Содержание к диссертации
Введение 6
1. Технико-экономические и научные проблемы, выдвигаемые
современным состоянием парка асинхронных двигателей
сельскохозяйственных электроустановок 14
-
Общая характеристика парка асинхронных двигателей сельского хозяйства РФ 14
-
Несимметричные режимы работы асинхронных двигателей сельскохозяйственных электроустановок 18
-
Технико-экономические проблемы, связанные с несимметричными режимами асинхронных двигателей 25
-
Выводы 28
2. Состояние вопроса исследования несимметричных режимов.
Проблемы теории несимметричных асинхронных двигателей 30
-
Виды и свойства математических моделей несимметричных электрических машин 30
-
Обобщение понятия «несимметричная электрическая машина» 35
-
Методы теоретического исследования вращающихся НЭМ 51
-
Методы теоретического исследования ЛАД 62
-
Проблемы разработки энергетических показателей НЭМ 65
-
Собственные функции и функции Грина в теории НЭМ 72
-
Выводы 77
3. Особенности энергетических процессов в многофазных
обмотках и концепция рационального питания несимметричных
асинхронных двигателей 79
-
Общие положения 79
-
Расчетная модель обмотки НЭМ. Симметрическая и
симметричная параметрические матрицы 80
Свойства главных параметрических матриц обиоток
электрических машин 85
Продольный и поперечный энергетические процессы. Особые
токи в обмотках электрических машин 92
Баланс мощности обмотки и каноническое преобразование
координат 96
Продольный и поперечный токи 98
Концепция рационального питания НЭМ 102
Каноническое и классические преобразования координат 108
Преобразование к главным осям и метод симметричных
составляющих 115
Техническая реализация рационального питания
несимметричных АД и ЛАД 119
Выводы 130
Разработка энергетических показателей НЭМ в переходных и
установившихся режимах работы 133
Общая постановка вопроса 133
Основные определения и термины 135
Базовые положения анализа 137
Универсальные определения коэффициента мощности и КПД 152
Аналитическая геометрия в трехмерном пространстве фазных
величин 166
Форма записи уравнений баланса напряжений в пространстве
фазных величин 172
Преобразование координат изображающего вектора 176
Энергетическая микромодель электрической машины 178
Энергетическая макромодель электрической машины 183
-
Макромодель и коэффициент мощности машины 185
-
Анализ КПД электрической машины на отрезке времени 188
-
Энергетические показатели асинхронных двигателей в перемежающемся режиме работы 195
-
Выводы 197
5. Метод эллиптических составляющих как основа моделирования
и диагностики несимметричных клеток ротора асинхронных
электродвигателей 200
-
Постановка задачи исследования 200
-
Концепция метода эллиптических составляющих (МЭС) 209
-
Математические основы МЭС 21.4
-
Математическая модель асимметричной короткозамкнутой клетки ротора 227
-
ЭС токов асимметричной клетки ротора 233
-
Выводы 240
6. Теоретическое исследование и разработка высокоэффективных
асинхронных двигателей с чередующейся формой стержней
клетки ротора 242
-
Состояние вопроса и постановка задачи исследования 242
-
Математическая модель АДЧП 244
-
Схема замещения АДЧП 261
-
Токи и электромагнитный момент АДЧП 264
-
Поперечное вытеснение тока в АДЧП 267
-
АДЧП с оптимизированными клетками ротора 271
-
Разработка оптимизированной клетки ротора АДЧП 276 6.8.. Выводы 284
7. Разработка высоко интегрированных математических моделей
линейных асинхронных электродвигателей 286
«
-
Конструктивные особенности ЛАД 286
-
Особенности электромагнитных процессов в ЛАД 291
-
Структура и основные свойства математической модели ЛАД 295
-
Математическая модель главного поля ЛАД 302
-
Вектор-потенциал главного поля ЛАД 308
-
Модель ЛАД для расчета электромеханических переходных процессов 322
-
Модель ЛАД для расчета электромагнитных переходных процессов 328
-
Экспериментальный ЛАД 332
-
Выводы 334 Заключение 336 Список литературы 340 Приложение 358
Введение к работе
Актуальность темы. Парк асинхронных электродвигателей (АД) сельского хозяйства РФ по данным на 2003 г составляет 4 млн. единиц. Современное состояние парка выдвигает перед учеными и специалистами ряд технико-экономических проблем. Они связаны с моральным и физическим старением парка, несоответствием его структуры условиям эксплуатации, недопустимо высоким уровнем потерь электроэнергии в сельском хозяйстве РФ, низким качеством диагностики и ремонта электродвигателей. Следствием этого являются повышенные расходы сельскохозяйственных предприятий на оплату электроэнергии, внеплановых ремонтов, замену АД, компенсацию затрат, связанных с простоями технологического оборудования.
Среди основных причин, вызывающих избыточные потери энергии и преждевременный выход из строя АД следует назвать несимметричные режимы. Анализ вопроса показал, что несимметричные режимы эксплуатации характерны для абсолютного большинства АД сельскохозяйственных электроустановок. Это вызвано физическим износом электродвигателей, малой мощностью сельских электрических сетей, распространенностью неполнофазных режимов у трехфазных двигателей и широким применением двигателей, питающихся от однофазной сети.
О распространенности несимметричных режимов и их влиянии на АД свидетельствуют опубликованные данные. Так, прямые потери электроэнергии сельского хозяйства РФ в связи с несимметричными режимами составляют около 1 млрд, кВт часов в год. Несимметричные режимы активно способствуют выходу из строя АД. Так, при допустимом по ГОСТ 13109-97, но постоянно действующем напряжении обратной последовательности в 2 — 4%, срок службы электродвигателя сокращается вдвое. Вместе с тем нередки случаи, когда на сельскохозяйственных предприятиях это напряжение составляет 15 — 20%. Положение усугубляется и тем, что 93 % АД парка составляют двигатели общего назначения, не приспособленные и не предназначенные для эксплуатации в условиях сельского хозяйства. Средний ущерб от отказа электродвигателя в сельском хозяйстве оценивается в 130 долларов США. Принимая во внимание ежегодный выход из стоя около 20% АД, сумма косвенного ущерба от несимметричных режимов в масштабах РФ составляет свыше 100 млн. долларов.
Снизить уровни прямого и косвенного ущерба позволит повышение качества диагностики и ремонта электродвигателей. Известно, что послеремонтные показатели АД, в частности - показатели симметрии обмоток, ниже показателей новых машин. Наибольшие проблемы здесь вызывает диагностика симметрии клеток короткозамкнутьгх роторов, научная и методическая база которой в настоящее время развита недостаточно, а техническая реализация является весьма дорогостоящей. По этой причине многие АД длительное время эксплуатируются с поврежденной, но не утратившей работоспособность клеткой, что негативно сказывается на их энергетических показателях и сроке службы.
В настоящее время парк электродвигателей сельскохозяйственных электроустановок нуждается в интенсивном количественном и структурном обновлении на базе специализированных двигателей серий АИ, RA и специальных электродвигателей. Среди первых следует назвать асинхронные двигатели с чередующимися пазами клетки ротора (АДЧП), которые имеют пусковые показатели на уровне, а в ряде случаев выше, европейских аналогов при существенно меньшей цене. Около 6% парка сельскохозяйственных АД характеризуются тяжелыми условиями пуска и могут быть заменены на АДЧП. Вместе с тем несимметричные клетки ротора АДЧП, выпускаемых в настоящее время в рамках серий АИ и RA, имеют повышенный уровень потерь в номинальном режиме, что делает актуальными работы по их совершенствованию.
Среди специальных электродвигателей в качестве перспективных к применению в сельскохозяйственных электроустановках следует назвать асинхронные двигатели с разомкнутым магнитопроводом (АДРМ), наиболее многочисленную группу которых образуют линейные асинхронные двигатели (ЛАД). Имея, как и всякая несимметричная машина, невысокие энергетические показатели, ЛАД обладают уникальными возможностями в осуществлении ряда технологических процессов (магнитная обработка воды, семян эмбрионов птицы, очистка сыпучих смесей и пр.). Кроме того, ЛАД позволяют существенно снизить материалоемкость установки. Он вполне конкурентоспособен по отношению к классическому приводу поступательного и возвратно-поступательного движения. Фактором, препятствующим широкому внедрению ЛАД в электроприводы сельскохозяйственных электроустановок, является несерийное их производство. Принять обоснованное решение о заказе электропривода с ЛАД позволяет технико-экономическое обоснование. Для его выполнения необходимы специальные, высоко интегрированные в отношении конструктивных модификаций ЛАД, математические модели. Разработка таких моделей позволит качественно обновить большую группу сельскохозяйственных электроустановок, осуществляющих поступательное и возвратно-поступательное движение.
Таким образом, задачи снижения потерь от несимметричных режимов, повышения качества диагностики клеток роторов АД, комплектации парка современными серийными и специальными электродвигателями актуальны для сельскохозяйственного производства. На решение этих задач направлена данная диссертационная работа.
Целью диссертации является разработка научных положений и технических решений, реализация которых позволит снизить потери электроэнергии в несимметричных режимах, повысить качество диагностики клеток роторов АД, организовать широкое внедрение АДЧП и ЛАД в сельскохозяйственные электроустановки.
Объектами диссертационной работы являются несимметричные асинхронные машины, в частности — асинхронный двигатель с чередующимися формами стержней клетки ротора и плоский линейный асинхронный двигатель.
В рамках заявленных целей были поставлены следующие задачи работы.
Исследование энергетических процессов в несимметричных обмотках АД. Выявление новых, неизвестных ранее, закономерностей их протекания. Разработка научных основ рационального, с точки зрения минимизации мощности рассеяния, питания несимметричных АД. Разработка технических решений, реализующих рациональное питание.
Разработка определений энергетических показателей АД, корректно учитывающих потоки обменной мощности и распространяющихся на несимметричные и полигармонические режимы, а также переходные процессы.
Разработка методов моделирования несимметричных клеток АД в качестве базы для развития методов их диагностики. Выявление диагностических факторов качества клетки.
Исследование возможностей снижения потерь энергии в клетках АДЧП. Разработка конструкций клеток, обеспечивающих минимальный уровень рассеяния,
Разработка высоко интегрированных математических моделей ЛАД для задач их технико-экономического обоснования и предварительной оптимизации
Результаты решения этих задач дают возможность сформулировать научные результаты и положения, выносимые автором на защиту.
1. Теорию электромагнитных и энергетических процессов в несимметричных обмотках.
Концепцию рационального питания несимметричных асинхронных двигателей.
Технические решения, реализующие рациональное питание.
Определения основных видов мощностей, КПД и коэффициента мощности при произвольно изменяющихся мгновенных мощностях электрического и механического входов машины.
Метод эллиптических составляющих, как научную базу математического моделирования и диагностики короткозамкнутых клеток роторов асинхронных двигателей.
Математические модели АДЧП в переходных процессах и установившихся режимах работы.
Конструкцию клетки ротора АДЧП, реализующую критерий минимальной мощности рассеяния.
Высоко интегрированные математические модели ЛАД для задач их предварительной оптимизации и технико-экономического обоснования.
Научная новизна работы состоит в следующем.
Впервые определена роль собственных функции^ как ключевого звена энергетических процессов в несимметричной электрической машине (Н5М). Показано, что эта роль осуществляется посредством канонического преобразования координат.
Пространство фазных координат обобщено до уровня ортогонального. Впервые показана взаимная зависимость его подпространств у асимметричной обмотки. Показано, что только такой подход соответствует специфике НЭМ
Впервые выявлен и описан поперечный энергообмен в обмотках НЭМ.
Впервые даны определения потоков мощности и энергетических показателей при произвольного изменяющихся мгновенных мощностях электрического и механического входов НЭМ.
Разработан новый метод математического моделирования НЭМ с произвольным видом параметрической асимметрии фаз, основанный на гармоническом анализе дискретных функций.
Выявлены зависимости спектров эллиптических составляющих и степени их эллиптичности от асимметрии фаз клетки.
Обоснован принцип построения математических моделей НЭМ на базе эллиптических составляющих. Принцип реализован в модели АДЧП.
Впервые описан эффект поперечного вытеснения токов в клетках ротора АДЧП.
Обоснована схема итерационного построения математической модели ЛАД с коротким вторичным элементом.
10.Созданы математические модели ЛАД, основанные на функциях Грина и собственных функциях задачи Штурма-Лиувилля.
Практическая ценность работы заключается в следующих положениях.
Разработаны и защищены авторскими свидетельствами технические решения, реализующие концепцию рационального питания, снижающие потери и повышающие энергетические показатели несимметричных АД.
Разработана математическая модель для расчета переходных процессов и установившихся режимов АДЧП.
Разработана и защищена авторским свидетельством конструкция клетки ротора АДЧП с минимальным уровнем потерь энергии.
Для практической диагностики выявлены основные показатели технического качества клетки ротора АД - состав и степень эллиптичности эллиптических составляющих токов.
Созданы математические модели ЛАД для их предварительной оптимизации и технико-экономического обоснования.
Разработаны определения энергетических показателей для расчетов эффективности однофазных и многофазных АД в переходных процессах, полигармонических и несимметричных режимах.
Реализация результатов диссертации. Результаты работы использованы ОАО Ярославский электромашиностроительный завод (ELDIN) при создании электродвигателей серии RA; Трестом дорожного строительства и благоустройства Смоленского горисполкома для создания проекта детской обзорной дороги в г. Смоленске; Смоленским филиалом СКВ оптико- физических измерений для создания линейного электропривода специального назначения, ЗАО «Ногинский» Московской области при проведении мероприятий по улучшению технических и энергетических характеристик АД сельскохозяйственных электроустановок; ГНУ «Смоленский НИИСХ» при разработке защитных устройств асинхронных приводов машин сельскохозяйственного назначения.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Динамические режимы работы электрических машин переменного тока» (Смоленск, 1975 г.), всесоюзной научной конференции «Современные проблемы энергетики и электротехники» (Москва, 1977 г.), второй областной научно-технической конференции «Автоматизация технологических процессов и промышленных установою) (Пермь, 1977 г.), всесоюзной научно-технической конференции «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов» (Грозный, 1982 г.), всесоюзной научно-технической конференции «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов» (Днепродзержинск, 1985 г.), всесоюзной научно-технической конференции «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов» (Каунас, 1988 г.), всесоюзном совещании «Проблемы создания и применения линейных электродвигателей в машинах, оборудовании и транспортно-технологических системах» (Москва, 1989 г.), всесоюзной научно-технической конференции «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов» (Бишкек, 1991 г.), десятой всесоюзной научно-технической конференции «Интеллектуальные электродвигатели и экономия электроэнергии» (Суздаль, 1991 г.), международных конференциях «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» (Россия 2000 г., Украина 2003 г.), пятой международной конференции по специальным электромеханическим и электрическим системам (Польша, 2001 г.), четвертом и пятом международных симпозиумах «ЭЛМАШ -
2002», «ЭЛМАШ - 2004» (Москва, 2002 г., 2004 г.), научно-технических конференциях РГАЗУ (Москва, 2000 - 2004 гг.).
Публикации. Содержание работы отражено в 4 учебных пособиях и 65 научных публикациях, В их числе 10 статей в ведущих рецензируемых научных журналах, 15 публикаций в материалах конференций, совещаний и симпозиумов, имевших статус всесоюзных и международных, 13 авторских свидетельств.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 164 наименований и приложения, изложена на 367 страницах машинописного текста, имеет 87 рисунков и 4 таблицы.
