Введение к работе
Акт^аяьность_пробле.мы;_ Одним из путей повішення производительности труда является интенсификация- работы оборудования, прежде всего электродвигателей. Практический интерес представляет обеспечение их динамических характеристик средств"ми проектирования, а также учет при этом системы питания и регулирования, ренкма работы и других условий эксплуатации.Разработчики электроприводов долины иметь возможность использовать боле э широкую номенклатуру модификаций двигателей, в том числе специализированного назначения для конкретных типов производственных механизмов и нагрузок.
Данная диссертация посвящена исследованию и разработке асинхронных машин (AM), функционирование которых сопровождается частыми или постоянными переходными процессами. Они вызываются коммутациями напряжения и тока, регулированием напряк:зния, тска и частоты, изменением нагрузки и другими фшсторами.К этой категории следует отнести все электрические машины, работающие совместно с полупроводниковыми преобразователи.
В нестационарных режимах возникают пульсации токов в обмотках и магнитных потоков в сердечниках. В результате электрические и магнитные потери значительно превышают потери в любом из номинальных режимов, предусмотренных ГОСТ 183-74 "Машины электрические вращающиеся. Общие технические требования". Это затрудняет или делает невозможным использование серийных машин, а разработка специальных может быть осуществлена только при совместном учете электромагнитных, тепловых и механических переходных процессов.
Традиционные метода не всегда позволяют подобрать, а тем более спроектировать оптимальную машину для таких условий эксплуатации, реализовать наилучший режим управления. Причина состоит в том, что анализ рабочих свойств, потерь, энергетических показателей и нагрева принято проводить без учета электромагнитных переходных процессов или посредством упрощенного усредненного их учета. Это приводит к недопустимым погрешностям в тех случаях, когда в общем времени работы превалируют динамические рехимы, характерным признаком которых являются негармонические ?->.коны изменения электромагнитных переметни во времени.
В общепринятых методиках расчета параметров и характеристик асинхронных двигателей (АД) сопротивления короткозамкнутых роторов с учетом вытеснения тока, потери в обмотках и в стали определяются в предположении о синусоидальности во времени токов и магнитных потоков. Это допущение несправедливо, если цикл работы машины очень короткий, если она эксплуатируется с частыми пусками,.торможениями, реверсами, в колебательном режиме, при резко изменяющейся нагрузке или при несинусоидальных напряжениях (токах). В таких случаях все физические процессы, характеристики и параметры должны рассматриваться во временном измерении, как функции мгновенных значений переменных.
Серийные АД, предназначенные для продолжительного или повторно-кратковременного режимов, как правило не могут работать в частых динамических режимах, для которых целесообразно создавать специальные машины. Анализ и проектирование последних должны базироваться на дифференциальных уравнениях, в терминах мгновенных значений переменных.
В создание и развитие теории и экспериментальных методов исследования переходных процессов и параметров машин переменного тока, общих вопросов электромеханического преобразования энергии, нагрева и охлаждения электрических машин большой вклад внесли отечественные ученые: Адаменко А.И., Алябьев М.И., Арешян Г.Л., Борисенко А.И., Бродовский В.Н., Важнов А.И., Веников В.А., Войтех А.А., Глебов И.А., Глухивский Л.И., Горев А.А., Городский Д.А., Грузов Л.Н., Данилевич Я.Б., Загорский А.Е., Иванов-Смоленский А.В., Ильинский Н.Ф., Иосифьян А.Г., Казовский Е.Я., Ключев В.И., Ковалев Ю.З., Кононенко Е.В., Копылов И.П., Костенко М.П., Лупкин В.М., Лутидзе Ш.И..Мамедов Ф.А., Маыиконянц Л.Г., Петров Л.П., Плахтына Е.Г., Постников И.Ч., Радин В.И., Рогозин Г.Г., Рубисов Г.В., Сквокобыленко B.S., Сидельников Б.В., Синельников Е.М., Сипайлов Г,А., Соколов М.М., Соколов Н.И., Страхов СВ., Стрельбицкий Э. К. .Счастливый Г.Г., Сыромятников И.А. ,'Тафт В.А., Трещев И.И., Тубис Я.Б., Урусов И.Д., Филиппов И.Ф., Шильц Р.В., Хрущев В.В., Чабан В.И., Шакарян Ю.Г., Шубенко В.А., Шулахов Н.В., Шумилов Ю.А., Яковлев А.И., Янко-Триницкий А.А. и другие.
За рубежом наиболее значительные работы по этим проблемам выполнили: Адкинс Б., Ечондель А., Вудсон Г., Гиббс В., Догерти Р., Кимбарк Э., Кларк Э., Ко~-. К., Крауе П.,Крон Г.,
Ку Ю., ЛаАон В., Липо Т., Новотный Д., Парк Р., Ранкин А., Рац И., Рюденберг Р., Сили С., Стэнли Г., Уайт Д., Хэнкок Н. и другие.
В диссертации обобщены научные и практические результаты НИР, выполненных в МЭИ с начала ЄО-х годов по настоящее время под руководством и при непосредственном участии автора. Основаниями для проведения НИР являлись: Постановление СМ СССР № 343-101 от 24.04.1980; Постановление ГКНТ СССР, Госплана СССР и АН СССР № 474/250/132 от 12.12.I960, программа 0Ц.027, подпрограмма 05.11, задание А4; Постановление ГК СМ СССР по науке и технике № 430 от 16.II.1976, задание 080.17.15.31.Д6; Отраслевой план МЭТП 1985г., задание 1.3; Приказ Минвуза СССР № 192 от 5.12.1985 и другие задания директивных органов.
Целью_работы_является создание научных основ теории, математического моделирования и проектирования AM для динамических режимов работы и выполнение конкретных разработок. Дія достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи:
разработать математические модели и построить на их основе алгоритмы расчета электромеханических переходных процессов в несимметричных машинах;
провести теоретический анализ и разработать метод исследования влияния зысших пространственных гармоник на динамику АД;
найти способ определения магнитных потерь на вихревые токи, и гистерезис при несинусовдальных изменениях магнитного поля во времени, усовершенствовать для этой цели математическую модель петли гистерезиса;
разработать метод и провести исследования динамических характеристик АД при резкопеременных и стохастических нагрузках;
проанализировать нестационарные процессы нагрева и охлаждения машин;
осуществить алгоритмическую реализацию и практическое использование программ оптимального проектирования AM с учетом постоянно протекающих переходных процессов;
разработать специальные машины для нестандартных условий эксплуатации, конкретных режимов и механизмов;
сформулирогіть рекомендации о дополнении ГОСТ 183-74 непредусмотренными в нем динамическими номинальными режимами.
Методы_иссл^дования._ При решении этих задач использовались различные методы теории электрических машин, математики, электрических.цепей и теории поля. Среди них ^егоды теории автомагического управления и случайных функций, гармонического и векторного анализа, двух реакций, симметричных составляющих и вращающихся полей, алгебры матриц, координатных преобразований, классический метод решения систем дифференциальных уравнений (СДУ) и с помощью интеграла Доамеля, обмоточных функций, удельной магнитной проводимости воздушного зазора, эквивалентных тепловых схем (ЗТС), планирования эксперимента.
Работа выполнялась с широким применением ЭВЫ и привлечением следующих численных методов и програчч: Рунге-Кутта и Гира - для решения обыкновенных дифференциальных уравнений, интерполяционного и основанного на рядах Тейлора - для решения стохастических дифференциальных уравнений, быстрого преобразования Фурье, сплайн-аппроксимации нелинейных зависимостей,статистической диаграммы Прейзаха, генерации случайных чисел,прогонки, итераций, конечных разностей, булевых функций, упорядоченного перебора и Нелдера-Мида - для поиска экстремумов функций многих переменных.
Достоверность результатов и выводов диссертации подтверждается обоснованностью допущений, принимаемых при построении математических моделей, сравнением результатов, полученных различными расчетными методами, между собой и с данными экспериментов, опытом эксплуатации натурных образцов.
Научная_новизна работы состоит в следующем:
-
Показано,- что теоретические исследования и расчет Ш, работающих в постоянных динамических режимах, должны проводиться через мгновенные значения переменных с привлечением СДУ.
-
Разработаны математические модели, адекватно описывающие переходные и установившиеся режимы AM с учетом несимметрии, временных и пространственных гармоник, электрических и магнитных потерь, нестационарных тепловых процессов и случайных нагрузок.
Я. Найден способ приведения, периодических СДУ несимметричных машин к более простым системам с постоянными коэффициентами.
4. Предложена методика расчета потерь в стали при несину-
соидальном изменении поля во времени.
-
Разработанные математические модели полонены в основу алгоритмов и программ, реализованных в виде многофункционального програмно-вычислительного комплекса. В него входят программы оптимального проектирования Ш, способных продолжительно работать в напряженных динамических и других неном/чальных режимах.
-
Впервые показано увеличение средней температуры обмоток АД из-за случайных пульсаций нагрузочного момента, обнаружено и исследовано влияние вида и параметров его корреляционной функции на характеристики, предложен метод исследования нестационарных случайных процессов посредством разложения в ряд Тейлора решения стохастических СДУ м&шины.
-
Доказано, что с увеличением частоты переходных циклов потери в ДЦ в несколько раз превышают потери установившегося режима и решающим образом влияют на его нагрев.
-
Выявлены области резонанса и устойчивой работы AM при различных возмущениях, закономерности возникновения асинхронных, синхронных, реактивных, демпферных и синхронизирующих моментов в динамических режимах.
Пр_актическая_уенность: Результаты диссертационной работы направлены на реш>..ше важной народно-хозяйственной проблемы -повышение качества и надежности AM, расширение их номенклатуры. Проведенные автором исследования позволили
создать новые и уточнить существующие методы расчета технических характеристик и проектирования AM;
реализовать разработанные методики в виде алгоритмов и программ, доступных для заинтересованных организаций;
сформулировать рекомендации по выбору серийных и проектированию специальных машин для нестандартных условий эксплуатации ;
выполнить конкретные разработки машин;
выдвинуть предложения о дополнении перечня номинальных режимов в ГОСТ 183-74.
Результаты НИР, обобщенные в диссертации, неоднократно отмечались премиями МЭИ, Минвуза и Минэлектротехлрома СССР. Образцы разработанных электрических машин экспонировались иг. ВДНХ СССР и быстрчках Госкомобразования СССР, за что автор награвдался в 1963 и 1976 г.г. бронзовыми медалями, а в 1907г.
серебряной медалью ВДНХ.
Реализауия_р_ез^льтат^в_аиссертации. Результаты работы использованы в ЦКИИАГ і г.Москва) при создании электроагрегатов для систем управления высокоточного кинотеодолита и других электрических ыаиин для специальных электроприводов; во ВНИПТИЗМ (г.Владимир) при разработке модификации серии АД для кратковременных режимов и нагружающих устройств для испы-талия двигателей внутреннего сгорания; ПО "Автоприбор"!Г.Владимир) в виде образцов АД, работающих в режиме частых реверсов; в НПО "Маяк" (г.Киев) при разработке электродвигателей для прецизионной аппаратуры; в учебном процессе в курсах "Электрические машины", "Математическое моделирование электрических машин" и "Обобщенная теория электрических машин".
Разработанные методики, алгоритмы и программы переданы для использования ряду предприятий и организаций.
2Ь22Уё_П2525ЁЬ23^2^Е1&Цййл._1Ц22симые_на_защиту_^
-
Концепция AM, эксплуатация которых сопровождается частыми переходными процессами с несинусоидальными электромагнитными переменными.
-
Математические модели машин, построенные на базе обыкновенных дифференциальных уравнений и в частых производных.
-
Аналитические и расчетные методы
преобразования СДУ лесимметричных машин к системам с постоянными коэффициентами;
преобразования несимметричных схем включения трехфазных обмоток к эквивалентным двухфазным;
определения магнитных потерь при негармонических законах изменения поля во времени;
выбора АД для работы со случайной нагрузкой;
исследования нестационарных случайных процессов в электрических машинах.
-
Многофункциональный програмно-вьгчислительный комплекс,осу- ' ществляющкй расчетные исследования физических явлений в AM в динамике и их оптимальное проектирование для продолжительной работы в динамических и несимметричных режимах.
-
Результаты анализа электромеханических переходных процессов в AM с учетом пространственных и временных гармоник поля воздушного зазора, нестационаг'т- потерь и нагрева, областей и условий устойчивой работы при различных возцущени-
ях, резонансных явлений, закономерностей возникновения составляющих электромагнитного момента.
6. Предложения по дополнению действующих стандартов новыми и модифицированным типами номинальных режимов работы электрических машин.
Апробация_аботы._ Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсувдались на Национальных научно-технических конференциях с международным участием (НРБ,г.Варна, 1987 и 1990 г.г.); Всесоюзных научно-технических конференциях "Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов (г.Смоленск, 1975 и 1978 г.г., г.Грозный, 1982г., г.Днепродзержинск, 1985г., г.Каунас, 1988г., г.Бишкек, 1991г.); Всесоюзньк научно-технических конференциях "Состояние и перспективы совершенствования разработки и производства асинхронных двигателей" (г.Владимир, 1980, 1982, 1985, 1988 и 1990 г.г.); Всесоюзных межвузовских конференциях по теории и методам расчета нелинейных электрических цепей и систем (г.Ташкент, 1971, 1975 и 1982 г.г.); Всесоюзной конференции по теоретической электротехнике (г.Ташкент, 1987г.); Всесоюзной конференции "Автоматизация проектных и конструкторских работ" (г.Москва, 1979г.); Всесоюзной научной конференции "Моделирование электроэнергетических систем" (г.Баку, 1982г.); Всесоюзных научных конференциях "Пути экономии и повышения эффективности использования электроэнергии в системах электроснабжения промьшленности и транспорта" (г.Казань,1984г., г.Днепропетровск, 1990г.); Всесоюзной научно-технической конференции по электромеханотронике (г.Ленинград, 1987г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы электромеханики" (к 100-летию изобретения трехфазного асинхронного двигателя) , (г.Москва, 1989г.); Всесоюзном научо-техническом совещании "Вопросы проектирования, исследования и производства мощных турбо-, гидрогенераторов и крупных электрических машин" (г.Ленинград, 1988г.); Республиканских научно-технических конференциях "Перспективы развития электромашиностроения на Украине" (г.Харьков, 1983 и 1988г.г.); Семинаре Московского дома научно-технической пропаганди "Кибернетические системы автоматизированного проектирования "(г.Москва, 1973г.); Научном совещании-семинаре "Построение моделей и мо-
делирование сложных технических объектов" (г.Тула, 1984г.); Конференции "Повышение эффективности электрических машин" (г,Киев, 1985г.); Научно-технической конференции "Повышение надежности и экономичности вэрывозащищонного электрооборудования" (г.Кемерово, 1986г.); Научно-технических конференциях МЭЙ по итогам научно-исследовательских работ (г.Москва,1965, 1967, 1970, 1975, 1980, 1985 и 1988 г.г.).
Г^бликации^ Основное содержание работы опубликовано в ДЕух монографиях и 56 научных статьях. По теме диссертации получены 3 авторских свидетельства, ее результаты отражены в 21 отчете по НИР и в 6 учебных пособиях.
Структура_и_объем_рабогы± Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 388 наименований и четырех прилонений, изложена на 317 страницах машинописного текста, имеет 108 рисунков и 36 таблиц.
