Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы и задачи исследования 9
1.1. Генераторная установка как элемент системы электроснабжения сельскохозяйственной техники 9
1.2. Обзор систем автономного электропитания бортовых сетей тракторов и комбайнов на два уровня напряжения 16
1.3. Методы исследования вентильных индукторных генераторных установок 21
1.4. Особенности расчета магнитного поля электрических машин 25
1.5. Особенности исследования индукторных генераторов на основе математических моделей 34
1.6. Цель и задачи исследования 39
Глава 2. Математическое моделирование генераторных установок для сельскохозяйственных машин 41
2.1. Схема замещения магнитной цепи индукторного генератора с постоянными магнитами в пазах ротора 41
2.2. Математическая модель постоянного магнита в пазах ротора индукторного генератора 46
2.3. Математическая модель и схема замещения ферромагнитного участка с учетом вихревых токов 56
2.4. Расчет магнитной проводимости между зубцом статора и ротора генераторной установки с переменным сечением полюсов 65
2.5. Разработка математической модели генератора 77
2.6. Описание структуры данных 80
2.7. Составление и решение систем уравнений электрической и магнитной цепи генератора 85
2.8. Работа на модели 90
Выводы 92
Глава 3. Обоснование расчетных параметров генераторов на два уровня напряжения для сельскохозяйственных машин 93
3.1. Основные рекомендации по конструкции и схеме генераторов на два уровня напряжения (ГДУ) 93
3.2. Выбор числа фаз и схемы соединения обмоток 100
3.3. Основные соотношения при выпрямлении 106
3.4. Исследование характеристик ГДУ 116
3.5. Анализ работы двухуровневой бортовой системы с ГДУ 129
3.6. Расчет баланса электроэнергии в цепях с ГДУ 141
Вывод ы 155
Глава 4. Методика проектирования гду. оценка технико-экономической эффективности 157
4.1. Определение технических требований и принятие основных ограничительных решений 157
4.2. Выбор параметров зубцовой зоны генераторов 159
4.3. Проектирование с унификацией по базовой модели 162
4.4. Описание спроектированных образцов ГДУ 168
4.5. Методика исследования и проектирования ГДУ 174
4.6. Расчёт экономической эффективности от внедрения генераторов двойного питания 175
Выводы 178
Заключение 179
Список литературы 182
Приложения
- Обзор систем автономного электропитания бортовых сетей тракторов и комбайнов на два уровня напряжения
- Математическая модель постоянного магнита в пазах ротора индукторного генератора
- Выбор числа фаз и схемы соединения обмоток
- Выбор параметров зубцовой зоны генераторов
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие сельскохозяйственного производства в соответствии с закономерностями технического прогресса приводит к неуклонному росту потребности в электроэнергии для выполнения трактором и комбайном своих многообразных функций. Стремление повысить конкурентоспособность сельскохозяйственной техники приводит к росту количества и мощности установленного на них электрооборудования, улучшающего потребительские и эксплуатационные свойства комбайнов и тракторов. Это требует от разработчиков систем электроснабжения сельскохозяйственной техники создания генераторных установок с высокими мощностными показателями, которые могут обеспечить выполнение многообразных и жизненно важных для работоспособности и производительности тракторами и комбайнами функций, начиная от пуска двигателя и заканчивая кондиционированием воздуха в кабине. Только благодаря применению электрической энергии становится возможной производительная полноценная эксплуатация тракторов и комбайнов в любое время суток, в любых климатических условиях.
Технический прогресс в области сельскохозяйственного электрооборудования невозможен без соответствующего совершенствования генераторных установок - главных автономных бортовых источников электроэнергии. Требования к ним, как в отношении мощности, так и в отношении ряда важнейших технических характеристик, таких, как автоматическое регулирование напряжения, безотказность, долговечность и т.д., — непрерывно растут.
В настоящее время в бортовых сетях-тракторов, комбайнов и самоходных сельхозмашин применяются номиналы напряжений 12 (14) и 24 (28) В. Большая группа потребителей, в частности все электродвигатели, электростартер имеют большой ресурс, лучшие показатели надёжности и массогабаритные показатели при номинале напряжения 24 В. В тоже время лампы накаливания на 12 В имеют почти в трое больший ресурс, чем из аналоги на 24 В. В применяющихся системах электроснабжения сельскохозяйственных машин базовый
генератор выполнен на напряжение 14 В, а дополнительный маломощный источник - преобразователь напряжения обеспечивает подзарядку второй аккумуляторной батареи, что позволяет перевести на 24 В систему электропуска. Такое решение относительно просто, но не решает кардинально проблему поскольку включение на 24 В мощных потребителей электроэнергии невозможно.
Поэтому разработка генератора с двумя трансформаторно связанными обмотками, обеспечивающего подключение нагрузки на полную мощность к любому из уровней или при произвольном распределении нагрузки по уровням напряжения является актуальной задачей современного сельскохозяйственного машиностроения.
Цель исследований. Обоснование рациональных параметров и режимов работы генераторных установок для сельскохозяйственных машин.
Поставленная цель определила необходимость решения следующих задач:
Выполнить анализ электроснабжения бортовых систем сельскохозяйственной техники и обосновать конструкцию генераторной установки.
Разработать алгоритм синтеза схемы замещения магнитной цепи генератора с постоянными магнитами в пазах ротора и учётом вихревых токов в зубцах статора и ротора.
Разработать математические модели элементов магнитной и электрической цепей генератора.
Исследовать основные схемы выпрямления, характеристики ГДУ (генератор на два уровня напряжения 12/24 В) и определить основные соотношения между токами и напряжениями при многофазном выпрямлении.
Разработать методику расчёта баланса электроэнергии на тракторе и комбайне, учитывающую особенности ГДУ и специфику подключения аккумуляторных батарей к разным источникам питания.
Обосновать рекомендации по проектированию генераторов на два уровня напряжения с учётом условий компановки на двигателе трактора или комбайна
и выполнить расчёт технико-экономической эффективности предложенных технических решений.
Объект исследований. Объектом исследований является многофазный индукторный генератор с вентильным преобразователем на два уровня напряжения.
Методы і исследования. При выполнении работы применялись аналитические и экспериментальные методы исследования особенностей рабочего процесса многофазных индукторных генераторов с полупроводниковым выпрямителем, которые могли» способствовать решению поставленных задач по разработке перспективного генератора с высокими технико-экономическими показа- . телями для сельскохозяйственной техники: основные положения теории поля, численные методы решения дифференциальных уравнений, численные методы аппроксимации функции, математическая обработка и статистический анализ экспериментальных данных с применением компьютерной техники при использовании специальных прикладных пакетов компьютерных программ.
Научная новизна исследований. Новизна научных положений изложенных в диссертационной работе заключается в следующем:
Теоретически установлено и экспериментально доказана эффективность использования генератора с двумя трансформаторно связанными обмотками, обеспечивающего работу генератора с полной мощностью при произвольном распределении нагрузки между уровнями.
Получены аналитические выражения для расчёта параметров схемы замещения магнитной цепи ГДУ, и выполнен анализ характеристик ГДУ основанный на приведении токов обоих уровней к эквивалентному току нижнего уровня.
Предложен способ разделения магнита в схеме замещения магнитной цепи на две или несколько параллельно стыкованных частей, что позволяет уточнить математическую модель магнитов в пазах ротора индукторных генераторов с учётом их размеров.
Практическая значимость работы. Разработанная методика исследования и расчёта генераторов на два уровня напряжения используется при обосновании технических решений по модернизации бортовых систем электрооборудования сельскохозяйственной техники.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты работы использованы и внедрены в практике проектирования перспективных генераторов для сельскохозяйственной техники на ЗАО «Автотракторное электрооборудование» (г. Рубцовск). Разработанные по предложенной методике генераторы на два уровня напряжения генераторы 9612.3701 - 20 и 9642.3701 -20 прошли испытания на ПО «Минский тракторный завод» и ОАО «Красноярский завод комбайнов».
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на электротехническом факультете Рубцовского индустриального института Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова при чтении лекций и проведении занятий по курсу «Электромеханика», а также в курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены, обсуждены и одобрены на Международной научно-технической конференции «Вузовская наука в современном мире» (г. Рубцовск, 1999 г.), IV Научно-технической конференции студентов и аспирантов (г. Рубцовск, 2002 г.), 8-й Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС-8-2002)» (г. Кемерово, 2002 г.), Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновация» (г. Новосибирск, 2003 г.).
На защиту выносятся:
Математическая модель и схема захмещения магнитной цепи ГДУ.
Теоретические и экспериментальные исследования режимов работы ГДУ.
Методика проектирования ГДУ с учётом компоновки его на двигателе трактора или комбайна.
Публикации. По материалам проведённых исследований опубликовано 10 печатных работ.
Структура и объём диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и приложений. Работа изложена на 197 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка и 11 таблиц и список литературы, включающий 106 наименований.
Обзор систем автономного электропитания бортовых сетей тракторов и комбайнов на два уровня напряжения
Как известно, что потребление электроэнергии на комбайнах, тракторах и автомобилях за каждые 10 лет примерно удваивается [1], появляются всё новые и новые потребители электроэнергии. Это связано с тем, что в последнее время особенно резко возросли требования к комфорту и экологическим показателям сельскохозяйственной техники. Появление целого ряда потребителей электроэнергии накладывает дополнительные требования не только к мощности генераторной установки, но и к качеству выходного напряжения. Всё это требует соответствующего увеличения мощности генераторной установки без особенного увеличения её габаритных размеров. Кроме того, предъявляются дополнительные требования, обусловленные обеспечением заданного качества вырабатываемой электроэнергии с разными уровнями выходного напряжения.
В настоящее время вся сельскохозяйственная техника работает на дизельном топливе. Для запуска дизельных двигателей требуются стартеры в 3-4 раза больше, чем для бензиновых. Применение системы электрооборудования на два уровня напряжения 12/24 В обусловлено тем, что при сохранении всех изделий электрооборудования бортовой сети с номинальным напряжением 12 В применение стартера с напряжением 24 В позволяет увеличить его мощность в 1,5 раза по сравнению со стартером 12 В, в тех же габаритах и массе. Это наиболее актуально для сельскохозяйственных машин, работающих в районах с холодным климатом, где требуется стартер большой мощности.
В настоящее время стандарты устанавливают номиналы напряжений для потребителей электроэнергии бортовых сетей тракторов и комбайнов 12 В и 24 В постоянного тока. Номинальные напряжения для автономных бортовых генераторов соответственно 14 В и 28 В. Разница обусловлена относительно высоким падением напряжения в подводящих проводах и соединительных контактах. Номинал напряжения 12 В в основном применяется на большинстве легковых автомобилей и массовых сельскохозяйственных тракторах и комбайнах. Номинал напряжения 24 В часто применяется на комбайнах, промышленных тракторах, грузовых автомобилях, дорожно-строительных машинах. Выбор номинала бортового напряжения в каждом конкретном случае остаётся за разработчиком комбайна, трактора или другого подвижного объекта с автономным электропитанием и в значительной мере определяется номенклатурой электропотребителей. Номинал напряжения 24 В появился значительно позже номинала 12 В, но до сих пор часть электропотребителей на 24 В уступают по эксплуатационным показателям своим 12-вольтовым аналогам. Так, например, ресурс ламп накаливания в фарах с номинальным напряжением 24 В в 4 раза меньше, перенапряжения, возникающие при работе регуляторов напряжения и системы зажигания, выводят из строя бортовую электронику, а предохранительные устройства дороги. В то же время система электроснабжения на 24 В имеет ряд преимуществ: почти вдвое меньше масса монтажных проводов, меньшая масса и большая надёжность электродвигателей (стартеров). У некоторых стартеров в 24-вольтовом исполнении ресурс в 2-3 раза больше, чем у 12-вольтовых аналогов. Значительные преимущества имеют электрические 24-вольтовые кондиционеры, устанавливаемые на комбайнах и тракторах. Попытки использовать лучшие приборы двух номиналов связаны с применением двух бортовых сетей на 12 В и 24 В на одном объекте.
К автономным источникам напряжения предъявляются определённые требования по качеству вырабатываемой электроэнергии. Наиболее жёсткие требования предъявляются к уровню напряжения, поддерживаемого генератором и его регулятором напряжения во всём диапазоне скоростей и нагрузок. Самым чувствительным к этому параметру потребителем является аккумуляторная батарея. Её нормальная работа обеспечивается в диапазоне колебаний напряжения не более 0,4 В для 12-вольтовой системы. Иначе резко уменьшается её ресурс в результате систематического перезаряда или недозаряда. Настройка уровня регулируемого напряжения лежит в диапазоне 13,6-14,3 В в зависимости от климатической зоны. Для тракторов даже производится посезонная корректировка этого параметра переключателем «зима-лето». Одно из основных требований - это обеспечение хорошего регулирования напряжения в обеих бортовых системах.
Во всех современных системах электропитания основной генератор комбайна или трактора на номинал 14 В представляет собой многофазный генератор перехМенного тока с многофазным выпрямителем по полной мостовой схеме с электронным регулятором напряжения, воздействующим на ток обмотки возбуждения.
Значительные преимущества имеет 24-вольтовая система электропуска при большой мощности стартера 5-13 кВт для запуска дизельных двигателей. Поэтому в первых эффективных системах двухуровневого электропитания переведена на 24 В только система электропуска, состоящая из стартера, соединительных шин, коммутационной аппаратуры и двух 12 В аккумуляторных батарей, соединённых в момент пуска последовательно.
В одной из систем, которая применялась на экскаваторах и комбайнах Ро-стсельмаша, обе батареи заряжались, будучи соединёнными параллельно в сети 12 В. В момент пуска они переключались с параллельного соединения на последовательное, т.е. локальная 24-вольтовая система электропуска функционировала только во время запуска двигателя. Мощный коммутационный аппарат ВКЗОБ выпускался московским заводом АТЭ-1. Он содержал около 2 кг меди. Контакты имели недостаточный ресурс и требовали периодического технического обслуживания.
Во всех остальных системах 24-вольтовая сеть содержит две 12-вольтовые аккумуляторные батареи, последовательно соединённые постоянно. Причём одна из батарей, «нижняя» (общепринятый термин), заряжается основным 12-вольтовым генератором и служит одновременно буфером в 12-вольтовой сети, а вторая, «верхняя», заряжается с помощью дополнительного источника постоянного тока и разряжается на стартер во время пуска и при наличии других 24-вольтовых потребителей является буфером в этой сети. В разных системах эти дополнительные источники различны.
Математическая модель постоянного магнита в пазах ротора индукторного генератора
В связи с развитием технологий производства порошковых постоянных магнитов, постепенного снижения их стоимости и повышения показателей они всё шире применяются в электрических машинах массового производства. Это, в частности, относится к автотракторным электродвигателям постоянного тока, где магниты используются в качестве основных полюсов возбуждения и к индукторным одноименнополюсным генераторам, где магниты устанавливаются в пазах между зубцами ротора (индуктора). Для обоих указанных случаев характерна относительно большая рабочая поверхность, различные элементы которой находятся в различных магнитных условиях. Здесь и далее рабочей поверхностью будем называть поверхность магнита, обращенную к основному воздушному зазору. Очень высокие массогабаритные и энергетические показатели обеспечиваются при применении магнитов высоких энергий (самарий-кобальт, неодим-бор), в генераторах сельскохозяйственных машин используются оксидно-бариевые магниты в связи с их дешевизной и технологичностью. Ввиду новизны конструкций методы их анализа не освещены в литературе, а традиционные не обеспечивают достаточной точности моделирования и расчёта [75].
Анализ и математическое моделирование магнитной системы электрических машин эффективно осуществляются на электрической схеме замещения. Синтез соответствующей схемы производится путём приведения распределён ных в пространстве магнитных полей в ферромагнетиках и воздухе к конечному числу сосредоточенных параметров - линейных и нелинейных магнитных сопротивлений, источников намагничивающей силы и магнитного потока, которые группируются последовательно в ветвях, а ветви соединяются в узлы. При анализе применяются уравнения, составленные по законам Кирхгофа для схемы замещения.
Для рассматриваемых магнитов порошковой структуры характерна почти прямоугольная петля гистерезиса, большая коэрцитивная сила и соответственно весьма малое размагничивание в свободном состоянии и в машине. Рабочий участок магнита является узкой частной петлёй гистерезиса, площадью которой можно пренебречь и считать её прямой линией (прямая возврата), близкой к кривой начального размагничивания. На этом участке магнитное состояние элементов объёма магнита описывается следующими линейными уравнениями: By—J0+Jу/ Jy=juy Ну, px=juxHx, (2.1) где ВУш Ну — составляющие индукции и напряжённости магнитного поля по оси намагничивания (продольной оси); Вх, Нх — составляющие индукции и напряженности магнитного поля по поперечной оси; [лУщ fix - дифференциальные магнитные проницаемости по продольной и поперечной осям; Jo - остаточная магнитная индукция на прямой возврата; Jy - дифференциальная составляющая магнитной индукции по оси намагничивания. В общем случае цу jux, т.е. среда внутри магнита анизотропна. В указанной области применения все элементы объёма намагничиваются до насыщения одновременно и при весьма малом размагничивании находятся на одной прямой возврата (величина Jo для всех элементов объёма одинакова). На рис 2.4 представлено поперечное сечение магнита. Магниты в основном имеют прямоугольную форму или близкую к прямоугольной (вырезанный сег мент с небольшой кривизной). Сторона АВ примыкает к стальной эквипотенциальной поверхности, через стороны ВС и DA (представляющие торцевые поверхности магнита) замыкаются магнитные потоки рассеяния, сторона CD обращена к рабочему воздушному зазору и представляет рабочую поверхность магнита, через которую замыкается основной (рабочий) магнитный поток.
В связи с этим матрица магнитных проводимостей по системе уравнений (2.9) симметрична относительно главной диагонали. Сумма коэффициентов в строке равна нулю. Одна из строк является избыточной.
Таким образом, каждый из участков наружной поверхности магнита может быть представлен узлом схемы замещения, который соединяется с остальными участками-узлами схемы соответствующей магнитной проводимостью, кроме того, к нему подсоединяются ветви внешней части схемы замещения магнитной цепи и источник магнитного потока. Второй узел ветви с источником магнитного потока целесообразно выбрать общим для всех источников внутри магнита.
Расчёт поля магнитного потенциала для заданной границы в общем случае может быть произведён на расчётной прямоугольной сетке с равномерным шагом методом итераций [75]. Последующее определение производных на границе - по известным интерполяционным формулам.
Приведённый метод решения применим для любой формы границы магнита. Для магнита прямоугольной формы существуют аналитические решения, удовлетворяющие нулевому распределению потенциала по трём сторонам прямоугольника и заданному распределению по четвёртой стороне. Рассмотрим эти решения в ходе вывода расчётных формул для магнитных проводимостей.
Выбор числа фаз и схемы соединения обмоток
Генераторы, использующиеся в качестве автономного источника питания тракторов и сельхозмашин, часто имеют число фаз больше трёх. Увеличение фазности связано со следующими соображениями: - Уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения. - Увеличение мощности путем увеличения числа параллельно подключаемых к нагрузке фазных катушек и плечей выпрямителя. При этом диаметр применяемых обмоточных проводов поддерживается на уровне, позволяющем применить имеющееся намоточное оборудование и стандартные однотипные диоды выпрямителя в генераторах различной мощности. Это соображение играет большую роль в экономике и организации производства автотракторных генераторов.
Например, тракторный генератор мощностью 700 Вт 46.3701 имел 3 фазы, генератор 95.3701 мощностью 1.2 кВт имеет 5 фаз, генератор 11.3701 мощностью 3 кВт имел 7 фаз, а экспериментальный генератор 10 кВт для спецмашин имел 17 фаз. При этом, несмотря на большую разницу в мощности, во всех генераторах применялись обмоточные провода диаметром 1.3 -1.5мм и одни и те же диодыВА-25.
В автотракторных генераторах применяются обмотки без распределения, с обмоточным коэффициентом, равным единице, поскольку при этом имеет место максимальное использование обмоточной меди. Наличие высших гармоник напряжения и тока особого значения не имеет, поскольку применяется полное многофазное выпрямление. Для такой сосредоточенной обмотки в одноимен-нополюсных индукторных генераторах заданная фазность определяется соотношениями в структуре зубцовой зоны, которая характеризуется следующими параметрами. М - число фаз; Z/ - число зубцов (катушек) на статоре; Z2 - число зубцов на роторе; 2ф - число зубцов (катушек) в фазе; 2ф - является наибольшим общим множителем чисел Z/ и Z2, а число фаз равно частному от деления Z/ на 2ф 2і=М-2ф. В индукторном одноименнополюсном генераторе число пар полюсов равно числу зубцов на роторе p=Z2. Применяется последовательная маркировка выводов фазных обмоток в электрических машинах (А, В, С в трехфазной системе) или их нумерация (например, 1, 2, 3, 4, 5 в пятифазной системе). В последовательно нумеруемых 101 фазных обмотках электрические и магнитные величины сдвинуты во времени или по фазе основной гармоники на электрический угол S, S =2ти /М. Зубцы статора и соответственно обмотки сдвинуты друг относительно друга в пространстве. Этот сдвиг измеряется как центральный геометрический угол между зубцами. В теории электрических машин пространственный угол измеряется в электрических единицах (градусах или радианах), которые и оп ределяют временной или фазовый сдвиг между величинами в соответствующих фазах. Электрический угол сдвига по фазе в р раз больше геометрического фэл (ргеом Р Вышесказанное относится к системам с М-кратной центральной симметрией. Соответственно при симметричной нагрузке или питании все электрические и магнитные величины в фазах (потокосцепления, ЭДС, токи) сдвинуты по фазе на угол, кратный 8. Сдвиг по фазе у-й фазы относительно первой равен Вышесказанное обязательно нужно учитывать при маркировке выводов многофазных машин. Так, для пятифазной индукторной машины Zt=10; Z2=6. Соответственно получаем Z$=2; М=5; д=тт(2/5); р=6. Характерно, что для подобных зубцовых зон число пазов на полюс и фазу дробно и меньше единицы q=Zj/(2-p)/M; q-l/6. Обмотка однослойная сосредоточенная, так что на каждом зубце одета одна катушка. Эскиз магнитной системы приведен на рис.3.2. Нумеруем зубцы и надетые на них катушки по порядку следования на статоре от 1 до 10. Геометрический угол сдвига между соседними зубцами (Ргеом =2-K/Z2 = 7т/5. Электрический угол сдвига между соседними зубцами (Рэл = (РгеомР=(6/5)-Ж=3-д. 102 Таким образом, соседние по расположению в пространстве зубцы и катушки сдвинуты по фазе на три фазовых сдвига, поэтому получается следующее парадоксальное несовпадение номеров естественно последовательно пронумерованных катушек с номерами фаз, которым они принадлежат и соответственно маркировкой их выводов. Номера зубцов (катушек) шаг 1 12 3 4 5 6 7 8 910 Маркировка выводов шаг 3 14 2 5 3 14 2 5 3 На рис. 3.2 в каждой фазе показано по 2 одинаковые катушки, соединенные между собой последовательно или параллельно. 0020@3@@4@@ Рис. 3.2. Эскиз магнитной системы пятифазного генератора На рис. 3.2 пронумерованы зубцы и указаны номера фаз, которым принадлежат катушки. В дальнейшем изложении рассматриваем только электрические углы фазового и пространственного сдвига (не геометрические).
Каждая из фазных обмоток имеет два вывода с одинаково промаркированными относительно направления намотки и укладки началом и концом. Многофазный выпрямитель имеет М линейных входов. Поэтому фазные обмотки должны соединяться между собой таким образом, чтобы число линейных выходов равнялось М.
Соединение обмоток в звезду может быть произведено единственным образом. Средняя точка изолирована. Пример соединения обмоток в звезду и с выпрямителем приведен на рис.3.1. Поскольку здесь фазные токи совпадают с линейными, проблемы с маркировкой фаз и с обозначением величин не возникают.
Пусть М содержит простые множители qt (i-l,2...N). Один множитель qj=l всегда в наличии. При соединении в многоугольник начало одной фазной обмотки соединяется с концом другой фазной обмотки, и от места соединения выводится линейный провод (вывод). Номера последовательно соединяемых между собою фаз не обязательно следуют по порядку. Разность их номеров является шагом соединения к, он может быть отличен от единицы. Угол сдвига по фазе между основными гармониками величин в последовательно соединяемых обмоткаху -й иу +Аг-й фазы равен pJJ+k=k-d.
Обозначим Q=M/2; Q - целое число, округляется в меньшую сторону. Во избежание дублирования целесообразно рассматривать структуру соединений при к Q, поскольку многоугольники с шагом соединения к-п (п М) и шагом к=М-п одинаковы, только направление во втором случае будет в другую сторону.
Если шаг соединения к равен одному из множителей числа фаз М, образуется замкнутый многоугольник с числом сторон (фазных обмоток) М/к и число таких многоугольников, образованных обмотками разных фаз будет равно к. В этом случае имеем группу многоугольников, не связанных между собою гальванически (см. ниже примеры).
Выбор параметров зубцовой зоны генераторов
От параметров зубцовой зоны индукторного генератора в решающей степени зависят его массогабаритные и энергетические показатели. Диаметр расточки статора практически всегда определяется из условий компоновки на тракторе или комбайне. Величина воздушного зазора определяется в основном технологическими и производственными факторами точности обработки деталей. Соотношение Zi/Z2 фактически задано, т.к. определяет число фаз (см.раздел 3.2.). Варьируемыми параметрами являются число зубцов статора и ротора Z/ и Z2, ширина зубцов статора и ротора, ширина магнита в пазах ротора (в генераторах с постоянными магнитами). Выбор параметров осуществляется перебором сетки вариантов зубцовых зон. Оценочные параметры зубцовой зоны, выражающие зависимость использования активного объема генератора, использования материалов системы возбуждения и обмотки якоря от параметров зубцовой зоны, приведены, в частности в [97, 98].
По каждому варианту рассчитываются кривые магнитной проводимости между зубцом статора и ротором и определяются соответственно А/ и Х0 - основная гармоника и постоянная составляющая указанной проводимости. Упо-мянутые выше коэффициенты использования зависят от этих параметров. Для конкретных машин и конкретного технического задания удельный вес коэффициентов использования различен. Выбор рациональной зубцовой зоны для ГДУ в некоторых деталях специфичен. Рассмотрим последовательно значение вышеприведенных показателей. P/D2l/n - использование активного объема; PJGJn - использование материалов системы возбуждения, где Р - максимальная электромагнитная мощность генератора; D - диаметр расточки статора; / - длина статора; Ge - масса материалов системы возбуждения; 159 N - частота вращения ротора при мощности Р. Как показано в разделе 3.4, электромагнитное использование ГДУ не отличается от использования одноуровневого генератора, поэтому указанные коэффициенты для ГДУ вычисляются так же и не отличаются от показателей использования одноуровневых генераторов. Расчетные формулы здесь не рассматриваем, они приведены в [97, 98]. Значения коэффициентов зависят также от выбора числа витков - относительного значения индуктивного сопротивлениях X=xdI/U, (4.1) где I,U- фазные ток и напряжение. Приводим выражение для коэффициента использования якорной меди (формула 73 из [97]). P/GJn=7t2(KJX)(eh4io)/(pdp КеК„), (4.2) где G0!l - масса якорной меди; в - превышение температуры якорной обмотки; hn - глубина паза статора; Но - магнитная проницаемость воздуха; d - плотность меди; р - удельное сопротивление меди; Kg - температурный коэффициент сопротивления; Кт - конструктивный коэффициент удлинения витка за счет лобовых частей; Коя=1оО /т - коэффициент, зависящий от параметров зубцовой зоны, где D - относительная (в долях воздушного зазора) величина диаметра D/5 (д - величина одностороннего воздушного зазора); г - относительная (в долях воздушного зазора) величина полюсного деления 7TD/(2Z2)/S; 160 P - коэффициент, зависящий от изоляции, пропитки, направления теплоотдачи, скорости охлаждающего воздуха. P OSoJAP», (4.3) где S0XJl - площадь поверхности охлаждения якорной обмотки; АРЯ - потери в меди якорной обмотки. Для одноуровневых генераторов р вычисляется по известным формулам: При теплоотдаче только в воздух pv=0.0751/(l+0.8jv), (4.4) где V - скорость воздуха в пазу, м/сек. При теплоотдаче только в стенки паза Ри= Лш (4.5) где ди - толщина пазовой изоляции; Хи - удельная теплопроводность пазовой изоляции. Реально теплоотдача в генераторах с протяжной вентиляцией происходит в основном в воздух. Площади теплоотдачи в воздух и в стенки паза примерно равны, величина р рассчитывается как параллельное соединение двух тепловых сопротивлений. р=ри РУ(Ри +pvSySu)/Su, (4.6) где SV,SU - площади теплоотдачи в обмотки в воздух и в стенки паза. Как показано в разделе 3.1, при равных потерях в одноуровневом генераторе и в ГДУ, площадь теплоотдачи в ГДУ должна быть в 1.33 - 1.4 раза больше. В таком случае коэффициент рГду должен быть во столько же раз больше ргду=(1.33-1.4)Р (4.7) Коэффициент использования якорной меди ГДУ, естественно, во столько же раз хуже, чем в одноуровневом генераторе. Таким образом, единственное различие в определении рациональных параметров зубцовой зоны одноуровневого генератора и ГДУ состоит в изменении величины рщу. 161 Выбор параметров зубцовой зоны осуществляется путем расчета коэффициентов использования для сетки вариантов. Таким образом, можно определить параметры зубцовой зоны, наиболее приемлемые для ГДУ, и приступить к проектированию конкретных типоразмеров.
Чаще всего генератор на два уровня напряжения намечается к производству на базе уже выпускающегося одноуровневого генератора. Объясняется это тем, что двойная система электропитания на тракторе или самоходной сельхозмашине применяется значительно реже одноуровневой. Поэтому ГДУ той же мощности, что одноуровневый аналог, требуется в значительно меньших количествах. Естественно стремление максимально унифицировать ГДУ по применяемым деталям и использовать одноуровневый аналог как базовый для ГДУ. При этом затраты на освоение производства и выпуск ГДУ будут минимальными.
В наибольшей степени целям унификации удовлетворяет конструктивное решение, описанное в разделе 3.1. При этом значительная часть элементов конструкции сохраняется неизменной, часть элементов изменяется, и неизбежно добавляются детали элементы схемы, связанные с введением второго (высокого) уровня напряжения.
Сохраняются от базового индукторного генератора: ротор с валом и подшипниковыми узлами (полностью), обмотка возбуждения и внутренняя часть осевого магнитопровода, якорная обмотка нижнего уровня, выпрямитель нижнего уровня, регулятор напряжения нижнего уровня, коммутирующий ток обмотки возбуждения.
Изменяются следующие детали: пакет статора - увеличивается глубина паза для размещения дополнительной обмотки верхнего уровня, соответственно при неизменном внутреннем диаметре возрастает наружный диаметр статора; поскольку стыковка статора с крышками осуществляется по посадочной поверхности по увеличенному наружному диаметру, соответственно увеличиваются диаметры стыкующихся поверхностей крышек - передней и задней; удлиняется пластмассовая крышка, закрывающая выпрямительные узлы.
Приведенное конструктивное решение является, по-видимому, весьма близким к оптимуму в случае, когда конструкция базового генератора оптимальна. Наглядно изменение конструкции ГДУ по сравнению с базовым генератором показано в разделе 4.2.
Единственным способом сохранить унификацию по большинству деталей является полное сохранение размеров статора. При этом необходимо улучшить использование якорной обмотки и обеспечить его не меньшим, чем в одно- уровневом генераторе. В разделе 4.1 показано, что использование якорной обмотки в ГДУ при равных условиях в 1.33-1.4 раза хуже, чем у одноуровневого генератора.
