Формування характеристик асинхронних двигунів з масивними елементами в магнітопроводі ротора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут електродинаміки

УДК 621.313.333

Формування характеристик асинхронних двигунів з масивними елементами в магнітопроводі ротора

Спеціальність 05.09.01 “Електричні машини і апарати”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Головань Іван Васильович

Київ 2008

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у відділі електромеханічних систем Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, с.н.с

Попович Олександр Миколайович, старший науковий

співробітник відділу електромеханічних систем

Інституту електродинаміки НАН України.

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор

Красношапка Дмитро Максимович, професор кафедри

автоматизації енергоменеджменту Національного

авіаційного університету МОН України;

- кандидат технічних наук, с.н.с.

Пєтухов Ігор Сергійович, старший науковий

співробітник відділу перетворення та стабілізації

електромеханічних процесів Інституту

електродинаміки НАН України, м. Київ.

Захист дисертації відбудеться 29 жовтня 2008 р. об 11-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.03 в Інституті електродинаміки НАН України, за адресою: 03680, Київ-57, проспект Перемоги, 56, тел. 456-91-15.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України за вищевказаною адресою.

Автореферат розіслано «23» вересня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.В. Бібік

асинхронний двигун магнітопровід

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Однією з найважливіших задач, що стоять перед багатьма галузями промисловості, сільського господарства, транспорту України, являється технічне переснащення сфери виробництва з метою підвищення конкурентної спроможності випускаємої продукції. Для рішення цієї задачі необхідно наряду з підвищенням якості продукції мінімізувати витрати на її виробництво.

У зв'язку з широким застосуванням в сферах матеріального виробництва і господарської діяльності асинхронних двигунів (АД), в тому числі в інтенсивних динамічних режимах роботи, та об'ємом споживаємої ними електричної енергії особливо актуальною проблемою є покращення масогабаритних, енергетичних показників та показників надійності і вартості.

Існує чимало технологічних процесів, що вимагають для їх реалізації можливості експлуатації двигунів в інтенсивних динамічних режимах: з частими та важкими пусками, частим гальмуванням, реверсами. Ефективна реалізація таких режимів роботи можлива завдяки створенню конструкцій двигунів з спеціальними властивостями і параметрами, або електромеханічних комплексів на базі серійних двигунів з короткозамкнутим ротором і з перетворювачами параметрів електричної енергії.

Одними з ефективних конструктивних рішень в галузі створення асинхронного електроприводу зі спеціальними властивостями і параметрами є АД з фазним ротором (ФР) і індукційними реостатами (ІР). Але такі системи мають недоліки, які полягають в низькій надійності, високій вартості і збільшенні витрат на обслуговування. Вони притаманні і електромеханічним комплексам, в яких реалізується управління частотою і напругою по певному алгоритму, які також використовуються з метою реалізації інтенсивних динамічних режимів. У зв'язку з наявністю означених недоліків у АД і систем на їх базі для роботи в інтенсивних динамічних режимах, необхідним є пошук шляхів їх зменшення.

Актуальність теми. Підвищення надійності, зниження вартості, забезпечення високих пускових і робочих властивостей АД в інтенсивних динамічних режимах роботи залежать від розв'язку задачі обмеження величини пускового струму, формування необхідної механічної характеристики та засобів для здійснення цього. Це можливо здійснити при умові значної зміни електричних і магнітних параметрів ротора в функції його ковзання (АД з частотозалежними параметрами ротора). Одним з найефективніших засобів досягнення такої умови є використання масивних феромагнітних елементів в магнітопроводі ротора.

Асинхронні двигуни, магнітопровід ротора яких включає масивні феромагнітні елементи, далі будемо називати асинхронними двигунами з масивними елементами в магнітопроводі (МЕМ) ротора.

Асинхронні двигуни з МЕМ ротора дають можливість отримати добрі пускові властивості, просту конструкцію ротора, що підвищує надійність двигуна в цілому. Але, через низьку енергоефективність в робочих режимах, вони широкого застосування не отримали. Підвищити їх енергоефективність можливо шляхом варіювання геометричних параметрів масивних елементів в процесі проектування АД. Але, внаслідок складності адекватного врахування фізичних процесів в АД при математичному моделюванні, проектування таких двигунів ускладнюється. Тому розробка математичної моделі АД з МЕМ ротора, що дозволяє адекватно дослідити реальні фізичні процеси, з метою створення та проектування на її основі нових конструкцій є необхідним засобом для підвищення енергоефективності таких двигунів.

Таким чином, розробка математичної моделі АД з МЕМ ротора для дослідження їх режимів роботи, створення ефективних конструкцій АД з МЕМ ротора, а також розробка рекомендацій по їх проектуванню є актуальною науковою задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Науково- дослідна робота по темі дисертації проводилась в Інституті електродинаміки НАН України у відповідності з планами НДР НАН України за темами: «Розробити математичні моделі для дослідження та проектування електромеханічних систем на базі асинхронних машин з урахуванням особливостей живлення та динаміки навантаження» (шифр - «АСЕЛМА», затверджена рішенням Вченої ради ІЕД НАН України від 2003р., № ДР 0104U000267), де здобувач був одним з виконавців робіт, що пов'язані з математичним моделюванням і дослідженням режимів роботи асинхронного двигуна з масивними елементами в магнітопроводі ротора; «Розробка методів забезпечення енергоефективності експлуатації електричних машин з подовженим ресурсом» (шифр - «Енергоресурс», затверджена рішенням Вченої ради ІЕД НАН України від 2003р., № ДР 0104U006434), де здобувачем розроблена Simulink модель дослідження режимів роботи АД від перетворювача напруги; госпдоговір за назвою «Розробка методів та засобів забезпечення енергоефективності електромеханотронних перетворювачів енергії» (шифр - «Енергозбереження», затверджена рішенням Вченої ради ІЕД НАН України від 2006р. за договором №685-2006, № ДР 0107U000071), де здобувач виконав моделювання електромагнітного поля електромехано-тронного перетворювача енергії; госпдоговір за назвою «Розробка методів та засобів забезпечення енергоефективності електромеханотронних перетворювачів енергії» (шифр - «Енергозбереження», затверджена рішенням Вченої ради ІЕД НАН України від 2007р. за договором №686-2007, № ДР 0107U000071), де здобувач був одним з виконавців розробки алгоритму розрахунку параметрів електромеханотронних перетворювачів енергії.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка уточненої математичної моделі АД з МЕМ ротора для проектування і дослідження режимів роботи та створення за її допомогою ефективних конструкцій двигунів, призначених для роботи в інтенсивних динамічних режимах.

Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні задачі, що полягали в:

- уточненні математичної моделі АД з МЕМ ротора з урахуванням вихрових струмів шляхом еквівалентування їх зосередженими струмами еквівалентних контурів, обумовлених зміною потоку по тангенціальному і радіальному напрямкам;

- розробці методики розрахунку параметрів еквівалентних контурів АД з МЕМ ротора при аналізі електромагнітного поля в квазітривимірній постановці задачі;

- визначенні ступеню адекватності розробленої математичної моделі АД з МЕМ ротора;

- розробці конструкції та дослідженні закономірностей впливу зміни конструктивних параметрів тришарового масивного ротора на характеристики АД.

Об'єктом дослідження є пускові і робочі процеси АД з МЕМ ротора.

Предметом дослідження є механічні та робочі характеристики АД з МЕМ ротора.

Методи досліджень. При вирішенні поставлених у роботі задач використовувались методи теорії узагальнених електромеханічних перетворювачів енергії, методи чисельного розв'язку електромагнітного поля, аналізу нелінійних електричних кіл, аналізу нелінійних магнітних кіл, математичного моделювання електромеханічних систем.

Наукова новизна одержаних результатів:

- уточнено математичну модель АД з МЕМ ротора, в якій, на відміну від відомих, вихрові струми еквівалентуються двома системами зосереджених струмів, обумовлених зміною потоку по тангенціальному і радіальному напрямкам;

- вперше одержано вирази для розрахунку параметрів еквівалентних контурів вихрових струмів, обумовлених зміною потоку по тангенціальному і радіальному напрямкам, для АД: з гладким масивним феромагнітним ротором (МФР); з МФР з короткозамкнутою обмоткою (КЗО); з МЕМ ротора у вигляді фероклітки;

- удосконалено вирази розрахунку реактивної потужності лобової ділянки контуру, що еквівалентує вихрові струми. Отримані вирази відрізняються від існуючих врахуванням нерівномірності розподілу струмів в лобовій частині ротора;

- вперше дана кількісна оцінка впливу електромагнітних процесів по основному потоку взаємної індуктивності в торцевих поверхнях масивного феромагнітного ротора на характеристики режиму роботи АД;

- вперше визначено закономірності зміни параметрів робочих режимів АД з тришаровим масивним ротором в залежності від співвідношення його конструктивних параметрів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

- на основі уточненої математичної моделі складено комплекс програм для дослідження механічних та робочих характеристик, який використано при проектуванні АД з МЕМ ротора електроприводу ескалатора Київського метрополітену;

- за результатами досліджень закономірностей протікання електромагнітних процесів в масивних елементах магнітопроводу ротора, була розроблена конструкція тришарового масивного ротора АД, на яку виданий патент на корисну модель №26574 Україна, МПК Н02К 1/22 “Тришаровий масивний ротор асинхронного двигуна ”;

- за результатами досліджень впливу зміни конструктивних параметрів масивних елементів магнітопроводу ротора на характеристики двигуна спроектовано АД з тришаровим масивним ротором;

- розроблена математична модель і складені на її основі комплекс програм, для дослідження механічних та робочих характеристик, а також розроблені рекомендації по особливостям проектування АД з МЕМ ротора можуть бути використані конструкторськими бюро і виробничими підприємствами при розробці і виговленні таких АД в складі електроприводів з в інтенсивними динамічними режимами роботи;

- результати роботи впроваджені в учбовий процес і використовуються на кафедрі “Електромеханічного обладнання енергоємний виробництв” НТУУ ”КПІ” для цілей дипломного проектування та при написанні магістерських і бакалаврських робіт.

Особистий внесок здобувача. В роботах, опублікованих в співавторстві, особисто автору належить: в роботі [1,3] - дослідив вплив врахування витіснення магнітного потоку вихровими струмами з листів шихтованого магнітопроводу на результати розрахунку магнітного кола; в [2] - розробив програму розрахунку проникнення плоскої електромагнітної хвилі у ферромагнітний напівпростір; в [4] - вивів систему рівнянь електричної рів-новаги АД з урахуванням еквівалентних контурів втрат в сталі статора і ротора; в [5] - дослідив закономірності протікання електромагнітних процесів в массивному феромагнітному роторі в 3-D постановці; в [6,8] - розробив алгоритм та програми розрахунку системи рівнянь електричної і механічної рівноваги АД з МЕМ ротора; в [7] - розробив методику розрахунку пара-метрів системи рівнянь електричної рівноваги масивного феромагнітного ротора в умовах аналізу електричного поля в квазітривимірній постановці задачі. Провів дослідження характеристик АД з МФР при варіюванні частотою та напругою живлення; в [9] - провів порівняння результатів чисельних і фізичних експериментів АД з різними конструкціями ротора; в [10] - розробив алгоритм і програму розрахунку параметрів магнітопроводу при зміні частоти перемагнічування електромагнітного поля; в [12] - розробив конструкцію та виконав розрахункове обґрунтування ефективності технічного рішення.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати роботи доповідались на Міжнародній науково-практичній конференції “Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах” (м. Севастополь, 2004 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції “ Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації” (м. Кременчук, 2005 р.), на Міжнародному симпозіумі “Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика” (Харків, 2006 р.), на VIII Міжнародній конференції “Проблеми сучасної електротехніки 2006” (м.Київ, 2006 р.), на Міжнародній науково-практичній конференції “Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах”(м.Севастополь,2007 р.).

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи опубліковано в 12 наукових працях, з них 8 статей у фахових наукових виданнях, 3 тези доповідей на наук.-техн. конференціях і симпозіумах, 1 патент України.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатку. Повний обсяг роботи становить 177 сторінки, в тому числі 174 сторінок основного тексту, 46 рисунків, 6 таблиць, список використаних джерел із 119 найменувань та 1 додаток.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність напрямку досліджень дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, наведено основні положення, що визначають наукове і практичне значення результатів досліджень.

Перший розділ присвячений обґрунтуванню актуальності застосування АД з МЕМ ротора для роботи в інтенсивних динамічних режимах. Як свідчить аналіз літературних джерел, для роботи в інтенсивних динамічних режимах роботи, АД знаходять широке застосування в складі електроприводних пристроїв в багатьох галузях промисловості, сільського господарства, транспорту України.

Аналіз основних конструктивних рішень ротора АД, які найкраще задовільняють вимогам по забезпеченню інтенсивних динамічних режимів роботи, а сааме: низькій кратності пускових струмів, високій кратності пускового моменту, високій енергоефективності, надійності і простоті експлуатації - показав, що одними з найбільш ефективних являються конструкції АД з МЕМ ротора.

В розділі також проведено аналіз існуючих методів дослідження АД, який свідчить, про складність їх використання при розробці конструкцій і дослідженні режимів роботи АД з МЕМ ротора. На підставі проведеного аналізу, були зроблені висновки, які свідчать про доцільність використання чисельних методів розрахунку електромагнітного поля при визначенні параметрів АД з МЕМ ротора і залежності їх зміни.

В другому розділі розроблено уточнену математичну модель АД з МЕМ ротора для дослідження режиму його роботи. Відмінною особливістю даної математичної моделі від відомих, є еквівалентування наведених вихрових струмів двома системами контурів.

Обгрунтовано підхід еквівалентування наведених вихрових струмів в магнітопроводі двома системами еквівалентних контурів по радіальному і тангенціальному напрямкам протікання потоку взаємної індуктивності статор-ротор. Виділивши елемент ротора у вигляді сектора ОАDCO₁B. (рис.1), було досліджено в ньому протікання електромагнітних процесів. Фізична сутність процесів в кожному з цих елементів магнітопроводу ротора, така, що направлення вектора магніторушійної сили (МРС) кожного окремо взятого елементу відносно вісі даного елементу змінюється в залежності від його положення відносно максимуму магнітного поля в повітряному проміжку. Даний ефект обертання моделюється двома системами еквівалентних контурів, кожна з яких пов'язана або з радіальною, або з тангенціальною складовими потоку в елементах. Результуюча намагнічуюча сила визначатиметься геометричною сумою двох складових намагнічуючих сил ротора по двох напрямкам: радіальному і тангенціальному.

Розроблено рекомендації по кількісному вибору та геометричному розташуванню еквівалентних контурів (елементів). Так, кількість секторів, в умовах розрахунку поля двигуна відносно основної гармоніки МРС обмотки статора, а також при дослідженні електромагнітного поля моделі електричної машини з урахуванням вищих гармонік визначатиметься необхідністю утворення симетричної системи еквівалентних контурів ротора і залежитиме від реальної геометрії ротора.

Контури вихрових струмів статора і ротора по потоку в тангенціальному напрямку еквівалентуються струмом провідника BF, що пов'язано з відповідністю просторової залежності зміни МРС струмів сектора від тангенціальної складової магнітного поля, такій ж залежності для провідника в повітряному проміжку. Еквівалентні ж контури струму за потоком в радіальному напрямку еквівалентуються струмом короткозамкнутого витка АBCD, який охоплює даний потік.

Так, класична система рівнянь електричної рівноваги узагальненого АД, що складається з двох рівнянь (для статорного і роторного контуру), доповнюється ще чотирма рівняннями для просторових векторів струмів статора та ротора. Рівняння статорних контурів введені з метою врахування вихрових струмів в сталі при підвищеній частоті живлення.

Таким чином, в роботі отримана система з шести алгебраїчних рівнянь, відносно комплексів струмів (1), для розрахунку робочих та пускових характеристик симетричної машини з врахуванням втрат в сталі статора і ротора:

(1)

де - діюче значення змінного комплексу напруги статора;

r_i (i = s,r,sR,sф,rR,rф) - активний опір;

(i = s,r,sR,sф,rR,rф) - часовий комплекс струму;

щ_r, щ₀ - кутові частоти обертання ротора та магнітного поля;

l_уi(i =s,r,sR,sф,rR,rф) - індуктивність розсіювання;

М_ijн (i,j = s,r,sR,sф,rR,rф) - взаємна індуктивність двох електричних контурів при умові співпадання їх осей по гармоніці х;

z₁, z₂ - кількість еквівалентних контурів статора і ротора;

(i,j = s,r,sR,sф,rR,rф) - просторовий вектор взаємної індуктивності;

індекси s,r,sR,sф,rR,rф - вказують на належність до контурів: відповідно обмоток статора і ротора, еквівалентних контурів вихрових струмів в сталі статора та ротора за радіальним (R) та тангенціальним (ф) напрямком.

В третьому розділі розроблено методику розрахунку параметрів еквівалентних контурів АД: з гладким МФР; з МФР КЗО; з МЕМ ротора у вигляді фероклітки при аналізі електромагнітного поля в квазітривимірній постановці розв'язку задачі. Розрахунок електромагнітних параметрів АД з МЕМ ротора, у порівнянні з розрахунком АД загального призначення, ускладнюється специфікою процесів в ньому, зокрема тривимірним розподілом магнітного поля в роторі. Такого роду розподіл магнітного поля в роторі, при розрахунку його еквівалентних параметрів вимагає врахування краєвих ефектів, витіснення магнітного потоку в магнітопроводі вихровими струмами в напрямку бокової і торцевих поверхнонь. Найбільш точно таку задачу можна розв'язати методом кінцевих елементів (МКЕ) в тривимірній постановці розв'язку електромагнітного поля АД.

У зв'язку зі складністю практичного дослідження електромагнітного поля в тривимірній постановці задачі такого об'єкту як електрична машина, в даній роботі запропоновано дослідження електромагнітного поля в квазітривимірній постановці задачі розрахунку параметрів системи рівнянь електричної рівноваги (1), які визначаються при дослідженні кількох двовимірних магнітних полів.

Визначення параметрів магнітного поля при розв'язанні польової задачі в квазітривимірній постановці розрахунку параметрів еквівалентних контурів здійснюється з урахуванням двох шляхів: потоку взаємної індуктивності статор-ротор (по боковій та торцевим поверхням), а також з врахуванням краєвих ефектів.

Досліджено розподіл магнітного поля в МФР в тривимірній постановці, (рис.2), який свідчить про наявність розподілу магнітного потоку взаємної індуктивності статор-ротор на два паралельні шляхи. По-перше, це - потік по боковій поверхні циліндру ротора. Розподіл електромагнітного поля досліджується при розв'язанні двовимірної задачі в площині x-y при струмах, що є перпендикулярними даній площині (Рис.3). По-друге, це - потік по торцевим поверхням ротора. Розподіл поля також досліджується при розв'язанні двовимірної задачі в площині х-у. Ефект витіснення магнітного потоку з масиву ротора в напрямку його торцевих поверхонь враховується використанням параметрів масиву, що еквівалентують дане явище. З метою отримання таких параметрів досліджується явище двостороннього падіння плоскої електромагнітної хвилі перпендикулярно до феромагнітної пластини товщиною в довжину ротора.

Результатом розв'язку обох польових задач є радіальні і тангенціальні складові активних втрат , і споживання реактивної енергії , по потоку бокової і торцевих поверхонь. Сформувавши залежності даних величин для контурів по потоку бокової і торцевої поверхні в функції потоку взаємної індуктивності статор-ротора і зробивши припущення про паралельне з'єднання ділянок магнітного кола бокової і торцевої поверхні ротора, отримані залежності підсумовуються:

; ;

; .

Вихрові струми, що протікають по боковій поверхні в осьовому напрямку (z-складова), в краєвій зоні набувають x, y напрямок. Дане протікання струмів призводить до додаткового споживання потужності на подолання активних та реактивних опорів, що не враховані при розв'язанні двовимірної польової задачі (рис.3). Ця потужність (активна і реактивна ) у даному розділі визначена при розрахунку двовимірної польової задачі в площині ОЕFO₁ (рис.1) з перпендикулярними їй струмами. Реактивна потужність розраховується через потокозчеплення еквівалентного контуру. Потокозчеплення отримується з урахуванням не рівномірного розподілу густини струмів еквівалентного контуру в лобовій частині ротора за допомогою виразу:

,

де ш_ул - потік розсіювання в лобовій частині ротора;

- часовий комплекс векторного магнітного потенціалу z-складової;

,- часовий та спряжений часовий комплекс густини струму.

В результаті проведених розрахунків сформовані масиви залежності:

; .

Визначення параметрів еквівалентних контурів, в квазітривимірній постановці їх розрахунку, вимагає узгодження сформованих залежностей кожної модельної задачі. Тобто, збільшення втрат в роторі від потоку по боковій і торцевим поверхням на величини лобових втрат може мати місце при збільшенні потоку на деяку величину. У зв'язку з чим в розділі сформовані нові залежності параметрів в функції скорегованого потоку .

Значення параметрів еквівалентних контурів системи рівнянь електричної рівноваги (1), а саме активні опори , і індуктивності розсіювання , ротора, визначені у відповідності з приведеними виразами для еквівалентного контуру:

; ;

; ,

де , - амплітудне значення струмів від зміни радіальної й тангенціальної складової потоку взаємної індуктивності статор-ротор.

Згідно з викладеною в даному розділі методикою розрахунку параметрів еквівалентних контурів, формуються залежності їх зміни в функції магніторушійної сили. Дані залежності використовуються при розрахунку режиму роботи двигуна при визначенні поточних значень залежностей еквівалентних параметрів в функції МРС. Параметри статора визначаються за допомогою відомих методик.

В четвертому розділі описаний алгоритм і комплекс програм реалізації математичної моделі АД з МЕМ ротора для дослідження його режиму роботи, що реалізований в структурі сімейств програмних і інструментальних засобів системи Matlab, програмно-обчислювального комплексу Femlab, з використанням мов високого рівня Fortran і Matlab. Виконано порівняльний аналіз чисельних і фізичних експериментів, проведено оцінку адекватності розробленої математичної моделі.

В роботі представлена блок-схема програми розрахунку режиму роботи АД з МЕМ ротора, яка поділена на дві частини. В першій частині програми реалізовується формування масивів залежності параметрів в функції магніторушійної сили електричної машини, в другій - розрахунок її режиму роботи.

Апробація розробленої математичної моделі АД з МЕМ ротора та методики розрахунку параметрів системи рівнянь електричної рівноваги даного двигуна, виконувалась шляхом порівняння розрахункових і експериментальних результатів дослідження режиму роботи гладкого МФР, МФР у вигляді “фероклітки” і МФР з короткозамкеною кліткою на базі серійних двигунів АО2-81-2 і 4А160М4.

На прикладі трьох варіантів розрахунку режимів роботи АД з гладким МФР, що полягають в поетапному врахуванню факторів, по забезпеченню врахування властивостей масивного ротора в тривимірній постановці, досліджено вплив електромагнітних процесів за потоком бокової і торцевих поверхонь та крайових ефектів на результати розрахунку режиму роботи двигуна.

Перший варіант враховує параметри магнітного поля ротора по потоку бокової поверхні, механічна та струмова характеристики якої представлені на рис.4 кривою 1. У другому варіанті додається врахування впливу параметрів магнітного поля ротора по потоку торцевих поверхонь (крива 2). Третій варіант доповнюється врахуванням впливу параметрів від лобових струмів ротора (крива 3). З рисунків видно, що характеристики кожного з наступних варіантів наближуються до характеристик отриманих за експериментальним даним (крива 4).

Порівняння характеристик свідчить про високу адекватність розробленої математичної моделі (як системи нелінійних рівнянь електричної рівноваги для розрахунку режиму роботи двигуна, так і методики отримання його параметрів в квазітривимірній постановці).

В даному розділі на основі розробленої математичної моделі АД з МЕМ ротора, та методики розрахунку параметрів еквівалентних контурів з врахуванням впливу витіснення магнітного потоку вихровими струмами з листів шихтованого магнітопроводу статора на результати розрахунку магнітного кола, проведено чисельний експеримент розрахунку АД з МФР при підвищеній частоті живлення. Дослідження було проведено на базі cерійного АД АО2-81-2. Так, даний експеримент свідчить про отримання енергетичних показників і допустимої потужності АД з МФР при частоті живлення f=200 Гц співрозмірних з показниками базового серійного двигуна.

В п'ятому розділі в результаті дослідження закономірностей протікання електромагнітних процесів в АД з МЕМ ротора, розроблено конструкцію тришарового масивного ротора (ТМР) АД [11] з покращеними енергетичними параметрами, добротністю пуску і використанням габаритної потужності у порівнянні з відомими прототипами такої конструкції.

Тришаровий масивний ротор АД , складається з шихтованого осердя, на якому розміщені дві феромагнітні втулки з матеріалів різної питомої електропровідності і наскрізними прорізами в осьовому напрямку, з прикріпленими до обох втулок торцевих короткозамикаючих кілець. Суміжні поверхні втулок з кільцями ізольовані між собою [11].

Дослідження характеристик АД з ТМР було виконано на базі асинхронного двигуна АО2-81-2 потужністю 40кВт, частотою обертання ротора 3000 об/хв., у якого серійний ротор замінювався ТМР.

Метою такого дослідження було визначення закономірностей зміни параметрів робочого режимів з послідуючим отриманням мінімального значення кратності пускових струмів І_п/І_н, максимального значення кратності пускового моменту M_п/M_н, коефіцієнту використання двигуна по потужності k_p і енергетичних показників з, соsц. Для досягнення поставленої мети було проведено підбір співвідношень геометричних параметрів елементів ротора, а саме: товщини нижньої h₁ і верхньої h₂ масивної втулки відповідно, що змінювались в діапазоні 0.6ч1.4 см з кроком 0.2 см; ширини верхнього короткозамикаючого кільця b₂, що змінювалась в діапазоні 1.0ч3.0см з кроком 0.5см; ширини пропилів, що змінювалась в діапазоні 0.5ч3.0см з кроком 0.5см; кількості прорізів z, що змінювались в діапазоні 32ч96 з кроком 16 одиниць, а також характеристик їх матеріалу.

Досліджено вплив варіювання вище перелічений геометричних параметрів ротора на пускові та робочі параметри двигуна АО2-81-2 та співставлено його характеристики з характеристиками його прототипу АД з МФР у вигляді “фероклітки“.

Представлено характеристики (рис.5) АД з ТМР, для геометричних співвідношень елементів ротора h₁=0.8см, h₂=1.2cм, b₂=2см, z=96, та характеристики АД з МФР у вигляді “фероклітки”. Цифрою 1 позначені характеристики ТМР, цифрою 2 -характеристики МФР у вигляді “фероклітки”. В результаті порівняння характеристик встановлено, що при заміні ротора у вигляді “фероклітки” на тришаровий, пусковий струм статора зменшується в 1.4 рази, а пусковий момент зростає приблизно на 6.0%, при чому механічна характеристика в робочому режимі стає ближчою до “екскаваторного” типу.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі шляхом уточнення математичної моделі асинхронного двигуна з масивними елементами в магнітопроводі ротора та створення за її допомогою конструкцій асинхронних двигунів з масивними елементами в магнітопроводі ротора зі спеціальними властивостями і параметрами, вирішена актуальна науково-технічна задача покращення техніко-економічних показників асинхронних двигунів з масивними елементами в магнітопроводі ротора в інтенсивних динамічних режимах, отримані нові наукові результати.

1. Аналіз основних конструктивних рішень ротора АД, які найкраще задовольняють вимогам по забезпеченню інтенсивних динамічних режимів роботи, а саме низької кратності пускових струмів, високої кратності пускового моменту, високої енергоефективності, надійності і простоти експлуатації показав, що одними з найбільш ефективних являються конструкції АД з МЕМ ротора. Створення адекватної фізичним процесам математичної моделі АД з МЕМ ротора, для проектування на її основі нових конструкцій двигунів, є необхідним засобом для пошуку шляхів задовільнення вимог по забезпеченню інтенсивних динамічних режимів роботи.

2. Адекватний фізичним процесам розрахунок магнітного кола АД з МЕМ ротора потребує вдосконалення еквівалентування розподілених струмів в роторі стумами еквівалентних контурів. Існуючий підхід еквівалентування розподілених струмів в роторі струмами однієї системи еквівалентних контурів вносить велику похибку в розрахунок параметрів електричної машини. Це пов'язано з завищенням результуючого значення намагнічуючої сили ротора. У зв'язку з чим в роботі обґрунтовано застосування до підходу еквівалентування розподілених струмів в роторі струмами двох систем еквівалентних контурів.

3. Отримана система рівнянь електричної рівноваги АД з МЕМ для дослідження режиму його роботи, яка дає змогу врахувати складний характер зміни вихрових струмів в магнітопроводі шляхом еквівалентування їх двома системами еквівалентних контурів по потоку в радіальному і тангенціальному напрямкам.

4. На основі дослідження розподілу струмів і магнітного потоку при розв'язанні тривимірної польової задачі дослідженні закономірності протікання електромагнітних процесів в АД з МЕМ ротора, які свідчать, що:

- в квазітривимірній розрахунковій моделі АД з МФР, при визначенні його електромагнітних параметрів, необхідно розглядати два основні шляхи проходження магнітного потоку взаємної індуктивності статор-ротор: по боковій та торцевій поверхні ротора;

- при наявності КЗК у МФР, потік взаємоіндукції статор-ротора не розділяється на два шляхи по боковій і торцевій поверхні ротора, а проходить тільки по боковій його поверхні.

5. З урахуванням закономірностей протікання електромагнітних процесів в АД з гладким МФР та МФР з короткозамкненою кліткою, виведено вирази для розрахунку параметрів еквівалентних контурів ротора при аналізі електромагнітного поля в квазітривимірній постановці задачі, які враховують процеси: по потоку взаємної індуктивності статор-ротор в боковій і торцевих поверхнях ротора; по потоку розсіювання в лобовій зоні ротора.

6. Розроблена математична модель, що реалізована у вигляді комплексу програм для ПЕОМ, забезпечує достатню для практичних розрахунків збіжність розрахункових і експериментальних. Похибка по всім параметрам поблизу ковзання, що відповідає номінальному струму серійного двигуна не перевищує для:

- АД з гладким МФР на базі серійного двигуна АО2-81-2 - 15%;

- АД з гладким МФР на базі серійного двигуна 4А160М4 - 10%;

- АД з МФР і КЗО на базі серійного двигуна 4А160М4 - 15%;

- АД з ротором у вигляді фероклітки на базі серійного двигуна АО2-81-2 - 3%, що свідчить про досить високу її адекватність фізичним процесам.

7. Дана кількісна оцінка впливу неврахування параметрів електромагнітного поля по основному потоку торцевих поверхонь та лобового розсіювання ротора. Максимальна розбіжність результатів чисельних і фізичних експериментів АД внаслідок неврахування параметрів по основному потоку торцевих поверхонь сягає 20%, а параметрів лобового розсіювання - 50%.

8. Математична модель для дослідження АД з МЕМ ротора, дає можливість отримати результати розрахунків режимів роботи при підвищеній частоті живлення. Дослідження величини допустимого за перегрівом моменту АД з гладким МФР при варіюванні напругою та частотою живлення показало:

- можливість визначення потрібного, за заданими критеріями, закону зміни відношення U/f;

- зменшення величини відношення U/f, збільшення жорсткості механічних характеристик пропорційно частоті живлення;

- покращення енергетичних показників, незначне зменшення добротності пуску при збільшенні частоти живлення.

9. В результаті дослідження закономірностей протікання електромагнітних процесів в АД з МЕМ ротора, розроблено конструкцію тришарового масивного ротора АД з покращеними енергетичними параметрами, добротністю пуску і використанням габаритної потужності у порівнянні з відомими прототипами такої конструкції.

10. Чисельні дослідження АД з тришаровим масивним ротором показали, що у порівнянні з його прототипами має місце підвищення ККД - на 3%, соsц - на 6%, використання габаритної потужності двигуна - на 15ч20%. При цьому кратність пускових струмів, у порівнянні з гладким МФР, зменшується до 70%, кратність пускового моменту залишається на такому ж рівні.

11. За сукупністю результатів чисельних експериментів АД з тришаровим масивним ротором дослідженні закономірності протікання електромагнітних процесів у роторі, які дали змогу розробити рекомендації по покращенню властивостей АД з ТМР. Так, було встановлено, що для покращення характеристик АД з ТМР у робочому та пусковому режимах, необхідно замінити застосування пазів прорізами (шириною 0.5-2.0мм). А збільшення діапазону зміни активного опору в роторі, можна отримати шляхом певного співвідношення ширини і кількості прорізів у втулках масивного ротора.

12. Отримані в роботі результати стосовно математичних моделей, методик розрахунку та програмних засобів дослідження АД з МЕМ ротора рекомендуються до використання при розробці, дослідженні та впровадженні АД та електромеханічних систем на їх базі для умов частих та важких пусків приводів електромеханічного обладнання в машинобудівній, переробній галузі, агропромисловому комплексі, транспорті. Результати щодо дослідження АД з МЕМ ротора при підвищеній частоті живлення рекомендуються до використання при розробці електроприводів механізмів з підвищеною частотою обертання із суміщенням елементів конструкцій приводного двигуна і навантажувального механізму.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Попович O.М., Головань І.В. Врахування джерела живлення при визначенні втрат в сталі асинхронних двигунів // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. - 2005. - Вип.4/2005(33). - С.150-152.

2. Попович О.М., Головань І.В. Врахування витіснення потоку при розрахунках магнітного кола асинхронних машин з підвищеною частотою живлення // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України. - 2005.- №1(10). - С.83 - 86.

3. Попович О.М., Головань І.В. Математична модель для розрахунку пускових характеристик асинхронного двигуна з урахуванням еквівалентних контурів втрат в сталі статора і ротора // Електротехніка і електромеханіка. - 2006. - № 1. - С.42-46.

4. Попович О.М. Бібік, О.В., Головань І.В. Исследовние квазистатических режимов асинхронного двигателя при пульсирующей и периодической нагрузках. // Технічна електродинаміка. Темат. вип. “Силова електроніка і енергоефективність”. - 2006. - Ч.2. - С.99-102.

5. Попович О.М. Бібік О.В., Шуруб Ю.В., Головань І.В. Моделі та методи для комплексного дослідження та проектування електромеханічних систем // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України.-2006.-№2(14).-С.68-71.

6. Попович О.М., Головань І.В. Моделювання та проектування АД з масивними феромагнітними елементами магнітопроводу // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України. - 2007. - №1(16). - С.115-119.

7. Головань І.В. Дослідження характеристик асинхронного двигуна з тришаровим масивним ротором // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України.- 2007. - №3. - С.85-89.

8. Патент на корисну модель №26574 Україна, МПК Н02К 1/22. Тришаровий масивний ротор асинхронного двигуна / О.М. Попович, І.В. Головань (Україна); Заявл. 04.06.07; Опубл. 25.09.07, Бюл. №15. - 4 с.

9. Попович О.М., Головань І.В. Моделирование асинхронных двигателей при повышенной частоте питания // Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах: Міжнародна науково-практична конференція: Севастополь. -2004. - С.50-51.

10. Попович О.М., Головань І.В. Алгоритм розрахунку параметрів магнітного поля асинхронних двигунів з масивними феромагнітними елементами в роторі // Проблеми сучасної електротехніки - 2006.: VIII Міжнародна конференція. - Київ. - 2006. - Ч.3. - С.55-58.

11. Попович О.М., Головань І.В. Дослідження асинхронних двигунів з масивними феромагнітним ротором при підвищенній частоті живлення // Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів: Міжнародний симпозіум SIEMA 2006. - Харків, 2007. - №3. - С.51-54.

12. Попович О.М., Бібік О.В., Оноприч В.П., Головань И.В., Маслюк В.А. Вплив матеріалу магнітопроводу на робочі характеристики асинхронних двигунів при зміні частоти живлення // Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах: Міжнародна науково-практична конференція. - Севастополь. - 2007. - С.44-45.

АНОТАЦІЇ

Головань І.В. Формування характеристик асинхронних двигунів з масивними елементами в магнітопроводі ротора. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 - електричні машини і апарати. - Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2008.

Дисертація присвячена проблемі математичного моделювання усталених режимів роботи АД з МЕМ ротора. Актуальність такої проблеми обумовлена потребою підвищити точність достовірного визначення параметрів і характеристик АД з МЕМ ротора в інтенсивних динамічних режимах роботи на основі відомих математичних моделей. Розроблено математичну модель АД з МЕМ ротора, що включає в себе: розроблену систему рівнянь електричної рівноваги АД з МЕМ ротора з урахуванням вихрових струмів шляхом еквівалентування їх двома системами зосереджених струмів; на основі аналізу електромагнітного поля АД з МЕМ ротора розроблену методику розрахунку, в квазітривимірній постановці, параметрів еквівалентних контурів. Розроблено конструкцію ТМР АД з покращеними енергетичними параметрами, добротністю пуску і використанням габаритної потужності у порівнянні з відомими прототипами такої конструкції та вперше визначені закономірності зміни параметрів робочих режимів в залежності від співвідношень його конструктивних параметрів.

Ключові слова: математична модель, масивні елементи, еквівалентний контур, тришаровий масивний ротор.

Головань И.В. Формирование характеристик асинхронных дви-гателей з массивными элементами в магнитопроводе ротора. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 - электрические машины и аппараты. - Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2008.

Диссертация посвящена проблеме математического моделирования установившихся режимов работы АД с массивными элементами в магнитопроводе (МЭМ) ротора. Актуальность такой проблемы обусловлена необходимостью повышения достоверности определения параметров и характеристик АД с МЭМ ротора в интенсивных динамических режимах работы.

Разработана математическая модель АД с МЭМ ротора для исследования режима его работы. Отличительной особенностью данной математической модели от известных, является эквивалентирование наведенных вихревых токов двумя системами контуров. Обоснован подход эквивалентирования наведенных вихревых токов в магнитопроводе двумя системами эквивалентных контуров по радиальному и тангенциальному направлениям протекания потока взаимной индуктивности статор-ротор. Разработаны рекомендации по количественному выбору та геометрическому размещению эквивалентных контуров

Разработана методика расчета параметров эквивалентных контуров АД: с гладким МФР; с МФР с КЗО; с МЭМ ротора в виде ферроклетки. В связи со сложностью практического исследования электромагнитного поля в трехмерной постановке задачи таких обьектов как электрическая машина, в данной работе исследования электромагнитного поля выполнено в квазитрехмерной постановке задачи расчета параметров системы уравнений электрического равновесия, которые определяются при исследовании нескольких двумерных магнитных полей. Определение параметров магнитного поля АД при решении полевой задачи в квазитрехмерной постановке расчета параметров эквивалентных контуров, реализовывается с учетом двух путей потока взаимной индуктивности статор-ротор (по боковой и торцевым поверхностям), а также с учетом краевых эффектов.

Апробация разработанной математической модели АД с МЭМ ротора и методики расчета параметров системы уравнений электрического равновесия такого двигателя, выполнялась путем сравнения расчетных и экспериментальных результатов исследования режима работы АД гладкого МФР, МФР в виде «ферроклетки» и МФР с короткозамыкающей клеткой на базе серийных двигателей АО2-81-2 и 4А160М4.

Было установлено, что расхождение расчетных и экспериментальных данных по всем параметрам режима работы АД находятся вблизи скольжения, что соответствует номинальному току серийного двигателя, не превышает для АД с гладким МФР и с МФР и КЗО 10-15%, АД с ротором в виде ферроклетки - 3%.

На примере трех вариантов расчета режимов работы АД с гладким МФР, что заключаются в поэтапном учете факторов, по обеспечению учета свойств массивного ротора в трехмерной постановке дана количественная оценка влияния не учета параметров электромагнитного поля по основному потоку торцевых поверхностей и лобового рассеивания ротора. Максимальное расхождение результатов численных и физических экспериментов АД вследствие не учета параметров по основному потоку торцевых поверхностей достигает - 20%, а параметров лобового рассеивания - 50%.

С помощью разработанной математической модели АД с МЭМ ротора и методики определения параметров эквивалентных контуров с учетом влияния вытеснения магнитного потока вихревыми токами из листов шихтованного магнитопровода статора на результаты расчета магнитной цепи, проведен численный эксперимент исследования характеристик АД с МФР при повышенной частоте питания. Исследование величины допустимого по нагреву момента АД с гладким МФР при варьировании напряжением и частотой питания показало возможность определения необходимого по заданным критериям закона изменения отношения U/f и улучшения энергетических показателей при увеличения частоты питания;

В результате исследования закономерностей протекания электромагнитных процессов в АД с МЭМ ротора разработана конструкция АД с ТМР с улучшенными энергетическими параметрами, добротностью пуска и использованием габаритной мощности по сравнению с известными прототипами такой конструкции. Сопоставление характеристик спроектированного АД с ТМР с характеристиками АД с МФР в виде ферроклетки продемонстрировало уменьшение пускового тока статора в 1.4 раза, пускового момента до 6.0%.

Golowan I.V. Formation of characteristics of asynchronous motors with massive elements in a magnetic circuit of a rotor. - The Manuscript. The dissertation for a Candidate of engineerings sciences degree on speciality 05.09.01 - Electrical machines and apparatuses. - The Institute of Electrodynamics of National Academy of Sciences of Ukrainian, Kyiv, 2008.

The dissertation is devoted to a problem of mathematical modeling of the strengthened operating modes of a slip-ring motor with МЕМ a rotor. A urgency of such problem caused by need to raise accuracy of authentic definition of parameters and characteristics of a slip-ring motor with МЕМ a rotor in intensive dynamic operating modes on the basis of known mathematical models. The mathematical model of a slip-ring motor with МЕМ a rotor which includes is developed: the developed system of the equations of electric balance of a slip-ring motor with МЕМ a rotor in view of eddy currents by equivalent their two systems of the concentrated currents; on the basis of the analysis of an electromagnetic field of a slip-ring motor with МЕМ a rotor the developed design procedure, in Pseudo-three-dimensional to statement, parameters of equivalent contours. Design ТМR a slip-ring motor with the improved power parameters, good quality of start-up and use of dimensional power in comparison with known mothers of such design and for the first time the certain regularity of change of parameters of operating modes depending on relationships of its design data is developed.

Key words: mathematical model, the massive elements, an equivalent contour, a three-layer massive rotor.

Размещено на Allbest.ru