ПРОЕКТИРОВАНИЕ  СИНХРОННОГО  ГЕНЕРАТОРА  С  ПОСТОЯННЫМИ  МАГНИТАМИ

Корнеев  Вячеслав  Викторович

магистрант,  кафедра  Электромеханики,  Новосибирский  Государственный  Технический  Университет,  г.  Новосибирск

E-mail:  heart1981@bk.ru

Приступ  Александр  Георгиевич

канд.  техн.  наук,  доцент,  Новосибирский  Государственный  Технический  Университет,  г.  Новосибирск

E-mail: 

DESIGN  OF  PERMANENT  MAGNETIC  SYNCHRONOUS  GENERATOR

Korneev  Vyacheslav

postgraduate  student,  the  department  of  Electromechanics,  Novosibirsk  State  Technical  University,  Novosibirsk

Pristup  Alexander

candidate  of  Technical  Sciences,  Associate  Professor  of  Novosibirsk  State  Technical  University,  Novosibirsk

АННОТАЦИЯ

В  статье  описывается  современный  подход  к  процессу  проектирования  специальных  электрических  машин  на  примере  синхронного  генератора  с  постоянными  магнитами  для  системы  аварийного  динамического  торможения  крановой  установки.  Особенности  проектирования  данного  класса  электрических  машин.

ABSTRACT

The  article  describes  the  modern  approach  to  the  design  process  special  electric  machines  on  the  example  of  permanent  magnetic  synchronous  generator  for  emergency  system  dynamic  brake  crane.  Design  features  of  this  class  of  electrical  machines.

Ключевые  слова:  синхронный  генератор  с  постоянными  магнитами;  дробная  зубцовая  обмотка;  проектирование  электрических  машин. 

Keywords:  permanent  magnet  synchronous  generator;  fractional  winding;  design  of  electrical  machine.

В  последнее  время  с  развитием  техники  и  оборудования  возникает  потребность  в  различных  специальных  электрических  машинах.  Кафедра  электромеханики  разрабатывает  специальные  электрические  машины  с  возбуждением  от  постоянных  магнитов  и  дробно-зубцовыми  обмотками  статора.  Проектирование  данных  электрических  машин  требует  использования  методов  проектирования,  учитывающих  конструктивные  особенности  электрических  машин  и  их  режимы  работы.  В  связи  с  участием  автора  в  проектирование  синхронного  генератора,  с  возбуждением  от  постоянных  магнитов  для  системы  аварийного  динамического  торможения  крановой  установки  атомной  электростанции.  Особенности  конструкции  и  функционирования  разрабатываемого  генератора  потребовали  формирования  специального  подхода  к  проектированию  такой  машины. 

Одной  из  основных  задач  проектирования  является  выбор  геометрических  и  обмоточных  данных,  свойств  материалов  и  анализ  на  их  основе  прогнозируемых  характеристик  электромагнитного  устройства.  Традиционные  методы  проектирования  представляет  методику  из  набора  относительно  простых  формул  и  соотношений,  позволяющих  произвести  расчет  с  применением  микрокалькулятора  или  даже  логарифмической  линейки.  В  таких  классических  методиках  для  упрощения  расчетов  применяются  допущения  и  преобразования,  которые  дают  достаточную  для  практики  точность  при  расчете  машин  общепромышленного  применения,  однако  дают  повышенную  погрешность  при  расчетах  машин  нетрадиционных  конструкций  и  машин  с  высокой  степенью  использования  электротехнических  материалов.  В  традиционных  методиках  происходят  операции  с  линейными  зависимостями  кривых  намагничивания  и  не  оперируют  комплексными  числами.  Поэтому  целесообразно  для  эффективного  проектирования  электромеханических  устройств  применять  методики  с  использованием  современных  программных  продуктов. 

Процесс  проектирования  генератора  для  динамического  торможения  состоит  из  следующих  этапов:  выбор  геометрических  и  обмоточных  данных,  электромагнитный  расчет,  расчет  характеристик  машины.  Более  подробная  схема  процесса  проектирования  представлена  на  рисунке  1.

Рисунок  1.  Схема  процесса  проектирования

В  связи  с  ограничением  по  массогабаритным  показателям  генератор  выполняется  с  высоким  использованием  материалов.  Особенностью  генератора  является  то,  что  он  работает  на  выпрямительный  мост,  откуда  выпрямленное  напряжение  идет  на  обмотку  статора  асинхронного  двигателя.  В  связи  с  этим  отсутствует  необходимость  выполнять  генератор  со  стандартной  частотой  сети.  Для  обеспечения  массогабаритных  и  энергетических  показателей  на  статоре  применяется  дробная  зубцовая  обмотка  с  числом  пазов  на  полюс  и  фазу  .  Данное  обстоятельство  позволяет  на  заданном  диаметре  расточки  статора  разместить  требуемое  количество  полюсов  без  измельчения  зубцово-пазовой  зоны.  Частота  выходного  напряжения  на  зажимах  генератора  получается  равной  8,5  Гц  при  номинальной  частоте  вращения  30  об/мин.  Выбор  геометрических  и  обмоточных  данных  производится  по  методике  [1],  разработанной  на  кафедре  электромеханики  НГТУ.  Для  автоматизации  процесса  проектирования  методика  записывается  в  инженерном  калькуляторе  Mathcad  с  использованием  встроенных  возможностей  программы,  таких  как  округление  значений  и  автоматический  выбор  величин  проводника  из  ряда  стандартных,  что  позволяет  повысить  скорость  проектирования.

Применяемые  дробно-зубцовые  обмотки  имеют  ряд  особенностей  по  сравнению  с  классическими  обмотками.  Данные  обмотки  имеют  шаг  равный  единице  и  охватывают  лишь  один  зубец,  что  позволяет  уменьшить  вылет  и  длину  лобовых  частей  электрической  машины  [1].  Однако  при  проектировании  машин  с  дробно-зубцовыми  обмотками  необходимо  учитывать  ряд  особенностей  данных  обмоток.  Однозубцовой  обмоткой  создаются  две  основные  пространственные  гармоники  магнитодвижущей  силы  с  близкими  полюстностями,  амплитудой  и  перемещаются  в  воздушном  зазоре  в  разные  стороны.  Магнитное  поле,  созданное  магнитодвижущей  силой  в  воздушном  зазоре  машины,  имеет  несинусоидальный  характер  [5].  В  синхронных  машинах  с  постоянными  магнитами  и  дробными  зубцовыми  обмотками  магнитное  поле  реакции  якоря  в  воздушном  зазоре  содержит  целый  ряд  гармоник  высшего  и  низшего  порядков  по  отношению  к  рабочей  гармонике,  обуславливающих  повышенное  индуктивное  сопротивление  дифференциального  рассеяния  [4].  Применение  на  статоре  дробно-зубцовых  обмоток  обуславливает  необходимость  коррекции  классического  расчета  индуктивных  сопротивлений  обмотки  статора,  реакции  якоря  и  магнитной  цепи  машины.  Наряду  свыше  обозначенными  особенностями  и  наличием  участков  насыщения  и  нелинейными  зависимостями  магнитной  цепи  был  произведен  расчет  параметров  электромагнитного  поля  на  основании  методов  конечно-элементного  анализа.  Как  видно  из  рисунка  2,  при  моделировании  поля  образуются  мостики  насыщения  в  месте  сближения  пазов  магнитов  на  поверхности  ротора  и  внутри  пакета  ротора.  Мостики  насыщения  могут  оказывать  значительное  влияние  на  поля  рассеяния  постоянных  магнитов  и  параметры  электрической  машины.  Не  учет  насыщения  данных  участков  приводит  к  некорректному  выбору  объема  и  геометрии  постоянных  магнитов,  определению  индуктивностей,  и  соответствующему  неточному  определению  электромагнитного  момента,  создаваемого  электрической  машиной.  В  результате  для  обеспечения  требуемых  показателей  после  создания  опытного  образца  возможно  необходимость  корректировки  расчета  активного  ядра  электрической  машины.

Все  большее  применение  различных  программных  продуктов  в  процессе  проектирования  обусловлено  развитием  и  удешевлением  компьютерной  техники,  развитием  языков  программирования  и  разработкой  специализированных  программных  продуктов.  Также  это  обусловлено  все  большей  конкуренцией  в  области  электромашиностроения  и  необходимости  быстрого  проектирования  при  минимуме  затрат.  Моделирование  поля  производилось  с  помощью  метода  конечных  элементов,  реализованного  в  программе  FEMM  с  учетом  нелинейности  магнитных  свойств  материалов  и  насыщения  элементов  магнитной  цепи.  Программа  FEMM  позволяет  быстро  и  с  требуемой  точностью  произвести  расчет  электромагнитного  поля  в  активном  объеме  электрической  машины  при  минимальных  затратах  компьютерных  ресурсов.

Рисунок  2.  Моделирование  в  FEMM

Однако  расчет  электромагнитного  поля  является  только  предварительным  промежуточным  результатом.  Далее  на  основание  полученный  данных  был  произведен  расчет  характеристик  электрической  машины.  Как  было  сказано  ранее,  генератор  работает  через  выпрямитель  на  нагрузку,  которой  является  обмотка  асинхронного  двигателя  с  активным  сопротивлением  0,25  Ом.  Малая  величина  нагрузки  приводит  к  тому,  что  генератор  работает  фактически  в  режиме  короткого  замыкания.  При  работе  выпрямителя  под  нагрузкой  на  выпрямленное  напряжение  существенно  влияют  индуктивность  источника  питания,  активное  сопротивление,  внутреннее  сопротивление  вентилей,  а  также  эквивалентное  падение  напряжения  в  индуктивности  со  стороны  выпрямленного  тока  [2].

Рисунок  3.  Модель  в  MATLAB  Simulink

В  связи  с  этим  необходимо  было  получить  параметры  и  характеристики  генератора  непосредственно  с  выпрямительным  мостом  и  нагрузкой.  Программа  имитационного  моделирования  MATLAB  Simulink  позволяет  с  помощью  встроенных  блоков  различных  электрических  машин  и  электротехнических  устройств  моделировать  системы  автономного  электроснабжения  или  другие  системы  [3].  Такие  стандартные  решения  удобно  использовать  при  определении  параметров  электрических  машин  в  различных  условиях.  Модель  синхронного  генератора  с  системой  электроснабжения,  по  которой  производилось  определение  характеристик,  представлена  на  рисунке  3.

Но  для  моделирования  синхронной  машины  с  постоянными  магнитами  в  стандартный  блок  необходимо  внести  параметры,  такие  как  индуктивности    и  ,  потокосцепление  от  постоянных  магнитов  и  прочие.  Необходимые  параметры  были  найдены  из  конечно-элементного  анализа  активного  объема  генератора.  Однако  напрямую  мы  можем  определить  только  потокосцепление  от  постоянных  магнитов  при  отсутствии  тока  в  обмотке  статора.  Определить  индуктивности  возможно  через  потокосцепления  фазы,  относительно  которой  позиционируется  ротор  и  определяется  через  модель  FEMM.  Для  определения  потокосцеплений  ротор  позиционировался  по  оси  d  и  q  и  задавались  токи,  в  определенный  момент  времени,  для  фаз  обмотки  статора  при  синусоидальном  изменение  этих  токов.  Ось  d  соответствует  максимальному  потокосцеплению  от  постоянных  магнитов  и  фазы,  ось  q  —  минимальному  потокосцеплению.  Рассчитывались  среднеквадратические  значения  потокосцепления  фаз  для  каждой  оси  по  формуле  (1)  и  токов  по  формуле  (2). 

  (1)

где:    —  потокосцепление  фазы  от  тока  фаз  и  поля  постоянных  магнитов  ротора;

—  потокосцепление  фазы  от  поля  постоянных  магнитов.

    (2)

Определяются  синхронные  индуктивности  по  оси  d  и  q  по  формуле  (3)  в  зависимости  от  ориентации  ротора  относительно  оси  фазы.

    (3)

Ввод  параметров  генератора  осуществляется  в  окне  стандартного  блока,  имеющего  строки  ввода  с  указанием  параметра  и  размерности  величины.  Имеются  также  другие  варианты,  когда  задается  не  поток  от  постоянных  магнитов,  а  постоянная  напряжения  или  постоянная  момента.  Например,  при  задании  потока  программа  автоматически  пересчитывает  параметры  постоянных,  тоже  самое  происходит  при  другой  специфики  внесения  данных.  Стандартный  блок  синхронных  машин  с  постоянными  магнитами  может  моделировать  как  двигатели,  так  и  генераторы.  Для  моделирования  генератора  на  блок  через  механический  канал  задается  скорость,  с  которой  вращается  вал  реального  генератора.  С  выходов  трехфазной  обмотки  модели  напряжение  и  ток  идет  на  стандартный  блок,  моделирующий  выпрямитель  с  указанием  внутренних  потерь  и  временем  отклика  реального  выпрямителя.  Далее  по  цепи  идет  нагрузка,  которая  моделирует  обмотку  асинхронного  двигателя  в  виде  активной  нагрузки,  так  как  величина  индуктивности  обмотки  мала.  Остальные  элементы  являются  вспомогательными  для  измерения  величин  и  определения  характеристик.

По  результатам  моделирования  электромагнитного  поля  и  характеристик  генератора  происходит  сравнение  параметров  с  требуемыми  показателями.  После  расчета  альтернативных  вариантов  был  выбран  наиболее  оптимальный,  удовлетворяющий  требованиям  технического  задания.

Высокое  использование  материалов  и  отсутствие  принудительного  охлаждения  требует  подробного  теплового  расчета.  Основное  влияние  температура  оказывает  на  изоляцию  обмотки  статора  и  на  постоянные  магниты,  которые  при  перегреве  могут  размагничиваться  и  теряют  свои  свойства.  Особое  рассмотрение  теплового  состояния  требует  режим  холостого  хода,  то  есть  когда  генератор  отключен  от  нагрузки,  но  при  работе  крановой  установки  на  подъем  груза  вращается  со  скоростью  1200  об/мин,  т.к.  жестко  связан  через  редуктор  с  асинхронным  двигателем.  В  описанном  режиме  практически  отсутствуют  электрические  потери  в  обмотке  статора  из-за  малой  величины  протекающего  тока,  но  присутствуют  большие  потери  в  стали  из-за  высокой  частоты  перемагничивания.  Проверка  теплового  состояния  машины  является  важным  этапом  проверки  правильности  проектирования.  По  результатам  теплового  расчета  максимальная  температура  машины  составляет  130  ,  что  удовлетворяет  классу  изоляции  F.

На  основе  проведенных  расчетов  и  моделирования  выбран  вариант  генератора  системы  аварийного  динамического  торможения,  на  основании  которого  произведена  разработка  конструкторской  документации  для  изготовления  и  испытания  опытного  образца.

Список  литературы:

1.Бухгольц  Ю.Г.,  Комаров  А.В.,  Шевченко  А.Ф.,  Шевченко  Л.Г.  Многополюсные  синхронные  машины.  Часть  2.  Электромагнитный  расчет  и  программа  расчета  на  ЭВМ.  Методическое  указание.  Новосибирск:  НГТУ.  1996.  —  49  с.

2.Флора  В.Д.  Электрические  машины  специальных  конструкций  и  принципов  действия.  Запорожье.:  Информационная  система  iElectro.  2011.  —  254  с.

3.Черных  И.В.  Моделирование  электротехнических  устройств  в  Matlab,  SimPowerSystems  и  Simulink.  СПб.:  Питер,  2008.  —  280  с.

4.Честюнина  Т.В.  Анализ  поля  возбуждения  магнитоэлектрического  генератора  с  зубцовыми  обмотками/  Т.В.  Честюнина//:  материалы  четвертой  науч.-технич.  конф.  с  международным  участием  ЭЭЭ-2009,  —  Новоси-бирск:  изд-во  НГТУ,  2009.  —  С.  78—83. 

5.Честюнина  Т.В.  Особенности  расчета  индуктивных  сопротивлений  магнитоэлектрических  машин  с  дробными  зубцовыми  обмотками/  Т.В.  Честюнина//  материалы  XVII  междунар.  науч.-практ.  конф.  студентов,  аспирантов  и  молодых  ученых  «Современная  техника  и  технологии»,  Томск:  изд-во  ТПУ,  —  2011.  —  1Т.  С.  559—561.