CC BY
9
Operation of power oil transformers leads to deterioration of the constituent elements of its structure, which leads to the need for diagnostics and monitoring of the technical condition of the power plant equipment associated with it. Prediction of the remaining service life of the most critical unit (power transformer) is the basis for making a decision on the advisability of its further operation or repair work. The paper presents the main method for predicting the residual life ofpower oil transformers with a list of diagnosed parameters of a priority nature in the form of a self-adjusting diagnostic system.
Key words: power oil transformer, magnetic circuit, partial discharges, chromatographic analysis, moisture distribution, spectroscopy.
Molchanov Maksim Vladimirovich, master, senior operator, era_1@mil.ru, Russia, Anapa, FGAU«MIT «ERA»,
Pozhidaev Nikita Konstantinovich, master, senior operator, era_1@mil.ru, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»,
Vorobyov Evgeny Vladislavovich, Junior Researcher, era_1@mil.ru, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»,
Tolkachev Yaroslav Mikhailovich, master, operator, era_1@mil.ru, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»
УДК 621.31
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-9-526-534
ВЛИЯНИЕ ЭЛЛИПСНОСТИ АКТИВНОЙ ЗОНЫ СИНХРОННОЙ АВТОМОБИЛЬНОЙ ГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ НА ХАРАКТЕРИСТИКУ ХОЛОСТОГО ХОДА.
ЧАСТЬ 1
В.Н. Козловский, А.С. Саксонов, В.И. Строганов
В работе рассматривается влияние эллипсностей статора и ротора синхронного генератора автомобильной генераторной установки по отдельности на напряжение переменного тока на зажимах статорной обмотки синхронного генератора автомобильной генераторной установки при различных уровнях эксцентриситета статора и ротора обладающих эл-липсностью. Метод исследования - компьютерное моделирование. Среда моделирования «MATLAB-Simulink».
Ключевые слова: автомобильная генераторная установка, автомобиль, качество.
Характеристика холостого хода (ХХХ) синхронного генератора (СГ) автомобильной генераторной установки (АГУ) - одна из наиболее важных характеристик. По ее виду можно определить, насколько качественно выполнен расчет магнитной цепи машины, насколько качественно выполнено изготовление активной зоны этой машины [1].
Как говорилось ранее, [2, 3], конфигурация узлов активной зоны машины (статора и ротора) влияет на конфигурацию воздушного зазора (ВЗ). Конфигурация ВЗ сильным образом влияет на электромагнитную индукцию в этом ВЗ. Последняя, в свою очередь оказывает сильнейшее влияние на магнитные напряжения участков магнитной цепи. Из [4] известно, что суммарное магнитное напряжение магнитной цепи машины (1), оказывает влияние на ток возбуждения, протекающий по обмотке ротора (2) и на магнитный поток, который возбуждает ЭДС в обмотке статора (3):
Fe = F6 + Fz + Fja + Fm + Fjm + FCT, (1)
где Fg - магнитное напряжение ВЗ, А; Fz - магнитное напряжение зубца статора, А; Fja - магнитное напряжение спинки статора, А; Fm - магнитное напряжение полюсов ротора, А; Fjm -магнитное напряжение ярма статора, А; FCT - магнитное напряжение стыка полюсов с корпусом, А.
= ЙЪ (2)
где о)п - число витков обмотки возбуждения на полюс.
Ре
Фт=^, (3)
где - сопротивление магнитной цепи машины, Ом.
Запишем известное выражение [5] описывающее зависимость фазной ЭДС синхронного генератора АГУ от магнитного потока Фт и конструктивных параметров машины (4):
Ехх = 4,44-^ШфФт, (4)
60
где р - число полюсов ротора машины; п - число оборотов холостого хода машины, об/мин; Шф - число витков в фазе обмотки синхронного генератора.
Учитывая изложенное в материалах [2, 3], а также вышеприведенные формулы, можно увидеть связь между конфигурацией узлов активной зоны, конфигурацией ВЗ, магнитными напряжениями и наводимой в статорной обмотке ЭДС. Можно предположить, что вследствие эллипсности одного или нескольких узлов активной зоны СГ АГУ выходное напряжение указанной машины будет иметь отклонения от расчетных значений, при этом данные отклонения будут описываться гармонической зависимостью.
С целью понять, каким образом сказывается эллипсность конструктивных частей активной зоны СГ АГУ на выходное напряжение указанной машины нами выполнено компьютерное моделирование ХХХ СГ АГУ типа 9402.3701-14-М при разных видах эллипсности и при разных уровнях эксцентриситета. Среда моделирования - «МАИАВ^ти1тк».
Нами выполнены три компьютерных модели: ХХХ с эллипсностью статора, ХХХ с эллипсностью ротора, ХХХ с эллипсностями статора и ротора. Структуры первых двух моделей идентичны и представлены на рис. 1.
г ■*>
я™««««, -
*
Г
—— Пракздимаггь рассеян« -
параметров (ПРР) Вы: от- сборочного косила 1 ~~ -г
1. + К -*■ Н2 Г1 1 <**>
—— " -гЦ г — . ьа> - |0" г»
Гругтн —
ЯшРАвтр сотой Ьмрт| 1 -- 1
нз
I
Рис. 1. Структура компьютерной модели 527
Каждая из трех моделей состоит из шести блоков: группа неизменяющихся параметров, которая поделена на две подгруппы (подгруппа неизменяющихся параметров проводимости рассеяния ротора и подгруппа неизменяющихся параметров ХХХ); группа изменяющихся параметров; проводимость рассеяния ротора; сама ХХХ и нелинейный ВЗ (НВЗ). По составу, эти модели как говорилось выше, идентичны. Главные различия в этих моделях касаются группы изменяющихся параметров. На рис. 2 показан вид группы изменяющихся параметров модели с эллипсностью статора.
m
-в
<D
Г0 M -St
BQit
Рис. 2. Общий вид группы изменяющихся параметров модели с эллипсностью статора
Группа изменяющихся параметров состоит из пяти блоков. Блоки внешнего и внутреннего диаметра статора представляемые в виде синусоидального сигнала [3]; блок эллипсно-сти, который посредством разработанного в [2] математического аппарата задает амплитуду изменения эллипсности; задатчик оборотов ротора машины и блок интерполяции, который учитывает в модели свойства электротехнической стали (изменение коэрцитивной силы в зависимости от уровня электромагнитной индукции), а также содержит таблицу значений магнитных потоков в ВЗ. Блок эллипсности статора представлен на рис. 3.
£№г Gain
Атр
Рис. 3. Блок эллипсности статора
Блок эллипсности статора ничем не отличается от аналогичного блока в модели из [3]. На рис. 4 приводится вид группы изменяющихся параметров модели с эллипсностью
ротора.
Группа на рис. 4 повторяет группу изменяющихся параметров модели с эллипсностью статора, за исключением того, что синусоидальным сигналом представляется диаметр ротора рассматриваемой синхронной машины. Обратим внимание на блок эллипсности, показанный на рис. 5.
п
Диаметр poTopel
KD
БР эпгмпсности
И-ггерпопяция иагштьых прошцаеиостей ет.ОВКП
Интерполяция ст.2013
Интерполяция ет.ОВКП
Интерполяция магнитных потоков
-►CD
intmuOSKn
-•CD
int2013
-4D
¡пЮЗКП
-»CD
int4>dett3
»CD
intmu2D 13
E P жгерпопяцт
Рис. 4. Группа изменяющихся параметров модели с эллипсностью ротора
\
1
f(uj
epsilon Slider
Gain
f[u)
f(u)
и(1Ц|[2)
KJD
Amp
Scope?
Рис. 5. Блок эллипсности ротора
Блок эллипсности ротора использует такой же математический аппарат, как и блок эллипсности статора, но с двумя отличиями. Для задания эллипсного диаметра ротора в гармонической форме используется выражение (5):
Dps(t) =АЭ sin(2-rc -f) + Dp, (5)
где Аэ - амплитуда изменения эллипсности ротора, мм; f - частота вращения поля в НВЗ, рад/с; Dp - номинальный диаметр ротора, мм.
Для расчета значения НВЗ используется выражение (6):
0=^4 (6) Перед началом моделирования зададимся начальными условиями. Главным начальным условием выступает значение эксцентриситета эллипсного диаметра той или иной конструктивной части активной зоны машины. Каждая модель включает в себя два опыта при двух разных значениях эксцентриситета: 0,014286 и 0,041936.
Итак, проводим моделирование ХХХ АГУ с эллипсностью статора при 8=0,014286. Колебание внутреннего диаметра статора машины с эллипсностью статора показано
на рис. 6.
о.ов9334 0.039133 0.089332 0.039331 0.03933 0.039329 0.039328 0.089327 0.089326
3.
Рис. 6. Внутренний диаметр статора с эллипсностью. Опыт первый
Как говорилось в [2, 3] конфигурация ВЗ сильно влияет на электромагнитную индукцию в этом ВЗ, а та в свою очередь накладывает свой отпечаток на коэрцитивную силу в материалах, из которых изготовлена активная зона машины. Соответственно, будут изменяться и магнитные напряжения участков магнитной цепи [2, 3, 6, 7]. На рис. 7 показана развертка магнитных напряжений магнитной цепи рассматриваемой машины при эллипсности статора.
0.13
0.12
0.11
0.1 0.09 0.08
0.07
006
0.05
0.04
Б 3.1 5.2 5.3 5.4 5.5 .5.6
Рис. 7. Развертка магнитных напряжений при эллипсности статора. Опыт первый
Как видим, колебания магнитного напряжения магнитной цепи машины незначительны, вследствие маленького уровня эксцентриситета. Из формулы (2) мы знаем, что магнитное напряжение в прямой пропорции влияет на ток возбуждения машины, соответственно, он также должен принимать нелинейный характер. На рис. 8 представлена развертка тока возбуждения машины.
Заметно, что колебания тока возбуждения также несущественны. Согласно формуле (3), ток возбуждения создает магнитный поток, который наводит ЭДС в статорной обмотке. Если ток возбуждения имеет нелинейный характер, то значит и наводимая ЭДС тоже должна иметь такой же характер. Развертка ЭДС представлена на рис. 9.
530
13 — 16 —
14
12 10 3
6
4
2
О----------
■2-------------
О 1 2 34 56 739 10
Рис. 8. Развертка тока возбуждения при эллипсности статора. Опыт первый
9 ----------Щ
3 = =
6
5
3
2
1
О
5.392 5.394 5.396 5.396 5.4 5.402 5.404 5.406 5.403 5.41
Рис. 9. Развертка ЭДС статорной обмотки машины вследствие эллипсности статора.
Опыт первый
Как заметно из рис. 9, колебания ЭДС наводимой в статорной обмотке незначительны.
Теперь выполним второй опыт, при 8=0,041936. На рис. 10 представлены изменения внутреннего диаметра статора, магнитного напряжения, тока возбуждения и ЭДС.
Из рис. 10 заметно, что с увеличением уровня эксцентриситета происходит увеличение остальных зависимых параметров. Из разверток магнитного напряжения, тока возбуждения, и ЭДС статорной обмотки хорошо заметно, что их значения в каждой точке приобретают все большие колебания относительно номинального значения. Такую тенденцию можно объяснить тем, что при неизменной амплитуде изменения НВЗ магнитный поток в этом НВЗ увеличивается, таким образом, получается, что электромагнитная индукция и все зависимые от нее параметры будут иметь такую же тенденцию [2].
Теперь проводим моделирование ХХХ АГУ с эллипсностью ротора при 8=0,014286. Результаты первого опыта представлены на рис. 11. Результаты второго опыта представлены на рис. 12.
штштынштштмтнннншт*
57 S.71 5.72 5.73 5.74 5.75 5.76
5.494 5.496 5.49В 5.5 5.502 5.504 5.506 5.508 5.51 5.512
Рис. 10 - Слева на право: колебания внутреннего диаметра статора, магнитного напряжения, тока возбуждения, ЭДС наводимой в статорной обмотке вследствие
эллипсности статора. Опыт второй
0.088654 0.088653 0.088652 0.088651 0.08865 0.088649 0.088648 0.088647 0.088646
4.456 4.45S 4.46 4.462 4.464 4.466 4.4
4.47 4.472 4.474
5.002 5.004 5 006 5.008
5.012 5.014 5.016
Рис. 11. Слева на право: колебания диаметра ротора, магнитного напряжения, тока возбуждения, ЭДС наводимой в статорной обмотке вследствие эллипсности ротора.
Опыт первый
Второй опыт проводится при 8=0,041936.
о.оеббэ
6.006 6 006 601 6.012 6.014 6.016 6.016 6 02 6 022 6 024 0123456730 10
0123456769 10 5.177 5176 5.170 5.16 5161 5162 5.163 5.164 5165 5.166
Рис. 12. Слева на право: колебания диаметра ротора, магнитного напряжения, тока возбуждения, ЭДС наводимой в статорной обмотке вследствие эллипсности ротора.
Опыт второй
Из рис. 11 и 12 заметно, что при эллипсности ротора наблюдаются схожие тенденции в поведении магнитного напряжения, тока возбуждения и ЭДС.
Для того, что бы оценить влияние эллипсности того или иного конструктивного узла активной зоны СГ на ХХХ нами были измерены амплитуды колебаний тока возбуждения и ЭДС наводимой в статорной обмотке. Как мы знаем из [2, 8], эксцентриситет эллипса это соотношение его полуосей (8):
Ь - малая полуось эллипса, м; а - большая полуось эллипса, м.
С помощью этой формулы можно понять, что при разных значениях хотя бы одной полуоси того или иного конструктивного узла активной зоны машины значения эксцентриситета будут разными. Данная зависимость подтверждается величинами амплитуд колебаний тока возбуждения и ЭДС статорной обмотки машины. Значения амплитуд указанных выше параметров приведены в таблице. В таблице приводятся наибольшие амплитуды колебаний, указанных выше параметров.
Амплитуды колебаний
Эллипсность
Статор Ротор
8=0,0 4286 8=0,041936 8=0,0 4286 8=0,041936
Ае, В А1в, А Ае, В А1в, А Ае, В А1в, А Ае, В А1в, А
0,01600 0,00002 0,15600 0,00020 0,01300 0,00002 0,12500 0,00020
Из данных таблицы хорошо заметна указанная выше тенденция. Во второй части статьи нами будет проделан опыт при наличии эллипсности обоих узлов синхронного генератора.
Список литературы
1. Макаричев Ю.А., Овсянников В.Н. Синхронные машины: учебное пособие. Самара. Самарский государственный технический университет, 2010. 156 с.
2. Саксонов А.С., Крицкий А.В., Козловский В.Н. Разработка математического аппарата для оценки влияния эллипсности статора на выходные характеристики автомобильной генераторной установки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 7. С. 338-341.
3. Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока. М.: Высшая школа, 1982. 272 с.
4. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. М.: Транспорт, 2000. 320 с.
5. Демирчян К.С., Нейман Л.Р., Коровкин Н.В., Чечурин В.Л. Теоретические основы электротехники. СПб.: Питер, 2006. 463 с.
6. Дебелов В.В., Иванов В.В., Козловский В.Н., Строганов В.И., Ютт В.Е. Электронная система регулирования скорости движения автомобиля в режимах поддержания и ограничения скорости // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2014. Т. 10. № 2. С. 19-28.
7. Козловский В.Н., Антипов Д.В., Заятров А.В. Методология анализа и прогнозирования качества автомобилей в эксплуатации // Актуальные проблемы экономики. 2016. Т. 186. № 12. С. 387-398.
8. Kozlovski V.N., Petrovski A.V., Skripnuk D.F., Schepinin V.E., Telitsyna E. Intelligent diagnostic complex of electromagnetic compatibility for automobile ignition systems // Reliability, Infocom Technologies and Optimization (Trends and Future Directions). 6th International Conference ICRITO. 2017. P. 282-288.
Саксонов Александр Сергеевич, аспирант, младший научный сотрудник, a.s.saksonoff@yandex.ru, Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Козловский Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, kozlovskiy-76@mail.ru, Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Строганов Владимир Иванович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, v.stroganov-madi@mail.ru, Россия, Москва, Московский государственный автомобильно-дорожный технический университет
THE INFLUENCE OF THE ELLIPSITY OF THE CORE OF A SYNCHRONOUS AUTOMOTIVE GENERATOR SET ON THE CHARACTERISTIC IS. PART 1
A.S. Saksonov, V.N. Kozlovskiy, V.I. Stroganov
The paper considers the influence of the ellipsities of the stator and rotor of a synchronous generator of an automobile generator set separately on the voltage of alternating current at the terminals of the stator winding of a synchronous generator of an automobile generator set at different levels of eccentricity of the stator and rotor having ellipsicity. The research method is computer modeling. The modeling environment "MATLAB-Simulink".
Key words: automobile generator set, car, quality.
Saksonov Alexander Sergeevich, postgraduate, junior researcher, a.s.saksonoff@yandex.ru, Russia, Samara, Samara state university,
Kozlovskiy Vladimir Nikolaevich, doctor of technical science, professor, head of chair, ko-zlovskiy-76@mail.ru, Russia, Samara, Samara state university,
Stroganov Vladimir Ivanovich, doctor of technical science, professor, head of chair, v.stroganov-madi@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Automobile and road construction state technical university (MADI)
