Підвищення ефективності вибухозахищених асинхронних електродвигунів з литою мідною короткозамкненою обмоткою ротора для привода гірничих машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ВИБУХОЗАХИЩЕНИХ АСИНХРОННИХ ЕЛЕКТРОДВИГУНІВ З ЛИТОЮ МІДНОЮ КОРОТКОЗАМКНЕНОЮ ОБМОТКОЮ РОТОРА ДЛЯ ПРИВОДУ ГІРНИЧИХ МАШИН

Спеціальність: Електричні машини і апарати

Папазов Юрій Миколайович

Донецьк, 2005 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Нафта, газ і ядерне паливо є критичним імпортом для України, у той же час вугілля залишається головним енергоносієм, частка якого складає 95,4% серед усіх запасів енергоресурсів країни. Частка вугілля в паливно-енергетичному комплексі України складає 20-25% при середній у світі 40%. Завдання полягає в тому, щоб збільшити частку вугілля в балансі енергоносіїв шляхом нарощування його щорічного видобутку.

Будівництво нових шахт у прийнятій програмі реструктуризації вугільної галузі України не є пріоритетним, тому істотне підвищення вуглевидобутку можливе за рахунок збільшення навантаження на діючі вугільні горизонти. Ця задача може бути вирішена шляхом удосконалення гірничої техніки і підвищення її оснащення, надійності й економічності.

У переважній більшості основним елементом електроприводу гірничої техніки є вибухозахищені асинхронні двигуни (ВАД). Збільшення їхньої потужності, ефективності і надійності є умовою подальшого зростання продуктивності гірничих машин. Ця задача по актуальності висувається на перший план.

Проблема підвищення енергетичних показників ВАД є частиною національної програми енергозбереження, сформульованої Державним комітетом України по енергозбереженню. У зв'язку з подорожчанням електроенергії її ощадлива витрата при проведенні гірничих робіт здобуває усе більшу актуальність.

Значна частина ВАД для приводу гірничих машин в Україні залишається в нижчому класі енергетичної ефективності EFF3 відповідно до прийнятої ЄС класифікації АД.

Таке положення значно знижує експортні можливості України і конкурентна здатність на зовнішньому ринку.

Тому підвищення коефіцієнта корисної дії (ККД) для ВАД на 1,5-2% є актуальним. Підвищення навантажень у вибої шахт вимагає збільшення корисної потужності, обертальних моментів і перевантажувальної здатності ВАД у тому ж габариті.

Сучасна економічна ситуація, різке скорочення обсягів виробництва ВАД в Україні, розробка більш досконалих АД в Росії і країнах далекого зарубіжжя змушують шукати нові нетрадиційні шляхи підвищення технічного рівня ВАД. Дослідження показали, що застосування литої мідної короткозамкненої обмотки (ЛМКО) ротора замість литої алюмінієвої короткозамкненої обмотки (ЛАКО) в значній мірі вирішує зазначені проблеми. Підтвердженням цьому є підвищений інтерес з боку провідних фірм Європи і США до застосування ЛМКО замість ЛАКО ротора.

Український науково-дослідний, проектно-конструкторський і технологічний інститут вибухозахищеного та рудникового електрообладнання з дослідно-експериментальним виробництвом (УкрНДІВЕ), м. Донецьк, разом з ВАТ "Первомайський електромеханічний завод ім. К. Маркса" (ПЕМЗ), м. Первомайськ, Луганської обл., більш 25 років удосконалюють ВАД на основі ЛМКО ротора. Розроблена і впроваджена промислова екологічно чиста ресурсне енергозберігаюча технологія заливання роторів міддю і її сплавами, виготовлені дослідні зразки ВАД із ЛМКО ротора, що витримали стендові та експлуатаційні випробування в складі приводу гірничих машин - стругів, комбайнів, скребкових конвеєрів та інших. В основному таке удосконалення ВАД здійснювалося шляхом послідовних багаторазових експериментальних досліджень макетних і дослідних зразків і вимагало значних фінансових і матеріальних витрат.

На сучасному етапі, коли джерела фінансування таких робіт значно обмежені, на перший план висувається питання підвищення ефективності шляхом удосконалення проектування ВАД.

Існуючі методи розрахунку і проектування ВАД стосовно до ЛМКО ротора мають істотні похибки, тому що розраховані на проектування повних серій електродвигунів і не враховують особливостей ВАД з ЛМКО ротора, умов експлуатації, технічних вимог і режимів навантаження гірничих машин. У результаті розбіжність розрахункових і експериментальних характеристик складає 20-30%, що недопустимо.

Таким чином, підвищення ефективності ВАД для приводу гірничих машин є актуальним, зокрема, для розвитку електромашинобудування в Україні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до тематики наукових робіт кафедри електромеханіки і ТОЕ Донецького національного технічного університету (ДонНТУ), Програмою ВАТ "Первомайський електромеханічний завод ім. К.Маркса" створення асинхронних електродвигунів нового покоління на базі техногеноекологічно чистої технології виготовлення мідних литих обмоток короткозамкнених роторів на період 2000-2003 рр., тематичними планами НДДКР, проведених в УкрНДІВЕ згідно договорам: від 28.12.00 р. № 265, від 19.06.02 р., № 812, від 24.10.02 р., № 914 при особистій участі автора як керівника окремих етапів і відповідального виконавця.

Мета роботи. Метою роботи є удосконалення приводних ВАД шляхом впровадження ЛМКО ротора для підвищення продуктивності, надійності та економічної ефективності гірничих машин.

Задачі досліджень. Відповідно до поставленої мети в дисертації вирішуються наступні задачі:

- уточнення і доповнення технічних вимог до ВАД на основі аналізу їх умов експлуатації і режимів роботи;

- розробка нових методів розрахунку і проектування ВАД із ЛМКО ротора для приводу гірничих машин;

- уточнення параметрів і характеристик ВАД із ЛМКО ротора з використанням результатів польового чисельного аналізу;

- оцінка точності розроблених методів розрахунку та проектування шляхом проведення експериментальних досліджень ВАД із ЛМКО ротора, і порівняння з технічними характеристиками аналогів серійно вироблених ВАД з литою алюмінієвою короткозамкненою обмоткою (ЛАКО) ротора;

- оцінка надійності, конкурентної здатності та економічної ефективності ВАД нового покоління із ЛМКО, які відрізняються новою формою пазів та змінною електропровідністю стрижнів ротора по висоті пазу.

Об'єктом досліджень є вибухозахищені асинхронні двигуни з литою мідною короткозамкненою обмоткою ротора для приводу гірничих машин.

Предметом досліджень є процеси, параметри та характеристики, які впливають на ефективність вибухозахищених асинхронних двигунів з литою мідною короткозамкненою обмоткою ротора.

Методи досліджень. Рішення сформульованих задач дисертаційної роботи досягнуто з використанням наступних методів досліджень:

- системного аналізу накопиченого досвіду розрахунків, проектування, виготовлення та експлуатації ВАД із ЛМКО ротора з метою виявлення резервів підвищення їхньої ефективності;

- критичного аналізу існуючих методів розрахунку параметрів і характеристик ВАД із ЛМКО ротора з метою їхнього удосконалення;

- методу кінцевих елементів (МКЕ), використаного для уточнення параметрів і характеристик ВАД;

- експериментальних досліджень ВАД для оцінки точності розроблених методів розрахунку.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- уперше запропоновано, для поліпшення пускових і робочих характеристик ВАД, використання мідних сплавів з різною питомою електропровідністю по висоті паза ротора з урахуванням залежності коефіцієнта збільшення активного опору стрижня від ковзання;

- удосконалено метод визначення залежності перехідного опору "стрижень-зубець ротора" від температури матеріалу обмотки ротора, що заливається, який дає змогу підвищити точність розрахунку втрат потужності ВАД від поперечних струмів;

- уточнено метод розрахунку електромагнітного моменту ВАД із ЛМКО ротора за умов стохастичного навантаження.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

- розроблена методика розрахунку ВАД з ЛМКО ротора (ПИЖЦ 520078.393 - Донецк - 2004 г. - 41 стр.), яка використовується в УкрНДІВЕ при проектуванні двигунів;

- розроблена конструкторська документація ВАД нового покоління для приводу вугільних комбайнів серій ЕДК(О) і ЕКВ, яка дає змогу досягнути технічного рівня, що перевищує рівень аналогів та не поступається кращим закордонним зразкам;

- по технічній документації (ПИЖЦ 684261.400) на ВАТ "ПЕМЗ" освоєне виробництво ВАД із ЛМКО ротора типу: ЕКВ3,5-180, ЕКВ4-150-2, ЕКВ5-250В, ЕКВ6-355, які відрізняються від аналогів підвищеним технічним рівнем та відповідають вимогам міжнародних стандартів.

Особистий внесок здобувача. Усі наукові положення та результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Особисто здобувачем виконано: постанова задач, розробка критеріїв оцінки і порівняння показників електродвигунів нового покоління з аналогами, дослідження напрямків підвищення ефективності ВАД з ЛМКО ротору, аналіз сучасних методів розрахунку і проектування електродвигунів з ЛАКО ротора, розробка методів розрахунку параметрів та характеристик електродвигунів з ЛМКО ротора, в тому числі з різною електропровідністю сплаву міді по висоті паза, уперше показано зв'язок додаткових втрат потужності від поперечних струмів, а також коефіцієнта підвищення опору стрижня ротора від особистостей сплавів міді, дослідження динамічних рис електродвигунів при навантаженні їх стохастичними моментами, експериментальне дослідження зв'язку поперечного опору зубців ротора з ЛМКО і вилучення зв'язку цього опору в залежності від температури сплаву при заливці пазів, формулювання висновків та рекомендацій подальшого підвищення ефективності ВАД.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на:

- міжнародному науково-технічному семінарі "Проблеми підвищення ефективності автономних електромеханічних перетворювачів енергії" (м. Севастополь, жовтень 2002 р.);

- міжнародному симпозіумі "Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика" SIEMA-2002, 2003 і 2004 (м.Харків, жовтень 2002, 2003 і 2004 рр.);

- VII симпозіумі "Електротехніка 2010" (Московська обл., травень 2003 р.);

- міжнародній конференції "Старопромислові регіони Західної і Східної Європи в умовах інтеграції" (Донецьк, листопад 2003 р.);

- "SPEEDAM-2004" - International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (Capri, Italy, June 2004);

- засіданнях кафедри "Електромеханіка і теоретичні основи електротехніки" (ДонНТУ); науково-технічній раді УкрНДІВЕ.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 9 наукових робіт із них 8 у фахових виданнях та отримано один декларований патент України на винахід.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 85 найменувань, вона ілюстрована 40 малюнками і 15 таблицями, має 10 додатків. Основний зміст дисертації викладений на 124 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і задачі досліджень та розробок, представлені наукова новизна і практична значимість отриманих результатів.

В першому розділі "Тенденції розвитку від вибухів захищеності асинхронних двигунів для приводу гірничих машин" приведений короткий огляд історичного досвіду створення асинхронних електродвигунів з мідною обмоткою ротора, починаючи з 1888 року, коли М.О. Доливо-Добровольский винайшов перший трифазний асинхронний електродвигун з мідною стрижневою паяною короткозамкненою обмоткою ротора, і закінчуючи останніми вітчизняними і закордонними розробками нового покоління АД з ЛМКО ротора. Показано, що унікальна технологія заливання обмоток ротора міддю і її сплавами в промисловому масштабі освоєна тільки в Україні, завдяки чому виготовлені ВАД потужністю 355 кВт, у той час як за кордоном (США) розроблено лише до 200 кВт.

Проаналізовано умови експлуатації, режими роботи ВАД і на їхній основі розроблені технічні вимоги до створюваних ВАД для приводу гірничих машин. Зроблено висновок про те, що аналоги ВАД з ЛАКО ротора переважно не задовольняють технічним вимогам умов експлуатації і режимам навантаження сучасних ВАД для приводу гірничих машин.

Для оцінки і порівняння нового покоління ВАД з вітчизняними і закордонними аналогами вперше запропоновані й обґрунтовані критерії, що дозволяють на стадії проектування підвищувати ефективність двигунів для приводу гірничих машин.

У табл. 1 приведені критерії оцінки технічного рівня ВАД типу ЕКВ3,5 із ЛМКО і ЛАКО ротора для приводу вугільного комбайна К-103.

Таблиця 1. - Порівняння ВАД типу ЕКВ 3,5:

Тип двигуна	Рн, кВт	2р	G, кг	ККД, %	ПВ%	Z, вкл/г	КД	КЗ	Мп, Нм	Мм, Нм	tдоп, с
ЭКВ3,5-75 с ЛАКО	75	4	530	85,4	40	25	1,23	1,9	800	900	28
2ЭКВ3,5-90 с ЛМКО	100	4	435	88,0	60	30	1,34	2,47	882	1460	45

Де:

К_Д - коефіцієнт підвищення динамічних втрат при пусках під номінальним навантаженням;

К_З - коефіцієнт запасу температури ротора в режимі короткого замикання (к. з.) відносно температури плавлення металу, з якого виготовлена обмотка;

М_п - пусковий момент;

М_м - максимальний момент;

t_доп - час перебування ВАД у режимі короткого замикання.

Аналіз результатів, наведених в табл. 1, доводить, що ВАД із ЛМКО ротора має підвищені корисну потужність, динамічні та енергетичні характеристики в повторно-короткочасному режимі (S4 по ГОСТ 183), допускає більшу тривалість увімкнення та число увімкнень на годину. Досягнуті показники забезпечують підвищення продуктивності комбайна К-103 на 15-20%.

У розділі проаналізовано фактори, що стримують підвищення ефективності сучасних ВАД для приводу гірничих машин. Зроблено висновок про те, що основним фактором є застосування для приводу ВАД із ЛАКО ротора. Визначено напрямки підвищення ефективності ВАД для приводу гірничих машин, основними з яких є:

- застосування ЛМКО ротора і нових форм пазів ротора, що забезпечують підвищення моментів;

- застосування матеріалу обмотки ротора з різною величиною питомої електропровідності по висоті паза;

- використання (при необхідності) безпосереднього рідинного охолодження активних частин ВАД;

- розробка і введення в практику проектування нової науково обґрунтованої методики розрахунку параметрів і характеристик ВАД із ЛМКО ротора.

У останній частині розділу сформульовані задачі досліджень.

В другому розділі "Розробка й удосконалювання інженерних методів розрахунку і проектування двигунів з литою мідною короткозамкненою обмоткою ротора" присвячений питанням розробки й удосконалення методів розрахунку і проектування ВАД із ЛМКО ротора для приводу гірничих машин. Виконано аналіз стану питань з розрахунку електромагнітних і електродинамічних характеристик ВАД, у результаті якого визначені основні напрямки розробок і удосконалення методик розрахунку ВАД із ЛМКО ротора для приводу гірничих машин, а саме:

- визначення магнітних потоків і магнітних індукцій в елементах зубцевого контуру з метою визначення їхніх максимальних значень;

- визначення активного опору стрижня ротора (rC) і коротко замикаючого кільця (rK) з урахуванням змінної питомої електропровідності матеріалу по висоті паза та індуктивного опору ротора у задачі розрахунку щільності струму та магнітної індукції по висоті паза;

- визначення коефіцієнта збільшення корисної потужності ВАД при заміні ЛАКО ротора на ЛМКО;

- удосконалення механічної характеристики з урахуванням взаємовпливу надлишкового моменту на валові АД та температур обмоток, а також одержання максимальної перевантажувальної здатності ВАД;

- врахування впливу опору переходу "стрижень - зубець ротора", що змінюється, при заливанні обмотки ротора міддю і її сплавами, на значення втрат потужності від поперечних струмів;

- визначення динамічних характеристик ВАД із ЛМКО ротора з метою мінімізації часу пуску t_n і ударного моменту М_уд з використанням сучасних математичних моделей;

- розрахунок електромагнітного моменту М_е(t) у функції не детермінованого (стохастичного) навантаження на валу М_с(t).

Для визначення характеристик магнітного поля в активних частинах ВАД, а також коефіцієнтів і в залежності від корисної потужності використано один з чисельних ітераційних методів визначення провідності ділянок зубчастого контуру, а саме МКЕ.

Омічний опір стрижня з перемінною електропровідністю:

(1)

Де:

- омічний опір i-го шару стрижня;

п - число шарів.

Активний опір стрижня в процесі пуску ВАД:

(2)

Де:

- коефіцієнт збільшення активного опору i-того шару, що має питому електропровідність і-го шару _i.

На рис. 1 приведена залежність стрижня ротора у функції ковзання s при різних значеннях питомої електропровідності верхнього (пускового) шару.

Рис. 1. - Залежність стрижня ротора від ковзання s при різних значеннях питомої електропровідності:

Щільність струму по висоті стрижня ротора:

(3)

Де:

- магнітна провідність паза;

- магнітна провідність частини паза на висоті x;

- повний струм у стрижні;

b_x - ширина стрижня на висоті x від основи;

h_x - висота стрижня на координаті х.

Аналізом результатів досліджень по поліпшенню якісних і кількісних показників механічної характеристики ВАД виявлено, що застосування глибокого паза ротора в сполученні з ЛМКО із заданою замість подвійної обмотки дозволяє:

- зменшити індуктивний опір;

- збільшити cos та максимальні обертальні моменти;

Встановлено, що коефіцієнт збільшення потужності при переході від ЛАКО ротора до ЛМКО при тих же габаритних розмірах в залежності від потужності чотириполюсного ВАД змінюється в межах = 1,15-1,35.

В результаті врахування впливу параметрів мережі електропостачання обмеженої потужності ( =660 В) на характеристики ВАД із ЛМКО ротора для приводу гірничих машин встановлено, що двигуни стійко працюють у діапазоні зміни напруги = 660-600 В., у той час як ВАД з ЛАКО ротора - 660-630 В.

Дослідженнями встановлено, що при заливанні пазів міддю або її сплавами зростає поперечний опір між обмоткою ротора і осердям сталі (Z_q) відповідно до рівняння:

(4)

Де:

_пл - температура плавлення металу;

b_x* - відносна ширина зубця ротора;

b_x - відстань від стінки паза до місця визначення опору поперечному струмові по зубцю;

b_z - ширина зубця на координаті х.

Зниження сумарних втрат від поперечних струмів при цьому визначається за формулою:

(5)

Де:

- фазна напруга в обмотці ротора.

Де:

- поздовжній опір стрижня.

Де:

- довжина стрижня;

- опір стрижня для -тої гармонійної струму.

Для розрахунку електродинамічних характеристик ( ) як математичну модель ВАД із ЛМКО ротора прийнято модель узагальненої двофазної машини. Рівняння напруг, електромагнітного моменту і руху ротора вирішені на ПЕОМ з використанням прикладного пакету програм МАТLАВ і чисельного ітераційного методу. Для визначення параметрів r, L, M, що входять у ці рівняння, використовуються результати розрахунку магнітного поля за допомогою методу кінцевих елементів.

За результатами розрахунків для режиму пусків ненавантаженого двигуна отримані динамічні характеристики проектованого ВАД типа 2ЕКВ3,5-210 із ЛМКО ротора (при r'_2п = 0,2226 Ом, х'_2п = 0,3387 Ом), які приведені на рис. 2.

З використанням відомого методу розрахунку електромагнітного моменту АД при стохастичному навантаженні з використанням імовірнісних характеристик навантаження, стаціонарних лінійних одномірних динамічних систем, зроблено уточнення електромагнітного моменту ВАД типу 2ЕКВ3,5-210 з використанням його амплітудно-частотних характеристик, які приведені на рис. 3.

Врахування впливу активного опору ротора від дії першої гармоніки поля здійснюється відповідно до залежності (рис. 1), а дія вищих гармонік з використанням схеми заміщення роторного кола у вигляді багатоконтурної системи (чотири контури з постійними параметрами).

Рис. 2. - Пускові динамічні характеристики ВАД типу 2ЕКВ3,5-210 із ЛМКО ротора:

Рис. 3. - Частотні характеристики вхідної провідності статора ВАД типу 2ЭКВ 3,5-210:

Де:

а) амплітудно-частотна;

б) фазова-частотна.

Електромагнітний момент при стохастичному навантаженні:

(6)

Де:

- електромагнітний момент для середніх значень струмів контурів ;

- число пар полюсів ВАД;

- амплітудне значення струму в контурі;

- взаємна індуктивність контурів;

_kl, _1m - модуль АЧХ контурів;

_kl, _1m - фазовий кут струму відповідно до ФЧХ контурів;

₀ - початкова фаза;

j=1 при m=u;

j=2 при l=v;

- кутова швидкість обертання магнітного поля.

На основі виконаних досліджень розроблена методика електромагнітного та електродинамічного розрахунку ВАД із ЛМКО ротора. З використанням розробленої методики виконані розрахунки ВАД для приводу вугільних комбайнів.

У третьому розділі "Чисельні дослідження електромагнітних полів, параметрів і характеристик двигунів з литою мідною короткозамкненою обмоткою ротора" приведені результати чисельних досліджень електромагнітних полів, параметрів і характеристик ВАД із ЛМКО ротора. Для подальшого підвищення точності розрахунку параметрів схеми заміщення ВАД і визначення раціонального співвідношення висот окремих частин пускового шару зі змінною електричної провідності в пазах ротора необхідно було дослідити електромагнітне поле в активних частинах двигунів з роторами ЛМКО.

У загальному випадку нестаціонарне нелінійне диференціальне рівняння в частинних похідних для векторного магнітного потенціалу:

(7)

Де:

- магнітна проникність і електропровідність;

- вектори швидкості руху середовища і сторонньої щільності струму;

- диференційний оператор.

У зв'язку з тим що ВАД містить шихтований магнітопровід (0), рівняння (7) перетворюється в стаціонарне нелінійне рівняння Пуассона:

 (8)

Для зменшення числа незалежних просторових змінних тривимірне електромагнітне поле замінене двовимірним (плоским), тобто поле стає плоско-паралельним у поперечному перерізі ВАД.

Рішення рівняння (8) здійснено чисельним методом з використанням МКЕ. Векторний магнітний потенціал А апроксимується лінійним поліномом у координатах Х,Y:

(9)

Після визначення А у вузлах сітки кінцевих елементів (СКЕ) виконано розрахунок складової магнітної індукції по осях Х,Y.

(10)

Чисельне дослідження електромагнітного поля ВАД із ЛМКО ротора здійснено за допомогою пакета прикладних програм FEMLAB, що входять до складу комплексу MATLAB. При аналізі фізичних полів ВАД частково використане програмне забезпечення, розроблене на кафедрі електромеханіки НТУ „КПІ" м. Київ. На основі аналізу розрахункових даних визначені індукції, магнітні потоки, а також індуктивні опори ВАД із ЛМКО ротора. За результатами розрахунку електромагнітного поля з використанням МКЕ визначені рівні електромагнітного моменту в зоні ковзань s = 0-1:

(11)

Де:

- радіус розрахункової лінії (середина повітряного зазору);

- довжина осердя сталі;

- нормальна і тангенціальна складові вектора магнітної індукції.

За результатами розрахунку електромагнітного поля визначені інтегральні електромагнітні параметри ВАД - повні індуктивні опори обмотки фази статора , індуктивний опір розсіювання паза статора х_п1, індуктивний опір розсіювання паза ротора х_п2, індуктивний опір взаємоіндукції в області ковзань s = 0-1.

З використанням МКЕ отримане оптимальне співвідношення висоти і питомої електропровідності матеріалу пускового шару паза ротора ВАД із ЛМКО ротора.

У четвертому розділі "Експериментальні дослідження двигунів з литою мідною короткозамкненою обмоткою ротора" приведені результати експериментальних досліджень ВАД із ЛМКО ротора.

Необхідність експериментальних досліджень обумовлена наступними обставинами:

- втрати в сталі ВАД із ЛМКО ротора не піддаються точному розрахунку в зв'язку зі зміною магнітної проникності сталі в зоні переходу "обмотка-осердя" за складним законом (м при заливанні обмотки алюмінієм не дорівнює м при заливанні міддю і її сплавами);

- розрахунок теплового стану ВАД із ЛМКО ротора не розглядається в рамках даної дисертаційної роботи і є предметом окремих досліджень;

- у зв'язку з дією сплаву міді на рівень звукового тиску і недостатньою вивченістю цього явища розрахунок рівня звукового тиску представляє значні труднощі;

- уперше виконаний розрахунок параметрів і характеристик ВАД із ЛМКО ротора та електропровідності по висоті паза ротора вимагає експериментальної перевірки;

- розрахунок коефіцієнта збільшення потужності К_р для ВАД із ЛМКО ротора є орієнтовним.

Крім того, проведення експериментальних досліджень дослідних зразків ВАД із ЛМКО ротора для приводу гірничих машин має наступні цілі:

- тестування на точність і достовірність розроблених методів розрахунку електромагнітних і електродинамічних характеристик ВАД, що працюють у мережах електропостачання обмеженої потужності в повторно-короткочасних режимах зі стохастичним навантаженням на валу;

- порівняльна оцінка пускових і робочих характеристик, механічних характеристик і теплового стану ВАД із ЛАКО та із ЛМКО роторів, що випускаються серійно для привода гірничих машин;

- оцінка експлуатаційної надійності ВАД із ЛМКО ротора безпосередньо в приводі гірничих машин для вирішення питання про серійне виробництво ВАД нового покоління.

Приведено опис випробувального устаткування, програми і методів проведення стендових і експлуатаційних випробувань.

Результати цих випробувань показали, що ВАД із ЛМКО ротора за всіма характеристиками має переваги над ВАД з ЛАКО ротора, а їх експлуатаційна надійність зростає в 1,4-1,6 рази. Продуктивність гірничої машини, оснащеної ВАД із ЛМКО ротора, зростає в середньому на 20%.

Таблиця 2. - Результати стендових випробувань ВАД типу 2 ЕКВ 3,5-100 і ЕКВ 3,5-75:

У п'ятому розділі "Надійність, конкурентна здатність і економічна ефективність двигунів з литою мідною короткозамкненою обмоткою ротора" розглянуті питання надійності удосконалених ВАД із ЛМКО ротора, а також їхньої економічної ефективності.

Основним видом відмов високонавантажених ВАД є ЛАКО ротора. Допустимий час перебування в найбільш навантаженому режимі (КЗ) розраховується наступним чином:

(12)

Де:

- температура плавлення металу обмотки ротора;

- початкова температура;

- коефіцієнт теплопровідності осердя ротора уздовж його листів;

С - теплоємність електротехнічної сталі;

- питомий тепловий потік.

При переході на ЛМКО ротора відмови через її виплавляння цілком усуваються, тому що час перевищує .

З використанням результатів експлуатаційних випробувань, а також імовірнісних характеристик надійності ВАД, установлені нормативні показники надійності ВАД:

Т_в - наробіток на відмову;

- термін служби до першого капітального ремонту;

- термін служби до списання.

Установлено, що термічна стійкість ЛМКО ротора майже в 2 рази вище, ніж ЛАКО, що дозволяє істотно зменшити число відмовлень ВАД.

Таблиця 3. - Результати стендових випробувань ВАД типу 2 ЕКВ 3,5-210 і ЕКВ 3,5-180:

Обґрунтовано необхідність переходу на напругу 1140 В або 3 кВ замість 660 В, коли потужність одно двигунів привода досягає 280-315 кВт.

Особливо сприятливо позначається перехід на підвищену напругу на значенні і , що забезпечує зростання перевантажувальної здатності ВАД і, у кінцевому рахунку, надійності.

Оцінено техніко-економічну ефективність і строк окупності ВАД із ЛМКО ротора. У середньому ці показники в 1,5-2,0 рази вище, ніж у ВАД з ЛАКО ротора.

Розглянуто перспективи розвитку електродвигунів нового покоління.

Економічний ефект в Україні при упровадженні ВАД із ЛМКО ротора для привода гірничих машин складає щорічно порядку 45-50 млн. грн./рік.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення ефективності вибухозахищених асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором для приводу гірничих машин, за рахунок поліпшення кількісних і якісних показників технічних характеристик, шляхом застосування литих мідних короткозамкнених обмоток із застосуванням нових форм пазів і перемінної електропровідності стрижнів обмотки по висоті. Основні наукові і практичні результати полягають у наступному:

- застосування сплавів міді з перемінною по висоті паза ротора електропровідністю унеможливлює використання відомих методів розрахунків пускових і робочих характеристик ВАД із ЛМКО ротора. На підставі цього розроблено метод розрахунку цих характеристик з урахуванням залежності коефіцієнта збільшення активного опору стрижня від ковзання;

- застосування міді і її сплавів замість алюмінію в короткозамкнених обмотках ротора викликає структурні зміни в зубцях ротора, що приводять до нелінійної зміни опору по їх ширині. У зв'язку з цим удосконалено метод визначення залежності перехідного опору "стрижень - зубець ротора" від заливання матеріалу та його температури, що дає можливість підвищити точність розрахунку додаткових втрат у роторі від дії поперечних струмів ВАД;

- для гірничих машин ВАД розробляються за умови, що їхні навантажувальні моменти є детерміновані функції часу. Таке допущення не правомірне, тому що більшість ВАД працюють у режимі стохастичного навантаження. Тому уточнено метод розрахунку електромагнітного моменту ВАД із ЛМКО ротора при умовах стохастичного навантаження з використанням його амплітудно-частотної характеристики, що дозволяє на стадії проектування вибрати найбільш сприятливе сполучення параметрів двигуна з метою підвищення його перевантажувальної здатності, а тому й надійності;

- існуючі методики розрахунку ВАД з ЛАКО ротора не забезпечують задовільну збіжність розрахунку й експерименту для випадку ВАД із ЛМКО ротора. Тому розроблено методику розрахунку ВАД із ЛМКО ротора, що використовується при проектуванні ВАД нового покоління. За цією методикою розраховані і спроектовані ВАД із ЛМКО ротора типу:

- ЕКВ 3,5-180;

- ЕКВ 4150-2;

- ЕКВ 5-250 В;

- ЕКВ 6-355.

По технічній документації (ПИЖЦ 684261.400) на ВАТ ПЭМЗ освоєне виробництво цих двигунів, що відрізняються від аналогів більш високим технічним рівнем і відповідають вимогам міжнародних стандартів;

- порівнянням розрахункових і експериментальних значень характеристик і параметрів ВАД з литою мідною обмоткою ротора для приводу гірничих машин показано, що їхня розбіжність не перевищує 4-5%, що свідчить про задовільне спів-падання розрахунку й експерименту.

ВАД із ЛМКО ротора цілком відповідають вимогам експлуатації, конструктивно мають більш високу надійність і підвищують продуктивність гірничих машин на 20-30%. У двигунах істотно (на 1,5-2%) підвищено коефіцієнт корисної дії і підвищено коефіцієнт потужності, що дасть значну економію електроенергії в експлуатації. Розроблені двигуни відповідають другому класові економічної ефективності (EFF2) і можуть конкурувати з кращими закордонними зразками.

Економічний ефект від упровадження ВАД із ЛМКО ротора для приводу гірничих машин складає порядку 45-50 млн. грн./рік.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Чувашев В.А., Вареник Е.А., Папазов Ю.Н., Сытник В.В. Экономические аспекты создания взрыва защищенных электродвигателей нового поколения для привода горных машин // Старопромислові регіони Західної і Східної Європи в умовах інтеграції. Збірник наукових праць. - Донецьк: ДонНУ, 2003. С. 423-429.

2. Железняков А.В., Медведев Ю.Л., Мухамедшин Н.А., Папазов Ю.Н., Чувашев В.А. Новое поколение взрывозащищенных асинхронных электродвигателей на базе экологически чистых и ресурсов энергосберегающих технологий // VII симпозиум "Электротехника 2010". Сборник докладов, Москва, 2003, том 4, С. 211-220.

3. Чуванков В.Ю., Чувашев В.А., Папазов Ю.Н., Демченко В.Н. Условия эксплуатации, критерии оценки и технические требования, предъявляемые к современным взрывозащищенным электродвигателям для привода горных машин // Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут". Збірник наукових праць. - Харків: НТУ "ХПІ". 2002. Вип. №14. С. 134-141. вибухозахищений двигун стохастичний

4. Чуванков В.Ю., Чувашев В.А., Папазов Ю.Н. Направления совершенствования взрывозащищенных асинхронных двигателей для привода горных машин // Електротехніка, Харків, 2002. №3. С. 70-72.

5. Чувашев В.А., Чуванков В.Ю., Папазов Ю.Н., Мухаметшин Н.А. Совершенствование проектирования взрывозащищенных асинхронных двигателей с литой медной клеткой ротора для привода горных машин // Електротехніка і Електромеханіка, Харків, 2002. №2. С. 68-74.

6. Чуванков В.Ю., Чувашев В.А., Железняков А.В., Папазов Ю.Н., Демченко В.Н. Электромагнитный момент взрывозащищенного асинхронного электродвигателя с литой медной короткозамкнутой обмоткой ротора при стохастическом нагружении // Електротехніка і Електромеханіка, Харків, 2003. №4. С. 87-91.

7. Папазов Ю.Н. Экспериментальные исследования взрывозащищенных асинхронных двигателей с литой медной короткозамкнутой обмоткой ротора для привода горных машин // Взрывозащищенное электрооборудование: Сб. научн. тр. УкрНИИВЭ. - Донецк: ООО “Юго-Восток, Лтд”, 2004. С. 194-204.

8. Папазов Ю.Н., Чувашев В.А., Васьковский Ю.Н., Гайденко Ю.А. Анализ механических характеристик короткозамкнутых асинхронных электродвигателей методами теории электромагнитного поля. // Електротехніка і Електромеханіка, Харків, 2005. № 1. С. 55-58.

9. Ротор асинхронного електродвигуна. Декл. патент на винахід № 72104А. Чувашев В.А., Мухаметшин Н.А., Чуванков В.Ю., Папазов Ю.М., Москальов Е.П., Железняков А.В., Демченко В.М., Медведєв Ю.Л., Ульман А.М., Чувашев І.В., Лень А.Т. Опубл. 17.01.2005, Бюл. №1.

Размещено на Allbest.ru