На вышеприведённом рисунке наглядно продемонстрировано, что увеличение числа фаз асинхронного двигателя является эффективным способом повышения его вероятности безотказной работы, особенно в аварийных режимах работы, которые сопровождаются обрывом (отключением) фаз статорной обмотки.

Анализ проведён для первого варианта, когда доля отказов подшипниковых узлов при эксплуатации АД составляет 10% [2].

Экспериментальная установка представляет собой шестифазный асинхронный двига-

тель (U1-V1-W1; U2-V2-W2) мощностью

1,1кВт при напряжении U1н=127В, соединённый соосно с двигателем постоянного тока в качестве нагрузки. При проведении эксперимента решено было произвести измерение температуры меди обмотки статора машины при режимах работы, вероятных в эксплуатации (обрыв одной фазы).

Для сравнения полученных результатов с экспериментальными данными был выбран метод сопротивления широко используемый для определения среднего превышения температуры изолированных обмоток электрических машин; основан на изменении сопротивления обмотки от её температуры. Методика приведена в [1]. За холодное состояние принято сопротивление при температуре в лабо-

ратории, равной на момент эксперимента 23

0С.

Так как у нас не было возможности нагрузить машину до номинальной нагрузки, то пришлось использовать имеющиеся возможности. При номинальном напряжении U1ф=127 В, нагрузка составила Р2н=210 Вт. И именно при этой нагрузке производились замеры и расчёты температуры обмоток многофазных АД.

При исследовании производили отключение фазы U1. Результаты приведены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты эксперимента

Результаты экспериментального исследования наглядно продемонстрировали высокую адекватность разработанных нами математических моделей.

Инновационность работы заключается в том, что производство многофазных АД возможно на производственных площадях профильных предприятий, где выпускаются трёхфазные АД общепромышленного назначения (в г.Томске это ОАО СКБ «Сибэлектромотор»). Изменения в технологии производства коснутся участка укладки обмотки статора, где необходимо уложить большее количество фазных катушек в то же количество пазов сердечника статора, а также участка общей сборки двигателя, когда необходимо установить многоконтактную клеммную колодку и присоединить к ней большее количество выводов обмотки статора (по числу фаз).

Выводы

1.Полученные результаты позволяют обеспечить выпуск многофазных асинхронных двигателей повышенной надежности для современных электроприводов на базе ОАО СКБ «Сибэлектромотор» г. Томска в качестве инновационного проекта.

2.Предложенные математические модели расчета надежности и тепловых параметров имеют высокую адекватность и обеспечивают реальный способ повышения надежности при увеличении числа фаз статорной обмотки.

ЛИТЕРАТУРА:

1.Глухов Д.М., Муравлёва О.О. Моделирование работы многофазных асинхронных двигателей в аварийных режимах эксплуатации. В материалах Известия ТПУ. Томск: Изд-

во ТПУ, 2005. Т. 308, №7. – с.139-142.

2.Глухов Д.М., Муравлёва О.О. Математическая модель надёжности многофазных асинхронных двигателей. В материалах Известия ВУЗов. Электромеханика. Новочеркасск: Изд-во ЮРГТУ (НПИ), 2006, №3. – с.2022.

Требования, предъявляемые к синхронным двигателям со стороны технических вибраторов − отсутствие скользящего контакта, повышенная механическая прочность роторов, возможность запуска группы синхронных двигателей с заданной пространственной ориентацией роторов, отсутствие самораскачивания при периодической нагрузке и питании от преобразователя частоты, высокие энергетические показатели − не всегда удается удовлетворить в конструкции одного типа двигателя. Поэтому представляется целесообразным использовать для таких приводов синхронно-реактивные двигатели (СРД) с постоянными магнитами на роторе, сочетающие положитедьные свойства синхроннреактивных и магнитоэлектрических машин в единой конструкции [1, 2].

Основную долю мощности в разработанных двигателях вырабатывает синхроннореактивная машина, как наиболее дешевая и простая по конструкции, а энергия полюсов постоянных магнитов используется в полном объеме для повышения энергетических и улучшения эксплуатационных характеристик.

В работе представлены результаты экспериментального исследования статических и динамических характеристик синхронного гибридного двигателя (СГД), выполненного в габаритах асинхронного двигателя АИР80В2У3.

От базового двигателя в СГД полностью использованы статор, подшипниковые щиты с подшипниками, вентилятор и вал.

Двухполюсный ротор состоит из аксиально расположенных синхронно-реактивной и магнитоэлектрической частей. Синхроннореактивная часть выполнена по типу ротора усовершенствованного СРД.

Магнитоэлектрическая часть выполнена по типу ротора простого СРД, в большие пазы которого вставлены постоянные магниты призматической формы марки КС-37А. Длина синхронно-реактивной части ротора составляет 70 % от общей длины сердечника ротора, магнитоэлектрическая часть – соответственно 30 %.

На рис 1 (а, б) представлены характеристики холостого хода гибридного двигателя, фазы обмотки статоро которого соединены в

б)

Рис. 1. Характеристики холостого хода Из опыта холостого хода для напряжения 380 В и частоты 50 Гц определены следующие величины: P0 = 255 Вт – мощность холо-

стого хода; I0 = 2,95 А – ток холостого хода; cosϕ0 = 0,132 - коэффициент мощности холостого хода; Pc =123 Вт – потери в стали сердичника статора; Pмех = 60 Вт – механиче-

ские потери.

С ростом напряжения ток холостого хода I0 (рис. 1, б) из-за насыщения магнитной це-

Резиновые смеси по своим реологическим свойствам относятся к псевдопластичным средам. Отличительной особенностью псевдопластичных сред (псевдопластиков) является постепенное уменьшение эффективной вязкости с увеличением скорости сдвига. К псевдопластикам также относятся растворы полимеров, расплавы термопластов и каучуки.

К вопросу исследований особенностей течения полимерных материалов в канале червяка одночервячной машины в литературе можно найти различные подходы, каждый из которых имеет свое право на существование. Для исследований течения полимерных материалов в канале червяка одночервячной машины впервые Д.М. Мак-Келви применил в качестве модельной среды кукурузный сироп [1], который по своим реологическим свойствам относится к ньютоновским жидкостям. Проверка адекватности математической модели для расчета производительности напорной зоны, разработанной Д.М. Мак-Келви, показала хорошее соответствие экспериментальных данных и данных, которые рассчитаны по модели. Заменив в своей математической модели коэффициент ньютоновской вязкости на коэффициент эффективной вязкости, Д.М. Мак-Келви предложил учитывать аномально-вязкие свойства полимерных материалов. Математическая модель Д.М. МакКелви нашла широкое применение при моделировании течения расплава полимера в напорной зоне одночервячной машины.

Математическая модель процесса переработки расплава полимера в напорной зоне (модель Д.М. Мак-Келви) была применена для математического описания процесса экструзии резиновых смесей при условии полного заполнения по длине канала червяка материалом. Основанием подобного решения явилась принадлежность по реологическому свойству расплава полимера и резиновой смеси к одному типу сред – к псевдопластикам. Проверка адекватности принятой математической модели экструзии резиновых смесей дала неудовлетворительный результат, так как расхождение между теоретически рассчитанной и экспериментально полученной производительностью одночервячной машины достигало 465% [2].

Такое расхождение расчетной и экспериментальной производительностей объясняется тем, что процесс переработки резиновых смесей на одночервячных машинах существенно отличается от процесса переработки расплавов полимеров [3]. Это отличие заключается в том, что часть канала червяка может быть неполностью заполнена перерабатываемым материалом, поэтому длину нарезной части червяка условно можно разделить на три зоны: питания, буферную и напорную [3]. Экспериментальные подтверждения частичного заполнения канала червяка резиновой смесью было показано в совместной работе польских и американских ученых [4]. Однако в этой работе отсутствует математическая модель, которую целесообразно приме-

ной машине в канале червяка может существовать свободная вертикальная граница, что характерно для псевдопластичных сред типа резиновой смеси;

•относится по своим реологическим свойствам к псевдопластичным средам;

•простота получения, не требующая специализированного оборудования для смешения ингредиентов;

•доступность ингредиентов и низкие затраты на ее приготовление;

•вязкость должна быть на порядок ниже, чем вязкость резиновых смесей, что должно позволить проведение демонтажа рабочего цилиндра одночервячной машины без использования специального инструмента;

•применение этой среды должно исключить предварительную термическую или иную обработку перерабатываемого материала в канале червяка перед демонтажем рабочего цилиндра одночервячной машины;

•при переработке этой среды должна быть исключена система охлаждения цилиндра по зонам и в формующем инструменте;

•переработка среды на экспериментальной установке должна быть близка к изотермическому процессу.

По мнению авторов настоящей статьи наиболее приемлемой модельной средой по представленным выше требованиям является тесто, выполненное из муки и воды в соотношении по массе 2:1. Следует отметить, что выбранной модельной среде присуще пластическая деформация.

Экспериментальные исследования, проведенные на лабораторной одночервячной машине [5], показали, что распределение модельной среды [5] вдоль оси червяка лабораторной установки имеет аналогичный характер с распределением резиновой смеси вдоль оси однозаходного червяка [4]. Установлено, что процесс в зоне питания при переработке модельной среды на эксперимен-

щается по каналу червяка. Этим объясняется дискретный характер движения резиновой смеси и модельного тела по каналу червяка одночервячной машины.

Эксперименты с использованием модельной среды в виде теста для исследований нестационарного процесса течения резиновых смесей в канале червяка показали применимость метода аналитического расчета [6] кривой переходного процесса производительности одночервячной машины по каналу «питание напорной зоны – производительность машины». На рис. 1 представлены экспериментальные данные (помечены знаком ×) объемной производительности одночервячной машины экспериментальной установки при переработке модельной среды, а также переходная характеристика производительности одночервячной машины при нанесении положительного возмущения, рассчитанная по методу [6].

Рис. 1. Переходный процесс производительности одночервячной машины экспериментальной установки

На рис. 2 представлен переходный процесс объемной производительности лабораторного экструдера PL V151 фирмы «BRA-

В настоящее время асинхронные машины являются наиболее распространенными электрическими машинами и используются в основном как двигатели. Они потребляют около 50% электрической энергии, вырабатываемой электрическими станциями нашей страны.

Потребность в асинхронных двигателях непрерывно растет. Такое широкое распространение двигатели получили благодаря конструкторской простоте, низкой стоимости и высокой эксплуатационной надежности при минимальном обслуживании, а также простоте системы управления. Широкий диапазон мощностей, на которые выпускаются асинхронные двигатели: от долей ватт до десятков тысяч киловатт. Они имеют относительно высокий КПД: при мощностях более 1 кВт он составляет 0,7-0,95 и только в микродвигателях снижается до 0,2-0,65.

Наряду с достоинствами асинхронные двигатели имеют и некоторые недостатки: потребление из сети реактивного тока, необходимого для создания магнитного потока, в результате чего данные двигатели работают

с cosϕ <1(при мощности от 1 кВт и выше cosϕ = 0,7 ÷ 0,9 , а в микродвигателях 0,3-

0,7). Кроме того, по возможности регулировать частоту вращения они уступают двигателям постоянного тока.

Асинхронные двигатели изготовляются для работы в однофазных, двухфазных и трехфазных сетей переменного тока. Но главным образом они выпускаются для работы от трехфазных сетей.

Асинхронные двигатели состоят из двух частей: неподвижной части – статора и подвижной – ротора.

Сердечник статора, представляющий собой полый цилиндр, набирают из отдельных листов, которые штампуют из электротехнической стали толщиной обычно 0,5 мм. Для сердечников асинхронных двигателей применяют холоднокатаные изотропные электротехнические стали марок 2013, 2312, 2411 и др. Перед сборкой сердечника листы изолируют друг от друга оксидированием или лакировкой или используют сталь выпускаемую с изоляционным покрытием. На внутренней поверхности статора выштамповывают пазы,

в которые укладывают обмотку. Сердечник статора укрепляют на корпусе.

Роторы асинхронных двигателей выполняют двух видов: с короткозамкнутой обмоткой (это так называемый короткозамкнутый асинхронный двигатель) и с фазной обмоткой (асинхронные двигатели с фазным ротором или асинхронные двигатели с контактными кольцами). Наибольшее распространение имеют короткозамкнутые двигатели.

Характерной особенностью рассматриваемого двигателя является несинхронное (асинхронное) вращение его ротора с магнитным полем. Поэтому такой двигатель и назвали – асинхронный.

Асинхронная машина может работать в генераторном режиме и режиме электромагнитного тормоза (рис. 1).

Рис.1 Пределы изменения скольжения асинхронной машины в различных режимах ее работы

Частота вращения асинхронного двигателя зависит от различных параметров: частота тока f, число пар полюсов p, скольжение s.

Регулировать частоту вращения асинхронного двигателя можно следующими способами:

–Регулирование частоты вращения путем изменения частоты тока – осуществляют с помощью тиристорных преобразователей. Это экономичный способ, регулирование может быть бесступенчатым.

–Регулирование изменением скольжения

–осуществляют на асинхронном двигателе с фазным ротором путем изменением сопротивления реостата, включенного в цепь ротора. Способ малоэффективный и распространения не получил.

–Регулирование путем изменения числа пар полюсов – данное регулирование является грубоступенчатым. Нужен асинхронный двигатель специальной конструкции с особой обмоткой статора. Проще использовать 2 и более независимые обмотки в статоре, но

чаще 1 обмотка может создавать 2 различных числа пар полюсов.

Торможение асинхронного двигателя можно осуществлять следующими способами:

–Торможение противовключением. Переключают две фазы на обмотке статора, и магнитное поле начинает вращаться в обратную сторону, при этом ротор будет тормозиться. Недостаток: сильный нагрев электродвигателя.

–Динамическое торможение. Две фазы статора включают на питание постоянным током, поле неподвижно. Магнитное поле перестает вращаться и ротор тормозит. Менее интенсивный, чем в первом случае, но меньше нагрев.

–Рекуперативное торможение. Применяется, если скорость вращения двигателя регулируется переключением числа пар полюсов. Переключают с повышенной частоты на пониженную. Торможение происходит не до полной остановки, то есть необходимо применить еще один из способов торможения.

–Конденсаторное торможение. Применяется для двигателей мощностью до 2-х кВт. Параллельно статору подключают конденсаторы, обычно соединенные треугольником. При отключении от сети конденсаторы обеспечивают питание обмотки статора реактивным током, частота которого обусловлена ёмкостью конденсатора и индуктивностью обмоток статора. Частота вращения магнитного поля определяется частотой реактивного тока. При угловой скорости ротора, превышающей угловую скорость поля, асинхронный двигатель начинает работать в генераторном режиме с самовозбуждением, при этом развивается тормозной момент. Когда частота вращения ротора уменьшается до частоты вращения магнитного поля, торможение прекратится, однако за это время поглощается большая часть кинетической энергии. Если после конденсаторного торможения статора асинхронный двигатель замкнуть накоротко, то в обмотках статора появляются токи, созданные затухающим полем и происходит процесс кратковременного динамического торможения.

–Двухтоковое торможение. Через обмотки статора одновременно включают постоянный и переменный ток, то есть совмещают динамическое торможение и торможение противовключением. Очень эффективный способ. Если асинхронный двигатель не отключить, то он реверсируется и будет вращаться в обратную сторону с очень малой скоростью.

Вноябре 2005 года в ЮТИ ТПУ был открыт новый корпус после реконструкции здания. В новом корпусе разместились 3 кафедры: кафедра «Агроинженерии», кафедра «Горных машин и оборудования» и кафедра «Иностранных языков». В просторных аудиториях силами преподавателей и студентов были оснащены и оборудованы спецклассы под лаборатории, опираясь на специфику специальности 110304 «Технология обслуживания и ремонта машин в АПК». Так появились лаборатории и спецклассы: «Машины и оборудование в растениеводстве», «Машины

иоборудование в животноводстве», «Тракторы и автомобили», «Автоматика и электропривод» и «Ремонт и надежность технических систем».

Вспецклассе «Автоматика и электропривод» полгода не было стендов и наглядных пособий. Так весной 2006 года появилась идея по разработке лабораторной установки «Способы торможения асинхронного двигателя», которая совместно с ассистентом кафедры АИ Юдиной К.Н. притворили в жизнь.

Лабораторная установка (рис. 2) предназначена для изучения работы асинхронного двигателя при различных режимах работы:

- пуск двигателя; - торможение (противовключением); - реверс.

Рис. 2 Общий вид установки Одно из преимуществ установки это то,

что она может работать как от 380 В, так и от 220 В (для этого в схеме необходимо установить бумажные конденсаторы емкостью 10 мкФ и напряжением 400 В). Схема управления лабораторной установкой (рис. 3) состоит из следующих компонентов: вводного автомата, пускателей К1 и К2, кнопочного поста и асинхронного двигателя.

Рис. 3 Схема управления Включение двигателя осуществляется

нажатием кнопки КН ВП тем самым подавая напряжение на катушку пускателя К1. Пускатель блокируется замыканием нормально открытого контакта К1, в результате чего при отпускании кнопки КН ВП цепь пускателя К1 остается под питанием.

При нажатии на кнопку КН НЗ цепь питания катушки пускателя К1 разрывается, одновременно подается питание на катушку пускателя К2, крутящий момент на валу двигателя меняет свое направление. При отпускании кнопки цепь питания катушки К2 разрывается, блокировка К2 в схеме не предусмотрена.

Кнопка КН СТ предназначена для разрыва цепи питания катушек обоих пускателей К1 и К2. Торможение осуществляется посредством пускателя К2, то есть путем противовключения.

Рис. 4 Принципиальная электрическая схема С помощью данного стенда можно проводить две лабораторные работы по дисциплине «Электрические машины и электропривод»

ЮТИ:

1.Изучение работы трехфазного асинхронного двигателя в однофазной сети (конденсатор емкостью 10 мкФ.

2.Изучение способов торможения асинхронного двигателя: торможение противовключением.

Также на лабораторной установке можно проводить работы по дисциплине «Автоматика». В частности – изучение элементов автоматики и электроники.

ЛИТЕРАТУРА:

1.Копылов И.П. Электрические машины. –

М.: Логос, 2000.

2.Шичков Л.П., Коломиец А.П. Электрооборудование и средства автоматизации сельскохозяйственной техники. – М.: Колос, 1995.

Специфической особенностью многих химико-технологических, гидрометаллургических, биохимических и других процессов является необходимость проведения их в условиях полной герметизации. Это означает, что система машин и аппаратов должна обеспечивать осуществление всего технологического цикла (или его части) без малейшего соприкосновения перерабатываемых веществ с окружающей средой. Удовлетворение такого требования определяется, помимо безопасности и безвредности производства,

также соображениями создания единственно возможных условий получения того или иного продукта (от твердых, жидких, газообразных химических веществ до сыпучих пищевых продуктов).

Основная же трудность при разработке герметического оборудования с использованием механической энергии от вала привода состоит в герметизации вращающегося вала.

Как известно, проектирование любой машины состоит в определении ее основных размеров, в разработке технологичной конст-

рукции, соответствующей своему назначению; в разумном использовании затрат как при проектировании и изготовлении, так и на эксплуатационные расходы. В герметических машинах и аппаратах электродвигатель является основным узлом, надежная работоспособность которого во многом определяет срок службы всей машины.

Долгое время в качестве основной, как наиболее простая и надежная, была принята схема с экранированным асинхронным электродвигателем. На ее базе разработано большинство конструкций герметического оборудования. В частности, электронасосы с разделительной гильзой успешно применяются в промышленности и в технологических процессах из-за отсутствия утечек, несмотря на сравнительно невысокий КПД привода.

Возможности оптимизации асинхронного двигателя практически исчерпаны [1], поэтому перспективным является использование привода с синхронным двигателем, ротор которого не имеет "клетки". Вместо токоведущих стержней применяются постоянные магниты. Высокий крутящий момент (обеспечивается параметрами, например, самарийкобальтового магнита), умноженный на расчетную частоту вращения (4500 об/мин), создает на валу такую мощность, которая была недостижима для асинхронных двигателей такого же типоразмера. Таким образом, синхронный двигатель более эффективен по удельной мощности, представляющей частное от деления выходной мощности на монтажный объем агрегата, т.е. при одинаковой мощности синхронные двигатели имеют значительно меньшие размеры.

В таблице 1 и на рис. 1 приведены характеристики герметичных насосов с асинхронным и с синхронными двигателями [2].

И хотя для работы синхронного двигателя, в том числе для его запуска, необходим преобразователь частоты, дополнительные расходы на приобретение электронного блока компенсируются экономией за счет уменьшения типоразмера проточной части из нержавеющей стали и типоразмера двигателя.

Таким образом, регулировка частоты вращения высокоэффективного агрегата для заказчика обходится почти бесплатно. В настоящее время, когда такие понятия, как "совокупная стоимость собственности" и "экономия за весь срок службы" очень актуальны, этот фактор является решающим при минимальных расходах на электроэнергию в сочетании с максимальной надежностью в эксплуатации и гибкостью взрывозащищенного электронасоса с разделительной гильзой.

Таблица 1. Характеристики герметичных насосов

Рис.1. Сравнение КПД экранированных СДПМ и АД

Перспектива расширения работ по усовершенствованию и новым разработкам герметичных электромеханических преобразователей практически не ограничена, что обуславливается большой потребностью со стороны химической и других отраслей промышленности (в герметичном исполнении могут быть выполнены и реакторы, газодувки, центрифуги, сепараторы, компрессоры и т. д.). Не случайно за последнее время появляются изобретения, патентующие новые системы передачи крутящего момента и обеспечивающие полную герметичность машины, как использующие известные принципы, так и основанные на других подходах, существенно отличающихся от прежних.

Коллективом авторов разработана конструкция герметичного электродвигателя (рис.2), который, по нашему мнению, удовлетворяет многим сложным требованиям, предъявляемым к такого типу агрегатов.

Рис.2. Конструкция герметичного электромеханического преобразователя: 1 – ведущий вал; 2 – обмотка статора; 3 – стержни статора; 4 – ярмо активного ротора; 5 – постоянные магниты; 6 – корпус устройства; 7 – герметичная перегородка; 8 – ведомый вал; 9

-ротор, выполненный из материалов, стойких

кагрессивным средам.

Поверочный расчет основан на схеме замещения магнитной цепи (рис.3), построенной с учетом наиболее вероятных путей рас-

пространения магнитных потоков. Исходная система уравнений составляется с использованием законов Кирхгоффа. Практическое применение формул затрудняется тем, что в них входят нелинейные элементы: МДС постоянных магнитов и магнитные сопротивления стальных участков. Однако эта кажущаяся трудность преодолевается методом последовательных приближений. При этом для расчета на ПЭВМ кривая размагничивания постоянных магнитов аппроксимируется полиномом.

На рис. 3 приняты следующие обозначения: Fm, Fs − МДС полюсной системы и обмотки якоря машины; Rm , Rд1 , Rд2 , Rz , Rg - − магнитные cопротивления полюса, воздушных зазоров и зубца якоря, а также ведомого ротора; Rjs , Rjg− магнитные cопротивления ярма статора и ведомого ротора; Rss , Rsm , Rsg − магнитные сопротивления рассеяния статора, полюсной системы и ведомого ротора машины.

Одной из основных задач при разработке системы зажигания является проектирование трансформаторных элементов системы, например, катушки зажигания, трансформатора высоковольтного преобразователя.

Обычно при этом разработчикам приходится решать задачи по выбору соответствующего сердечника, обмотки и изоляционного материала для получения необходимых выходных характеристик при заданных входных условиях. При этом расчеты проводятся вручную и из-за трудоемкости этого процесса для получения окончательных данных затрачивается много времени.

С появлением в составе системы моделирования OrCAD 10.5 программы Transformer Designer появилась возможность быстрой и эффективной разработки трансформатора и создании его Spiceмодели, которая в дальнейшем может использоваться при моделировании системы зажигания. База дан-

ных программы Transformer Designer содер-

жит информацию о материале сердечников трансформатора, проводах и изоляционных материалах.

При проектировании системы зажигания вследствие строгого ограничения габаритов всей системы расчет приходится вести под конкретный вид сердечника и габаритов трансформатора.

В данной работе была использована про-

грамма Transformer Designer с целью повы-

шения эффективности и ускорения процесса разработки системы зажигания.

Исходные данные для расчета трансформатора содержат входные и выходные электрические величины, геометрические и магнитные параметры броневого магнитопровода Ш8х12, который был задан согласно требованиям по габаритам. Согласно процедуре расчета в базе данных программы

Transformer Designer был создан новый раз-

дел, включающий следующие данные:

-геометрические размеры выбранного сердечника;

-параметры, характеризующие физические свойства принятого материала сердечника, т.е. электротехнической стали 1521;

-значения толщины и пробивного напряжения изоляционных материалов;

-значения диаметров проводов без изоляции и с изоляцией, а также их площади поперечного сечения

На рисунке 1 приведен пример заполнения базы данных данными о выбранном сердечнике трансформатора

Рисунок 1 – Пример заполнения базы данных

Расчет трансформатора производится посредством диалога пользователя с интер-

фейсом программы Transformer Designer и

включает в себя следующие этапы:

- ввод в соответствующие поля количества вторичных обмоток, предварительных значений КПД и плотности тока в проводах обмоток, а также выбор марки изоляционного материала как внешней изоляции, так и внутренней изоляции обмоток;

-ввод в соответствующие поля значений токов и напряжений первичного и вторичного обмоток, рабочей частоты для трансформатора и предварительной толщины изоляционного промежутка между обмотками, а также величины максимального рабочего цикла;

-выбор типа, формы сердечника и его материала, а также ввод значения коэффициента использования окна сердечника трансформатора;

Рисунок 2 - Выбор сердечника трансформатора и его материала

-расчет размеров каркаса обмоток и диаметров проводов первичной и вторичной обмоток;

-вывод результатов разработки трансформатора с помощью интерфейса программы для оценки пользователя, который представляется в виде двух вкладок. Первая вкладка кратко отображает полный процесс разработки. Она обеспечивает список параметров разработки и их соответствующих значений, которые требуются для изготовления трансформатора. Значения параметра проекта отображаются в одном из трех столбцов сообщения, независимо от того, были ли они определены пользователем или

Transformer Designer.

Столбцы в сообщении – Electrical Specifations ( электрические технические требова-

ния), Winding Parameters (параметры обмо-

ток) и Calculated Values (вычисленные величины). Значения, перечисленные в столбцах

Winding Parameters и Calculated Values, рас-

считываются после того, как выбран провод обмотки. На рисунке 3 показан пример параметров обмоток трансформатора рассчитан-

ного в Transformer Designer.

Рисунок 3 – Параметры обмоток трансформатора

Здесь первый столбец перечисляет значения параметров для первичной обмотки, а второй – значения параметров для вторичной обмотки.

Вторая вкладка отображает текстовое описание Spiceмодели рассчитанного трансформатора, сгенерированной Transformer Designer. Пример готовой Spiceмоде-

ли трансформатора:

.subckt CONVERTER V_IN1 V_IN2

+V_OUT11 V_OUT12

+PARAMS: Np=1 RSp=0.0204031 LIp=1.0686e-009

+Ns1=2 RSs1=0.224847 Gap = 5.30704e-

005

L_LP NLP V_IN2 {Np} R_RP NRP NLP {RSp} L_Leak V_IN1 NRP {LIp}

L_LS1 NLS1 V_OUT12 {Ns1} R_RS1 NLS1 V_OUT11 {RSs1}

K_K2 L_LP L_LS1 1.0 core_model_K1

.model core_model_K1 AKO:core_model CORE (GAP={Gap})

.model core_model CORE ( LEVEL=3 OD=12.8 ID=0 AREA=0.96 GAP=5.30704e-005 Br=9000 Bm=14200 Hc=0.625 )

.ends CONVERTER

Созданная Spiceмодель трансформатора сохраняется в файле с расширением .lib. Чтобы включить полученную модель трансформатора в состав библиотеки OrCAD, выполняется конвертация модели с помощью Model Editor и получение таким образом файла модели с расширением .olb.

Проверка работоспособности Spiceмо- дели трансформатора в составе модели системы зажигания была выполнена с помощью программы PSpice, и показала высокую эффективность использования программы

Transformer Designer при моделировании в системе OrCAD электронных устройств, содержащих трансформаторные элементы.

ЛИТЕРАТУРА:

1.Златин И., Хамзин Н. Программа

Transformer Designer в OrCAD 10.5 // Компо-

ненты и технологии. 2006. №5,6,7,8.

2.Златин И. OrCAD 10.5 для начинающих пользо вателей // Компоненты и технологии. 2006. №3,4.

жет привести к ложной оценке работоспособности изделия.

Кроме того, погрешность определения профиля контролируемой поверхности может существенно возрастать в динамических режимах работы, когда изменения зазора между первичным преобразователем и одним и тем же местом контролируемой поверхности могут достигать десятков мкм вследствие наличия механической неидентичности положения вала в подшипниковых узлах от оборота к обороту из-за неточности изготовления подшипников скольжения или качения, изнашивания их элементов в процессе эксплуатации, а также вибрационных явлений различного рода. В подобных условиях становится невозможной точная коррекция результатов измерений по описанному выше методу, а также сепарация полученных данных на профиль контролируемой поверхности и виброперемещения вращающегося элемента. Данная задача решается путем использования нового метода измерений, разработанного в ТПУ [3]. Существо разработанного метода заключается в том, что параметры коррекции результатов измерений определяются на основе средних значений результатов в циклах последовательных измерений, а величина тестового перемещения определяется с учетом погрешности выполнения данного перемещения и заданных погрешностей измерений. После этого становится возможным выделение контролируемого профиля и вибраций самого элемента из исходного массива результатов измерений, а также определение на основе предложенной методики мгновенных значений виброускорений на протяжении одного оборота якоря и средних виброускорений, величины которых необходимы для оценки устойчивости работы скользящего контакта щетка-коллектор, а также для прогнозирования ресурса работы коллекторнощеточного узла с применением специального программного продукта.

Использование разработанного измерительного комплекса и созданного программного обеспечения позволило получить уникальные экспериментальные данные об изменениях профиля коллектора и параметров вибраций якоря высокоскоростной электрической машины в процессе наработки на ресурс при выполнении контракта на проведение на- учно-исследовательской работы с компанией LG Electronics (Корея). Различные модификации разработанного измерительного комплекса благодаря его техническим преимуществам нашли применение на ряде предприятий РФ, проявлен интерес к подобным измерительным комплексам компаниями SPARKY (Германия), LG Electronics (Корея), Technical

Service and Condition Monitoring Centre, Rotating Machines Division, ABB Australia Pty Ltd (Австралия).

Дальнейшее развитие измерительного комплекса планируется осуществлять в направлениях совершенствования его аппаратной части и создания программных продуктов, обеспечивающих комплексу улучшенные потребительские свойства. К первому из указанных направлений в первую очередь относится задача разработки систем автоматического перемещения первичного преобразователя на тестовую величину с высокой точностью с целью дальнейшего снижения погрешностей измерений. Программное обеспечение предполагается развивать в направлении повышения достоверности измерений и расширения функциональных свойств комплекса. Последнее направление совершенствования программных продуктов возможно благодаря наличию избыточности информации, полученной в процессе измерений при использовании метода базовой коррекции. При этом в ряде случаев наряду с информацией о величине зазора между первичным преобразователем и контролируемым объектом можно получать данные об удельном электросопротивлении контролируемой поверхности, либо о ее температуре. В случае контроля механического состояния коллекторов электрических машин и вибраций якорей это позволит дополнительно оценивать перегревы отдельных коллекторных пластин в рабочих режимах, что существенно повышает диагностическую ценность результатов контроля работоспособности электрической машины и прогнозирования ее ресурсных характеристик, чего не обеспечивают известные измерительные системы.

Таким образом, высокие технические характеристики разрабатываемых комплексов, достигаемые благодаря новым методам измерений, позволяют удовлетворять все возрастающие потребности промышленности в качественных измерительных системах, а патентная защищенность предложенных технических решений обеспечивает конкурентные преимущества ТПУ в создании бесконтактных измерительных систем вихретокового типа с улучшенными свойствами.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Качин С.И., Боровиков Ю.С., Нечаев М.А. Программно-аппаратный комплекс для оценки механического состояния скользящих контактов коллекторных машин электроприводов // Известия Томского политехнического университета. – 2004. – Т. 307. – № 1. – С. 140–144.

Повышение коммутационной надежности и ресурса современных высокоскоростных коллекторных машин во многом определяется возможностями достижения механической стабильности электрического скользящего контакта (СК). Однако поведение СК в динамике является недостаточно изученным в теоретическом и экспериментальном плане ввиду сложности и неоднозначности протекающих процессов, а также отсутствия специальных измерительных систем и методик обработки измеряемой информации.

Целью проведенных исследований являлось получение экспериментальной информации о состоянии профиля коллектора высокоскоростной электрической машины, величине и характеру подшипниковых вибраций якоря, а также о степени их влияния на механическое состояние коллекторно-щеточного узла (КЩУ) в процессе наработки на ресурс. Полученные в ходе исследований данные должны стать основой для моделирования динамических процессов в СК и выработки рекомендаций относительно повышения ресурса работы КЩУ.

Объектом испытаний являлся электродвигатель пылесосного агрегата фирмы LG Electronics, модель VCE280E02, 35000

об/мин, мощность 1800 Вт.

Во время испытаний электродвигатель работал с вентиляторной нагрузкой. Продолжительность ресурсных испытаний составила 709 часов. С интервалом 35-45 часов производились замеры изнашивания щеток с помощью микрометра и специальной оснастки, а также измерялся профиль коллектора электрической машины в динамике при номинальной частоте вращения с использованием

бесконтактного программно-аппаратного измерительного комплекса, разработанного в Томском политехническом университете

(ТПУ) [1].

В рассматриваемом электродвигателе применяются графитовые электрические щетки марки HG25. Полученные данные показывают, что износ щеток за время ресурсных испытаний составил 28,8 мм (1900 мм3) и достиг своего предельного значения, в то время как износ дорожки скольжения коллектора равен 0,74 мм (532 мм3), что свидетельствует о 3-х кратном запасе ресурса коллектора в сравнении с ресурсом комплекта щеток (исходя из конструктивно заданного запаса на износ ламели порядка 2-3 мм [2]). Следовательно, увеличение ресурса КЩУ в подобных машинах возможно путем снижения интенсивности изнашивания электрощеток, которая зависит от факторов фрикционной, токовой и электроэрозионной природы. Причем электроэрозионная составляющая изнашивания элементов СК является наиболее значимой и определяется характером коммутации, который во многом обусловлен состоянием профиля коллектора и вибрациями якоря.

Разработанные в ТПУ методики позволяют выделить интересующую разработчиков коллекторных электрических машин информацию (изменение профиля коллектора в процессе эксплуатации, величина и характер вибраций якоря, а также другие параметры) из всего массива измерений, проведенных бесконтактным профилометром.

Сепарация результатов измерений и ее анализ показывают, что за время ресурсных испытаний электродвигателя геометрия кол-

лектора существенно изменяется. В частности, интенсивные изменения профиля происходят уже после 350 часов работы, то есть приблизительно после выработки электродвигателем половины ресурса. Из полученных данных следует, что максимальные значения перепадов между соседними ламелями за время ресурсных испытаний возросли в 7,8 раз, а среднее значение перепадов вдоль окружности коллектора возросло в 13,5 раз. Следует отметить, что в первые 220 часов работы электрической машины максимальные значения перепадов между ламелями уменьшились на треть, среднее значение перепадов вдоль окружности коллектора также стало меньше, но незначительно. Это свидетельствует о том, что в этот период идет приработка коллектора. Далее в процессе работы геометрия коллектора постепенно ухудшается.

Из технической литературы известно, что при разложении вибрационного сигнала от тела вращения в ряд Фурье, 1-я гармоника характеризует эксцентриситет, 2-я гармоника характеризует эллиптичность, а 3-я гармоника - трехгранность [3]. Полученные данные свидетельствуют о том, что в первые 220 часов работы электродвигателя амплитуды указанных гармоник уменьшаются, или слабо увеличиваются (эксцентриситет) - идет приработка поверхности коллектора. Далее происходит рост амплитуд всех гармоник. Эксцентриситет за время ресурса электродвигателя возрос в 21,2 раза, эллиптичность возросла в 5,6 раза, а трехгранность увеличилась в 7,7 раза. Приведенные данные еще раз демонстрируют ухудшение профиля коллектора в процессе ресурса электрической машины.

Согласно разработанной в ТПУ методике, были определены ускорения щетки, обусловленные профилем коллектора. Полученные данные также свидетельствуют о существовании временной области приработки коллектора, после выхода из которой амплитуда ускорений щетки возрастает по мере увеличения времени работы электродвигателя, что свидетельствует об ухудшении геометрии коллектора вследствие неравномерного изнашивания и, возможно, ухудшения монолитности из-за снижения его прочности в результате механических и тепловых воздействий на коллектор. Средние значения ускорений щеток, вызванные неровностями поверхности коллектора, за время ресурсных испытаний электродвигателя возросли в 6,5 раза.

С использованием оригинальных методик обработки массива результатов измерений получена информация о параметрах вибраций якоря, которые в основном обусловлены

подшипниковыми вибрациями (радиальными перемещениями внутреннего кольца подшипника вследствие неточностей изготовления элементов подшипника и их изнашивания). За время ресурсных испытаний максимальный размах вибраций якоря возрос в 5,9 раза, а среднее значение виброускорений якоря электродвигателя увеличилось в 6,6 раза.

Следует отметить, что за время ресурсных испытаний вибрационные воздействия якоря электродвигателя на щетки были в среднем в 1,6 раза выше в сравнении с аналогичными воздействиями профиля коллектора, что, видимо, характерно для высокоскоростных машин.

Изменение среднего суммарного виброускорения, вызванного неровностями профиля коллектора и вибрациями якоря в процессе ресурсных испытаний электродвигателя отражено на рисунке 1.

Рис.1. Ускорение, развиваемое нажимной пружиной и суммарное среднее виброускорение от профиля коллектора и вибраций якоря в процессе ресурса электродвигателя

Зная динамику изнашивания щетки и ее плотность, можно определить динамику изменения массы щетки mщ и используя значение коэффициента жесткости нажимной пружины (k = 48 Н/м), можно найти максимальное ускорение щетки, обеспечиваемое нажимной пружиной в любой момент времени в процессе ресурса электродвигателя (рисунок 1).

Как видно из приведенных данных, за время работы электродвигателя суммарное среднее виброускорение (от коллектора и якоря) возросло в 6,5 раз и достигло к 600 часам предельной величины для нормальной работы коллекторно-щеточного узла, вследствие чего становится возможным нарушение контактирования в СК щетка-коллектор (зависание щетки) в отдельные моменты времени, нарушение коммутации и, как следствие, повышенное изнашивание элементов СК.

Для дальнейшего увеличении ресурса электродвигателя необходимо обеспечить надежное контактирование щеток с коллектором на конечном этапе наработки на ресурс электродвигателя путем корректировки кривой ускорения, обеспечиваемого нажимной пружиной (необходимо, чтобы величина уско-