WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

где индукция B1 определяется током статора, B2 – током ротора, B – резуль­тирующая индукция. Данное выражение более наглядно может быть представлено в виде круговой диаграммы (рис. 2). Из диаграммы видно, что при увеличении МЧР уменьшается результирующая ин­дукция B и увеличи­вается угол B.

В электромеханических устройствах с полыми немагнитными роторами значи­тельное влияние на вид механической характеристики оказывает величина вылетов ротора за пределы расточки статора. Для ЭТ влияние вы­летов на вид механической характеристики учитывается с помощью зависимости

,

где ; ; ; ; ; ;, и показано на рис. 3 а. Негатив­ной особенностью ДУ является зависимость выходного сигнала не только от ускорения ротора, но также и от его скоро­сти, поэтому ДУ может приме­няться только в некотором диапазоне угловых скоростей. Влияние вылетов ротора на зависимость выходного сигнала от МЧР при угловом ускорении 500 рад/сек2 показано на рис. 3 б.

Показа­тельно, что выходной сигнал ДУ при КМЧР (кр) уменьшается до нуля, а тормозной момент при этом достигает максимума, как и у ЭТ.

В АД с полым ротором на вид механической характеристики боль­шое влияние оказывают параметры фазных обмоток (рис. 4):

,,

где r – относительное активное сопротивление, x – относитель­ное индук­тивное сопротивление рассеяния. При этом активное сопротивление оказывает бльшее влияние на смещение максимума момента. Увеличение r приближает КМЧР к единице.

Сравнение зависимостей для ЭТ и ДУ на базе выпускаемых промыш­ленностью двигателей и тахогенераторов с полыми немагнитными рото­рами показывает, что КМЧР изменяется в пределах от 1 до 2. Это позволяет рекомендовать использовать при проектировании ЭТ и ДУ константу кр = 1.6 ± 0.5, определяющую положение максимума механической характери­стики или точку в которой выходное напряжение ДУ равно нулю, а для АД величину КМЧР равную кр = 2.5 ± 0.5. При этом, задаваясь значением КМЧР, сразу можно оценить диапазон скоростей, в ко­тором механическая характеристика будет практически линейна.

Третья глава посвящена разработке математических моделей элек­тромеханических устройств для анализа установившихся и переходных режимов работы, и созданию на их основе программного комплекса.

Непосредственное решение систем дифференциальных уравнений, описывающих электромеханический преобразователь с полым немагнит­ным ротором, работающий в режимах ЭТ, АД, ДУ, ТГ, затруднительно, по­этому необходимо преобразовать эти системы дифференциальных уравнений к виду удобному для их решения с помощью ЭВМ. Тогда мате­матическая модель АД с полым немагнитным ротором будет иметь вид:

(2)

Если в системе уравнений (2) задать ua = const и убрать четвертое уравнение получим модель ЭТ; если в указанной системе пятое уравнение заменить на, где K(t) – закон изменения ускорения, а Rb – сопро­тивление измерительного прибора, то получим модель ДУ; если пятое уравнение системы заменить на и с помощью начальных условий задать скорость вращения ротора, то получим модель ТГ, при этом выходной сигнал будет равен uвых = Rbib. Полученные модели легли в основу программного комплекса «PNRprog», который после ввода геометрических и электрических параметров устройства дает возможность с учетом вылетов ротора быстро получить зависимости токов, индукций, потокосцеплений, скорости, момента, выходного напряжения от времени.

В отличие от аналитической, плоские (2D) конечно-элементные мо­дели не позволяют учитывать влияние вылетов ротора, но дают возмож­ность непосредственного учета зубчатости статора, эффекта вытеснения плотности тока ротора, а также нелинейности кривой намагничивания ма­териалов статора и внутреннего сердечника. Поэтому для анализа рас­преде­ления магнитных полей в электромеханическом преобразователе с полым немагнитным ротором также была разработана 2D конечно-элемент­ная мо­дель. Ее расчетная схема полностью соответствует поперечному сечению двигателя АДП-1362 и разбита на 309 927 элементов из них 134 664 нахо­дятся в немагнитном зазоре машины, что обеспечивает достаточную точ­ность расчета магнитного поля.

В четвертой главе приведены результаты теоретических и экспери­ментальных исследований электромеханического преобразователя с полым немагнитным ротором, выполненного на основе стандартного асинхронного управляемого двигателя АДП-1362 и тахогенератора АТ-231.

В соответствии с круговой диаграммой (рис. 1) при = 1 суммарная индукция магнитного поля сме­щается на 45о и уменьша­ется в раз, что также подтвер­жда­ется результатами конечно-эле­ментного моделирования (рис. 5). Также на этом рисунке можно увидеть, что при вращении ротора магнитное поле вытесняется из зубцовой зоны по ходу вращения ротора. Конечно-элемент­ная модель наглядно показывает взаимодействие движущейся проводящей среды и магнитного поля, создаваемого токами статора (рис. 6). Смещение картины распределения силовых линий относи­тельно оси обмотки вызыва­ется

геометрическим суммированием индукций магнитного поля статора и ротора и при = 1 составляет 45о. Также под­тверждено, что изменение плотности тока по толщине ротора, обусловленное эффектом вытеснения, для типовых двигателей не превышает 2%.

С целью проверки правильности выбранного при моделировании подхода были проведены экспериментальные исследования по определе­нию механических и выходных характеристик анализируемых электроме­ханических устройств с полыми немагнитными роторами.

Исследование статических режимов работы АД с полым немагнит­ным ротором и ЭТ на его основе были выполнены на испытательном обо­рудовании Серпуховского завода "Металлист" (рис. 7 а). Исследование ди­намических режимов работы проводилось с помощью фотоэлектрического метода, согласно которому вал испытуемого двигателя сопрягается с дис­ком модулятором (рис. 7 б, в). Этот диск имеет прорези, которые при его вращении модулируют световой поток, излучаемый светодиодом оптопары. При проведении исследований в данной работе использовался диск модуля­тор с числом зубцов Z = 800. Таким образом, на выходе таходатчика полу­чаем сигнал, частота f которого пропорциональна угловой скорости ротора, где угловая скорость ротора.

Для непосредственного подключения к LPT порту применяется галь­ваническая развязка, состоящая из оптрона и триггера Шмидта. Оптрон не­обходим, чтобы избежать выхода из строя LPT порта из-за несогласования потенциалов. Триггер Шмидта делает фронты сигнала крутыми, так как сигнал по пути от датчика к порту частично искажается из-за внешних по­мех и паразитных емкостей. Дальнейшая обработка осуществляется с по­мощью программы для ПК (рис. 7 г) и заключается в: фильтрации, пере­счете частоты поступающего сигнала в угловую скорость ротора, получе­нии угловой скорости ротора через равные промежутки времени, числен­ном дифференцировании, формировании файла отчета. Сравнение резуль­татов теоретических и экспериментальных исследований приведено на рис.8.

Анализ рис. 8 показывает высокую степень совпадения расчетных и экспериментальных исследований (максимальная погрешность расчета в статических режимах не превышает 9%, в динамических – 20%), что под­тверждает правильность разработанных математических моделей.

К наиболее существенным результатам, полученным лично соискателем, относятся:

  1. Разработаны полевые математические модели электромеханических устройств с полыми немагнитными роторами (электромагнитный тормоз, асинхрон­ный двигатель, тахогенератор, датчик угловых ускорений), позволяющие анализировать установившиеся и переходные режимы работы с учетом вылетов ротора.
  2. Разработан и зарегистрирован программный комплекс, ориентированный на численное решение полученных математических моделей, для опти­мального с точки зрения скорости и точности расчета моделирования электромеханических устройств с полым немагнитным ротором.
  3. Впервые введен универсальный критерий в виде константы – критического маг­нит­ного числа Рейнольдса (КМЧР), связывающий критическую скорость ро­тора с конструктивными параметрами машины, с помощью которого можно на начальных стадиях проектирования рассматриваемых уст­ройств определить основные геометрические и электрические параметры активной части.
  4. Показано, что КМЧР можно использовать для оценки линейности выход­ной характеристики: при МЧР меньше 0.3 механическая характеристика практически линейна при МЧР больше 3 она имеет заведомо спадающий участок. Увеличение вылетов ротора за пределы статора для конкретной длины статора уменьшают КМЧР, приближая его к единице.
  5. Для установившихся режимов получены аналитические соотношения, выраженные через МЧР и связывающие основные геометрические и электрофизические параметры активной части электромеханического преобразователя с параметрами его механической (выходной) характе­ристики.
  6. Разработана 2D конечно-элементная модель электромеханического преоб­разователя с полым немагнитным ротором, расчетная схема кото­рой соответствует асинхронному двигателю АДП-1362, с помощью ко­торой показано, что для типовых конструкций асинхронных двигателей изменение плотности тока по толщине стенки полого ротора, обуслов­ленное эффектом вытеснения, не превышает 2%, а влияние зубчатости в условиях относительно большого немагнитного зазора хорошо учитыва­ется с помощью коэффициента Каратера.
  7. Усовершенствована методика экспериментального определения динамиче­ской характеристики электромеханического преобразователя с использованием дискретного таходатчика, АЦП стандартной платы PC и последующей программной обработкой сигнала, что позволило исследо­вать более жесткие динамические режимы устройств с полыми немаг­нитными роторами.
  8. Правомерность разработанных моделей электромеханических устройств с полыми немагнитными роторами, подтверждается хорошей степенью совпадения результатов теоретических и экспериментальных исследова­ний (максимальная погрешность расчета в статических режи­мах не пре­вышает 9%, в динамических – 20%). Это позволяет при проектировании испытательного оборудования обходиться без физиче­ских эксперимен­тов, что дает возможность значительно ускорить процесс проектирова­ния нагрузочных устройств.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

  1. Потапов Л.А. Применение магнитного числа Рейнольдса для ана­лиза механических характеристик нагрузочно-измерительных устройств с полыми немагнитными роторами. / Л.А. Потапов, И.Л. Симонов // Электри­чество. -2007. -№6. с. 41-44.
  2. Потапов Л.А. Сравнение механических характеристик устройств с полыми немагнитными роторами / Л.А. Потапов, И.Л. Симонов // Вестник БГТУ. -2007. -№1. -С. 28-32.
  3. Потапов Л.А. Влияние вылета ротора на момент электромагнит­ного тормоза с полым немагнитным ротором / Л.А. Потапов, И.Л. Симонов // Тез. докл. две­надцатой международной конференции «Электромеханика, электро­технологии, электротехнические материалы и компоненты» / - Алушта: Изд-во МЭИ, 2008. – Т. 2 – С.18-19.
  4. Потапов Л.А. Моделирование датчика угловых уско­рений с по­лым немагнитным ротором / Л.А. Потапов, И.Л. Симонов // Тез. докл. третьей междунар. науч-техн. конф. «Электромеханические и элек­тромаг­нитные преобразователи энергии и управляемые электромеханиче­ские сис­темы»: - Екатерин­бург: 2007. С. 263.
  5. Потапов Л.А. Математическое моделирование электромагнитного тормоза с полым немагнитным ротором / Л.А. Потапов, И.Л. Симонов //Тез. докл. 59-й начучн. конф. профессорско-преподавательского состава: в 2 ч. / Под. ред. С.П. Сазонова, И.В. Говорова. – Брянск: БГТУ, 2007. -№2 – с. 53-55.
  6. Потапов Л.А., Симонов И.Л. Универсальная механическая характе­ристика устройств с полыми немагнитными роторами // Территория развития: образование, наука, инновации: Труды Всерос. конф. Брянск, 2006. С 51.
  7. Симонов И.Л. Математическое моделирование электромагнитного тормоза с полым немагнитным ротором // Тез. докл. четырнадцатой между­нар. ежегод. науч-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротех­ника и энергетика»: в 3 т.: - Мо­сква: Изд-во МЭИ, 2008. - Т. 2 - С. 27-29.
  8. Симонов И.Л. Зависимость выходного напряжения датчика угло­вых ускорений на базе асинхронного тахогенератора от магнитного числа Рейнольдса // Тез. докл. четырнадцатой межрегион. науч-техн. конф. студ. и аспир «Информационные технологии, энергетика и экономика»: в 3 т.: - Смо­ленск: Изд-во МЭИ, 2007. – Т. 2 – С.12-13.
  9. Симонов И.Л. Аналитическое исследование датчика угловых уско­рений с полым немагнитным ротором // Тез. докл. Всерос. молодежн. научн. конф. «Мавлютовские чтения»: – Уфа, 2007. С 53.
  10. Симонов И.Л. Моделирование асинхронного исполнительного дви­гателя с полым немагнитным ротором // Первая региональная науч.-практ. конф. студ. и асп. БГТУ: - Брянск, 2007. С. 180-181.
  11. Симонов И.Л. Программа моделирования электромеханических устройств с полыми немагнитными роторами PNRmodel // Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 10728 от 30.05.2008.

Подписано в печать 07/05/09 г.

Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов.

Усл. печ. л. 1. Тираж 90 экз. Заказ № ___

Московский энергетический институт (Технический университет),

241035, Красноказарменная, 13 Типография МЭИ.

Pages:     | 1 ||






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»