Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,222

МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА НА МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ТОРЦЕВОЙ ЗОНЕ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Полищук В.И. 1 Лиясова О.В. 1 Оболтина А.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
В работе изложены результаты исследования по разработке методики моделирования влияния магнитного поля «выпучивания» из воздушного зазора синхронного генератора на показания точечных измерительных преобразователей магнитного поля в торцевой зоне синхронного генератора. Разработка методики вызвана необходимостью проектирования защитно-диагностических систем, которые основаны на использовании информации несимметрии магнитного поля в торцевой зоне синхронного генератора. Методика базируется на идее замены поля зазора на проводник и использовании метода зеркальных отражений с коррекцией токов. Методика проста, надежна и позволяет получить значения аксиальной и радиальной составляющей индукции магнитного поля с учетом влияния поля «выпучивания» зазора в точке измерения с точностью порядка 15 %, что удовлетворяет предъявляемым к ней требованиям.
синхронный генератор
воздушный зазор
магнитное поле
метод зеркальных отражений
измерительный преобразователь
1. Электрические процессы в торцевых частях электрических машин // А.И. Вольдек, Я.Б. Данилевич, В.И. Косачевский, В.И. Яковлев. – Л.: Атомиздат, 1983. – 212 с.
2. Вольдек А.И. Влияние неравномерности воздушного зазора на магнитное поле машины // Электричество. – 1951. – № 12. – С. 40–46.
3. Вольдек А.И. Основы методики расчета магнитных полей лобовых частей обмоток электрических машин // Электричество. – 1963. – № 1. – С. 41–43.
4. Данилевич Я.Б. Добавочные потери в турбо- и гидрогенераторах. – Л.: Наука, 1973. – 181 с.
5. Копылов И.П., Горяинов Ф.А., Клоков Б.К, и др. Проектирование электрических машин. – М.: Энергия, 1980. – 495 с.
6. Новожилов А.Н., Кислов А.П. Магнитное поле вала асинхронного двигателя.// Электротехника. – 2001. – № 10.
7. Новожилов А.Н. Расчет точечных измерительных преобразователей для защиты синхронного двигателя.// Электротехника. – 1995. – № 10. – С. 45–48.
8. Полищук В.И., Кислов А.П., Новожилов А.Н. Способ защиты синхронной электрической машины от виткового замыкания.
9. Моделирование магнитных полей методом зеркальных отражений с коррекцией токов для синтеза защит электрических машин / В.И. Полищук, А.Н. Новожилов, О.А. Андреева, М.П. Воликова // Электричество. – 2008. – № 11. – С. 41–48.
10. Полищук В.И., Новожилов А.Н., Воликова М.П. Устройство защиты обмотки ротора синхронного генератора от двойных на землю и витковых замыканий // Электричество. – 2012. – № 6. – С. 54–59.
11. Полищук В.И., Новожилов А.Н., Горюнов В.Н. Способ защиты обмотки ротора синхронного генератора от витковых замыканий на двух индукционных преобразователях // Электричество. – 2010. – № 8. – С. 64–67.
12. Полищук В.И., Новожилов А.Н. Устройство защиты синхронной электрической машины от витковых и двойных на землю замыкания в обмотке роторе // Патент № 22450 (КZ). Официальный бюллетень. Пром. Собственность. – 2010. – № 4.
13. Полищук В.И. Построение защиты от виткового замыкания в обмотке ротора синхронного генератора на основе индукционного датчика магнитного поля рассеяния // Известия Томского политехнического университета. – 2012. – № 4. – С. 57–61.
14. Полищук В.И. Способ защиты синхронной электрической машины от витковых и двойных на землю замыканий в обмотке ротора // Патент № 21247 (КZ). Официальный бюллетень. Пром. Собственность. – 2009. – № 5.

При проектировании защитно-диагностических систем, основанных на анализе составляющих поля в торцевой зоне синхронного генератора (СГ) [1-5], необходимы данные с конкретной точки торцевой зоны. Величина воздушного зазора δ, особенно мощных СГ в сравнении с размерами торцевой зоны, значительна. Так, например, в СГ ТВВ-500-2ЕУ3 она составляет 95 мм при высоте и ширине расчетного призматического канала торцевой зоны 1020 и 1193 мм соответственно. При этом максимальное значение индукции магнитного поля воздушного зазора может достигать величины 1,6…2,0 Тл [7]. Поэтому поле «выпучивания» [8] из воздушного зазора в торцевую зону должно быть значительно. Поэтому при расчетах магнитного поля в торцевой зоне СГ необходима оценка влияния поля «выпучивания» из воздушного зазора на выходные параметры измерительного преобразователя.

Цель работы – изложение результатов исследования по моделированию влияния поля «выпучивания» из воздушного зазора на показания точечного преобразователя магнитного поля в торцевой зоне СГ.

Постановка задачи. Разработать простую методику позволяющую учесть магнитное поле «выпучивания» из воздушного зазора при расчете ЭДС на выходе точечного преобразователя магнитного поля, устанавливаемого в торцевой зоне СГ.

Методика моделирования. Точное моделирование поля воздушного зазора является достаточно сложной задачей [9] по целому ряду причин, в частности, из-за неравномерности воздушного зазора в аксиальном направлении у торцов сердечника статора неявнополюсных СГ, а также его неравномерностью в тангенциальном направлении у явнополюсных СГ. Поэтому для его приближенной оценки предлагается воспользоваться моделью, прототип которой изложен в [10, 11]. Эта модель проста и дает неплохие результаты. Основная идея состоит в том, чтобы заменить поле «выпучивания» воздушного зазора полем проводника диаметром dδ = (0,1…0,2)δ с током Iδ в нем. Расчетная схема для моделирования приведена на рисунке, а. Величина тока Iδ в проводнике рассчитываются по уравнению Био–Савара–Лапласа с учетом

Eqn33.wmf

где Bδ – индукция магнитного поля воздушного зазора.

Для определения радиальной и аксиальной составляющей индукции By Bz от проводника с током можно воспользоваться любым метом расчета магнитного поля, но в рамках поставленной задачи наиболее эффективным является усовершенствованный метод зеркальных отражений, в котором предлагается ввести коррекцию токов [12].

pic_43.tif

а б

Расчетная схема и результаты расчета поля воздушного зазора в торцевой зоне СГ

Расчет поля проводника с током, расположенного между параллельными ферромагнитными поверхностями, учитывается бесконечным числом отражений [12]. По закону Био–Савара–Лапласа для i, j-гo отражения проводника с током Ix(i,j) вдоль осей y и x соответственно индукция магнитного поля в плоскости, перпендикулярной проводнику, определяется выражением:

Eqn34.wmf

Eqn35.wmf

Eqn36.wmf

Eqn37.wmf

где yi, zj – координаты i, j-гo отражения проводника; μ0 – относительная магнитная проницаемость; y, z – координаты точки, в которой определяются аксиальная – Bz(i,j) и радиальная – By(i,j) составляющие индукции магнитного поля отражений; lx – длина проводника, вдоль которого и разворачивается машина; Ky, Kz – коэффициенты коррекции; bx – расстояние от точки расчета индукции до центра проводника; dx – расстояние от точки расчета индукции до конца проводника.

Если принять, что магнитная проницаемость ферромагнитных элементов равна бесконечности, то величина тока для любого отражения

Ix(i,j) = Ix.

Если магнитная проницаемость не равна бесконечности, то величина тока для i, j-гo отражения равна

Eqn38.wmf

где µс – магнитная проницаемость ферромагнитных элементов.

При расчете Bz в областях 0 < y < hδ и hδ < y < H рис. 1 коэффициент коррекции определяется как

Eqn39.wmf и Eqn40.wmf

Если в системе координат ферромагнитные поверхности параллельны оси z, то для расчета составляющей индукции магнитного поля By в области 0 < z < Т коэффициент коррекции

Eqn41.wmf

В реальных условиях [9] магнитная проницаемость ферромагнитных стенок в электрических машинах имеет конечную величину и колеблется в пределах 40…1400. В этом случае при расчете Bz в областях 0 < y < hδ и hδ < y < H следует применять коэффициенты коррекции, рассчитанные следующими уравнениями:

Eqn42.wmf

и

Eqn43.wmf

где Eqn44.wmf, а p ≈ –0,00264.

Расчет составляющей индукции магнитного поля By в области 0 < z < Т соответственно осуществляется с коэффициентами коррекции

Eqn45.wmf

В результате радиальная и аксиальная составляющие магнитного поля от проводника с током Iδ в торцевой зоне определятся как

Eqn46.wmf

и

Eqn47.wmf

Проверка. Результаты моделирования магнитных полей «выпучивания» воздушного зазора приведены на рис. 1, б, где кривые 1 и 2 радиальная и аксиальная составляющие этого поля при y = hδ. Полученные результаты хорошо согласуются с результатами в [9, 10, 13, 14]. При расчетах в разных частях торцевой зоны расхождение с результатами расчетов, полученных численными методами расчета аксиальной составляющей вблизи торцевого щита, редко достигало уровня 15 %, что вполне удовлетворяет предъявляемых к методике расчета требованиям.

Выводы

Метод зеркальных отражений с коррекцией токов позволяет учесть влияние магнитного поля «выпучивания» на поле в заданной точке торцевой зоны генератора с погрешностью порядка 15 %. Использование при расчете поля простых аналитических выражений дает возможность производить учет влияния магнитного поля «выпучивания» на показания датчиков без дополнительных временных потерь на ПЭВМ.

Работа выполнена в рамках исполнения Госзадания «Наука» ГК № 7.2826.2011.

Рецензенты:

Лукутин Б.В., д.т.н., профессор кафедры ЭПП ЭНИН, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск;

Исаев Ю.Н., д.ф.-м.н., профессор кафедры ЭСиЭ ЭНИН, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск.

Работа поступила в редакцию 08.10.2013.


Библиографическая ссылка

Полищук В.И., Лиясова О.В., Оболтина А.В. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА НА МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ТОРЦЕВОЙ ЗОНЕ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-6. – С. 1234-1237;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32522 (дата обращения: 16.02.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252