Влияние неравномерности воздушного зазора на ЭДС синхронного генератора переменного тока

При изучении данной темы затронут как экологический, так и экономический аспекты развития ветроэнергетики области, которые выявили, что применение ветроустановок по всем параметрам выгодно.

Исследованиями доказано, что установка и применение ветроустановок в Костанайской области приемлемы. К тому же они необходимы области из-за недостатка энергии и постоянного повышения стоимости электроэнергии.

Список литературы

1. Отчет: Концепция использования возобновляемых источников энергии в системах теплоснабжения ЖКХ на пилотных территориях. ПРОЕКТ ПРООН/ГЭФ «Устранение барьеров для повышения энергоэффективности коммунального теплоснабжения» [Текст]. - Астана, 2007.

2. Данилов Н.И. Возобновляемая энергетика - альтернативная в электрификации удаленных районов [Текст] / Н.И. Данилов, С.Е. Щеклеин, В.В. Велкин, А.Н. Шестак, А.П. Малетин // Эффективная энергетика. - Екатеринбург: УГТУ, 2001.

3. Щеклеин С.Е. Роль нетрадиционных и возобновляемых источников энергии при реформировании электроэнергетического комплекса Свердловской области [Текст] / С.Е. Щеклеин // Энергетика региона. - 2001. - № 2.

References

1. Otchet: Koncepcija ispol'zovanija vozobnovljae-myh istochnikov jenergii v sistemah teplosnabzhenija ZhKH na pilotnyh territorijah. PROEKT PROON/GJeF «Ustranenie bar'erov dlja povyshenija jenergojeffektivno-kommunal'nogo teplosnabzhenija». - Astana, 2007.

2. Danilov N.I. Vozobnovljaemaja jenergetika -al'ternativnaja v jelektrifikacii udalennyh rajonov [Tekst] / N.I. Danilov, S.E. Shheklein, V.V. Velkin, A.N. Shestak, A.P. Maletin // Jeffektivnaja jenergetika. - Ekaterinburg: UGTU, 2001.

3. Shheklein S.E. Rol' netradicionnyh i vozobnovljaemyh istochnikov jenergii pri reformirovanii jelektrojenergeticheskogo kompleksa Sverdlovskoj oblasti. [Tekst] / S.E. Shheklein / Jenergetika regiona. -2001. - № 2.

Исмагилов Ф.Р. Ismagilov F.R.

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электромеханика» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа

Хайруллин И.Х.

КИаугиШп I..КИ.

доктор технических наук, профессор кафедры «Электромеханика» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа

Вавилов В.Е. Vavilov У.Е.

ассистент кафедры «Электромеханика» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа

УДК 621.313

ВЛИЯНИЕ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА НА ЭДС СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Статья посвящена исследованию влияния различных причин неравномерностей воздушного зазора (статических и динамических эксцентриситетов, колебаний ротора) на параметры синхронных генераторов с высококоэрцитивными постоянными магнитами (СГ с ВПМ) на ЭДС холостого хода. Разработан математический аппарат, позволяющий осуществить данные исследования. Представлены результаты численного анализа СГ с ВПМ марки NdFeB с параметрами: частота вращения ротора 1500 об/мин, активная длина 180 мм, диаметр ротора 60 мм, воздушный зазор 1,5 мм. На основе результатов расчетов доказано, что различные дефекты СГ с ВПМ явно отражаются на кривой максимальной амплитуды

ЭДС, а следовательно полученные зависимости при определенной технической реализации могут быть использованы в качестве диагностического критерия.

Произведен анализ влияния неоднородностей активных материалов статора и ротора на ЭДС холостого хода путем компьютерного моделирования в программном комплексе ANSYS и представлен метод определения данных нелинейностей. В результате анализа влияния неоднородностей активных материалов статора и ротора на ЭДС холостого хода установлено, что при изменении магнитной проницаемости участка статора от номинального значения магнитной проницаемости стали 2013 до значения магнитной проницаемости ваккума магнитная индукция на данном участке снижается на 13%. А следовательно, максимальная амплитуда ЭДС катушки снизится также на 13%, и на кривой амплитуды ЭДС будет наблюдаться провал. Появление данного провала будет неизменным во времени, так же как при статическом эксцентриситете. Аналогичный провал будет наблюдаться и при неоднородности материалов ротора, но в данном случае появление провалов в кривой максимальной амплитуды ЭДС периодическое и является функцией частоты вращения ротора и времени, то есть подобно кривой максимальной амплитуды ЭДС при динамическом эксцентриситете.

Полученные результаты могут быть использованы на практике как при проектировании синхронных генераторов переменного тока, так и при оценке их технического состояния.

Ключевые слова: бесконтактные магнитоэлектрические генераторы, высококоэрцитивные постоянные магниты, неравномерность воздушного зазора, статический и динамический эксцентриситет.

EFFECT OF NON-UNIFORM AIR ON EMF SYNCHRONOUS AC GENERATOR

The article investigates the effect of different causes irregularities in the air gap (static and dynamic eccentricity, the rotor vibration) on the parameters of synchronous generators with a high-coercivity permanent magnets (SG from HCPM) on EMF idling. A mathematical tool which allows the data of the study. The results of numerical analysis of the SG with HCPM brand NdFeB with parameters: rotor speed of 1500 rev / min, the active length of 180 mm rotor diameter of 60 mm, 1.5 mm air gap. Based on the results of calculations proved that with various defects SG HCPM clearly reflected in the maximum amplitude of the EMF curve, and thus obtained according to, in particular the technical implementation may be used as a diagnostic criterion.

The analysis of the influence of inhomogeneities of the active materials in the stator and rotor EMF idling by computer simulation in ANSYS software package and provides a method for determining the data of non-linearities.

As a result of analysis of the influence of active material inhomogeneities stator and rotor EMF idling found that when the magnetic permeability of the stator portion of the nominal values of the magnetic permeability were 2013 to permeabilities vakkuma magnetic induction in this area is reduced by 13%. And therefore the maximum amplitude of the EMF spool drop by as 13% and the amplitude of the EMF curve will be observed failure. The emergence of this failure will be unchanged over time, as well as the static eccentricity. A similar failure will occur and heterogeneity of materials of the rotor , but in this case the appearance of gaps in the curve of the maximum amplitude of the periodic EMF and is a function of rotor speed and time, that is, like the curve of the maximum amplitude of the EMF in the dynamic eccentricity.

The obtained results may be used in practice as in the design of synchronous alternators, and in the assessment of their technical condition.

Key words: non-contact magneto-electric generators, high-coercivity permanent magnets, uneven air gap, the static and dynamic eccentricity.

Проектирование синхронных генераторов переменного тока (СГ), в том числе и СГ с высококоэрцитивными постоянными магнитами (ВПМ), на современном этапе их развития требует постановки и решения сложных задач, позволяющих повысить точность методики их расчетов. К числу таких задач относится исследование дополнительных явлений, сопровождающих процессы преобразования энергии и влияющих на них, в частности, к подобным

явлениям относится несимметрия магнитного поля в воздушном зазоре СГ, вызванная статическими и динамическими эксцентриситетами, колебаниями ротора, неоднородностями материалов активных частей и влиянием тепловых процессов на появление данных неоднородностей [1-3]. Таким образом, основной задачей данной работы является анализ влияния указанных выше причин несимметрии магнитного поля в воздушном зазоре СГ на его ЭДС.

Объектом исследования в работе является четы- равномерности воздушного зазора, рисунок 1; рехполюсный трехфазный СГ с ВПМ. При этом при- - СГ эксплуатируется в режиме холостого хода; нимается что: - колебания ротора носят гармонический харак-

- начало проводника первой катушки фазы рас- тер. полагается под углом 0 градусов относительно не-

Рис. 1. Расчетная СГ с ВПМ

Воздушный зазор под первым пазом фазы описывается выражением:

4,=*,-*,

где - воздушный зазор под первым пазом фазы; ён - номинальный воздушный зазор; х - суммарная неравномерность воздушного зазора.

Под всеми последующими пазами фазы воздушный зазор описывается выражением [4]:

^=3,-*со8[

где п - номер паза фазы, нумерация пазов, для упрощения введется внутри фазы; в - относительный шаг катушки.

Основными причинами неравномерности воздушного зазора СГ с ВПМ являются виброперемещения ротора, статический и динамический эксцентриситет. Тогда:

х = х + х. + х,,

s d к 4 '

где - статический эксцентриситет; хй - динамический эксцентриситет; хк - виброперемещения ротора.

Неравномерность воздушного зазора, вызванная динамическим эксцентриситетом, является функцией частоты вращения ротора:

ха = х^т

где х& - величина динамического эксцентриситета при неподвижном роторе.

Виброперемещения ротора зависят от частоты его колебаний и их амплитуды:

х =

А^ояШ/),

где Ак - амплитуда колебаний ротора; ш1 - частота колебаний ротора.

Максимальная амплитуда ЭДС проводника, расположенного в пазу, определяется известным выражением [5]:

Е = 2В5 /к,

где I - активная длина; В3 - магнитная индукция в воздушном зазоре; f - частота тока; т - полюсное деление СГ с ВПМ.

Индукция при холостом ходе определяется [6]:

В*=Т

В.

1+-

2ц0/гмст 0Н,

с )

где Вг - остаточная магнитная индукция ВПМ; к3 - коэффициент, учитывающий зубчатость статора; ц0 - магнитная проницаемость вакуума; hM - толщина ВПМ; &0 - коэффициент, учитывающий рассеивание магнита; Нс - коэрцитивная сила; - рабочий зазор СГ с ВПМ.

При неравномерностях воздушного зазора магнитная индукция, создающая ЭДС в каждом пазу фазы, принимается в виде:

B& n =т

В.

1 +

Из выражения (8) очевидно, что ввиду неравно-мерностей воздушного зазора магнитная индукция под каждой обмоткой катушки фазы различна, а следовательно, различна наводимая ей ЭДС.

Тогда результирующая максимальная амплитуда ЭДС катушки фазы, ввиду неравенства ЭДС обмоток в пазу, определяется не по теореме Пифагора,

как в традиционных методиках [7], а по теореме косинусов, рисунок 2а.

Ев = ы^Е^ + Е*В +ЕЛ

'и+£и£аС08Ря,

где Ев - результирующая амплитуда ЭДС катушки; Е , Е2в - ЭДС обмоток катушки, рисунок 2б; ^ - число витков катушки.

а. б.

Рис. 2. К определению результирующей ЭДС катушки Результирующая амплитуда ЭДС катушки фазы СГ с ВПМ:

\2

Ek = w

+

_2Brflx_

(l + ъ - <Л + sin(a)0 + Ак cos (ay)) cos [(и1т -1) яр]}) о0

2 Brflx

\2

+

(l + b[SH - (x, + xds sin(coi) + Ak cos(<10,0) cos[(и2т -1) яр]}) o0

2Brflx

+

+ ~(xs +Xds sin((Bi) + 4t cos(<fl,0)cos[(w,m -1)яр]})о,

_2Brflx_

(l+Z>{<5„ ~{xs + хл sin(cot) + Ah cos(m10)cos[(«2m -1)яр]})о0

cospjr,

где k - порядковый номер катушки фазы, нумерация катушек введется внутри фазы; где п п2т - соответственно номер первого и второго паза входящего в катушку.

Результирующая амплитуда ЭДС фазы определяется как поочередная геометрическая сумма амплитуд ЭДС катушек фазы по теореме косинусов.

Для анализа полученного выражения были произведены расчеты СГ с ВПМ со следующими параметрами: частота вращения ротора 1500 об/мин, активная длина 180 мм, диаметр ротора 60 мм, воз-

душный зазор 1,5 мм. При всех расчетах суммарная неравномерность воздушного зазора принималась равной 0,75 мм. Результаты расчетов для различных причин несимметрии магнитной индукции представлены на рисунке 3.

Анализ зависимости (рис. 3) показал, что при наличии статического эксцентриситета кривая максимальной амплитуды ЭДС не меняет своей формы относительно исправного состояния и увеличивается для рассматриваемых численных значений на 0,1 В. При динамическом эксцентриситете кривая макси-

о п

ш

3135

1

32.25

-•••«Л

т 11 11 % VI Г1 ^ ] / Ь^Л 1 ич / 1%-М 1 7 N 1 \ /Л ' V •£ Щ

V У\Г чМ

11 Г4 а / 1 1 *. Т 1 Г-7 Ч\ к \ / V \ / V«/ Г » / .. м 1 Г

ш

время с

-Статический эксцентриситет

-Динамический эксцентриситет

---Колебании ротора

-Статический и динамический эксцентриситет

• •   Статический эксцентриситет и колебания ™ ™ а Динамический эксцентриситет и колебания   Динамически"! статический эксцентриситеты я колебания Исправное состоящее

Рис. 3. Влияние различных причин неравномерностей воздушного зазора на максимальную амплитуду

мальной амплитуды ЭДС имеет форму синусоиды, амплитуда которой колеблется от 32.37 до 32.25 В. При колебаниях ротора форма кривой максимальной амплитуды ЭДС также является синусоидальной, период синусоиды равен периоду колебаний ротора, а амплитуда колеблется от 32.37 до 32.25 В. При одновременном статическом и динамическом эксцентриситете форма кривой максимальной амплитуды ЭДС сохраняет синусоидальность, при этом по сравнению с динамическим эксцентриситетом амплитуда уменьшается в два раза. При статическом эксцентриситете и колебаниях кривая максимальной амплитуды ЭДС повторяет форму кривой при колебаниях с сохранением периода колебаний и уменьшением амплитуды колебаний в 2 раза. При динамическом эксцентриситете и колебаниях, а также при динамическом, статическом эксцентриситетах и колебаниях формы кривой максимальной амплитуды представляют собой сложные синусоиды, которые для обоих случаев одинаковы по форме и периоду, но различаются по амплитуде.

Таким образом, очевидно, что различные дефекты СГ с ВПМ явно отражаются на кривой максимальной амплитуды ЭДС, а следовательно полученные зависимости, при определенной технической реализации могут быть использованы в качестве диагностического критерия.

Как было сказано ранее причиной несимметрии магнитного поля в воздушном зазоре являются не только рассмотренные выше дефекты, но и разного рода неоднородности материалов активных частей,

вызванные как несовершенством технологии их производства, так и нарушением их характеристик при механических или тепловых воздействях в процессе сборки СГ, например, при сварке листов пакета статора.

Метода определения данных неоднородностей в СГ, кроме контроля параметров материалов до сборки СГ, практически не существует, и здесь предлагается один из возможных способов определения данных неоднородностей путем анализа кривой максимальной амплитуды ЭДС.

Для этого необходимо установить зависимость между нелинейностью характеристик материала и величиной магнитной индукции в воздушном зазоре. Решение данной задачи осуществлялось посредством программного комплекса ANSYS, при этом была разработана трехмерная конечноэлементная модель СГ с ВПМ. Отдельные участки статора выполнялись из стали 2013 с различной магнитной проницаемостью, для учета нелинейности материала статора. В результате моделирования были получены зависимости магнитной индукции в средней линии воздушного зазора для СГ с нелинейностью материала статора и без нее, рисунок 4.

Анализ результатов компьютерного моделирования показал, что при изменении магнитной проницаемости участка статора от номинального значения магнитной проницаемости стали 2013 до значения магнитной проницаемости ваккума магнитная индукция на данном участке снижается на 13%. А следовательно, максимальная амплитуда ЭДС катушки

координата полюса, м

Рис. 4. Изменение магнитной индукции в средней линии воздушного зазора СГ

снизится также на 13% и на кривой амплитуды ЭДС будет наблюдаться провал. Появление данного провала будет неизменным во времени, так же как при статическом эксцентриситете.

Аналогичный провал будет наблюдаться и при неоднородности материалов ротора, но в данном случае появление провалов в кривой максимальной амплитуды ЭДС периодическое и является функцией частоты вращения ротора и времени, то есть подобно кривой максимальной амплитуды ЭДС при динамическом эксцентриситете.

Таким образом, анализ кривой максимальной амплитуды ЭДС катушки позволяет выявить неоднородности в материалах ротора и статора СГ с ВПМ.

Важно отметить, что представленные результаты будут справедливы только для рассматриваемой схемы соединения и укладки обмоток СГ и при изменении схемы соединения и укладки обмоток СГ по пазам необходимо произвести корректировку угла между ЭДС при сложении по теореме косинусов. Сама же методика определения максимальной амплитуды ЭДС в зависимости от неравномерно-стей воздушного зазора, представленная в работе, является общей для всех СГ с любыми схемами соединения и укладки обмоток.

Полученные результаты могут быть использо-ванны на практике как при проектировании синхронных генераторов переменного тока, так и при оценке их технического состояния.

Список литературы

1. Герасим А.А. Особенности применения гибридных магнитных подшипников в быстроходных магнитоэлектрических машинах [Текст] / А.А. Гера-син, Ф.Р. Исмагилов, И.Х. Хайруллин, В.Е. Вавилов // Современные проблемы науки и образования. -2012. - N° 5; [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.science-education.ru/105-6935.

2. Исмагилов Ф.Р. Определение влияния статического эксцентриситета на устойчивость гибридного магнитного подшипника [Текст] / Ф.Р. Исмагилов, И.Х. Хайруллин, В.Е. Вавилов // Вестник УГАТУ. - 2012. - Т. 16 - С. 147-150.

3. Исмагилов Ф.Р. Математическая модель переходных тепловых процессов в бесконтактной магнитоэлектрической машине [Текст] / Ф.Р. Исмагилов, И.Х. Хайруллин, В.Е. Вавилов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2013. - № 3.- Т. 9.- С. 8-14.

4. Геллер Б. Высшие гармоники в асинхронных машинах [Текст] / Б. Геллер, В. Гамата; пер. с англ. З.Г. Каганова. - М.: Энергия, 1981. - 351 с.

5. Вольдек А.И. Электрические машины: учебник для электротехнических специальностей вузов [Текст] / А.И. Вольдек. - 3-е изд., перераб. - Л.: Энергия, 1978. - 832 с.

6. Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока: учеб. пособие для студентов вузов [Текст] / В.А. Балагуров. - М.: Высш. школа, 1982. - 272 с.

7. Копылов И.П. Электрические машины: учебник для электромеханических и электроэнергетических специальностей вузов [Текст] / И.П. Копылов. - Москва: Энергоатомиздат, 1986. - 360 с.

References

1. Gerasin A.A. Osobennosti primenenija gibridnyh magnitnyh podshipnikov v bystrohodnyh magnitojelektricheskih mashinah [Tekst] / A.A. Gerasin, F.R. Ismagilov, I.H. Hajrullin, V.E. Vavilov // Sovremennye problemy nauki i obrazovanija. - 2012. -№ 5. - URL: http://www.science-education.ru/105-6935.

2. Ismagilov F.R. Opredelenie vlijanija staticheskogo jekscentrisiteta na ustojchivost' gibridnogo magnitnogo podshipnika [Tekst] / F.R. Ismagilov, I.H. Hajrullin, V.E. Vavilov // Vestnik UGATU. - 2012. -T. 16 - S. 147-150.

3. Ismagilov F.R. Matematicheskaja model' perehodnyh teplovyh processov v beskontaktnoj magnitojelektricheskoj mashine [Tekst] / F.R. Ismagilov, I.H. Hajrullin, V.E. Vavilov // Jelektrotehnicheskie i informacionnye kompleksy i sistemy. - 2013.- № 3.- t. 9.- S. 8-14.

4. Geller B. Vysshie garmoniki v asinhronnyh mashinah [Tekst] / B. Geller, V. Gamata; per. s angl. Z. G. Kaganova. - M.: Jenergija, 1981. - 351 s.

5. Vol'dek A.I. Jelektricheskie mashiny: uchebnik dlja jelektrotehnicheskih special'nostej vuzov [Tekst] /

A.I. Vol'dek . - 3-e izd., pererab. - L.: Jenergija, 1978. -832 s.

6. Balagurov VA. Proektirovanie special'nyh jelektricheskih mashin peremennogo toka: ucheb. posobie dlja studentov vuzov [Tekst] / V.A. Balagurov. - M.: Vyssh. shkola, 1982. - 272 s.

7. Kopylov I.P. Jelektricheskie mashiny: uchebnik dlja jelektromehanicheskih i jelektrojenergeticheskih special'nostej vuzov [Tekst] / I.P. Kopylov. - Moskva: Jenergoatomizdat, 1986. - 360 s.

Возмилов А.Г. Vozmilov A.G.

доктор технических наук, профессор кафедры «Энергообеспечение сельского хозяйства» ФГБОУ ВПО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья», Россия, г. Тюмень

Андреев Л.Н. Andreev L.N.

кандидат технических наук, доцент кафедры «Энергообеспечение сельского хозяйства» ФГБОУ ВПО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья», Россия, г. Тюмень

Дмитриев А.А. Dmitriev A.A.

аспирант кафедры «Энергообеспечение сельского хозяйства» ФГБОУ ВПО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья», Россия, г. Тюмень

Жеребцов Б.В. Jerebtsov B. V.

преподаватель кафедры «Энергообеспечение сельского хозяйства» ФГБОУ ВПО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья», Россия, г. Тюмень

УДК 621.356.48:622.794.7

РАЗРАБОТКА ПОЛНОЙ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ОТ ПЫЛИ, МИКРООРГАНИЗМОВ И ВРЕДНЫХ ГАЗОВ С ПОМОЩЬЮ ДВУХСТУПЕНЧАТОГО МОКРОГО ЭЛЕКТРОФИЛЬТРА

В статье описаны проблемы, связанные с интенсификацией ведения животноводства на промышленной основе, в частности - ухудшение качества микроклимата в помещениях. Эти факторы являются предпосылкой для повышения эффективности существующего мокрого однозонного электрофильтра. Данная статья описывает требования к системам очистки рециркуляционного воздуха. В публикации рассмотрен общий случай конструкции двухступенчатого мокрого электрофильтра, состоящего из двух последовательно соединенных мокрых однозонных электрофильтров (когда активные длины и скорости воздушного потока на первой и второй ступенях электрофильтра различны), а также частный случай (когда они одинаковы). Для обоих случаев разработаны методики расчета комплексной эффективности очистки воздуха от пыли, микроорганизмов, >го и j-го вредно действующих газов. Эффективность очистки воздуха от пыли в каждой из ступеней рассчитывается по известной формуле Дейча, от микроорганизмов - на основании графической зависимости количества колониеобразующих частиц от концентрации аэрозольных частиц. Эффективность очистки воздуха от вредных газов определяется с учетом окисления данных компонентов озоном, образующимся в результате коронного разряда, и по-