Содержание к диссертации
Введение
1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЛИНЕЙНЫХ АСИНХРОННЫХ
ДВИГАТЕЛЯХ И МЕТОДЫ ИХ АНАЛИЗА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Особенности электромагнитных процессов в ЛАД 14
1.2. Расчетные методы исследований
1.3. Методы физического и электрического моделирования 22
1.4. Цель и задачи исследования 29
2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ЛИНЕЙНЫХ АСИНХРОННЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ ИЗ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОЙ БУМАГИ
2.1. Конструкции вторичной цепи и особенности допущений, принимаемых при их исследовании 31
2.2. Уравнения электромагнитного состояния для различных областей ЛАД 37
2.3. Уравнения - аналоги 50
2.4. Граничные условия. Система аналогий 59
Выводы 69
3. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ
3.1. Модель движущейся вторичной цепи 70
3.2. Модель границы ферромагнитной поверхности 75
3.3. Модель обмотки индуктора и воздушного пространства 77
3.4. Моделирование устройств с немагнитной вторичной цепью 81
3.5. Моделирование устройств с ферромагнитной вторичной цепью 90
Выводы 99
4. ПОГРЕШНОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ. ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
4.1. Возможные источники погрешностей 101
4.1.1. Погрешности воспроизведения процессов движения 101
4.1.2. Погрешности воспроизведения процессов на границе ферромагнитной поверхности 108
4.1.3. Погрешности всех способов моделирования на электропроводящей бумаге 109
4.2. Уменьшение погрешности, обусловленной неоднородностью электропроводящей бумаги 117
4.3. Особенности измерительных устройств. Измерительный комплекс 120
4.4. Задание токов в полных моделях 126
Выводы 130
5 СОКРАЩЕНИЕ ТРУДОЕМКОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ
5.1. Уменьшение числа этапов моделирования при воспроизведении продольного краевого эффекта 133
5.2. Сокращение области моделирования 142
5.3. Задание токов в сокращенных моделях 150
Выводы 155
6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ РАЗРАБОТАННОГО МЕТОДА МОДЕЛИРОВАНИЯ И ЕГО ВНЕДРЕНИЕ
6.1. Результаты экспериментальных исследований 160
6.2. Электромагнитный транспортер для стабилизированной
подачи металлических листов 169
Выводы 175
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 177
ЛИТЕРАТУРА 179
ПРИЛОЖЕНИЕ 192
- Особенности электромагнитных процессов в ЛАД
- Конструкции вторичной цепи и особенности допущений, принимаемых при их исследовании
- Модель движущейся вторичной цепи
- Погрешности воспроизведения процессов движения
- Уменьшение числа этапов моделирования при воспроизведении продольного краевого эффекта
Введение к работе
В решениях ноябрьского 1,982 года Пленума ЦК КПСС отмечалось Гі], что одной из важнейших задач в настоящее время является кардинальное повышение производительности труда на основе широкого и ускоренного внедрения в практику достижений науки,новых,прогрессивных средств труда. Линейный электроприводIV],получающий все более широкое распространение, является одним из таких средств. Об этом свидетельствует тот факт, что объем опубликованной информации по линейному электроприводу в последнее десятиле -тие удваивается каждые пять лет, а это более чем в два раза превышает темпы развития науки в целомГз|.
В системе линейного электропривода /Жди/ в зависимости от конкретных требований могут применяться различные типы линейных двигателей: шаговые, постоянного тока, синхронные, асинхронные . Последние, линейные асинхронные двигатели /ЛДЦ/, являются наиболее распространенными Г4,5~|. Они характеризуются конструктивной простотой, возможностью получения больших линейных скоростей и перемещений, органического слияния двигателя и рабочего органа, в результате чего создаются предпосылки создания машин, обладающих принципиально новой конструктивной компоновкой и повышенной надежностью при малых эксплуатационных затратах.
Линейные асинхронные двигатели нашли применение в электроприводе высокоскоростного наземного транспорта /ВСНТ/, конвейерных поездах, конвейерах, транспортных рольгангах, в стендах для ис«-пытания автомобилей, судов, в механизмах возвратно-поступательно*-го движения,а также в приводах дорожно-строительных и подъемно-транспортных машин. Новая область применения ЛДЦ - транспортные робототехнические комплексы [б-14~|.
Линейные асинхронные двигатели оказались предпочтительными во многих случаях, однако их преимущества не означают необходимости повсеместной замены традиционных приводов линейными.
Привод с линейными асинхронными двигателями следует рассматривать как дополнение арсенала конструктора, который для создания наиболее эффективной машины должен четко представлять достоинства и недостатки каждого из возможных вариантов привода.
Как показал опыт практического использования линейных асинхронных двигателей, простая замена существующих приводов приводами с линейным асинхронным двигателем в большинстве случаев невозможна или нерациональна. Линейный привод целесообразно разрабатывать одновременно с созданием нового оборудования.
Линейные асинхронные двигатели обладают рядом недостатков, к основным из которых относятся низкие энергетические показатели. Это обусловлено разомкнутостыо их электромагнитной системы. Разомкнутость магнитопровода и его конечные размеры приводят к искажению структуры бегущего магнитного поля в зазоре, появле -нию пульсирующих составляющих и возникновению краевых эффектов, а это влечет за собой дополнительные электрические потери и уменьшение к.п.д. двигателя [J5-I7|.
Важное значение, особенно для ЛАД транспортных устройств, имеет продольный краевой эффект /ПКЭ/, исследованию которого посвящено значительное количество публикаций последних летПз, 18-21 и дЭ.
В настоящее время, несмотря на все возрастающее применение линейных электроприводов в промышленности, отсутствует единый подход при выборе конструкций и типа ЛАД ГГ7І.
Большинство предложенных теорий для описания электромагнитных процессов в ЛАД справедливы лишь при ряде более или менее обоснованных допущений, к типичным из которых относятся,например,предположение о симметричности токов в фазах, конечная проницаемость стали индукторов и др. Многие явления учитываются косвенно. Попытка непосредственного учета краевых эффектов, особенностей конструкции обмотки и геометрии зубцов приводят к значительному усложнению расчетных методов ІІ9-23 |.
Вместе с тем во многих случаях, встречающихся на практике, например, при создании малополюсных машин или при модернизации существующего сложного оборудования, требуется тщательный анализ электромагнитных полей. Такой анализ может быть проделан лишь с помощью экспериментальных исследований на натурных образцах или их моделях|24-26|.
Физические модели, построенные на основе теории подобия , несмотря на свои многочисленные достоинства[24,27,28|,к основным из которых относится - наиболее точное отражение исследуемых явлений, обусловленное единой физической природой модели и оригинала, имеют ограниченное применение из-за сущест-венных временных и материальных затрат на их изготовление.
Большими возможностями для исследования полей в электри -ческих машинах обладают модели, выполненные на основе сплошных проводящих сред[29Іи, в частности, из электропроводящей бумаги] 30] . Накопленный к настоящему времени опыт использования моделей из электропроводящей бумаги для воспроизведения электромагнитных полей в линейных асинхронных двигателях [26,ЗЗГ| позволяет перейти к созданию усовершенствованных нетрудоемких методик моделирования. Последние обеспечивают возможность учета наиболее сложных явлений в линейных двигателях и оказываются приемлемыми для исследования большинства типов ЛДЦ промыш -ленных транспортных устройств.
Цель диссертационной работы заключается в развитии метода моделирования на электропроводящей бумаге для обеспечения возможности воспроизведения процессов движения и учета особенностей конст -рукции ЛАД промышленных транспортных устройств при уменьшении трудоемкости моделирования. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач.
Установить теоретические предпосылки электрического моде -лирования продольного краевого эффекта и нелинейных свойств ферромагнитного массива вторичной цепи.
Разработать принципы практической реализации электрических моделей и методику проведения исследований на них.
Выявить источники погрешностей и предложить меры для их устранения.
Разработать способы снижения трудоемкости моделирования.
Проверить основные теоретические положения с помощью экспериментальных исследований на натурных образцах ЛАД и их моделях.
Внедрить метод при создании ЛАД промышленных транспортных устройств.
Методика проведения исследований. При разработке методики моделирования на электропроводящей бумаге ЛАД промышленных транспортных устройств в качестве основного принят метод математического моделирования с использованием теории подобия и электроаналогий. Исследование возможности сокращения числа этапов моделирования при воспроизведении продольного краевого эффекта проводилось с использованием одномерной теории Вольдека А.И.,учет нелинейных свойств ферромагнитного массива вторичной цепи - с помощью приближенных соотношений Неймана Л.Р. Сокращение области моделирования было выполнено на основе метода искусственного симметрирования электромаг- нитной системы ЛАД. Оценка точности разработанного метода производилась путем сопоставления результатов моделирования с данными эксперимента.
Автор защищает.
Метод моделирования на электропроводящей бумаге продольного краевого эффекта.
Уравнения-аналоги для моделирования на электропроводящей бумаге процессов в движущейся вторичной цепи, с сохранением той же системы аналогий, что и при моделировании заторможенного ЛАД.
Использование приближенных соотношений Неймана Л.Р. для воспроизведения на электрических моделях нелинейных свойств ферромагнитного массива вторичной цепи.
Способ уменьшения погрешностей, обусловленных неоднородностью электропроводящей бумаги.
Методику сокращения области и числа этапов моделирования.
Научная новизна работы состоит в разработке методики моделирования, позволяющей на статических электрических моделях воспроизводить процессы в движущейся вторичной цепи; в обосновании возможности использования приближенных соотношений Неймана Л.Р. при моделировании на электропроводящей бумаге процессов на границе ферромагнитного массива вторичной цепи; в установлении возможности применения метода искусственного симметрирования при исследовании нагрузочных режимов работы линейных машин; в разработке методики сокращения числа этапов моделирования при воспроизведении продольного краевого эффекта.
Практическая значимость диссертации заключается в том, что созданные модели из электропроводящей бумаги является эффективным средством исследования ЛДЦ промышленных транспортных устройств и могут широко использоваться в инженерной практике. Разработанные принципы практической реализации электрических моделей, а также способы снижения трудоемкости и повышения точности моделирования обуславливают простоту и наглядность предложенного метода.
Реализация результатов работы.Работа выполнялась как составная часть исследований, проводимых МДЩ во исполнение Целевой Комплексной программы Госстроя СССР, ГКНТ СССР, Госплана СССР 0.Ц.03І на 1981 - 1985 гг. Разработанная методика была внедрена при проектировании и испытаниях линейного электропривода экспериментального, опытного и опытно-промышленного вариантов электромагнитного транспортера для стабилизированной подачи металлических листов, созданных содружеством ВНИПИТеплопроект Минмонтажспецстроя СССР и МДЦИ. Отдельные результаты работы были использованы при создании линейного электропривода конвейерного поезда, устройства для клее-магнитного крепления теплоизоляционных панелей к стальной поверхности резервуаров.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы развития строительной и дорожной техники для работы в условиях Сибири и Севера" (Красноярск,1981 г.) ; на X Рижском совещании по магнитной гидродинамике (1981 г.)', на Всесоюзной научно-технической конференции "Прогрессивная технология и автоматизация технологических процессов в машиностроении и приборостроении" (Ленинград,1982 г.) ; на Всесоюзном семинаре "Линейный тяговый электропривод высокоскоростного наземного транспорта" (ГКНТ СССР,Москва,1983 r.J , а также на XXXIX - XLI научно-исследовательских конференциях МДЩ 1981 - 1983 гг.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 8 статей и 3 научно-технических отчета.
Структура и объем диссертации.Диссертация состоит из введения, шести разделов и заключения, изложенных на 126 с. Работа содержит 54 рисунка, 4 таблицы, 124 наименований библиографии, . 4 с. приложения.
В разделе I рассмотрены особенности электромагнитных процессов в линейных асинхронных двигателях. Приводится обзор работ по развитию линейного электропривода, изложено состояние вопросов теории, методов исследования ЛАД, дана характеристика метода моделирования на электропроводящей бумаге.
В разделе 2 теоретически обоснована возможность моделирования на электропроводящей бумаге продольного краевого эффекта и нелинейных свойств ферромагнитной вторичной цепи.
В разделе 3 рассмотрены вопросы практической реализации моделей на электропроводящей бумаге, ЛАД с немагнитной, ферромагнитной и комбинированной вторичной цепью. Даны конкретные рекомендации по изготовлению моделей, расчету всех их параметров, рассмотрен порядок моделирования.
В разделе 4 выявлены возможные источники погрешностей, возникающие при моделировании, рассмотрены меры для их устранения.Дано описание разработанного измерительного комплекса для исследований на моделях из электропроводящей бумаги.
В разделе 5 теоретически обоснованы способы сокращения трудоемкости моделирования за счет уменьшения числа этапов моделирования при воспроизведении продольного краевого эффекта и сокращение области моделирования путем применения метода искусственного симметрирования электромагнитной системы линейных асинхронных двигателей. - II -
В разделе 6 приведены результаты экспериментальных исследований на натурных образцах ЛАД промышленных транспортных устройств и их моделях из электропроводящей бумаги, дано описание электромагнитного транспортера для стабилизированной подачи металлических листов, основным элементом которого являются линейные асинхронные двигатели, разработанные с использованием предлагаемой методики.
class1 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЛИНЕЙНЫХ АСИНХРОННЫХ
ДВИГАТЕЛЯХ И МЕТОДЫ ИХ АНАЛИЗА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ class1
Особенности электромагнитных процессов в ЛАД
В линейных двигателях в связи с разомкнутостью их магнитной системы возникает ряд дополнительных явлений, анализу которых посвящено большинство работ отечественных и зарубежных авторов.
Первоначально изучались электромагнитные процессы в линейных индукционных машинах при отсутствии вторичного тела Гз2І Исследование распределения магнитного поля в рабочем зазоре показало существование в линейных двигателях помимо основного бегущего магнитного поля пульсирующих составляющих, возникающих из-за разомкнутости магнитной системы и конечной магнитной проницаемости магнитопровода. Это явление получило название " первичного продольного краевого эффекта" \1Ь\.
Пульсирующие составляющие индукции в зазоре вызывают несимметрию токов фаз обмотки индуктора, являются источником дополнительных потерь. Вопросы компенсации этих пульсирующих составляющих, в частности, симметрированием обмоток, борьба с кра евыми эффектами, рассмотрены в работах [15,32,33 и дрЛ.
Как показали исследования, явления, возникающие в рабочих режимах ЛАД, вносят дополнительные существенные изменения в структуру магнитного поля. Это не позволяет распространить полученные при рассмотрении холостого хода результаты на другие режимы работы и приводит к необходимости изучения работы линейных индукционных машин с учетом реакции вторичной цепи. Этот вопрос рассматривался советскими учеными Штурманом Г.И. И Ароновым Р.Л. 34І .
Глубокому и всестороннему исследованию линейных индукционных машин посвящены работы Вольдека А.И. [15,20,33, 35-40].Проведенные исследования позволили выявить ряд основных особен -ностей электромагнитных процессов ЛАДв нагрузочных режимах работы. Было показано, что при входе вторичных контуров в актив -ную зону машины и выходе из нее, во вторичной цепи возникают переходные составляющие тока, которые искажают картину магнит -ного поля в воздушном зазоре как в зоне индуктора, так и за ее пределами. При этом помимо поля, созданного обмоткой индуктора, появляются дополнительные составляющие поля, возникающие на краях машины и затухающие по мере удаления от них. В значительной степени это проявляется при большой добротности вторичного тела и приводит к появлению дополнительных потерь, тормозных усилий, искажению характеристик двигателя, снижению энергетических показателей.
class2 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ЛИНЕЙНЫХ АСИНХРОННЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ ИЗ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОЙ БУМАГИ class2
Конструкции вторичной цепи и особенности допущений, принимаемых при их исследовании
Наиболее общая конструкция двигателя, из которой предельным переходом получаются все отмеченные конструкции ЛАД, представ -лена на рис. 2,2 б. Соответственно, построение электрической модели такого двигателя дало бы возможность исследовать электромагнитные процессы в остальных конструкциях как в ее частных случаях.
Различие конструкций вторичной цепи ЛАД обуславливает и различие допущений, принимаемых при создании их математических моделей.
Обычно модели из электропроводящей бумаги не позволяют воспроизводить без принятия специальных мер электромагнитные поля с погрешностью менее 10 - 15% [зо] /из-за большой неоднородности удельного сопротивления бумаги, выпускаемой промышленностью/.Некоторые приемы уменьшения погрешности моделирования отмечены в 29,30,I0f]. Поэтому учет влияния эффектов, вклад которых меньше указанной величины, сопровождается значительным увеличением трудоемкости моделирования, что не всегда оправдано.
Проанализаруем различные конструкции ЛАД с учетом степени проявления в них краевых и толщинных эффектов при практической реализации.
Двусторонние ЛАД с комбинированной вторичной цепью Грис.2.26,) из-за своей высокой стоимости считаются перспективными в основном для высокоскоростного наземного транспорта 59 1 - они позволяют при заданном весе развивать большую силу тяги, чем односторонние, в них отсутствуют нескомпенсированные усилия, действующие на вторичную цепь, что является немаловажным условием нормальной работы ВСНТ [85] . В математических моделях этих двигателей основное внимание уделяется продольному краевому эффекту, оказывающему определяющее влияние на характеристики ЛАД, процессы в ферромагнитном массиве вторичной цепи учитываются приближенно [66] с помощью выражений,полученных Нейманом Л.Р. в [751.
Модель движущейся вторичной цепи
В разделе 2 было показано, что для исследования процессов в движущейся немагнитной вторичной цепи ЛАД необходимо воспроизвести уравнения с внутренними распределенными источниками.
Для моделирования уравнений с внутренними распределенный источниками на электропроводящей бумаге необходимо в область модели, соответствующей области вторичной цепи ЛАД, ввести накопитель энергии - емкость. Кроме того, должна быть предусмотрена возможность задания в ту же область вторичной цепи токов, рассчитанных по (2.2б).
Накопитель энергии может быть изготовлен как в виде непрерывного, так и в виде дискретного конденсаторного слоя (рис.3.1,3.2) .
Использование непрерывного конденсаторного слоя позволяет получить более точные результаты, чем при использовании диск -ретного. Применение непрерывного слоя ограничивается его малой удельной емкостью. Величина удельной емкости обратно пропорциональна толщине диэлектрика 4, помещенного между электропроводящей бумагой 2 и металлизированным покрытием 3 (рис.3.IJ.
Согласно исследованиям, проведенным в [Ї0Ї], имеется практическая возможность получения в моделях удельной емкости не более 30 40 х 10 Ф/м . Это связано прежде всего с тем, что толщина выпускаемых промышленностью металлизированных с двух сторон фторопластовых пленок составляет не менее 10 15 мкМ. Изготовленный из выпускаемой промышленностью пленки конденса -торный слой обладает значительным разбросом емкости /до 50%/. Кроме того, малое удельное сопротивление приводит к необходимости моделирования на частотах от 20 000 Гц до 100 000 Гц при частоте питания ЛАД - 50 Гц, что требует использования специальной измерительной аппаратуры, а , в некоторых случаях, делает исследования на модели невозможными.
Погрешности воспроизведения процессов движения
Моделирование, также как и эксперимент в реальной системе не только не исключает аналитического исследования, а наоборот, дает материалы для математического анализа.
При воспроизведении процессов движения ЛАД погрешности могут возникать из-за отличия форм кривых распределений индукции, полученных на различных этапах моделирования; из-за неправильного выбора частоты питания модели и места расположения эквипотен-циалей, служащих для воспроизведения явления растекания токов за пределы активной зоны машины; из-за отличия пространственного распределения фаз потенциалов, измеряемых на модели,от прямоугольного.
При моделировании ЛАД с немагнитной вторичной цепью с учетом продольного краевого эффекта в данной работе было обнаружено, что все распределения поля, полученные на модели начиная со второго этапа по продольной и поперечной осям ЛАД, пропорциональны по модулю в каждой точке пространства, повторяя друг друга по форме.Это явление затем было подвергнуто аналитическому исследованию /раздел 5.1/, с помощью которого была установлена возможность сокращения необходимого числа этапов моделирования до трех.
Для подтверждения сделанного предложения были проведены специальные исследования на модели.
На рис.4.I показаны распределения поля в воздушном зазоре ЛАД при скорости ІҐ = 3,7 м/с /описание модели и парамет -ров ЛДЦ дано в разделе 6.2/.
Как видно из рис.4.1, кривые 1,2,3,чередующиеся по знаку, подобны по форме и отличаются друг от друга на постоянный коэффициент. Существенного влияния характера распределения поля на величину этого коэффициента в различных точках активной зоны малополюсных машин не было выявлено.
Аналитически решить задачи, возникающие при исследовании продольного краевого эффекта, в большинстве случаев сложно.Отсутствие достаточно полных сведений о некоторых сторонах этого процесса отразилось и при разработке методики моделирования на электропроводящей бумаге. Хорошо известно, что в режимах движения вторичные токи растекаются за пределами активной зоны индуктора, но имеется лишь теоретическое описание этого процесса [J9J, являющегося по нашему мнению проблематичным.
Для воспроизведения этого явления, в зоне модели, соответствующей вторичной цепи, за пределами шунтирующих зон были установлены эквипотенциали, которые служили для отвода токов в модели из активной зоны /рис.3.8, поз.б/.
Уменьшение числа этапов моделирования при воспроизведении продольного краевого эффекта
Из видно, что нахождение параметра р должно производиться в каждой конкретной точке модели ЛДЦ. Это связано с тем, что в реальной машине распределения полей первичного, вторичного, третичного и т.д. отличаются друг от друга не только по амплитуде, как в бесконечно длинном ЛДЦ, но и по форме. Очевидно, что такое представление является приближенным и вычисление результирующего поля по (5.22] и с учетом 5.23] вносит некоторую методическую погрешность. Однако как показали экспериментальные исследования /раздел 4.1.I/ величина этой погрешности невелика.
Неравенство!р I, отмеченное ранее, позволяет определить ориентировочно область целесообразного применения разработанной методики моделирования, что иллюстрируется рис.5.1,5.2. На рис.5.1 показано изменение числа этапов моделирования от коэффициента О , причем при построении кривой, показанной на этом рисунке, принималось, что амплитудные значения индукции, полученные на последнем этапе моделирования Bgn/n- составляет не более Ь% 04 3Qm;t полученных на первом этапе.При значениях р , близких к I число этапов начинает резко возрастать, и проводить более 13 этапов - нецелесообразно (см.рис.5.i) .
На рис.5.2 заштрихованной зоной показана граница целесообразного использования разработанной методики моделирования ЛДЦ с движущейся вторичной цепью. Выше заштрихованной области на рис.5.2 движение вторичной цепи при отмеченных скольжениях,мало влияет на результирующую картину поля. Ниже-отмеченное число этапов дает погрешность моделирования более 15%.
