Удосконалення проєктного аналізу електромагнітних параметрів та характеристик індукторів обертового магнітного поля для технологічної обробки різних речовин

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2020. Об'єктом дослідження є індуктори обертового магнітного поля для технологічної обробки різних речовин. Предметом дослідження є електромагнітні параметри та характеристики індукторів обертового магнітного поля. Дисертація присвячена вирішенню актуального наукового завдання з удосконалення проєктного аналізу електромагнітних параметрів в режимі неробочого ходу і характеристик індукторів обертового магнітного поля для технологічної обробки різних речовин в режимі навантаження за наявністю феромагнітних елементів, що обертаються в його робочій камері, на основі чисельно-польових розрахунків. У вступі обґрунтовано актуальність задач дослідження, показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, наведена наукова новизна та сформульоване практичне значення отриманих результатів. В першому розділі установлено, що існуючі методи проєктування індукторів обертового магнітного поля на базі статора трифазного асинхронного двигуна базуються на розрахунках магнітного поля в режимі ідеального неробочого хода і не використовують чисельних методів, які, як представлено в дисертації, дозволяють розраховувати характеристики індуктора в режимі навантаження за наявності феромагнітних елементів в його робочій камері, і дають істотний прогрес в можливостях проєктування та вдосконаленні їхньої конструкції. У другому розділі показано, що застосування квазі-тривимірної математичної моделі індуктора, заснованої на методі плоско-ортогональних розрахункових моделей, що поєднують магнітні поля поперечного та поздовжнього перерізів індуктора, дозволяє проаналізувати розподіли магнітної індукції у його поперечному і поздовжньому перерізах та проявити у достатньо повній мірі його тривимірний характер. Представлена методика на основі чисельно-польових розрахунків магнітного поля для проведення аналізу впливу скорочення обмотки статора індуктора на його електромагнітні параметри. Запропонована методика розрахунку потужності магнітних втрат на основі середньоквадратичного значення максимумів модуля магнітної індукції, яка виявилась універсальною з точки зору різних геометричних форм зубцево-пазової структури і ярма осердя статора, оскільки не вимагає спрощень геометрії розрахункових моделей цих частин конструкції. В третьому розділі вперше визначено, що кут навантаження індуктора відповідає куту повороту магнітного поля, але виявляється в два рази меншим, ніж кут фази струмів обмотки індуктора. Період моментної кутової характеристики виявляється в два рази меншим періоду струмів обмотки індуктора, що відповідає класичним уявленням про кутові функції реактивного моменту електричних машин. Це дозволяє віднести розглянутий індуктор, разом з анізотропним магнітним середовищем в робочій камері, до класу реактивних синхронних машин, а конкретно – двигунів. Запропоновано метод врахування магнітної анізотропії робочої камери індуктора залежно від концентрації феромагнітних елементів в ній. Це дозволило отримати математичну модель для визначення кількісних і фазових співвідношень його електромагнітних величин в режимі навантаження: магнітної індукції, магнітного потокозчеплення, ЕРС, струму, напруги обмотки статора, а також електромагнітний момент в його робочій камері. Представлена методика на основі чисельних розрахунків магнітних полів, яка дозволяє організувати ітераційний процес для розрахункового аналізу характеристик індуктора, що працює зі змінною навантаження при стабільному струмі або напрузі живлення його обмотки. Тестовими розрахунками виявлено, що на ділянці сталої роботи в енергетичному відношенні індуктор характеризується досить високим ККД і вельми низьким значенням коефіцієнта потужності. При порівнянні кутових характеристик індуктора виявлено, що більш раціональним для експлуатації індуктора є режим при стабілізації напруги, який в бажаному робочому діапазоні кута навантаження до 25° забезпечує кращі його електричні, магнітні, силові і енергетичні параметри. Запропонований струмовий метод контролю концентрації феромагнітних елементів у робочій камері індуктора в процесі його експлуатації. Практичні розрахунки показали, що такий метод є більш чутливим і не вимагає ускладнення конструкції індуктора у порівнянні з альтернативним методом контролю за допомогою вимірювальних витків. Спостереження за струмом обмотки індуктора дозволяє контролювати заповнення його робочої камери феромагнітними елементами, не перериваючи процесу експлуатації. Це дає можливість своєчасно поповнювати камеру такими елементами і, тим самим, підтримувати на заданому рівні технологічну обробку різних речовин, що пропускаються через цю камеру. У четвертому розділі представлені експериментальні дослідження фізичної моделі індуктора, які підтвердили результати математичного моделювання електромагнітних процесів індуктора в режимі неробочого ходу і в його робочому режимі.The thesis is submitted to obtain a scientific degree of Doctor of Philosophy, specialty 141 – Electricity, electronics and electrical engineering – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2020. The object of research are inductors of rotating magnetic field for technological operation of various substances. The subject of research are electromagnetic parameters and characteristics of inductors of rotating magnetic field. The dissertation is dedicated to solve actual scientific task of the design analysis development of electromagnetic parameters and characteristics of rotating magnetic field inductors for various substances technological operation. The introduction substantiates the relevance of the research tasks, shows the relationship of the work with scientific programs, plans, themes, provides scientific novelty and the practical significance of the results was formulated. In the first section, it is established that the existing methods for designing rotating magnetic field inductors based on the stator of a three-phase asynchronous motor are based on calculations of the magnetic field in the ideal idle mode and do not use numerical methods, which, as presented in the thesis, allow calculating the characteristics of the inductor in the load mode at the presence of ferromagnetic elements in its working chamber and give significant progress in the possibilities of designing and improving their design. The second chapter shows that the application of the quasi-three-dimensional mathematical model of the inductor, that was based on the method of plane-orthogonal calculated models, that combines the magnetic fields of the transverse and longitudinal sections of the inductor, allows us to analyze the distributions of magnetic induction in the transverse and longitudinal sections and to show fully its three-dimensional character. Based on the numerical-field calculations of rotating magnetic field the calculation methodology was presented in order to analyze the effect of shortening the stator winding of the inductor on its electromagnetic parameters. The proposed calculation methodology of the magnetic loss power based on the RMS maximums value of the magnetic induction module, that turned out to be universal from the point of view various geometric shapes of the toothed-groove structure and the stator yoke, because it doesn't need require simplifications of the design models geometry of these parts of the construction design. The third chapter deals with the inductor load angle that corresponds to the angle of rotation of the magnetic field and it was defined for the first time, but turns out that the inductor load angle two times less than the phase angle of the inductor winding currents. It turns out that the period of the angular torque characteristic two times less than the period of the inductor winding currents, which corresponds to the classical ideas about the angular functions of the reactive torque of electrical machines. Eventually, it allows to classify the considered inductor, together with the anisotropic magnetic environment in the working chamber, to the class of reluctance synchronous machines, and specifically, motors. The accounting method of the magnetic anisotropy of the inductor working chamber in dependence to concentration of ferromagnetic elements in it was proposed. It allows to obtain a mathematical model for determining the quantitative and phase correlations of its electromagnetic values in the load mode: magnetic induction, magnetic flux linkage, EMF, current voltage of the stator winding, and the electromagnetic torque in the working chamber. The presented methodology which is based on numerical calculations of magnetic fields, allows organizing an iterative process for the computational analysis of the characteristics of the inductor, that operates with a variable load at a stable current or supply voltage of its winding. By the test calculations it was found, that in the area of constant operation in terms of energy, the inductor is characterized by a sufficiently high efficiency and a very low power factor. During the comparison of the inductor angular characteristics, it was found that the more rational for the inductor working is the voltage stabilization mode, which in the desired working range of the load angle up to 25° provides the best electrical, magnetic, power and energy parameters. The current method for monitoring the concentration of ferromagnetic elements in the working chamber of the inductor during its operation was proposed. The practical calculations have shown that this method is more sensitive and doesn't require a complication of the inductor design in comparison with the alternative monitoring method using measuring coils. Observing the winding current of the inductor allows us to control the filling with ferromagnetic elements of its working chamber without interrupting the working process. It allows to replenish the working chamber in time with such elements and thereby maintain the technological operation of various substances on a given level, which are passed through this chamber. In the fourth chapter experimental studies of the inductor physical model are presented and it confirmed the results of mathematical modeling of the electromagnetic processes of the inductor in the no-load mode and in the operate mode.