Индукторные одноименно полюсные генераторы высокой частоты

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………………….3

1. Индукторные одноименнополюсные  генераторы высокой частоты. Основные  понятия…………………………………………………………………………………6

2. Развитие теории и создание  новых конструкций индукторных машин………..8

3. Индукторный электрический генератор с зубчатым ротором…………………..10

4. Влияние формы зубцов и наклепа  стали на максимум ЭДС высокочастотного  индукторного генератора……………………………………………………………..14

5. Определение потерь в стали  активной зоны высокочастотных  индукторных генераторов………………………………………………………………………………18

6. Математическая модель индукторного  генератора с комбинированным  возбуждением………………………………………………………………………………….22

   6.1 Расчет магнитного поля  активной зоны……………………………………….23

   6.2 Расчет падения  магнитного напряжения………………………………………25

   6.3 Расчет напряжений  и токов генератора………………………………………..26

Заключение…………………………………………………………………………….31

Приложение……………………………………………………………………………32

Список использованной литературы………………………………………………...38

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

   В первые два десятилетия после изобретения радио в 1895 году для целей радиосвязи применялись искровые и дуговые генераторы электромагнитных волн. Искровые передатчики имели малый КПД, сравнительно небольшой радиус действия, были подвержены влияниям помех. Несмотря на это, искровые радиостанции использовались на гражданских и морских судах, в сухопутных войсках. В военно-морском флоте радиосвязь была единственным средством беспроводной связи.

   Поиски учеными и инженерами более надежных средств связи привели к созданию дуговых генераторов незатухающих электромагнитных колебаний. До начала 20-х годов XIX века дуговые радиостанции широко использовались в разных странах. Дуговые генераторы (мощностью от единиц до тысячи киловатт) были первыми технически пригодными средствами получения незатухающих колебаний, но при этом не могли удовлетворять возрастающие потребности в беспроводной связи: работали неустойчиво, были капризны в настройке и обслуживании. Научные исследования и многочисленные эксперименты показали, что более перспективным средством получения незатухающих электромагнитных колебаний могут быть электрические генераторы высокой частоты. В 1910 году были построены машины повышенной частоты индукторного типа с раздельными полюсами для питания искровых радиопередатчиков мощностью в 200 Вт и 2 кВт, частотой 1 кГц.

   В настоящее время генераторы, вырабатывающие энергию переменного тока с частотой от ста до нескольких тысяч герц, нашли широкое применение в радиолокации, электротермии, самолетных установках и в деревообрабатывающей промышленности. Это техника, которую сегодня принято называть продуктом высоких технологий.

   Индукторные машины имеют ряд преимуществ по сравнению с аналогами:

1. ввиду отсутствия на роторе каких-либо обмоток обеспечивается его высокая надежность и скорость вращения, значительно превышающая номинальную (до 3000 об/мин.);
2. отсутствие скользящих электрических контактов существенно повышает ресурс и надежность по сравнению с электромашинами постоянного тока или асинхронными, имеющими явно выраженную обмотку на роторе;
3. высокие энергетические показатели: КПД>90%, cosϕ>0,95;
4. бесконтактный, плавный способ регулирования частоты вращения в широких пределах при постоянстве вращающего момента;
5. минимальные значения токов холостого хода и рабочих токов, что позволяет точно измерять нагрузку на привод и оптимизировать режим работы;
6. низкий перегрев генератора, что особенно важно при работе в нестационарных режимах с возможными перегрузками;
7. более высокий срок службы в связи с ростом ресурса изоляционных материалов, работающих при более низкой температуре;
8. увеличение ресурса электродвигателя и всего агрегата, в связи с появлением возможности оптимизировать по скорости и нагрузке его режимы работы;
9. минимальный объем технического обслуживания в период эксплуатации;
10. снижение габаритов.

   Объектом исследования является индукторные одноименнополюсные генераторы высокой частоты.

   Целью научно-исследовательской работы является исследование и обоснование применения индукторного одноименнополюсного генератора высокой частоты.

   Для реализации указанной цели, необходимо решить следующие основные задачи:

1. Обосновать возможность создания и эффективного использования индукторного одноименнополюсного генератора высокой частоты;
2. Разработать математическую модель индукторного генератора.

   Методы исследования -  теоретические исследования проведены с помощью, положений теории электромагнитного поля, линейных и нелинейных электрических цепей. При анализе электромагнитных процессов использовались численно-аналитические и численные методы решения нелинейных и кусочно-линейных дифференциальных уравнений.

   Структура и объем научно-исследовательской работы – работа состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и списка литературы. Содержит 39 страниц машинописного текста, 1 таблицу и 14 иллюстраций и список литературы из 5 наименований.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Индукторные одноименнополюсные генераторы высокой частоты.

Основные понятия

   В ряде установок (индукционный нагрев металлов, сварка специальных сплавов, гироскопические и радиолокационные установки и др.) применяется одно- или трехфазный ток повышенной частоты (400 – 30000 Гц). Синхронные генераторы нормальной конструкции для этого случая не подходят, так как увеличение скорости вращения у них ограничено условиями механической прочности, а увеличение числа полюсов 2р ограничено минимально возможной величиной полюсного деления по условиям размещения обмоток. Поэтому в этих случаях применяются генераторы особой конструкции, которые называются индукторными и основаны на действии зубцовых пульсаций магнитного потока. Роторы всех видов индукторных генераторов имеют вид зубчатых колец и не имеют обмоток, что повышает надёжность их работы, а обмотки возбуждения постоянного тока и якорные обмотки переменного тока располагаются на статоре. В некоторых случаях вместо обмоток возбуждения применяются постоянные магниты. В последнее время начинают находить применение также индукторные двигатели, развивающие при питании током повышенной частоты умеренные скорости вращения. Их устройство аналогично устройству индукторных генераторов.

   Генератор, изображенный на рис. 1 – а (с. 32), имеет по два пакета статора и ротора и кольцевидную обмотку возбуждения. Он называется одноименно-полюсным, так как магнитная полярность каждого пакета вдоль всей окружности неизменна. Генератор, показанный на рис. 1 – б (с. 32), является однопакетным и называется разноименнополюсным. В больших пазах его статора расположена обмотка возбуждения, а в малых пазах – обмотка переменного тока.

   Кривая индукции магнитного поля вдоль окружности ротора для генераторов, показанных на рис. 1 (с. 32), изображена на рис. 2 (с. 32). Можно представить себе, что пульсирующая волна этого поля движется вместе с ротором, а постоянная составляющая магнитного поля неподвижна относительно статора и ЭДС в катушке с любым шагом от этого поля равна нулю. Поэтому эта часть потока не производит полезной работы и вызывает ухудшение использования материалов машины. Зубцам ротора придают такую форму, чтобы кривая приближалась к синусоиде. Шаги катушек этой обмотки должны быть такими, чтобы одна сторона катушки находилась против зубца, а другая – против паза ротора, так как в этом случае ЭДС переменного тока проводников катушки будут арифметически складываться. Потокосцепления обмоток возбуждения генераторов при вращении ротора остаются постоянными, и поэтому в этих обмотках переменная ЭДС не индуктируется, что является положительным фактором.

   При f = 3000 Гц целесообразно применять конструкцию статора, предложенную Гюи. В этой конструкции большие зубцы статора, охватываемые обмотками, имеют гребенчатую форму и зубцы соседних полюсов статора сдвинуты относительно зубцов ротора на половину зубцового деления. Благодаря этому потоки различных половинок полюсов различны и при смещении ротора на половину зубцового деления поток, сцепляющийся с катушкой обмотки якоря 2, изменяется и в этой обмотке индуктируется ЭДС. В то же время потокосцепление с обмоткой возбуждения 1 не изменяется.

   Применяются и другие разновидности индукторных машин. В трехфазных машинах вместо двух больших зубцов на протяжении двойного полюсного деления выполняется шесть больших зубцов, и малые зубцы соседних больших зубцов статора сдвинуты относительно зубцов ротора не на половину, а на одну шестую часть малого зубцового деления. Благодаря этому потоки соседних больших зубцов статора изменяются со сдвигом по фаза не на 180°, а на 60°, что используется для получения в фазах А, В, С обмотки якоря ЭДС, сдвинутых на 120°. Вследствие повышенной частоты обмотка якоря индукторной машины имеет повышенные синхронные сопротивления. Поэтому для улучшения характеристик этой машины последовательно с обмоткой якоря во многих случаях включаются конденсаторы.

 

 

 

 

 

 

 

2. Развитие теории и создание новых конструкций индукторных машин

   В 1960 году были начаты исследования и разработки в области электрических синхронных машин индукторного типа, которые не потеряли своей актуальности и в настоящее время. Тематика исследований постоянно развивалась и находилась в тесной связи с заказами промышленных и научно-исследовательских предприятий.

   Первый цикл работ был связан с созданием электромашинных генераторов с высокой частотой 16÷30 кГц при относительно небольшой скорости вращения – 3000 мин^-1. В таких генераторах нуждались электротермические установки, установки для ультразвуковой очистки металлических поверхностей, блоки питания для специальных вычислительных устройств.

   По заказам разных предприятий разработаны, изготовлены и запущены в эксплуатацию генераторы с номинальной мощностью от 3 до 20 кВт. Наиболее интересные научные результаты были связаны с исследованиями потерь в стали при частоте перемагничивания 10÷40 кГц.

   Так, было выявлено, что при толщине листа стали 0,1…0,15 мм наибольшую долю потерь составляют не вихревые и классические гистерезисные потери, а потери, связанные с эффектом вязкости при быстром перемагничивании. В результате суммарные потери увеличиваются в 3 – 4 раза по сравнению с расчётными.

   Вторым фактором, влияющим на удельные потери, оказалась величина постоянной составляющей магнитной индукции. Проведённые эксперименты позволили количественно установить это влияние.

   Третьим существенным фактором, увеличивающим потери в зубцах, оказался наклёп пограничного слоя, возникающий в результате штамповки. Специально проведённое физическое моделирование показало степень этого увеличения в зависимости от ширины зубца.

   Из технических результатов, как наиболее интересные, можно отметить создание эффективной установки и методики экспериментального определения удельных потерь в стали при различных видах перемагничивания, а также технические решения по конструкции подшипниковых узлов генераторов, позволяющие осуществлять точную центровку ротора в расточке статора, минимизировать воздушный зазор и в результате увеличить мощность в 2 раза.

   В 1970 году были начаты работы по математическому моделированию электромагнитных процессов в индукторных генераторах средней частоты (300÷400 Гц). Заказчиком выступал Московский электромеханический завод им. Владимира Ильича (ЗВИ), который осваивал производство  таких генераторов. Проектировщики испытывали потребность в расчётном обеспечении, которое позволяло бы на стадии проектирования отвечать на широкий круг вопросов. В частности, специалистам важно было на этапе проектирования иметь возможность рассчитывать гармонический состав выходного напряжения генераторов при различных видах нагрузки, в том числе выпрямительной, отклонения фазных напряжений при несимметричной нагрузке, мгновенные значения токов и напряжений в переходных режимах.

   Работы по созданию универсальной расчётной методики продолжались около 7 лет. Новая методика базировалась на совместном решении системы нелинейных алгебраических уравнений, отражающих состояние магнитной цепи машины, и системы дифференциальных уравнений для электрических цепей обмоток. При этом вебер-амперные характеристики ветвей магнитной цепи предварительно рассчитывались на полевом уровне с применением метода конечных элементов.

   Новый подход к расчёту электромагнитных процессов в индукторных машинах оказался очень эффективным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Индукторный электрический генератор с зубчатым ротором

       Учитывая всемирную тенденцию к подорожанию энергетических ресурсов, необходимо создавать такие приборы, устройства, машины, в которых потери электроэнергии были бы минимальными.

       Известно, что основная доля производства электроэнергии приходится на синхронные генераторы, недостатками которых являются: отсутствие возможности изменения их номинальных параметров (напряжения, тока, его частоты), большая (до 3000 мин^-1) номинальная частота вращения ротора, значительная металлоёмкость машин малой мощности (менее 10 кВт), потери энергии в контактных кольцах, создание теле- и  радиопомех вследствие искрения между контактными кольцами и щётками. Значительно реже для указанной цели используются индукторные генераторы, в которых рабочая обмотка (РО) и обмотка возбуждения (ОВ) находятся на статоре, а создаваемый при вращении ротора магнитный поток, проходящий через РО, изменяется во времени вследствие периодического изменения магнитного сопротивления на его пути. Недостатки таких машин – отсутствие возможности регулирования их параметров (номинальной частоты вращения, номинальной мощности, напряжения, тока), а также высокая металлоёмкость ротора.