авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Моделирование нагрузочно-измерительных устройств с полыми немагнитными роторами

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

СИМОНОВ ИГОРЬ ЛЕОНИДОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРУЗОЧНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ С ПОЛЫМИ НЕМАГНИТНЫМИ РОТОРАМИ

Специальность 05.09.01 “Электромеханика и электрические аппараты”

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Соискатель:

Москва 2009

Работа выполнена на кафедре “Промышленная электроника и электротехника” Брянского государственного технического университета.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Потапов Леонид Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ковалев Константин Львович

кандидат технических наук Захаренко Андрей Борисович

Ведущая организация – Всероссийский научно-исследовательский проектно-технологический институт электромашиностроения (ВНИПТИЭМ), г. Владимир.

Защита состоится “ 19” июня 2009 г.

на заседании диссертационного совета Д 212.157.15 при Московском

энергетическом институте (техническом университете)

в аудитории Е-205 в 13 час. 00 мин.

по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан “____” ______________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Д 212.157.15

к.т.н., доцент Рябчицкий М.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

При разработке испытательного оборудования часто используется электромеханический преобразователь с полым немагнитным ротором в режимах электромагнитного тормоза, асинхронного двигателя, датчика мо­мента, угловой скорости и ускорения. Применение перечисленных уст­ройств в испытательном оборудовании имеет ряд преимуществ перед электромеханическими преобразователями других типов. К таким преимуществам можно отнести отсутствие трения в щетках, высокую чувствительность, обусловленную малым моментом инерции ротора, а также возможность работы одного и того же устройства во всех перечис­ленных режимах.

Существующая теория электромеханического преобразователя с полым немагнитным ротором предполагает использование интегральных параметров применительно к ротору, не имеющему сосредоточенных обмо­ток в условиях сильно выраженного поперечного краевого эффекта – это значительно искажает электромагнитные процессы, происходящие в устройстве. Кроме того, в зависимости от режима работы сопротивление полого ротора меняется в широких пределах, что существенно снижает точность указанного подхода, особенно при анализе динамических режимов работы.

Применение схем замещения к анализу процессов в электромагнит­ном тормозе нецелесообразно. Учитывая также, что на разработку испытательного оборудования обычно отводятся короткие сроки, примене­ние разных подходов к расчету электромеханического преобразо­вателя с полым немагнитным ротором, работающего в различных режимах, крайне затруднительно.



Между тем на основе работ А.И. Вольдека, посвященных исследова­ниям МГД-машин сложился специальный метод расчета, который вполне может быть использован. Несмотря на существенные конструктивные от­личия МГД-машин от классических электрических машин указанный метод развит в работах Л.А. Потапова применительно к электромеханическому преобразователю с полым немагнитным ротором.

Следует отметить, что современный уровень развития вычислитель­ной техники и программного обеспечения позволяет автоматизировать ре­шение сложных математических выражений и их систем. В такой ситуа­ции становится актуальной разработка на основании уравнений теории поля ма­тематических моделей электромеханических устройств с полыми немаг­нитными роторами, позволяющих эффективно анализировать устано­вившиеся и переходные режимы работы рассматриваемых устройств, а также дающие возможность оценки влияния геометрических и электриче­ских параметров активной части машины на вид механической или выход­ной характеристики.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка математических моделей и программ для ЭВМ, позволяющих быстро и достаточно точно проводить исследование установившихся, и пе­реходных режимов работы электромеханических устройств с полыми не­магнитными роторами, применяющихся в испытательном оборудовании с учетом вылетов ротора. Для реализации поставленной цели в работе реша­лись следующие задачи:

  1. Разработка на основе уравнений теории электромагнитного поля математических моделей электромеханических устройств с полыми немагнитными роторами (электромагнитного тормоза, асинхронного двигателя, датчика момента, угловой скорости и ускорения), применяющихся при испыта­нии электрических машин малой мощности и микромашин.
  2. Получение аналитических выражений, использующих безразмерные величины и критерии, для выходных (механических) ха­рактеристик названных устройств.
  3. Разработка программного комплекса, позволяющего исследовать статические и динамические режимы работы рассматриваемых устройств.
  4. Подтверждение адекватности моделей путем сравнения выходных параметров названных устройств, полученных аналитическими, числен­ными и экспериментальными методами.

Методы исследования. Для решения указанных задач использованы численные, аналитические, комбинированные и экспериментальные методы исследования. При разработке аналитических моделей использовались классические методы решения однородных и неоднородных обыкновенных дифференциальных уравнений и их систем, а также приближенные итера­ционные методы семейства Рунге-Кутта. Линейные и нелинейные диффе­ренциальные уравнения в частных производных решались с помощью ме­тода конечных элементов. Достоверность результатов и оценка их точности подтверждается сравнением с экспериментальными данными и результа­тами компьютерного моделирования, полученными в данной работе, а также исследованиями авторов других работ.

Научная новизна работы:

  1. На основании уравнений теории электромагнитного поля разработаны математические модели электромеханических уст­ройств с полыми немагнитными роторами, применяющихся в испытательном оборудовании, позволяющие анализировать установив­шиеся и динамические режимы работы.
  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 и конструктивные параметры машины, с помощью которого можно на начальных стадиях проектирования рассматриваемых устройств по за­данным параметрам механической характеристики определить основные геометрические и электрические параметры активной части.
  4. Показано, что критическое значение магнитного числа Рейнольдса можно использовать для оценки линейности выходной характеристики.

Достоверность научных результатов. Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации обоснованы. Правиль­ность разработанных математических моделей электромеханических уст­ройств с полыми немагнитными роторами, а также работоспособность соз­данного программного комплекса подтверждается совпадением резуль­татов теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая ценность работы. Полученные математические мо­дели существенно упрощают процесс разработки испытательного оборудования на основе электромеханических устройств с полыми немаг­нитными роторами и повышают точность их теоретического исследования. В частности позволяют анализировать переходные и установившиеся режимы указанных устройств с учетом вылетов ротора. Результаты работы положены в основу программного про­дукта «PNRmodel v1.0» зарегистрированного в ГОСФАП №10728 от 30.05.2008.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанный про­граммный комплекс “ PNRmodel v1.0”, а так же конечно-элементная модель электромеханического преобразователя с полым немагнитным ротором были использованы Серпуховским заводом «Металлист» для раз­работки испытательного оборудования на основе устройств с полыми немагнит­ными роторами, применяемого для проверки характеристик выпускаемых изделий на соответствие ТУ.

Кроме того, программный комплекс “ PNRmodel v1.0” для исследова­ния электромеханических устройств с полыми немагнитными роторами внедрён в учебный процесс на кафедре “Электронные, радиоэлектронные и электротехнические системы” БГТУ и используется в курсовых проектах и при проведе­нии лабора­торных заня­тий по дисциплинам: “Электрические машины”, “Моделирование в автоматизированном электроприводе”.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертаци­онной работы докладывались и обсуждались на третьей между­народной на­учно-технической конференции «Электромеханические и электромагнит­ные преобразователи энергии и управляемые электромехани­ческие сис­темы» (г. Екатеринбург, 2007 г.), на четырнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов “Радиоэлектроника, электротехника и энергетика” (г. Москва, 2008 г.), на двенадцатой между­народной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротех­нические материалы и компоненты» (г. Алушта, 2008 г.), на четвертой меж­региональной научно-технической кон­ференции студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика» (г. Смоленск, 2007 г.), на Всероссийской моло­дежной научной конференции «Мавлютов­ские чтения» (г. Уфа, 2007 г.), на первой региональной научно-практиче­ской конференции студентов и аспирантов «Проблемы современной России и пути их решения» (г. Брянск, 2007 г.), на заседаниях кафедры “Промыш­ленная электроника и электротехника” БГТУ в 2007 – 2008 гг., на научных семинарах кафедры “Автоматизированный электропривод” БГТУ в 2007 – 2008 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных ра­бот, из них в реферируемых изданиях, рекомендованных ВАК – 1, получено одно авторское свидетельство об отраслевой регистрации разра­ботки. В [1, 2, 3, 5] получены круговая диаграмма для магнитной индукции и ее составляющих в зазоре электромагнитного тормоза, выражения для КМЧР электромагнитного тормоза и асинхронного двигателя, подключенного к источнику напряжения, исследовано влияние вылетов ротора на вид механической характеристики электромагнитного тормоза, в среде FEMLAB разработана конечно-элементная модель электромеханического преобразователя с полым немагнитным ротором и выполнены расчеты электромагнитного поля; в [4] получено выражение выходной характеристики датчика угловых ускорений с полым немагнитным ротором; в [6] получена универсальная механическая характеристика нагрузочных устройств с полыми немагнитными роторами, выраженная через МЧР.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4  х глав, заключения, библиографического списка из 129 наименования и приложений. Она содержит 161 страниц основного машинописного текста и иллюстрируется 34 рисунками.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цели и задачи исследований, показана структура диссертации, отмечены научная новизна и практическая ценность результатов проведенных иссле­дований, дана общая характеристика работы.

В первой главе проведен обзор существующих методов расчета электромеханических устройств с полыми немагнитными роторами, а так же показаны особенности их применения в качестве испытательного обору­дования. Рассмотрены математические модели указанных устройств, основанные на теории цепей, электромагнитного поля, а также численные методы расчета электромагнитного поля. Сделан вывод о необходимости разработки моделей электромеханических устройств с полыми немагнит­ными роторами, применяемых в испытательном оборудовании, а также о целесообразности применения численно-аналитических методов анализа электромагнитных процессов, определена цель и поставлены задачи работы.





Вторая глава диссертационной работы посвящена аналитическому исследованию электромеханических устройств с полыми немагнитными ро­торами, использующихся в испытательном оборудовании: электромагнит­ный тормоз (ЭТ), асинхронный двигатель (АД), тахогенера­тор (ТГ), датчик угловых ускорений (ДУ), а также анализу влияния различных параметров этих устройств на вид выходной (механической) характеристики. При расчетах использовались широко распространенные допущения: цилиндри­ческие поверхности статора и ротора развернуты на плоскости; ротор с то­ком в нем представлен в виде слоя тока, заполняющего весь зазор, причем плотность тока ротора J2 меньше истинного значения J2И в a/ раз, где – величина воздушного зазора, a – толщина ротора; магнитная проницае­мость сердечника статора принима­ется достаточно большой; насыщение сердечника статора учитывается с помощью коэффициентов; зубчатость статора учитывается с помощью коэффициента Картера; индукция за пре­делами статора отсутствует, неко­торое распространение индукции за пре­делы расточки учитывается введением расчетной длины l’. Расчетная схема аналитической модели представлена на рис. 1.

На основании представленной расчетной схемы и уравнений Мак­свелла получена система дифференциальных уравнений в частных произ­водных, описывающая работу электромеханического преобразователя с полым немагнитным ротором с учетом вылетов ротора. Анализ данной системы, учитывая особенно­сти каждого из рассматриваемых устройств, позволил получить системы обыкновенных дифференциальных уравнений, являющиеся математиче­скими моделями этих устройств. При анализе уравнений теории поля для электромеханического преобразователя с полым ротором появляется безразмерная величина

,

где – магнитное число Рейнольдса (МЧР); r, a, – радиус, толщина стенки ротора и величина воздушного зазора соответственно; – электропровод­ность ротора; = /; – угловая скорость ротора, которая связывает ос­новные параметры активной зоны машины со скоростью движения вто­рич­ной среды относительно магнитного поля. Например, для ЭТ без учета вы­летов ротора выражение для магнитной индукции и ее составляющих в за­зоре имеет вид:

, (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.-3,

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.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.