Математическая модель синхронной электрической машины с постоянными магнитами с дробными зубцовыми обмотками тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат наук Вяльцев, Георгий Бенцианович

• Вяльцев, Георгий Бенцианович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Вяльцев, Георгий Бенцианович

Оглавление

Введение

Глава 1. Особенности конструкции и обзор методов исследования синхронных электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов

1.1. Особенности конструкции синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов и дробными зубцовыми обмотками

1.1.1. Особенности конструкции статора

1.1.2. Особенности конструкции ротора

1.1.3. Особенности конструкции дробной зубцовой обмотки

1.2. Влияние конструктивных особенностей синхронных машин с постоянными магнитами и дробной зубцовой обмоткой на характеристики и режимы работы

1.2.1. Пульсации электромагнитного момента, вызванные особенностями конструкции магнитопровода и обмотки

1.2.2. Искажение реактивных сопротивлений и гармонического состава ЭДС в установившихся и переходных режимах

1.3. Обзор существующих и обоснование предлагаемого метода исследования синхронных машин с постоянными магнитами

1.3.1. Аналитические методы

1.3.2. Численные методы

1.3.3. Обоснование предлагаемого метода

1.4. Вывод

Глава 2. Математическая модель синхронной электрической машины с возбуждением от постоянных магнитов. Принципы и алгоритмы, использованные в модели

2.1. Базовая система уравнений модели

2.2. Система уравнений электромеханического равновесия для синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов

2.3. Получение динамически определяемых дифференциальных индуктивностей

2.3.1. Допущения при расчете состояния магнитной системы

2.3.2. Введение понятия «известные точки»

2.3.3. Интерполяция «известных точек» для получения динамических индуктивностей

2.3.4. Рекомендации по построению матрицы известных точек

2.4. Решение для статической задачи

2.5. Распространение решения на динамические задачи

2.6. Алгоритм моделирования

2.6.1. Рекомендации по выбору At

2.6.2. Алгоритм моделирования работы электрической машины при питании от источника ЭДС при незаданной частоте вращения ротора

2.6.3. Цикл моделирования работы электрической машины при питании от источника тока при незаданной частоте вращения ротора

2.6.4. Цикл моделирования работы электрической машины при заданной частоте вращения ротора

2.7. Программная реализация

Глава 3. Экспериментальная проверка модели и оценка практической погрешности моделирования

3.1. Экспериментальная проверка корректности моделирования рабочих режимов электрической машины

3.1.1. Моделирование холостого хода синхронного генератора Оценка точности определения ЭДС

3.1.2. Моделирование работы синхронного генератора при работе на автономную активную нагрузку

3.1.3. Моделирования режимов холостого хода и работы генератора на автономную нагрузку классическими методами

3.1.4. Оценка погрешности моделирования кривой фазного напряжения

3.1.5. Оценка погрешности определения электромагнитного момента

3.2. Использование модели для исследования пульсаций электромагнитного момента

3.2.1. Объект исследования

3.2.2. Исследуемая система

3.2.3. Исследование момента залипания

3.2.4. Компенсация момента залипания сдвигом пакета ротора

3.3. Исследование несимметричного короткого замыкания в синхронном генераторе с постоянными магнитами

3.3.1. Постановка натурного эксперимента

3.3.2. Постановка виртуального эксперимента

3.3.3. Сравнение виртуального и натурного эксперимента

3.3.4. Исследование процесса однофазного короткого замыкания путем решения системы уравнений в системе координат ¿/д

3.4. Выводы

Глава 4. Исследование особых режимов работы электрических машин с постоянными магнитами и дробными зубцовыми обмотками по разработанной модели

4.1. Исследование пульсаций момента двигателя, вызванных уравнительными токами в параллельных ветвях дробной зубцовой обмотки

4.1.1. Постановка задачи

4.1.2. Исследование пульсаций момента без учета уравнительных

токов

4.1.2.1. Исследование пульсаций момента залипания

4.1.3. Уровень уравнительных токов

4.1.4. Пульсации момента с учетом воздействия уравнительного

тока

4.1.5. Исследование пульсаций момента на валу двигателя при

отсутствии уравнительных токов

4.2. Исследование влияния переключения схем соединения обмотки

со звезды в треугольник на пульсации момента

4.2.1. Постановка задачи

4.2.2. Метод исследования

4.2.3. Постановка виртуального эксперимента

4.3. Выводы 146 Список литературы 149 Приложение А. Программа, реализующая работу модели 158 Приложение Б Результаты 171 Приложение В Акт внедрения 192 Приложение Г Акт внедрения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическая модель синхронной электрической машины с постоянными магнитами с дробными зубцовыми обмотками»

Введение

В последние годы значительно увеличился интерес к электрическим машинам с возбуждением от постоянных магнитов. Этот интерес связан в первую очередь со значительными успехами в развитии силовой полупроводниковой техники (IJBT и MOSFET - транзисторов), появлением быстродействующих микропроцессорных средств управления и широкому распространению высококоэрцитивных постоянных магнитов. На сегодняшний день все большей популярностью пользуются магнитотвердые материалы системы NdFeB. По своим энергетическим показателям они превышают магниты на основе редкоземельных элементов и кобальта (предельная магнитная энергия ВНтах = (200 -ь 380) • 103 Тл • А/м) и позволяют

значительно снизить массогабаритные показатели машин с возбуждением от постоянных магнитов

В развитие отечественной теории электрических машин с постоянными магнитами внесли большой вклад российские ученые Балагуров В. А. [76-78, 80, 81], Бут Д. А. [79], Данилевич Я. Б. [80], Галтеев Ф. Ф. [80-82], Ларионов А. Н. [81], Дедовский А. Н. [84, 85], и др.

Среди электрических машин с постоянными магнитами особо следует выделить машины со специальными дробными зубцовыми обмотками. Первые электрические машины данного класса, принцип действия которых основан на взаимодействии высших гармоник магнитного поля, созданного дробными зубцовыми обмотками, и поля от постоянных магнитов в нашей стране известны с середины 80-х годов прошлого столетия [86]. Внимание к этим двигателям привлекла простота конструкции, технологии изготовления и высокие момент и мощность в малых габаритах.

Применение дробных зубцовых обмоток с числом зубцов на полюс и фазу q< 1 в электрических машинах с постоянными магнитами позволяет в габаритах малополюсных классических машин получить машины с большим числом полюсов. Число зубцов статора в таких машинах незначительно

отличается от числа полюсов ротора. Обычно Z1 отличается от 2р на 2-ь4

зубца. Благодаря малому числу зубцов статора появляется возможность выполнить в габаритах обычных классических машин малой и средней мощности электрические машины с числом полюсов ротора, достигающим 80-И 00. Максимальное число полюсов определяется в основном технологическими возможностями изготовления многополюсного ротора. Применение дробных зубцовых обмоток упрощает технологию изготовления обмотки статора и позволяет увеличить использование активного объема машины.

Теоретические и практические вопросы, связанные с дробными зубцовыми обмотками рассматриваются в работах кафедры электромеханики Новосибирского государственного технического университета и Московского энергетического института. Отдельно следует отметить работы А. Ф. Шевченко. В его работах [1-3, 87-89] проведена систематизация дробных зубцовых обмоток с q < рассмотрены гармонический состав магнитодвижущих сил и особенности устройства.

На кафедре электромеханики НГТУ был разработан и изготовлен ряд многополюсных синхронных генераторов с постоянными магнитами для безредукторных ветроэлектрических установок мощностью от 0,2 до 10 кВт. Также коллектив кафедры разработал серию электрических машин для электроусилителей рулевого управления автомобилей Лада Калина и Лада Приора; серию общепромышленных синхронных двигателей в диапазоне мощностей от 0.3 до 3кВт; двигатели для погружных насосов, стартергенераторы, высокомоментные исполнительные двигатели с дробными зубцовыми обмотками и другие электрические машины.

Несмотря на значительные успехи, достигнутые в нашей стране [56-59] и за рубежом [39-41], как в развитии вопросов теории, так и по практическому применению синхронных машин с постоянными магнитами и дробными зубцовыми обмотками, сохраняется актуальность

совершенствования методов расчета и исследования электрических машин этого типа.

Особенности конструкции машин с дробной зубцовой обмоткой в ряде случаев не позволяют в полной мере воспользоваться существующими методами расчета синхронных электрических машин. К таким отличительным особенностям относятся высокое насыщение магнитопровода, незначительное отличие чисел полюсов ротора и зубцов статора (например 10 и 12), использование высшей гармоники поля в качестве рабочей и т.д.

Машины с постоянными магнитами практически всегда имеют пульсации момента рабочем режиме. Эти пульсация является результатом воздействия целого ряда факторов, в том числе и специфичных исключительно для СМПМ. Для применения машин такого типа в системах, требующих точного позиционирования рабочего инструмента или повышенной плавности работы, необходимо обеспечить минимальный уровень момента залипания. Эта задача может быть решена при помощи компенсирующего воздействия, создаваемого системой управления, но для этого необходимо детальное изучение этого явления, в том числе для каждой конкретной конструкции машины.

Повышенным пульсациям момента способствуют и технологические погрешности при изготовлении двигателя, например, наличие эксцентриситета ротора. Изучение этого вопроса с использованием известных методов затруднительно.

В двигательном режиме СМПМ обычно работает совместно с инвертором, датчиком положения ротора и системой управления. Вопрос о влиянии импульсного питания на работу машины с дробной зубцовой обмоткой также еще недостаточно изучен и требует досконального изучения.

Открытым вопросом является исследование аварийных режимов работы машин с дробной зубцовой обмоткой. Рассматриваемые машины часто используются в системах работающих в кратковременных режимах или

в широком диапазоне мощностей. Например, ветрогенератор значительную часть рабочего времени генерирует мощность ниже номинальной. Токи короткого замыкания в этом случае также могут быть значительно меньше значений необходимых для срабатывания защитных устройств. Необходимо исследовать различные аварийные ситуации, в том числе несимметричные, для того чтобы разработать рекомендации по мерам защиты таких устройств.

Для решения всех этих и других прикладных задач необходимо создание математической модели, которая должна учитывать все особенности машин с дробными зубцовыми обмотками, а именно -зубчатость воздушного зазора, наличие в спектре МДС высших гармоник, сопоставимых по амплитуде с рабочей гармоникой, высокое насыщение стали, локальные точки насыщения, эксцентриситет и т.д.

Анализ показывает, что ни один из обычно применяемых, популярных методов моделирования электрических машин не может использоваться для решения всего спектра задач, возникающих при исследовании синхронных машин с дробными зубцовыми обмотками.

Последняя проблема все чаще решается использованием расчетов магнитного поля методом конечных элементов. Метод конечных элементов позволяет определять промежуточные параметры - магнитные потоки, насыщение различных участков магнитной цепи и т.п. Недостатком метода конечных элементов являются высокие требования к мощности используемой для расчета ЭВМ.

Существует несколько программных пакетов, позволяющих анализировать работу электрической машины. В этих пакетах используется численное решение исходных нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих электрическую машину, с применением метода конечных элементов. Такие программы учитывают в своей работе насыщение, зубчатость и т.д. но обладают существенным недостатком - высокими требованиями к ресурсам ЭВМ.

Для решения динамической задачи эти программы используют итерационный расчет и численное решение дифференциальных уравнении, опирающееся на множество частных решений. Для этого требуется многократное использование метода конечных элементов, что само по себе является трудоемкой задачей. Именно для многократного расчета поля машины методом конечных элементов необходимы огромные мощности ЭВМ. Последнее обстоятельство приводит к малой распространенности систем численного моделирования электрических машин. Наиболее полно учесть особенности машин с дробными зубцовыми обмотками можно, если использовать метод зубцовых контуров, предложенный A.B. Ивановым-Смоленским, сеточный метод Р.В. Фильца и численное моделирование с использованием методов конечно-элементного анализа. Однако каждый из этих методов в отдельности имеет недостатки.

В данной работе предложена сопряженная модель электрической машины, в которой путем активного использования моделирования магнитных полей методом конечных элементов учитываются: насыщение, электрическая несимметрия и геометрия машины, включая различные виды эксцентриситета, а применение расчетов с использованием расчетных сеток позволяет сократить требования по мощности применяемой ЭВМ. Модель оформлена в виде компьютерной программы.

Идея расчета по известным точкам является случаем применения методик решения сложных задач при помощи расчетных сеток. Этот подход в электромеханике известен благодаря работам Р.В Фильца [13] и состоит в том, что данные о состоянии магнитного поля электрической машины можно не рассчитывать специально, а получат путем интерполяции записанной таблично функции, расчет которой выполняется заранее. Данные для составления функции состояний магнитного поля получаются при помощи того же метода конечных элементов, но объем необходимых расчетов в этом случае ограничен количеством точек, описывающих эту функцию. При этом потребность в машинном времени и мощности ЭВМ разделяется на два этапа

- трудоемкий однократный расчет опорных точек и последующие, сравнительно простые, операции по интерполяции этих точек. Рассчитанные опорные точки могут быть сохранены и использованы повторно, в то время как описанные выше методы численного моделирования электрических машин требуют новых расчетов для решения каждой поставленной задачи.

Таким образом, предлагаемая модель позволяет существенно экономить ресурс ЭВМ, что делает ее значительно более доступной для широкого использования.

Предлагаемая модель была создана для исследования синхронных электрических машины с дробными зубцовыми обмотками и возбуждением от постоянных магнитов. Этот класс синхронных машин был разработан сравнительно недавно. Рекомендации по проектированию и моделированию таких машин еще не полностью разработаны, что увеличивает ценность созданной модели. Возможность использования разработанной модели для машин других типов существует, но в этой работе не исследуется и не рассматривается.

Комплекс задач, связанный с разработкой математической модели электрической машины, позволяющей исследовать магнитные поля и совершенствовать методики проектирования СМПМ с дробными зубцовыми обмотками крайне важен. Исследования в данной области являются актуальными, имеют научную новизну и практическую ценность. В соответствии с указанными проблемами была сформулирована цель и задачи диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является разработка математической модели, для расчета процесса электромеханического преобразования энергии в установившихся и переходных режимах с учетом влияния насыщения стали, особенностей геометрии зубцово-пазовой зоны, гармонического состава МДС, возможной геометрической и магнитной несимметрии и других особенностей синхронных электрических машин с постоянными

магнитами с дробными зубцовыми обмотками; а также моделирование особых режимов работы этих машин и проведение натурного моделирования.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. разработать метод моделирования электрических машин на базе сопряжения методологии расчетных сеток и метода конечных элементов, для расчета установившихся и переходных процессов в синхронных машинах с возбуждением от постоянных магнитов и дробной зубцовой обмоткой с учетом насыщения, различных несимметрий, несинусоидальности токов и ЭДС, и других факторов. Реализовать метод расчета в виде алгоритма для ЭВМ;

2. подтвердить корректность работы созданной модели путем сравнения результатов моделирования с результатами натурных экспериментов и результатами моделирования, произведенными другими методами;

3. провести при помощи моделирования исследование уравнительных токов при исполнении дробной зубцовой обмотки с двумя параллельными ветвями и по схеме «треугольник», а также исследовать влияние уравнительных токов на пульсации момента.

Модель разрабатывается для применения в качестве инструмента для научных изысканий и решения практических задач при проектировании электрических машин: поверки расчетов и проведении первичных испытаний проектируемых образцов виртуально, без изготовления прототипа.

Методы исследования

Основные результаты диссертационной работы получены с использованием методов теории электрических машин, теории нелинейных цепей, гармонического анализа. Применены численные методы решения дифференциальных уравнений. Для исследования поля применялся метод конечных элементов, реализованный в программе FEMM. Для реализации в виде алгоритма использовался язык программирования С# и компилятор MS Visual С#.

Достоверность результатов исследования проверялась путем параллельного расчета различными методами, а также сопоставлением расчетных и экспериментально определенных параметров и характеристик электрических машин. Научная новизна

1. Разработана модель для анализа токов и напряжений в установившихся и переходных процессах, в том числе несимметричных и аварийных, в синхронных электрических машинах с возбуждением от постоянных магнитов с дробными зубцовыми обмотками с учетом насыщения стали и геометрии зубцово-пазовой зоны, гармонического состав МДС и влияния уравнительных токов.

2. Проведено исследование уравнительных токов в дробной зубцовой обмотке соединенной по схеме с двумя параллельными ветвями при наличии эксцентриситета ротора и пульсаций момента, возникающих под действием этих уравнительных токов.

3. Исследовано влияние уравнительных токов возникающих при соединении дробной зубцовой обмотки в треугольник на пульсации момента.

Основные положения, выносимые на защиту

1. модель для анализа токов и напряжений в установившихся и переходных процессах, в том числе несимметричных и аварийных, в синхронных электрических машинах с возбуждением от постоянных магнитов с дробными зубцовыми обмотками

2. примеры исследования путем моделирования установившихся и динамических процессов в синхронной электрической машине с постоянными магнитами. Уровень точности результатов моделирования.

3. исследование уравнительных токов при исполнении дробной зубцовой обмотки с двумя параллельными ветвями и по схеме «треугольник». Исследование влияния уравнительных токов на пульсации момента

Практическая ценность работы

1. Разработаны программы и алгоритмы расчета электромагнитных моментов и индуктивных параметров, для использования при проектировании оптимальных двигателей. Расчет проводится с учетом тех особенностей машин с дробными зубцовыми обмотками, которыми в более ранних исследованиях пренебрегали, а именно с учетом несимметрии фазных токов, эксцентриситета, локальных насыщений магнитопровода, вызванных наличием в конструкции машины точек механического крепления и т.д.

2. Получена модель, достоверно отображающая работу электрической машины с учетом геометрии зубцовой зоны, насыщения, неравномерности воздушного зазора (эксцентриситета) и несинусоидальности питающего тока или напряжения. Модель одинаково пригодна для исследования установившихся и динамических процессов в фазной системе координат. Требования вычислительной мощности ЭВМ снижены по сравнению с известными продуктами, имеющими аналогичную функциональность (Ansys, FemmLab).

3. Проведенные исследования показали, что разработанная модель обеспечивает результаты расчета, близкие по точности к результатам лабораторных исследований. Таким образом, модель может применяться в качестве первичной замены некоторых экспериментальных исследований.

4. Получены рекомендации по допустимости применения параллельных ветвей в дробных зубцовых обмотках в прецизионных электрических машинах.

Реализация результатов работы

По результатам работы была создана программа для ОС Windows, являющаяся практической реализацией разработанной модели. Эта программа применялась при разработке и испытаниях электростартера ВЭС

65 (в рамках хоздоговора с ОАО Казанский завод «Электроприбор»), двигательной части мехатронного устройства ЭМУР (хоздоговор с ОАО «Автоэлектроника» г. Калуга), а также в учебном процессе.

Апробация работы

Основные положения работы были доложены и обсуждались на следующих научных семинарах и конференциях: V международный форум по стратегическим технологиям «ПЮ8Т 2010», Ульсан, Корея, 2010г.; Всероссийская научная конференция молодых ученых "Наука. Технологии. Инновации", Новосибирск, 2008 и 2010г.; Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика", Москва, МЭИ (ТУ), 2009г.

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 статьи в источниках входящих в перечень, рекомендованный ВАК РФ, одна статья в материалах международной конференции.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 95 наименований и 4-х приложений, содержит 157 страниц основного текста, 87 рисунков, 8 таблиц.

Во введении обоснованы актуальность, изложены цели и задачи диссертационной работы.

В первой главе произведен обзор и анализ существующих методик моделирования электрических машин. Рассмотрен текущий уровень применения моделирования вообще и моделирования рабочих режимов в электрических машинах в научно-производственном процессе.

Обосновано что, разработка простой в применении модели, позволяющей исследовать работу электрической машины достаточной точностью и с учетом факторов, которыми ранее пренебрегали, позволяет:

ускорить и уточнить поверочные расчеты, необходимые при проектировании новых электрических машин. В некоторых случаях заменить испытания прототипов, что уменьшило бы затраты и ускорило процесс конструкторской работы. Реализовать интерактивные учебные материалы, например виртуальные лабораторные работы с большей достоверностью демонстрирующие процесс работы электрической машины.

Во второй главе рассматривается математический принцип и алгоритмы работы предлагаемой модели. Для использованных в решении упрощений и выбранных подходов к решению приводится обоснование и оценка вносимых данным упрощением погрешностей.

Во второй главе также приводятся рекомендации по построению сетки известных точек, блок-схемы примененных алгоритмов решения и теоретическая оценка погрешности, вносимой использованным в работе математическим аппаратом.

В третьей представлены результаты моделирования разработанной моделью установившегося генераторного режима синхронной машины с ПМ на независимую несимметричную нагрузку и моделирования динамического процесса несимметричного (однофазного) короткого замыкания нагрузки в генераторном режиме соответственно. Результаты моделирования сравнивались с результатами натурных экспериментов проведенных с теми синхронными машинами, модели которых использовались в исследовании. Сравнение показало, что точность отображения моделью реального течения статических и динамических процессов в пределах допустимой инженерной погрешности.

В четвертой главе показано, как с использованием модели были решены две задачи связанные с исследованием влияния уравнительных токов и эксцентриситета на пульсации момента электрической машины. Данные задачи для машин с дробными зубцовыми обмотками были решены впервые.

В заключении сделан краткий вывод о полученных в ходе разработки и испытания модели результатах.

Глава 1. Особенности конструкции и обзор методов исследования синхронных электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов

Синхронные электрические машины с возбуждением от постоянных магнитов и дробными зубцовыми обмотками (далее в тексте СМПМ с ДЗО) это сравнительно новый класс электрических машин в семействе синхронных электрических машин. Эти машины обладают уникальным набором свойств и характеристик. Приоритет в этом классе машин закреплен патентом №2059994 "Синхронный Электродвигатель" [1]. Общее представление об этом классе машин можно составить, ознакомившись с патентами [2-5, 7,8].

Синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов общеизвестны. По сравнению с классическими синхронными машинами, машины с ПМ проще в эксплуатации и имеют больший ресурс работы, так как не требуют обслуживания контактных колец и замены щеток.

Как и любая другая синхронная машина, СМПМ работающая совместно с системой управления успешно может заменять машину постоянного тока или асинхронный управляемый электропривод. В первом случае выигрыш состоит в том, что в отличие от ДПТ СМПМ не имеет щеточно-коллекторного узла, сложного в производстве и требующего обслуживания. Во втором - СМПМ за счет большей энергоэффективности и меньшего вылета лобовых частей обычно имеет вдвое меньшую длину корпуса, по сравнению с асинхронным двигателем при равной мощности и высоте оси.

СМПМ с успехом используются в конструкциях микроГЭС и ветрогенераторах, а также установках малой мощности - бытовой технике, сервомоторах, в качестве стартергенераторных устройств в составе транспортных средств и т.д.

Среди СМПМ выделяются машины с дробной зубцовой обмоткой. Эти машины интересны тем, что их обмотки имеют дробное число пазов на

полюс и фазу [10]. В ДЗО проводники каждой элементарной катушки укладываются вокруг одного зубца.

Максимальное количество пазов в электрических машинах ограничивается технологическими соображениями - изготовить машину с шириной зубца 5мм и менее крайне сложно технологически. Число пазов необходимых для размещения многофазной обмотки в электрической машине определяется соотношением 2 - 2р ■ т • д. Как следствие, в электрических машинах с малым диаметром расточки статора затруднено выполнение большого числа пар полюсов. Кроме того в пазы малого размера сложно уложить обмотку с большим коэффициентом заполнения. Следовательно, многополюсные маломощные электрические машины с малым диаметром статора и классическими обмотками имеют заведомо худшие удельные показатели, чем аналогичные машины большого диаметра.

В машинах с ДЗО а 2\ близок к 2р. При использовании ДЗО

можно изготовить машины с полюсностью достигающей 50-100 в габаритах обычных машин малой мощности. Максимальное количество полюсов в таких машинах ограничивается технологическими возможностями при создании многополюсного ротора. Эта особенность делает СМПМ с ДЗО уникальными. Однако эти машины имеют и другие интересные отличия.

Длина лобовых частей дробной зубцовой обмотке минимальна. Следовательно, затраты меди на лобовые части значительно меньше чем в машинах с другими типами обмоток. Омические потери и потоки рассеивания лобовых частей также меньше чем в других машинах. Лобовые части в ДЗО не перекрещиваются, что делает такую обмотку идеальной для автоматической намотки. Вылет лобовых частей также минимален, что позволяет значительно уменьшить длину корпуса электрической машины.

Расчеты показывают, что СМПМ с ДЗО имеют большую мощность на единицу объема магнитопровода, чем другие типы электрических машин.

Дробные обмотки с ц<1 не новы. Они использовались в двигателях с катящимся ротором с пульсирующим потоком [69, 70]. В волновых

электродвигателях с «расщепленным» магнитным потоком фазы [71], в индукторных генераторах с многозонной обмоткой якоря [72], в шаговых и редукторных двигателях[73-75].

Несмотря на применение дробных обмоток в перечисленных двигателях, полного систематического анализа этих обмоток и электрически машин на их базе в литературе нет. Они имеют даже различное название: расщепленные, многозонные, сосредоточенные и т.д. [10].

1.1. Особенности конструкции синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов и дробными зубцовыми обмотками

Конструктивно синхронные машины с постоянными магнитами и ДЗО достаточно просты (см. рис. 1.1, 1.2). Статор имеет, как правило, трапециевидные пазы. По сравнению с асинхронным двигателем с 2р = 2 того же габарита СМПМ с ДЗО с 2р =10 имеет меньше пазов, а сами пазы соответственно шире. Паз условно делится по вертикали на две половины, в каждую из которых укладываются проводники катушек, охватывающих смежные с пазом зубцы. В низковольтных машинах малой мощности, где число витков и элементарных проводников в катушке относительно невелико, размеры паза специально рассчитывают так, чтобы вдоль стенки паза разместилось целое число проводников. Это позволяет получить высокий коэффициент заполнения паза.

1.1.1. Особенности конструкции статора

Из-за стремления обеспечить максимальный момент при минимальном диаметре машины, все СМПМ с ДЗО исследованные в рамках этой работы имеют очень тонкие ярма, часто рассчитанные на работу в режиме насыщения. Для соединения пакета статора используются шпильки, пукли или сварка, (см. рис 1.2-5)

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Вяльцев, Георгий Бенцианович, 2013 год

Список литературы

1. Пат. СССР №2059994 МПК Н02К019/12. Синхронный электродвигатель / А.Ф. Шевченко; НГТУ. - 4037981; 17.03.86; 10.05.96

2. А. с. №1345291 МКИ H 02 К 19/02. Синхронный электродвигатель / А.Ф. Шевченко; НЭТИ. - 4012660; 21.01.86; 15.06.87

3. А. с. №1403008 МКИ H 02 К 19/02. Синхронный электродвигатель / А.Ф. Шевченко; НЭТИ. - 4037981; 17.03.86; 15.02.88

4. Пат РФ №2178615 МПК Н02К1/27, Н02К21/14. Ротор электрической машины / А.Ф. Шевченко, Р.В. Честюнин. - 2000120729; 02.08.00; 20.01.02

5. Пат РФ №2181091 Электромеханический усилитель руля автомобиля / ОАО «Элсиб». - 2001112398; 04.05.01; 10.04.02

6. Пат. US 7045925 В2 МПК Н02К 1/14. Stator for an electrical induction machine especially a synchronous machine / Carsten Frager, Sven Hilfert, Matthias Muller, Edmund Neumann; Lenze Drive Systems GmbH. - 10/475287; 20.04.01; 16.05.06

7. Пат WO 2007/024157 Al МПК B62D 5/04(2006.01) Электромеханический усилитель руля автомобиля / А.Ф. Шевченко; ОАО «Калужский завод электронных изделий». - PCT/RU2006/000429; 19.07.05; 01.03.07

8. Пат №53828 МПК Н02К019/12. Многополюсная магнитоэлектрическая машина/А.Ф. Шевченко; НГТУ. -2005113500; 03.05.05; 27.05.06

9. Пат RU 2178615 Cl МПК H02KI/27, но2К21/14. Ротор электрической машины /

A.Ф. Шевченко, Р.В. Честюнин; НГТУ. - 2000120729/09; 02.08.00; 20.01.02

10. Многополюсные синхронные машины с дробными однозубцовыми обмотками. Методическое руководство. Часть 1. Основы теории и конструкция. / Под ред. JI. И. Малинина. - Новосибирск: Изд-во. НГТУ. - 1995г.

11. Иванов-Смоленский А. В. Универсальный численный метод моделирования электромеханических преобразователей и систем / A.B. Иванов-Смоленский,

B. А. Кузнецов // Электричество. - 2000. - №7. - С. 24-33.

12. Фильц Р.В., Лябук H.H. Математическое моделирование явнополюсных синхронных машин. // Львов: Свит, - 1991. - С. 3-8.

13. Фильц P.B. Математические основы теории электромеханических преобразователей. / Р.В. Фильц. - Киев : Наук. Думка, 1979. - 208с.

14. . ANSYS. Справочник пользователя / К. А Басов. - Изд-во Directmedia, 2013

15. Пульсации входного тока и электромагнитного момента двухфазного асинхронного двигателя / Андросов H.H., Кучумов В.А., Никифорова Н.Б., Княжева A.C. // Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. - 2010. - № 4. - С. 11-17.

16. Вигриянов П.Г. Оценка пульсации электромагнитного момента управляемых девятифазных вентильных двигателей при отказах типа «короткое замыкание» / П.Г. Вигриянов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. - 2013. - № 1. - С. 82-86.

17. Бибик Е.В. Формирование энергоэффективных режимов работы однофазных конденсаторных асинхронных двигателей с периодической нагрузкой. / Е.В. Бибик // Пращ 1нституту електродинамши Нацюнальжн академп наук Украши. - 2012. - № 33. - С. 45-53.

18. Гребеников В.В., Прыймак М.В. Способы уменьшения пульсаций электромагнитного момента в электрических машинах с постоянными магнитами и зубцово-пазовым статором. / В.В. Гребеников, М.В. Прыймак // Пращ 1нституту електродинамши Нацюнально1 академп наук Украши. — 2010. — № 27. - С. 52-58.

19. Рихтер Р. Электрические машины. Т. 1. / Р. Рихтер. - ОНТИ НКТП СССР, 1935.

20. Шрейнер Р. Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. / Р. Т. Шрейнер. - Екатеринбург: УрО РАН, - 2000.

21. Бесконтактные двигатели постоянного тока. / Балагуров В.А., Гридин В.М., Лозенко В.К. // - М.: Энергия, - 1975.

22. Овчинников И.Е., Лебедев Н.И. Бесконтактные двигатели постоянного тока. / И.Е. Овчинников, Н.И. Лебедев. - Л.: Наука, - 1979.

23. Управляемые бесконтактные двигатели постоянного тока / Н.П. Адволоткин, В.Т. Гращенков, Н.И. Лебедев, И.Е. Овчинников, А.К. Стыцына. Л. // - Энергоатомиздат, - 1984.

24. Вигриянов П.Г. Электромагнитные процессы многофазных вентильных двигателей: монография. / П.Г. Вигриянов. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, -2007.

25. Вигриянов П.Г. Исследование электромагнитных процессов вентильных двигателей: монография. / П.Г. Вигриянов. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ,-2010.

26. Афонин А.А. Способ повышения магнитной индукции в зазоре электромеханических преобразователей энергии с постоянными магнитами /

A.А. Афонин. - Доп. НАН Укра'ши. - 2007. - № 6. - С. 76-80.

27. Гребеников В. В., Прыймак М. В. Исследование влияния конфигурации магнитной системы на моментные характеристики электродвигателей с постоянными магнитами / В. В. Гребеников, М. В. Прыймак. - Электротехника и электроэнергетика. - 2009. - № 2. - С. 57-60.

28. Гребеников В.В., Прыймак М.В. Моделирование магнитных полей в электромеханических преобразователях энергии с постоянными магнитами /

B.В. Гребеников, М. В. Прыймак. - BicH. Кременчуцького держ. пол1техн. ун-ту iM. М. Остроградського. - 2009. - №3 (56). Ч 2. - С. 70-73.

29. De La Ree J., Boules N., Torque Production in Permanent Magnet Synchronous Motors. / J De La Ree., N. Boules, - IEEE Transactions On Industry Applications, -1989-Vol. 25,-No. 1,-pp. 107-112.

30. Rediction of Cogging Torque using the Flux-MMF Diagram Technique. / Deodhar P., Staton D. A., Jahns Т. M., Miller T.J.E., // Transactions On Industry Applications, - 1996, - Vol. 32, - No. 3, - pp. 569-576.

31. Optimization of the Magnetic Pole Shape of a Permanent-Magnet Synchronous Motor / Ping Zheng, Jing Zhao, Jianqun Han, Jie Wang, Zhiyuan Yao, Ranran Liu // IEEE Transactions On Magnetics, - JUNE 2007, - Vol. 43, - No. 6.

32. Howe D., Zhu Z. Q., The Influence of Finite Element Discretization on the Prediction of Cogging Torque in Permanent Magnet Excited Motors. // IEEE Transactions On Magnetics, - 1992, - Vol. 28, - pp. 1371 - 1374.

33. Skoczylas J., Trech R. On the Reduction of Ripple Torque in Permanent Magnet Synchronous Motors Without Skewing. Accuracy problems. // Electro-Motion, 12(2005),-pp. 106-112.

34. Qiao J., Cai W. Calculation and Error Analysis of Electromagnetic Torque for a Wheel Permanent-Magnet Motor. // IEEE Transactions On Industry Application, -Vol.42, - No5, - 2006, - pp. 1151 -1161.

35. Япония, фирма Moric. Journal of the Magnetic Society of Japan. - 2007, -VOL.31,-NO. 2.

36. An Evaluation of Alternative Stator Lamination Materials for a High-Speed, 1.5 MW, Permanent Magnet Generator / Paulides J.J.H., Jewell J.W., and Howe D. // IEEE Transactions On Magnetics, - JULY 2004, - VOL 40.

37. Five-Phase Interior Permanent-Magnet Motors With Low Torque Pulsation. / Parsa L., Hamid A., Goodarzi T., Goodarzi A. // IEEE Transactions On Industry Application, - Vol.43, - No. 1, - january/february 2007.

38. Synthesis of Cogging Torque Waveform from Analysis of Single Stator Slot. / Z.Q. Zhu, Ruangsinchaiwanich S., Howe D. // IEEE, - 2005.

39. Analytical Calculation of Magnetic Field Distribution in the Slotted Air Gap of a Surface Permanent-Magnet Motor Using Complex Relative Air-Gap Permeance / Zarko D., Ban D., and Lipo T.A // IEEE Transactions On Magnetics, - VOL 42, -N0.7, - JULY 2006.

40. Analytical Solution for Cogging Torque in Surface Permanent-Magnet Motors Using Conformai Mapping / Zarko D., Ban D., Lipo T.A. // IEEE Transactions On Magnetics, - VOL 44, - NO.l, - JANUARY 2008.

41. Methods for magnetically nonlinear problems involving significant hysteresis and eddy currents, / Jack A. G. Mecrow В. C. // IEEE Transactions on Magnetics, -26(2):424-429, - March 1990.

42. Копылов И. П. Электрические машины // Изд. Высшая школа - 2006 г.

43. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока. // M.-JL, Госэнергоиздат, - 1963.

44. Kron G. Induction motor Ûlot combinations. // TAIEE. - June 1931, -P. 757-767.

45. Вольдек А.И. Магнитное поле в воздушном зазоре асинхронных машин // Труды ЛПИ им. М.И. Калинина. - 1953. - № 3. - С. 60-80.

46. Вольдек А.И. Исследование магнитного поля в воздушном зазоре явнополюсных синхронных машин методом гармонических проводимостей // Электричество. - 1966. - № 7. - С. 46-52.

47. Вольдек А.И. Влияние неравномерности воздушного зазора на магнитное поле асинхронной машины // Электричество. - 1951. - №12. - С. 40-46.

48. Вольдек А.И. Электрические машины. // Л,. Энергия, - 1974.

49. Геллер Б., Гамата В. Дополнительные моменты и потери мощности в асинхронных машинах. // М.: Энергия, - 1964.

50. Геллер Б., Гамата В. Высшие гармоники в асинхронных машинах: Пер. с англ. // М: Энергия, - 1981.

51. Alger P.L. The Natur of Poliphaze Induction Machines. // Ed.I.Wiley and Sons, -New York, - 1959.

52. Куракин A.C., Юферов Д.М. О принципе действия редукторных двигателей // Изв. ВУЗов. Электромеханика. - 1967. - №11. - С. 54-56.

53. Куракин A.C., Юферов Д.М. Синхронный редукторный двигатель реактивного типа // Электротехника. - 1966. - №11. - С. 22-27.

54. Куракин A.C. Редукторные электродвигатели на зубцовых гармониках. // Автор.докт.диссер. - МЭИ, - 1971.

55. Куракин A.C., Юферов Д.М. Синхронный редукторный двигатель с осевым возбуждением // Электротехника. - 1968. - №4.

56. Жуловян В.В. Вопросы теории и расчета электрических машин. // Новосибирск: НЭТИ, - 1970. - С. 3-17.

57. Жуловян B.B. Общий метод построения диаграммы токов синхронной машины // Электричество. - 1971. - № 10.

58. Жуловян В.В. Основные соотношения и сравнительная оценка синхронных двигателей с электромагнитной редукцией скорости вращения // Электричество. - 1975. - № 8 .

59. Жуловян В.В. Высокомоментные двигатели переменного тока с электромагнитной редукцией частоты вращения. // Докторская диссертация, Новосибирск, - 1978.

60. Жуловян В.В., Мацанова A.JI. К расчету проводимости воздушного зазора при двухсторонней зубчатости // Сб.: Вопросы теории и расчета электрических машин. Новосибирск, - 1973.

61. Универсальный метод расчета электромагнитных процессов в электрических машинах. / Иванов - Смоленский A.B., Абрамкин Ю.В., Власов А.И., Кузнецов В.А. // М.: Энергоатомиздат, - 1986. - 216 с.

62. Приступ А.Г., Червяков A.B. Моделирование магнитных полей в программе FEMM: учеб. метод, пособие // Новосибирск: Изд-во НГТУ, - 2012.

63. ГОСТ 21427.1-83 Сталь электротехническая холоднокатаная анизотропная тонколистовая. Технические условия

64. Численные методы. / Бахвалов Н. С., Жидков Н. П., Кобельков Г. М. // М.: Наука, - 2002

65. Калиткин H.H. Численные методы. // М.: Наука, - 1978.

66. Кенио Т. Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления // М.: Энергоатомиздат. - 1987

67. Biachi N., Bolognani S. Reducing the cogging torque in surface-mounted PM motors // IEEE "Transactions on industry applications" - vol. 38 - № 5, -September/October - 2002. - pp. 1259-1265

68. Кулик Ю.А. Электрические машины. // M. Высш. школа, - 1971.

69. Бертинов А.И., Варлей В.В. Электрические машины с катящимся ротором. М., Энергия, - 1969. - 200 с.

70. Борзяк Ю.Г., Зайков М.А., Наний В.В. Электродвигатели с катящимся ротором. Киев: Техника, - 1982. - 120 с.

71. Бертинов А.И., Колосков Н.С. Волновой электродвигатель с " расщепленным" магнитным потоком фазы // Электричество. - 1972. - № 1. -С.1-5.

72. Грингауз М.И., Петраков М.Д., Пугачев В.А. Индукторный генератор с многозонной обмоткой якоря // Бесконтактные электрические машины. - 1986. -№25.-С. 179-183.

73. Жуловян В.В. Вопросы теории редукторных синхронных машин // В кн.: Вопросы теории и расчета электрических машин. Новосибирск: НЭТИ, - 1970. -С. 3-17.

74. Жуловян В.В. Основные соотношения и сравнительная оценка синхронных двигателей с электромагнитной редукцией скорости вращения // Электричество. - 1975. - № 8 .

75. Жуловян В.В. Высокомоментные двигатели переменного тока с электромагнитной редукцией частоты вращения. Докторская диссертация, Новосибирск, - 1978.

76. Балагуров В.А., Гридин В.М., Лозенко В.К. Бесконтактные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. // М.: Энергия, - 1975. - 128 с.

77. Балагуров В.А., Кецарис A.A., Лохнин В.В. Перспективы развития магнитоэлектрических генераторов с применением высококоэрцитивных постоянных магнитов // Электричество. - 1977. - № 3. - С. 54-58.

78. Балагуров В.А. Предельная мощность синхронных генераторов с постоянными магнитами // Электротехника. - 1983. - № 5. - С. 22-24.

79. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. // М.: Высш.шк, - 1985. -255 с.

80. Данилевич Я.Б., Домбровский В.В., Казовский Е.Я. Параметры электрических машин переменного тока // М.-Л.: Наука, - 1965. - 340 с.

81. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. // М.: Энергоатомиздат, - 1988. - 280 с.

82. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф., Ларионов А.Н. Электрические машины с постоянными магнитами. // М. - Л.: Энергия, - 1964. - 480 с.

83. Галтеев Ф.Ф., Коробченко В.П. Исследование переходных процессов в синхронных магнитоэлектрических генераторах // Сб.: Устройства электропитания и электропривода малой мощности. Т.2. Электрические машины и аппараты. М.: Энергия, - 1970. - С. 34-5-54.

84. Ледовский А.Н. Электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами. М.: Энергоатомиздат, - 1985. - 168 с.

85. Ледовский А.Н., Сугробов A.M. Определение электромагнитного момента индукторных вентильных двигателей // Электричество. - 1979. - № 12. -С. 37^40.

86. Бертинов А.И., Колосков Н.С. Волновой электродвигатель с " расщепленным" магнитным потоком фазы // Электричество. - 1972. - № 1. -С. l-s-5.

87. Шевченко А.Ф. Статическая устойчивость синхронных двигателей с электромагнитной редукцией скорости вращения при переменной частоте питающей сети // Межвузовский сборник: Беспазовые электрические машины и системы их управления. Новосибирск: НЭТИ, - 1976, - с. 147-154.

88. Шевченко А.Ф. Новые многополюсные синхронные двигатели исполнительных электромеханизмов // X Всесоюзная научно- техническая конференция по проблемам автоматизированного электропривода: тез докл. Воронеж. М.: Информэнерго, - 1987.

89. Шевченко А.Ф. Многополюсный магнитоэлектрический синхронный двигатель с однозубцовыми обмотками для привода промышленных роботов // В сб.: Автоматизированный электропривод промышленных установок. Новосибирск: НЭТИ, 1989, - с.57-62.

90. И. Г. Пушкина, В. Ф. Тишкин, "Адаптивные расчетные сетки из ячеек дирихле для решения задач математической физики: методика построения, примеры", Матем. моделирование, 12:3 (2000), - 97-109

91. А. В. Гурин «Адаптивные расчетные сетки для моделирования электрофизических процессов в полупроводниковых структурах», диссертация.

92. Ю.Г Бухгольц., А.Г. Приступ, Т.В. Честюнина Определение индуктивностей магнитоэлектрических машин с однозубцовыми обмотками Электротехника. -2011.-№06.-С. 25-29.

93. Ю.Г Бухгольц., А.Г. Приступ, Т.В. Честюнина К вопросу расчета индуктивностей дробных зубцовых обмоток // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. - 2012. - № 1. - С.48.

94. А.Г. Приступ Расчёт потерь в роторе машины с дробно-зубцовыми обмотками Известия высших учебных заведений. // Электромеханика. — 2012. — №6.-С. 15-18.

95. Фисенко В. Г. Численные расчеты электромагнитных полей в электрических машинах на основе метода конечных элементов // Издательство: Изд-во МЭИ, - 2002 г. - ISBN 5-7046-0877-9

Приложение А. Программа, реализующая работу модели

Для использования широким кругом специалистов, алгоритмы работы модели были переработаны в самостоятельную программу ElectroModelKit. Программа написана на языке С# и может работать на персональных компьютерах с ОС Windows ХР, Windows Vista и Windows 7. Для работы программы достаточно процессора с тактовой частотой от 1 мегагерца и оперативной памятью от 0.5 гигабайт. В настоящее время персональные компьютеры с такими характеристиками считаются устаревшими.

А.1. Начало работы. Выбор матрицы известных точек

При первом запуске рабочее окно программы имеет вид, приведенный на рисунке 5.1.

© © ®

Программа моделирования режимов работы электрический машин V1.3

Файлы I Шаблоны | Решение | Исследуемые машины

Добавить машину

Моделируемые задачи

|двигатель звезда нагрузка звезда

Работа с источником ЭДС при заданной с

Работа с источником 3 ДС при заданном моменте на валу Работа с источником тока при заданной скорости Работа с источником тока при заданном моменте на валу

Загрузить матрицу известных точек

проверить блок технической ^Формации

Схема моделируемой задачи

Рис. 5.1 Интерфейс программы

Элементы интерфейса программы распределены по трем вкладкам, отмеченным как 1, 2, 3. Для начала работы необходимы следующие действия:

Использовать кнопку 4 «Добавить машину». После этого открывается всплывающее окошко, приведенное на рисунке 5.2

в

Выбор электрической машины

^JSjxJ

Выбор Файла известных точек

Файл выбран Марка машины-

щ

вигатель

Коменгарии

¡Электрическая машин=|

Добавить машину

Á

Рис. 5.2 Окно выбора файла известных точек

После нажатия кнопки «Выбор файла», пользователю предлагается указать положение файла известных точек с расширением .miz. Это текстовый файл, структурированный в виде таблицы. Принцип построения этой таблицы приказан в виде таблицы 5.1. Каждая строка в файле известных точек соответствует конкретному состоянию электрической машины т.е. известной точке. Такой файл может быть сформирован из результатов расчетов поля методом конечных элементов, выполненный в любой программе.

Схема-таблица 5.1

и и ^а(и],к,к) Уьо, ], к, И) Уф ], к, И) Щи ], к, И)

Нк 1с (И+1) УаО,) к, И+1) Уци ], к, И+1) *Рс(1, ], к, И+1) М(,>7> к, И+1)

1с (И+2) ФаО.], к, И+2) УьО, ], к, И+2) Уф ], к, И+2) Щи ], к, И+2)

Ч (к+1) 1с И УаО, ], к+1, И) ¥ь(1,), к+1. И) ¥с(1,), к+1. И) Щ.}, к+1, И)

1а ] 1с (И+1) ¥а(и], к+1, И+1) УьО, ], к+1, И+1) ¥с(1, ], к+1, И+1) Щи], к+1, И+1)

1с (И+2) ¥а(1, ], к+1, И+2) }, к+1, Ь+2) Уф, к+1, И+2) Щи ), к+1, И+2)

1сЪ ¥а(1, ], к+2, И) Ущи ], к+2, И) Уф,), к+2, И) Щи ], к+2, И)

а, Ь (к+2) 1с (71+1) УаО,), к+2, к+1) УьО, ], к+2, И+1) Уф,}, к+2, Ь+1) Щи ], к+2, И+1)

1с (И +2) а(1, J, к+2, И+2) УьО, ], к+2, И+2) Уф,), к+2, Ь+2) Щи], к+2, И+2)

1Ьк 1с к а(1, }+1, к, Н) Уьо, ]+1, к, И) Уф, }+1, к. И) Щи]+1. к, И)

(И+1) ¥'а(г, к, И+1) Уьо, )+1, к, И+1) ¥С(,, к, И+1) Щи]+1, к, И+1)

1а 0+1) 1с (И+2) ¥0(1, ]+1, к, И+2) Ущи )+1, к, И+2) Уф ]+1, к, И+2) Щи]+1, к, И+2)

1Ь (к+1) 1сИ ^а(1, ]+1, к+1, И) Ущи ]+1, к+1, И) У фи }+1, к+1, И) Щи]+1, к+1, И)

и (и+1) 4*0(1, ]+/, к+1, И+1) Ущи ]+1, к+1, И+1) ХРфи]+К к+1, И+1) Щи]+1, к+1, И+1)

1с (И+2) *Ра(1, ]+1, к+1, И+2) ^ЬО, ]+1, к+1, И+2) Ч*с(1, }+1, к+1, И+2) Щи]+1, к+1, И+2)

В окне выбора файла известных точек рис. 5.2 вводится название исследуемой машины и комментарии, если таковые необходимы. После указания первого файла известных точек название вносится в список, отображаемый в окошке 5 рис. 5.1. Внесенные файлы запоминаются программой. При повторном запуске выбор не требуется.

Занесенные в программу машины выбираются щелчком мыши по названию в окошке 5 и нажатием кнопки 8.

А.2. Ввод технической информации о матрице известных точек

Дополнительная информация, необходимая для функционирования модели содержится в текстовом файле с расширением .тЦ. Если файл с таким же как у файла известных точек названием и расширением .т//находится в одной папке с файлом известных точек, он автоматически используется. В противном случае программа требует создать такой файл. Для этого необходимо выбрать соответствующую машину в окне 5 рис. 5.1 и нажать кнопку 9.

Для работы с матрицей известных точек в программу необходимо ввести:

• Количество контуров с током.

• Номер колонки, в которой указаны токи контура, для каждого контура.

• Номер колонки потокосцепления каждого контура.

• Максимум, минимум и шаг дискретизации тока в каждом контуре.

• Число витков в каждом контуре. Необходимо как точка отсчета для дальнейшего исследования влияния изменения числа витков.

• Электрическое сопротивление каждого контура.

• Номер колонки, минимум, максимум и шаг геометрической координаты -угла положения ротора или положения подвижной части линейного двигателя.

• Номер колонки, минимум, максимум и шаг вспомогательных координат. Вспомогательные координаты это эксцентриситет, коэрцитивная сила постоянных магнитов и т.п. При решении системы уравнений частные производные потокосцепления по вспомогательным координатам не вычисляются.

• Цикличность основной геометрической и вспомогательных координат. Если координата указанна как цикличная, то при достижении в ходе эксперимента максимума/минимума этой координаты отсчет начинается с минимума/максимума.

• Масса или момент инерции подвижного элемента.

• Номер колонки электромагнитного момента

Все перечисленные данные вводятся в окне технических данных, изображенному на рисунке 5.3. Введенные данные сохраняются нажатием соответствующей кнопки слева в середине окна.

0о1:Те51Рогт

Данные матрицы

Кол. во контуров с током |з

Контур № |1

Имя |А

Номер колонки |1 120

Максимум тока

Минимум тока |-20

Шаг тока |10

Число витков |19

Сопративление контура |0.1

Номер колонки потокосцепления |4 1

основнаях

геометрическая

коораината*

имя ш;

Номер колонки | О Минимум (О Максимум 142 5

"3

Шаг т/^ |1 Номер колонки П I силы/момента '

Цикличность Р

Колво доп. координат* Координата N2 Имя

Номер колонки Минимум Максимум Шаг

~Ц

гБ

Цикличность Г"

Длинна машины |53"

Сохранить изменения

* Изменение основных геометрических кораинат учитывается при расчете ЭДС

Перемещение по координате расчитывается динамически. Дополнительные координаты этим свойством не обладают

Ось тт тах

А 10 10

В 0 0

С 0 0

Ма 0 40

•Н'НЩЩИМН-

Создать матрицу

Р«й

Н |юо 3 точек

1

О -20 -20 -20 0.03297716416965853 -0.07607419776452587 -0.1315544232563263 0 452922107781176 0 -20 -20 -10 0 03119621911311274 -0 08047049830638083 -01135324473217717 2 917594463892669 0 -20 -20 0 0.02880083626226701 -0 08431388639585798 -0.08795528536636964 6 495556653626576 0 -20 -20 10 0.02614934735010012 -0 08747484555907165 -0 04961137224123551 1218893512531179 0 -20 -20 20 0 02350627110600343 -0 09034891377025291 -0.01144785258592204 18 59693430709611 0 -20 -10 -20 0 02893060473051142 -0 03852838776013318 -0.135227372362971 -8.334526680384109

Рис. 5.3 Окно ввода технической информации.

В нижней части окна технической информации отображается содержимое файла известных точек. Там же расположен построитель графиков для проверки корректности работы интерполяции известных точек. На рисунке 5.3 в тестовом окне отображен график потокосцепления фазы А при токе в фазе А равном 10 ампер и изменении положения ротора с 0 до 40 градусов (ток и положения указаны в ячейках таблицы слева от тестового графика). Для работы теста интерполяции файл известных точек должен быть загружен в оперативную память компьютера. Для этого необходимо нажать кнопку «создать матрицу» справа от окна графика.

А.З. Выбор типа виртуального эксперимента

Обмотки машины в виртуальных экспериментах могут быть соединены с нагрузкой как минимум шестью различными способами:

• Звезда - звезда

• Треугольник - треугольник

• Звезда - треугольник

• Треугольник - звезда

• Звезда - звезда нулевым проводом.

• Без электрического соединения фаз

Поскольку нагрузка может быть легко пересчитана из звезды в эквивалентный треугольник и обратно, варианты звезда треугольник и треугольник звезда не рассматриваются.

Выбор схемы соединения выполняется в выпадающем списке 6 рис.5.1. При моделировании работы машины под управлением идеализированной САУ схема соединения не важна, но эти задачи вынесены в отдельный пункт выпадающего списка. После выбора схема соединения отображается в нижней части окна 10.

Список в окошке 7 позволяет выбрать вариант работы машины в ходе виртуального эксперимента из следующих вариантов:

• Питание от источника ЭДС с заданной скоростью ротора.

• Питание от источника ЭДС с заданным моментом на валу.

• Питание от источника тока с заданной скоростью ротора.

• Питание от источника тока с заданным моментом на валу.

Эти четыре варианта позволяют кроме прочего моделировать частные случаи: источник ЭДС с нулевым напряжением эквивалентен закоротке, а источник тока с нулевым током соответствует разрыву. Таким образом, моделируются холостой ход и короткое замыкание.

А.4. Задание внешних переменных

Для различных виртуальных экспериментов необходимо задание различных внешних условий. Для того чтобы обеспечить возможность задания любых возможных условий используется механизм задания шаблонов, управление которым сосредоточено на вкладке 2. Эта вкладка в развернутом виде представлена на рисунке 5.4.

В зависимости от выбранного типа эксперимента указываются ток или напряжение питания, скорость или момент на валу. Если задан ток, шаблон напряжения игнорируется и наоборот, за исключением начального момента моделирования. Значения для этой точки берутся из всех шаблонов без исключений. Пара скорость/момент работает аналогично.

Для всех экспериментов указываются активное и реактивное сопротивление нагрузки подключенной последовательно в цепь источника тока/ЭДС. Если условия эксперимента не предполагают наличие нагрузки, ее задают нулевой.

Параметр температуры позволяет моделировать изменение сопротивления обмотки от нагрева. Также предусмотрены шаблоны для прямого изменения сопротивления обмоток (отдельно для каждой фазы).

Модель позволяет изменять число витков каждой обмотки и активную длину машины. Эти параметры регулируются соответствующими шаблонами.

Выбор конкретного шаблона производится в выпадающем списке отмеченном 12. Выбранный шаблон отображается в окне 11. Наиболее распространенные шаблоны вынесены в блок миниатюр 16. Щелчок по нужной миниатюре выбирает определенный шаблон. Если миниатюра отображает шаблоны параметров фаз, повторные щелчки по миниатюрам приводят к перебору фаз.

Программа моделирования режимов работы электрический машин ¥1.3

Файлы Шаблоны | Решение)

константа

ПЕЙ5

3JLJ _l _LIJLI

Задать Функцию j У =

► |[ повтор

Создание шаблона

ildiMiiHfcli.t

Вставить линию Вставить синусоиду Масштабировать в N раз Масштабировать до Сместить по X

12 5000 Задать

10.0000 ^J

jo ото Наложить

10 0000 ±1

-1П|х|

Сохранить изменения j Отменить изменения | Сору

Paste

[ОЛДипломная работа\Модуль М2\ДБУ 22 1500\nycK.Shab

Ig) Save | Load

Рис. 5.4 Окно настройки шаблонов.

Каждый шаблон это от одной до ста точек, параметрические задающих функцию на выбранном отрезке. Слева и справа от отрезка задается одно из трех граничных условий: константа - значения на всем продолжении оси координат принимаются по значению крайней точки; луч - две крайние точки интерполируются прямой; повтор - форма шаблона на заданном отрезке копируется до бесконечности. Таким способом, например синусоида.

Точки, составляющие шаблон бывают двух видов: простые и сглаженные. Если точка задана как сглаженная, то участок от точки справа до точки слева от этой точки интерполируется сплайном. На рисунке 5.4 показан шаблон из трех

точек, продолженный в лево константой, а в право повтором. Центральная точка шаблона сглаженная.

На графике точки обозначаются небольшими крестиками двух цветов. Красные отметки соответствуют обычным точкам, а зеленые - сглаженным.

Управление точками шаблонов находится во вкладках на панели 7. Вкладка, закрытая на рисунке 5.4 приведена отдельно на рисунке 5.5.

Создание шаблона | Задать Функцию |

Новый шаблон из [1 ^ точек создать "В ставка точки в координаты-

Х = ¡О.ОСЮО 3 = 10.0000 3 Вставить

Сгладить_|_Линеаризовать_|

Рис. 5.5 Вкладка «создание шаблона»

В этой вкладке задается число точек шаблона (точки распределяются через равные расстояния). Также с этой панели можно вставить дополнительные точки в уже существующий шаблон.

На графике шаблона 11 рис. 5.4 отображаются две вертикальные линии синего цвета. Эти линии отмечают участок, к которому применяются функции управления шаблонами, в том числе и команды сглаживания и линеаризации (обратная сглаживанию команда). Нужный участок выбирается манипуляцией с двумя ползунками, расположенными над панелью 17. Длинный ползунок отвечает за масштаб отображения шаблона. Например, чтобы задать отдельной точке сглаживание необходимо следующее: сдвигая ползунки вертикали, визуально отмечающие границы участка воздействия перемещаются так, чтобы между вертикалями осталась только требуемая точка, после чего щелкнуть по кнопке «сгладить».

Аналогично используется большинство команд из вкладки 17. Исключением является команда смещения по X. она воздействует на весь шаблон.

Дополнительно для управления шаблоном могут использоваться ячейки 14, 15, позволяющие растягивать шаблон по вертикали и аналогичные ячейки для горизонтали расположены справа и слева под окном графика.

Функции, задаваемые шаблонами могут завесить от трех параметров: времени, угла поворота ротора, скорости (для более корректного моделирования механического момента) или температуры (сопротивления контуров по умолчанию зависят от температуры даже если задано обратное).

Если функция, например напряжение, задается от положения ротора (т.е. моделируется питание под управлением датчика положения) шаблон «угол управления» определяет сдвиг между численным значением положения ротора и координатами функции. Таким образом, например «угол управления» определяет под каким углом будет направлен вектор тока/напряжения по отношению к оси полюса ротора.

Все созданные для конкретного эксперимента шаблоны можно сохранить для дальнейшего использования и загрузить кнопками «Save» и «Load» справа от отметки 18. Шаблоны сохраняются в одном файле с расширением .Shab. В текстовом окне слева от 18 отображается адрес файла шаблонов.

Блок клавиш 19 предназначен для копирования шаблонов, а также для сохранения изменений в одном шаблоне или откате последнего крупного изменения.

Используя шаблоны можно задавать внешние условия для бесконечного количества виртуальных экспериментов: исследовать динамику работы электрической машины при различных нагрузка и при различных формах питания.

А.5. Решение и анализ результатов

После того как все условия эксперимента заданны в виде шаблонов, а матрица известных точек загружена и корректно работает, для решения достаточно одной команды. Для этого необходимо открыть вкладку 3. Общий вид этой вкладки представлен на рисунке 5.6.

* Программа моделирования режимов работы электрический машин ¥1.3

Файлы | Шаблоны Решение |

22)| зооо 3 точек 10.020 3 сек'

секунд

Решить

Токи

3

Все токи (26)

Токи 1 А

Токи 1 В

Токи 1_С

Выделеный участок -172 0000 3 град

- Ряд Фурье

Разложить

координаты точек

27.9957319106365 -793.674810571753 28.149894' 28 0509503167719 -795.131279783757 30.540504281061687229073 -796 578002532575 32.940541' 28.1613871290427 -798.015277088533 35.350662Е 28.216605535178 -799 443411933855 37.7715437; 28 2718239413134 -800 862728039553 40.203882Е 28.3270423474488 -802.27356136303 42.6484008С 28.3822607535842 -803.67626558966 45 1058460:

21 -I

сохранить

дописать

165.60С разложение в ряд

П-Ш

гармоник

ШЛДипломная работа\Модуль М2\ВЭС 65\Ве$65_т166

®

Рис. 5.6 Окно анализа решения.

Во вкладке 3 необходимо указать продолжительность виртуального эксперимента в ячейка 21, число точек рассчитываемых в ходе моделирования в ячейке 22 и нажать клавишу 20 «решить». Вычисления занимают от нескольких

секунд до пары минут в зависимости от мощности ЭВМ. После этого в окне 23 отображаются графики параметров эксперимента.

В выпадающем списке 25 может быть выбрана одна из следующих групп параметров:

• Напряжения (фазные, падения напряжения на нагрузке и напряжение между нулевыми точками двигателя и нагрузки в зависимости от схемы).

• Токи в ветвях схемы.

• Скорость

• Электромагнитный момент и момент сопротивления

• Положение ротора

• Угол управления

® Сопротивления обмотки

• Активное сопротивление нагрузки

• Реактивное сопротивление нагрузки

• Дифференциальные индуктивности (частные производные потокосцеплений по координатам)

• Числа витков в контурах

• Активная длинна машины

• Момент инерции машины и механической нагрузки

• Температура обмотки

После выбора группы параметра можно затребовать график параметра отдельной фазы из списка в ячейке 26.

График может быть построен как функция времени или положения ротора. Выбор производится в ячейке 24.

В окошке 23 вертикальными линиями выделен отдельный участок графика. Данные этого участка в текстовом виде отображаются в окошке 30. Под этим окошком есть кнопки позволяющие переписать эти данные в отдельный файл, адрес которого отображается в строке 31, перезаписав этот

файл или добавив строки в уже существующий файл. Таким файлам назначается расширение .dots. Поскольку это обычный текстовый файл, его можно использовать для переноса результатов эксперимента в другие программы.

Длина выделяемого участка определяется в ячейке 27. Чтобы переместить область выделения используется ползунок 32. Ползунок 31 предназначен для увеличения масштаба графика.

Кнопка 28 предназначена для разложения выбранного участка графика в ряд Фурье длиной до 300 гармоник. Данные этих гармоник отображаются в окошке 29. Эти данные могут быть сохранены в текстовый файл аналогично сохранению данных из окна 30. Файлам присваивается расширение .fur. Так данные и результаты их разложения в ряд могут храниться под одинаковыми именами.

Приложение Б Результаты натурных экспериментов

Результаты опытов по осциллографированию напряжения на клеммах электрической машины в генераторном режиме при различных нагрузках.

Двигатель ДБУ 0.37-63 -1500 Холостой ход

Результаты осциллографирования

Гармонический анализ

со = 100 об / мин

о.; 0.1 0.4-

о

и в

+ +

и

+ +■

г +

* ф

$ I

$_Ф 8 Е * 9 » ?_ф_* ^ Д ? а <\

0 2 4 6

10 12 14 16 18 20 № гармоники

со = 300об / мин

1.510.51-

,_@_ф $ | й 9 а $_ф_ф а ^ а ^ а. ^

0 2 4

10 12 14 16 18 20 № гармоники

со = 500об / мин

Зти В

2-

>_I_$ § р Й щ I ^_р_¡¡а л ф а р ж ц

0 2 4 6

Результаты осциллографирования

Гармонический анализ

со = ЮОоб / мин

4г и В 32-

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

№ гармоники

со = 900 об / мин

4г11 В з-21--

0 2 4

$_ф_? й ф А ? а ц

10 12 14 16 18 20 № гармоники

¿у = 1 ЮОоб /мин

и в

_р& ф д ? д д

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

N° гармоники

со = 1300об / мин

100]

и в

юо1

и в

+ 8

0 2 4 6

Результаты осциллографирования Гармонический анализ

со = 1500 об / мин

щ 100 80 60 40 20 и В 10 8 6 4 2 и В + + *

-20 -40 -60 -80 - 100 - 120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 № гармоники

Симметричная нагрузка. Яа -\ООм Яь=\ООм Яс=ЮОм

Результаты осциллографирования Гармонический анализ

со - ЮОоб / мин

10 & 6 4 2 СО о.г ОУ о.; и В ' 1 >■ + Ф + + . ¡р

-2 -4 -6 -8 - \ / Ч.^* \ /* \ / \ / V г \ Л V /| \ \/ У у V1 V V-***' ч^7 ^^^ '.Т-'

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 № гармоники

со - 300 об / мин

1Л О О Л п о1 -Н « , П О! 1111 ги в 4221-- и В Ф + 8

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 № гармоники

Результаты осциллографирования Гармонический анализ

со = 500об / мин

40 32 24 16 и В ^ '/л1- /Л /Л Г X :{ \ У 1 ■/ \ / \ 1 \. ' / \ */ * / \ / \ / V ' / \ ■ '/ и*/ \ / \ 1 V * / \* */ V.' / \ / \ / IV' \!г 1 / ЛХ Л Л . . . ¿К . . 8 б 4 2 и В + @ Ф А 4> ® Л * «

-8 - 16 -24 -32 -4№ V •А А А А /\ / *\ /**\ /. »\ ¡1 \ 1 \ ■ / Л. к "л Л /' \ / \ М IV А * ^ 1 1 I V / 1 . ■ » * — *

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 N° гармоники

Симметричная нагрузка. Яа = 20Ом Яь = 20 Ом Яс = 20Ом

Результаты осциллографирования Гармонический анализ

со = \00об / мин

10 & 6 4 2 и В Л""'- ¿Л- 4С л __ 8 б 4 2 и В о +