Моментные характеристики шаговых двигателей механизмов перемещения регулирующих органов ядерных реакторов
Ключевые слова:
ядерный реактор, система управления и защиты, синхронный привод, индукторный шаговый двигатель, зубцовая зона, статор, ротор, паз, зубец, зубцовое деление
Аннотация
Важнейшим элементом ядерных энергетических установок являются стержни-поглотители, регулирующие в зависимости от своего положения в зоне реактора, скорость деления ядерного топлива. Перемещение и позиционирование регулирующих органов осуществляется посредством электроприводов, входящих в состав системы управления и защиты (СУЗ). В статье рассмотрены индукторные шаговые двигатели с электромагнитным возбуждением электропривода СУЗ. Сопоставлены машины в неявнополюсном и явнополюсном исполнении статора и сделан вывод о преимуществе последних по статическому и динамическому моментам. На основе модели шагового двигателя с различным соотношением числа и ширины зубцов и пазов статора и ротора исследованы динамический (отработка шагов) и статический (удержание регулирующего органа в заданном положении) режимы работы, с учетом влияния нелинейности механической нагрузки. Вычисления экспериментально верифицированы испытаниями натурного образца, изготовленного на базе серийной машины. В статье приведены результаты расчётно-экспериментальных исследований моментных характеристик различных вариантов шаговых двигателей для привода СУЗ. Даны рекомендации по выбору геометрии зубцовой зоны шагового двигателя, позволяющие повысить его моментные характеристики в статическом и динамическом режимах работы.
Литература
1. Емельянов И.Я., Воскобойников В.В., Масленок Б.А. Основы проектирования механизмов управления ядерных реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1978, 272 с.
2. Смирнов А.Ю., Кудряшов Д.А. Совершенствование электромеханических устройств управления скоростью перемещения регулирующего органа исполнительных механизмов систем управления и защиты ядерных реакторов. – Известия высших учебных заведений. Электромеханика, 2016, № 5, с. 25–30.
3. Смирнов А.Ю. и др. Синхронные машины для перемещения регулирующих органов ядерных реакторов и методы проверки их состояния. – Известия высших учебных заведений. Электромеханика, 2014, № 6, с. 22–27.
4. Lipo T.A. Introduction to AC Machine Design. IEEE Press. Series on Power Engineering. Hoboken: John Wiley & Sons, 2017, 544 p.
5. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984, 831 с.
6. Брынский Е.А., Данилевич Я.Б., Яковлев В.И. Электромагнитные поля в электрических машинах. Л.: Энергия, 1979, 176 с.
7. Домбровский В.В. Справочное пособие по расчёту электромагнитного поля в электрических машинах. Л.: Энергоатомиздат, 1983, 256 с.
8. Ивоботенко Б.А. и др. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями. М.: Энергия, 1971, 624 с.
9. Ahn J-W. Switched Reluctance Machines / in book Torque control. Ed. by M.T. Lamchich. Zagreb, Croatia: InTech, 2011, pp. 201–252.
10. Смирнов, А.Ю., Кашканов А.О. Применение совмещённых обмоток в одноимённо-полюсных индукторных двигателях. – Электричество, 2019, № 9, с. 61–65.
11. Fukami T.A. et al. Multipole Synchronous Machine with Nonoverlapping Concentrated Armature and Field Windings on the Stator. – IEEE Transactions on Industrial Electronic, 2012, vol. 59 (6), pp. 2583–2591, DOI: 10.1109/TIE.2011.2157293.
12. Widmer J.D., Mecrow B.C. Optimized Segmental Rotor Switched Reluctance Machines with a Greater Number of Rotor Segments Than Stator Slots. – IEEE Transactions on Industrial Electronic, 2013, vol 49 (4) pp. 1491–1498, DOI: 10.1109/TIA.2013.2255574.
13. Демидова Г.Л. и др. Сравнительный анализ методов управления вентильно-индукторной электрической машиной. – Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2023, т. 23, № 2, с. 390–402.
14. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. М.: Энергия, 1980, 928 c.
15. Raj M.A., Kavitha A. Effect of Rotor Geometry on Peak and Average Torque of External-Rotor Synchronous Reluctance Motor in Comparison with Switched Reluctance Motor for Low-Speed Direct-Drive Domestic Application. – IEEE Transactions on Magnetics, 2017, vol. 53 (11), DOI: 10.1109/TMAG.2017.2710191.
16. Han B. et al. Influence of Control and Structure Parameters on the Starting Performance of a 12/8 Pole Switched Reluctance Motor. – Energies, 2020, vol. 13, No 14, DOI:10.3390/en13143744.
17. Rallabandi V. et al. Optimal Design of a Switched Reluctance Motor with Magnetically Disconnected Rotor Modules Using a Design of Experiments Differential Evolution FEA-Based Method. – IEEE Transactions on Magnetics, 2018, vol. 54 (11), DOI: 10.1109/TMAG.2018.2850744.
18. Abdalmagid M., Bakr M.H., Emadi A. Geometry and Topology Optimization of Switched Reluctance Machines: A Review. – IEEE Access, 2022, vol. 10, pp. 5141–5170, DOI: 10.1109/ACCESS.2022.3140440.
19. Смирнов А.Ю., Александрова Е.Н., Зимин А.Ю. Уточнение моделей расчёта момента при проектировании явнополюсных индукторных двигателей. – Электричество, 2020, № 11. с. 54–59.
20. Иванов-Смоленский А.В. и др. Универсальный метод расчёта электромагнитных процессов в электрических машинах. М.: Энергоатомиздат, 1986, 216 с.
#
1. Emel’yanov I.Ya., Voskoboynikov V.V., Maslenok B.A. Osnovy proektirovaniya mehanizmov upravleniya yadernyh reaktorov (Fundamentals of Designing Control Mechanisms for Nuclear Reactors). M.: Energoatomizdat, 1978, 272 p.
2. Smirnov A.Yu., Kudryashov D.A. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Elektromehanika – in Russ. (News of Higher Educational Institutions. Electromechanics), 2016, No. 5, pp. 25–30.
3. Smirnov A.Yu. et al. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Elektromehanika – in Russ. (News of Higher Educational Institutions. Electromechanics), 2014, No. 6, pp. 22–27.
4. Lipo T.A. Introduction to AC Machine Design. IEEE Press. Series on Power Engineering. Hoboken: John Wiley & Sons, 2017, 544 p.
5. Korn G., Korn T. Spravochnik po matematike dlya nauchnyh rabotnikov i inzhenerov (Handbook of Mathematics for Researchers and Engineers). M.: Nauka, 1984, 831 p.
6. Brynskiy E.A., Danilevich Ya.B., Yakovlev V.I. Elektromag-nitnye polya v elektricheskih mashinah (Electromagnetic Fields in Electric Machines). L.: Energiya, 1979, 176 p.
7. Dombrovskiy V.V. Spravochnoe posobie po raschyotu elektro-magnitnogo polya v elektricheskih mashinah (A Reference Manual for Calculating the Electromagnetic Field in Electric Machines). L.: Energoatomizdat, 1983, 256 p.
8. Ivobotenko B.A. et al. Diskretnyy elektroprivod s shagovymi dvigatelyami (Discrete Electric Drive with Stepper Motors). M.: Energiya, 1971, 624 p.
9. Ahn J-W. Switched Reluctance Machines / in book Torque control. Ed. by M.T. Lamchich. Zagreb, Croatia: InTech, 2011, pp. 201–252.
10. Smirnov, A.Yu., Kashkanov A.O. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2019, No. 9, pp. 61–65.
11. Fukami T.A. et al. Multipole Synchronous Machine with Nonoverlapping Concentrated Armature and Field Windings on the Stator. – IEEE Transactions on Industrial Electronic, 2012, vol. 59 (6), pp. 2583–2591, DOI: 10.1109/TIE.2011.2157293.
12. Widmer J.D., Mecrow B.C. Optimized Segmental Rotor Switched Reluctance Machines with a Greater Number of Rotor Seg-ments Than Stator Slots. – IEEE Transactions on Industrial Electronic, 2013, vol 49 (4) pp. 1491–1498, DOI: 10.1109/TIA.2013.2255574.
13. Demidova G.L. et al. Nauchno-tehnicheskiy vestnik infor-matsionnyh tehnologiy, mehaniki i optiki – in Russ. (Scientific and Technical Bulletin of Information Technologies, Mechanics and Optics), 2023, vol. 23, No. 2, pp. 390–402.
14. Ivanov-Smolenskiy A.V. Elektricheskie mashiny (Electric Machines). M.: Energiya, 1980, 928 p.
15. Raj M.A., Kavitha A. Effect of Rotor Geometry on Peak and Average Torque of External-Rotor Synchronous Reluctance Motor in Comparison with Switched Reluctance Motor for Low-Speed Direct-Drive Domestic Application. – IEEE Transactions on Magnetics, 2017, vol. 53 (11), DOI: 10.1109/TMAG.2017.2710191.
16. Han B. et al. Influence of Control and Structure Parameters on the Starting Performance of a 12/8 Pole Switched Reluctance Motor. – Energies, 2020, vol. 13, No 14, DOI:10.3390/en13143744.
17. Rallabandi V. et al. Optimal Design of a Switched Reluctance Motor with Magnetically Disconnected Rotor Modules Using a Design of Experiments Differential Evolution FEA-Based Method. – IEEE Transactions on Magnetics, 2018, vol. 54 (11), DOI: 10.1109/TMAG.2018.2850744.
18. Abdalmagid M., Bakr M.H., Emadi A. Geometry and Topology Optimization of Switched Reluctance Machines: A Review. – IEEE Access, 2022, vol. 10, pp. 5141–5170, DOI: 10.1109/ACCESS.2022.3140440.
19. Smirnov A.Yu., Aleksandrova E.N., Zimin A.Yu. Elektri-chestvo – in Russ. (Electricity), 2020, No. 11. pp. 54–59.
20. Ivanov-Smolenskiy A.V. et al. Universal’nyy metod raschyota elektromagnitnyh protsessov v elektricheskih mashinah (A Universal Method for Calculating Electromagnetic Processes in Electric Machines). M.: Energoatomizdat, 1986, 216 p
2. Смирнов А.Ю., Кудряшов Д.А. Совершенствование электромеханических устройств управления скоростью перемещения регулирующего органа исполнительных механизмов систем управления и защиты ядерных реакторов. – Известия высших учебных заведений. Электромеханика, 2016, № 5, с. 25–30.
3. Смирнов А.Ю. и др. Синхронные машины для перемещения регулирующих органов ядерных реакторов и методы проверки их состояния. – Известия высших учебных заведений. Электромеханика, 2014, № 6, с. 22–27.
4. Lipo T.A. Introduction to AC Machine Design. IEEE Press. Series on Power Engineering. Hoboken: John Wiley & Sons, 2017, 544 p.
5. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984, 831 с.
6. Брынский Е.А., Данилевич Я.Б., Яковлев В.И. Электромагнитные поля в электрических машинах. Л.: Энергия, 1979, 176 с.
7. Домбровский В.В. Справочное пособие по расчёту электромагнитного поля в электрических машинах. Л.: Энергоатомиздат, 1983, 256 с.
8. Ивоботенко Б.А. и др. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями. М.: Энергия, 1971, 624 с.
9. Ahn J-W. Switched Reluctance Machines / in book Torque control. Ed. by M.T. Lamchich. Zagreb, Croatia: InTech, 2011, pp. 201–252.
10. Смирнов, А.Ю., Кашканов А.О. Применение совмещённых обмоток в одноимённо-полюсных индукторных двигателях. – Электричество, 2019, № 9, с. 61–65.
11. Fukami T.A. et al. Multipole Synchronous Machine with Nonoverlapping Concentrated Armature and Field Windings on the Stator. – IEEE Transactions on Industrial Electronic, 2012, vol. 59 (6), pp. 2583–2591, DOI: 10.1109/TIE.2011.2157293.
12. Widmer J.D., Mecrow B.C. Optimized Segmental Rotor Switched Reluctance Machines with a Greater Number of Rotor Segments Than Stator Slots. – IEEE Transactions on Industrial Electronic, 2013, vol 49 (4) pp. 1491–1498, DOI: 10.1109/TIA.2013.2255574.
13. Демидова Г.Л. и др. Сравнительный анализ методов управления вентильно-индукторной электрической машиной. – Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2023, т. 23, № 2, с. 390–402.
14. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. М.: Энергия, 1980, 928 c.
15. Raj M.A., Kavitha A. Effect of Rotor Geometry on Peak and Average Torque of External-Rotor Synchronous Reluctance Motor in Comparison with Switched Reluctance Motor for Low-Speed Direct-Drive Domestic Application. – IEEE Transactions on Magnetics, 2017, vol. 53 (11), DOI: 10.1109/TMAG.2017.2710191.
16. Han B. et al. Influence of Control and Structure Parameters on the Starting Performance of a 12/8 Pole Switched Reluctance Motor. – Energies, 2020, vol. 13, No 14, DOI:10.3390/en13143744.
17. Rallabandi V. et al. Optimal Design of a Switched Reluctance Motor with Magnetically Disconnected Rotor Modules Using a Design of Experiments Differential Evolution FEA-Based Method. – IEEE Transactions on Magnetics, 2018, vol. 54 (11), DOI: 10.1109/TMAG.2018.2850744.
18. Abdalmagid M., Bakr M.H., Emadi A. Geometry and Topology Optimization of Switched Reluctance Machines: A Review. – IEEE Access, 2022, vol. 10, pp. 5141–5170, DOI: 10.1109/ACCESS.2022.3140440.
19. Смирнов А.Ю., Александрова Е.Н., Зимин А.Ю. Уточнение моделей расчёта момента при проектировании явнополюсных индукторных двигателей. – Электричество, 2020, № 11. с. 54–59.
20. Иванов-Смоленский А.В. и др. Универсальный метод расчёта электромагнитных процессов в электрических машинах. М.: Энергоатомиздат, 1986, 216 с.
#
1. Emel’yanov I.Ya., Voskoboynikov V.V., Maslenok B.A. Osnovy proektirovaniya mehanizmov upravleniya yadernyh reaktorov (Fundamentals of Designing Control Mechanisms for Nuclear Reactors). M.: Energoatomizdat, 1978, 272 p.
2. Smirnov A.Yu., Kudryashov D.A. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Elektromehanika – in Russ. (News of Higher Educational Institutions. Electromechanics), 2016, No. 5, pp. 25–30.
3. Smirnov A.Yu. et al. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Elektromehanika – in Russ. (News of Higher Educational Institutions. Electromechanics), 2014, No. 6, pp. 22–27.
4. Lipo T.A. Introduction to AC Machine Design. IEEE Press. Series on Power Engineering. Hoboken: John Wiley & Sons, 2017, 544 p.
5. Korn G., Korn T. Spravochnik po matematike dlya nauchnyh rabotnikov i inzhenerov (Handbook of Mathematics for Researchers and Engineers). M.: Nauka, 1984, 831 p.
6. Brynskiy E.A., Danilevich Ya.B., Yakovlev V.I. Elektromag-nitnye polya v elektricheskih mashinah (Electromagnetic Fields in Electric Machines). L.: Energiya, 1979, 176 p.
7. Dombrovskiy V.V. Spravochnoe posobie po raschyotu elektro-magnitnogo polya v elektricheskih mashinah (A Reference Manual for Calculating the Electromagnetic Field in Electric Machines). L.: Energoatomizdat, 1983, 256 p.
8. Ivobotenko B.A. et al. Diskretnyy elektroprivod s shagovymi dvigatelyami (Discrete Electric Drive with Stepper Motors). M.: Energiya, 1971, 624 p.
9. Ahn J-W. Switched Reluctance Machines / in book Torque control. Ed. by M.T. Lamchich. Zagreb, Croatia: InTech, 2011, pp. 201–252.
10. Smirnov, A.Yu., Kashkanov A.O. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2019, No. 9, pp. 61–65.
11. Fukami T.A. et al. Multipole Synchronous Machine with Nonoverlapping Concentrated Armature and Field Windings on the Stator. – IEEE Transactions on Industrial Electronic, 2012, vol. 59 (6), pp. 2583–2591, DOI: 10.1109/TIE.2011.2157293.
12. Widmer J.D., Mecrow B.C. Optimized Segmental Rotor Switched Reluctance Machines with a Greater Number of Rotor Seg-ments Than Stator Slots. – IEEE Transactions on Industrial Electronic, 2013, vol 49 (4) pp. 1491–1498, DOI: 10.1109/TIA.2013.2255574.
13. Demidova G.L. et al. Nauchno-tehnicheskiy vestnik infor-matsionnyh tehnologiy, mehaniki i optiki – in Russ. (Scientific and Technical Bulletin of Information Technologies, Mechanics and Optics), 2023, vol. 23, No. 2, pp. 390–402.
14. Ivanov-Smolenskiy A.V. Elektricheskie mashiny (Electric Machines). M.: Energiya, 1980, 928 p.
15. Raj M.A., Kavitha A. Effect of Rotor Geometry on Peak and Average Torque of External-Rotor Synchronous Reluctance Motor in Comparison with Switched Reluctance Motor for Low-Speed Direct-Drive Domestic Application. – IEEE Transactions on Magnetics, 2017, vol. 53 (11), DOI: 10.1109/TMAG.2017.2710191.
16. Han B. et al. Influence of Control and Structure Parameters on the Starting Performance of a 12/8 Pole Switched Reluctance Motor. – Energies, 2020, vol. 13, No 14, DOI:10.3390/en13143744.
17. Rallabandi V. et al. Optimal Design of a Switched Reluctance Motor with Magnetically Disconnected Rotor Modules Using a Design of Experiments Differential Evolution FEA-Based Method. – IEEE Transactions on Magnetics, 2018, vol. 54 (11), DOI: 10.1109/TMAG.2018.2850744.
18. Abdalmagid M., Bakr M.H., Emadi A. Geometry and Topology Optimization of Switched Reluctance Machines: A Review. – IEEE Access, 2022, vol. 10, pp. 5141–5170, DOI: 10.1109/ACCESS.2022.3140440.
19. Smirnov A.Yu., Aleksandrova E.N., Zimin A.Yu. Elektri-chestvo – in Russ. (Electricity), 2020, No. 11. pp. 54–59.
20. Ivanov-Smolenskiy A.V. et al. Universal’nyy metod raschyota elektromagnitnyh protsessov v elektricheskih mashinah (A Universal Method for Calculating Electromagnetic Processes in Electric Machines). M.: Energoatomizdat, 1986, 216 p
