18 декабря 2016г.
THE APPLICATION OF ELEKTROMAGNETIC CLUTCH IN THE WIND ELECTRIC INSTALLATION
Abdulkadirov A., Aliyev N., Rustemov R.
(Abdulkadirov Abdulla, Doctor of Science, professor of Azerbaijan State University Oil and Industry Aliyev Nadir, Candidate of Science, associate professor of Azerbaijan State University Oil and Industry Rustemov Ramiz, Caspian Sea Oil Fleet)
АННОТАЦИЯ
В статье рассмотрена задача оптимизации параметров электромагнитной муфты скольжения, предлагаемой использовать в ветроэлектрической установке в качестве демпфирующего элемента, методом планирования эксперимента. Данная задача может быть поставлена в двух аспектах: оптимизация механической характеристики муфты, или же оптимизация ее весогабаритных показателей. Здесь дано решение первой задачи.
ABSTRAKT
The article considers the problem of optimization the parameters of electromagnetic clutch, offered in a wind electric installation as a damping element, the method of experiment planning. This problem can be supplied in two aspects: the optimization of the mechanical characteristics of the clutch or the optimization of its weight and dimensional parameters. Here we solve the first problem.
Ключевые слова: ветроэлектрическая установка, электромагнитная муфта скольжения, оптимизация параметров.
Keywords: wind electric installation, electromagnetic clutch, optimization of parameters.
Электромагнитные муфты скольжения (ЭМС) находят широкое применение в различных электроустановках, в том числе ветроэлектрических установках (ВЭУ), и позволяют существенно повысить эффективность их работы. Поэтому разработка методов оптимизации параметров таких муфт на стадии проектирования является весьма актуальной задачей.
Существует большое разнообразие электромеханических преобразователей, применяемых в ВЭУ. По своим энергетическим показателям среди них особое место занимает синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов [1,2].
Однако динамические показатели их оставляют желать лучшего. Порывы ветра, вызывающие значительные колебания вала ветродвигателя и, соответственно, синхронного генератора, приводят к колебаниям электромагнитной мощности. Как видно, реакция синхронного генератора на порывы ветра очень сильная, что нередко приводит к выпадению его из синхронизма. Отсутствие возможности воздействовать на этот процесс через магнитный поток возбуждения генератора усугубляет этот недостаток.
Одним из способов демпфирования динамических процессов в такой системе является применение электромагнитной муфты скольжения [1]. В данной работе рассматривается метод оптимизации параметра ЭМС по моменту.
Конструктивно ЭМС состоит из массивного цилиндрического якоря и явнополюсного индуктора с массивным сердечником. Известно, что проектирование и исследование режимов работы ЭМС с учетом изменения магнитной проницаемости и удельного электрического сопротивления стали, краевого эффекта и потерь на гистерезис методом эквивалентирования массивного магнитопровода сосредоточенными контурами сопряжены с большими трудностями [3] . Эти трудности особенно возрастают при оптимизации проектирования таких машин по техническим или экономическим критериям. В качестве технического критерия оптимума часто используют обеспечение рациональный формы механической характеристики
M (n) ЭМС, отвечающей технологическим требованиям электроустановки.
Известно, что электромагнитный момент ЭМС существенно зависит от геометрических размеров, материалов активных частей, индукции магнитного потока в воздушном зазоре, реакции якоря и частоты вращения ротора. Эти зависимости являются сложно-нелинейными и определяются в результате проведения почти полного объема проектирования машины.
Из изложенного следует, что большую актуальность представляет определение удобной формы выражения электромагнитного момента в зависимости от всех основных факторов и решение задачи оптимизации на ее основе. Таким выражением M =f (n) может служить регрессионное уравнение
M = b0 + b1x1 + K + bn xn + b12 x1x2 + K + b1n x1xn . (1)
Здесь x1 ; x2 ;Kxn - независимые переменные факторы.
В качестве этих факторов принимаются геометрические и электромагнитные параметры машины, существенно влияющие на величину и форму электромагнитного момента.
Нами приняты следующие факторы: длина якоря и сердечника полюса сопротивление стали ρ ; индукции в воздушном зазоре при холостом ходе индукции k1 ; коэффициент учета зубчатости якоря α .
lz ; удельное электрическое B1mo ; степень уменьшения
Все эти факторы варьируются на основе их базовых значений в определенном интервале. Отметим, что скольжение не введено в число факторов в явной форме. Оно задается дискретными значениями, например,
s = 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1 и регрессионное уравнение (1) определяется для каждого значения скольжения. Нами применен дробно-факторный эксперимент , позволяющий сократитьчисло экспериментов д N = 2n 1 = 16 [4] .
Проведенный анализ показывает, что тройными и более высокими порядками взаимодействия факторов можно пренебречь из-за их малости. Исходя из изложенного, составлена матрица проведения экспериментов (таблица):
Следует отметить, что в качестве базовых значений факторов приняты значения их для ИЭМ-800 с гладким массивным якорем и когтеобразными массивными полюсами.
Полученная
система
регрессионных уравнений
для
пяти
значений скольжения
после проверки значимости и адекватности имеет следующий вид:
Здесь все факторы приняты в относительных единицах (±1), а значения моментов в Нм.
На рис. 1 показана область
возможных изменений механических характеристик ЭМС,
построенная по формулам (2), подстановкой в них соответствующий граничных значений факторов (кривые 1, 2). Оптимизация формы механической характеристики объекта заключается в том, чтобы задавая в области (1- 2) рис. 2 нужную по техническим и технологическим соображениям форму M = f (s) , например, в виде кривой 3, определить соответствующие экстремальные значения факторов.
Таким образом, задав оптимальную форму M = f (s) (кривая 3),
определяем значения
соответствующий моментов
для скольжения s = 0,05 ;s = 0,1; s = 0,2 ;
s = 0,5 ; s = 1,0
и, решая совместно все уравнения системы (2), получаем значения факторов.
Эти алгебраические уравнения являются нелинейными и решение их производится на ЭВМ применением градиентного метода (координатного спуска) следующим образом [5]: 1.Задаем
левые части всех уравнений; 2. Всем переменным (факторам) присваиваем их базовые значения; 3. Вычисляем правые части уравнений; 4. Определяем разность левых и правых частей уравнения; 5. Вычисляем погрешность всех уравнений по формуле:
где
yэi - численные значения левых частей уравнений;
y ρi - численные значения правых частей уравнений.
6. По координатной
вариации шагом 0,001 при закрепленных других
координатах
вычисляем
и минимизируем σ по (3).
Найденные значения факторов затем переводятся из относительных единиц в абсолютные.
Решением системы уравнений
(2) получены
следующие
значения факторов: а) в относительных единицах:
α = 0,4 ;
lz = 0,41; ρ =0,401;B1mo = 0,2 ;k1 =0,602 ; б) в абсолютных единицах:α = 1,5 ; lz =
27,6 см; r = 236 ×10-9 Ом; B1mo =
1,04 Тл; k1 = 0,725 .
Сравнение результатов эксперимента (кривая 1) и расчета (кривая 2) рис. 2 показывает, что меха- нические характеристики, построенные для базовых значений факторов, практически совпадают. Эта проверка является дополнительным подтверждением адекватности полученных уравнений регрессии.
Список литературы
1.
Windenergetic. 2006. Bundecverband Wind Energetic Service GmbH 2006. (Справочник)
2.
Мустафаев Р.И., Гасанова Л.Г. Сравнительная оценка эффективности функционирования совре- менных ветроэлектрических установок // Изв. Вузов. Электромеханика. 2008. №4. с. 57-60.
3.
Куцевалов В.М. Асинхронные и синхронные машины с массивными роторами. М.: Энергия, 1979.
4.
Ивоботенко Б.А., Ильинский Н.Ф., Копылов И.П. Планирование эксперимента в электромеханике– М.: Энергия, 1975.
5.
Уайлд В. Методы поиска экстремума. – М.: Наука, 1967.
