Учебное пособие 800617

УДК 621.313

И.В. Беляев, С.А. Белозоров, Т.Е. Черных

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ДРОБНОГО ЧИСЛА ПАЗОВ НА ПОЛЮС И ФАЗУ, А ТАКЖЕ УКОРОЧЕНИЯ ОБМОТКИ

НА КРИВУЮ ЭДС СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Рассматривается влияние укорочения на форму кривой ЭДС при выборе числа пазов на полюс и фазу дробным на примере синхронного генератора с постоянными магнитами

В современном мире остро стоит вопрос об экономии электроэнергии. В связи с этим особенно актуально применение возобновляемых и неисчерпаемых источников энергии. Наиболее динамично развивающейся отраслью, использующей альтернативные источники энергии, является ветроэнергетика. Синхронные генераторы с постоянными магнитами имеют ряд преимуществ перед другими типами электрических машин при использовании в ветроустановках.

Важным вопросом при проектировании синхронного генератора с постоянными магнитами является выбор числа пазов на полюс и фазу q. Для уменьшения отрицательного влияния высших гармоник ЭДС принято выбирать число пазов на полюс и фазу дробным.

Для ряда обмоток с целым q было установлено, что снизить влияние высших гармоник кривой ЭДС можно при выборе укорочения β, равного 0,8.

Рассмотрим влияние выбора укорочения на кривую ЭДС на примере трехфазного синхронного генератора с постоянными магнитами, имеющего следующие номинальные параметры: мощность 1 кВт, напряжение 220 В, частота вращения 200 об/мин. Для исследования зададимся двумя значениями числа q, учитывая вышеизложенные рекомендации и условия симметрии обмотки:

.

Рассчитаем параметры обмотки и зубцовой зоны статора для выбранных значений и .

С помощью программного продукта, реализующего метод конечных элементов, моделируем полученные магнитные системы генератора. В результате моделирования получаем зависимости

51

ЭДС от времени для разных значений укорочения (рисунки 1,2).

Рис. 1. Зависимость Е(t) для при разных шагах обмотки y

Полученные кривые ЭДС разложим в ряд Фурье и оценим амплитуды нескольких гармоник. Результаты расчета представлены в табл. 1,2.

В результате анализа табл. 1 и 2 можно сделать несколько

53

выводов: при числе q 6 амплитуды чётных гармоник (2,4,6,8)

5

имеют значения в разы больше, чем при q 3 , при этом

2

амплитуды нечётных гармоник (остаются примерно одинаковыми). Это говорит о том, что амплитуда чётных гармоник по большей степени зависит от конфигурации зубцовой зоны генератора, а также схемы той обмотки, которая будет ней располагаться.

Амплитуды нечётных гармоник очень сильно зависят от укорочения обмотки β. Авторами рекомендуется использовать укорочение обмотки β = 0,8, так как при таком укорочении наблюдается минимальное влияние нечётных гармоник на кривую поля. При анализе таблиц 1 и 2 следует отметить, что величина укорочения смещается в меньшую сторону. Так для обмотки с

q 6 , оптимальным укорочением является β = 0,56, а для обмотки

5

с q 3 укорочение должно составить β = 0,67.

2

Следовательно, для дробных обмоток, условие для выбора оптимального укорочения обмотки β = 0,8, не актуально. При выборе укорочения для дробных обмоток следует определять укорочение исходя из анализа гармонического спектра выходной кривой ЭДС генератора. При этом на стадии проектирования, очень важно правильно подобрать величину q для дробной обмотки.

При дальнейших исследованиях возможно установить необходимые значения укорочения обмотки для получения оптимальной формы кривой ЭДС для ряда обмоток с дробным числом пазов на полюс и фазу.

Литература

1. Балагуров В. А., Галтеев Ф. Ф. Электрические машины с постоянными магнитами. — М.: Энергоатомиздат, 1988.

Воронежский государственный технический университет

54

УДК 621.313.292

И.С. Федосова, В.В. Бабенко, О.А.Киселёва

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НА БАЗЕ БЕСКОНТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Рассматриваются интегральные свойства электроприводов на базе бесконтактных двигателей постоянного тока

При проектировании электроприводов (ЭП) на базе бесконтактных двигателей постоянного тока (БДПТ) в первую очередь ставится вопрос об использовании датчиков положения ротора в цепи обратной связи или наблюдателей состояния.

Из литературы следует, что для таких ЭП можно выделить три группы характеризующих его свойств: взаимодействие системы с внешней средой; внутреннее строение; интегральные свойства. Свойства первой группы характеризуют все виды взаимодействия ЭП с БДПТ и внешней средой, определяют состав и уровни эксплуатационных воздействий, их изменчивость и изученность.

Вторая группа свойств характеризует внутреннее строение системы и её структурную реализацию, определяет логику и алгоритм функционирования. Это позволяет математически описать и смоделировать функционирование ЭП, по математической модели изучить её свойства.

В третью группу свойств ЭП с БДПТ входят структурные или системные свойства, к которым относят полезность, эффективность, самоорганизацию, безопасность, информационная устойчивость, управляемость и надёжность.

Анализируя эти свойства можно констатировать, что полезность представляет собой выходной конечный эффект, или способность системы решать поставленную задачу. Процесс исследования ЭП по отдельным качествам строится исходя из того, что по остальным он идеален. Такой подход приводит к завышенным оценкам эффективности и целостности всей системы и в ряде практических ситуаций оказывается недостаточным по ряду причин. При исследовании сложности ЭП описанный выше подход не позволяет получить точный и достоверный результат.

55

С точки зрения обеспечения свойств безопасности наиболее важны свойства управляемости, наблюдаемости и устойчивости. Под управляемостью понимается способность системы подчиняться управляющим воздействиям. В свою очередь, информационная устойчивость характеризует гибкость управления системы, её оперативность, точность и способность выработки решений, на основе которых формируется управляющее воздействие. Управляемость системы неразрывно связывают с еще одним ее свойством, а именно – с наблюдаемостью, которая заключается в способности определения состояний объекта управления. Наблюдаемость является определяющим фактором при построении ЭП с наблюдателем в цепи обратной связи. При этом необходимым для ряда систем является отыскание оптимального соотношения между управляемостью системы и наблюдаемостью в ней. Обеспечение наблюдений в ЭП с использованием комплекса датчиков непосредственного измерения, а так же датчиков косвенного измерения и средств диагностирования, непосредственно влияет на сложность, что необходимо учитывать при ее исследовании [1].

При анализе и синтезе ЭП с БДПТ необходимо учитывать то, что часть блоков может быть реализована программно, а часть - аппаратно. Наличие программно реализуемых блоков регуляторов угла положения, скорости, тока и датчиков прямых и косвенных измерений, обеспечивает дополнительные возможностями для организации информационного обмена.

В заключение следует заметить, что сведение к минимуму аппаратной части и перенос логических функций датчиков наблюдения и диагностирования к программной части открывают широкие возможности для повышения качества управления в ЭП с БДПТ без усложнения системы.

Литература 1. Киселёв Д.П. Формирование управляющих импульсов

бесконтактного двигателя постоянного тока в пусковом режиме/ Д.П.Киселёв, И.С. Федосова, О.А.Киселёва// Моделирование, оптимизация и информационные технологии. Научный журнал №4(11) – 2015

Воронежский государственный технический университет

56

УДК 621.313.292

И.С. Федосова, Д.П. Киселёв, О.А. Киселёва

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ВЫХОДНЫХ КООРДИНАТ В БЕСКОНТАКТНОМ ДВИГАТЕЛЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Рассматривается структурная схема восстановления выходных координат в бесконтактном двигателе постоянного тока с помощью наблюдателя состояний в цепи обратной связи системы управления без датчика положения ротора

Электропривода с бесконтактными двигателями постоянного тока (БДПТ) при векторном импульсном управлении можно проектировать как с датчиками положения ротора (ДПР), так и без них, используя наблюдатели состояния (НС) в цепи обратной связи для восстановления выходных координат [1].

Внастоящее время наилучшим вариантом наблюдателя состояния будет являться система управления БДПТ, в которой максимально использованы функциональные возможности замены аппаратной части (электромеханического датчика) на программную реализацию этих функций.

Ванализируемой системе управления сигнал обратной связи по скорости и углу поворота ротора формируется наблюдателем состояний, то есть не аппаратной, а программной частью системы. Это возможно только при использовании косвенных измерений, а затем восстановление требуемой координаты. Для входных данных, которые используются для восстановления координат скорости и угла поворота, являются токи статора и фазные управляющие напряжения. Датчики тока и напряжения находятся в инверторе, а это значит, что они не требуют дополнительных соединительных проводов и дополнительных вращающихся устройств. Значит, система управления БДПТ в этом случае обладает большей надежностью и меньшей стоимостью. На рисунке показана

структурная схема математической модели подсистемы наблюдателя в цепи обратной связи системы управления БДПТ с вычислением скорости по реальному дифференциатору от скорости. Для восстановления информации о скорости рассмотрим два варианта реализации.

57

Вариант 1. С помощью идеального дифференциатора от угла по формуле (1), где - восстановленная угловая скорость; - восстановленный угол.

(1)

Вариант 2. С помощью реального дифференциатора от скорости по формуле (2), где - постоянная времени экспоненциального фильтра;

(2)

Структурная схема математической модели подсистемы наблюдателя состояния по второму варианту

Литература 1.Федосова И.С. Схемы замещения бесконтактного двигателя

постоянного тока при формировании базового вектора/ /И.С. Федосова, Д.П.Киселёв, О.А.Киселёва// Моделирование, оптимизация и информационные технологии. № 4(11) – 2015, 6 с.

Воронежский государственный технический университет

58

УДК 621.313

М.В. Востриков, Р.О. Нюхин

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЧЕТ ЛИНЕЙНОГО СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Произведен расчет главных размеров и предварительных параметров линейного электродвигателя

Целью расчета является определение параметров активных частей магнитной системы цилиндрического линейного электродвигателя ЭЛ – 40 – 20 (80), являющегося вторым типоразмером унифицированного ряда вентильных безредукторных линейных электроприводов с цифровым микропроцессорным управлением.

Главными размерами машины в данном случае является: длина активной части машины La, внешний d2 и внутренний d1 диаметр катушек. Эти величины непосредственно определяют, на сколько рационально используются применяемыев машине материалы и степень совершенства конструкции в целом.

Одним из важных показателей машины является ее КПД, который определяет уровень потерь в электродвигателе и его термическое состояние. Анализ аналогов показывает, чтоКПД составляет

0,5…0,6.

Экспериментальные исследования показывают что потери (в меди) машины мало мощности составляют 2/3 всех потерь

По коэффициенту KЕ можно определить ЭДС фазы электродвигателя с учетом того, чтонапряжениепитания снизилось до своего минимального уровня.

59

Исследования магнитных систем электрических машин показывает, что наиболее целесообразным является применение четырехполюсных конструкций для машин малой мощности.

Главные размеры машины можно определить при помощи средней касательной (тангенциальной) силы fт, действующей на единичную площадь поверхности якоря и создающей вращение

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения и характера распределения индукции и тока в проводниках вдоль окружности ротора; В – максимальное значение индукции на поверхности ротора (в воздушном зазоре), Тл; А – линейная нагрузка, А/м;

Dа

где I – ток в проводниках, А; N – число активных проводников якоря; Dа – диаметр расточки якоря, м.

В рассматриваемой машине линейная нагрузка находится в пределах А = (1,0…2,0) 104 А/м . Магнитная индукция в зазоре имеет характерные значения Вδ = 0,1…0,25 Тл. Если учесть, что удельная касательная сила fт у хорошо использованных линейных машин не превосходит 0,2…0,5 Н/см2 при номинальной нагрузке, т.к. величина силы fт определяется свойствами современных материалов применяемых в машине, которые и определяют электромагнитные нагрузки двигателя А и B . В кратковременном режиме работы величина fт может быть увеличена до 10…20 кН/м2

.Таким образом, получаем площадь активной поверхности

где Fm – максимальная сила развиваемая машиной, Н ; fт – удельная касательная сила, Н/м2;

Расчет главных размеров машины сведен в таблицу 1.

60