УВЕЛИЧЕНИЕ ЖЕСТКОСТИ ВНЕШНЕЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С ДРОБНОЙ ЗУБЦОВОЙ ОБМОТКОЙ ЯКОРЯ

Аннотация. В данной работе рассмотрен один из способов увеличения жесткости внешней характеристики синхронного генератора с дробными зубцовыми обмотками. Значительное падение напряжения генератора при увеличении нагрузки возникает из-за высокой индуктивности дробных зубцовых отмоток. Рассмотренный метод направлен на уменьшение значения индуктивностей дробных зубцовых обмоток за счет устранения нежелательных пространственных гармоник кривой распределения магнитного поля в воздушном зазоре электрической машины.

Abstract. In this paper, one of the ways to increase the rigidity of the external characteristic of a synchronous generator with fractional tooth windings is considered. A significant drop in generator voltage with increasing load occurs due to the high inductance of fractional toothed windings. The considered method is aimed at reducing the value of inductances of fractional toothed windings by eliminating undesirable spatial harmonics of the magnetic field distribution curve in the air gap of an electrical machine.

Исследование проводилось на синхронном генераторе с числом полюсов 16 и мощностью 250 кВт.

Для возбуждения синхронного генератора на роторе установлены неодимовые магниты (их использование приводит к повышению производительности генератора за счет отсутствия электрических потереть на возбуждение и позволяет уменьшить вес и габариты машины за счет высоких энергетических свойств неодимовых магнитов). Особенностью конструкции генератора является применение дробной зубцовой обмотки с числом пазов на полюс и фазу q=3/8.

Дробные зубцовые обмотки создают магнитное поле, исследование формы распределения этого поля проводилось с использованием программного пакета FEMM 4.2. Была создана модель генератора: ротор генератора – сплошной цилиндр из электротехнической стали, в пазах статора устанавливались проводники с номинальным значением тока.

Вдоль средней линии ВЗ была получена кривая распределения индукции, которую для дальнейшего исследования разложена в ряд Фурье [4].

Проведя исследование видно, что рабочей является 8-ая гармоника, ее амплитуда является максимальной по отношению к другим. Но также гармонический состав наделен рядом нежелательных пространственных гармоник, которые приводят к негативным эффектам. Наибольшие амплитуды соответствуют 4, 6, 2, 10, 14 и 12 гармоникам.

Использование программного пакета ANSYS Motor–CAD позволяет построить внешнюю характеристику генератора. Меняя значения нагрузки, производим расчет и для каждого значения нагрузки получаем ток для построения характеристики.

Номинальное изменение напряжение составило 34%.

Как раз именно устранения нежелательных пространственных гармоник и позволит снизить индуктивность обмотки.

Для того, чтобы добиться устранения гармоник можно создать дополнительную обмотку, магнитное поле которой не будет значительно уменьшать амплитуду рабочей гармоники, но поможет подавлению действий нежелательных гармоник [2].

Этот способ можно разделить на следующие этапы [3]:

1) Удвоение количества пазов в конструкции, принимается 32;

2) Разделение трехфазной обмотки на две трехфазные группы, (A1, B1, C1) и (A2, B2, C2);

3) Расположение обмотки (A2, B2, C2) со сдвигом на 180 механических градусов относительно основной обмотки (A1, B1, C1). Концы A1 и A2, B1 и B2, С1 и С2 подключаются последовательно однополярно, если количество пар полюсов четное, или с противоположной полярностью, если количество пар полюсов нечетное.

Основная обмотка остается в тех же пазах, что и была, а для дополнительной создаются новые пазы, в которые она укладывается со сдвигом. Уменьшается вдвое число витков в каждой катушке, также уменьшается необходимая площадь паза. Уровень индукции в зубцах остаться на том же уровне за счет уменьшения полного тока паза вдвое, хотя ширина зуба была уменьшена. Общее число витков в статорной обмотке не измениться.

Проведя исследования видно, что часть нежелательных гармоник были устранены.

Для улучшенной машины была построена внешняя характеристика.

После изучения новой характеристики в результате применения данного метода, внешняя характеристика стала значительно жестче (Z32), желаемый результат был достигнут.

В таблице 1 представлены индуктивности статорных обмоток генератора по продольной и поперечной осях и значение номинального изменения напряжения. Индуктивность статорной обмотки значительно снизилась, номинальное изменение напряжения уменьшилось в 2 раза.

Таблица 1.

Сравнение полученных характеристик синхронных генераторов

Применение описанной методики привело к желаемым результатам. Генератор с улучшенной конструкцией обретает ряд значительных преимуществ по сравнению с машинами с классической дробной зубцовой обмоткой. Благодаря изменениям улучшен гармонический состав магнитного поля, устранены нежелательные пространственные гармоники и тем самым снижаются индуктивности обмотки (за счет уменьшения индуктивности дифференциального рассеяния), что привело к улучшению внешней характеристики.

Номинальное изменение напряжение генератора при этом уменьшилось в 2 раза.

Описанные выше преимущества получены за счет описанных в работе конструктивных изменений, при этом позволяя сохранить достоинства дробных зубцовых обмоток. Методика может быть применена как к генераторам, так и к двигателям переменного тока с дробными зубовыми обмотками с отличным от q=3/8.