Математические модели для расчета электромагнитных параметров совмещенного многофункционального бесщелочного возбудителя с учетом несимметрии и двухсторонней системы зубчатости магнитной системы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат технических наук Митрофанов, Олег Павлович

• Митрофанов, Олег Павлович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Митрофанов, Олег Павлович

ВВЕДЕНИЕ

В.1. Современный этап развития бесщёточных систем возбуждения синхронных машин. Существующие разработки и тенденции дальнейшего развития---------------------------------------—

В .2. Постановка задачи разработки математической модели для исследования установившихся режимов работы совмещённых многофункциональных бесщёточных возбудителей-------

1. СОВМЕЩЁННЫЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ БЕСЩЁТОЧНЫЕ ВОЗБУДИТЕЛИ (СМБВ)

1.1. Устройство, принцип действия и основные функциональные особенности возбудителя

1.2. Особенности математического моделирования электромагнитных процессов в СМБВ

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СМБВ НА ОСНОВЕ РАСЧЁТА МАГНИТНОЙ ЦЕПИ МАШИНЫ В ОСЯХ <1 И я

2.1. Основные допущения и положения модели в осях d и q

2.2. Алгоритм расчёта электромагнитного ядра СМБВ в установившемся режиме----------------------------------—;-----------------У

2.2Л. Подход к расчёту параметров схемы замещения магнитной цепи в осях d и q и параметров режима работы

2.2.2. Принципы формирования системы уравнений, описывающих состояния магнитной цепи машины в установившемся режиме----------------------------------------------------ЬЗ

2.2.3. Подход к расчёту магнитных характеристик нелинейных элементов схемы замещения магнитной цепи возбудителя

2.2А. Подход к моделированию обмотки якоря, обмотки возбуждения и постоянных магнитов-------------------—.

2.2.4.1. Подход к моделированию МДС обмотки возбуждения-----/

2.2.4.2. Подход к моделированию постоянных магнитов-------------—

2.2.4.3. Подход к моделированию МДС обмотки якоря

2.2.5. Подход к определению потоков, электродвижущих сил и индуктивных сопротивлений обмоток машины

2.2.5.1. Методика расчёта индуктивных сопротивлений обмотки якоря —---------------------------------------------------------------72.

2.2.5.2. Методика расчёта потоков в зазоре и коэффициентов МДС зазора

2.2.5.3. Методика определения электродвижущих сил обмоток машины

2.2.6. Учёг влияния взаимоперпендикулярно направленных потоков при определении магнитных проводимостей некоторых участков магнитной цепи СМБВ

2.3. Оценка математической модели по результатам испытания промышленных образцов СМБВ

2.4. Программный комплекс на основе модели в осях <1 и я

3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЗАЗОРЕ СМБВ С УЧЁТОМ ДВУХСТОРОННЕЙ ЗУБЧАТОСТИ НА ОСНОВЕ МЕТОДА УДЕЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ (МУМС)

3.1. Сущность метода удельных магнитных сопротивлений

3.1.1. Основные допущения и положения модели

3.1.2. Способ пространственного представления МДС обмотки возбуждения и якоря в модели

3.2. Способы аппроксимации решения полевой задачи при односторонней зубчатости

3.2.1. Расчёт поля в воздушном зазоре электрической машины при односторонней зубчатости согласно подходу Шуйского В. П.

3.2.2. Расчёт поля в воздушном зазоре электрической машины при односторонней зубчатости согласно подходу Вольдека А. И.-------------------------------------------------------10/

3.2.3. Использование результатов решения частных полевых задач методом конечных элементов для исследования процессов в зазоре при двухсторонней зубчатости —

3.3. Подход к определению характеристик магнитных полей в зазоре. Методика расчёта ЭДС подвозбудителя----------------------------------/2/

3.3.1. Определение характеристик магнитных полей в зазоре электрических машин с использованием модели по МУМС----------/2/

3.3.1.1. Гармонический анализ поля в зазоре при различных нагрузках и сочетаниях параметров зубцов на вращающейся и неподвижной частях машины-------------------------------------- -72/

3.3.1.2. Расчёт коэффициента воздушного зазора с помощью модели по МУМС-----------------------------------------------------------/

3.3.1.3. Расчёт коэффициентов полей реакции якоря по продольной и поперечной осям-----------------------------------------/

3.3.1.4. Определение расчётной полюсной дуги-----------------------/

3.3.1.5. Расчёт коэффициента формы поля возбуждения--------------/2 V

3.3.2. Алгоритм расчёта ЭДС обмоток СМБВ с учётом двухсторонней зубчатости-----------------------------------------------¡

3.4. Расчёт провалов индукции вследствие зубчатости якоря и ЭДС измерительной обмотки физической модели бесщёточного синхронного двигателя с индукторным подвозбудителем -----------/3 /

3.4.1. Результаты сравнения относительных провалов индукции из-за наличия пазов якоря, рассчитанных в модели по МУМС с результатами эксперимента и расчётом с помощью МКЭ------------/

3.4.2. Сравнение ЭДС измерительной катушки, рассчитанной в модели по МУМС с результатами испытаний------------------------/3/

3.5. Расчёт ЭДС обмотки индукторного подвозбудителя СМБВ на холостом ходу возбудителя

3.6. Программный комплекс для анализа процессов в зазоре электрических машин на основе МУМС —

3.7. Выводы

4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ В ОСЯХ а И я И МОДЕЛИ НА ОСНОВЕ МУМС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Исследование влияния вторичной зубцовой поверхности на величину результирующего зубцового поля и индуцируемой им электродвижущей силы-----------------------------¡

4.2. Исследование влияния площади поперечного сечения постоянных магнитов на величину форсировочного напряжения СМБВ -----------------------------------------/

4.3. Анализ магнитных полей вращающихся электрических машин в зазоре при различных нагрузках и взаимных положениях зубцовых сердечников на вращающейся и неподвижной частях-------/

4.4. Определение характеристик электромагнитных полей в зазоре электрических машин------------------------------------/

4.4.1. Сравнение зависимостей коэффициента полюсного перекрытия, рассчитанных программой анализа процессов в зазоре СМБВ по методу удельных магнитных сопротивлений с полученными согласно классической теории —-----------------------¡Ы

4.4.2. Сравнение результатов расчёта коэффициентов формы поля поперечной реакции якоря программы анализа процессов в зазоре СМБВ по методу удельных магнитных сопротивлений (МУМС) со значениями, полученными в ходе расчётов согласно классической теории------------------------/Ь /

4.4.3. Сравнение результатов расчёта коэффициентов формы поля возбуждения программой анализа процессов в зазоре СМБВ по методу удельных магнитных

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В СМБВ сопротивлений (МУМС) со значениями, полученными в ходе расчётов согласно классической теории---------------------------/ Ь

4.5. Исследование влияния числа полюсов СМБВ, а также степени насыщения магнитной цепи на распределение потоков в рабочем зазоре и тангенциально направленных потоков в ярме индуктора-----------------------------------------------------¡

4.6. Исследование зависимости ЭДС источника питания системы управления СМБВ от тока нагрузки с помощью математической модели анализа процессов в зазоре электрических машин по МУМС--------------------------------------------///

4.7. Исследование зависимости ЭДС обмотки датчика тока якоря СМБВ от тока нагрузки с помощью математической модели анализа процессов в зазоре электрических машин по МУМС ---------------------------------------/

4.8. Исследование влияния элементов крепления магнитных вставок на величин)' форсировочного напряжения СМБВ--------— /

4.9. Исследование ЭДС обмотки подвозбудителя при нагрузке СМБВ------------------------------------------------------¡8/

4.10. Рекомендации по использованию результатов исследования магнитных полей программным комплексом по МУМС в проектировочных расчётах СМБВ-------¡

4.11. Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математические модели для расчета электромагнитных параметров совмещенного многофункционального бесщелочного возбудителя с учетом несимметрии и двухсторонней системы зубчатости магнитной системы»

В.1. Современный этап развития бесщёточных систем возбуждения синхронных машин. Существующие разработки и тенденции дальнейшего развития

В условиях рыночной экономики использование высокоэффективных технологий является не столько условием благополучия предприятий, сколько, зачастую, необходимым условиям их выживания. Жёсткая конкуренция на рынке энергетического оборудования заставляет отечественных производителей электрических машин всё более совершенствовать функциональные возможности выпускаемых электромеханических устройств, добиваясь при этом более эффективного использования материалов и улучшения эксплуатационных свойств электрических машин.

В рамках общей тенденции поиска эффективных технологических решений происходит совершенствование возбудительной техники для синхронных машин (СМ). Современная система возбуждения (СВ) должна иметь минимальную материалоёмкость, трудоёмкость и энергопотребление по сравнению с существующими и другими разработанными вариантами систем возбуждения одновременно при обеспечении высокой степени надёжности функционирования возбудительного устройства (ВУ).

Большой вклад в создание основ современной возбудительной техники, использование технологии совмещения в возбудительных устройствах, а также в математическое моделирование СВ, внесли такие учёные как Важнов А.И., Веников В.А., Вольдек А.И., Глебов И.А., Горев

A.A., Иванов-Смоленский A.B., Копылов И.П., Кузнецов В.А., Сипайлов Г.А., Сиунов Н.С, Фильц Р.В., Шуйский В.П., Янко-Триницкий A.A., Загрядский В.И., Коломейцев Л.Ф., Костырев М.Л., Пластун А.Т., Попов

B.И., Саралулов Ф.Н., Скороспешкин А.И., Сидельников Б.В., Фёдоров В.Ф., Денисенко В.И., Логинов С.И., Мамедов Ф.А., Павлинин В.М., Пульников A.A. и другие.

Признанными научными центрами по изучению и развитию систем возбуждения синхронных машин на территории СНГ являются ВНИИэлектромаш, ЦПКТБ КЭМ, Институт. электродинамики Национальной академии наук Украины, НИЭИ им. Г.М. Кржижановского, Уральский государственный технический университет, заводы Электросила, Уралэлектротяжмаш, Лысьвенский турбогенераторный завод.

Современное возбудительное устройство, как исполнительный элемент системы возбуждения, должно удовлетворять целому комплексу требований. Наипервейшими в этом комплексе являются автономность, быстродействие, нечувствительность к малым и большим возмущениям со стороны воздействующих на устройство факторов, однозначность воспроизведения сигнала и способность гарантированного обеспечения в любой момент времени требуемого уровня форсировки.

Исследования по синтезу идеального возбудительного устройства [1], ведущиеся уже несколько десятилетий на кафедре электрических машин под руководством проф. Пластуна А.Т., показали, что практическая реализация ВУ, удовлетворяющего столь широкому кругу требований, возможна лишь путём объединения в нём нескольких взаимосвязанных электромеханических преобразователей. Настоящий этап развития возбудительной техники характеризуется наличием двух основных направлений. Первое направление составляют статические ВУ, основанные на использовании статических полупроводниковых преобразователей в сочетании с трансформаторным оборудованием. Второе направление - это бесщёточные системы возбуждения (БСВ), выполняемые, чаще всего, на базе синхронных возбудителей.

Анализ [2, 3] выпускаемых российской промышленностью статических и бесщёточных систем возбуждения показал, что удельный расход материалов на единицу форсировочной мощности системы возбуждения непропорционально больше по отношению к удельному расходу материалов на единицу номинальной мощности возбуждаемой СМ и составляет для статических тиристорных систем возбуждения величину, находящуюся в пределах 6.34^-20.65 кг/кВт, для бесщёточных диодных СВ 3.68-^-8.8 кг/кВт. При этом доля материальных затрат на СВ весьма существенна, несмотря на то, что величина форсировочной мощности возбудителей составляет всего 4-г5 % по отношению к номинальной мощности возбуждаемой машины. Так, например, масса БСДК 15-21-12 при номинальной мощности СД составляет 36,9 % от массы двигателя. При статической тиристорной СВ серии ВТЕ-200 масса системы возбуждения по отношению к массе синхронного двигателя составила 43.4 %. Массы цветного металла составляют, соответственно, 20.5 % и 42 % от массы цветного металла двигателя. В то же время масса бесщёточной системы возбуждения зависит от величины номинальной частоты вращения генератора. С уменьшением номинальной частоты СГ масса БСВ возрастает и становится соизмеримой с массой статической системы. Таким образом, существуют области, где по затратам материалов и условиям эксплуатации целесообразно использовать бесщёточные системы возбуждения, но существуют также и области, где предпочтительнее использовать статические.

Факт необходимости применения в составе БСВ нескольких электромеханических преобразователей, а также эффект снижения затрат конструктивных материалов при использовании магнитного и электрического совмещения создают предпосылки для активного использования технологии совмещения при создании ВУ.

На рис. В.1 приведена конструкция фирмы AEG (Германия) [4]. Здесь часть магнитного потока обмотки возбуждения возбуждаемой машины отводится через магнитный мостик для создания поля возбуждения подвозбудителя (ПВ). Благодаря оригинальному конструктивному решению совмещены две электрические машины -подвозбудитель и возбуждаемая СМ, причём обмотка возбуждения СМ выполняет функцию обмотки возбуждения подвозбудителя.

Значительный интерес представляют собой системы с самовозбуждающимися возбудителями, для которых характерно широкое использование принципов классического электрического и магнитного совмещения. Подвозбудитель в этих системах совмещается с возбудителем. В качестве ПВ применяют известные типы электрических машин: асинхронные, синхронные, индукторные, электромашинные усилители. Основное отличие при применении этих машин заключается в схемах включения обмотки, создающей поле ПВ.

На рис. В.2 и В.З приведены примеры включения этой обмотки в схемах, где в качестве ПВ используется асинхронная машина. Роторная обмотка асинхронного ПВ включается либо параллельно [5] якорной обмотке подвозбудителя, либо последовательно. Параллельное включение [1] приводит к необходимости увеличения мощности ПВ. По данным исследования [6] мощность ПВ достигает 30 % от номинальной мощности возбудителя. Это обусловлено влиянием тока возбуждения СМ в режиме короткого замыкания, в котором преобразователь переходит в более глубокий режим, и напряжение, питающее роторную обмотку асинхронного ПВ, падает. Возможно развозбуждение системы при переходе преобразователя в режим короткого замыкания.

Наиболее интересна схема с последовательным включением ПВ [7] (рис. В.З). В режимах короткого замыкания и наброса нагрузки в этом случае происходит естественная форсировка возбуждения, ПВ обеспечивает все необходимые выходные характеристики, при этом расчётная мощность его существенно уменьшается.

Таким образом, в результате применения традиционных методов совмещения, при которых не допускаются взаимоиндуктивные связи между обмотками совмещаемых машин, удаётся уменьшить затраты конструктивных материалов, но, как правило, увеличивается расход активных. В тех случаях, когда увеличение затрат активных материалов превышает уменьшение затрат конструктивных, использование методов классического совмещения становится неэффективным.

Необходимо отметить, что метод классического совмещения применим, когда совмещаются электрические машины, выполненные с электромагнитным возбуждением. Классический подход не даёт способов совмещения в тех случаях, когда хотя бы в одной из машин использованы постоянные магниты. В связи с этим, по классическому подходу не удаётся совместить синхронный возбудитель и синхронный подвозбудитель с постоянными магнитами возбудительного устройства независимой системы возбуждения (рис.В.4), широко применяемой для возбуждения синхронных машин.

Для уменьшения затрат активных материалов и сокращения общей длины электромашинного агрегата в [1] было предложено использовать нетрадиционные приёмы совмещения, когда допускаются электромагнитные связи между совмещаемыми электромеханическими преобразователями. При этом не накладываются ограничения по числу полюсов или частоте на поля, посредством которых реализуются эти взаимоиндуктивные связи.

В отличие от "классического" подхода, при нетрадиционном совмещении, наоборот, стремятся к наиболее полному использованию поля "чужой" машины при создании ЭДС в одном из совмещаемых подвозбудителей. При этом, зачастую, идут на целенаправленное культивирование высших гармонических полей, реализующих взаимоиндуктивные связи между нетрадиционно совмещёнными машинами, что было бы совершенно неприемлемо с точки зрения классического подхода.

Разработки и исследования в области бесщёточных систем возбуждения, созданных с применением технологии нетрадиционного совмещения, составляют сегодня одно из приоритетных направлений научной деятельности кафедры электрических машин. В результате проведённых в этом направлении исследований были разработаны основы теории нетрадиционно совмещённых синхронных машин, а также созданы опытные образцы.

На рис. В.5 приведена принципиальная схема гармонического возбудителя, в которой для целей возбуждения используется поле, созданного одной из гармоник «амагничивающей силы якоря возбудителя. Схема была применена на ОАО «Уралэлектротяжмаш» при разработке совмещённого бесщёточного возбудителя для дизельгенераторов. Четырёхфазная обмотка якоря 2 возбудителя с числом пар полюсов р подключена к обмотке возбуждения возбуждаемой СМ через диодный выпрямитель. Дополнительная обмотка, расположенная на статоре, имеет число пар полюсов ур, взамоиндуктивна V - той гармонике н.с. якоря возбудителя и через управляемый выпрямитель питает обмотку возбуждения возбудителя. Конструктивно возбудитель выполнен в виде обращённой синхронной машины с явнополюсным индуктором. Обмотка 1 выполняется как обычная обмотка возбуждения, обмотка 3 расположена в пазах полюсного наконечника.

В одной магнитной системе гармонического возбудителя совмещены две электрические машины: синхронный возбудитель и асинхронный подвозбудитель. Обмотка ротора выполняет функции двух раздельных обмоток: обмотки якоря возбудителя и первичной обмотки асинхронного ПВ. Начало процесса самовозбуждения осуществляется от остаточного магнитного поля. Процесс самовозбуждения будет развиваться только в том случае, когда ЭДС в обмотке якоря превышает пороговое напряжение вращающегося преобразователя. Так как величина остаточного потока мала и нестабильна, то начальное самовозбуждение не всегда может быть гарантировано без принятия специальных мер. К основным недостаткам схемы можно отнести трудность использования управляемого преобразователя на роторе.

Более полно преимущества использования нетрадиционного совмещения в синтезе ВУ были раскрыты при создании бигармонического возбудителя [1]. Его якорная обмотка (рис. В.6) выполняется таким образом, чтобы в составе н.с. культивировалась одна из высших пространственных гармоник. В этом случае эта обмотка становится взаимоиндуктивной по полю первой гармоники с обмоткой возбуждения, выполненной с числом пар полюсов р} (коэффициент взаимоиндукции равен МО и по полю с числом пар полюсов ур1 , где V - номер культивируемой гармоники (коэффициент взаимоиндукции равен Му). Якорная обмотка ПВ 3 выполняется с числом пар полюсов ур! и с шагом, равным нечётному числу полюсных делений одной из высших зубцовых гармоник поля индуктора, созданных зубчатостью якоря. Якорная обмотка взаимоиндуктивна двум полям, одно из которых создано гармонической н.с. якоря, а второе - гармонической, вызванной зубчатостью якоря, что и послужило причиной названия подвозбудителя. Таким образом, в данном устройстве одновременно совмещены синхронный возбудитель, асинхронный (АПВ) и индукторный (ИПВ) подвозбудители. ИПВ обеспечивает постоянную составляющую напряжения возбуждения возбудительного устройства, в то время как АПВ генерирует составляющую тока возбуждения, пропорциональную току нагрузки и вызывающую восстановление напряжения на возбудительном устройстве. Такая структура возбудительного устройства позволяет обеспечить самовозбуждение и необходимую кратность форсировки в любых режимах работы возбуждаемой синхронной машины. Переход от независимой классической структуры к самовозбуждающемуся возбудительному устройству позволяет исключить основной их недостаток - снижение кратности форсировки в переходных режимах возбуждаемого генератора. Кроме того, совмещение возбудителя и подвозбудителя в одной магнитной системе позволяет уменьшить длину электромашинного агрегата и исключить технологические трудности при сборке возбудительного устройства консольного исполнения. Вместе с тем, использование остаточного потока не может гарантировать заданное время самовозбуждения. Факт питания АРВ от якорной обмотки совмещённого ПВ нельзя признать достаточно оправданным, поскольку в процессе работы напряжение ПВ изменяется в весьма широком диапазоне, а увеличение мощности блока питания АРВ приводит к дополнительному расходу активных материалов.

Одним из последних результатов синтезирования СВ, в наибольшей степени удовлетворяющей приведённым в начале параграфа требованиям, является система на базе совмещённого многофункционального бесщёточного возбудителя (СМЕВ). Как ни одно из предшествующих, данное устройство максимально сочетает в себе технологические и конструктивные решения, эффективность которых была доказана десятилетиями исследований и опытом эксплуатации бесщёточных систем возбуждения.

Созданный на основе методики нетрадиционного совмещения и направленного формирования характеристик возбудительных устройств, разработанной профессором Пластуном А.Т., СМБВ совмещает в своей магнитной цепи синхронный возбудитель, асинхронный (АПВ) и индукторный подвозбудители (ИПВ), датчик тока ротора (ДТ) и обмотку питания системы управления (СУ) и является сегодня одной из наиболее рациональных возбудительных структур. Асинхронный ПВ обеспечивает самовозбуждение возбудителя по последовательной ветви и одновременно корректирует ток обмотки возбуждения в зависимости от нагрузки. Размещение катушек источника питания АРВ в полюсных наконечниках полюсов комбинированного возбуждения позволило в несколько раз уменьшить диапазон изменения напряжения питания системы управления. Использование обращённой СМ в качестве возбудителя позволяет максимально упростить процесс регулирования, осуществляя его с минимальными потерями. Кроме того, синхронные машины наиболее эффективно среди прочих типов электрических машин совмещаются с постоянными магнитами.

Системы возбуждения на основе СМБВ легко переходят в форсировочный режим и обладают быстродействием на уровне статических систем возбуждения.

Приведём пример сравнения экономических показателей СВ на основе СМБВ с некоторыми распространёнными вариантами систем возбуждения. Поскольку первые образцы совмещённого многофункционального синхронного возбудителя использовались главным образом для питания обмоток возбуждения СМ малой и средней мощностей, то здесь приводится сравнение среди систем возбуждения именно таких машин. Главными конкурентами СМБВ в данной области являются статическая система возбуждения (ССВ) и системы возбуждения на основе обращенных синхронных машин.

Оценка различных систем возбуждения синхронных машин в технической литературе [24] проводится, как правило, путём сравнения массы, стоимости и потерь энергии только систем возбуждения, что оправдано в случае однотипных по структуре СВ. Для СВ, имеющих различную структуру, оценку необходимо проводить для всего технического комплекса, включая возбуждаемую синхронную машину, силовое оборудование СВ и шкаф управления, в том числе и кабели, шинопроводы и т. п. элементы сети, обеспечивающие питание СВ [26]. В [26] для сравнения были выбраны;

1) Статическая система возбуждения (ССВ) с питанием согласующего трансформатора от выводов генератора, выпускаемая серийно ОАО "У ралэлектрогяжмаш";

2) ССВ с питанием тиристорного преобразователя от дополнительной обмотки, размещённой в пазах статора гидрогенератора;

3) Бесщёточная система возбуждения на основе СМБВ, разработанная на УЭТМ.

На рис. В.7 - В.9 представлены принципиальные электрические схемы сравниваемых СВ. При оценке вариантов оценивались:

1) Масса активных материалов гидрогенератора (ГГ) и силовых элементов СВ;

2) Потери во всём техническом комплексе: потери в ГГ с учётом привнесённых системой возбуждения и потери в силовых элементах.

3) Необходимые производственные площади для размещения оборудования.

Результаты сравнения сведены в табл. В.2. Наибольшая масса ГГ с СВ, а также наибольший расход активных материалов, как видно из таблицы, получается в случае использования ССВ. Это обусловлено характерной особенностью ССВ, связанной с потреблением мощности с шин генератора и низким коэффициентом мощности при использовании фазового управления силовым тиристорным преобразователем. Генератор дополнительно нагружается мощностью, в основном реактивного характера, что требует увеличения расчётной мощности ГГ и его тока возбуждения для обеспечения ССВ необходимой реактивной мощностью по сравнению с БСВ. В результате требуется увеличение электромагнитного ядра, что в конечном итоге приводит как к увеличению расхода активных материалов, так и к дополнительным потерям энергии. Увеличение потерь в ГГ и ССВ связано с наличием высших гармоник, т.к. тиристорные преобразователи ССВ являются мощными их источниками.

Другой важной особенностью ССВ является наличие ряда последовательно включаемых силовых элементов: согласующий трансформатор, тиристорный преобразователь, контактные кольца, силовые кабели с арматурой, что приводит к дополнительному расходу материалов и увеличению потерь в СОВ, особенно при достаточном удалении оборудования от возбуждаемой машины, по сравнению с БСВ.

В условиях малых ГЭС существенным недостатком использования ССВ является также необходимость выделения дополнительных площадей для размещения силового оборудования.

Применение ССВ при питании от дополнительной обмотки позволяет отказаться от высоковольтного согласующего трансформатора и высоковольтного трансформатора тока, уменьшить производственные площади для оборудования СВ и затраты на её монтаж. Недостатком этого варианта является наличие дополнительной обмотки в статоре ГГ. Для её размещения необходимо увеличение объёма электромагнитного ядра, что приводит к росту затрат активных материалов и потерь.

Согласно таблице В.2, наименьший расход материалов имеет бесщёточная система возбуждения типа СМБВ. Она потребляет мощность с вала турбины. Для её работы не требуется увеличения расчётной мощности ГГ, дополнительного источника питания начального возбуждения, она не генерирует в сеть высших гармоник. БСВ отличается компактностью силовой части, отсутствием силовых кабелей и щёточного контакта. Система минимальна по занимаемой площади. По динамическим показателям для нормальных эксплутационных режимов БСВ с СМБВ равноценна статической системе возбуждения, но имеет преимущества при глубоких посадках напряжения на шинах возбуждаемой машины.

В [25] приводятся результаты исследований эффективности применения бесщёточной СВ типа СМБВ по сравнению с системой на основе обращенного синхронного возбудителя и подвозбудителя с возбуждением от постоянных магнитов. Возбуждаемой машиной при этом являлся синхронный дизельный генератор для передвижной контейнерной электростанции, предназначенной для работы в различных климатических условиях, в том числе в условиях холодного климата. Вариант с синхронным возбудителем и подвозбудителем включал в себя:

1) бесщёточный возбудитель (обращенный синхронный генератор) типа ОГС-60/6,5-12;

2) подвозбудитель (генератор с постоянными магнитами типа ГП 70/3,524);

3) шкаф управления АРВ.

Вариант СВ с возбудителем типа СМБВ кроме непосредственно возбудителя включал в себя шкаф управления с автоматическим регулятором возбуждения. В обоих вариантах системы возбуждения обеспечивали надежное возбуждение дизельного генератора во всех требуемых режимах работы без внешнего источника питания для системы управления. Возбудитель по второму варианту имеет более сложную конструкцию, чем обращенный синхронный генератор в первом варианте, за счёт магнитных вставок в двух диаметрально расположенных полюсах и дополнительных катушек в полюсных наконечниках, выполняющих роль якорных обмоток двух подвозбудителей, источника питания АРВ и измерительной обмотки датчика тока. В целом система возбуждения с СМБВ имеет преимущества по сравнению с первым вариантом. Согласно экспертным оценкам, проведённым на ОАО «Уралэлектротяжмаш», использование нетрадиционного подхода к совмещению в СМБВ, когда допускаются взаимоиндуктивные связи между обмотками возбудителя и подвозбудителей, и эти связи направленно культивируются, позволило сократить массу элементов системы возбуждения по сравнению с первым вариантом и получить ряд преимуществ:

1) уменьшить расходы на подготовку производства;

2) сократить трудозатраты на изготовление;

3) упростить сборку дизельного генератора с возбудителем;

4) в несколько раз уменьшить массу постоянных магнитов;

5) обеспечить измерение тока возбуждения;

6) увеличить надежность системы возбуждения за счет упрощения конструкции и снижения числа элементов;

7) упростить обслуживание за счет уменьшения числа машин.

При определении экономического эффекта службами ОАО было выявлено, что затраты на изготовление оснастки и проектно- конструкторские работы практически одинаковы для обоих вариантов, а шкафы управления в обоих вариантах практически равноценны по проектным работам и по производственным затратам. Многофункциональный возбудитель ВБМ-59/7-10 и обращенный синхронный генератор ОГС-60/6,5-12 имеют близкие габариты, массу и конструкцию. Удельная стоимость обращенного синхронного генератора несколько меньше, чем у ВБМ-59/7-10, т.к. у него отсутствуют дополнительные катушки в полюсных наконечниках. При расчёте также было учтено, что возбудители ОГС-60/6,5-12 и ВБМ-59/7-10 имеют практически одинаковую массу (около 600 кг.), а масса подвозбудителя ГП-70/3,5-24 составляет около 300 кг. Общий экономический эффект по оценкам специалистов «Уралэлектротяжмаша» составил 6,8 % от цены комплекса оборудования. Авторы [25] считают, что результаты данного расчёта могут быть распространены и на дизельные синхронные генераторы типа СГДБ-143/46-12 мощностью 1250 кВА, 1000 кВт, 500 об/мин. с многофункциональным бесщёточным возбудителем ВБ-99/9-22, разработанные ОАО УЭТМ на номинальный ряд напряжений 0.4, 6.3 и 10.5 кВ.

Также в [25] приводится оценка применения статической системы возбуждения для возбуждения машин такого класса. Результаты технике экономических исследований приведены в табл. В.З. На основании анализа авторы приходят к выводу, что стоимость технического комплекса ДГ-ССВ оказывается больше стоимости ДГ-СМБВ в 1.36 раза, масса оборудования ДГ-ССВ превышает массу технического комплекса ДГ-СМБВ на 8.5 %. а КПД ниже на 0.8 %.

Разработка СМБВ была выполнена на ОАО УЭТМ совместно с кафедрой электрических машин УГТУ в 1991 г. Первый промышленный образец СМБВ был изготовлен в 1993 г., а к настоящему времени разработан отрезок серии совмещённых возбудителей. В табл. В.1 приведены тины и параметры разработанных в ОАО "Уралэлектротяжмаш" бесщёточных возбудителей совмещённого типа для ряда создаваемых гидрогенераторов, дизельных генераторов и генераторов с приводом от газовых турбин. К настоящему времени находятся в эксплуатации и положительно зарекомендовали себя СМБВ типа ВБМ-59/7-10 и ВБ-99/9-22 для возбуждения дизель-генераторов СГД-99/64-4 УХЛ 2 и СГДБ-143/46-12-Н УХЛ 2 мощностью 1 МВт на 1500 об/мин и 500 об/мин соответственно, а также СМБВ для возбуждения гидрогенераторов СВ-173/31-20 Быстринской ГЭС (АО «Камчатск-энерго») мощностью 570 кВт на 300 об/мин. Развивается проектная и исследовательская деятельность, направленная на создание новых образцов устройств и изучение особенностей электромагнитных процессов в возбудителе. Эффективность исследований во многом зависит от возможности достаточно точного учёта всех особенностей взаимодействия электромагнитных полей в результате реализованного нетрадиционного совмещения в СМБВ нескольких электромеханических преобразователей.

Сегодня в практике проектирования СМБВ используется математическая модель, в основе которой лежит гармонический анализ результирующего поля в активной зоне с последующим расчётом ЭДС рабочих обмоток от каждой из гармоник поля без непосредственного учёта влияния двухсторонней зубчатости в условиях глубокого насыщения магнитной цепи. Влияние вторичной зубчатости учитывается через коэффициент зазора. Между тем, постоянное расширение областей применения СМБВ требует от производителей совершенствования существующей расчётной методики. Особенно велика сейчас потребность в методах, способных в сжатые сроки и с достаточной точностью рассчитывать основные параметры и характеристики таких ВУ с тем, чтобы оперативно решать вопросы о стоимости вновь проектируемого СМБВ, либо о возможности использования существующего возбудителя для возбуждения СМ, работающей, к примеру, на других оборотах.

Синхронная машина с бесщёточной системой возбуждения. 1 - синхронная машина; 2 - подвозбудитель; 3 г возбудитель; 4 - вращающийся выпрямитель

1 2 3 4

X И /

1 '14-4 / ч т^ 1

У (—

Г N .У Г/

Рис. В.1

Бесщёточная система возбуждения с параллельным включением подвозбудителя

Рис. В.2

Бесщёточная система возбуждения с последовательным включением подвозбудителя

Принципиальная схема бесщёточной системы возбуждения турбогенератора с синхронным возбудителем и подвозбудителем на постоянных магнитах

Принципиальная схема гармонического возбудителя

Рис. В.5

Принципиальная схема бигармонического возбудителя

Рис. В.6

Принципиальная электрическая схема включения силового оборудования ССВ с питанием от тиристорного преобразователя

Рис. В.7

Принципиальная электрическая схема включения силового оборудования ССВ с питанием от дополнительной обмотки статора ГГ

Принципиальная электрическая схема ГГ с бесщёточной системой возбуждения

Рис. В.9

Таблица В.1.

Типы и параметры разработанных в ОАО "Уралэлектротяжмаш" бесщёточных возбудителей совмещённого типа

Тип возбудителя Номинальные данные Расчетная номинальная частота вращения, об/мин Максикиль но допустимая частота вращения, об/мин Максимальная мощность возбуждаемой синхронной машины при расчетной номинальной частоте вращения, кВт

Мощ ностъ, кВт Ток, К Напря жснис, в

ВБМ-59/7-10 13.6 400 34.0 1500 1800 1500

ВБ-63/9-14 26.4 450 58.6 1000 2100 4000

ВБ-81/9-18 46.0 484 95.0 1000 1800 12400

ВБ-99/9-22 47.3 490 97.0 750 1350 9200

ВБ-99/20-22 17.2 315 55.0 250 1350 1140

Таблица В.2

Сравнение вариантов систем возбуждения гидрогенератора Усть-Джегутинской ГЭС

Наименование показателя СМЕВ ССВ с трансформа тором ССВ с доп. обмоткой

ТипГГ 215/49-10 215/56-10 215/63-10

Мощность ГГ, кВА/кВт 2820/2255 2870/2262 2820/2255

Ном. мощность ОВ, кВт 19.29 17.80 17.20

Треб. ном. мощность СВ, кВч 19.29 19.87 19.27

Потери в сия. элементах, кВт 2.70 6.65 4.75

Потери в ГГ, кВт 99.74 95.83 97.69

Суммарные потере кВт 102.44 102.48 102.44 для размещения 2 оборудования ССВ, м 3.00 11.60 4.70

Масса меди

ГГ, кг 1309 1442 1465

СВ, кг 170 302 215 суммарная, кг 1479 1744 1680

Масса элекгротехн стали

ГГ, кг 3712 4156 4645

СВ, кг 285 424 суммарная, кг 3997 4580 4645

Масса силовых элементов, кг 1210 1570 900 гидрогенератора, кг 25000 26700 28300 общая, кг 26210 28270 29200

Таблица В.З

Технико экономическое сравнение технических комплексов "ДГ-СВ"

Наименование Масса, кг Потери мощности, кВт Стоимость, %

Составляющие технического комплекса ДГ-СМБВ

1 Дизельный генератор СГДБ 143/46-12В1 8940.0 51.4 87.0

2 Совмещенный мноюфункцяональный бесщзточный возбудитель ВБ-99/9-22 1060.0 3.6 10.4

3 Шкаф управления генератором ШУГ-2 150.0 0.1 2.6

4 Резул ьтирующие затраты на технический комплекс ДГ-СМБВ 10150.0 55.1 100.0

Составляющие технического комплекса ДГ-ССВ

5 Дизельный генератор СГДБ 143/46-12В1 для ССВ 8940.0 55.2 87.0

6 Тиристориый шкаф ТВ-400 400.0 1.5 8.2

7 Понижающий трансформатор ТН 21 кВА, 6 кВ 408.0 1.6 7.0

8 Вольтодобавочный / трансформатор ВДТ 142 кВА, 6 кВ 1025.0 3.2 17.8

9 Силовые кабели 154.0 1.0

10 Контактные кольца 80.0 0.7

11 Технический комплекс ДГ-ССВ 11007.0 63.1 120.0

12 Стоимость компенсации дополнительных потерь в техническом комплексе ДГ - ССВ по сравнению с ДГ-СМБВ 7.4

13 Капитальные затраты на дополнительную площадь (8,9 кв. м.) для размещения силового оборудования ССВ по сравнению сСМБВ 8.6

14 Результирующие затраты на технический комплекс ДГ-ССВ 11007.0 63.1 136.0

В.2. Постановка задачи разработки математической модели для исследования установившихся режимов работы совмещённых многофункциональных бесщёточных возбудителей

Наличие взаимоиндуктивных связей между нетрадиционно совмещёнными в СМБВ электромеханическими преобразователями не позволяет рассматривать совмещённые машины изолированно друг от друга и заставляет искать новые подходы к моделированию устройства. Неравномерность магнитных свойств сердечника машины вследствие наличия постоянных магнитов оказывает существенное влияние, прежде всего, на синхронный возбудитель, и должна быть учтена при моделировании.

Неодинаковость магнитных свойств различных участков магнитной системы приводит к неравномерному распределению магнитных полей. Отдельные участки системы при этом могут оказаться в глубоком насыщении. Помимо возбудителя, насыщение зубцов, к примеру, существенно влияет на характеристики индукторного подвозбудителя. Поэтому, наряду с учётом несимметрии магнитной цепи, важно учесть и насыщение.

При расчёте высших гармонических полей необходимо учитывать взаимодействие противолежащих зубцовых массивов. При этом модель должна быть достаточно универсальной в плане варьирования параметров рассматриваемых зубцово-пазовых зон, поскольку даже в СМБВ существует неоднородность в построении зубцового слоя индуктора (по разному размещаются катушки источника питания системы управления и фаз подвозбудителей).

Среди набора существующих методов исследований электромеханических устройств, наиболее перспективными сегодня признаны методы исследования цифровых математических моделей.

Точные аналитические методы расчёта магнитных полей: метод разделения переменных [27], метод конформных преобразований [28] -мало приемлемы для расчёта магнитных полей в электрических машинах в случае сложных форм поверхностей, отделяющих среды с различными свойствами, и нелинейности сред, проявляющейся в зависимости их параметров от величин, характеризующих поле.

Использование метода проводимостей зубцовых контуров [11] для расчёта СМБВ, при имеющемся нерегулярном распределении пазов индуктора, привело бы к необходимости проведения достаточно громоздких вычислений при разных последовательных положениях статора относительно ротора и к необходимости манипулирования большими объёмами данных.

Моделирование полей в электрических машинах предполагает использование дискретных [29] и непрерывных аналоговых моделей [12].

Несмотря на то, что основным преимуществом моделирования с помощью электропроводящей бумаги и проводящих листов является универсальность и простота устройства, этот подход требует значительных затрат времени на проведение экспериментов для различных взаимных положений ротора относительно статора и не позволяет учесть влияние постоянных магнитов.

Физическое моделирование является наиболее точным методом решения задач расчёта электромеханических устройств, но в современных условиях оно становится всё менее доступным из-за необходимости значительных материальных затрат.

Разностные и вариационно-разностные численные методы, таких как метод конечных элементов (МКЭ) [30, 42, 43] или метод конечных разностей [31], подходят по специфике поставленных задач, поскольку позволяют учесть несимметрию и нелинейность магнитной цепи, а также не накладывают ограничений на геометрию и степень дискретизации рассчитываемых областей. Однако факт того, что несимметрия магнитной цепи СМБВ приводит к необходимости расчёта, в конечном счёте, половины многополюсной машины при необходимости выделения гармоник с порядковыми номерами до второго десятка, ставит под сомнение целесообразность применения подобных методов исследования в данном случае. Использование МКЭ применительно к обозначенным задачам привело бы к значительным затратам времени на исследования, либо к необходимости кардинального увеличения дорогостоящих вычислительных мощностей.

Существующие к началу работы над диссертацией разработки кафедры и ОАО «Уралэлектротяжмаш» (32, 41] не позволяли с достаточной степенью точности моделировать процессы в СМБВ. Влияние постоянных магнитов на параметры магнитной цепи либо не учитывалось, либо учитывалось приближённо. Влияние поперечной реакции якоря на поля в зазоре и рабочие процессы возбудителя учитывалось приближённо. Используемая на ОАО УЭТМ модель учитывала влияние двухсторонней зубчатости через коэффициент зазора. Не было разработок, способных описать взаимодействие парных гармоник при создании ЭДС асинхронного подвозбудителя.

В связи с этим, перед автором были поставлены следующие задачи.

1. Разработать математические модели, которые позволяли бы на базе персонального компьютера быстро (в пределах часа) и с точностью на уровне предпроектных исследований рассчитывать параметры режима работы СМБВ совместно с возбуждаемой машиной и электромагнитные процессы в активной зоне возбудителя.

2. Построить математическую модель на основе представления магнитной цепи возбудителя в виде эквивалентной схемы замещения, выполненной в осях с! и q. Базируясь на расчёте электромагнитного ядра машины в условиях насыщения и несимметрии, модель должна производить поверочный расчёт установившегося режима работы СМБВ.

3. Разработать математическую модель на основе метода удельных магнитных сопротивлений (МУМС) для расчёта процессов в активной зоне возбудителя с учётом двухсторонней зубчатости при произвольном сочетании геометрических размеров противолежащих зубцовых массивов, а также с учётом насыщения коронок зубцов. Должны быть реализованы алгоритмы непосредственного расчёта основных параметров поля в зазоре, таких как, коэффициент расчётной полюсной дуги, коэффициент формы поля возбуждения и т. п. Включить в модель процедуры численного гармонического анализа полей, пространственного распределения удельных магнитных проводимостей и т. п. в расчётных зонах произвольной протяженности. Реализовать в модели алгоритм непосредственного расчёта ЭДС катушек и обмоток при произвольном размещении их сторон.

4. С помощью разработанной модели в осях d и q исследовать влияние несимметрии и степени насыщения магнитной цепи СМБВ на распределение потоков в магнитной системе возбудителя. Оценить влияние параметров магнитов, а также элементов их крепления на величину форсировочного напряжения СМБВ.

5. Исследовать с помощью модели по МУМС влияние вторичной зубчатости на зубцовую составляющую поля в зазоре и ЭДС ИПВ. Изучить работу обмотку датчика тока якоря и обмотки питания СУ при нагрузке возбудителя. Провести исследование взаимодействия третьей и пятой парных гармоник реакции якоря при работе АПВ.

6. На основе проведённых исследований сформулировать рекомендации для проектирования СМБВ.

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Митрофанов, Олег Павлович

4.11. Выводы

1) С помощью модели для анализа процессов в активной зоне СМБВ но МУМС сделана оценка влияния вторичной зубчатости на индукторную составляющую ЭДС якорной обмотки ПВ. Проведённые исследования показали, что при отсутствии промежуточного паза увеличение относительной ширины пазов индуктора приводит к снижению амплитуды основной гармоники ЭДС ИПВ. Наличие промежуточного паза, характерное для ВБМ 59/7-10 и ВБМ 99/9-22, приводит при постоянной средней индукции и при существующем шаге якорной обмотки ПВ, равном трём полюсным делениям зубцовой гармоники, к возрастанию амплитуды основной гармоники ЭДС ИПВ. Существует область значений относительной ширины пазов индуктора, внутри которой относительное увеличение амплитуды основной гармоники ЭДС ИПВ превышает относительное увеличение тока возбуждения, вызванное необходимостью поддержания индукции постоянной.

2) Проведённые на модели в осях с! и ц эксперименты подтвердили несимметричный характер распределения потоков в магнитной системе СМБВ. Увеличение числа полюсов, а также степени насыщенности стальных участков, приводит к более равномерному распределению потоков в зазоре и спинке сердечника индуктора.

3) Численные эксперименты на модели в осях (1 и q показали, что увеличение площади поперечного сечения постоянных магнитов при неизменной их длине и постоянном токе ОВ приводит к увеличению коэффициента форсировочного напряжения нагруженного совмещённого возбудителя, поскольку при этом в потоке комбинированных полюсов возрастает доля МДС магнитов.

4) Показана возможность использования модели в осях с! и ц для оценки влияния элементов крепления постоянных магнитов комбинированных полюсов на поток комбинированных полюсов. Расчёты, проведённые на базе геометрических и обмоточных данных десятиполюспого СМБВ, показали, что увеличение потока комбинированных полюсов благодаря действию магнитных шунтов достигает 8-10 %, что может на несколько процентов повысить коэффициент форсировочного напряжения малополюсных СМБВ. Показано, как подбор сечения элементов крепления магнитов на стадии проектирования может реализовать проявление дополнительного эффекта форсировки при определённой нагрузке возбудителя.

5) С помощью модели по МУМС рассчитаны зависимости ЭДС катушки датчика тока якоря десятиполюсного СМБВ от тока возбуждения на холостом ходу и от тока нагрузки при снятии рабочих характеристик возбудителя. Линейный характер полученной зависимости при изменении тока якоря от половины номинального и выше доказал возможность использования модели для качественной оценки ОДТ. Вместе с тем, наличие сигнала на холостом ходу позволяет рекомендовать изготовителю провести более точное конфигурирование зубцовой зоны для размещения катушки ДТ.

6) С помощью модели по МУМС проведена оценка возможного изменения ЭДС обмотки питания СУ при изменении тока якоря практически от нуля до 4.5 номиналов. ЭДС катушки ИП изменяется при этом примерно на 25 % , что достигается размещением этой катушки на комбинированном полюсе, поток которого не может существенно меняться благодаря наличию в нём вставки из магнитотвердого материала. Таким образом подтверждена способность предложенной модели качественно оценивать работу обмотки питания при нагрузке.

7) В соответствии с проведёнными в данной главе численными экспериментами, сформулированы рекомендации проектировщикам СМБВ. Рекомендовано использовать разработанные модели для ускоренных предпроектных исследований с целью сокращения времени.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1) Разработана математическая модель для расчёта, установившихся режимов работы СМБВ с учётом нелинейности и несимметрии магнитной системы возбудители на основе представления магнитного ядра машины в виде эквивалентной схемы замещения, выполненной в осях 6 и q. Расчёт нелинейной магнитной системы осуществляется с использованием разработанного на кафедре электрических машин и адаптированного к особенностям СМБВ алгоритма решения нелинейных задач-.

2) В рамках модели в осях с! и ц реализована математическая модель для расчёта постоянных магнитов в условиях изменяющихся параметров внешней магнитной цепи.

3) Взаимное влияние потоков продольной и поперечной реакций якоря, а также потоков комбинированных и электромагнитных полюсов учитывается в модели, построенной в осях с! и естественным образом, что обусловлено самим подходом к расчёту, основанном на использовании детализированной эквивалентной схемы замещения магнитного ядра возбудителя. Магнитные потоки в эквивалентной схеме замещения перераспределяются в соответствии со структурой схемы, величиной сосредоточенных источников МДС, а также значениями магнитных сопротивлений в ветвях.

4) Принятие прямоугольной формы пространственного распределения МДС якоря СМБВ при числе пазов на полюс и фазу, равном еденице, позволяет точнее моделировать поле в зазоре по сравнению с классическим подходом [15], существенно упрощает структуру схемы замещения магнитной цепи. Такое представление позволяет сократить размерность задачи и снижает, тем самым, необходимое для расчёта время.

5) Предложен и реализован подход к расчёту ЭДС якоря по значениям потоков под всеми полюсами, что, в сочетании с условием сохранения баланса ЭДС по диаграмме Потье, позволяет более детально, по сравнению с другими моделями для расчёта СМБВ, учитывать нелинейность и несимметрию магнитной системы при расчёте установившегося режима работы СМБВ.

6) С помощью предложенной модели в осях (1 и я выявлены закономерности распределения магнитных потоков в зазоре и спинке индуктора СМБВ в зависимости от числа полюсов и степени нагрузки. Выявлено недоиспользование активной стали в спинке индуктора для одного из промышленных образцов СМБВ. Даны соответствующие рекомендации заводу-изготовителю.

7) Исследовано влияние элементов крепления постоянных магнитов на поток полюсов комбинированного возбуждения. Установлено, что в результате этого влияния при определённом значении тока нагрузки возбудителя происходит увеличение потока полюсов комбинированного возбуждения за счёт изменения направления потока в крепёжных болтах под действием форсировочного значения тока обмотки возбуждения. В результате, кратность форсировочного напряжения СМБВ увеличивается. Увеличение может составить до 10 % в модификациях СМБВ с малым числом полюсов.

8) Разработана математическая модель на основе МУМС позволяющая ускоренно рассчитывать процессы в активной зоне возбудителя с учётом нелинейности и несимметрии магнитной системы, а также влиянием двухсторонней зубчатости. МУМС не накладывает ограничений на соотношение геометрических размеров противолежащих зубцовых массивов, не требует проведения г ромоздких подготовительных расчётов и позволяет учесть насыщение коронок зубцов непосредственно в зоне проявления этого эффекта. По сравнению с МКЭ [30] модель гю МУМС позволяет в сотни раз быстрее проводить необходимые расчёты при сохранении точности вычислений на уровне инженерных методик. Модель рассчитывает поля в зоне любой протяжённости при произвольной степени дискретизации, независимо от взаимного положения противолежащих зубцовых массивов и характера распределения пазов.

9) В рамках модели по МУМС реализован алгоритм непосредственного расчёта ЭДС катушки при произвольном размещении её сторон с возможностью выделения высших гармоник.

10) С помощью модели по МУМС определены основные закономерности влияния вторичной зубчатости на основную зубцовую гармонику поля. Проведённые на модели исследования установили факт увеличения ЭДС ИПВ на холостом ходу вследствие наличия промежуточного паза в пределах ширины катушки при постоянном значении средней индукции в расчётной зоне и при условии, что ширина катушки ИПВ равна трём полюсным делениям зубцового поля. Выявлены зоны наиболее выгодного, с точки зрения использования этого эффекта, соотношения ширины пазов индуктора и зазора для одного из промышленных образцов возбудителя.

11) Показано, что с использованием предложенной модели по МУМС можно исследовать взаимодействие парных третьей и пятой гармоник МДС реакции якоря на величину ЭДС АПВ, оценить работу обмотки питания системы управления, а также датчика тока якоря при нагрузке возбудителя. Полученные с использованием модели данные исследований хорошо согласуются с теоретическими представлениями и данными экспериментов.

12) Удовлетворительные результаты сравнения рассчитанных с помощью предложенных моделей параметров и характеристик СМБВ с данными классических методик и результатами испытаний промышленных возбудителей позволяют рекомендовать разработанные модели для проведения ускоренных преднроектных исследований ВУ на основе СМБВ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Митрофанов, Олег Павлович, 1999 год

1. Пластун А.Т. Бесщёточные совмещённые возбудительные устройства синхронных машин. Дисс. на соиск. уч. ст. д. т. н., Свердловск, 1985г., 569 с.

2. A.c. 578807 (СССР). Синхронная электрическая машина с возбуждением от высших гармоник / А.Т. Пластун Опубл. В Б.И. 1982, №7.

3. Engelen К., Jordt H. Neue Reihe vierpoliger Bürstenloser Synchronmaschinen. Typ. DKBH mit Zeistungen von 30 bis 2000 k VA Fechn Mitt. AEG Telefunken, 1975, 65, №12, 127-129.

4. Пластун. A.T., Бреев B.H., Сиунов H.C., Клейман И.Л., Лапаев К.В. и др. •Устройство для бесщёточного возбуждения синхронной машины. Авт. свид. № 332549.

5. Кошкин А.Н., Исследования бесконтактного возбудителя для синхронных генераторов автономных установок. Дисс .на соиск. уч. ст. к.т.н. Свердловск, 1974.

6. Пластун А.Т. и др. Бесконтактный возбудитель синхронной машины. Авт. свид. № 200656, кл., 21, d2, 6/0.1, «Бюллетень изобретений», №17, 1967.

7. Магнитные материалы. Суказов. Э.А., Богачёв Ф.А., Начинков А.Д. Л.: Издательство Ленинградского Университета. 1974г. С. 122.

8. Пульников A.A. Математические модели и методы расчёта совмещённых бесщёточных индукторных возбудителей синхронных машин. Дисс. на соиск. уч. ст. д. т. н. Екатеринбург, 1997г. С.511.

9. Шуйский В.П. Расчёт электрических машин. М.: «Энергия», 1968. С.732.

10. Вольдек А.И. Магнитное поле в воздушном зазоре асинхронных машин /Тр. ЛПИ, 1953, №3.

11. Г. Корн, Т. Корн. Справочник но математике для научных работников и инженеров. М.: «Наука», 1977. С. 832.

12. Вольдек А.И. Электрические машины. JI.: «Энергия», 1974. С. 839.

13. Талалов И.И. параметры и характеристики явнополюсных синхронных машин. М.: Энергия, 1978. С. 168.

14. Нейман JI.P., Калантаров П.Л. Теоретические основы электротехники. 4.1, М.: гос. энерг. издание, 1959. с. 292.

15. Возбудитель бесщёточный ВБМ 59/7 10 УХЛ 2 для синхронного дизель-генератора СГД - 99/64 - 4 УХЛ 2. Протокол испытаний опытного образца. ОБП. 129.474., 1994. с. 83.

16. Колупаев В.П. Цифровая математическая модель поля возбуждения синхронного двигателя с совмещённым индукторным возбудителем. Дисс. на соиск. уч. ст. к. т. н. Свердловск, 1989г. С. 280.

17. Абрамович. Б.М., Круглый A.A. Возбуждение, регулирование и устойчивость синхронных двигателей. Л.: Энергоатомиздат, 1983. 128с.

18. Технико-экономическая оценка применения совмещенных многофункциональных бесщеточных возбудителей для дизельных синхронных генераторов. Ю.И. Гольмаков, Г.А. Пекерман, Ю.Н. Радченко, Е.С. Эльберт, В.И. Денисенко, А.Т. Пластун. 1998 г.

19. О выборе системы возбуждения для гидрогенераторов малых ГЭС. В.П. Лошкарёв, Е.С. Эльберт, В.И. Денисенко, А.Т. Пластун. Современные проблемы энергетики, электромеханики и электротехнологии. Вестник УГТУ-УПИ, Екатеринбург, 1995, с. 11 -118.

20. Зечихин Б.С. Об одной группе задач магнитного поля для синхронной машины // Тр. / Моск. энергетич. ин-т. 1974. Вып. 286. - С. 104-107.

21. Куркалов И.И. Магнитное поле в зазоре машины постоянного тока с беззубцовым якорем // Бесконтактные электрические машины. Рига, 1967.-Вып. 5.-С. 55-94.

22. Альпер. Н.Я. Расчёт магнитных полей в зазоре индукторной машины с постоянным потоком // Вестн. Электропромышленности. 1962. - №3. -С. 10-17.

23. ХеммингР.В. Численные методы. М.: «Наука», 1972.

24. Гельфонд А.О. Исчисление конечных разностей. М.: «Наука», 1967.

25. Разработка математической модели и исследование системы возбуждения с многофункциональным возбудителем в динамических режимах синхронной машины: Отчёт о НИР / Урал, политехи, ин-т им. С.М. Кирова. № 128/ОВП. Свердловск, 1993.-42 с.

26. Расчёт магнитного поля в воздушном зазоре совмещённого многофункционального бесщёточного возбудителя с учетом двухсторонней зубчатости / Денисенко В.И., Кичигин В.Н., Митрофанов

27. О.П., Пластун А.Т., Пульников A.A. // Вопросы совершенствования элеюротехнологического оборудования и электротехнологий. Сб. Науч. Трудов Вып.2. Екатеринбург: УГГУ, 1997. С.217-226.

28. Новые дизельные электростанции / В.И. Денисенко А.Т. Пластун, О.П. Митрофанов, В.Н. Кичигин и др. // Тезисы докладов научно-практического семинара на международной выставке "Уралэкология-98: 9-10 апреля 1998г." Екатеринбург, 1998.С.179.

29. Разработка пакета программ для расчёта многофункционального бесщёточного синхронного возбудителя в динамических режимах: Отчёт по НИР/УПИ; рук. А.Т. Пластун. № 117/ОВП. Свердловск, 1992. -43 с.

30. Шумилов Ю.А. Анализ, магнитного поля в воздушном зазоре асинхронной машины методом конечных элементов. Киев: Институт электродинамики АН УССР; 1976, 64 с.

31. Терзян A.A., Сукиасян Г.С. К определению магнитных полей численными методами. Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1977, №5, с. 115-121.

32. Пластун А.Т. Математическая модель синхронных машин с совмещённым индукторным возбудителем для исследования динамических режимов/ В.И. Денисенко, Ю.А. Онучин, В.Н. Кичигин,

33. Е.И. Рябенко// Электрические машины и электромашинные системы/ Перм. политехи, ин-т. Пермь, 1990. С.8-17.

34. Денисенко В.И. Математическая модель магнитной цепи синхронной машины с комбинированным возбуждением // Электрические машины и электромашинные системы/ Перм. госуд. техн. университет. Пермь.1995. С. 18-26.

35. Пульников A.A. Метод решения систем нелинейных алгебраических уравнений в электротехнике// Тезисы докл. II Международной конференции по электромеханике и электротехнологии, ч.1, Украина, Крым, 1996. С.212.

36. Денисенко В.И. К расчёту магнитной проводимости воздушного зазора при двухсторонней зубчатости бесщёточных совмещённых возбудителей // Там же. С.208-209.

37. К учёту влияния взаимоперпендикулярно направленных потоков при определении магнитных проводимостей некоторых участков магнитной цепи СМБВ