CC BY
90
Вавилов В. Е. Уап1ог V. Уе
кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Электромеханика», ФГБОУВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
Бекузин В. И. Векигт VI.
магистрант кафедры «Электромеханика», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный
технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
Айгузина В. В. Aiguzina V. V.
студентка кафедры «Электромеханика», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
УДК 321.31
СРАВНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ
ВЛИЯНИЯ ВЫСШИХ ГАРМОНИК ДЛЯ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА
Одним из основных требований к магнитоэлектрическим генераторам в системах электроснабжения автономных объектов является обеспечение синусоидальности формы кривой напряжения. Для снижения влияния высших гармоник и, как следствие, обеспечения синусоидальности формы кривой напряжения применяют различные методы. В статье приведены преимущества и недостатки основных методов (скос пазов, укорочение обмотки). Проведена качественная оценка эффективности применяемых для магнитоэлектрических генераторов метода скоса пазов статора и метода фиктивных пазов статора. Для оценки синусоидальности формы кривой напряжения магнитоэлектрического генератора использовался коэффициент нелинейных искажений.
Для метода скоса пазов статора с помощью программного комплекса Ansoft Maxwell построены зависимости коэффициента нелинейных искажений и значения ЭДС от величины скоса, определена величина скоса, при которой наблюдается наименьший коэффициент нелинейных искажений.
Для метода использования фиктивного паза статора определены оптимальные параметры фиктивного паза, при которых наблюдается наиболее заметное снижение высших гармоник.
Рассмотрена функция зависимости магнитной индукции от длины средней линии воздушного зазора магнитоэлектрического генератора без фиктивного паза и магнитоэлектрического генератора с фиктивным пазом. При численной оценке уменьшения высших гармоник определены функции зависимости магнитной индукции от средней линии воздушного зазора в спектр распределения высших гармоник для магнитоэлектрического генератора без фиктивного паза и для магнитоэлектрического генератора с фиктивным пазом.
Проведенные исследования показывают эффективность совместного применения скоса пазов и фиктивных пазов для уменьшения влияния высших гармоник на выходные параметры магнитоэлектрического генератора.
Ключевые слова: высшие гармоники, магнитоэлектрический генератор, скос пазов, фиктивный паз, коэффициент нелинейных искажений.
COMPARISON OF DIFFERENT METHODS REDUCE THE IMPACT OF HIGHER HARMONICS FOR MAGNETOELECTRIC GENERATOR
One of the basic requirements for a magneto-generator in the power supply systems of autonomous objects is to provide a sinusoidal voltage waveform. To reduce the influence of the higher harmonics and as a consequence a sinusoidal voltage waveform using various methods. The article presents the advantages and disadvantages of the main methods (bevel slots, winding shortening). Qualitative assessment of the effectiveness of magnetoelectric generators used for the method of the bevel grooves of the stator and the method of fictitious stator slots. To estimate the sinusoidal voltage waveform generator used magnetoelectric THD.
For the method of the bevel grooves of the stator by means of software Ansoft Maxwell built according THD and EMF on the value of the bevel, bevel determined the value at which there is the lowest THD.
For the method of using a fictitious stator slot defined optimal parameters of the dummy slot, in which there is the most noticeable decrease in higher harmonics.
Electrical facilmes and systems
Consider the function of magnetic induction depending on the length of the midline of the magnetoelectric generator air gap without a dummy slot and magnetoelectric generator with a dummy slot. In the numerical evaluation reduce harmonic functions defined dependence of the magnetic induction from the midline of the air gap in the spectrum allocation for the higher harmonics of the magneto electric generator without a dummy slot for magnetoelectric generator with a dummy slot.
Studies have shown the effectiveness of the joint application of the bevel grooves and dummy grooves to reduce the impact of higher harmonics on the output parameters of the magnetoelectric generator.
Key words: higher harmonics, magnetoelectric generator, skew width, dummy slot, total harmonic distortions.
Повышение энерговооруженности автономных объектов (АО) (авиационных и космических летательных аппаратов (ЛА), наземных передвижных АО и морских АО) является актуальным направлением развития и совершенствования АО, которое позволяет расширение их функциональных возможностей и повышение их управляемости. Все это влечет за собой повышение тактико-технических характеристик и топливной эффективности АО.
Одними из основных задач в данном направлении являются повышение надежности и увеличение мощности первичной системы электроснабжения АО при минимизации ее массогабаритных показателей.
Из анализа работ [1 - 6] установлено, что решением данной задачи может являться построение системы электроснабжения (СЭС) АО на базе бесконтактного магнитоэлектрического генератора (МЭГ), который обладает максимальными надежностью и коэффициентом полезного действия (КПД) при минимальной удельной массе. Кроме того, к достоинствам СЭС АО с МЭГ относится возможность работы МЭГ в двигательном режиме и обеспечение тем самым либо запуска теплового двигателя, либо выполнение функции систем навигации при использовании его в составе электромеханического аккумулятора [7].
В работе [8] показано, что применение высокооборотного МЭГ в качестве электромеханического аккумулятора в непилотируемых космических ЛА позволяет совместить систему навигации и систему электроснабжения, значительно повысить эффективность и расширить функциональные возможности непило-Таблица 1. Номинальные данные МЭГ
тируемых космических ЛА. В работах [9, 10] показаны возможности применения высокооборотных МЭГ при создании космического буксира. Эффективность и перспективы МЭГ для авиационных пилотируемых и непилотируемых ЛА показаны в работе [11].
При этом одним из основных требований, согласно ГОСТ Р 54073-2010, определяющим возможность применения МЭГ в СЭС АО, является обеспечение синусоидальности формы кривой напряжения.
Для численной оценки синусоидальности формы кривой напряжения МЭГ используется коэффициент нелинейных искажений (Total Harmonic Distortions (THD)). THD - это показатель, который характеризует степень отличия формы напряжения МЭГ от синусоидальной и определяется в общем виде:
THD =
_ А.
¿1
■ 100 %,
(1)
где Лп — амплитуда п-ой гармоники напряжения.
Чем меньше THD, тем эффективнее МЭГ при прочих равных параметрах, поэтому для уменьшения коэффициента нелинейных искажений обычно применяют несколько методов, таких как: скос пазов, укорочение шага обмотки и увеличение числа пазов на полюс и фазу. Так, в работе [1] представлена конструкция электрического генератора со скосом пазов на одно зубцовое деление, при этом пространственные гармоники уменьшаются, т.к. каждый проводник по длине располагается в разных магнитных условиях. В работе [2] приведен метод уменьшения высших гармоник путем увеличения числа пазов на полюс и фазу. При применении данного метода элек-
Наименование Обозначение Значение
Номинальная отдаваемая (полезная) мощность, кВт Р 2 100
Количество фаз статора mt 3
Число пар полюсов Р 4
Частота напряжения или тока статора, Гц f 4000
Напряжение обмотки статора, В 200
Частота вращения, об./мин n, 60000
Коэффициент мощности cos(rp) 0,9
Активная длина, мм L 240
Количество пазов z 36
Внешний диаметр статора, мм D 160
Внутренний диаметр статора, мм d 62
Тип паза статора бутылочной формы
Внешний диаметр ротора D2 60
Внутренний диаметр ротора d2 35
Тип магнитной системы (выбор данной магнитной системы обусловлен низким коэффициентом нелинейных искажений [1]) ®
12-
Electrical and data processing facilities and systems. № 2, v. 12, 2016
тродвижущая сила (ЭДС) основной гармоники не уменьшается, кривая распределения магнитной индукции становится более синусоидальной. Однако значительное увеличение числа пазов на полюс и фазу приводит к снижению прочности зубцов, а также к их насыщению. Кроме того, недостатками данного метода являются увеличение объема изоляции и усложнение обмоточных работ, из-за чего размеры и масса возрастают. В работе [3] применяют технологию фиктивного паза совместно со скосом пазов, при этом THD уменьшается вплоть до 0,96 %. В работе [4] представлено устранение наиболее значительных по величине 3, 5, 7, 9 гармоник путем укорочения шага обмотки статора. Однако при укороченном шаге происходит снижение производимой мощности, поскольку недоиспользуется магнитный поток полюса, как следствие, увеличиваются массогабарит-ные показатели генератора. Этим обуславливается малая эффективность данного метода.
Задача данной работы — качественная оценка эффективности применения методов уменьшения влияния высших гармоник для МЭГ
При проведении оценки рассматривался МЭГ, номинальные данные которого приведены в таблице 1.
Метод скоса пазов статора
Оценим эффективность применения метода скоса пазов статора, который характеризуется низким коэффициентом нелинейных искажений. На рисунке 1 приведена функция зависимости THD от относительной величины скоса пазов (b' ) для рассматриваемого МЭГ. Определение THD проводилось с помощью программного комплекса Ansoft Maxwell.
Из рисунке 1 видно, что при максимальном относительном скосе (b'=1,8) THD снижается до 0,11 %. Однако скос пазов делается на одно зубцовое деление, т.к. период колебаний поля соответствует перемещению ротора на один зубцовый шаг. Иными словами, минимум THD = 1,13 при b' = 1.
Также при скосе пазов наблюдается снижение ЭДС (рисунок 2), индуцируемое в ряде последовательных точек по длине проводника, которые будут сдвинуты по фазе относительно друг друга.
Из рисунка 2 видно, что при максимальном скосе (b' =1,8) ЭДС снижается до 326 В (снижение на 6 %),
О 0,5 1 1,5
Относительная величина скоса пазов
Рисунок 1. Функция зависимости коэффициента нелинейных искажений от относительной величины скоса пазов
О 0,5 1 1,5 2
Относительная величина скоса пазов
Рисунок 2. Функция зависимости ЭДС от относительной величины скоса пазов
при Ь' =1 наблюдается снижение до 341 В (снижение на 2,1 %).
Метод фиктивных пазов на статоре Рассмотрим эффективность применения метода фиктивных пазов на статоре. Данный метод позволяет решить проблемы увеличения объема изоляции, усложнения обмоточных работ, уменьшения массы и габаритов. Основной трудностью при его использовании является выбор оптимальных размеров фиктивного паза. Поскольку максимум магнитного потока в зубце магнитопровода статора МЭГ приходится на высоту, не превышающую ширину зубца, высоту фиктивного паза выбираем равной ширине зубца.
Исходя из условий механической прочности и исключая перенасыщение зубцов, ширину фиктивного паза принимаем 1/3 от ширины зубца, острые кромки срезаются.
BLtesia]
3.22716+000 3.0254е+000 2, 3233Ê+003 2.S2Z2e+088 2. 420SS+000 2.213Эе+Ш0 2,01736+000 1. 8157е+008 1.3141е+000 1, 4125е+Ш0 1. 2103«+000 1.00926+000 3,07S0e-001 6,0598е-001 4,0435е-®01 2,0273е-001 1,1105S-003
■
Рисунок 3. Распределение магнитной индукции МЭГ с фиктивными пазами
Electrical facilities and systems
1000 900
800 700
600
500 400
300
Длина окружности воздушного зазора, мм
МЭГ без фиктивного паза --МЭГ с фиктивным пазом
Рисунок 4. Функции зависимости магнитной индукции от длины средней линии воздушного зазора
0,9 0,8 0,7 0,6 ,5 0-5 СО 0,4 0,3 0,2 0,1 0
100
Iffttl
123456789 101112131415161718192021222324252627282930313233
V
Рисунок 5. Спектр распределения высших гармоник для МЭГ без фиктивного паза 0,9 0,8 0,7 0,6 ■5 °'5
СО 0,4
0,3 0,2 0,1
123456789101112131415161718192021222324252627282930313233
V
Рисунок 6. Спектр распределения высших гармоник для МЭГ с фиктивным пазом
Рассмотрим распределение магнитной индукции МЭГ с фиктивными пазами (рисунок 3).
Из рисунка 3 видно, что перенасыщение магнито-провода не наблюдается. Для объективной картины распределения магнитного поля МЭГ рассмотрим функцию зависимости магнитной индукции от длины средней линии воздушного зазора МЭГ без фиктивного паза и МЭГ с фиктивным пазом (рисунок 4).
Из рисунка 4 видно, что распределение магнитной индукции в воздушном зазоре становится более синусоидальным, уменьшаются всплески магнитной индукции. Для численной оценки уменьшения высших гармоник МЭГ разложим функции зависимости магнитной индукции от средней линии воздушного зазора в спектр распределения высших гармоник, рисунок 5 — для МЭГ без фиктивного паза и рисунок 6 — для МЭГ с фиктивным пазом.
Из рисунков 5 и 6 видно, что у МЭГ с фиктивным пазом амплитуда спектров высших гармоник снижена.
Для МЭГ без фиктивного паза ТНБ равен 2,05 %, для МЭГ с фиктивным пазом — 1,58 %, то есть видно
явное уменьшение нелинейных искажений от применения фиктивного паза.
Заключение
Проведенные исследования показывают эффективность применения скоса пазов и фиктивных пазов для уменьшения влияния высших гармоник.
Дальнейшие исследования этих двух методов как в отдельности, так и при применении их одновременно позволят заметно снизить ТНБ, то есть уменьшить потери, повысить энергоэффективность.
Полученные результаты могут быть использованы на практике при проектировании МЭГ.
Работа выполнена при поддержке РФФИ.
Проект 16-38-00005.
Electrical and data processing facilities and systems. № 2, v. 12, 2016
Список литературы
1. Design Aspects of a High Speed Permanent Magnet Synchronous Motor/Generator for Flywheel Applications. — URL: http://free-energy-info.co.uk/P25. pdf (accessed 05.11.2015).
2. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. — М.: Энергия, 1980. — 495 с.
3. Гольдберг О.Д. Проектирование электрических машин: учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 1984. — 431 с.
4. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. — М.: Высшая школа, 1990. — 415 с.
5. Поспелов Л.И. Конструкции авиационных электрических машин / Под ред. А.Ф. Федосеева. -М.: Энергоиздат, 1982. — 320 с.
6. Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. — М.: Энергия, 1974. — 840 с.
7. Пат. 137162 Российская Федерация, МПК7 Н 02 К 21/14. Электрический генератор на постоянных магнитах / Г.Ф. Афанасьев, Л.Р. Закиров, Л. Ш. Биктимиров. — № 2013136449/07; заявл. 02.08.2013; опубл. 27.01.2014.
8. Пат. 137164 Российская Федерация, МПК7 Н 02 К 21/26. Генератор на постоянных магнитах /Г.Ф. Афанасьев, Л.Р. Закиров, Д.В. Рябов. — № 2013136451/07; заявл. 02.08.2013; опубл. 27.01.2014.
9. Заявка на изобретение № 98104402 Российская Федерация, МПК7 Н 02 К 21/12. Генератор переменного тока, имеющий ротор с постоянными магнитами /Натаниель Лоренс Линдсли. — № 98104402/09; заявл. 18.03.1998; опубл. 10.02.2000.
10. Бертинов А.И. Авиационные электрические генераторы переменного тока. — М.: Оборонгиз, 1959. — 594 с.
11. Cavagnino A., Li Z., Tenconi A., Vaschetto S. Integrated Generator for More Electric Engine: Design and Testing of a Scaled-Size Prototype // IEEE Transactions on Industry Applications. — 2013. — Vol. 49. — № 5. — P. 2034-2043.
References
1. Design Aspects of a High Speed Permanent Magnet Synchronous Motor/Generator for Flywheel Applications. — URL: http://free-energy-info.co.uk/P25. pdf (accessed 05.11.2015).
2. Kopylov I.P. Proektirovanie elektricheskikh mashin. — M.: Energiya, 1980. — 495 s.
3. Gol'dberg O.D. Proektirovanie elektricheskikh mashin: uchebnik dlya vuzov. — M.: Vysshaya shkola, 1984. — 431 s.
4. But D.A. Beskontaktnye elektricheskie mashiny.
— M.: Vysshaya shkola, 1990. — 415 s.
5. Pospelov L.I. Konstruktsii aviatsionnykh elektricheskikh mashin / Pod red. A.F. Fedoseeva. — M.: Energoizdat, 1982. — 320 s.
6. Vol'dek A.I., Popov V.V. Elektricheskie mashiny.
— M.: Energiya, 1974. — 840 s.
7. Pat. 137162 Rossiiskaya Federatsiya, MPK7 H 02 K 21/14. Elektricheskii generator na postoyannykh mag-nitakh / G.F. Afanas'ev, L.R. Zakirov, L.Sh. Biktimirov.
— № 2013136449/07; zayavl. 02.08.2013; opubl. 27.01.2014.
8. Pat. 137164 Rossiiskaya Federatsiya, MPK7 H 02 K 21/26. Generator na postoyannykh magnitakh / G.F. Afanas'ev, L.R. Zakirov, D.V. Ryabov. — № 2013136451/07; zayavl. 02.08.2013; opubl. 27.01.2014.
9. Zayavka na izobretenie № 98104402 Rossiiskaya Federatsiya, MnK7 H 02 K 21/12. Generator peremen-nogo toka, imeyushchii rotor s postoyannymi magnitami / Nataniel' Lorens Lindsli. — № 98104402/09; zayavl. 18.03.1998; opubl. 10.02.2000.
10. Bertinov A.I. Aviatsionnye elektricheskie genera-tory peremennogo toka. — M.: Oborongiz, 1959. — 594 s.
11. Cavagnino A., Li Z., Tenconi A., Vaschetto S. Integrated Generator for More Electric Engine: Design and Testing of a Scaled-Size Prototype // IEEE Transactions on Industry Applications. — 2013. —Vol. 49. — № 5. — P. 2034-2043.
