НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

"ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

Вербовий Андрiй Петрович

УДК 621.313.333

УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДИК ВИЗНАЧЕННЯ

ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ПАРАМЕТРІВ І ТЕОРІЇ

ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ПРОЦЕСІВ

В ІНДУКЦІЙНИХ РЕОСТАТАХ

Спецiальнiсть:05.09.01 - Електричнi машини та апарати

Автореферат

дисертацiї на здобуття наукового ступеня

кандидата технiчних наук

Харків - 2001

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у відділі №6 Iнституту електродинамiки НАН України,

м. Київ.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

С'янов Олександр Михайлович

Дніпродзержинський державний технічний університет,

професор кафедри "Електрообладнання"

Офiцiйнi опоненти: доктор технічних наук, професор

Клименко Борис Володимирович,

Національний технічний університет

"Харківський політехнічний інститут",

завідувач кафедри "Електричні апарати" ;

доктор технічних наук, професор

Фінкельштейн Володимир Борисович,

Харківська державна академія міського господарства,

професор кафедри "Електротехніка" .

Провiдна установа: Одеський державний політехнічний університет

Міністерства освіти і науки України

Захист дисертацiї вiдбудеться 04.04.2002 р. об 13-30 годинi на засiданнi спецiалiзованої вченої ради Д 64.050.08 у Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут" за адресою:

61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацiєю можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут"

Автореферат розiсланий 02.03.2002 р.

Вчений секретар

спецiалiзованої вченої рад Болюх В.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальнiсть теми. Асинхроннi двигуни (АД) використовуються в усiх галузях господарської дiяльностi i споживають близько 60 % всiєї електроенергії, що виробляється. Тому навiть незначне пiдвищення енергетичних показникiв (коефiцiєнтiв потужностi i корисної дiї) або ефективностi використання (пiдвищення надiйностi, зниження рівня споживання електроенергiї, розширення функцiональних можливостей i т.п.) в масштабi держави забезпечує значний економiчний ефект.

Серед шести класів АД з покращеними пусковими, регулювальними та динамічними властивостями знаходиться клас двигунів з фазною обмоткою ротора та допоміжними індукційними реостатами. Індукційні реостати (ІР) розміщуються на валу поза обсягом двигуна в місці розташування контактних кілець і забезпечують автоматичну зміну активно-індуктивного опору від ковзання. При цьому АД стає безконтактним, а частина втрат потужності виноситься з обсягу, що забезпечує більш ефективне охолодження ІР.

З розвитку теорії АД з ІР до цього часу захищені чотири дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук. При цьому ІР розглядалися як еквівалентний активно-індуктивний опір і не забезпечували прийнятної точності розрахунків. Не розглядалися процеси в ІР, не визначалися електромагнітні параметри обмотки та екрана як двох елементів. Тому актуальною стала задача більш детального розгляду особливостей роботи ІР при представленні екрана еквівалентною одновитковою короткозамкнутою обмоткою. Розробка принципових основ теорії та методик визначення електромагнітних параметрів визначає науковий напрямок роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Представлена дисертацiя є результатом виконання НДР з природничої та науково-технічної тематики Iнституту електродинамiки НАН України (теми: "Статор-2П" (проблема 1.9.2.5), № ДР 01.91.0006210, інв. № 0992002008; "Електромашина-3" (проблема 1.9.2.5), № ДР 01.91.0006209, інв. № 0296U002316; шифр 05.51.06.17/218-92 (з 1995 р. – 04.11.05/001К-95), № ДР 0195U016352. інв. № 0296U002829; шифр 05.51.06/133-93 (проблема 5.1.6), № ДР 0195U008757; "Двигмех", 04.11.05/003К-95 (проблема 5.1.6), № ДР 0195U000087, інв. № 0298U533; шифр 2/1036-97 (проблема 26.08/01883), № ДР 0198U000553, інв. № 0201U001096; х.д. № 26/680-98 (держзамовлення з пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки), № ДР 0198U000552, інв. № 0299U001016 (за 1998 р.), інв. № 0200U001489 (за 1999 р.); інв. № 0200U004816 (ч. 1 за 2000 р.), інв. № 0201U004817 (ч. 2 за 2000 р.)), виконаних у вiдповiдностi до планiв наукових дослiджень згiдно з постановами Президiї НАН України та координацiйними планами ДКНТ.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розвиток і удосконалення принципових основ класичної теорії електричних ланцюгів, а також теоретичне і експериментальне визначення нелінійних електромагнітних параметрів для подальшого створення індукційних реостатів з оптимальними техніко-економічними показниками. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- провести аналіз і класифікацію запропонованих конструктивних і схемних виконань ІР, визначити перспективні варіанти, розробити рекомендації по їх удосконаленню;

- розробити фізичні, математичні, схемні і векторні моделі для дослідження електромагнітних процесів у статичних і динамічних режимах роботи ІР, при представленні екрана еквівалентною одновитковою короткозамкнутою обмоткою із зосередженими електромагнітними параметрами;

- розробити методи визначення коефіцієнта індуктивності;

- виконати теоретичні й експериментальні дослідження, провести порівняння отриманих результатів.

Об'єктом дослідження є електромагнітні процеси в індукційних реостатах і в інших аналогічних електротехнічних пристроях, що містять обмотку з екраном, сердечником або шихтованим пакетом.

Предметом дослідження є особливості розподілу струмів, напруг, магнітних потоків, магнітних індукцій, активних і реактивних потужностей, вплив їх на зміну електромагнітних параметрів обмоток.

Методи дослідження.Основним методом дослідження прийнятий метод теорії електричних ланцюгів. Електромагнітні процеси описані системами рівнянь у диференціальній і символічній формах запису і доповнені схемами заміщення, векторними діаграмами, рівняннями балансу активних і реактивних потужностей. Рішення диференціальних рівнянь виконано класичним методом і методом Рунге-Кутта на IBM PC. Визначення електромагнітних параметрів ІР здійснено розрахунковим шляхом з використанням експериментальних даних. Для визначення коефіцієнта індуктивності розроблений метод використання векторної діаграми для двох електромагнітно пов'язаних контурів зі струмами.

Практичне значення одержаних результатiв полягає в тому, що використання їх дозволить здійснювати бiльш детальні дослiдження електромагнiтних i теплових процесів у обмотцi та екранi, визначати їх електромагнiтнi параметри, глибше зрозумiти i дослiджувати вплив параметрiв i властивостей матерiалiв обмоток на характеристики IР та АД, виробляти i приймати правильні рiшення при проектуванні регульованих електроприводів.

Математичнi моделi, алгоритми i програми дозволяють дослiджувати електромагнiтнi процеси як в статичних, так i в динамiчних режимах роботи IР. Для однофазних IР рiвняння рiвноваги напруг доведенi до рiшення в загальному виглядi, алгоритму i програми для IBM PC. Розробленi методики визначення електромагнiтних параметрiв i коефiцiєнтiв служать основою для подальшого удосконалення теорiї i технiко-економiчних показників АД з IР.

Результати досліджень передані Державному комітету України з енергозбереження, що підтверджується актами передачі від 23.02.1999, 27.12.1999, 15.11.2000 рр. Крім того, результати дисертаційної роботи використані при розробці Державного стандарту України "Енергозбереження. Системи електропривода. Методи аналізу і вибору", реалізованого підприємством "Електромеханіка" за замовленням Державного комітету України з енергозбереження і підтвердженого актом від 10.12.1999 р.

Особистий внесок здобувача у наукових працях, опублікованих із співавторами. В роботі [3] розроблена методика визначення параметрів. В [4] отримані результати експериментальних досліджень, розроблена методика. В [5] отримані результати теоретичних досліджень. В [7] отримані результати експериментальних досліджень. В [9] розроблена методика визначення коефіцієнта відношення індуктивних і активних параметрів. В [10] виявлені фактори зміни розрахункової величини активного опору екрана при розбивці його на окремі ділянки.

Апробацiя результатiв дисертацiї. Основнi положення i результати дисертацiйної роботи доповiдались та обговорювались на Всеукраінській конференції "Повышение физико-механических и служебных свойств чугунов в отливках путем их легирования, модифицирования, термической и высокоэнергетической обработки" (Киев, 1995 г.); I-й Мiжнароднiй науково-технiчної конференцiї "Математичне моделювання в електротехнiцi й електроенергетицi" (Львiв, 1995 р.); Мiжнароднiй науково-технiчнiй конференцiї "Проблемы совершенстования систем аэронавигационного обслуживания и управления подвижными объектами" - "Аэронавигация - 96" (Київ, 1996 р.); Мiжнароднiй науково-технiчнiй конференцiї "Проблемы развития систем аэронавигационного обслуживания и авионики воздушных судов" - "Аэронавигация и Авионика - 98" (Київ, 1998 р.).

Публiкацiї. Список наукових праць за темою дисертації складає 15 найменувань, з них: 4 статті у наукових журналах, 7 статей в збірниках наукових праць Інституту електродинаміки НАНУ, 4 доповіді на наук.-техн. конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертацiйна робота складається з вступу, 4-х частин тексту з висновками по кожнiй частинi, загальних висновків i налічує 153 сторiнок тексту, 46 рисункiв по тексту, списку використаної лiтератури iз 55 найменувань на 6 сторiнках i додатків на 7-х сторiнках.

ОСНОВНИЙ ЗМIСТ РОБОТИ

У вступi обгрунтовано актуальнiсть проблеми, зв'язок роботи з науковими програмами, планами i темами, сформульовано мету i задачi роботи, викладено наукову новизну, практичну значимiсть одержаних результатiв.

В першому розділі дисертацiї розглянуті конструктивнi виконання ІР, проведена їх класифiкацiя, розглянутi окремi класи IР, наведена історична довідка. Низька надiйнiсть контакторної апаратури i громiздкiсть реостатiв в сучасних електроприводах (ЕП) спричинили необхiднiсть пошуку бiльш надiйних i компактних систем управлiння пуском і регулюванням частоти обертання АД з фазним ротором.

Серед них найбільш перспективною була пропозиція Ю.М. Розова, щодо усунення ковзаючіх контактів, врезультаті АД стає безконтактним. Ця пропозиція продовжує розвиватис.

а) індукційні реостати стержневих типів (рис.1а);

б) iндукцiйнi реостати у виглядi порожнiх масивних феромагнiтних дискiв, в середині яких розмiщуються котушки концентричного типу (рис.1б);

в) індукційні реостати у вигляді зубчатих конструкцiй (рис.1в);

г) iндукцiйнi реостати iнших конструкційних форм виконання.

Перевагу належить вiддавати тим конструкцiйним i схемним рiшенням, якi забезпечують однакові умови для протiкання електромагнiтних i теплових процесiв, рівномірного охолодження в усiх трьох фазах; використовують рiзнi ефекти (наприклад, ефект близькостi, компенсацiї магнiтного потоку, витиснення струму); максимально заповнюють простiр, технологiчнi у виготовленнi, простi в експлуатацiї, пiддаються фiзичному i математичному опису, теоретичному моделюванню процесiв, оптимiзацiї.

У другому розділі розроблені принципові основи теорії ІР. Індукційний реостат розглядається як система, що складається з двох електромагнітно пов'язаних контурів зі струмами (рис.2). Кожен з контурів має активний опір і власну індуктивність, а електромагнітний зв'язок між ними враховується взаємною індуктивністю. Для цієї системи початкові рівняння рівноваги напруг для миттєвих значень величин мають такий вигляд:

, (1)

, (2)

де r - активні опори контурів; i - миттєві значення струмів в контурах; е - миттєві значення ЕРС, які наводяться в контурах; - миттєві значення підведеної до обмотки напруги. Індекси "о" і "с" у величин в рівняннях (1) і (2) та в подальшому викладанні відносяться до величин обмотки і екрана (сталі).

При підстановці повних потокощеплень і перетворень отримуємо систему рівнянь:

(3)

(4)

Якщо до обмотки підводиться синусоїдальна напруга , то струми в контурах також змінюються за синусоїдальними законами, тобто де і - амплітуди змінних напруги і струмів; - кругова частота змінних величин; і - початкові фази напруги і струмів.

Для амплітудних значень напруги та струмів рівняння (3) і (4) переписуються у такому вигляді:

(5)

(6)

Переходячи від тригонометричної форми запису рівнянь до комплексної та беручи похідну струмів за часом, рівняння (5) і (6) переписуємо у такому вигляді:

(7)

(8)

Вирази для невідомих струмів мають вигляд

(9)

(10)

Знак мінус перед правою частиною у рівнянні (10) означає, що струм в еквівалентній обмотці сталі тече від кінця до початку.

При проектуванні та розрахунках характеристик пристроїв, що розглядаються, зручніше користуватися рівняннями, які описують не систему електромагнітно пов'язаних контурів зі струмами, а рівняннями, що описують електричну схему, тобто еквівалентну їй схему заміщення. Для цього приводимо числа витків короткозамкнутого контуру до числа витків обмотки (), об'єднуємо гілки з рівними за величиніоюта напрямком ЕРС в одну гілку, отримуємо схему заміщення та будуємо векторну діаграму (рис.3).

Еквівалентність схеми заміщення електромагнітно пов'язаним контурам із струмами досягається рівністю МРС, активних і реактивних потужностей до і після приведення.

В роботі виведені рівняння балансу активних і реактивних потужностей, які підтверджують правильність схеми заміщення та векторної діаграми. Встановлено (математично доведено) взаємозв'язок між власними та взаємними індуктивностями та індуктивними опорами схеми заміщення:

, , , (11)

які піддаються теоретичному та експериментальному визначенню.

Скориставшись співвідношеннями (11) систему з двох рівнянь (3) і (4) переписуємо у такому вигляді:

(12)

Для рішення рівнянь (12) у загальному виді за допомогою диференціювання приводимо їх до лінійних неоднорідних диференціальних рівнянь другого порядку з постійними коефіцієнтами.

Диференціальні рівняння електромагнітної рівноваги вирішені класичним методом та методом Рунге-Кутта. Для цих методів розроблені алгоритми та написані програми для дослідження перехідних процесів на ПЕОМ.

Третій розділ присвячений вирішенню задач щодо визначення та дослідження електромагнітних параметрів ІР. До них належать активні та індуктивні опори схеми заміщення, власні індуктивності реальних та еквівалентних обмоток, а також взаємна індуктивність між ними. Перед розв'язанням рівнянь, визначенням струмів та інших електромагнітних величин мають бути визначені електромагнітні параметри і задані у вигляді аналітичних залежностей, графічних або числових (табличних) даних.

Розв'язання задач здійснювалось для конкретних конструкцій ІР.

Визначення активного опору екрана ІР проводиться спочатку для бокових пластин і кільцевих частин, а потім загального опору екрана - як при паралельному їх підключенні. Встановлено, що величина активного опору визначена таким чином менша величини опору, визначеної за середньою довжиною кільця та площі загального радіального перерізу. Відношення цих величин названо коефіцієнтом ефективності (реально діючого) активного опору . Його розрахункова величина залежить від числа поділу масивних замкнутих елементів конструкції на паралельні частини. Ця величина наближається до межі, за якої подальший поділ на паралельні частини не дає зменшення розрахункової величини опору.

Розроблена методика визначення індуктивного опору розсіювання основної обмотки, що охоплена з усіх боків екраном. При протіканні струмів у обмотці та екрані буде створюватися результуюче магнітне поле, магнітні силові лінії якого замикатимуться навколо центру симетрії. Індуктивний опір розсіювання обмотки визначається рівнянням

,

де - відносна магнітна провідність розсіювання обмотки

,

де і - ширина та висота вікна розміщення обмотки в екрані; .

Методика визначення індуктивного опору взаємоіндукції базується на розрахунку магнітного кола і припущенні, що підведена до обмотки напруга відома, а магнітний потік розподіляється рівномірно. Встановлена залежність його величини від напруги, тобто від насичення екранів. Так, при В Ом, а при В Ом. При подальшому зростанні напруги зменшується до 1 Ом і при В практично лишається постійним.

Розроблена методика експериментального визначення електромагнітних параметрів ІР. При цьому в зразках розміщувалась допоміжна обмотка для вимірювання ЕРС взаємоіндукції. Виявлена суттєва різниця між значеннями ЕРС на внутрішньому і зовнішньому боці обмотки (рис.5).

На рис.6 наведені залежності струму в обмотці, споживаної активної потужності і коефіцієнта потужності від величини підведеної напруги, що отримані експериментально.

В четвертому розділі наведені результати розроблених методик визначення коефіцієнта індуктивності, який характеризується відношенням . У зв'язку з труднощами визначення до цього часу використовувалось припущення про його постійність, тобто

. (13)

Разом з тим відомо, що не є постійною величиною, і для екранів ІР потрібно шукати шляхи його визначення. В дисертації розглянуто декілька наближених методів.

В методі з використанням динамічної петлі гістерезису використовується кут зсуву фаз між магнітною індукцією та напруженістю магнітного поля, або між ЕРС взаємоіндукції і струмом в еквівалентній обмотці. Якщо прийняти зміну магнітної індукції в осерді косинусоїдальною

, (14)

де b і - миттєве та максимальне значення індукції, то значення остаточної індукції можна визначати виразом

. (15)

Це досягається тоді, коли напруженість магнітного поля рівна нулю. При відомих і визначаємо косинус кута зсуву фаз

. (16)

На підставі проведених теоретичних і експериментальних досліджень можна зробити такі висновки.

1. Заміна звичайних реостатів з дискретною або плавною зміною величини активного опору на ІР з автоматичною зміною активно-індуктивного опору і розміщення їх на валу ротора у місці розташування контактних кілець робить такий АД безконтактним і надає йому позитивних властивостей звичайного короткозамкнутого двигуна.

2. Для моделювання усталених і перехідних електромагнітних процесів в ІР розроблені фізичні та математичні моделі, побудовані схеми заміщення і векторні діаграми, виведені рівняння балансу активних і реактивних потужностей, які підтверджують адекватність моделей реальним фізичним процесам.

3. Теоретичні задачі вирішені в класичній постановці, тобто відомими приймаються підведена до обмотки напруга і електромагнітні параметри, а визначенню підлягають струми в обмотках, електромагнітні навантаження, втрати та інші величини.

4. Встановлений взаємозв'язок між індуктивностями і електромагнітними параметрами схеми заміщення дозволяє власні і взаємні індуктивності в диференціальних рівняннях змінювати на індуктивні опори схеми заміщення, які піддаються розрахунковому та експериментальному визначенню.

5. Для однофазних ІР рівняння рівноваги напруг доведені до рішення в загальному вигляді, алгоритму і програми для IBM PC, що дозволяє проводити теоретичні дослідження і порівнювати їх з експериментальними даними конкретних зразків.

6. Для визначення індуктивного опору розсіювання обмотки, що розміщується в екрані, розроблена методика, яка відрізняється від методики визначення індуктивного опору пазового розсіювання електричних машин тим, що магнітні силові лінії замикаються навколо центру симетрії розташування обмотки. Такий підхід більш точно відповідає реальним електромагнітним процесам ІР.

7. Розрахунок магнітного ланцюга показав, що його насичення відбувається при малих значеннях підведеної напруги і в пусковому режимі () робота ІР проходить при індукціях в екранах більше 2 Тл.

8. Розроблені методи визначення коефіцієнта індуктивності на основі експериментальних даних, які підтверджують широкі межі його зміни від ( при слабких полях) до ( при сильних полях) для реальної котушки зі стального дроту і від до для еквівалентної обмотки тороїду. Залежність має нелінійний вигляд. Зі збільшенням індукції він швидко зменшується, досягає мінімуму, а потім (при насиченні магнітного ланцюга) знову збільшується.

9. Введено поняття, назва і визначення коефіцієнта ефективності активного опору масивних провідників з нерівномірною довжиною. Доведено його зміну на конкретних прикладах і аналітично. Показано межі зміни його для різних конструкцій ІР, обгрунтована необхідність його обліку.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Вербовой А.П. Уравнения, схема замещения и векторная диаграмма индукционных сопротивлений с учетом процессов в экранах // Регулируемые асинхронные двигатели: Сб. науч. тр. - Киев, Ин-т электродинамики НАН Украины, 1996. - С. 31-38.

2. Вербовой А.П. Решение уравнений электромагнитного равновесия индукционных сопротивлений с учетом процессов в экранах // Регулируемые асинхронные двигатели: Сб. науч. тр. - Киев: Ин-т электродинамики НАН Украины, 1997.- С. 26-33.

3. Вербовой А.П., Вербовой П.Ф., Съянов А.М. Определение и исследование электромагнитных параметров индукционных сопротивлений // Регулируемые асинхронные двигатели: Сб. науч. тр.- Киев: Ин-т электродинамики НАН Украины,1997.- С.38-48

4. Вербовой А.П., Вербовой П.Ф., Съянов А.М. Определение электромагнитных параметров индукционных реостатов по экспериментальным данным // Регулируемые асинхронные двигатели'98: Сб. науч. тр. - Киев: Ин-т электродинамики НАН Украины. 1998. - С. 66-76.

5. Вербовой А.П., Вербовой П.Ф. Разделение эквивалентных общих электромагнитных параметров параллельных контуров на составляющие // Регулируемые асинхронные двигатели'98: Сб. науч. тр. - Киев: Ин-т электродинамики НАН Украины. 1998. - С. 84-90.

6. Вербовой А.П. Расчет магнитной цепи, определение тока намагничивания и индуктивного сопротивления взаимоиндукции индукционного реостата // Регулируемые асинхронные двигатели'98: Сб. науч. тр. - Киев: Ин-т электродинамики НАНУ. 1998. - С.77-83.

7. Вербовой А.П., Вербовой П.Ф., Съянов А.М. Исследование образца индукционного реостата с обмоткой из стальной проволоки // Праці ІЕД НАНУ: Зб. наук. пр. - Київ: Ін-т електродинаміки НАН України, 1999. - Вип. 1. - С.47-52.

8. Вербовой А.П. Методика определения индуктивного сопротивления рассеяния обмотки индукционного сопротивления // Техн. електродинаміка. - 1997. - №3.- С. 60-64.

9. Вербовой А.П., Вербовой П.Ф. Определение коэффициента отношения индуктивных и активных параметров эквивалентных обмоток ферромагнитных сердечников, пакетов и экранов // Техн. електродинаміка. - 1998. - №4. - С. 71-73.

10. Вербовой А.П., Вербовой П.Ф. Расчет величины активного сопротивления массивного проводника при разбиении его на параллельные ветви // Техн. електродинаміка. - 1998. - № 5. - С. 51-53.

11. Вербовой А.П. Математическая модель для исследования электромагнитных процессов в трехфазных индукционных реостатах // Электротехника и электроэнергетика. - 1999. - № 2. - С. 57-60.

12. Вербовой А.П., Вербовой П.Ф., Зеленый Б.Г., Съянов А.М., Шейко А.А. Исследование индукционных сопротивлений с экранами из электромагнитного чугуна // Тез. докл. Всеукраинской конф. "Повышение физико-механических и служебных свойств чугунов в отливках путем их легирования, модифицирования, термической и высокоэнергетической обработки". - Киев: ИПЛ НАН Украины. - 1995. - С. 28-30.

13. Вербовий А., Вербовий П. Математична модель iндукцiйних опорiв з урахуванням процесiв в екранах // Тез. доп. I-ї Мiжнародної наук.-техн. конф. "Математичне моделювання в електротехнiцi й електроенергетицi". - Львiв: Державний унiверситет "Львiвська полiтехнiка". - 1995. - С. 22-23.

14. Вербовой А.П. Усовершенствование моделей индукционных сопротивлений // Тез. докл. Международной научно-технической конф. "Проблемы совершенствования систем аэронавигационного обслуживания и управления подвижными объектами" (Аэронавигация - 96). - Киев: Киевский международный университет гражданской авиации. - 1996. - С. 58.

15. Вербовой А.П. Учет эффекта изменения активного сопротивления массивного проводника разделением его на параллельные участки // Тр. Междунар. науч.-техн. конф. "Проблемы развития систем аэронавигационного обслуживания и авионики воздушных судов". - Киев: КМУГА. - 1998. - С. 170-172.

АНОТАЦІЇ

Вербовий А.П. Удосконалення методик визначення електромагнітних параметрів і теорії електромагнітних процесів в індукційних реостатах. - 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.

Дисертація присвячена розвитку теорії індукційних реостатів (ІР), які включаються в коло фазної обмотки ротора асинхронних двигунів (АД). Екрани ІР представлені одновитковими короткозамкнутими обмотками з активними опорами, власними та взаємними індуктивностями. Розроблено фізичні та математичні моделі у вигляді диференціальних рівнянь, які доведено до розв'язання класичним і чисельним методами. Запропоновано нові методики експериментального та розрахункового визначення електромагнітних параметрів в залежності від частоти та величини напруги, що підводиться. Встановлено зміну величини власної індуктивності обмотки при внесенні в її поле додаткової обмотки. Введено нове поняття коефіцієнта ефективності активного опору.

Ключові слова: індукційний реостат, обмотка, екран, модель, методика, електромагнітні параметри, моделювання, процеси.

Вербовой А.П. Усовершенствование методик определения электромагнитных параметров и теории электромагнитных процессов в индукционных реостатах. - 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.

Диссертация посвящена разработке методов и методик экспериментального и расчетного определения электромагнитных параметров, исследованию электромагнитных процессов в статических и динамических режимах работы индукционных реостатов (ИР). ИР состоят из обмотки и массивного (сплошного) ферромагнитного экрана, включаются в цепь обмотки фазного ротора асинхронного двигателя (АД) для придания последним улучшенных пусковых, регулировочных и динамических свойств. Эти свойства достигаются автоматическим изменением активно-индуктивного сопротивления ИР в зависимости от частоты тока в обмотке ротора и величины наводимой ЭДС. Поэтому ИР предназначены для замены весьма ненадежных в эксплуатации обычных реостатов с плавным или ступенчатым изменением величины сопротивления путем контактного или контакторного переключения. Размещение ИР на валу в месте расположения контактных колец делает АД бесконтактным.

В диссертации приведены обзор и классификация конструкций ИР, разработаны принципиальные основы теории. Экран представляется эквивалентной одновитковой короткозамкнутой обмоткой, обладающей активным сопротивлением, собственной индуктивностью и взаимной индуктивностью с основной обмоткой.

Для моделирования установившихся и переходных электромагнитных процессов в ИР разработаны физические и математические модели, построены схемы замещения и векторные диаграммы, выведены уравнения баланса активных и реактивных мощностей, подтверждающие адекватность их реальным физическим процессам. Теоретические задачи решены в классической постановке, то есть известными принимаются подводимое к обмотке напряжение и электромагнитные параметры, а определению подлежат токи в обмотках, электромагнитные нагрузки, потери и другие величины. Установлена взаимосвязь между индуктивностями и электромагнитными параметрами схемы замещения, что позволяет собственные и взаимные индуктивности в дифференциальных уравнениях заменять на индуктивные сопротивления схемы замещения, которые поддаются расчетному и экспериментальному определению. Для однофазных ИР уравнения равновесия напряжений доведены до решения в общем виде, алгоритма и программы для IBM PC, что позволяет проводить теоретические исследования и сравнивать их с экспериментальными данными конкретных образцов.

Выявлено и доказано возрастание собственной индуктивности обмотки с током при внесении в ее поле другой закороченной обмотки или любого другого короткозамкнутого контура. Разработана методика определения индуктивного сопротивления рассеяния обмотки, размещенной в экране. При расчете магнитной цепи определяется индуктивное сопротивление взаимоиндукции . Установлено, что работа ИР проходит при магнитных индукциях, больших 2 Тл, то есть при насыщенной магнитной цепи. При этом изменяется в широких пределах (от до Ом при отсутствии воздушных зазоров и от 0,6 до 1,8 Ом при наличии воздушного зазора. Разработана методика определения электромагнитных параметров схемы замещения ИР, построенная на базе экспериментальных данных, что позволяет оценить достоверность и точность расчетных методик.

Отношению присвоено название коэффициента индуктивности, который характеризует не только отношение индуктивного сопротивления к активному, а и отношения индуктивной проводимости к активной, индуктивной составляющей тока к активной, индуктивной мощности рассеяния к активной как для эквивалентных обмоток из ферромагнитных, так и для обмоток из цветных металлов. Разработаны методы определения коэффициента индуктивности на основе экспериментальных данных, которые подтвердили широкие пределы его изменения от (при слабых полях) до (при сильных полях) для реальной катушки из стальной проволоки и от до для эквивалентной обмотки тороида. Зависимость имеет нелинейный вид. С увеличением индукции он быстро уменьшается, достигает минимума, а затем (при насыщении магнитной цепи) опять увеличивается. Введены понятие, название и определение коэффициента эффективности активного сопротивления массивных проводников с неравномерной длиной. Доказано его изменение на конкретных примерах и аналитически. Показаны пределы изменения его для различных конструкций ИР и обоснована необходимость его учета.

Полученные результаты используются для разработки методики оптимального проектирования и для создания математических моделей для моделирования электромагнитных процессов в АД с ИР.

Ключевые слова: индукционный реостат, обмотка, экран, модель, методика, электромагнитные параметры, моделирование, процессы.

Verboviy A.P. Improvement of the techniques for determination of electromagnetic parameters and the theory of electromagnetic processes in induction rheostats. - Manuscript.

Candidate dissertation on speciality 05.09.01 - Electrical Machines and Devices. - National technical university "Kharkov politechnical institute", Kharkov, 2001.

The thesis is devoted to development of the theory of induction rheostats, which are connected to the circuit of phase rotor winding of induction motors. The shields of the induction rheostats represent themselves single-turn shading coil with resistance, internal and mutual inductances. The physical and mathematical models in the form of the differential equations that are brought to solution by classical and numerical methods are developed. The new methodics intended for experimental and numerical determination of electromagnetic parameters depending on frequency and applied voltage are proposed. The change in magnitude of internal inductance of the winding at insertion of shield into its field as well as dependence of a value of resistance of separate shield sections on the technique of its calculation are established. The new concept of coefficient of resistance efficiency is introduced into consideration.

Key words: induction rheostat, winding, shield, model, technique, electromagnetic parameters, modelling, processes.