Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние и перспективы применения регулируемого электропривода в механизмах собственных нужд электростанций 13
1.1. Единая энергетическая система России 13
1.2. Механизмы собственных нужд электростанций 15
1.3. Традиционные электроприводы механизмов СН 21
1.4. Частотно-регулируемых электропривод в механизмах СН 22
1.5. Вентильно-индукторных электропривод для механизмов СН 25
Выводы по главе 27
Глава 2. Вентильно-индукторный двигатель. Общие сведения 28
2.1. Структурная схема вентильно-индукторного двигателя. 28
2.2. Особенности конструкции индукторной машины 29
2.3. Конструктивные исполнения ВИД 30
2.4. Принцип действия ВИД 31
2.5. Алгоритмы коммутации фаз ИМ для ВИД 36
2.6. Связь между частотой возбуждения фаз ИМ /и частотой вращения ротора л 38
2.7. Коэффициент электромагнитной редукции ВИД 39
2.8. Кривые тока фаз ИМ 39
2.9. Магнитное поле в ИМ 41
2.10. Кривая изменения мгновенного момента фазы ВИД 44
2.11. Достоинства и недостатки ВИД 46
2.12. Области применения ВИД 47
Выводы по главе 48
Глава 3. Электромеханическое преобразование энергии в ИМ для ВИД 50
3.1. Формула баланса энергий и мощностей в ИМ 50
3.2. Графическая интерпретация энергии магнитного поля и коэнергии 53
3.3. Семейство кривых намагничивания фазы ИМ 55
3.4. Мгновенный момент ИМ 56
3.5. Мгновенный момент для линейной магнитной системы 58
3.6. Индуктивность фазы ИМ в зависимости от углового положения ротора 59
3.7. Кривые изменения мгновенного тока и момента фазы в функции углового положения ротора при линейной магнитной системе 61
3.8. Энергетическая диаграмма интегрального типа 64
Выводы по главе 65
Глава 4. Методика проектирования ИМ для ВИД 66
4.1. Выбор главных размеров 66
4.2. Выбор электромагнитных нагрузок 68
4.3. Выбор числа фаз и конфигурации магнитной системы 70
4.4. Выбор воздушного зазора 72
4.5. Выбор ширины полюсов статора и ротора 73
4.6. Выбор высоты полюсов статора и ротора 76
4.7. Выбор высоты ярма статора и внешнего диаметра ИМ 77
4.8. Выбор высоты ярма ротора и диаметра вала 79
4.9. Проектирование обмотки 80
4.10. Тепловой расчет 82
4.11. Механический расчет ротора ИМ 86
4.12. ВИД для механизмов СН электростанций 88
Выводы по главе 89
Глава 5. Математические модели для анализа электромагнитных процессов в ВИД 91
5.1. Некоторые замечания 91
5.2. Быстрая математическая модель 92
5.2.1. Общие положения 92
5.2.2. Быстрая математическая модель для расчета статических характеристик ИМ для ВИД 92
5.2.2.1. Кривая намагничивания в согласованном положении 93
5.2.2.2. Кривая намагничивания в рассогласованном положении 95
5.2.2.3. Методика расчета характеристик *Р = ^(у)|г=сот, 96
5.2.2.4. Методика расчета кривых намагничивания при произвольном угловом положении сердечников статора и ротора 101
5.2.2.5. Алгоритм расчета статического момента энергетическим методом с использованием метода линеаризации характеристик нелинейной магнитной системы 103
5.3. Точная математическая модель 106
5.3.1. Основные допущения и метод расчета 106
5.3.2. Реализация точной математической модели в специализированных программах конечно-элементного анализа 108
5.3.2.1. Некоторые замечания 108
5.3.2.2. Описание модели для расчета магнитного поля 108
5.3.2.3. Описание свойств материалов 111
5.3.2.4. Описание модели электрической цепи 112
5.3.2.5. Связь электрической и магнитной цепей, определение параметров расчета 113
5.3.2.6. Результаты расчета характеристик ВИД, полученные с использованием точной математической модели 114
5.4. Результаты моделирования ВИД для механизмов собственных нужд электростанций 119
Выводы по главе 119
Глава 6. Виброакустические характеристики ВИД 120
6.1. Общие замечания 120
6.2. Источники шума и вибраций в ИМ для ВИД 120
6.3. Магнитный шум и вибрации ИМ для ВИД 122
6.4. Динамическая модель статора ИМ 126
6.5. Расчет магнитной составляющей шума и вибраций ИМ для ВИД 134
6.6. Расчетно-экспериментальное исследование виброакустических характеристик ВИД 140
6.6.1. Общие замечания 140
6.6.2. Внешние силовые факторы, действующие на полюсы ИМ 141
6.6.3. Резонансные частоты и собственные формы деформации сердечника статора ИМ 146
6.6.4. Виброакустические характеристики ВИД 149
Выводы по главе 153
Заключение 154
Библиографический список использованных источников 155
Приложения 164
- Вентильно-индукторных электропривод для механизмов СН
- Кривая изменения мгновенного момента фазы ВИД
- Кривые изменения мгновенного тока и момента фазы в функции углового положения ротора при линейной магнитной системе
- Методика расчета кривых намагничивания при произвольном угловом положении сердечников статора и ротора
Введение к работе
Общая характеристика работы
Актуальность работы. Одним из основных направлений развития Единой энергетической системы России (ЕЭС России) на ближайшие 10-15 лет является техническое перевооружение около 50% существующих электростанций с заменой основного и вспомогательного оборудования на новое с улучшенными технико-экономическими показателями. Главная цель этой работы состоит в повышении надежности и эффективности выработки электроэнергии. Возможным направлением деятельности здесь является внедрение в механизмах собственных нужд (СН) электростанций энергоресурсосберегающих частотно-регулируемых электроприводов (ЧРП), что является составной частью Программы энергосбережения в отрасли "Электроэнергетика" на 1999-2000г.г. и на перспективу до 2005 и 2010г. По оценкам специалистов АО «ВНИИЭ» использование таких приводов на энергоблоках 150-250 МВт может дать экономию электроэнергии на уровне 5 млрд. кВт-ч в год [3].
Большая часть ЧРП, внедряемых на энергообъектах ЕЭС России, выполняется на базе асинхронных двигателей. Положительный опыт в этом направлении накоплен специалистами АО «ВНИИЭ» и ОАО «Мосэнерго» [19, 20]. Вместе с тем, отечественные [2, 6,8, 11, 23] и зарубежные специалисты [83, 88, 89, 97, 99] указывают на то, что одним из наиболее перспективных типов электромеханического преобразователя энергии для регулируемого электропривода является вентильно-индукторный двигатель (ВИД).
Несмотря на относительно малый срок своего существования и наличие проблем теоретического характера, ВИД уже нашли достаточно широкое применение во многих областях промышленности и транспорта, а также бытовой и военной техники [9, 27, 56, 61, 64 ]. В последнее время все чаще появляется информация о разработках ВИД большой мощности, которые, в частности, могут быть использованы в металлургии и энергетике [87, 95, 97].
Секция электротехнического оборудования НТС РАО «ЕЭС России» на
7 своем заседании 29 марта 2002 г. рассмотрела вопрос о принципиальной возможности применения ВИД в механизмах СН электростанций и приняла решение о целесообразности разработки предложений по созданию опытных образцов ВИД большой мощности для нужд энергетики и промышленности.
Таким образом, проблема разработки ВИД большой мощности для механизмов СН электростанций является актуальной научно-технической задачей.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ. Грант АОЗ-3.14-303 по теме «Разработка методики проектирования вен-тильно-индукторных двигателей».
Цель и задачи работы. Целью данной диссертации является разработка ВИД для наиболее перспективных с точки зрения применения ЧРП, механизмов СН электростанций. Для достижения поставленной цели в ходе выполнения работы потребовалось решить следующие задачи:
анализ состава СН электростанций и выбор в них механизмов, использование ЧРП в которых является наиболее эффективным;
анализ и систематизация сведений по различным вопросам теории и практики ВИД;
разработка методики проектирования индукторных машин для ВИД различных мощностей;
- разработка математических моделей разной степени сложности для
расчета электромагнитных процессов в ВИД;
разработка методики расчета магнитной составляющей шума и вибрации ВИД;
экспериментальное исследование характеристик ВИД.
Методы исследования. При выполнении работы были, использованы аналитические и численные методы моделирования процессов в ВИД. Расчет магнитного поля проводился с использованием метода конечных элементов, для совместно решения уравнений электрической и магнитной цепи применялся метод Ньютона-Рафсона. Модели разрабатывались на основе теории магнит-
ного поля, электромеханического преобразования энергии, колебаний. При их реализации были применены как стандартные программные пакеты (MathCAD, MS Excel, Flux2D), так и созданные при выполнении диссертации в среде программирования MS Visual C++ 6.0. Экспериментальные исследования проводились на двух опытных образцах ВИД, для одного из которых методом ударного импульсного воздействия были определены резонансные частоты колебаний статора.
Научная новизна работы заключается в разработке:
методики проектирования индукторных машин (ИМ) для ВИД широкого диапазона мощностей, которая помимо выбора главных и внутренних размеров электрической машины, а также определения обмоточных данных включает в себя анализ виброакустических явлений;
математических моделей различной степени сложности для расчета статических характеристик и характеристик рабочих режимов ВИД, в основу которых положены как аналитические аппроксимации зависимостей потокос-цепления фазы от углового положения ротора и принцип линеаризации характеристик нелинейной магнитной системы для расчета по ним зависимостей статического момента, так и численные методы интегрирования уравнений магнитного поля и совместного решения уравнений электрической и магнитной цепи ВИД.
- методики расчета магнитной составляющей шума и вибраций ВИД.
Практическую ценность представляют:
рекомендации по выбору размеров и обмоточных данных ИМ для ВИД, полученные на основе анализа имеющегося опыта проектирования и исследований с использованием разработанных математических моделей влияния геометрических размеров на различные характеристики двигателя;
программный комплекс Everest для проектирования и расчета характеристик ВИД;
- результаты проектирования ВИД большой мощности для привода
дутьевого вентилятора, дымососа и питательного насоса энергоблока мощностью 110 МВт ТЭЦ-26 ОАО «Мосэнерго».
Достоверность полученных результатов подтверждается результатами экспериментального исследования опытных образцов ВИД.
Научные положения, выносимые на защиту.
Методика проектирования ИМ для ВИД большой мощности, включая рекомендации по выбору геометрических размеров и обмоточных данных.
Математическая модель для расчета статических характеристик ВИД, базирующаяся на Frohlich-аппроксимация кривых потокосцепления фазы в функции углового положения ротора и принципе линеаризации характеристик нелинейной магнитной системы.
Математическая модель для расчета электромагнитных процессов в ВИД, основанная на численном моделировании магнитного поля в ИМ и совместном решении уравнений электрической и магнитной цепи.
Математическая модель для определения виброакустических характеристик ВИД и методика расчета магнитной составляющей шума и вибраций в них.
Результаты проектирования ВИД для привода дутьевого вентилятора, дымососа и питательного насоса энергоблока мощностью 110 МВт ТЭЦ-26 ОАО «Мосэнерго».
Реализация результатов работы. Разработанные в рамках диссертационной работы математические модели ВИД и методика их проектирования, а также программа Everest используются на кафедре электромеханики МЭИ(ТУ) при выполнении госбюджетных и хоздоговорных работ в данной области. В частности, они оказались полезными при реализации проекта по расчету вентиль-но-индукторного стартер-генератора, осуществляемого по заданию ОАО «КБ электроприбор» (г.Саратов) и выполнении работ по гранту Министерства образования РФ по теме «Научное обоснование технико-экономических параметров применения вентильно-индукторных двигателей в механизмах собственных
10 нужд энергообъектов России».
По материалам работы, было подготовлено и издано учебно-методическое пособие по курсу «Специальные электрические машины» «Вен-тильно-индукторные двигатели», которое используется в учебном процессе кафедры электромеханики МЭИ(ТУ). Электронный его вариант, оформленный в виде электронного учебника в формате pdf, по соответствующим запросам был передан в МАДИ(ГТУ), Электростальский политехнический институт, Смоленский филиал МЭИ(ТУ), Дальневосточный государственный технический университет, ВНИПТИЭМ и ряд других организаций.
Отдельные результаты работы используются на Государственном предприятии «Харьковское агрегатное конструкторское бюро».
Апробация работы. Основные положения работы неоднократно докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры электромеханики МЭИ(ТУ) в 2001-2004 гг. Кроме того, результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах, симпозиумах:
Ш-ий Симпозиум "Элмаш-2000". "Перспективные направления развития в электрической промышленности. Научно-технические достижения в создании и производстве электрических машин", Москва, Россия, октябрь. 2000 г.;
IV-ая Международная конференция по физико-техническим проблемам электротехнических материалов и компонентов. (МКЭЭ-2000), Клязьма, Россия, 24-27 сентября. 2001т.;
VI-ая - X -ая Международные конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". Москва. Россия, март 2000 -2004гг.;
11-я Международная конференции "Состояние разработки и перспективы применения вентильно-индукторных приводов в промышленности и на транспорте". Москва. Россия. 14-15 июня 2001г.;
Summer Seminars on Nordic Network for Multi Disciplinary Optimised Electric Drives. Koldka?r Feriecenter. Denmark. 12-14 August 2001; Taipalsaari,
Finland 15-17 June 2002; Zergrze. Poland. 21-23 June 2003;
- Electric Conversion in Sustainable Energy Seminar, Trondheim, Norway, 6
November 2002;
10th European Conference on Power Electronics and Applications. Toulouse. France. 2-4 September 2003,
11-я Научно-техническая конференция молодых специалистов электроэнергетики. Москва. Россия. 15-19 сентября 2003 г.;
5-я Международная конференция «Электротехника, электромеханика и электроматериаловедение». Крым. Алушта. 22-27 сентября 2003 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 печатных работ.
Структура и состав диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 109 наименований и приложений. Основная часть работы изложена на 163 страницах, включает 79 рисунков и 15 таблиц.
Краткое содержание работы
В первой главе выполнен анализ состава и структуры механизмов СН электростанций; определены объективные причины наметившейся в последнее время тенденции использования в некоторых из них ЧРП, а также перечень механизмов, внедрение в которых ЧРП даст наибольший экономический эффект; показана принципиальная возможность использования ВИД для нужд энергетики.
Во второй главе приведены результаты систематизации имеющихся в литературе сведений о ВИД. В частности, определено место этого типа электромеханического преобразователя энергии среди других электрических машин; рассмотрены особенности конструкции ИМ; работающей в его составе, и для него и конструктивных исполнений ВИД в целом, описан принцип действия и характер поля в нем; приведена информация по основным его практическим применениям.
Третья глава освещает вопрос электромеханического преобразования энергии в ИМ для ВИД. В ней показана важность энергетических диаграмм дифференциального и интегрального типа для анализа электромеханического преобразования энергии в ВИД и определен критерий для оценки его эффективности.
Четвертая глава охватывает широкий круг вопросов возникающих при проектировании ИМ для ВИД. В ней описаны методики выбора главных и внутренних размеров ИМ, ее теплового и механического расчета.
В пятой главе описаны различные математические модели для анализа электромагнитных процессов в ВИД. В частности, математическая модель для расчета статических характеристик ИМ, основанная на использовании Froh-Hch-аппроксимации кривых потокосцепления фазы в функции углового положения ротора и принципе линеаризации характеристик нелинейной магнитной системы, и модель для расчета характеристик рабочих режимов работы ВИД, базирующаяся на численном моделировании магнитного поля в ИМ и совместном решении уравнений электрической и магнитной цепи. Представлены результаты сравнения экспериментальных и расчетных статических характеристик и характеристик рабочих режимов опытного образца ВИД конфигурации 12/8 мощностью 5.5 кВт, полученные с использованием созданных моделей. Для каждой модели определена ее область применения.
Шестая глава содержит информацию по источникам шума и вибрации ВИД, описание динамической модели статора ИМ для расчета ее виброакустических характеристик, методику и пример расчета магнитной составляющей шума и вибрации ВИД. Кроме того, в ней приведены результаты экспериментального исследования резонансных частот сердечника статора ИМ ВИД конфигурации 12/8.
В заключении изложены основные результаты, полученные при выполнении диссертации.
Вентильно-индукторных электропривод для механизмов СН
Пар из котла 1 поступает в часть высокого давления 3, откуда направляется для подогрева в промежуточный пароперегреватель 2, и затем в часть низкого давления турбины 4. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе 5 водой, которая подается из пруда-охладителя 6 циркуляционным насосом 8; Конденсат подается конденсатным насосом 8 в подогреватель низкого давления 9 с дренажным насосом 10, подогревается и поступает в деаэратор 13. Подпи-точная вода из природного водоема подается насосом технического водоснабжения 11 в водоподготовительную установку (химводоочистку) 12 и после специальной обработки также направляется в деаэратор. В нем: питательная вода освобождается от кислорода и углекислого газа, после чего питательным насосом 14 подается в котел. При этом вода проходит через подогреватель высокого давления 15 и экономайзер 16, где подогревается паром, отбираемым из турбины, и отходящими от котла газами.
Водопаровой тракт теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) отличается от описанного выше наличием отбора пара из турбины для технологических нужд и для подофева сетевой воды, циркуляция которой в теплофикационной сети осуществляется при помощи сетевых насосов.
Вне зависимости от типа электрической станции механизмы СИ обладают целым набором характеристик. Одной из них является степень ответственности, которая определяется последствиями, возникающими при остановке агрегата. К ответственным механизмам относятся те, остановка которых может привести к повреждению основного оборудования, то есть котла, турбины, генератора. В первую очередь к ним относятся питательные и бустерные насосы, дутьевые вентиляторы и дымососы. К этой же группе следует отнести конден-сатные, циркуляционные и сетевые насосы, питатели пыли, молотковые мельницы и мельничные вентиляторы, насосы и вентиляторы систем охлаждения генераторов и трансформаторов, электроприводы задвижек.
"Неответственными" называют механизмы СН, остановка которых не приводит к изменению нагрузки основного оборудования. Это шаровые мельницы, багерные и шламовые насосы гидрозолоудаления, механизмы топливо-подачи.
Большое значение для правильного выбора приводного двигателя имеет характеристика нагрузки, в общем виде зависимость момента сопротивления Мс от частоты вращения П2 различных механизмов СН может быть представлена в виде
Все механизмы СН по виду механической характеристики (1.1) могут быть разделены на две группы. К первой относятся механизмы, момент сопротивления которых практически не зависит от частоты вращения (Мс = const, у = 0). К ним относятся транспортеры, дробилки, некоторые типы мельниц, поршневые компрессоры. Ко второй группе относятся механизмы, момент сопротивления которых существенно зависит от частоты вращения. Это механизмы тягодутьевой группы (дутьевые вентиляторы, дымососы) и различные насосы. Показатель степени у для первых равен 2, для вторых - может колебаться в пределах от 2 до 4. На рис. 4 в относительных единицах приведена механическая характеристика дутьевого вентилятора и центробежного насоса, соответствующая коэффициенту загрузки кзм = 1 и моменту сопротивления Мтр =0.2 Момент трения определяется моментом инерции механизма и оказывает существенное влияние на условия пуска агрегата. К числу механизмов с тяжелыми условиями пуска на электростанциях относятся дымососы и дутьевые вентиляторы, а также механизмы, момент сопротивления которых не зависит от Асинхронный нерегулируемый электропривод является наиболее распространенным типом электропривода, используемым в механизмах СН. Приводы на основе синхронных двигателей и двигателей постоянного тока находят на электростанциях ограниченное применение.
Для привода ответственных механизмов в основном применяются асинхронные двигатели мощностью от 200 кВт до 8 МВт с номинальным напряжением 6 - 10 кВ и частотой вращения 300 - 3000 об/мин. В приводах мощностью до 200 кВт используются двигатели напряжением 0,4 кВ [63].
Условия эксплуатации двигателей на электростанциях несколько отличаются от условий эксплуатации в промышленности.
Так, например, в последнее время ТЭС активно привлекаются к регулированию частоты и мощности в энергосистеме. Это приводит к тому, что значительную часть времени они работают в маневренных режимах, которые характеризуются относительно частыми пусками и остановами отдельных механизмов СН или их переключениями с одной частоты вращения на другую, что предопределяет повышенные по сравнению с двигателями общепромышленного применения требования к числу пусков двигателей, используемых в энергетике.
Энергоблоки станций предназначены для непрерывной работы в течение длительного времени, в силу чего конструкция электродвигателей механизмов СН должна удовлетворять некоторым требованиям. В частности, подшипниковый узел должен допускать пополнение и удаление смазки на ходу.
Электродвигатели отдельных механизмов СН работают в условиях повышенной влажности окружающей среды (механизмы гидрозолоудаления) или содержания в ней пыли (механизмы топливоподачи). Оболочка этих электрических машин должны иметь степень защиты не ниже IP44, а коробка выводов -IP55.
Кривая изменения мгновенного момента фазы ВИД
Обзор литературы показывает, что общепринятой математической модели для анализа электромагнитных процессов в ВИД нет, а все существующие можно разделить на две группы. К первой следует отнести модели, основанные на различных видах аналитической аппроксимации кривых намагничивания и индуктивности фазы [7, 8, 104]. Они характеризуются относительной простотой реализации и, как правило, требуют малых затрат времени на подготовку и проведение расчетов. Точность получаемых с их использованием результатов позволяет применять такие модели только на этапе предварительного проектирования. Более высокую точность обеспечивают модели, в основу которых положен конечно-элементный анализ магнитного поля в машине [25, 48, 76, 94]. Основная трудность при их применении состоит в больших затратах времени, необходимых как на подготовку исходных данных, выполнение расчета, так и на обработку результатов. Определение характеристик ВИД с использованием конечно-элементного анализа магнитного поля в ИМ обычно осуществляют на заключительном этапе проектирования; Модели первой группы можно назвать быстрыми, второй - точными.
Степень сложности математической модели зависит от ее назначения. При расчете электромагнитных процессов в ВИД основными задачами является определение статических характеристик и характеристик рабочих режимов. Решение первой задачи сводится к нахождению магнитного поля в машине, второй - к совместному расчету уравнений магнитной и электрической цепи одним из численных методов. Таким образом, модели для расчета статических характеристик являются составной частью моделей для расчета характеристик рабочих режимов.
Ниже приведено описание быстрых и точных математических моделей для анализа электромагнитных процессов в ВИД. Совместное решение уравнений электрических и магнитных цепей ИМ, работающей в составе ВИД, в быстрой математической модели осуществляется посредством использования общеизвестных численных методов интегрирования дифференциальных уравнений, в силу чего данный вопрос не вызывает больших затруднений. Более важным моментом является описание магнитного поля, которое заложено в математической модели для расчета статических характеристик. Рассмотрим эту модель подробнее. Расчет статических характеристик состоит в определении зависимостей потокосцепления (индуктивности) фазы и развиваемого ею момента от угла поворота ротора на интервале от рассогласованного до согласованного положения при постоянстве тока, протекающего через нее, и равенстве нулю токов во всех остальных фазах. Одной из наиболее удачных быстрых моделей для решения этой задачи является модель, предложенная в [96]. В ней используется Frohlich аппроксимация кривых потокосцепления фазы в функции углового положения ротора, а для определения статического момента посредством любой реализации метода виртуальных перемещений предусмотрена процедура пересчета зависимостей потокосцепления фаз от положения ротора в кривые намагничивания. При этом кривые намагничивания, соответствующие согласованному и рассогласованному положению определяются отдельно. Ниже приведено описание этой модели и метода расчета статического момента, основанного на фундаментальном принципе линеаризации характеристик нелинейной магнитной системы [21]. На первом участке магнитная система ненасыщена и ферромагнитные части имеют магнитную проницаемость близкую к бесконечности. Следовательно, их магнитное сопротивление прохождению потока равно нулю. Таким образом, на этом участке кривой намагничивания вся МДС фазы приложена только к сопротивлению, обусловленному наличием в магнитной системе воздушных зазоров. Функция, описывающая кривую намагничивания, в данном случае имеет вид где La - линейная индуктивность согласованного положения. Величина La имеет очень важное значение для проведения дальнейшего расчета магнитной системы и может быть определена как по результатам численного моделирования магнитного поля в машине, так и аналитически На втором участке кривой намагничивания происходит насыщение магнитной системы, в результате которого магнитная проницаемость стали снижается, что приводит к существенному росту ее магнитного сопротивления. Этот рост носит нелинейный характер. Данный участок кривой намагничивания носит название нелинейного участка. Кривая намагничивания здесь аппроксимируется квадратичной функцией, параметры которой должны быть подобраны таким образом, чтобы не было разрывов первой производной на границе участков (при токе /s) и чтобы полученная в результате аналитического расчета кривая проходила через точку („,,/„,), которая определяется по результатам полевого расчета. Исходя из этого
Кривые изменения мгновенного тока и момента фазы в функции углового положения ротора при линейной магнитной системе
Метки для отдельных частей расчетной области (сердечники статора и ротора, воздушный зазор, обмотки, границы) необходимы для присвоения этим частям физических свойств, соответствующих определенным материалам, формирования связей между электрической и магнитной цепью, а также задания граничных условии. На рис. 50 приведена геометрия и метки расчетной области исследуемого ВИД. На этом рисунке блоки Л+, В+, С+ обозначают стороны катушек соответствующих фаз, ток в которых направлен в плоскость чертежа. Блоки А-, В-, С- обозначают стороны катушек соответствующих фаз, ток в которых направлен из плоскости чертежа
Дискретизация расчетной области является ключевым элементом создания расчетной модели, определяющим точность расчета и время, необходимое для его проведения. Программы конечно-элементного анализа позволяют построить сетку конечных элементов в автоматическом режиме, но не гарантируют, что она будет оптимальной. Поэтому часто приходится корректировать созданную программной сетку путем задания шага в отдельных вершинах или на отдельных линиях. Электромеханическое преобразование энергии происходит в зоне воздушного зазора, что совместно с относительно малой величиной последнего определяет необходимость обеспечения достаточно малого шага в данной области. Практика расчетов показывает, что для получения приемлемой точности результатов необходимо, чтобы в области воздушного зазора было не менее 4-5 элементов. В тоже время в зоне ярма статора и ротора шаг сетки можно сделать достаточно большим.
Достоинством современного программного обеспечения является возможность проверки качества сетки на этапе ее создания. Программы вьщают процентное содержание "отличных", "хороших", "средних", "плохих" и "очень плохих" элементов. Кроме того, они указывают области с плохими и "очень плохими" элементами. Критерием оценки качества элементов является сходимость итерационного процесса. Для получения достоверных результатов содержание "плохих" и "очень плохих" элементов не должно превышать 1-2%. На рис. 51 приведен пример сетки конечных элементов во всей расчетной области для моделирования рассматриваемого ВИД.
Всем областям расчетной модели должны быть присвоены свойства соответствующих им материалов. Программы предоставляют возможность описания свойств материалов с использованием различных моделей их характеристик. Для расчета ВИД наиболее актуальными являются линейная модель, использующаяся при задании электрического сопротивления меди, и нелинейная, необходимая для описания свойств стали. В последнем случае кривая намагничивания задается таблицей значений индукций и соответствующих им напря-женностей магнитного поля.
По заданной таблице значений (Таблица 11) программа с использованием сплайнов определяет промежуточные точки этой кривой. Пример аппроксимации характеристики намагничивания стали 2412 в программе Flux2D приведен на рис. 52.
Присвоение свойств материалов конкретным областям проводится с использованием графического интерфейса и не занимает большого времени.
Программы конечно-элементного анализа обладают большим количеством предварительно определенных элементов электрических цепей (источники тока и напряжения с различной формой выходного сигнала, активные и емкостные сопротивления, катушки индуктивности с линейной и нелинейной характеристикой стали, диоды и транзисторы). Поэтому описание модели электрической цепи сводится к формированию с использованием графического интерфейса электрической схемы и заданию параметров ее элементов: На рис. 53 приведен пример модели электрической цепи для расчета 3-х фазного ВИЛ, созданной в программе Flux2D.
Каждая фазная катушка в схеме электрической цепи (рис. 54) моделируется двумя катушками с нелинейными характеристиками (А+ и А-, В+ и В-, С+ и С-). Это связано с тем, что в модели для расчетной магнитного поля (рис. 50) каждая катушка представлена двумя областями (А+ и А-, В+ и В-, С+ и С-).
Для каждого элемента электрической цепи перед расчетом должны быть заданы его параметры. В качестве параметров элементов электрической цепи задаются амплитуда напряжения источника питания, активные сопротивления обмоток и число витков в них, прямое и обратное активное сопротивление диодов, активные сопротивления транзисторов. Программы конечно-элементного анализа содержат библиотеки стандартных транзисторов и диодов с заранее заданными параметрами.
Особенность задания параметров элементов электрической цепи состоит в том, что они могут отличаться от реальных значений. Так, если.расчет поля проводится не на всем поперечном сечении машины, а только на ее четвертой части, то активные сопротивления катушек индуктивности, сопротивления диодов и транзисторов, а также амплитуду напряжения источника питания следует уменьшить в четыре раза. При этом результаты расчета (момент, токи) следует увеличить в четыре раза.
Методика расчета кривых намагничивания при произвольном угловом положении сердечников статора и ротора
Для оценки степени влияния на виброакустичекские характеристики ВИД различных составляющих электромагнитной силы рассмотрим спектры деформации возбуждаемые ими в отдельности (рис. 79). Их анализ показывает, что для большинства составляющих спектра радиальные деформации превосходят азимутальные примерно на порядок. На отдельных частотах они практически равны. Таким образом, в первом приближении можно пренебречь влиянием азимутальных сил и изгибающего момента на виброакустические характеристики ВИД. Однако при точном расчете шумов и вибраций следует проводить с учетом деформаций, вызываемых азимутальными силами и изгибающим моментом.
Спектр уровня звукового давления и общий корректированный уровень звука магнитного шума опытного образца ВИД находится на уровне асинхронных двигателей общепромышленного применения. Вместе с тем спектр его виброускорения более интенсивный по сравнению с ними. Это обусловлено тем, что уровень виброускорения существенно зависит от частоты, а в ВИД при одинаковой с асинхронным двигателем скорости вращения частота первой гармоники электромагнитной силы всегда существенно выше, чем в асинхронном. В данном случае эта величина для опытного образца ВИД равна 400 Гц, а для асинхронного 100 Гц.
В заключение следует отметить, что ВИД является системой регулируемого электропривода, работающей в определенном диапазоне частот вращения с заданными параметрами. Таким образом, частоты гармоник внешних силовых факторов будут также изменяться в некоторых пределах, что скорее всего будет приводить к возникновению механического резонанса по крайней мере на одной из частот вращения из рабочего диапазона, что делает необходимым проведение виброакустического расчета в нескольких рабочих точках. 1. По природе источников шума и вибрации ВИД ничем не отличается от других типов электрических машин, фазы которых питаются от преобразователя частоты. 2. Принципиальное отличие ВИД по виброакустических характеристикам от других типов электрических машин, работающих в системах регулируемого электропривода, может быть обусловлено только магнитной составляющей шума и вибраций. 3. В симметричном режиме работы в ВИД могут возбуждаться собственные формы деформации сердечника статора только нулевого и четных порядков. При этом собственная форма деформации нулевого порядка возбуждается только в двигателях с числом пар полюсов 2 р 4. 4. Динамическая модель статора ИМ для ВИД может быть представлена в виде бесконечного множества пар гармонических осцилляторов со своими параметрами. 5. Электромагнитные силы, действующие на полюса ИМ, имеют резко несинусоидальный во времени характер. При этом радиальная сила существенно превосходит азимутальную и последней в первом приближении при виброакустиком расчете иногда можно пренебречь. 6. В ИМ для ВИД и радиальная, и азимутальная составляющая деформации, начиная с некоторого порядка силовой волны, обусловлена только радиальной силой. 7. Виброакустический расчет ВИД следует выполнять для нескольких частот вращения, учитывая при этом возможность возникновения резонанса на частотах гармоник достаточно высоких порядков. 8. ВИД по своим акустическим характеристикам сопоставим с асинхронным двигателем: В ходе выполнения работы получены следующие результаты: 1. Разработана методика расчета индукторной машины для вентильно индукторного двигателя, которая может быть использована на начальном этапе проектирования двигателей этого типа различной мощности. Она включает в себя рекомендации по выбору оптимальных соотношений геометрических размеров индукторной машины, полученных на основе анализа влияния геометрии на ее характеристики; механический расчет конструкции ротора и элементы теплового расчета. 2. Создана математическая модель для расчета статических характеристик ВИД, основанная на Frohlich-аппроксимации кривых потокосцепления фазы в функции углового положения ротора и принципе линеаризации характеристик нелинейной магнитной системы. Модель реализована в созданном программном комплексе Everest, представляющем собой стандартное windows-приложение, написанное в среде объектно-ориентированного программирования MS Visual C++ 6.0. Помимо быстрой математической модели Everest включает в себя методику расчета индукторной машины и может быть эффективно использован на этапе предварительного проектирования вентильно-индукторных двигателей широкого диапазона мощностей.
