Переходные процессы в специальных асинхронных двигателях

На правах рукописи

Корнеев Константин Викторович

Переходные процессы в специальных асинхронных двигателях

Специальность 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новосибирск – 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

Научный руководитель:	кандидат технических наук, доцент
	Пастухов Владимир Викторович

Официальные оппоненты:	- доктор технических наук, профессор Пластун Анатолий Трофимович
	- доктор технических наук Калужский Дмитрий Леонидович

Ведущее предприятие: НПО «ЭЛСИБ» ОАО, г. Новосибирск

Защита состоится « 01 » декабря 2011 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.173.04 при ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет» по адресу: 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского Государственного Технического Университета.

Автореферат разослан «___» октября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д. т. н., профессор Нейман В. Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современной практике электромашиностроения большое внимание уделяется вопросам проектирования специальных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором мощностью более 400 кВт. Отличительной особенностью машин данного класса являются:

1. Невозможность совместной эксплуатации с полупроводниковыми устройствами регулирования;
2. Тяжелые условия функционирования в переходных режимах работы, что обусловлено значительными моментами инерции приводного механизма и большим числом регламентных повторных пусков из горячего состояния, ограничением продолжительности времени пуска;
3. Обеспечение гарантированного пуска в условиях значительной просадки напряжения (до 0,8Uном);
4. Исполнение электродвигателя с учетом работы на индивидуальную нагрузку, в том числе учет характера нагрузки в режиме пуска;
5. Малая потребляемая мощность в установившихся режимах работы;
6. Повышенные требования к показателям надежности.

В качестве примера такого нерегулируемого привода можно привести питательные и циркуляционные насосы, применяемые на атомных станциях; вентиляторы внутреннего проветривания, вакуумные фильтры, конвейеры, мельницы и дробилки, применяемые в металлургической, горнодобывающей и химической промышленности. В ряде случаев, когда условия эксплуатации позволяют применять полупроводниковые устройства, например на нефте-, газоперекачивающих станциях, для обеспечения бесперебойной работы двигатель должен допускать прямой пуск от сети, причём при пониженном напряжении.

Чтобы гарантировать безаварийную работу специальных электродвигателей большой мощности в переходных режимах работы, что, в данном случае является приоритетной задачей, применяются конструкции пазов ротора, отличающиеся от общеизвестных. Так, например, НПО ЭЛСИБ ОАО (г. Новосибирск) разработаны оригинальные конструкции паза ротора, обеспечивающие надежное крепление стержня, уменьшение потерь и повышения пускового момента [пат. RU 54272 U1 МПК H02K17/16, пат. RU 59903 U1 МПК H02K17/16]. Испытания опытных образцов и эксплуатация подтвердили заявленные преимущества машин в сравнении с аналогами, а так же выявили необходимость проведения следующих мероприятий:

1. Повышение точности расчета переходных режимов работы с помощью современных методов и средств вычислительной техники;
2. Учет особенности конфигурации паза и стержня ротора, а так же характера нагрузки при математическом моделировании переходных режимов работы;
3. Определения степени влияния на переходные процессы не только параметров асинхронного двигателя (индуктивности рассеяния, активного сопротивления фазы ротора и т.д.), но и их соотношений, что крайне необходимо при расчете ударных токов и моментов.

Таким образом, комплекс задач, связанный с расчетом переходных режимов работы и проектированием специальных асинхронных двигателей, пользующихся повышенным спросом не только на предприятиях Российской Федерации, но и в промышленности других стран, крайне важен, поэтому исследования в данной области являются актуальными, имеют научную новизну и практическую ценность.

Целью работы является разработка аналитических и численных моделей специальных асинхронных двигателей, расчет их параметров и переходных режимов работы с учетом взаимного влияния эффектов вытеснения тока и насыщения зубцово-пазовой зоны потоками рассеяния, а также создание методик расчета, пригодных для применения в научно-инженерной практике.

Для достижения данной цели поставлены следующие основные задачи:

1. Выполнить обзор и провести анализ существующих методов расчета параметров, переходных и установившихся режимов работы асинхронных двигателей с учетом эффектов вытеснения тока и насыщения магнитопровода потоками рассеяния;
2. Разработать и реализовать математическую модель, позволяющую определять параметры стержня ротора асинхронного двигателя на основе современных численных методов расчета магнитного поля;
3. Получить выражения составляющих пусковых и ударных значений тока и момента специальных асинхронных двигателей, пригодные для применения в инженерной практике;
4. Исследовать влияние как отдельных параметров двигателя, так и их сочетаний на составляющие момента и тока в переходных процессах;
5. Построить и реализовать алгоритм расчета переходных режимов работы асинхронного двигателя с учетом взаимного влияния эффектов вытеснения тока и насыщения зубцово-пазовой зоны потоками рассеяния;
6. Оценить влияние размеров и радиального положения бокового клина паза ротора на пусковые характеристики асинхронного двигателя. Сформулировать рекомендации по выбору размеров и радиального положения бокового клина;
7. Произвести верификацию результатов математического моделирования с данными экспериментального определения характеристик асинхронных двигателей.

Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены на базе фундаментальных теорем и уравнений электродинамики, в том числе теории обобщенного электромеханического преобразователя энергии с использованием методов аналитического и численного моделирования, методов приближения функций (аппроксимация, сплайн-интерполяция и др.). Моделирование электромагнитного поля выполнено с помощью программы конечно-элементного анализа FEMM (Finite Element Method Magnetics), расчет установившихся и переходных режимов работы с использованием языка инженерного программирования MATLAB (Matrix Laboratory).

Достоверность результатов исследований подтверждена параллельными расчетами различными методами, сравнением отдельных результатов решения с результатами расчетов с помощью методик, предложенных другими авторами и опытного определения характеристик серийных образцов электродвигателей.

Научная новизна и значимость работы.

Получены аналитические выражения для расчета составляющих ударного и пускового тока и момента специальных асинхронных двигателей большой мощности, пригодные для применения в инженерной практике.

Исследовано и количественно оценено влияние на характер переходного процесса как отдельно взятых параметров асинхронного двигателя (индуктивности рассеяния, активного сопротивления фазы ротора и т.д.), так и их сочетаний, необходимое при выполнении оптимизации пусковых характеристик электродвигателя по ударному, пусковому току или моменту.

Доказано, что модель, состоящая из трех пазов ротора, является достаточной для инженерного расчета динамической индуктивности рассеяния и активного сопротивления стержня ротора электродвигателей с симметричной распределенной обмоткой статора с целым числом пазов на полюс и фазу больше единицы и отношением зубового деления к полюсному: tz/=0.03-0.085. Предложенная модель позволяет учесть взаимное влияние эффектов вытеснения тока и насыщения зубцово-пазовой зоны потоками рассеяния, а также наличие магнитопровода статора на параметры ротора.

Разработан и реализован алгоритм расчета переходных режимов работы асинхронного двигателя с использованием комбинированного подхода к исследованию переходных процессов в электрических машинах с применением косвенной связи уравнений теории электромагнитного поля и электрических цепей.

Исследовано и количественно оценено влияние боковой заклиновки на параметры стержня ротора и пусковые характеристики асинхронного двигателя.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Выражения для тока, момента и потокосцеплений и их составляющих в переходных режимах работы, пригодные для расчета величин ударного и пускового тока и момента;
2. Результаты аналитического исследования, позволяющие уточнить влияние параметров асинхронного двигателя и их соотношений на ударный и пусковой ток и момент, показавшие наличие экстремумов функций ударного и пускового момента от соотношения параметров;
3. Результаты исследований, позволившие уменьшить расчетную область модели для определения активного сопротивления и динамической индуктивности стержня с совместным учетом эффектов вытеснения тока, насыщения зубцово-пазовой зоны потоками рассеяния;
4. Алгоритм расчета переходных режимов работы асинхронного двигателя с применением комбинированного подхода к моделированию электрических машин и косвенной связи уравнений теории электромагнитного поля и электрических цепей с погрешностью не превышающей 6%;
5. Результаты исследований влияния размеров и радиального положения бокового клина стержня ротора на пусковые характеристики асинхронных двигателей, использование которых позволяет улучшить пусковые характеристики электродвигателя.

Практическая ценность работы. Получены простые и удобные выражения, позволяющие оценить значение ударного тока и момента асинхронных двигателей. Предложена модель для определения динамической индуктивности и активного сопротивления стержня ротора, пригодная для инженерных расчетов. Разработан и реализован алгоритм, позволяющий уточнить расчет переходных процессов в асинхронных двигателях. Показано, что рациональный выбор размеров и радиального положения бокового клина позволяет повысить пусковой момент на 15% и уменьшить время пуска на 20% без увеличения кратности пускового тока и значительного ухудшения параметров машины в номинальном режиме работы.

Апробации работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях различного уровня: «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы EECCES-2011», г. Екатеринбург, 2011 г.; «Современная техника и технологии», Томский Политехнический Университет, 2007, 2011 г.; «The 3rd international forum on strategic technologies. IFOST – 2008», 2008, Novosibirsk-Tomsk. и др. в рамках ряда конференций работа была отмечена дипломами различной степени.

Публикации. Основные научные результаты и материалы исследований опубликованы в 14 печатных работах, из них 2 статьи в журналах, входящих в перечень рекомендованных ВАК изданий; 2 статьи в сборниках научных трудов;10 работ – в материалах международных и всероссийских конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 191 наименований и приложения. Работа содержит 195 страниц основного текста с 90 иллюстрациями и 10 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность темы, сформулированы цели и задачи работы, описаны методы исследования. Приведены основные положения работы, выносимые на защиту, изложены сведения о научной значимости и практической ценности, реализации и апробации работы.

В первой главе выполнен обзор применяемых технических решений и методов исследований переходных процессов в асинхронных двигателях. В частности рассмотрено оригинальное решение, связанное с применением боковой заклиновки стержня ротора с помощью ферромагнитного выступа, расположенного на боковой поверхности паза и соответствующего ему углублению в стержне, которое используется в серийных электродвигателях 4АЗМВ и 4АРМАк и позволяет обеспечить улучшенные характеристики по сравнению с аналогами.

Сформирован алгоритм расчета переходных режимов работы, основанный на комбинированном подходе к изучению электрических машин с использованием косвенной связи уравнений теории магнитного поля и электрических цепей. При реализации косвенной взаимосвязи использовалось следующее допущение: параметры обмотки ротора при расчете переходных процессов определяются на каждом шаге интегрирования; в пределах шага интегрирования параметры обмотки неизменны, а их значение соответствует значению данного параметра в установившемся режиме работы при амплитуде тока, равной мгновенному значению амплитуды тока в переходном режиме работы и равенстве мгновенного значения частоты тока в переходном и установившемся режиме работы.

Во второй главе, проведено исследование переходных процессов в специальных асинхронных двигателях. Для удобства восприятия материала, запись исходных уравнений, их решение и все расчетные значения представлены в относительных единицах. В качестве математического описания асинхронного двигателя, в диссертационной работе используются известные уравнения в ортогональной неподвижной координатной системе статора и системе вращающейся с синхронной частотой вращения поля.

Координатная система статора использована при записи системы уравнений, описывающей включение асинхронного двигателя с заторможенным ротором или режим короткого замыкания. Решение системы дифференциальных уравнений применительно к асинхронным двигателям большой мощности позволило в явном виде выделить потокосцепления, токи и моменты, действующие в режиме короткого замыкания:

где , - коэффициенты затухания в обмотках статора и ротора соответственно при замкнутой обмотке ротора и статора; , - коэффициенты связи обмотки статора и ротора; - коэффициент рассеяния двух магнитосвязаных контуров (статора и ротора); - корни характеристического уравнения; .

После ряда упрощений были получены аналитические выражения для составляющих ударного и пускового тока и момента, пригодные для применения в научно-инженерной практике:

; .

Полученные выражения позволили определить влияние отдельных параметров асинхронного двигателя и их соотношений на значения ударного и пускового тока и момента, анализ которых показал наличие экстремума функции пускового и ударного момента от соотношения активных сопротивлений обмоток статора и ротора, рис. 1.

а.	б.
в.	г.