Лабораторная работа № Исследование магнитного поля модели сверхпроводникового индуктора синхронного генератора

Вид материала

Содержание

3. Описание основных элементов установки.
Основные геометрические размеры исследуемой модели
Eд – ЭДС, наводимая в датчике, В w

Подобный материал:

Лабораторная работа № 3. Исследование магнитного поля модели сверхпроводникового индуктора синхронного генератора.

1. Введение. Настоящая лабораторная работа посвящена исследованию магнитного поля макета системы возбуждения турбогенератора с криогенным охлаждением ротора.

Целью исследования является ознакомление с конструкцией ротора такого генератора, изучения распределения стационарного магнитного поля, создаваемого моделью сверхпроводникового индуктора, и определение коэффициента ослабления поля внешним электропроводящим экраном.

2. Теоретическая часть. Возможность использования в авиационной электроэнергетике криотурбогенераторов со сверх- и криопроводниковыми обмотками возбуждения исследуется в течение последних 20 лет.

Конструкция такого генератора отличается от конструкции турбогенератора традиционного исполнения отсутствием ферромагнитного сердечника ротора. В настоящее время в результате теоретических и экспериментальных исследований принята следующая конструктивная схема сверхпроводникового генератора (рис. 3.1, 3.2): сверхпроводниковая обмотка возбуждения совместно с системой электромагнитных экранов расположена на роторе, обмотка переменного тока размещается в беззубцовом пространстве внутри ферромагнитного сердечника, экранирующего внешнее пространство от электромагнитных полей.

Ротор сверхпроводникового генератора представляет собой вращающийся криостат, внутри которого расположена сверхпроводниковая обмотка возбуждения. Каркасом для обмотки служит, как правило, цилиндр из коррозионно-стойкой стали, в котором выфрезерованы каналы для жидкого гелия. Секции обмотки возбуждения концентрически уложены на цилиндрической поверхности каркаса и образуют седлообразные катушки. Внутри обмотки предусматриваются каналы для хладагента, так, что обеспечивается растекание его в пределах пазовой и лобовой частей.

В качестве обмоточного материала обмотки возбуждения обычно используется шина, состоящая из ниобий-титановых жил в медной матрице, обеспечивающей тепловую стабилизацию сверхпроводника и механическую прочность магнитной системы. Охлаждение обмотки возбуждения осуществляется целиком по замкнутому циклу путём непрерывной принудительной подачи гелия в ротор.

Снаружи обмотка забандажирована цилиндром (например, из коррозионно-стойкой стали), который воспринимает центробежные и электро-магнитные усилия, воздействующие на обмотку.

Кроме того, на роторе расположены несколько цилиндрических оболочек, основное назначение которых - электромагнитное экранирование и демпфирование. Так как в сверхпроводниковой обмотке возбуждения переменное магнитное поле вызывает значительные потери, в результате которых возможен переход сверхпроводника в нормальное состояние, то проникновение таких полей в индуктор недопустимо. Поэтому, как основной элемент конструкции, сверхпроводниковый турбогенератор должен иметь экранирующую систему, способную предотвратить проникновение переменных магнитных полей, наведённых токами якорных обмоток, в зону сверхпроводника. Степень экранирования магнитного поля при этом характеризуется обычно коэффициентом ослабления поля К_э, представляющим собой отношение индукции магнитного поля в данной точке при наличии экрана и без него.

Разработка и совершенствование конструкции сверхпроводникового турбогенератора предполагают теоретическое и экспериментальное исследование магнитного поля, создаваемого сверхпроводниковой обмоткой возбуждения. Рассмотрим прежде всего аналитический расчет магнитного поля и индуктивности сверхпроводниковой обмотки возбуждения.

Радиальная и азимутальная составляющая напряженности магнитного поля, обусловленные током в обмотке і_f для точки с произвольными полярными координатами {r,j} могут быть определены по следующим формулам:

(1);

(2);

где w_f и p - количество витков и число пар полюсов обмотки возбуждения; R₁и R₂ - внутренний и наружный радиусы обмотки возбуждения; l_k - длина катушки

Эти формулы позволяют определить напряжённость магнитного поля без учёта влияния лобовых частей. При расчёте по ним погрешность тем меньше, чем больше длина катушки.

Индуктивность сверхпроводниковой обмотки, рассчитанная по первой гармонической поля основной частоты определяется как:

(3);

(3a);

Величина l, входящая в эти выражения, представляет собой длину прямолинейных частей катушки, увеличенную наполовину длины вылета лобовых частей: l = l_п +l_л .

3. Описание основных элементов установки. В качестве модели сверхпроводникового индуктора в работе используется четырех полюсная катушка из медного провода.

Основные геометрические размеры исследуемой модели:

Длина прямоугольных частей	l	0.160 м
Длина вылета лобовых частей	l_л	0.025 м
Наружный радиус обмотки	R₂	0.040 м
Внутренний радиус обмотки	R₁	0.030 м
Число витков	W_f	3000
Число пар полюсов	p	2
Активное сопротивление	R_f	117 Ом

Схема измерения представлена на рис. 3.3. Обмотка питается от звукового генератора током с частотой 1000 Гц. Индукционный датчик расположен так, что измеряет только радиальную составляющую индукции.

Измерение индукции магнитного поля в настоящей работе производится индукционным методом. Для этой цели изготовлена плоская прямоугольная катушка. Измеряя ЭДС, наводимую переменным током обмотки возбуждения в измерительной катушке, можно найти азимутальные и радиальные составляющие индукции B магнитного поля в этой точке как:

(4);

E_д – ЭДС, наводимая в датчике, В

w_д, S_д, – число витков и эквивалентная площадь катушки, Гц

f – частота переменного магнитного поля,

K_д – чувствительность датчика, В/Тл

Частотная зависимость К_д (f) представлена на рис. 3.4.

Крепление исследуемой катушки позволяет вращать её вокруг своей оси, а индукционный датчик может перемещаться как вдоль оси, так и вдоль радиуса обмотки. Таким образом, обеспечивается возможность измерения магнитного поля в любой точке окружающего пространства. Магнитное поле исследуемой катушки экранируется медным цилиндром толщиной 1мм.

W_д = 1000; S_д = 4 мм²

4. Методические указания.

1. Собирается схема измерения согласно рис. 3.3.

2. Подготовка приборов - генератора звуковой частоты Г3-33 и вольтмиллиамперметра к работе.

А. Ручки и переключатели генератора Г3-33 установить в следующие положения:

шкала прибора - х2
пределы шкал – 3 , 10 , 30 , +30
выходное сопротивление – 600 Ом
внутренняя нагрузка – выкл.
Частота – 100
Множитель – х10

В. Переключатели вольтмиллиамперметра установить на диапазоны измерений:

– 0,01;
– 100.

С. Включить приборы в сеть. После прогрева (~5 мин) подключить к генератору через миллиамперметр индуктор и ручкой генератора «Рег. выхода» установить ток 40 мА.

Д. Проведение измерений осуществляется далее в соответствии с методическими указаниями данной работы.

3. Индукционный датчик устанавливается приблизительно на середине катушки, чтобы он чуть касался её, и на шкале, фиксирующий перемещение датчика в радиальном направлении, отмечается это положение. Затем датчик отводится от катушки на величину 5 мм. Поворачивая катушку вокруг своей оси, по показаниям вольтметра найти положение, где величина радиальной составляющей магнитного поля минимальна (показания вольтметра = 0).

4. Вращая катушку вокруг своей оси от 0 до 180 через каждые 10 снять показания вольтметра в измерительной цепи. По полученным данным используя формулу (4), строится зависимость радиальной составляющей индукции магнитного поля от угла поворота В_r(φ).

5. Установить катушку так, чтобы датчик находился в максимальном магнитном поле. Перемещая датчик вдоль радиуса через каждые 5 мм, снять показания вольтметра. Учитывая, что минимальное расстояние датчика от катушки = 2,5мм, по полученным данным построить зависимость, характеризующую затухание магнитного поля вдоль радиуса В_r(r).

6. Изменяя положение вдоль радиуса, найти такое положение, чтобы показания вольтметра были в диапазоне 0.002 – 0.003 В. Принимая за начало отсчёта середину катушки и перемещая датчик вниз вдоль оси катушки, снимаются показания вольтметра через каждые 10 мм. По полученным данным строится зависимость, характеризующая изменение радиальной составляющей индукции магнитного поля вдоль оси катушки В_r(z).

7. Отвести датчик от катушки и надеть на неё экранирующий медный цилиндр. Подвести датчик к экранирующей оболочке (в середине катушки) и снять показания вольтметра при частотах 1200, 1000, 500, 250 Гц. Экран снять с катушки и не меняя положения датчика снова снять показания вольтметра. По полученным данным определяется зависимость коэффициента экранирования от частоты К_э(f).

8. На частоте 500 Гц измерить напряжение на клеммах звукового генератора и ток протекающий через катушку. По полученным данным используя выражение:

;

рассчитать индуктивность обмотки.

5. Задание

1. Произвести измерения и построить зависимость радиальной составляющей магнитного поля

А) по углу,

Б) вдоль радиуса обмотки,

2. Те же зависимости получить расчетным путем и сравнить полученные результаты.

3. Построить кривую зависимости коэффициента экранирования от частоты в пределах 250 - 1200 Гц.

4. Определить индуктивность катушки экспериментальным и расчетным путем. Результаты сравнить.

К_э= В_{без экрана}/В_{с экраном}.

Рис. 3.1 Конструкция криотурбогенератора с кольцевой обмоткой якоря

Рис. 3.2 Схематический поперечный разрез криотурбогенератора

1 – обмотка якоря; 2 – вал; 3 – обмотка возбуждения; 4 – щеточно-коллекторный узел; 5 – статор; 6 – подшипниковый узел; 7 – токоотвод от ОЯ; 8 – кожух; 9 – боковая крышка; 10 – болт крепежный; 11 – масляное охлаждение якоря; 12 – подвод жидкого гелия; 13 – отвод гелия; 14 – вакуумная рубашка; 15 – канал для жидкого гелия; 16 – зубцы; 17 – ротор.

Рис. 3.3 Схема измерения магнитного поля.

Рис. 3.4 Частотная зависимость Кд (f)

Blog

Лабораторная работа № Исследование магнитного поля модели сверхпроводникового индуктора синхронного генератора

Содержание