Введение к работе
Актуальность темы. Современный период развития электромашиностроения характеризуется интенсивным внедрением различных электрических машин (ЭМ) специального исполнения. Заметное место среди них занимают ЭМ, работающие в системах частотного регулирования, питаемые от полупроводниковых преобразователей.В качестве двигателей чаще всего используются асинхронные машины, синхронные двигатели с электромагнитным возбуждением и с постоянными магнитами, синхронные реактивные и гистерезисные, шаговые двигатели различного типа. В последние годы существенное развитие претерпели управляемые (или вентильные) реактивные двигатели (УРД) явнополюсной конструкции с сосредоточенными обмотками на статоре. Они обладают высокой надежностью, технологичностью изготовления, хорошими показателями динамичности. Применяемые для их питания электронные схемы характеризуются относительной простотой и сравнительно невысокой стоимостью. Повышенная токовая нагрузка обмоток делает эти двигатели конкуренто способными по весовым, габаритным и энергетическим показателям.
При расчете и проектировании ЭМ, питаемых от полупроводниковых преобразователей или работающих на них, встречаются определенные трудности, вызываемые необходимостью отказа от ряда традиционных предположений, характерных для ЭМ обычной конструкции. К таким допущениям могут быть отнесены предположения о синусоидальности во времени и пространстве электрических и магнитных величин. Эти допущения далеко не всегда справедливы для ЭМ с резко выраженной зубчатостью, малым числом пазов на полюс и фазу, а также для машин, по обмоткам которых протекают несинусоидальные токи. Для преодоления трудностей расчета приходится применять комбинированные способы, сочетая, например, методы гармонического анализа с численными расчетами магнитных полей в локальных зонах. Такой подход иногда допустим для ЭМ с сильно выраженной зубчатостью, когда магнитное поле з зазоре становится функцией взаимного положения зубчатых сердечников. Однако если токи в обмотках приобретают резко выраженный несинусоидальный характер, задача расчета характеристик и процессов в таких ЭМ становится разрешимой практически только при использовании численных способов. К подобным машинам относятся УРД, у которых числа зубцов статора и ротора отличаются незначительно,следствием чего является непостоянство индуктивных
параметров фаз статора при движении зубчатого ротора. Попытки построения теории Э.'«! с переменными индуктивными параметрами предпринимались неоднократно, но обычно без учета насыщения и в предположении синусоидальности питающих обмотки токов. Наиболее часто при этом использовался метод гармонического анализа в той или иной форме, органической особенностью которого является неизбежное "отсечение" некоторое членов гармонического ряда, влияние которых на точность достигаемого решения априорно трудно оценить даже в случаях пренебрежения влиянием насыщения. Поэтому одной из задач исследователя является возможно более точная оценка принимаемых допущений, на основе которых могут быть разработаны гибридные методы расчета, сочетающие точность численных подходов с универсальностью аналитических. Речь идет о выборе системы допущений, существенно понижающих порядок изучаемого явления в сочетании с сохранением высокой достоверности его воспроизведения.
Целью работы является создание методики расчета УРД с зубчатыми сердечниками и сосредоточенными катушками статора, питаемыми от преобразователей частоты, напряжение которых прямоугольной формы, а также выработка рекомендаций по достижению оптимальных режимов управления преобразователем.
Для достижения указанной цели необходимо:
проанализировать формы питающего тока, установить пределы изменения индуктивных параметров обмотки статора;
разработать ряд математических моделей различного уровня, различающихся,сложностью математического аппарата и степенью приближения к изучаемому явлению;
разработать способы расчета магнитного поля УРД в воздушных областях с углами, не кратнкму^//2;
разработать методы решения систем линейных и нелинейных уравнений, описывающих модели магнитного поля УРД;
предложить методику расчета токов несинусоидального характера в катушках переменной индуктивности и указать углы включения и отключения напряжения, обеспечивающие заданную мощность УРД. Дать соотношения для определения обмоточных данных ЭМ, питаемых несинусоидальным напряжением.
Методы исследований. Определение магнитных полей в воздущ-ном пространстве ЭМ проводилось численными способами, с помощью метода конформных преобразований, приближенным методом заменяю-
щего угла. Репение систем узловых уравнений для схем замещения магнитного поля ЭМ проводилось методом Гаусса с использованием итерационных процедур для нелинейного случая. Определение несинус оидальных токов обмоток при подаче на них несинусоидальных напряжений осуществлялось аналитически при кусочно-линейной аппроксимации нелинейных зависимостей. Научная новизна работы:
разработана модификация метода конформного преобразования для пространства с углами, не кратными5Г/2, позволяющая найти точное распределение индукции и удельной магнитной проводимости по коронкам зубцов;
разработан вариант приближенного метода заменяющего угла для расчета проводимостей магнитного поля катушек конечного сечения, размещаемых на зубцах статора УРД. Предложенный вариант учитывает степень сцепления магнитного поля с сечением катушек. Сопоставлением с точным методом конформного преобразования доказана применимость модифицированного метода заменяющего угла для определения индуктивных параметров обмоток;
предложены четыре типа математических моделей магнитного поля УРД. Анализом особенностей работы УРД доказана обоснованность и границы применения линейных вариантов моделей;
разработаны методы решения уравнений, описывающих модели магнитного поля различного уровня, составлены программ решения. На основе математического эксперимента получены данные зависимостей индуктивных параметров катушек, используемых в дальнейшем для нахождения токов обмоток УРД;
разработана упрощенная методика расчета токов обмоток УРД при переменной индуктивности фазы для прямоугольной формы напряжения преобразователя. Показана допустимость расчета токов по линейной модели и автономном представлении работы фазы.
Практическая ценность.
-
Разработанные методики расчета магнитных полей и проводимостей позволяют на этапе проектирования УРД рассчитать зависимости индуктивных параметров фаз от конфигурации зубцо-вой зоны и углов поворота ротора. Созданные методики чрезвычайно просты, не требуют сложных вычислений, с их помощью решается задача проектирования, и, в частности, определения обмоточных данных УРД.
-
Предложена методика расчета токов обмоток УРД при
прямоугольной форме питавдего напряжения, учитывающая переменный характер индуктивностей катушек, определяемый в основном перемещением зубчатого ротора. Методика позволяет определить наиболее выгодные углы открывания и запирания вентилей, что улучшает технические и энергетические показатели машины.
Практическая реализация. Результаты диссертационной работы применяются для разработки методик расчета электрических машин, работающих совместно с полупроводниковыми преобразователями. В частности полученные данные использовались для разработки управляемых реактивных двигателей в рамках научно-исследовательских работ, проводимых совместно с ВНШТИЭМ г.Владимира и университетом Циньхуа г.Пекина.
Апробация результатов работы. Основные положения и некоторые результаты работы докладывались на Всесоюзной конференции "Современные проблемы электромеханики" (К 100-летию изобретения асинхронного двигателя) и на научных семинарах кафедр электромеханики МЭИ.
Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертации, опубликованы в 2 научных трудах.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 100' страниц основного текста, 52РисУНка, 75 таблиц, включает список использованной литературы из 56 наименований и 3 приложения.
