Оптимизация бесконтактного эму повышенной частоты Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 212 1971

ОПТИМИЗАЦИЯ БЕСКОНТАКТНОГО ЭМУ ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ

М. Л. Костырев, А. И. Скороспешкин

(Представлена научным семинаром кафедр электрических машин и

общей электротехники)

Для внедрения автоматизированных систем на повышенной частоте 100—400 гц необходимы регулируемые источники, в качестве которых может использоваться бесконтактный электромашинный усилитель — (БЭМУ) [1]. Усилитель состоит из синхронного генератора и асинхронного преобразователя частоты, совмещенных в одном магнитопроводе и вращаемых приводным двигателем. Для получения жестких внешних характеристик и высоких динамических свойств в усилителе применено фазовое компаундирование [2].

В результате исследований, выполненных на кафедре электрических машин ТПИ, разработана теория работы БЭМУ и методика его проектирования [2, 3, 7]. В настоящей статье поставлена задача оптимизации БЭМУ.

Как известно, задача нахождения оптимума относится к разделу прикладной математики — математическому (или оптимальному) планированию и заключается в определении значений независимых переменных, при которых критерий оптимальности имеет минимально (или максимально) возможную величину при условии, что переменные принимают лишь положительные значения и выполняются условия ограничения.

Если число независимых переменных не превышает 3—4, то поиск оптимума можно осуществить обходом в определенном порядке узлов многомерной сетки в пространстве независимых переменных. При большем числе переменных применяют метод случайных проб, градиентные и другие методы [4, 5].

Из известных критериев оптимальности применительно к БЭМУ наиболее целесообразны:

1. Минимум затрат на изготовление и эксплуатацию (минимум стоимости) .

2. Минимум габаритов и веса.

Второй критерий более важен, если БЭМУ предназначен для работы на передвижных установках.

С учетом особенностей БЭМУ как элемента автоматизированной системы рекомендуются следующие условия ограничения:

1. Температура перегрева обмотки статора и ротора не должна превышать допустимую

Осив < вдоп. < 0ДОП.

2. Коэффициент усиления по мощности должен быть не менее заданного Ку^КуДОП-

3. Быстродействие усилителя должно быть не хуже заданного

Т^Тдоп-

4. Суммарное реактивное сопротивление рассеяния обмоток БЭМУ должно быть не более допустимого из условий динамической перегрузочной способности [2, 3, 7].

2 ^ ^ х?д0п.

5. Индукции на стальных участках магнитопровода не должны превышать заданные из условий форсировки напряжения на выходе

Ва1-(-Ва2^Ва доп.

В21+В23^В2 доп.

6. Технологические условия. Например, ширина зубцов и высота ярма не должны быть меньше допустимых. С учетом конкретных условий производства и эксплуатации могут быть введены дополнительные ограничения (например, ограничение по маховому моменту при работе от дизеля).

Проведенные ранее исследования особенности проектирования БЭМУ совмещенного типа [3], а также использование известного опыта по проектированию асинхронных двигателей на ЦВМ [6] позволили разработать методику расчета — поиска оптимальных вариантов БЭМУ. Методика рекомендуется для машин закрытого обдуваемого исполнения мощностью 0,5—5 /сет, частотой 100—400 гц.

Согласно методике [7], в качестве независимых переменных приняты: суммарные электромагнитные нагрузки А, В, б, коэффициент распределения индукций между каскадами Св, плотности токов в обмотках статора и ротора Дэ, Ли, диаметр расточки статора О и высоты пазов статора и ротора Ьпэ, Япи.

Предварительно по заданной частоте и скорости вращения ротора выбираются с учетом совмещения числа пар полюсов каскадов, число фаз ротора, схемы обмоток, их шаги и обмоточные коэффициенты- а также числа и форма пазов статора и ротора, воздушный зазор. Внешний диаметр статора выбирается из условий унификации или из ряда нормализованных диаметров, а диаметр вала под пакетом ротора из условий механической прочности.

Основные параметры усилителя рассчитываются на основании формул, предложенных в [3]. Потери и перегрев обмоток рассчитываются по известной методике [8]. При расчете стоимости БЭМУ капитальные затраты К приводятся к эксплуатационным С{ по известной формуле

С = С1+ЕИК,

где

Ец = 0,15—0,2 — коэффициент экономической эффективности.

Расходы на транспортировку, монтаж и обслуживание при расчетах не учитываются, так как они относительно невелики и почти не зависят от использования материалов, т. е. не влияют на положение оптимума.

По разработанной методике на ЦВМ «М-20» были рассчитаны оптимизированные варианты БЭМУ. Машинное время расчета одного варианта составило около 2 сек.

Оптимум определялся методом Гаусса—Зайделя [5]. В качестве критерия использовался как минимум веса, так и минимум стоимости. При оптимизации по стоимости вводились ограничения по температуре, относительному рассеянию и максимальным индукциям на стальных участках магнитопровода.

Результаты расчетов (без приводного двигателя) при оптимизации по стоимости приведены в табл. 1. Для расчетов были взяты следующие исходные данные: п = 3000 об/минсоз<рп = 0Д 0И = 208 мм, 6 = 0,4 мм, с1в = 0,48 мм.

Таблица 1

1 ! 1 1 2 | 3 4

Мощность Рвы X ква 3 3 3 3

Частота и Щ 200 зоо 400 400

Число полюсов 2р, — 2 2 2 4

2р2 — 6 10 14 12

Число пазов — 36 30 42 36

2П — 24 20 28 24

Коэффициент Св — 0,47 0,57 0,54 0,45

Индукция Вб ТА 0,5 0,55 0,5 0,44

Линейная нагрузка А а/см 197 шз 200 165

Диаметр расточки и мм 140 145 150 150

Длина пакета 1 мм 144 144 139 224

Высота паза Ьпз мм 16 17 16 18

Ьпи мм 27 28 26 26

Плотность тока л* а/мм2 4,1 3,8 4,45 3,3

Ак а/мм 3,96 3,7 4 3,3

Ширина зубца Ь2в мм 3,7 5 3,9 4,8

Ь2К мм 5,3 7,4 5,2 6

Вес меди Оси кг 10,7 10,1 8,2 11,7,

Вес БЭМУ й кг 66 66 65 100

К.п.д. ц — 0,86 0,84 0,84 0,82

Перегрев обмотки 6с. и II °С 67 67 67 59

Рассеяние обмоток Хо — 0,49 0,49 0,5 0,5

Оптовая цена К] руб. 101 100 92 130

Сталь Э42, 0,35 мм, обмоточный провод ПЭВ-2, изоляция класса Е.

При расчете стоимости принималось, что время работы БЭМУ под нагрузкой в течение срока службы 5—7 лет при коэффициенте загрузки по мощности Кн = 0,7 1;—10000 час.

Расчеты на оптимум показали, что для указанных мощностей, частот и исполнения оптимальные нагрузки БЭМУ лежат в пределах В6 = 0,4— 0.С тл, А = 150—200 а/см, Л = 3—5 а/мм'2. Оптимальные значения

Св = 0,35—0,55, отношение диаметра к длине-^-=0,6—1,1. Параметры

п П Рз

Св-^ увеличиваются с ростом отношения полюсов——.

Потери на возбуждение в оптимизированных машинах составили 2—3% от мощности выхода, к.п.д. достаточно высок т] =^0,77—0,85.

Расчеты на оптимум показали, что основные параметры БЭМУ, в-

Р->

том числе вес, стоимость, с ростом отношения улучшаются.

В табл. 2 оптимизированные по стоимости БЭМУ сравниваются с серийными генераторами повышенной частоты. Как видно, в диапазоне частот до 400 гц разработанные БЭМУ имеют более высокий к.п.д., на 30% легче и в 1,5—1,6 раза дешевле по сравнению с серийными бесконтактными генераторами повышенной частоты. Кроме этого, БЭМУ обладают высокими динамическими и регулировочными свойствами, что дает им дополнительные преимущества для применения в автоматизированных системах.

Таблица 2

1 1 112ГИС-2 1 БЭМУ ! ! 1 16ГИС2 | БЭМУ ГПЧ12/400

Мощность ква 3,75 3 3,75 3 15

СОйГрн — о;8 ■0,8 0,8 0,8 0,8

Скорость об/мин 3000 3000 3000 3000 1500

Частота гц 300 300 400 400 400

К.п.д. — , 0,83 0,84 0,82 0,84

Вес кг 110 66 1,10 65 280

кг/ква ■29,3 22 29,3 2(1,7 18,5

Цепа руб. 192 ■100 192 92 1770

руб/ква 51,2 33,3 51,2 30,7 118

Исполнение — закрытое бесконтактное кон т. заш,.

АН % — 10 — 10 2

Ку — — юоо _ 1000 —

т сек. — 0,05 —> 0,05 —

В табл. 3 и 4 БЭМУ в агрегатном исполнении сравниваются с известными электромашинными и статическими преобразователями. В качестве приводного двигателя БЭМУ принят двигатель АОЛ2-31-2.

Таблица 3

Исполнение

БЭМУ 'ВПЧ-150

МПЧ-1

С-572

ОПЧ-3 И-165

*

Р В Ы X ква 3 2,7 2,1 1,2 5,3 3,75

и г и 200 200 200 200 200 200

П об ¡мин 3000 3000 3000 3000 3000 3000

СОБСри — 0,8 0,7 0,85 0,7 0,75 0,8

Ч а г р 0,72 0,52 0,585 0,577 0,71 0,52

СОЭ([ [ — 0,89 0,4 0,89 0,47 0,92 0,5

Вес кг 96 330 130 36 140 73

кг/ква 32 150 62 30 26,4 19,5

Цена руб. 145 520 — 48 195 135

руб. /ква 48 193 — 40 37 36

ли °/о 10 — — 30 13 30

Ку — ЮОО — — — — —

т сек 0,05 — — —, — —

закр. взрывобез

бесконтактное

защ.

защ

закр. контактное

Таблица 4

БЭМУ АЛА-3,5 АТТ-2-400 ПЧ-8 УЧ СПЧ

Рв Ы X ква 3 4,38 2,5 8 1 1,57

и гц 400 427 400 500 4 СО 400

П об/мин 3000 2850 3000 3000 статические

СОБфн — 0,8 0,8 0.8 0,8 I 0,7

ГП — 3 1 3 3 1 3

1]агр — 0,71 0,55 0,515 0,75 0,5 0,7

СОЗф] — 0,88 0,85 1 — 0,7

Вес кг 95 170 152 325 55 30

40,7 (без С)

кг! ква 31,7 39,7 60,7 55 28

Цена руб. И3'5 255 — — — 2300

руб/ква 45 58,2 — — — 1460

ди о/ /0 10 2 —, 25 -иго/ — /0

Ку — 1000 — — — —

Т сек. 0,05 — — _ — —

Как видно из технико-экономического сравнения, в диапазоне частот до 400 гц БЭМУ могут успешно конкурировать, особенно при работе на резкопеременную, преимущественно двигательную нагрузку, с известными бесконтактными преобразователями, в том числе с ферромагнитными умножителями частоты (УЧ) и статическими полупроводниками преобразователя (СПЧ) [9, 10]. Последние значительно уступают БЭМУ по стоимости и надежности.

Выводы

1. Разработанная методика расчета—поиска оптимальных вариантов бесконтактных электромашинных усилителей повышенной частоты 100— 400 гц позволила спроектировать усилители с хорошими весовыми и энергетическими показателями, а также высокими динамическими и регулировочными свойствами.

2. Разработанные усилители могут успешно конкурировать с известными бесконтактными генераторами и преобразователями повышенной не регулируемой частоты, особенно при работе на двигательную нагрузку.

ЛИТЕРАТУРА

1. М. Л. К ос ты ре в, А. И. С к о р о с п е ш к и н. Электромашинный усилитель-преобразователь. «Электричество», 1969, № 1.

2. М. Л. Кос ты ре в, А. И. С к о р о с п е ш к и н. Вопросы теории бесконтактного ЭМУ переменного тока Известия ТПИ, т. 190, 1968.

3. М. Л. К о с т ы р е в, А. И. Скороспешкин. К проектированию бесконтактного ЭМУ переменного тока. Известия ТПИ, т. 190, 1968.

4. Т. М. Тер-Микаэлян, Б. М. Каган. Решение инженерных задач на цифровых вычислительных машинах. Изд. «Энергия», 1964.

5. Д. Уайльд. Методы поиска экстремума. «Наука», 1967.

6. Л. М. Артамонова, Ю. В. Мордвинов, Е. В. Пламодьяло, Т. Г. С о р о к е р. Расчет серии асинхронных двигателей на ЦВМ. Издательство ЦИНТИ ЭП, 1962.

7. М. Л. К о с т ы р е в. Разработка и исследование бесконтактных электромашинных усилителей повышенной частоты. Диссертация, Томск, 1968.

8. И. М. Постников. Проектирование электрических машин. ГЭИ. 1960.

9. А. М. Вам д ас и др. Новейшие ферромагнитные умножители частоты. Сб. «Бесконтактные электрические машины», часть III, Информстандартэлектро, 1967.

10. М. Б. Коновалов. Статические преобразователи трехфазного переменного тока на плоскостных транзисторах. Диссертация, Томск. 1963.