процессе работы переходят из одной климатической зоны в другую. В северных районах суда функционируют обычно в летние периоды, когда климатические условия незначительно отличаются от условий осенне-зимнего периода в умеренных широтах. Анализ опыта ТЭ судового ЭО показывает, что состояние ЭИ, которая оказывает непосредственное влияние на надежность ЭМ, при низких температурах изменяется незначительно. Наиболее сильное воздействие на ТС ЭИ оказывают условия тропического климата, поэтому фактор эксплуатации судов в тропиках необходимо учитывать особо.
Воздействие морского тропического климата приводит к распаду многих органических соединений. При этом снижается объемное и поверхностное сопротивление изоляционных материалов, растет угол диэлектрических потерь, повышается диэлектрическая проницаемость, снижается электрическая прочность и возрастает напряженность электрического поля в менее увлажненных участках. На поверхностях палубного ЭО собирается влага, которая за сравнительно короткие промежутки времени превращается в электролит, что приводит к поверхностному разряду и появлению токопроводящих дорожек на поверхности изоляции. Кроме того, повышенная влажность способствует появлению плесени, разъедающей участки поверхности проводящих и изоляционных материалов. Наибольшее отрицательное влияние на качество изоляции оказывает комбинация повышенной температуры и высокой влажности. Изменения температурных режимов и повышенная влажность являются факторами, способствующими ускоренному старению и разрушению ЭИ, и относятся к основным причинам отказов ЭМ [12, 15].
По данным, приведенным в [12], ориентировочная интенсивность отказов ЭМ зависит от климатических условий (времени года) следующим образом: до 31 % – весной; около 27 % – осенью; до 25 % – летом; около 17 % – зимой. На качество ЭИ обмоток ЭМ оказывает влияние и интенсивность работы в течение суток. Коэффициент корреляции между временем безотказной работы ЭМ и временем работы в течение суток составляет 0,5 0,08. Кроме того, при длительном промежутке времени нахождения ЭМ в нерабочем состоянии, на ЭИ их обмоток, часто появляется роса, которая проникает в микротрещины, снижая качество изоляции и сокращая время безотказной работы ЭМ.
К факторам, снижающим качественные характеристики ЭИ судового ЭО машинных, котельных и др. помещений, относится повышенная концентрация производных нефтесодержащих продуктов.
На процесс постепенного разрушения изоляции оказывают влияние повышенные механические нагрузки при переходных процессах, вибрация, перегрузки по току, перенапряжения и пр. Участки с пониженной электрической прочностью могут появляться в результате неоднородности, например в зонах изгиба стержней обмотки ЭМ.
Понижение электрической прочности изоляции может быть вызвано повреждениями при предыдущем ремонте и развиваться в процессе эксплуатации. При укладке стержней в пазы статора ЭМ с большим зазором возникает возможность их перемещения, что может привести к повреждениям ЭИ. Кроме того, при попадании на поверхность ЭИ ферромагнитных частиц возникает их вибрация в магнитном поле работающих ЭМ, что приводит к постепенному разрушению изоляции. В процессе эксплуатации ЭМ с компаундированной ЭИ последняя может увеличиваться в размерах (разбухать). При этом происходит ее выпучивание и расслоение. Необходимо отметить, что состояние ЭИ так же ухудшается в периоды ремонтов, когда ЭМ выведены из эксплуатации на длительное время и определенное время частично разобраны. При сопротивлении изоляции Rиз, соответствующей минимально допустимым пределам, качественные характеристики ЭИ существенно улучшаются по истечении небольшого периода времени после ввода ЭМ в эксплуатацию. Исключение составляют случаи механических повреждений изоляционных слоев.
Эти выводы подтверждаются анализом отказов судового ЭО при выполнении ремонтных работ судоремонтным предприятием «Дальремсервис-плюс» с непосредственным участием автора с 1999 г. по 2008 г. Основными видами деятельности предприятия являлись диагностика, техническое обслуживание и ремонт судового ЭО и оборудования автоматизации. За этот временнй интервал выполнена оценка ТС изоляции более 900 ЭМ судов различного назначения преимущественно Дальневосточного бассейна. Качественные характеристики ЭИ оценивались различными техническими средствами, включая устройства «ДИП-СЭЛ», сертифицированные и одобренные Российским морским регистром судоходства (Регистром) и Российским речным регистром. Функциональные особенности указанных устройств позволяют оценивать старение, механические повреждения и увлажнение ЭИ, а также короткие замыкания обмоток на корпус. Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что в большинстве случаев (ориентировочно до 85 %) отклонения сопротивления Rиз ЭИ от норм связано с увлажнением обмоток ЭМ и кабельных трасс ЭО. Наблюдается увеличение количества ЭМ (примерно на 30 %) с повышенным увлажнением изоляции в осенне-весенний период, когда влажность окружающей среды более высокая.
Токовые технологические процессы повышения качества изоляций электрических машин
На начальных этапах ТП происходит нагревание поверхностных слоев изоляций, и влага перемещается внутрь изоляций. Процессы удаления влаги из ЭИ начинаются при условиях превышения температур внутренних частей ЭМ наружных. При невыполнении данных условий происходят эффекты «запариваний» изоляций, и их качество ухудшается.
Необходимо отметить, что в случаях использования внешних нагревателей есть опасность местных перегревов деталей обмоток. Кроме того, равномерные нагревы ЭМ, имеющих высокие массо-размерные показатели, практически невозможны из-за сложностей нагревов активных сталей. КПД таких ТП составляет около 20 % [7].
Конвенционные ТП используется, как правило, для повышения изоляций ЭМ в цеховых условиях и в совокупности с применениями вакуумных установок. Использования их для сушки ЭИ машин в судовых условиях низко эффективны, а для крупногабаритных ЭМ не представляются возможными.
Для реализации токовых ТП необходимо иметь источники питания с регулируемым напряжением, обеспечивающие необходимые величины токов в обмотках. Такие ТП более эффективны, так как при нагреве изоляции обмоток ЭМ в этих случаях источниками тепла являются токопроводящие жилы, и имеющаяся влага перемещается к поверхности. В качестве источников питания возможно использование штатных устройств, в частности, сварочных генераторов постоянного тока или сварочных трансформаторов. В настоящее время существуют малогабаритные компактные устройства электропитания [34]. Для ограничений токов используются специальные схемы, например схемы подключения обмоток с конденсаторами [7], это позволяет повысить КПД. Особенностью таких схем является необходимость корректных подборов токоограничивающих конденсаторов в каждом отдельном случае, что затруднено в судовых условиях из-за ограниченности количества или полного отсутствия конденсаторов требуемых номиналов на судах. Основным недостатком токовых ТП является то, что в процессе улучшения качества изоляций посредством сушки достаточно сложно получить распределенные источники тепла для всего объема изоляций, что может привести к местным перегревам, которые не представляется возможным контролировать по усредненным температурам, и отрицательным последствиям, в частности, к возникновению термомеханических деформаций в различных зонах ЭИ. При интенсивных нагревах слоев изоляций, более близких к проводникам, затруднительно обеспечить равномерную сушку изоляции в режимах, соответствующих ТП, особенно внутри паза. Кроме этого, токовые ТП запрещено применять при сильном увлажнении изоляций (при Rиз 0,1 МОм), например, после заливания ЭМ водой.
Повышение качества изоляции индукционными ТП предполагает наложение различными способами индукторов на ЭМ, в частности на статоры [7, 46, 52], которые конструктивно состоят во многих случаях из двух основных частей: сердечников и станин.
Сердечники статоров, в пазы которых укладываются обмотки, изготавливаются, как правило, из магнитомягких электротехнических сталей. С целью уменьшения тепловых потерь в сталях сердечники изготавливаются шихтованными. Толщины пластин зависят от частот f питающих напряжений и обеспечивают минимизации потерь на этих частотах, в частности при f = 50 Гц.
Станины статоров ЭМ изготавливаются из различных конструкционных сталей, которые так же обладают магнитными свойствами [53…56], которые в сравнении с электротехническими сталями ниже. В частности, максимальная магнитная проницаемость max сталей станин статоров до 8 раз меньше, чем сталей сердечников ЭМ [57…61 и др.]. Индукторы устанавливаются, например, таким образом, чтобы одновременно охватить шихтованные сердечники и сплошные станины. В частности, в конструкциях статоров ЭМ средней мощности и крупногабаритных между станинами и шихтованными сердечниками имеются, как правило, вентиляционные окна и индукторы можно расположить только на сердечнике. При этом магнитные цепи, по которым будут замыкаться общие магнитные потоки, так же включают участки, состоящие из сплошной стали, что приводит к возникновению в конструктивных элементах статоров дополнительных тепловых потерь от действия вихревых токов и явления гистерезиса, и как следствие, их нагреву. Такие источники тепла вследствие высокой теплопроводности и массы являются фактически распределенными и при нагревании активной стали влага, содержащаяся в слоях пазовой изоляции, перемещается из глубины паза к поверхности. Нагрев всей поверхности статоров ЭМ осуществляется практически равномерно. Следовательно, процессы сушки ЭИ всех частей обмоток статора будут проходить, по сравнению с другими ТП, более равномерно.
Число витков индукторов рассчитывается по известным методикам [7, 50] и зависит непосредственно от напряжений источников, которыми могут быть судовые электрические сети. Индукционные ТП дают возможность улучшать качество ЭИ как у частично разобранных ЭМ, так и в их собранном виде. Эффективность таких ТП более очевидна при сушке ЭМ, имеющих высокие массо-размерные показатели, так как в этих случаях не возникает дополнительных трудностей при установках индукторов. К недостаткам данных ТП следует отнести относительные сложности установки индукторов и регулирования процесса нагрева при неизменном напряжении питающей сети.
Моделирование массивных станин статоров ЭМ при намагничиваниях индукторами
С целью уменьшения потерь на нагревы, большинство сердечников статоров ЭМ переменного тока выполняются наборными из тонких изолированных листов электротехнических сталей, толщина шихтовки которых рассчитана на действие переменных магнитных полей частотой f = 50 Гц и составляет (0,35…0,50) мм. При наличии в кривых МДС гармоник частотами выше номинальных, потери в магнитопроводах сердечников увеличиваются, поскольку с повышением частот уменьшаются глубины проникновения переменных магнитных полей и листы сталей не промагничиваются. В них возникают дополнительные вихревые токи, появление которых ведет к росту потерь.
Увеличение частот приводит к перераспределению потерь на вихревые токи и гистерезисы в сердечниках. Воздействия вихревых токов возрастают, а потери, связанные с гистерезисами, уменьшаются.
При моделировании электромагнитных процессов в шихтованных сердечниках необходимо учитывать потери на вихревые токи и гистерезис, их распределения и нелинейности характеристик намагничивания.
На рисунке 3.7 представлена схема замещения катушек с шихтованными сердечниками, необходимая для аналитических исследований в пределах постав ленных задач.
На рисунке 3.7 Rвт – сопротивления, учитывающее действие вихревых токов в шихтованных сердечниках магнитопроводов ЭМ; Lг – нелинейные индуктивно 68 сти; Іг - намагничивающие токи с учетом гистерезисов; Г - нелинейный элемент, учитывающий влияния гистерезисов. Моделирования потерь на вихревые токи аналогичны моделированиям потерь для сплошных станин.
Для учета влияния на тепловые потери гистерезисов, на рисунке 3.7 представлен нелинейный элемент Г. При анализе схем замещения, содержащих элементы, учитывающие гистерезисы, представляется целесообразным использование известных способов описания этих явлений. При разработке и построении моделей к основным критериям следует отнести достаточную сходимость с реальными исследуемыми явлениями и относительную простоту математического описания процессов, происходящих при магнитных гистерезисах. Способы моделирования магнитных гистерезисов с различной степенью детализации рассмотрены в ряде источниках, например в [66].
При аналитических исследованиях слабых магнитных полей широко используется формула, приведенная в [53]: M = xHH + bRH2, (3.35) где М - намагниченность ферромагнитного материала; %н - начальная магнитная восприимчивость; Н - напряженность магнитного поля; bR - коэффициент Релея. Для исследования процессов с насыщения возможно использование формулы Фрелиха [113]: M=M s L (3.36) a s+H где Ms - намагниченность насыщения; as - постоянная описываемого материала.
Если в исходных данных при поставке задач определены рабочие участки, для описания кривых этих участков могут быть использованы следующие методы: наименьших квадратов; кусочно-линейной аппроксимации; гиперболической аппроксимации; аппроксимации с использованием арктангенсов; экспоненциальной аппроксимации; логарифмической аппроксимации; аппроксимации степенными полиномами аппроксимации гиперболическими синусами; аппроксимации гиперболическими тангенсами; аппроксимации методами сплайнов; аппроксимации с помощью рациональных функций и др.
Из программного обеспечения необходимо отметить программы схемотехнического анализа. Например в программах MICROCAP используются модели Джилса-Атертона [114], основанные на использовании безгистерезисных кривых намагничивания MА(H), построенных на основе гиперболического котангенса: А H HE (3.37) cth MA(H)=M, V Vу1/ 11E J где HE=H + ALPHAxMA. (3.38) При моделировании таким способом на каждом шаге интегрирования дифференциального уравнения перемагничивания решается нелинейное алгебраическое уравнение: d№ V(1+c) 8+1 хж (я)]. (339)
В формулах (3.37)…(3.39) Я- напряженности магнитных полей в сердечниках; MS - намагниченности насыщений; НЕ - эффективные напряженности магнитных полей в сердечниках; А - параметры форм безгистерезисных кривых намагничиваний; ALPHA - параметр эффективности полей; - постоянные необратимых деформаций доменных границ; С - постоянные упругой деформации доменных границ; - знаки изменений напряженностей магнитных полей Я. В программах MICROCAP-8, DESIGNLAB и ORCAD безгистерезисные кривые вычисляются с использованием стандартных функций МА(Н) = ф . (3.40) АУ \Н\ + А При моделировании с использованием функций (3.40) не учитываются изменения параметров магнитных сердечников в зависимости от частот. В реальных ферромагнитных материалах формы петель гистерезисов изменяются с изменением частот перемагничивающих сигналов, что проявляется в нелинейных изменениях потерь в сердечниках магнитопроводов. Параметры моделей имеют сложные и не всегда очевидные связи с параметрами реальных магнитных материалов, отраженных в справочных материалах, что может привести к неудовлетворительным сходимостям результатов исследований.
Более точными и удобными представляются варианты исследований, предложенные Дж. Чаном и др., в которых гистерезисные модели учитывают только основные и вполне понятные параметры петель магнитных гистерезисов, включающие индукции насыщения Bs, остаточные индукции Вг и коэрцитивные силы Яс [115, 116, 117].
Петли магнитных гистерезисов образуются при циклических изменениях напряженностей Я внешних полей. После ряда одинаковых циклов изменений полей, изменения индукций В образуют замкнутые предельные петли гистерезисов при условиях стремления максимальных напряженностей Нт магнитных полей в сердечниках к напряженностям насыщений Hs. Восходящие и нисходящие участки предельных петель гистерезисов моделируются при помощи следующего выражения: B±(H) = Bsx с- + ы0хЯ, (3.41) Я-Я 1 + Ясх \ г / где 0 - магнитная проницаемость вакуума. Знак «+» в выражении (3.41) справедлив для восходящих участков предельных потерь гистерезисов, а «-» - для нисходящих участков. Начальная кривая намагничивания моделируется выражением: в{н)__мт±ші. (3.42) Наряду с параметрами петель гистерезисов, при аналитических исследованиях учитываются линейные размеры магнитопроводов и количество витков намагничивающих обмоток.
Исследования потерь в магнитопроводах электрических машин при физических моделированиях и питании индуктора напряжениями основной частоты
На вольтамперной характеристике (рисунок 4.10) можно условно выделить три характерных участка: 1 - линейный участок АБ, соответствующий начальному режиму намагничивания; 2 - нелинейный участок БГ процесса намагничивания; 3 - линейный участок ГД, соответствующий режиму насыщения магнитной системы.
Точка В на рисунке 4.10 условно определяет колено кривой и соответствует среднеквадратическому значению напряжения (U = 82 В), приложенному к индуктору, при токе в обмотке, равном 0,22 А.
Анализ полученной экспериментально вольтамперной характеристики (рисунок 4.10) позволяет сделать вывод о том, что активная мощность, потребляемая индуктором, в большей степени возрастает при увеличении значений тока / до 0,22 А. При дальнейшем увеличении силы тока возрастание потребляемой индуктором мощности замедляется.
Активная мощность Pw, потребляемая намагничивающей обмоткой, может быть представлена выражением К = обКб + АРст = Роб + АРст , (4.1) где І - ток, протекающий по обмотке индуктора; R - активное сопротивление намагничивающей обмотки; SPcm - потери в стали магнитопровода (п. 4.2); Роб активные потери в проводниках намагничивающей обмотки. По результатам физических моделирований рассчитаны зависимости Po6 = f(lo6), &Pcm=f(lo6) и Pw = f(lo6), построены графики, представленные на рисунке 4.11. - активная мощность Pw, потребляемая намагничивающей обмоткой; 2 - потери АРст в стали (магнитопроводе); 3 - потери Роб в проводниках обмотки
Экспериментальные исследования показали, что увеличение напряжения U до значений, бльших 82 В, приводит к резкому увеличению силы тока в обмотке индуктора, и, как следствие, высока вероятность перегрева проводников. При этом необходимо использовать проводники обмоток с повышенным сечением. В этих случаях мощность, выделяемая в стали магнитопровода, увеличивается незначительно, а монтажные работы при установке индукторов усложняются.
Выявленные закономерности справедливы для семейства электромагнитных систем ЭМ, поэтому при обобщении результатов за рабочую точку принимается точка В (рисунок 4.10), для которой соответствующие напряжение и ток будут равны 1 о. е.
Основной магнитный поток, создаваемый индуктором, замыкается по двум направлениям, первое из которых связано с шихтованным сердечником, изготовленным из электротехнической стали Э 310, а второе - со станиной, изготовленной из конструкционной стали Ст 3 (рисунок 2.8).
На основании выполненных исследований с использованием датчиков магнитной индукции, встроенных в магнитопроводы, установлены закономерности распределений магнитных индукций и магнитных потоков в основных составных частях комбинированных магнитопроводов ЭМ.
На рисунке 4.12 показаны экспериментальные зависимости кривых намагничиваний магнитной системы физической модели магнитопровода (шихтованного сердечника и сплошной станины), рассчитанные и построенные по результатам экспериментов.
Кривая намагничивания В = (Н) шихтованного сердечника, представляющаяся в данных случаях основной, имеет нелинейный характер. Рабочая точка В зависимости 1 (рисунок 10) имеет координаты: магнитная индукция В = 1,37 Тл, соответствующая напряженности Н = 416 А/м. При дальнейшем увеличении напряженности Н магнитная индукция В в сердечнике стремится к режиму насыщения (Внас = 1,75 Тл).
Основная кривая намагничивания В = f(H) сплошного сердечника представляет собой зависимость, которую при принятии известных допущений можно считать линейной. 1 - зависимость для шихтованного сердечника; 2 - зависимость для сплошной станины; В - рабочая точка
В рабочей точке В зависимости 2 (рисунок 4.10) магнитная индукция В = 0,105 Тл при напряженности Я = 416 А/м. При дальнейшем увеличении напряженности Н магнитная индукция В в сплошной части магнитопровода будет возрастать по закону, близкому к линейному.
Тепловые потери, выделяемые в ферромагнитных магнитопроводах, прямо пропорциональны частоте/, амплитуде индукции Вт, и зависят от геометрических характеристик магнитопроводов. При одинаковых частотах, индукциях и соотношении габаритов (Уш/Ус)« 3 (Уш - габариты шихтованной части магнитопровода; Vc - габариты сплошного сердечника), бльшие значения тепловых потерь относятся к шихтованным маг-нитопроводам. Результаты выполненных исследований дают основание сделать вывод о том, что при любых вариантах расположения индукторов основные составные части нагревов относятся к шихтованным сердечникам комбинированных магнитопроводов ЭМ.