“ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Пилюгіна Ольга Юріївна

УДК 612.313.3: 621.3.013

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ЗНИЖЕННЯ ЗОВНІШНІХ МАГНІТНИХ ПОЛІВ ЕЛЕКТРИЧНИХ МАШИН ЗМІННОГО СТРУМУ

Спеціальність 05.09.01 - електричні машини і апарати

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Харків - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Відділенні магнетизму Інституту електродинаміки
Національної Академії наук України, м. Харків.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Новіков Юрій Дмитрович,

Національний технічний університет

“Харківський політехнічний інститут”,

професор кафедри електричних машин

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Фінкельштейн Володимир Борисович,

Харківська державна академія міського господарства,

професор кафедри електротехніки;

кандидат технічних наук,

Поляков Ігор Володимирович,

Національний технічний університет “Харківський

політехнічний інститут”,

доцент кафедри загальної електротехніки.

Провідна установа Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”,

кафедра електромеханіки,

Міністерство освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 04 ” жовтня 2001 р. о 12 год. 30 хв. на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д .050.08 у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою:

61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий “_27_” червня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Болюх В.Ф

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасні напрямки розвитку енергетики характеризуються збільшенням кількості силового електрообладнання та густоти його компонування в різноманітних технічних об’єктах. Це призводить до підвищення рівня завадонесучих магнітних полів в місцях установки засобів контролю і керування цими об’єктами. Водночас ці засоби насичуються компонентами, створеними на мікроелектронній елементній базі, що характеризується низьким рівнем оброблюваних сигналів.

Указані тенденції роблять актуальною проблему забезпечення електромагнітної сумісності інформаційних і керуючих систем з силовим електрообладнанням технічних об’єктів. Одним із шляхів вирішення цієї проблеми є зниження рівня електромагнітних завад, що створюються силовим електрообладнанням, у тому числі його найбільш масовим представником - електричними машинами змінного струму.

Особлива роль відведена зниженню завадоактивності електроустаткування (електричних машин змінного струму) в суднобудуванні. Окремий клас маломагнітних суден утворюють геофізичні судна і протимінні кораблі, для яких рівень зовнішнього магнітного поля (ЗМП) електроустаткування визначає одну з основних експлуатаційних характеристик - рівень їх власного магнітного поля.

В зв’язку з цим в Україні, країнах ближнього і далекого зарубіжжя прийнятий ряд нормативних документів, що регламентують допустимі рівні магнітних полів електроустаткування в залежності від використання його в тому або іншому об’єкті.

Таким чином, при вирішенні ряду технічних, оборонних, а також екологічних проблем однією з актуальних задач сучасної науки є створення електричних машин змінного струму зі зниженим рівнем їх ЗМП.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи тісно пов’язана з Державною науково-технічною програмою 08 Міністерства освіти і науки України “Високоефективні енергозберігаючі енерготехнології й електротехнічні системи”, з роботою Наукової ради Національної академії наук України по комплексній проблемі “Наукові основи енергетики”, з тематичним планом робіт Відділення магнетизму інституту електродинаміки НАН України.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в розробці конструкції багатополюсних електричних машин змінного струму зі зниженим рівнем зовнішнього магнітного поля.

Для досягнення поставленої мети дисертантом визначені задачі дослідження:

-

-

Об'єкт дослідження – зовнішнє магнітне поле електричних машин змінного струму.

Предмет дослідження – електричні машини змінного струму.

Методи дослідження. Вирішення поставлених задач базується на створенні математичних моделей електричних машин як джерел зовнішнього магнітного поля і подальшому їх аналітичному й експериментальному дослідженні. Аналіз просторових характеристик зовнішнього магнітного поля, яке створюється електричними машинами змінного струму, проведений на базі рівнянь теоретичної фізики, зокрема, методів просторового гармонійного аналізу з використанням теорії сферичних функцій. Запропонований у роботі метод модельних груп для створення імовірнісних моделей електричних машин змінного струму як джерел зовнішнього магнітного поля розвиває методи фізичного моделювання. Експериментальна частина дослідження магнітних полів грунтується на метрологічному методі різночасового порівняння міри і магнітного моменту, що вимірюється.

Наукова новизна отриманих результатів.

1.

2.

3.

4.

Практичне значення отриманих результатів. Результати роботи використано:

-

-

Особистий внесок здобувача. В спільних наукових працях за темою дисертації здобувачеві належить: в [1] – розробка імовірнісних моделей електричних машин змінного струму як джерел зовнішнього магнітного поля; в [2] – обчислення магнітного поля кабелів електричних машин для його урахування при настроюванні системи компенсації зовнішнього магнітного поля; в [3] – розробка математичної моделі та проведення обчислення по урахуванню впливу мас активних матеріалів на проведення вимірювань магнітного поля електричних машин; в [5] – ідея настроювання системи автоматичної компенсації в непрямих режимах роботи; в [7] – формулювання відмітних ознак в частині добору відповідних співвідношень кількості проводів в струмопроводі для зниження магнітного поля електричної машини; в [8] – аналіз особливостей зниження зовнішніх магнітних полів електричних машин змінного струму; в [9, 10] – розробка структурної схеми та вибір параметрів регулювання системи автоматичної компенсації зовнішніх магнітних полів електричних машин змінного струму; в [11] – оцінка ефективності засобів зниження зовнішніх магнітних полів електричних машин змінного струму.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень по темі дисертації доповідались на Міжнародній науково-технічній конференції “Математичне моделювання в електроніці й електротехніці” (м. Харків,  р.), на Міжнародній технічній конференції “Силова електроніка у вирішенні проблем ресурсо- і енергозбереження” РЭС-96 (м. Харків,  р.), на Міжнародній конференції по суднобудуванню ISC'98 (м. Санкт-Петербург, 1998 р.), на засіданнях семінару “Методи і засоби зменшення магнітних полів технічних об'єктів” Вченої ради НАН України по комплексній проблемі “Наукові основи електроенергетики” (1996-2000 р. 5 доповідей).

Публікації. Всього по темі дисертації є 11 публікацій, з них 5 статей у наукових журналах, 3 - у збірках наукових праць, 1 - у тезах доповідей, 1 препринт, 1 авторське свідоцтво.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу і чотирьох розділів. Повний обсяг дисертаційної роботи становить 149 стор., 12 ілюстрацій по тексту, 27 ілюстрацій на 27 стор., 4 таблиці по тексту, 77 використаних літературних джерел на 8 стор.

основний зміст

У вступі обгрунтована актуальність теми, зазначений її зв’язок з науковими програмами, планами, темами, сформульовані мета і задачі досліджень, показані наукова новизна і практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі дисертації проаналізований стан проблеми зниження зовнішніх магнітних полів електричних машин змінного струму. В основу концепції зниження ЗМП електричних машин покладено дипольну модель їх магнітного поля. При цьому в якості інтегральних характеристик магнітних полів електричних машин використовуються компоненти дипольного магнітного моменту. Їх знання дозволяє обчислювати напруженість магнітного поля за межами сфери, в яку вписується електрична машина. Чим більша відстань від електричної машини, тим менша похибка між реальним магнітним полем машини і дипольною моделлю. Зі зменшенням відстані від машини похибка зростає і дипольна модель практично не відображає реальної картини магнітного поля, особливо для багатополюсних електричних машин. Це ілюструють залежності, наведені на рис. 1 (крива 1 – експериментальний розподіл напруженості магнітного поля; крива 2 – розподіл напруженості, обчислений на базі дипольної моделі; rmin – радіус сфери, описаної навколо машини; r – відстань від центру сфери).

Встановлено, що нині діючі методи та засоби для зниження зовнішнього магнітного поля електричних машин (конструктивно-технологічні заходи, екранування, розмагнічування, активна компенсація) побудовані на дипольній моделі і тому спрямовані на зниження в основному дипольного магнітного моменту. Було також виявлено, що використання лише цих засобів та методів не вирішує проблеми зниження зовнішнього магнітного поля багатополюсних електричних машин на близьких відстанях від корпусу до рівня, який диктується потребами промислового комплексу України.

Базуючись на проведеному аналізі, сформульовано основні задачі, які вирішуються в роботі.

У другому розділі дисертаційної роботи проведено просторово-гармонійний аналіз зовнішнього магнітного поля багатополюсної електричної машини, згідно з яким величину скалярного магнітного потенціалу U зовнішнього магнітного поля електричної машини на відстані r можна представити у вигляді суми збіжного ряду сферичних гармонік (ряду Гауса):

де – координати точки спостереження;

– приєднані функції Лежандра порядку n, m;

, – коефіцієнти ряду, які не залежать від координат точки спостереження.

На основі цього аналізу розроблено уточнену математичну модель багатополюсної електричної машини як джерела зовнішнього магнітного поля. Згідно з цією моделлю в якості інтегральних характеристик рекомендовано крім дипольного магнітного моменту, який визначається конструктивними та технологічними відхиленнями від симетрії машини, використовувати також її “власний” мультипольний магнітний момент:

,

де Kf – коефіцієнт впливу феромагнітних мас на магнітний момент обмотки;

F1 – намагнічуюча сила обмотки;

р – число пар полюсів машини;

S - площа витка з неукороченим кроком;

Ку1 – коефіцієнт укорочення основної гармоніки;

– відносний крок обмотки;

ri – внутрішній радіус статора.

Цей момент інтерпретується як секторіальний коефіцієнт ряду Гауса . При цьому верхній індекс вказує на порядок гармоніки, а нижній – на її ступінь, який визначається ступенем симетрії електричної машини, тобто числом пар її полюсів р. З урахуванням цього величина компонент напруженості ЗМП електричної машини в сферичній системі координат Нr, H, H має вигляд:

Тут r, , – координати точки, де визначається напруженість, в вибраній сферичній системі координат; – коефіцієнти ряду Гауса, які визначають компоненти дипольного магнітного моменту машини. При цьому початок відліку сферичної системи співпадає з центром мінімальної сфери, в яку вписується електрична машина, а вісь Х орієнтована вздовж вала.

Ці співвідношення є справедливими для “проміжної” V2 (rmin < r < 4rmin) та дальньої V3 (r > 4rmin) зон (рис. 2).

Розроблена уточнена модель дозволяє підвищити точність опису магнітного поля багатополюсної електричної машини, особливо в “проміжній” зоні, що проілюстровано залежностями, приведеними на рис.1 (крива 3 – обчислений розподіл напруженості магнітного поля на базі запропонованої уточненої математичної моделі).

У третьому розділі розроблені статистично-імовірнісні моделі електричних машин змінного струму, які доповнюють уточнену математичну модель, в першу чергу для опису ЗМП електричних машин в “близькій” V1 та суміжній з нею “проміжній” V2 зонах (рис. 2), а також дозволяють визначити зумовлений існуючими відхиленнями від симетрії дипольний магнітний момент.

За даними експериментальних досліджень понад 100 типів електричних машин різного конструктивного виконання і потужності розроблено метод модельних груп, покладений в основу створення імовірнісних моделей. В запропонованому методі в якості моделей та оригіналів використано не одиничні вироби, в яких явища пов’язані детермінованими параметрами подібності (масштабами і критеріями), а модельні групи, в яких параметри подібності носять статистичний характер, що дозволяє оперувати їх математичними очікуваннями зі статистичною оцінкою відхилень. З урахуванням цього електричні машини змінного струму за критеріями подібності розбито на п’ять модельних груп:

1)

2)

3)

4)

5)

Для дальньої зони V3 визначалось математичне очікування величини магнітного моменту струмів на основній частоті мережі (Aм2), де Pн – номінальна потужність, кВт. Статистично визначений коефіцієнт пропорційності С, середньоквадратичні похибки визначення S(С) і довірчі інтервали S(С)t при надійності p=0,9 наведені в табл. .

Таблиця 1

Результати моделювання зовнішнього магнітного поля в “дальній” зоні V3

Модельні групи | С, Ам2/кВт | S(C) | S(C)t

АД з повністю виконаними заходами по зниженню магнітного поля

2p=2 | P20 кВт | 0,015 | 0,02 | 0,03

P20 кВт | 0,06 | 0,003 | 0,006

2p2 | 0,004 | 0,007

АД з частково виконаними заходами по зниженню магнітного поля

2p=2 | P20 кВт | 0,6 | 0,16 | 0,03

P20 кВт | 0,1 | 0,01 | 0,02

2p2 | 0,02 | 0,04

АД загальнопромислового виконання

2p=2 | 0,7 | 0,18 | 0,3

2p2 | 0,055 | 0,1

АД, що вмонтовані в виконавчі механізми

2p=2 | 0,6 | 0,27 | 0,5

2p2 | 0,22 | 0,4

Синхронні машини

2p=2 | 0,9 | 0,31 | 0,5

Для “близької” зони V1 визначались: середньоінтегральне значення радіальної складової індукції Bср; коефіцієнт форми KB – відношення максимального і середньоінтегрального значень індукції на поверхні електричної машини; функція спадання при віддаленні від корпуса електричної машини. Результати моделювання в “близькій” зоні наведено в табл. 2, довірчі інтервали визначалися при надійності p=0,9.

Таблиця 2

Результати моделювання зовнішнього магнітного поля в “близькій” зоні V1

Модельні групи | Bср, мкТл | S(Bср)t | KB | S(KB)t

АД з повністю виконаними заходами по зниженню магнітного поля | 40 | 16 | 2,9 | 0,3

АД з частково виконаними заходами по зниженню магнітного поля | 90 | 25 | 2,2 | 0,2

АД загальнопромислового виконання | 230 | 125 | 2,8 | 0,6

АД, що вмонтовані в виконавчі механізми | 20 | 4 | 1,9 | 1,3

Синхронні машини | 50 | 26 | 2,9 | 0,8

Також були розроблені статистично-імовірнісні моделі електричних машин змінного струму як джерел індукційного та залишкового магнітного поля.

На базі розроблених імовірнісних моделей були одержані співвідношення для прогнозування зовнішнього магнітного поля в заданих областях поблизу електричних машин, які дозволяють оцінити магнітну обстановку в регламентованій зоні; виявити області, в яких можливе нормальне функціонування близько розташованих технічних об’єктів. Максимальне значення напруженості
H [А/м] зовнішнього магнітного поля струмів електричних машин змінного струму потужністю Р [кВт] з габаритним розміром L [м] на відстані R [м] від поверхні машини визначається так:

-

при 0 R 0,05 м;

при 0,05 м R 0,2 м;

при 0,2 м R 2L;

при R 2L,

де С=0,7 для двополюсних асинхронних двигунів;

для багатополюсних асинхронних двигунів;

-

при 0 R 0,05 м;

при 0,05 м R 0,2 м;

при 0,2 м R 2L;

при R 2L.

Ці співвідношення покладені в основу стандартів на електромагнітну сумісність технічних засобів.

Четвертий розділ присвячено розробці електричної машини змінного струму зі зниженим рівнем ЗМП. При цьому зниження рівня зовнішнього магнітного поля досягається введенням в конструкцію електричної машини оригінальної системи автоматичної компенсації. Складовими частинами цієї системи є компенсаційні обмотки, які розташовані безпосередньо на корпусі електричної машини, та блок управління, за допомогою якого проводиться регулювання струмів (магнітних полів) компенсаційних обмоток. Параметри системи компенсації вибираються, виходячи з необхідності забезпечення взаємокомпенсації магнітних полів електричної машини та її компенсаційних обмоток.

Особливістю введеної в склад електричної машини системи автоматичної компенсації є те, що вона орієнтована на забезпечення компенсації як дипольного, так і “власного” магнітних моментів машини. Алгоритм компенсації згідно з запропонованою уточненою математичною моделлю електричної машини як джерела зовнішнього магнітного поля має вигляд:

де і – комплекси компонент дипольного магнітного моменту відповідно електричної машини та системи компенсаційних обмоток в обраній системі координат;

і – комплекси мультипольних магнітних моментів електричної машини та системи компенсаційних обмоток;

– абсолютна похибка компенсації.

Для реалізації наведеного алгоритму система компенсації містить дві групи компенсаційних обмоток: перша група орієнтована на зниження дипольного магнітного моменту, друга група – “власного” магнітного моменту, причому для створення мультипольного магнітного моменту відповідного порядку компенсаційні обмотки другої групи включають дві підгрупи обмоток, кожна з яких виконана з 2р секцій, покладених на поверхні корпуса машини з кроком . В свою чергу підгрупи обмоток зміщуються одна відносно одної на 90 ел. і мають фазовий зсув струмів 90. На рис. 3 показано розташування обмоток однієї підгрупи другої групи компенсаційних обмоток електричної машини з 2p=4.

Було проведено вибір параметрів, в залежності від яких доцільно проводити автоматичне регулювання магнітних моментів компенсаційних обмоток для створення необхідного компенсаційного магнітного моменту. Такими параметрами є струм статора I і напруга живлення U, які легко контролюються в процесі експлуатації електричної машини за допомогою датчиків струму і напруги.

На рис. 4 подана узагальнена структурна схема запропонованої системи компенсації, яка включає датчики струму (ДТ) та напруги (ДН), блок управління(БУ), багатоканальний підсилювач (У) і компенсаційні обмотки (КО), які створюють компенсаційні магнітні моменти для зниження дипольного і “власного” магнітних моментів електричної машини.

Блок управління має п’ять каналів регулювання по числу незалежних компенсаційних обмоток. Кожний канал регулювання містить масштабний перетворювач (МП), який здійснює зв’язок між параметрами системи компенсації (струм, напруга) і компенсуючим магнітним моментом за допомогою регуляторів амплітуди (РА) і фази (РФ).

Блок управління і блок підсилювачів запропоновано реалізовувати на елементах мікроелектроніки, що дозволяє максимально мінімізувати їх масогабаритні показники. В якості датчиків ДТ та ДН пропонується використовувати стандартні датчики змінного струму та напруги.

Нижче наводиться система рівнянь, яка узгоджує виконання умов компенсації дипольного і “власного” магнітних моментів електричної машини з параметрами системи автоматичної компенсації:

де  – коефіцієнт впливу феромагнітних і електропровідних мас машини на магнітний момент, що створюється компенсаційними обмотками;

WКО, SКО – число витків і площа однієї компенсаційної обмотки;

Кпі – коефіцієнт підсилення і-того підсилювача;

Крр – коефіцієнт, що залежить від числа полюсів електричної машини;

КДТ і КДН – передаточні коефіцієнти відповідно датчика струму ДТ і датчика напруги ДН;

і – передаточні коефіцієнти масштабних перетворювачів по струму і напрузі.

Ефективність компенсації залежить від точності настройки коефіцієнтів передавання масштабних перетворювачів. В роботі розроблено спеціальний алгоритм стендової настройки параметрів системи автоматичної компенсації. Установка відповідних комплексних передаточних коефіцієнтів масштабних перетворювачів досягається шляхом їх послідовної настройки (методом ітерацій) в різних режимах навантаження електричної машини при поточному контролі її магнітних моментів.

В роботі проведено дослідження експериментального зразка електричної машини змінного струму зі зниженим рівнем зовнішнього магнітного поля, який було створено на базі серійного чотириполюсного асинхронного двигуна АН  (завод-виробник Харківський електромеханічний завод) потужністю Р=90 кВт, укомплектованого системою автоматичної компенсації, яка забезпечує зниження дипольного та “власного” квадрупольного магнітних моментів.

Система автоматичної компенсації була побудована на основі структурної схеми, приведеної на рис. 4. Квадрупольні компенсаційні обмотки розташовувались на корпусі машини згідно рис. 3. Блоки управління та підсилювачів були реалізовані засобами мікроелектроніки. Вихідна потужність кожного підсилювача У (рис. ) складала 20 ВА.

Дослідження експериментального зразка електричної машини, проведені на заводі ХЕМЗ, показали, що ефективність зниження її магнітного поля по дипольному магнітному моменту складає 30, по квадрупольному – 20, ефективність зниження напруженості магнітного поля в “проміжній” зоні склала 12-18. Під ефективністю зниження магнітного моменту ЭМ (напруженості магнітного поля ЭН) мається на увазі відношення відповідних параметрів магнітного поля електричної машини до і після введення в її склад системи автоматичної компенсації.

На рис. 5 наведено залежність ефективності зниження напруженості зовнішнього магнітного поля ЭН експериментального зразка запропонованої електричної машини від відстані до її корпуса (крива 1). На цьому ж рисунку приведено аналогічну залежність при виключених квадрупольних обмотках системи компенсації (крива 2).

Наведені залежності демонструють, що компенсація “власної” просторової гармоніки магнітного поля електричної машини є основним фактором, який забезпечує високоефективне зниження магнітного поля в “проміжній” зоні. Для дальньої зони таким фактором є компенсація дипольного магнітного моменту.

При практичному проектуванні електричної машини змінного струму зі зниженим рівнем зовнішнього магнітного поля необхідно спочатку виконати низку конструктивних і технологічних заходів, які спрямовані на попереднє зниження її зовнішнього магнітного поля до мінімально можливого рівня, а саме: транспонувати та збіфілювати виводи і з’єднання обмоток; використати для магнітопроводів електричних машин сталі підвищеної точності прокату і малою коерцитивною силою; виконати вал або його вільні кінці із немагнітного або слабомагнітного матеріалу; забезпечити мінімально можливі допуски на геометричні розміри обмоток, елементів магнітопроводу і основного повітряного зазору; вибрати оптимальну величину магнітної індукції в ярмі статора для забезпечення максимальної магнітної проникності; виготовити корпус електричної машини з немагнітного або слабомагнітного матеріалу; застосувати екранування. Для зниження ЗМП електричних машин в роботі запропоновано захищену авторським свідоцтвом оригінальну конструкцію під’єднання живильних кабелів. Показано, що при певному виконанні вузлу струмопроводу розвід живильних кабелів може бути джерелом компенсуючого магнітного моменту з можливістю регулювання його модуля і фази. Така конструкція дозволяє знизити дипольний магнітний момент машини в 3-4 рази без зайвих витрат.

Запропонована в роботі система автоматичної компенсації здійснює остаточне зниження магнітного поля електричної машини до необхідного рівня за рахунок компенсації “власних” гармонік, які реально не можуть бути знижені вищезгаданим заходами, але застосування останніх дозволяє мінімізувати масогабаритні показники системи компенсації та її споживану потужність. Така концепція проектування електричної машини зі зниженим рівнем зовнішнього магнітного поля дає можливість гармонізувати її конструкцію з урахуванням вимог до рівня ЗМП та інших технічних і технологічних чинників.

висновки

1.

2.

3.

4.

-

-

5.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

АНОТАЦІЇ

Пилюгіна О.Ю. “Підвищення ефективності зниження зовнішніх магнітних полів електричних машин змінного струму”. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 – електричні машини і апарати. – Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2001 р.

В дисертаційній роботі розглянуті питання розробки конструкції багатополюсних електричних машин змінного струму зі зниженим рівнем зовнішнього магнітного поля.

Створено уточнену математичну модель багатополюсної електричної машини змінного струму, згідно якої зовнішнє магнітне поле в просторі за межами машини описується сумою дипольного магнітного моменту і мультипольного “власного” магнітного моменту, який визначається числом пар полюсів машини. Розроблені статистично-імовірнісні моделі електричних машин змінного струму як джерел магнітного поля струмів, індукційного та залишкового магнітного полів, які доповнюють уточнену модель і дозволяють здійснити прогнозування магнітної обстановки поблизу електричної машини. На базі уточненої математичної моделі розроблено конструкцію багатополюсної електричної машини зі зниженим рівнем магнітного поля. Особливістю таких машин є введення до їх складу високоефективної системи автоматичної компенсації, яка дозволяє забезпечити високу ефективність зниження зовнішнього магнітного поля як на далекій, так і на близький відстанях від корпуса електричної машини.

Результати роботи використані при розробці Державних стандартів України і Росії по забезпеченню вимог електромагнітної сумісності.

Ключові слова: електрична машина змінного струму, зовнішнє магнітне поле, математична модель, імовірнісна модель, система автоматичної компенсації.

Пилюгина О.Ю. “Повышение эффективности снижения внешних магнитных полей электрических машин переменного тока”. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 – электрические машины и аппараты. – Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт”, Харьков, 2001 г.

В диссертационной работе рассматриваются вопросы разработки конструкции многополюсных электрических машин переменного тока с пониженным уровнем внешнего магнитного поля. Проведенный анализ показал, что существующие уровни внешних магнитных полей электрических машин превышают требования по магнитным полям, предъявляемые к силовому электрооборудованию ответственных энергетических комплексов по критериям электромагнитной совместимости и экологической безопасности. Это обстоятельство определило задачи, решаемые в диссертационной работе, которые были направлены на повышение эффективности методов и средств снижения внешних магнитных полей электрических машин.

Был проведен пространственно-гармонический анализ внешнего магнитного поля многополюсных электрических машин, на базе которого разработана уточненная математическая модель машины как источника внешнего магнитного поля. Согласно разработанной модели внешнее магнитное поле многополюсной электрической машины переменного тока в пространстве за пределами описанной вокруг машины сферы описывается суммой дипольного и “собственного” мультипольного магнитных моментов. При этом величина дипольного магнитного момента определяется существующими конструктивными и технологическими отклонениями от симметрии электрической машины, величина “собственного” магнитного момента – порядком симметрии активного ядра электрической машины (числом пар полюсов).

По результатам проведенных автором экспериментальных исследований более 100 типов электрических машин различного конструктивного исполнения и мощности разработан метод модельных групп для описания внешнего магнитного поля электрических машин переменного тока. На основе указанного метода созданы вероятностные модели электрических машин переменного тока как источников переменного магнитного поля токов, индуктивного и остаточного магнитных полей, учитывающие конструктивные особенности электрических машин и технологию их изготовления. При этом в качестве в качестве исходных параметров в вероятностных моделях используются только паспортные данные электрических машин (мощность, полюсность). Разработанные вероятностные модели дополняют уточненную модель электрической машины в части учета различного рода отклонений от симметрии, а также определения ее магнитного поля вблизи поверхности.

Уточненная математическая модель электрической машины переменного тока была положена в основу разработки конструкции электрической машины с пониженным уровнем внешнего магнитного поля. Повышение эффективности снижения уровня внешнего магнитного поля достигнуто введением в состав электрической машины оригинальной системы автоматической компенсации. Особенностью введенной в состав электрической машины системы автоматической компенсации является то, что она ориентирована на обеспечение компенсации как дипольного, так и “собственного” магнитных моментов электрической машины.

Составными частями этой системы являются компенсационные обмотки, расположенные непосредственно на корпусе электрической машины, и блок управления, с помощью которого осуществляется регулирование токов (магнитного поля) компенсационных обмоток. Выбор параметров системы компенсации проводится, исходя из необходимости обеспечения взаимокомпенсации магнитных полей электрической машины и ее компенсационных обмоток.

Система компенсации содержит две группы компенсационных обмоток: одна группа для снижения дипольного магнитного момента, другая группа – “собственного” магнитного момента. В качестве параметров, в зависимости от которых производится регулирование тока компенсационных обмоток, были выбраны ток статора и напряжение питания, контроль которых осуществляется в процессе эксплуатации электрической машины.

Исследования экспериментального образца предлагаемой электрической машины со сниженным уровнем внешнего магнитного поля, созданной на базе серийного четырехполюсного асинхронного двигателя АН 102-4 мощностью 90 кВт, были проведены на Харьковском электромеханическом заводе и показали, что дипольный магнитный момент двигателя снижается в 30 раз, “собственный” квадрупольный магнитный момент – в 20 раз, напряженность внешнего магнитного поля на близких расстояниях от машины снижается в 12-18 раз.

В работе рассмотрены вопросы практического проектирования электрических машин со сниженным уровнем магнитного поля. Предложена оригинальная конструкция выполнения развилки питающих кабелей, которая при определенном выполнении узла токоподвода может выступать в роли компенсирующего элемента и снижать дипольный магнитный момент машины в 3-4 раза без дополнительных затрат.

Результаты, полученные в диссертационной работе, использованы:

-

-

Ключевые слова: электрическая машина переменного тока, внешнее магнитное поле, математическая модель, вероятностная модель, система автоматической компенсации.

Piljugina O.Yu. “Increasing of efficiency of the external magnetic field reduction of alternating current electric machines”. – Manuscript.

The thesis is for technical sciences candidate’s degree, speciality 05.09.01 – electric machines and apparatus. – National Technical University “Kharkov Polytechnic Institute”, Kharkov, 2001.

The thesis is devoted to the elaboration of multipolar alternating current electric machine construction with the reduced level of external magnetic field.

The elaborated mathematical model of multipolar alternating current electric machine was created. Due to this model external magnetic field in external area is described by the sum of dipole magnetic moment and “own” multipole magnetic moment, which is detected by the number of pole pair of machine. The statistic-probability models of alternating current electric machines as the sources of electric current magnetic field, induction and residual magnetic fields were created. They supplement with the elaborated mathematical model and make it possible to do the forecast of magnetic situation near the electric machine. The construction of multipolar alternating current electric machine with the reduced level of magnetic field was developed based on the elaborated mathematical model. The bringing the high effective system of automatic compensation in alternating current electric machine contents is the special feature of these machines. This system of automatic compensation allows to provide for high efficiency of the external magnetic field reduction both far and near the electric machine case.

The results of this work have been used for the elaborating the security of electromagnetic compatibility requirements of State Standards of The Ukraine and Russia.

Key words: alternating current electric machine, external magnetic field, mathematical model, probability model, system of automatic compensation.