Электрические машины с дискретно-распределенными обмотками тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, доктор технических наук Калужский, Дмитрий Леонидович

• Калужский, Дмитрий Леонидович
• доктор технических наук
• 1999

Оглавление диссертации доктор технических наук Калужский, Дмитрий Леонидович

ВВЕДЕНИЕ ., , ,.

ГЛАВА 1. СХЕМНЫЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРЙЧЕС- 32 КЖ МАШИН С ДИСКРЕТНО-РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ОБМОТКАМИ

1.1 Базовый алгоритм построения схем ДРО. Необходимость 32 рассмотрения альтернативной многофазной системы

1.2 Предварительная оценка эффективности ДРО в сравнении 36 с распределенными обмотками аналогичной полюсности

1.3 Проблема выбора, математической функции, позволяющей 38 адекватно описать пространственный характер МДС

1.4 Примеры применения многофазных ДРО. Преобразования, 41 позволяющие спроектировать гп-фазную обмотку для двигателя, работающего от двух, или трехфазного источника питания '

1.5 Конструктивные особенности индукторных машин с дис- 56 кретно-распределенными обмотками

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ АНАЛИЗА МНОГОФАЗНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

ГЛАВА 3. ПРИМЕНЕНИЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ФУНКЦИЙ РАДЕМАХЕРА 106 ДЛЯ АНАЛИЗА ЗАКОНОВ ИЗМЕНЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ С ДРО

3.1 Классификация законов изменения пространственных МДС, 106 Форма записи МДС с помощью модифицированной функции Радемахера

3.2 Определение собственных индуктивностей электрических 109 машин с ДРО с помощью модифицированных функций Радемахера

3,3 Интегральные выражения, определяющие взаимные индук- 114 тивнооти электрических машин с ДРО различных конструкций

ГЛАВА 4, УРАВНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ АСИНХРОН- 133 НЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ДИСКРЕТНО-РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ОБМОТКАМИ

4.1 Критерии функционирования

4.2 Симметричные преобразования для асинхронных двига- 157 телей о ДРО

4.3 Коэффициент использования активного объема для асин- 170 хронных двигателей с дро различных конструкций

ГЛАВА 5. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ С ДИСКРЕТНО-РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ 176 ОБМОТКАМИ

5.1 Оценка возможности представления магнитных полей и 176 взаимных индуктивностей с помощью о1-функций с модифицированных функций Радемахера

5.2 Взаимные индуктивности и потокооцепления синхрон- 191 ных машин с дискретно-распределенными обмотками

5.3 Уравнения электрического равновесия и момента синх- 198 ронных машин с ДРО

ГЛАВА 6. ИНДУКТОРНЫЕ МАШИНЫ С ДИСКРЕТНО-РАСПРЕДЕЛЕНИИ- £03 МИ ОБМОТКАМИ

6.1 Реактивный двигатель £

6.2 Двигатель с радиальным возбуждением (ДРВ)

6.3 Индукторный двигатель с аксиальным возбуждением

6.4 Коэффициент использования активного объема индук- 223 торных двигателей с ДРО

6.5 Влияние уровня насыщения магнитопровода на соотно

- 4 шение гармоник тока в РД, соотношение ВДС якоря и возбуждения в ДРВ и ИАД

ГЛАВА 7, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ РАБОТЫ

7 Л Испытания асинхронного двигателя АДРО-3-500 7,Е Экспериментальное исследование синхронного двигателя ДП

7.3 Индукторный двигатель реактивного типа ДЭР-7

7.4 Индукторный двигатель с радиальным возбуждением ДЗР-10КФ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электрические машины с дискретно-распределенными обмотками»

Современный уровень автоматизации промышленности предполагает широкое использование нивкоскоростных электроприводов (ЗП). По данным различных источников, например, Ш, уровень использования низкоскоростных систем (10-300 об/мин) в станочном электроприводе превышает 85 %; в области вспомогательного ЭП в электроэнергетике - более 70%; в робототехнике - около 100 % и т.д.

Общеизвестно, проблема построения низкоскоростного высокомо-ментного электропривода имеет, как правило, две составляющие. Одна из них обусловлена необходимостью получить требуемое усилие (момент) на рабочем органе (иногда при ограничении мощности источника питания, габаритов и массы электромеханизма)., другая -обеспечить надежность привода, гарантировать длительный срок его безаварийной работы.

Традиционно получение низких частот вращения осуществлялось за счет применения высокоскоростного исполнительного двигателя и понижающей механической передачи, Такой подход., несмотря на ряд достоинств [23 (большой удельный момент, особенно при использовании волнового или планетарного редуктора, высокие энергетические показатели; КПД и коэффициент мощности), имеет недостатки, существенно ограничивающие качественные характеристики привода. Так, по данным C3J, мгновенная погрешность передаточного отношения прямозубых и червячных передач достигает 30%; ресурс работы волнового редуктора, как правило, не превышает 2000 часов l4j; собственная динамика систем с механическими передачами низкая, поскольку развиваемое ускорение обратно пропорционально передаточному отношению и т.д.

Именно поэтому в качестве альтернативы приводу с редуктором все чаще рассматривается так называемый прямой электропривод, предполагающий обязательный рост удельных показателей исполнительных двигателей.

Действительно, наиболее распространенные асинхронные машины, например серии MPC [5,6,7'], имеют удельный момент (отношение момента на валу к массе электрической машины) на уровне 0,5-0,8 Нм/кг, в то время как редукторы с цилиндрической передачей имеют аналогичный показатель около 10 Нм/кг, планетарный - 20-30 Нм/кг и т.д. Поэтому, для адекватного перехода к прямому приводу требуются двигатели, величина удельного момента в которых по меньшей мере в 7-8 раз выше, чем у выпускаемых в настоящее время Ад. Насколько это реально? В [8], посвященной анализу кризисных явлений в области малых электродвигателей, констатируется:

1. Уже достигнут предельный уровень электромагнитных нагрузок, дальнейшее их повышение возможно только за счет использования специальных технологий и конструкций: устранение пазового клина, переход на текстурованные стали, применение активного распределенного слоя и т.д.

2. Если за период с 1913 по 1983 год масса двигателей при постоянстве мощности снизилась почти в три раза, то в настоящее время массо-габаритные показатели АД стабилизировались и улучшаются не более чем на 0,5%, в год.

3. Существенных изменений энергетических показателей (КГЩ и коэффициент мощности) не предвидится.

4. Для улучшения ситуации необходим "тщательный анализ патентного массива, поиск новых конструктивных решений с обязательной оценкой их технологичности".

Некоторое представление о попытках такого прорыва в области высокомоментных двигателей дает таблица. ВЛ, составленная сотрудниками НГТУ в конце 80-х годов. При анализе ее данных невольно напрашивается вывод: будущее в прямом электроприводе принадлежит индукторным машинам и синхронным с постоянными высококоэрцитивными магнитами на роторе. Именно поэтому, как показывают многочисленные публикации и патентные данные, предпринимаются значительные усилия, направленные прежде всего на совершенствование этих типов двигателей. Одно из них базируется на использовании критерия Рейнольдса, требующего по-возможности уменьшать длину электрических и магнитных контуров с одновременным увеличением их сечений. На практике это привело к появлению схемных и конструктивных решений, более известных из теории машин с катящимся ротором, когда обмотки выполняются из отдельных катушек, каждая из которых охватывает только один зубец [9,10,11]. В литературе обмотки такого типа, называют расщепленными, выполненными из сосредоточенных катушек, дискретно-распределенными (ДРО). Последнее название, по мнению автора, наиболее точно отражающее особенности электромеханических процессов, принято в настоящей работе.

Общеизвестно, что принцип создания магнитного поля за счет-размещения сосредоточенных катушек на зубцах (полюсах) электрической машины широко применялся начиная с середины прошлого века. Позже, с появлением трехфазных распределенных обмоток, позволивших существенно уменьшить массу и габариты машины, даже сама идея разработки схем, выполненных из сосредоточенных катушек, многим стала казаться лишенной всякой перспективы.

По мнению автора, "второе рождение" ДРО было отмечено в конце 40-х годов. Спустя некоторое время (1967 г.) появилась монография профессора В.П.Нания [12], в которой, с помощью магнитных схем замещения , проводилось исследование электромеханических процессов в двигателях с катящимся ротором (ДКР), имеющих дискретно-распределенные обмотки. В 1975 году французский ученый Клод Мадер, используя схему, приведенную в данной монографии; запатентовал индукторный двигатель С13], в котором поле возбуждения формировались за счет диодов, включенных в электрическую цепь ДРО, Простота конструкции и технические характеристики этой машины столь выгодно отличали ее от аналогов, что буквально в течение двух лет, была спроектирована и освоена целая серия высоко?,юментных двигателей, известная в нашей стране под аббревиатурой МЕУ, Именно с данного момента резко увеличился объем изобретений и публикаций, посвященных исследованию индукторных машин с ДРО, Наиболее весомый вклад в данной области внесли отечественные ученые В.В.Жуло-вян. А.С.Куракин, Д.В.Свечарник, М.Г.Чиликин, Ф.М.Юферов, В.В. Хрущев, В.Н.Погодин, И.М.Толиков, и,А.Гущина, Ю.Г.Борзяк, М.А. Зайков, В.П.Наний, В.А,Балагуров, А.Ф.Шевченко, А.Н.Панарин, Н.М. Гераокина, И.Ф.Майник, В,В.Пастухов'* и многие другие. Среди зарубежных ученых следует выделить труды ученых К.Мадера, Е.Мадсена, X.Россхирда.

Появление многочисленных схемных решений ДРО заставило специалистов в области электромеханики обратить самое пристальное внимание и на другие типы электрических машин, а именно, на синхрон Автор выражает глубокую признательность своим коллегам по работе В.В.Жуловяну, А.Н.Панарину, В.В.Пастухову, Н.М.Гераскиной, совместно с которыми он в 1980-1989 г.г, опубликовал 14 научных работ и получил £3 авторских свидетельства СССР на изобретения. ные (б частности с постоянными магнитами) и асинхронные. Приоритет изобретений в данной области [14,153 принадлежит ученым Новосибирского государственного технического университета: В.В.Жуло-вяну, Н.М.Гераскиной, А.Ф.Шевченко и автору настоящей работы.*

Анализ информационного массива показал, что электрические машины с ДРО характеризуются высоким уровнем электромагнитных нагрузок (это особенно заметно в микромашинах), позволяют значительно упростить технологию обмоточных работ, открывают широчайшие возможности в области конструирования магнитопроводов с еозможным использованием постоянных магнитов и таких пока экзотических веществ, как магнитные жидкости. Характерно, что уже к середине 80-х годов лучшие образцы электрических высокомоментных машин (серия КБ, ДЗР, ДП см. табл, В.1) имели дискретно-распределенные обмотки [16,17,18 3,

Приобретая новые качества, электрические машины с ДРО не теряют достоинств своих "предшественников", таких, как высокая надежность и способность работать во всех режимах, вплоть до короткого замыкания, что характерно, например, для индукторных двигателей,

На рис, В.1 показан, по-видимому, самый большой из существующих в мировой практике электромашиностроения индукторный двигатель с моментом на валу 10000 Нм, предназначенный для работы в

-аАвтор выражает большую благодарность к.т.н., доценту В.В. Пастухову за помощь, оказанную при оформлении заявки на изобретение, а также проведении расчетов и испытаний первого в истории электромашиностроения экспериментального асинхронного двигателя о дискретно-распределенными обмотками - АДР0-3-500.

Таблица 1 j Тип М n D L M/G Iй-г Фирма, страна

1 I i JlVi об/мин мм mm Нм/'кг Вт i i 1 » tL о 4 5 6 7 lJ

1 i Т-В2П4 i r-ji 780 183 33 .,5 2,18B - In 1 arid, США

Т-9901 '18 900 305 44,5 2,60B - Inland, США.

IFT5-076 20 2000 165 423 0,95 260 Siemens, ФРГ

IFT5-106 45 2000 215 510 1,0 360 Siemens, ФРГ

RS-1410 250 30 370 160 4,2 - США

RS-1010 150 30 284 151 3,5 - США

PS-0608 50 30 184 118 3,1 - США

ДЕ;М-185 16 286 205 85 -1 r«B 5 ' ¡--■it;--- Россия

ДБМ-150 4 1750 170 55 1, 3B -1 9i L £•» X Россия

2ДВУ-115 r? 3000 115 350 0,78 150 Россия

2ДВУ-165 О О 2000 165 475 1,0 276 Россия

ДЭР-150 110 40 370 92 ^ qe * 4 r' 430 НГТУ, Россия

ДЭР-80 80 44 250 120 I— rj D, 3 OLU НГТУ, Россия

ДЭР-ЮКФ rp I ?я 100 38 QB / , '-! 46 НГТУ, Россия

ДЭР-50 50 20 9сп 100 3,1 150 НГТУ, Россия

ДП- 20 20 375 Iw -S- 40 "1. ч iC- 186 НГТУ, Россия

Примечание, двигатели ДП, ДЕМ, 2ДВУ, 1РТ являются синхронными машинами с постоянными магнитами на роторе; двигатели Т-6204 и Т-9901 тоже синхронные и имеют встроенную планетарную передачу; Двигатели серии КЗ, ДЭР - индукторные (РЗ выполнены двухстаторны-ми); надстрочный индекс "в" означает встроенное исполнение.

- Ii прямом приводе мешалки глиноземного производства. Существующий аналог - асинхронный двигатель и редуктор, обеспечивающий вращение винта со скоростью 40 об/мин в баке диаметром 8 м, высотой 12 м, имеет один недостаток - недостаточно высокую надежность. Последняя обусловлена необходимостью проведения техосмотров редуктора (один раз в месяц), текущего ремонта (один раз в 6 месяцев) и капитального ремонта (один раз в два года), Кроме того по статистическим данным, после 4 лет эксплуатации редуктор выходит из строя минимум два раза в год, А поскольку каждая внеплановая остановка приводит к необходимости отключения целой производственной линии, состоящей из 10-1£ мешанок, один час простоя обходится примерно в сто тысяч долларов США,

Двигатель ДЗР-10000-40, разработанный в НГТУ* и изготовленный совместно с АО "ЭЛСИВ", работает от сети U = 380 В, тлеет массу (включая диодный блок) 4500 кг, что на 300 кг больше массы аналога, Ток короткого замыкания у него превышает номинальный на 30%, что позволяет выдерживать любой аварийный режим в течение 40 минут, В двигателе отсутствуют какие бы то ни было механические зацепления (вроде тех, что используются в ДКР), что предопределяет длительный срок службы: 3 года гарантии, 8 лет до первого текущего ремонта, £5 лет до полного морального износа. Являясь синхронной машиной, ДЭР-10000-40 запускается от преобразователя, в вентильном режиме синхронизируется с сетью, после чего преобразователь отключается и может быть в дальнейшем использован для запус

-а- Все расчеты двигателя выполнили автор настоящей работы и научный сотрудник A.B.Казадаев. Опытно-конструкторскую документацию разработал инженер Д.В.Журовик. кз любого ив двигателей, входящих в технологическую линию.

Способность электрической машины с ДРО длительное время выдерживать режим короткого замыкания является одной из "козырных карт" прямого электропривода буровой установки - Рис. В,2. Известно, что процесс бурения определяют три вида движения: работа пневмсударника, вращение фрезы и поступательное движение штанги пневмоцилиндром. Нагрузка прикладывается к валу двигателя несколько раз в течение секунды, амплитуда нагрузки имеет вероятностный характер (при попадании фрезы в пустоты между породами -режим холостого хода, при заклинивании - режим короткого замыкания) . Если к вышесказанному добавить условия работы привода - отсутствие токовых защит, наличие пыли и воды, то становится понятным почему в аналоге, состоящем из планетарного редуктора и асинхронного двигателя, дважды в месяц требовался ремонт электрической машины,

Двигатель ДЭР-350-60 (первый макетный образец - Рис, В.2), разработанный и изготовленный в НГТУ*, обеспечивает величину момента на валу 350 Нм при синхронной частоте вращения 60 об/мин. Питание его осуществляется от сети и = 380 В; благодаря высокому собственному быстродействию обеспечивается так называемый самозапуск., без применения специальной пусковой аппаратуры. Подшипниковый узел рассчитан на, длительную ударную осевую нагрузку 2000 кг, на одном из концов выходного вала установлен вертлюг, обеспечива двигатель разрабатывался под руководством автора настоящей диссертации. В расчетах, разработке конструкции и испытаниях в шахте рудника "Северный" (г. Норильск) принимали участие н.с, А.В.Казадаев, инженеры Д.В.Журовик и О.В.Васькин. -1С --L ющий прохождение сжатого воздуха через полый вал двигателя и соединительные штанги до пневмоударника, Потери при коротком замыкании не превышают 450 Вт, при этом перегрев обмотки не более 90 '"'С, что дает возможность эксплуатировать ДВР-350-60 в режиме Si. Конструкция машины имеет степень защиты от окружающей среды IF54,

Аналогичные по замыслу задачи решаются и в прямых приводах запорной арматуры - вентиля для пара и воды ДУ-20 с двигателем ДЗР-80-20 и шарового мазутного клапана ДУ-20 с двигателем ДВР-10-43 (Рис, В.З, В,4), Приводы способны работать на "упор" в течение 8 часов; в сравнении с аналогом тлеют меньшую массу и габариты, что упрощает монтаж и эксплуатацию в труднодоступных местах ТЭЦ; не требуют защит по току, В настоящее время двигатели ДВР-80-20 и ДЭР-10-43, разработанные в НГТУ*, запущены в мелкосерийное производство (до 1000 штук в год) на ОАО "Новосибирский завод Химконцентратов",

Завершая краткий обзор некоторых из научно-технических разработок электрических машин с дискретно-распределенными обмотками, следует остановиться на точностных характеристиках последних. Существовало мнение, что в прецизионных системах могут использоваться только те двигатели и датчики, которые имеют распределенные обмотки. ДР0 создают слишком богатый спектр высших пространственных гармоник ЩО и их применение ограничено областью нерегулируемых приводов. Однако, уже первые опытные образцы двигателя и

-а- Разработка конструкции и все необходимые расчеты проводились под непосредственным руководством автора настоящей диссертации, В работе принимали участие н.с, А.В.Казадаев, инженеры О,В, Васькин, Д.В.Журовик, А.М.Жорин, -i а

Двигатель ДоР-Ш-ЕО в составе прямого электропривода парового вентиля высокого давления ДУ-2и.

ГЙС. D . 3

Рис. В.5 датчика коммутации фаз с ДРО [193, работающие на специальных астрономических объектах, показали обратное. Зафиксированный нижний порог скорости в приводе составил 1 об/сутки при точности позиционирования 3-5 угловых секунд. Дальнейшее развитие исследований в данной области позволило создать двигатель ДЭР-10КФ (см. Табл.В.1 и Рис. В.5), уникальный по целому ряду параметров и предназначенный для управления системами спутниковых антенн и солнечных батарей [£03. Частота вращения рабочего органа в приводе сопоставима со скоростью суточного вращения Земли и в экстремальных условиях не превышает 8 об/мин, что позволило выполнить магнитопро-вод электрической машины массивным из сплава 49 кФ, допускающего максимальное значение индукции 3,2-3,5 Тл, и хотя для выяснения специфики функционирования двигателя в условиях сильного насыщения магнитопровода потребовались специальные исследования, требуемая точность позиционирования - на уровне одной дискреты датчика положения ВТ-71 (около 20 угловых секунд) была получена.*

Итак, практика показала, в прямых низкоскоростных электроприводах двигатели с ДРО:

1. Имеют высокие удельный момент, массо-габаритные показатели и собственное быстродействие.

2. Обладают повышенной надежностью и большим сроком наработки на отказ.

-а- Работы по разработке двигателя ДЗР-10КФ проводились в рамках хоздоговора с НПО "Прикладная механика" (г. Красноярск-26) под руководством автора настоящей диссертации. В расчетах двигателя и разработке его конструкции принимали участие н.с. Г.Т. Фоттлер, н.с. A.B. Казздаев. и, позволяют попользовать минимум средств тепловой защиты и защиты по току,

4, Обеспечивают высокую точность отработки сигналов задания и глубокое регулирование по скорости в управляемых системах.

Успешная работа двигателей с ДРО в прямых приводах поддерживает устойчивый интерес к их применению и в других областях ■электромеханики. Так, например, в литературных источниках [£1,223 дано описание ветроустановки, генератор в которой представляет собой синхронную машину с постоянными магнитами на роторе и дискретно-распределенной обмоткой на статоре, В [£33 представлены характеристики высокоскоростного (более 15000 об/мин) привода с исполнительным индукторным двигателем, имеющего ДРО. Автором данной диссертационной работы проводятся исследования (Глава 1), ставящие своей целью создание низкоскоростного (до 1 об/мин) нерегулируемого привода вращения больших маховых масс, выполненного на базе асинхронного двигателя с дискретно-распределенными обмотками на статоре и роторе.

Однако, несмотря на наличие постоянного интереса к электрическим машинам с ДРО, до настоящей работы в этой области не было обобщающих исследований, Здесь впервые делается попытка, рассмотреть в комплексе вопросы теории и расчета данных машин, начиная с проектирования различных типов обмоток и заканчивая способами оптимального управления в системе электропривода. Не секрет, что до недавнего времени, главным сдерживающим фактором на пути широкого применения ЭМДРО является отсутствие методик по их инженерному проектированию и множество "белых пятен" в теории. Перечислим некоторые из них,

Первое. При работе от сети дискретно-распределенная обмотка создает магнитодвижущие силы, пространственное изменение которых вдоль воздушного зазора представляет собой кусочно-гладкие функции с ограниченным числом точек разрыва. Дискретный характер МДС, в свою очередь, накладывает ряд особенностей на процессы знергоп-реобравования и одна из них - зависимость выходных параметров машины от числа фаз. Ниже будет показано; в индукторных двигателях реактивного типа простое увеличение числа фаз ДРО позволяет, в условиях сильного насыщения стали магнитопровода, повысить момент на 15-£0 В синхронных двигателях с постоянными магнитами фаз-нооть обмотки определяет величины "пульсирующих" моментов, В асинхронных двигателях главный фактор, определяющий возможность функционирования машины - соотношение чисел фаз статорной и роторной ДРО,

В то же время, все базовые алгоритмы построения схем ДРО [24, 25] и преобразования mi-фазных схем в гпо-фазные (см. Главу 1) основаны на том положении, что характеристический угол в многофазной системе с ростом числа фаз не уменьшается, как общепринято, а увеличивается от 90 до 180 электрических градусов,* Возникает естественный вопрос: а какова область применения "изобретенной" многофазной системы? Если она может быть использована только для анализа электромеханических процессов в машинах с ДРО, то последние должны рассматриваться обособленно, без установления каких бы

-а- Идея создания альтернативной многофазной системы, позволившей разработать единые (для любых обмоточных данных) алгоритмы построения схем ДРО, принадлежит автору настоящей диссертации, Пользуясь случаем, благодарю за поддержку своих коллег по работе А.Н,Панарина и В,В,Пастухова, то ни было взаимосвязей с существующими, хорошо известными типами обмоток. Поскольку такое предположение выглядит весьма сомнительным, остается априори утверждать; многофазная система, позволившая создать алгоритмы построения ДРО, может быть взята на вооружение и для анализа электрических машин с распределенными обмотками. Данное положение нуждается в тщательнейшей проверке. действительно, на основе такого понятия, как характеристический угол в многофазной системе, равный Ш/т, создан метод симметричных составляющих, выведены уравнения для индуктивных сопротивлений прямой, обратной и нулевой последовательности,- выполнены обобщенные преобразования (дающие вещественные составляющие), на базе которых, в свою очередь, построены преобразования к синхронно вращающимся осям, к осям d, q, и и т.д. Поэтому применительно к машинам с распределенными обмотками многофазная система, используемая при построении ДРО, должна,- а) не противоречить существующим представлениям о многофазном преобразователе энергии в машине с распределенными обмотками; б) давать результаты, идентичные тем, которые получаются, когда значение характеристических углов принимается равным 2п/3 и %/2; в) безусловно обеспечивать работоспособность известных математических методов (симметричных составляющих и других),

Вторая особенность электрических машин с ДРО состоит в том, что процессы энергопреобразования в них обусловлены пространственными магнитными полями и ВДС, мало напоминающими синусоидальные функции. Например, в [£03, где ДРО определена, как совмещенная обмотка с одним комплектом выводов, образующая две встречно бегущие волны, подчеркивается, что данный тезис следует воспринимать только как первое приближение в характеристике исследуемого ооъекта, реальная же форма пространственной МдО больше напоминает "прямоугольные" волны, представляющие собой медленно сходящиеся ряды Фурье, К сказанному добавим: существуют машины (описание конструкций - в первой главе), для которых такое понятие, как вращающееся магнитное поле, в принципе не приемлемо, поскольку дискретно-распределенные обмотки создают пульсирующие поля в пределах небольших участков или сегментов, практически не связанных между собой в магнитном отношении, и если пространственную функцию ЩС зафиксировать в различные моменты времени, то невозможно установить, как это сделано в [203, движение встречно бегущих волн.

Ниже будет показано, что для описания самых простейших функций с точностью до 20% требуется вводить в анализ гармоники Фурье по пятнадцатый порядок включительно [263, Ясно, что попытки построить математическую модель электрической машины с ЛРО, в явном виде отражающую специфику электромеханических процессов с помощью подобных методов, обречены на провал. А без достаточно простых соотношений, устанавливающих взаимосвязь обмоточных данных, геометрии магнитопровода и электромагнитных нагрузок с выходными параметрами невозможно совершенствование электрической машины, создание инженерных методик по ее проектированию. Напрашивается вывод: так как использование рядов Фурье не дает требуемого результата, для исследования электромеханических процессов следует применить другие математические приемы, например, основанные на анализе "прямоугольных" волн, Впервые подобная ортонормированная система функций, названная в честь ее автора - американского математика. Дж, Уолша, была рассмотрена в 1923 году [273. С тех пор область применения теории дискретных преобразований значительно расширилась и ныне последняя получила широкое распространение в вычислительной математике, теории кодирования, цифровой обработке сигналов, информатике и т,д. Но предполагая осуществить переход от рядов Фурье к "прямоугольным" волнам [28,293 (Радемахера, Хаа-ра. Уолша и т.п.) при исследовании пространственных функций ЩС и магнитного поля, следует учесть и наличие "подводных камней".

Первое. Тригонометрические функции рассматриваются на окружности, а система функций Уолша - в группах [30], Если функции Уолша (или какие-то другие) после выполнения всех необходимых преобразований будут присутствовать в конечных выражениях (т.е. в индуктивных параметрах, моменте, мощности и т.д.)» то подобный шаг [31,323 повлечет за собой вынужденный отказ от ряда элементов теории комплексных переменных, операторного и других известных методов, что крайне нежелательно.

Второе, Все дискретные функции, описывающие прямоугольные волны, имеют амплитуду, равную единице [33]. В первой главе, напротив, будут представлены схемные решения ДРО, в которых число витков в катушках, принадлежащих одной фазе, меняется по синусоидальному закону. Следовательно, применение дискретных функций либо ограничивается определенными классами решаемых задач, либо их нужно будет использовать в сочетании с гармоническими рядами,

Третье, Ортонормированная система функции Уолша образуется функциями Радемахера г(х), представляющими собой меандр с числом периодов изменения на интервале ЕОДЗ, равным К, Причем начало первого полупериода всегда совпадает с началом координат. Если на интервале [0,1] задана произвольная "прямоугольная" функция, пусть даже копирующая ортонормированную функцию Уолша, но смещенная относительно начала координат на угол в, то ее можно предотавить не иначе как медленно сходящимися синусными и косинусными рядами Уолша [34]. Соответственно, математическое описание бегущей волны должно включать переменные коэффициенты, что по идее еще больше усложнит анализ. По этой причине базовые дискретные функции, которые можно будет использовать для анализа, электрических машин, должны соответствовать следующим требованиям; а) иметь переменные аргументы, фиксирующие угловое смещение относительно начала координат; б) полностью отражать пространственные формы ЩО и магнитных полей и в) после выполнения всех необходимых операций и преобразований с ними - давать возможность перехода к рядам Фурье (желательно быстро сходящимся).

То. насколько велика значимость инструмента, позволяющего работать с "прямоугольными" волнами, демонстрирует один единственный пример, рассмотренный в первой главе. Там представлена конструкция индукторной машины, в которой применение ДРО позволяет повысить момент в два раза, и причина этого явления кроется исключительно в характере пространственного распределения магнитного поля, Здесь уместно задать еще один вопрос. Если искажение пространственной форш магнитного поля по сравнению с идеальной синусоидой способствует в ряде случаев улучшению энергетических показателей машины, то нельзя ли, применяя аналогичный подход по отношению к временным функциям, получить дополнительные "дивиденды", т.е. повысить РИД и коэффициент мощности?

Идея эта не нова. Известны исследования гармонического состава временной функции тока асинхронного двигателя, проводимые под руководством проф. Б.П.Соуотина и ставящие своей целью улучшение энергетических характеристик. Эффект составляет 1-Е процента повышения КПД при значительном усложнении системы управления электроприводом. но тогда речь шла о машине с распределенными обмотками, формирующими пространственную ШЮ, близкую к синусоиде. Затем, в начале 80-х годов, в информации о двустаторных реактивных двигателях американской фирмы "Santa Rossa" (Калифорния), известными в нашей стране, как "Megatorque", было отмечено, что временные функции токов записываются в ПЗУ (программно-запоминающее устройство) и меняются в зависимости от насыщения стали магнитоп-ровода. Позднее, в 1986 г., были проведены экспериментальные исследования реактивной машины с ДРО и в [351 представлены результаты этой работы." Главный вывод: за счет искажения временной функции тока можно повысить момент двигателя с ДРО на 28% при одновременном снижении электрических потерь на 15-18%. Татя добавка к энергетическим параметрам электрической машины выглядит весьма значительной (особенно для систем о автономными источниками питания) , чтобы оставить ее без внимания.

Целью диссертационной работы является разработка конструкций и исследование электрических машин с дискретно-распределенными обмотками, создание их аналитических и цифровых моделей, инженерных методик расчета и выработка практических рекомендаций к проектированию,

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решаются Экспериментальные исследования двигателя ДЭР-10-43 проводили автор настоящей диссертации и инженер О.В.Ваоькин. Полученные зависимости (оптимальный гармонический состав временной функции тока от уровня насыщения стали) позволили к.т.н. Е.И.Кутузову разработать преобразователи [36,37,38], в которых помимо основной формировались третья и пятая гармоники тока. следующие задачи:

1. Разработать базовые алгоритмы построения многофазных ДРО с фазовым углом, меняющимся от 90 до 180 электрических градусов, и конструкции электрических машин, где применяются дискретно-распределенные обмотки.

2. Доказать, что предложенная многофазная система применима для создания математических моделей электрических машин с распределенными обмотками, для чего:

- показать, что гл-фазная система не противоречит существующим представлениям о многофазном преобразователе энергии:

- вывести уравнение индуктивных параметров гггфазной электрической машины с распределенными обмотками;

- осуществить преобразования по методу симметричных составляющих, вывести уравнения для индуктивных сопротивлений нулевой, прямой, обратной последовательности;

- записать уравнения электрического равновесия и мощности в общем виде;

- выполнить обобщенные преобразования, дающие двухфазные вещественные составляющие;

- убедиться в полном соответствии частных случаев ш =2; m =3, ранее полученным результатам.

3. Разработать математический метод, позволяющий осуществлять операции с "бегущими прямоугольными" волнами (сложение, умножение, интегрирование) и при необходимости, после выполнения необходимых преобразований, получать функции, представляющие собой быстросходящиеся ряды Фурье.

4. Выполнить проверку математического метода, оперирующего с дискретными функциями, на примере электрических машин с распреде

•С) ~ ленными обмотками.

•5. Получить уравнения электрических машин с дискретно-распределенными обмотками: асинхронных, синхронных, индукторных. Проанализировать их основные соотношения, оценить перспективы и возможности применения различных электрических машин с ДРО.

6, Разработать цифровую математическую модель электрической машины с ДРО, позволяющую исследовать электромеханические процессы в условиях сильного насыщения магнитопровода,

7, Получить временные зависимости фазных токов (напряжений) для различных типов электрических машин с ДРО, работающих в условиях сильного насыщения магнитопровода, позволяющих при постоянстве потерь в меди достичь наибольшего значения КПД и момента,

8, Осуществить экспериментальную проверку основных результатов диссертационной работы.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. В качестве альтернативы традиционному представлению о многофазной системе с фазовым сдвигом между векторами, равным 2п/т, предложена система с характеристическим углом, меняющимся от 90 до 180 электрических градусов, Для нее выполнены преобразования по методу симметричных составляющих с помощью модифицированных матриц Фортеокью; получены выражения для индуктивных параметров, записанных через симметричные составляющие, и уравнение мощности в общем виде,

2. Выполнены обобщенные преобразования, дающие двухфазные вещественные составляющие,

3. На базе модифицированных функций Радемахера разработан метол, позволяющий исследовать электрические машины с дискретно-распределенными обмотками в явном виде. Выведены интегральные зависимости, связывающие произведения модифицированных функций Радемахера с "пилообразными" функциями, представляющими собой быстросходящиеся ряды Фурье,

4, для гл-фазных электрических машин с ДРО различных типов (асинхронных, синхронных и индукторных) получены выражения собственных и взаимных индуктивных параметров, в общем виде записаны уравнения электрического равновесия, мощности, момента,

5, Выведены основные соотношения электрических машин с ДРО, устанавливающие взаимосвязь геометрии магнитопровода, обмоточных данных и электромагнитных нагрузок с выходными параметрами: моментом, КПД, коэффициентом мощности,

6, Разработаны цифровые математические модели электрических машин с ДРО, позволяющие исследовать процессы энергопреобразования при сильном насыщении стали магнитопровода,

7, Доказана принципиальная возможность увеличения момента и КПД при работе электрической машины с ДРО от источников несинусоидального тока.,

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

1, Предложены базовые алгоритмы построения гл-фазных дискретно-распределенных обмоток и конструктивные схемы электрических машин, позволяющие создать предельно высокий уровень электромагнитных нагрузок, й. Разработаны преобразования, дающие возможность спроектировать ш-фазные электрические машины, работающие от гп£-фазных источникюе питания. Данный технический прием значительно расширяет область конструктивных решений, где выполняются необходимые условия для функционирования многополюсных асинхронных и синхронных машин ограниченных габаритов, позволяет повысить момент некоторых типов индукторных машин.

3, Предложенная многофазная система с характеристическим углом, меняющимся от 90 до 180 электрических градусов, позволяет создавать общие алгоритмы построения гл-фазных распределенных обмоток, где число фаз является переменной величиной,

4, Получены рекомендации по выбору главных размеров, геометрии зубцово-пазовой зоны и электромагнитных нагрузок применительно к различным типам электрических машин с ДРО.

5, Получены временные зависимости фазных токов синхронных двигателей с постоянными магнитами на роторе и индукторных, обеспечивающих максимальное значение момента при минимуме электрических потерь е различных режимах, соответствующих сильному насыщению стали магнитопровода.

6, Проведены расчеты и испытания двигателей с дискретно-распределенными обмотками, изготовленных для применения в приводах запорно-регулируемой арматуры (серии ДЗР-10-43, ДЗР-80-20), в приводе управления системами спутниковых антенн и солнечных батарей (макетно-опытные образцы ДЗР-10 КФ), в приводе глиноземной мешалки (двигатель ДЗР-10000-40), в приводе буровой установки (макетный образец ДЗР-350-60), в приводе производства, пеноникеля (макетный образец электроагрегата ДЗР-30-20),

Диссертационная работа содержит 268 страниц машинописного текста, 89 рисунков, 16 таблиц, состоит из семи разделов, введения, заключения и списка, литературных источников.

- "dl

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Республиканской научно-технической конференции с международным участием "Электротехнические системы транспортных средств и их автоматизированных производств" (г, Суздаль, 1995 г,), Республиканской научно-технической конференции с международным участием "Проблемы промышленных электромеханических систем и перспективы их развития" (г. Ульяновск, 1996 г,).- Всесоюзной научно-технической конференции с международным участием "Современные проблемы электромеханики" (г, Москва.« 1989 г.), Республиканской научно-технической конференции "Современные проблемы энергетики. электромеханики и электротехнологии" (г. Екатеринбург., 1995 г.), Международной конференции "Unconventional е 1 ectrornechanical ana electric systems" (г. Ст-Петербург, 1999 г.) ,

По результатам выполненных исследований опубликовано 14 статей, получено 23 авторских свидетельства и патентов, выпущено 6 отчетов по НИР,

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Калужский, Дмитрий Леонидович

- 250 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Б результате выполненного комплекса исследований разработаны основные принципы конструирования и основы теории электрических машин с дискретно-распределенными обмотками. Сформулирована концепция, охватывающая многообразие идей, понятий , конструктивных признаков, методов анализа, испытаний и оценок, относящихся к этому классу электрических машин и их применениям.