Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ особенностей проектирования и функционирования электротехнических комплексов (ЭТК) СУЗ ядерных энергетических установок (ЯЭУ). постановка задачи исследования
1.1 Краткая характеристика ЭТК СУЗ. Основные требования по обеспечению ядерной безопасности 9
1.2 Характеристика существующих методик проектирования шагового электропривода (ЭП) РО СУЗ 22
1.3 Режимы работы электропривода РО СУЗ 29
1.4 Постановка задачи исследования 30
1.5 Выводы по главе 1 32
2 Разработка уточняющей методики проектирования 34
2.1 Исходные положения 34
2.3 Алгоритм проектирования (основные этапы) по уточняющей методике 38
2.4 Пример проектирования с использованием разработанной методики 55
2.5 Выводы по главе 2 62
3 Моделирование ЭТК шагового электропривода с частотным управлением 63
3.1 Использование методов расчета полей в электромеханических системах 63
3.2 Анализ конструкции электромеханического преобразователя 66
3.3 Электронные преобразовательные устройства в системе управления шагового ЭП 71
3.4 Разработка и исследование математической модели электропривода с использованием сеточного метода 86
3.5 Разработка и исследование математической модели устройства контроля движения (УКД) с использованием сеточного метода 95
3.6 Поверочный расчт генератора 104
3.6.1 Расчт остаточного потока магнита 106
3.7 Компьютерное моделирование привода РО с устройством контроля движения 108
3.8 Выводы по главе 3 110
4 Теоретические и экспериментальные исследования разработанных моделей в разомкнутой и замкнутой системе управления ЭП 112
4.1 Постановка задачи 112
4.2. Описание алгоритма 115
4.3 Расч тные исследования электропривода 118
4.3.1 Расчт пуска на частоту вращения 50 об/мин 118
4.3.2 Расчт пуска на максимальную частоту вращения
4.4 Экспериментальные исследования в разомкнутом приводе 126
4.5 Исследования работы двигателя в замкнутом приводе 131
4.6 Выводы по главе 4 135
Заключение 137
Список литературы 139
- Характеристика существующих методик проектирования шагового электропривода (ЭП) РО СУЗ
- Алгоритм проектирования (основные этапы) по уточняющей методике
- Разработка и исследование математической модели электропривода с использованием сеточного метода
- тные исследования электропривода
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время приоритетным направлением в развитии энергетики является атомная энергетика. Утверждена государственная программа Российской Федерации «Развитие атомного энергопромышленного комплекса». Главные задачи программы – развитие атомной электрогенерации; обеспечение ядерной и радиационной безопасности. Предусмотрен ввод в эксплуатацию новых типов серийных энергоблоков АЭС, планируется модернизировать действующие. Программа рассчитана на период по 2020 г. включительно. Высокие требования к надёжности и безотказности объектов ядерной энергетики обусловили актуальность исследований, направленных на изучение системных свойств и связей компонентов электротехнических комплексов и систем, обеспечивающих поддержание мощности и регулирование ядерного реактора (ЯР). В качестве основного способа регулирования мощности энергетического реактора используется перемещение поглощающих стержней в активной зоне. Группа поглощающих стержней объединяется в кластер, или регулирующие органы (РО). Каждый РО перемещается при помощи электропривода. Помимо работы в режиме регулирования тепловой мощности электропривод должен обеспечить быстрый ввод кластера в активную зону в случае аварийной ситуации в реакторе.
В настоящее время одним из основных типов электропривода РО системы управления и защиты (СУЗ) реактора является шаговый электропривод на базе бесконтактной синхронной машины с частотным импульсным управлением. От того насколько качественно и надежно привод выполняет свои функции, зависит качество и безопасность работы реактора в целом.
Весомый вклад в исследования, разработку и обоснование совокупности технических критериев оценки принимаемых решений в области проектирования, создания и эксплуатации электротехнических комплексов и систем, включающих в себя исполнительные элементы на базе бесконтактных синхронных машин, был сделан в проблемной лаборатории электромеханики Московского энергетического института, под руководством профессоров М.Г. Чиликина, Б.А. Ивоботенко, В.П. Рубцова и др.
Важными направлениями развития атомной энергетики России являются модернизация и продление ресурса действующих энергоблоков, а также увеличение срока службы оборудования (до 50 - 60 лет).
Повышение точности работы устройства контроля движения на основе анализа состава системы и взаимодействия звеньев, обеспечивающие ядерную безопасность, достигается за счет использования шагового электропривода с герметизированными двигателями для ядерных энергетических установок.
Несмотря на накопленный опыт, в настоящее время нет формализованных методик проектирования электротехнических комплексов и систем, содержащих в своем составе исполнительный механизм СУЗ ядерных реакторов, что существенно повышает временные затраты на проектирование приводов данного типа. Существует необходимость углублённого математического описания и детального анализа режимов работы электропривода при постановке вычислительных экспериментов. Актуальность темы работы обусловлена важностью проблемы повышения срока службы и надёжности электрооборудования, предназначенного для
управления объектами использования атомной энергии, которые имеют большое значение для энергетики и экономики нашей страны.
Объект исследования – электротехнический комплекс СУЗ ядерных энергетических установок.
Предмет исследования – методы проектирования и режимы работы шагового электропривода регулирующих органов СУЗ.
Цель диссертационной работы: разработка уточняющей методики проектирования электропривода и детализация описания электромагнитных и электромеханических переходных процессов в исполнительном двигателе привода регулирующих органов в обеспечение качества расчётов электрооборудования в составе электротехнических комплексов СУЗ ядерных энергетических установок.
Задачи исследования, решение которых предполагает достижение поставленной цели:
- исследование особенностей функционирования и проектирования электро
технических комплексов СУЗ ядерных энергетических установок;
разработка уточняющей методики и алгоритма проектирования шагового электропривода с высокими требованиями к ресурсу и надежности;
разработка компьютерной модели шагового электропривода и устройства контроля движения с использованием современных методов математического анализа и программного обеспечения (метод конечных элементов и реализующих этот метод пакетов прикладных программ);
- проведение теоретических и экспериментальных исследований разработан
ных компьютерных моделей и алгоритмов в системе разомкнутого и замкнутого
электропривода, позволяющих провести оценку работоспособности электротехни
ческого комплекса в различных установившихся и переходных режимах.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
впервые разработана методика проектирования двигателей шагового электропривода с учётом момента инерции подвижных масс, для последующего использования в составе электротехнического комплекса привода РО СУЗ;
-
в обоснование возможности увеличения ресурса и надежности привода РО СУЗ разработана сеточная модель, обеспечивающая глубокую детализацию электромагнитных процессов в электромеханическом преобразователе, внедрена в математическое описание шагового электропривода в составе электротехнического комплекса, позволяющая просто и эффективно исследовать работу исполнительных механизмов СУЗ в различных установившихся и переходных режимах;
-
предложены уравнения для проектирования и анализа устройства контроля движения РО (генератора) на постоянных магнитах, обеспечивающего управление скоростью опускания при аварийной защите реактора;
-
проведена численная и экспериментальная проверка разработанных моделей в разомкнутой и замкнутой системе управления электропривода и подтверждена их практическая значимость.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в обосновании и разработке математических моделей, которые позволяют:
- выполнять проектирование шаговых двигателей для электропривода испол
нительных механизмов СУЗ по формализованным процедурам, за счет чего сокра
тится продолжительность проектирования электропривода РО;
выполнять исследования переходных режимов работы привода с детальным воспроизведением электромагнитных процессов в электромеханическом преобразователе, задолго до изготовления электропривода, его узлов и испытательного стенда в металле;
вычислять электромагнитные параметры электромеханических преобразователей в функции тока и положения ротора, необходимые для разработки преобразователей тока, что повысит качество проектирования электропривода РО СУЗ ядерного реактора и его составных частей;
представленный комплекс научно-технических решений, положенных в основу разработки шагового привода может быть использован при проектировании и модернизации РО СУЗ для АЭС.
Методы исследования. Использовались фундаментальные методы математической физики (метод конечных элементов и специальное программное обеспечение, реализующее этот метод) и теории поля, теория электрических и магнитных цепей, теория электромеханического преобразования энергии, уравнение связи между электромагнитными нагрузками и главными размерами машины, экспериментальные методы исследования натурных образцов бесконтактных синхронных машин с преобразователями частоты в составе электропривода.
Положения, выносимые на защиту:
-
Методика проектирования электромеханического преобразователя в составе системы шагового электропривода РО, в которой учитывается момент инерции подвижных масс.
-
Математические модели, алгоритмы и программы для исследования электропривода РО ядерного реактора, разработанные с применением встроенной сеточной (конечно-элементной) модели двигателя.
-
Результаты численных экспериментов по исследованию переходных режимов работы системы электропривода для вертикального перемещения РО на разработанных моделях.
4. Математические модели расчёта характеристик устройств, предназначенных для контроля движения РО, в том числе генератора и датчика перемещения.
Апробация работы. Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы были доложены на международных, всероссийских и региональных научно-технических конференциях:
региональных 29, 30, 31, 32, 33, 34 НТК «Актуальные проблемы электроэнергетики» Н. Новгород в 2010-2015 г.г.;
ХХ международной НТК студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ, 27 – 28 февр. 2014 г.;
VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, (7-9 октября 2014 года в Национальном исследовательском Мордовском государственном университете им. Н.П.Огарёва», г. Саранск);
11-й Международной конференции пользователей ANSYS/CADFEM , Москва 14-16 окт. 2014 г.
Связь диссертации с научно-техническими программами. Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности на 2014-2016 гг. (НИР № 8.2668.2014/К).
Реализация результатов работы. Основные положения и рекомендации диссертационной работы использованы:
- при выполнении НИР по договору №14/2273 между НГТУ им.
Р.Е.Алексеева и Сарапульским электрогенераторным заводом;
- при разработке учебного пособия по дисциплине «Электрические машины»
и в учебном процессе Нижегородского государственного технического универси
тета им. Р.Е. Алексеева.
Полнота публикации полученных результатов. По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 3 работы в журналах, реферируемых ВАК, 1 статья в иностранном журнале.
Личный вклад соискателя состоит в детализации основных пунктов методики проектирования электромеханической подсистемы шагового электропривода, включающей двигатель, общее описание сеточной модели для углублённого описания работы двигателя в составе шагового привода, постановка и анализ результатов вычислительных экспериментов, компьютерное моделирование.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 2 приложений общим объёмом 158 страниц, из которых 148 страниц основного текста, 51 рисунок и 10 таблиц. Список литературы содержит 100 наименований.
Характеристика существующих методик проектирования шагового электропривода (ЭП) РО СУЗ
В настоящее время в механизмах управления и защиты гетерогенных реакторов применяют три типа электроприводов. Все они обеспечивают дискретное (пошаговое) перемещение и позиционирование РО в положении, соответствующем последнему поданному импульсу: - шаговый электромагнитный привод; - шаговый электропривод с преобразователем движения и шаговым двигателем с вращательным движением ротора, в качестве которого используется бесконтактный синхронный двигатель, с частотным (импульсным) управлением; - электропривод с линейным шаговым двигателем. Первые являются одними из наиболее ранних промышленных разработок дискретных приводов данного назначения. Движение РО в них обеспечивается системой подвижных и неподвижных катушек, управляющих механическими за-щлками [9, 15,16]. Такие приводы получили весьма широкое применение в зарубежном реакторостроении (реакторы Янки (США), Обрингхейм (ФРГ), Джинна и др.). Разработчиком электромагнитного привода в России является ОКБ Гидропресс. Недостатками указанной конструкции являются ограниченная скорость перемещения РО из-за медленной работы механических защлок и их ограниченный ресурс. Другим их недостатком является то, что движение РО вниз может осуществляться только под действием силы тяжести.
В электроприводе с линейным шаговым двигателем жсткая механическая связь между подвижной и неподвижной частями привода отсутствует. Она заменена гибкой электромагнитной [17-19]. Ротор и РО перемещаются вверх и вниз под действием линейно перемещающегося электромагнитного поля, а преобразователь вращательного движения в поступательное отсутствует. Ведущими конструкторскими организациями, осуществляющими разработку электроприводов СУЗ по этой схеме для отечественных АЭС, являются АО НИКИЭТ и ОАО ВНИИАМ[20]. Учные института: И.Я. Емельянов, В.В. Воскобойников, Б.А. Масленок и др. внесли заметный вклад в теорию проектирования электроприводов СУЗ на базе линейных шаговых двигателей [21-22]. Гибкая электромагнитная связь между статором и ротором в этих устройствах позволяет существенно снизить трение и износ, что благоприятно влияет на ресурс, но является источником вынужденных автоколебаний, обусловленных дискретным характером движения ротора и РО, и может стать причиной нежелательных переходных тепловых процессов в зоне перемещения последнего. Кроме того, при обесточивании привода возможно чрезмерное ускорение подвижной части привода в конце хода и его поломка под воздействием ударных нагрузок.
Использование преобразователя вращательного движения в поступательное в комплекте с двигателем вращательного движения в значительной мере позволяет снизить влияние автоколебаний, обусловленных дискретным движением ротора. Несомненный приоритет в области создания исполнительных механизмов СУЗ на основе шаговых двигателей с вращательным движением ротора, подтвержднный значительным количеством авторских свидетельств и патентов на изобретения, принадлежит специалистам АО ОКБМ Африкантов, начиная с разработок, выполненных под руководством кандидатов техн. наук. А.М. Бамдаса, А.И. Леонтьева, Е.Г.Титова и др [23].
Весьма ответственными звеньями системы управления, к которым выдвигаются перечисленные требования, является электрооборудование: синхронный электропривод с герметичным шаговым двигателем, двигателем привода механизма захвата РО (если этот узел имеется) и устройством контроля движения. Разработка методов расчта этих устройств, включая методов проектирования, поверочного расчта и анализа работы в составе исполнительного механизма СУЗ представляет собой весьма важную научно-техническую задачу, решаемую в настоящем исследовании. 1 – Шаговый двигатель; 2, 3 – Части преобразователя движения; 4 – Герметизирующий кожух рейки, движущей РО
В итоге анализа функциональной схемы СУЗ ядерного реактора, проведнно-го в настоящей главе, определн состав электромеханической системы, подлежащей исследованию: - синхронный электропривод с герметичным шаговым двигателем и источником тока, создающим ток заданной формы в фазах двигателя; - механические устройства, соединнные с ротором двигателя; - устройство контроля движения РО. Шаговый электропривод СУЗ для перемещения РО или их группы в канале активной зона реактора разработки ОКБМ представлен на фото рис. 1.8.
Несмотря на многолетний опыт исследований и эксплуатации электроприводов СУЗ с шаговыми двигателями вращательного движения отсутствует методика проектирования электромеханической системы электропривода с учтом момента нагрузки и момента инерции подвижных масс привода.
Большинство методик проектирования электрических машин вообще, и синхронных машин в частности [24, 25] построены на использовании так называемой машинной постоянной (постоянной Арнольда). Эта постоянная связывает длину и диаметр ротора с электромагнитными нагрузками: индукцией в зазоре Bъ и линейной нагрузкой A СA= = I . (1.1) P ш5KBKобAB5 Линейная нагрузка - это ток, приходящийся на единицу длины окружности якоря машины (в амперах на метр). Здесь D - диаметр якоря около окружности зазора, - синхронная частота вращения (в радианах в секунду), P- расчтная мощность (в ваттах), L6 - расчтная длина зазора между статором и ротором в осевом направлении, б - коэффициент полюсного перекрытия, KB - коэффициент формы поля, Kоб - обмоточный коэффициент. Известен и ряд других критериев, позволяющих связать мощность или момент с параметрами первичной геометрии проектируемой машины: - момент на единицу объма машины; - момент, отнеснный к единице поверхности якоря (постоянная Рихтера); - объм машины, отнеснный к е электромагнитным нагрузкам, тем же, что и в постоянной Арнольда (постоянная Шенфера).
С определения параметров первичной геометрии - длины и одного из диаметров - начинается проектировочный расчт любой электрической машины. Далее реализуется последовательность аналитических, графических, табличных и логических функций остальных геометрических размеров, которая представляет собой методику проектирования. В каждой из них используется определнный набор эмпирических выражений, учитывающих накопленный опыт разработки данной группы или серии. Под одной группой машин следует понимать общность принципа действия, области применения и конструктивного исполнения.
Алгоритм проектирования (основные этапы) по уточняющей методике
Теперь известна вся внутренняя геометрия проектируемой машины, вплоть до полюсных наконечников. Ширина полюсов статора Ьс выбирается в пределах 0,450,65 полюсного деления статора, и является параметром оптимизации на предмет получения минимального внешнего диаметра магнитопровода.
Поток пазового рассеяния в пазу между двумя возбужднными полюсами предварительно может быть принят равным части потока рассеяния через полюсные наконечники Фст пн, с последующим сравнением с окончательным значением, полученным после определения размеров статора и его обмоточных данных. В случае значительного расхождения предварительного и окончательного значений, предварительное корректируется, после чего размеры статора и число витков обмотки вычисляются повторно.
Магнитная индукция в полюсе статора через поверхность стыка с полюсным (кст - коэффициент заполнения сталью пакета статора). Этому значению индукции соответствует напряжнность магнитного поля в полюсе статора Япс , определяемая по кривой намагничивания электротехнической стали, из которой выполнен магнитопровод, А/см. Падение напряжения на полюсах является функцией их высоты hпс
Выбираем обмоточный провод, характеризуемый диаметром проволоки dпр, мм, площадью поперечного сечения проволоки 5 пр , мм2, и диаметром изолированного провода dи з , мм. Выбором диаметра проволоки и е сечения вместе с плотностью тока j задатся номинальный ток двигателя и усилителей мощности электронного преобразователя, обеспечивающего его работу. Можно рекомендовать предварительный выбор в пределах j=5,06,0 А/мм2 - при условии 50% -ной продолжительности включения каждой фазы за один цикл коммутации.
Данное значение соответствует действующему значению тока, создающему основную (первую) гармонику магнитного потока при равномерном вращении ротора, когда вынужденные колебания ротора поглощаются приводом. При несинусоидальном питании - прямоугольных, треугольных, трапецеидальных импульсах тока и равномерном движении ротора высшие временные гармоники тока и создаваемые ими знакопеременные моменты в электромеханическом преобразовании энергии не участвуют. Они выделяются в виде электрических потерь, что находит отражение в увеличении плотности тока у по сравнению с предварительно выбранным значением. Эти потери учитываются при тепловом расчте, выполняемом с учтом гармонического состава конкретной формы импульсов тока.
После выбора плотности тока j, становится возможным выразить площадь паза, которую необходимо отвести под провода обмотки Мпр7 где кз - коэффициент заполнения паза. Детализированная по пунктам методика проектирования представлена в таблице 2.1 (исходные данные) и таблице 2.2 (методика и алгоритм), пример расчта по ней - в таблице 2.3. Таблица 1 Соотношение моментов инерции нагрузки и ротора А а=Лаг/Л Предварительно выбирается в пределах 12 и далее корректируется при выборе соотношения главных размеров: “Длина/Диаметр” ротора, п.2 расчта 2 Соотношение главных размеров: "Длина/Диаметр" ротора р Lр/Dр Подбирается в пределах 0,4-3,5 , с тем, чтобы соотношение моментов инерции нагрузки и ротора оказались в рекомендуемых в предыдущем пункте расчта пределах. 3ант,гранисти Число фаз обмотки статораВыбор m=3 позволяет спроектирm=6 – наиболее быстродействуцы частотного диапазона при тепреобразователя. Чаще всего прим m овать ющий, х же х еняютс m=36наиболее простой и дешевс точки зрения увеличенияарактеристиках усилителейя четырхфазные двигател -ый вари-верхней мощно-и, m=4. положение границ полю- левой границы полюсногонаконечника первого зубца- правой границы полюсногонаконечника первого зубца- левой границы полюсногонаконечника второго зубца- правой границы полюсногонаконечника второго зубца сных нЄ102 03е4 аконечников статора:-arctg -\ID J-01л 36001 + Z136002 + Z1 угловые градусы Ширина зубца ротора bр Ьпн+25 мм Угловое положение границ зубцов ротора: Qzl левой границы первого зубца 6z2 правой границы первого зубца 6Z3 левой границы второго зубца bр Dр bр 0O -arctg 0O + arctg Dр 6zl + 360 Z2 угловые градусы - правой границы второго зубца 6z4 3600z2 + z2 18 Длина дуги перекрытия границ полюсного наконечника первого зубца статора и первого зубца ротора в положении наибольшей проводимости зазора /1д 71 (ez2 еЛіооод360v y р мм
Эта переменная является величиной справочной. В положении наибольшей про водимости зазора, при котором и проводится проектировочный расчт, она должна быть равна магнитной проводимости под первым полюсом статора .
Разработка и исследование математической модели электропривода с использованием сеточного метода
Важное место при разработке электропривода уделяется методам математического анализа. В связи с широким внедрением вычислительной техники в расчт-ную практику инженеров и исследователей наибольшее применение получили численные методы. С их помощью выполняются расчты индуктивных параметров электрических обмоток и контуров, и электромагнитного момента для подстановки в уравнения движения электропривода. Наибольшее применение в настоящее время получили метод конечных элементов и метод конечных суперэлементов. В качестве суперэлементов рассматриваются участки магнитопровода на протяжении одного зубцового или полюсного деления электрической машины, которые в общем случае в каждом магнитопроводе, статора или ротора, могут иметь различную протяжнность.
В главе представлен анализ конструкции электромеханического преобразователя входящего в ЭТК для вертикального перемещения регулирующего органа ядерного реактора. Приведены схемы управления бесконтактными синхронными двигателями. Разработана математическая модель двигателя в составе привода и устройства контроля движения исполнительного механизма системы управления и защиты ядерного реактора с использованием сеточного метода.
Среди численных методов наиболее распространенными следует признать метод конечных разностей (МКР), МКЭ и метод граничных элементов (МГЭ) [59]. Преимущество численных методов решения состоит в возможности получения искомого результата с учетом реальных свойств материалов и геометрии всех входящих в расчтную область тел. Электромагнитные устройства и комплексы имеют распределенный характер магнитного поля, посредством которого электрическая энергия, подводимая к обмотке, превращается в механическую энергию перемещения подвижного элемента.
С развитием вычислительной техники эти методы получили широкое распространение, обширную теоретическую базу и доказали свою универсальность при решении полевых задач.
Метод конечных разностей [60] использует замену дифференциальных уравнений конечно-разностными уравнениями. Основной недостаток этого метода – сложность точного описания границ и оптимального наложения на область расчета конечно-разностной сетки.
Метод конечных разностей основан на конечно-разностной аппроксимации системы дифференциальных уравнений в частных производных. Расчет такой системы можно свести к решению систем нелинейных алгебраических уравнений большего порядка с ленточной матрицей. Задача решается в три основных этапа: вычисление коэффициентов матричных уравнений, итерационный расчет системы уравнений с коэффициентами и получение выходных параметров устройства. Метод может применяться для решения одномерных, двумерных и трехмерных краевых задач с граничными условиями первого, второго и третьего рода, со смешанными граничными условиями, для решения уравнений Лапласа, Пуассона и ряда других уравнений математической физики.
Метод конечных элементов основан на интегральной формулировке граничной задачи [61]. Вместо дифференциальных уравнений с частными производными устанавливаются соответствующие функционалы. Исследуемая область в зависимости от размерности задачи делится на плоские или объемные элементы, в которых неизвестное распределение поля аппроксимируется полиномами. Использование метода Рэлея-Ритца позволяет затем получить систему линейных алгебраических уравнений. Некоторые из выделенных элементов включают грани цы исследуемой области, полученная система уравнений может быть решена для внутренних точек.
Применительно к задачам электромеханики МКЭ позволяет рассчитывать электрические, магнитные, температурные и другие поля. Основная идея МКЭ состоит в том, что любую непрерывную функцию, такую, как векторный или скалярный магнитный потенциал, индукцию, температуру и т.п., можно аппроксимировать дискретной моделью, которая строится на множестве кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе подобластей. Решение уравнений поля в МКЭ определяется исходя из условия минимума энергетического функционала или ортогональности невязки уравнений поля и интерполяционных функций конечных элементов [53, 62]. 4) возможность наложения граничных условий с разрывной поверхностной нагрузкой.
Расчет магнитного поля в электрической машине численными методами позволяет детально проанализировать его распределение в отдельных элементах магнитной цепи. Сложная граница зубцовой зоны, большие размеры расчетной области и наличие сред с разными магнитными проницаемостями требуют большого количества узлов при использовании МКР или МКЭ. Количество узлов, на которое разбивается область поля электрической машины, может достигать нескольких десятков тысяч. Система уравнений такого порядка может быть решена только с помощью совершенных вычислительных программ и с использованием быстродействующей вычислительной техники. Как правило, эти расчеты весьма трудоемки, что усложняет их применение в процедурах проектирования.
тные исследования электропривода
Ввиду особой важности рассматриваемых приводов, совершенно необходимо, чтобы они были способны выполнять основную свою функцию - обеспечивать аварийную защиту реактора при обесточивании двигателя и привода. По окончании нештатной ситуации привод должен полностью восстановить работоспособность.
Для исключения поломок в результате механического взаимодействия подвижных и неподвижных частей привода, при котором возможно их соударение, применяют устройства (машины) контроля движения РО, выполняющее функцию ограничения скорости опускания при его движении под действием собственного веса при обесточивании двигателя. Для этого целесообразно применить генератор с возбуждением от постоянных магнитов.
Существует множество конструкций магнитоэлектрических машин, с возбуждением от постоянных магнитов, как со стороны ротора, так и со стороны статора. Они также позволяют выдавать сигнал в виде ЭДС вращения во вторичный преобразователь для определения углового положения ротора и положения РО, выдавать электрический сигнал в виде ЭДС вращения при полном обесточивании обмотки якоря.
При проектировании тахогенераторов и генераторов с мкостной стабилизацией фазное напряжение и ЭДС можно приравнять E0=Uном. (3.15) Тогда диаметр ротора и число витков в фазе можно связать между собой следующей зависимостью Д = Рном , (3.16) где - номер рабочей гармоники, р - число пар полюсов индуктора,/- частота сети, - расчтный коэффициент полюсного перекрытия, - отношение диаметра ротора к аксиальной длине зазора, Kоб - обмоточный коэффициент для рабо чей гармоники, wx - число витков фазы обмотки якоря. Зависимость (3.17) вытекает из уравнения для ЭДС фазы обмотки E0=2L vfw1 КобуФт, (3.17) Фm - полный поток возбуждения (на один полюс магнитной системы ротора), Фт.КЛ (3.18) т пм 2 2р
Манипулируя отношением , можно определиться с базисными размерами с учтом возможных ограничений. Одним из ограничений является условие размещения магнитов внутри окружности ротора с диаметром D, обеспечивающих необходимую линейную нагрузку A. Во избежание размагничивания она должна несколько превышать таковую со стороны статора при максимально возможном токе якоря в условиях воздействия эксплуатационных перегрузок по току , 2pHCBlмKзм 2mw1Imax nD n{D + 2bY { } где НСВ - коэрцитивная сила магнитотврдого материала по индукции, lм - общая длина магнитов с полюсными наконечниками (если они присутствуют) в направлении одной силовой линии поля возбуждения, p - число пар полюсов, образованных магнитами индуктора на роторе (p=pi); Imax - амплитуда максимального тока фазы обмотки якоря при протекании форсированных токов (в двигателе) или тока ударного короткого замыкания (в генераторе), Kзм - коэффициент запаса МДС магнитов индуктора, принимаемый для обеспечения их устойчивости к размагничиванию меньшим единицы на 5-10%.
С другой стороны, линейную нагрузку следует связать с требуемым моментом или мощностью, выделив е из известных соотношений для машинной постоянной (Арнольда) [84] СА= = 2 , (3.20) ХР KadKBKобvABd где - синхронная частота вращения (в радианах в секунду), Р - расчтная мощность (в Ваттах), KB - коэффициент формы поля, KB=\,\\. Из совместного решения (3.16), (3.19) и (3.20) определяются размеры и параметры D, , /м, W\. С учтом этой процедуры можно предложить достаточно универсальный алгоритм проектирования магнитоэлектрических машин, область применения которого распространяется на любые магнитные системы ротора с прямолинейной характеристикой размагничивания магнитов.
Сначала выбираются схема обмотки якоря и конструктивная схема индуктора с постоянными магнитами на роторе, а также марка магнитов. Сделанный выбор определяет значения Kоб, Кпм, Нсв, Вг (а значит и В).
Расчтные мощность Р или момент M = PIQ. зависят от соответствующих номинальных величин, которые являются исходными данными технического задания. Максимальный фазный ток Ітах в цепи якоря определяется параметрами используемого преобразователя или пускозащитной аппаратуры.
В результате решения по линейной нагрузке и назначенной плотности тока вычисляются пазовая МДС Fпаза, необходимая для получения требуемых значений расчтной мощности или момента и площадь Sпр, занятая проводами обмотки в пазу паза- , (3.21) Ad2 F S = из паза, (3.22) nd2К зJ где Кн - коэффициент насыщения, в силу присутствия в магнитной цепи линейных проводимостей высококоэрцитивных магнитов с проницаемостью близкой к магнитной проницаемости воздуха, этот коэффициент весьма близок к единице; Z\ - число пазов обмотки якоря, установленное на стадии выбора е схемы; сіиз -диаметр изолированного обмоточного провода; dг - его диаметр без изоляции; Кз - коэффициент заполнения проводниками свободной от изоляции площади паза, принимаемый в соответствии с рекомендациями, принятыми для всыпных или катушечных обмоток электрических машин [88]; j - плотность тока в обмотке, соответствующая номинальному току якоря.