Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 11
1.1 Исследуемые переходные процессы 11
1.2 Обзор существующих методик исследования переходных процессов в асинхронных двигателях 13
ГЛАВА 2. БАЗОВАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МАШИНЫ 18
2.1 Общее описание базовой математической модели ЛАД 18
2.2 Математическая модель электрической цепи индуктора 19
2.3 Математическая модель электрической цепи вторичного элемента 21
2.4 Математическая модель магнитной цепи машины 27
2.5 Уравнение движения электропривода 31
2.6 Математическая модель теплового состояния машины 32
Выводы 38
ГЛАВА 3. РАЗВИТИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ МОДЕЛИ ЛАД 39
3.1 Особенности построения динамической электромеханической модели ЛАД 39
3.2 Особенности построения тепловой динамической модели многоиндукторного привода 42
3.2.1 Общие допущения 42
3.2.2 Матричная форма записи уравнений теплового состояния машины 43
3.3 Совместная электромеханическая и тепловая модель ЛАД 60
ВЫВОДЫ 62
ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ МОДЕЛИ ЛАД 62
4.1 Динамическая электромеханическая модель машины 62
4.1 Общий вид динамической электромеханической модели 62
4.1.2 Блоки структурной схемы электромеханической модели машины 63
4.2 Программа формирования многомерных массивов 66
4.3 Динамическая тепловая модель машины 69
4.3.1 Общий вид тепловой модели 69
4.3.2 Блоки расчета тепловых потоков 70
4.4 Обобщенная динамическая модель машины 74
ВЫВОДЫ 75
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ЛАД 75
5.1 Расчет переходных процессов лабораторной установки ДАД 75
5.2 Исследование двухиндукторной ЛИМ лабораторной установки 78
5.3 Исследование электромеханических переходных процессов в тяговом ЛАД 83
5.4 Исследование ЛАД SL-5-100 в составе привода церковных колоколов
91
5.5 Исследование режимов работы двигателя промышленной установки «Винтовой пресс с дугостаторным приводом усилием 250 т.е.» 99
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 114
ЛИТЕРАТУРА 117
ПРИЛОЖЕНИЯ 128
- Исследуемые переходные процессы
- Математическая модель электрической цепи индуктора
- Особенности построения динамической электромеханической модели ЛАД
- Общий вид динамической электромеханической модели
- Расчет переходных процессов лабораторной установки ДАД
Введение к работе
Актуальность темы
Определенную долю общего числа электрических машин составляют асинхронные двигатели с разомкнутым магнитопроводом. К ним относятся асинхронные двигатели с поступательным движением вторичного элемента и асинхронные двигатели с вращательным движением вторичного элемента (такие как дугостаторные или дисковые асинхронные двигатели) [34, 39, 78, 80, 94, 95 и др.].
Эффективность применения таких машин в производственных системах и системах наземного транспорта обусловлена возможностью непосредственной, т.е. без промежуточных звеньев, передачи усилия рабочему органу, а также возможностью получения свойств привода, принципиально недостижимых для электропривода с промежуточными механическими преобразователями. Так, например, при использовании ЛАД в качестве электромеханического преобразователя в высокоскоростном наземном транспорте устраняются ограничения по ускорению при разгоне и остановке поезда, обусловленные сцеплением несущих элементов и опоры. Исключение промежуточных механических передач при использовании плоских асинхронных двигателей с поступательным движением вторичного элемента и дугостаторных линейных асинхронных двигателей приводит к уменьшению общей массы оборудования, снижению затрат на ремонт и обслуживание, а также повышает надежность производственной или транспортной системы в целом.
Многообразие конструкций ЛАД определяется количеством типов индуктора и вторичного элемента. ЛАД может иметь один или несколько индукторов (многоиндукторный), индукторы могут быть плоскими (транспортная система) или дугообразными (дугостаторный пресс). В то же время вторичный элемент может быть разомкнутым или замкнутым,
5 ограниченной длины или длины, которую можно принять за бесконечно большую, может быть сплошным или с разрывами. Подробная классификация приведена в [73]. Для всего многообразия конструкций ЛАД общими являются особенности переходных процессов, обусловленные размкнутостью магнитопровода: эффект входа-выхода, продольный краевой эффект, вынос тепла из активной зоны индуктора за счет перемещения вторичного элемента.
Внедрение асинхронных двигателей с разомкнутым магнитопроводом требует их детального исследования, однако анализ динамических электромагнитных и тепловых процессов в машинах с разомкнутым магнитопроводом усложняется в сравнении с круговыми асинхронными двигателями за счет вышеперечисленных особенностей. Все это делает недостаточным применение классических методик [19,46] анализа процессов в ЛАД. Кроме этого, в случае многоиндукторного привода появляется необходимость совместного исследования, по крайней мере, тепловых процессов нескольких машин с общим вторичным элементом, т.к. токовые контуры и нагретые участки ВЭ перемещаются из активной области одного индуктора в активную область другого. Таким образом, каждый индуктор, следующий за предыдущим, будет работать в более тяжелых тепловых условиях.
Зачастую постоянные времени переходных процессов в электрической цепи двигателя пренебрежимо малы, в сравнении с продолжительностью рабочего цикла ЛАД, и электромагнитные переходные процессы при оценке теплового состояния машины в таком случае можно не учитывать. Однако существует ряд технологических процессов, продолжительность включения машины в которых ограничена несколькими периодами питающего напряжения и АД практически не работает в установившемся режиме. Так, например, «Винтовой пресс с дугостаторным приводом усилием 250 т.е.» имеет рабочий ход 30 периодов питающего напряжения, 10 периодов - пауза, 50 - реверс и еще 10 пауза. Кроме этого, ЛАД может выполнять функцию
6 передачи усилия рабочему органу и функцию его нагрева одновременно, как, например, в приводе качающихся транспортирующих машин [1], где при транспортировке сыпучего материала происходит его сушка. В таких случаях для оценки теплового состояния двигателя целесообразно использовать совместную электромеханическую и тепловую модель ЛАД.
Для исследования динамических режимов работы ЛАД целесообразно использование математических моделей, основанных на методе детализированных электрических, магнитных и тепловых схем замещения [73, 75, 76]. Он позволяет изменять степень детализации электрической, магнитной и тепловой схем замещения в зависимости от решаемой задачи. Так электрическая и магнитная схемы замещения могут быть детализированы до уровня паза, а тепловая схема замещения - до паза, полюса или фазы, а также до уровня целого индуктора для многоиндукторного привода.
Объект исследования
Объектом исследования в данной работе является многоиндукторный асинхронный двигатель с разомкнутым магнитопроводом, работающий в динамических режимах, сопровождающихся электромагнитными, механическими и тепловыми переходными процессами.
Предмет исследования
Предмет исследования - динамические режимы работы асинхронного двигателя с разомкнутым магнитопроводом.
Цель работы
Создание математической модели и исследование с ее помощью электромеханических и тепловых переходных процессов асинхронного двигателя с разомкнутым магнитопроводом, (например, при пуске ЛАД, подхвате, при перемещении края ВЭ или его разрыва в активной зоне индуктора).
Задачи
Разработка динамической модели асинхронного двигателя с разомкнутым магнитопроводом, позволяющей проводить исследования динамических свойств машины при пуске, торможении, «набросе» нагрузки, при входе в активную область индуктора края ВЭ или его разрыва. Модель должна предусматривать возможность исследования электромеханических и тепловых переходных процессов в многоиндукторных производственных и транспортных системах, и иметь структуру, которая не требует внесения изменений при изменении конструктивных параметров исследуемых машин (количество индукторов, количество пазов индуктора) или уровня детализации электрической, магнитной или тепловой схем замещения ЛИМ;
Исследование электромеханических переходных процессов ЛАД с разрывами и без разрывов ВЭ, а также тепловых переходных процессов многоиндукторной системы на основе ЛАД;
Совместное исследование электромеханического и теплового переходных процессов в высокодинамичном приводе на основе ЛАД по методу детализированных схем замещения.
Методы исследования
В данной работе используются методы структурного моделирования электромеханических систем, методы теории цепей, в том числе с использованием подробных схем замещения электрических, магнитных и
8 тепловых цепей электрических машин. Также используются физические методы исследования с применением лабораторных и действующих установок.
Научная новизна работы:
Разработана динамическая модель асинхронного двигателя с разомкнутым магнитопроводом, позволяющая проводить исследования динамических свойств машины при пуске, торможении, «набросе» нагрузки, при входе в активную область индуктора края ВЭ или его разрыва. Модель предусматривает возможность исследования электромеханических и тепловых переходных процессов в многоиндукторных производственных и транспортных системах, и имеет структуру, которая не требует внесения изменений при изменении конструктивных параметров исследуемых машин (количество индукторов, количество пазов индуктора) или уровня детализации электрической, магнитной или тепловой схем замещения ЛИМ;
Исследованы электромеханические переходные процессы ЛАД с разрывами и без разрывов ВЭ, а также тепловые переходные процессы многоиндукторной системы на основе ЛАД;
Проведено совместное исследование электромеханического и теплового переходных процессов в высокодинамичном приводе на основе ЛАД по методу детализированных схем замещения.
Практическая ценность
Комплекс разработанных моделей асинхронного двигателя с разомкнутым магнитопроводом и с разомкнутым или замкнутым вторичным элементом, может быть использован для оценки характеристик электромеханических и тепловых переходных процессов в машине при пуске, «набросе» нагрузки, при подхвате, т.е. при включении машины в сеть при ненулевой начальной скорости, при перемещении края ВЭ или его
9 разрыва в активной зоне индуктора. Также комплекс позволяет исследовать тепловые переходные процессы многоиндукторной системы с общим ВЭ.
С помощью комплекса разработанных моделей были выполнены следующие работы:
Исследованы электромеханический и тепловой переходные процессы в двигателе производственной системы «Винтовой пресс с дугостаторным приводом усилием 250 т.е.», имеющей два дугостаторных индуктора и замкнутый ВЭ;
Исследованы электромеханический и тепловой переходные процессы в двигателе SL-5-100, работающего в составе качающего привода церковных колоколов;
Исследованы электромеханические переходные процессы двигателя наземной транспортной системы.
Реализация
Результаты исследования электромеханических переходных процессов в ЛАД состава монорельсовой дороги переданы Инженерно-научному Центру «ТЭМП» (г. Москва).
Результаты исследования электромеханических и тепловых переходных процессов в двигателе установки «Винтовой пресс с дугостаторным приводом усилием 250 т.е.» переданы Федеральному Государственному Унитарному Предприятию «Верхнетуринский машиностроительный завод» («ВТМЗ», г. Верхняя Тура).
Результаты работы используются на кафедре электротехники и электротехнологических систем УГТУ-УПИ и на кафедре автоматизации технологических процессов и систем Нижнетагильского технологического института УГТУ-УПИ в учебном процессе, при курсовом и дипломном проектировании, проведении научных исследований.
10 Апробация
Результаты работы докладывались, были обсуждены и одобрены на следующих конференциях: VI международный симпозиум ЭЛМАШ-2006. Москва, октябрь 2006 г.
Международная тринадцатая научно-техническая конференция «Электроприводы переменного тока». Екатеринбург, УГТУ-УПИ, март 2005 г.
Региональная научно-техническая конференция «Проблемы энергосбережения и экологии промышленного региона», Нижний Тагил, НТИ УГТУ-УПИ, декабрь 2005 г.
5-ая международная научно-техническая конференция «Компьютерное моделирование 2004». СПб, СПбГПУ, 2004 г. , V отчетная конференция молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. Екатеринбург, 2003 г. XXXV международная научно-техническая конференция молодых специалистов. Нижний Тагил, ОАО «НТМК», октябрь 2003 г.
Публикации
По результатам работы опубликовано 19 статей и докладов.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и 4 приложений. Общий объем 159 страниц. Основная часть изложена на 116 страницах машинописного текста, иллюстрирована 78 рисунками, 9 таблицами. Список использованной литературы содержит 100 наименований.
Исследуемые переходные процессы
Внедрение асинхронных двигателей с разомкнутым магнитопроводом требует их детального исследования, однако анализ динамических электромагнитных и тепловых процессов в реальных электромеханических системах чрезвычайно сложен, а в некоторых случаях принципиально невозможен. Вместо оригинала обычно рассматриваются упрощенные модели. Принятые при построении модели допущения, а также выбранный метод моделирования, определяют ее быстродействие, сложность и точность результатов. Многообразие задач, для которых приемлемое соотношение быстродействия, сложности и точности модели является различным, объясняет большое количество методик, позволяющих с той или иной точностью учитывать особенности линейных машин с несимметрией электрических, магнитных и тепловых цепей.
Существующие модели ЛАД (рис. 1.2.1) различаются по степени идеализации электрической машины, уровню принятых допущений, подробности описания физических процессов, по теории и методам решения, положенных в их основу, по моделируемым режимам [37, 73].
В общем случае методики анализа электромагнитных и тепловых процессов в асинхронных двигателях с разомкнутым магнитопроводом делятся на две категории [25]:
методики, основанные на теории поля;
методики, основанные на теории цепей.
Большую роль в изучении ЛАД сыграла одномерная полевая модель А.И. Вольдека [16]. Модель предполагает равномерное распределение токов по объему немагнитного зазора, бесконечно длинные сердечники индуктора и ВЭ; продольный краевой эффект учитывается как следствие ограниченной длины токового настила. Свое развитие одномерная теория получила в работах Е.М. Огаркова [61], где анизотропный характер сред на границах активной зоны и зоны шунтирования учитывается с помощью некоторой эквивалентной магнитной проницаемости ярма бесконечно протяженных шунтирующих участков.
Математическая модель электрической цепи индуктора
Тепловые процессы в линейных асинхронных двигателях имеют некоторые особенности и отличаются от тепловых процессов во вращающихся электрических машинах. Различия обусловлены размкнутостью тепловой цепи индуктора и выносом тепла из активной зоны индуктора при движении разомкнутого ВЭ [66]. Таким образом, продолжительность включения (ПВ) вторичного элемента и продолжительность включения индуктора могут существенно различаться.
Математическая модель, описывающая тепловые переходные процессы в асинхронном двигателе с разомкнутым магнитопроводом строится на основании эквивалентных тепловых схем (ЭТС) [5, 33]. При этом устройство представляется в виде системы однородных тел, связи между которыми определены условиями теплообмена. В плоскости симметрии каждого тела устанавливается узел, к которому подключаются сопротивления теплообмена с другими телами. В узлы вводятся потери, выделяющиеся в данной части устройства. Тепловые сопротивления определяются через параметры среды -теплоемкость, коэффициенты теплопроводности и теплоотдачи [5, 33].
Особенности построения динамической электромеханической модели ЛАД
Современные средства моделирования позволяют создавать структурные модели, достоинствами которых являются доступность всех необходимых параметров исследуемого объекта, простота построения и дополнения функциональных возможностей. Сложность модели, основанной на методе детализированных схем замещения, будет определяться количеством блоков, каждый из которых реализует соответствующее уравнение только для одного участка электрической, магнитной или тепловой схемы замещения, а также числом связей между такими блоками. Исследование машин с различным количеством рассматриваемых участков, а также решение задач, требующих разного уровня детализации схем замещения, приведет к необходимости изменения структурной модели, что потребует чрезвычайно больших трудозатрат.
Для создания структурной модели многоиндукторного привода, основанной на методе детализированных схем замещения, необходим алгоритм, позволяющий построить модель, структура которой не требует внесения изменений при изменении таких параметров конструкции исследуемых машин, как число индукторов или пазов индуктора, а также при необходимости изменения уровня детализации схем замещения.
Такой алгоритм предполагает использование матричного подхода при построении структурной модели. Структура модели при этом остается неизменной, а количество рассматриваемых участков, уровень детализации схем замещения и связи между блоками структурной схемы определяются соответствующими матрицами.
Динамическая электромеханическая модель ЛАД на основе детализированных схем замещения реализует уравнение равновесия электрической цепи индуктора (2.2.3), цепи вторичного элемента (2.3.4), систему уравнений магнитной цепи (2.4.5), и уравнение движения электропривода (2.5.4). Все перечисленные уравнения можно записать в виде системы матричных уравнений [25].
Общий вид динамической электромеханической модели
Одним из представлений статической модели линейного асинхронного двигателя является представление в форме многомерного массива. В і упрощенном варианте «входными» размерностями массива являются скольжение и частота питающего напряжения, «выходной» - тяговое усилие или потери. Кроме этого, для учета изменения параметров схем замещения машины, зависящих от температуры, в массив могут быть включены мерности температуры индуктора и вторичного элемента.
Создание модели в форме массива требует наличия исходной модели, позволяющей для заданного набора входных параметров рассчитать значение элемента массива. Исходная модель в данном случае представляет собой расчет механической характеристики ЛАД, потерь в индукторе и вторичном элементе с помощью пакета математического моделирования MathCAD при заданных скольжении, частоте, температуре индуктора и вторичного элемента. Сформированные массивы используются для построения тепловой модели ЛАД в MATLAB. Таким образом, возникла потребность в программе, решающей следующие задачи:
автоматизация процесса формирования массива, при условии минимальных изменений в имеющихся формулярах расчетов, выполненных в MathCAD;
обеспечение адаптации полученных в результате расчетов данных к среде MatLab.
Расчет переходных процессов лабораторной установки ДАД
На рис. 5.2.2 приведены расчетные зависимости тягового усилия лабораторной установки от времени при заторможенном ВЭ для разного значения степени перекрытия индуктора и вторичного элемента. Очевидно, что установившееся значение тягового усилия уменьшается не пропорционально уменьшению степени перекрытия. На рис. 5.2.3 приведены расчетные зависимости тягового усилия для отдельных участков ЛИМ при полном перекрытии индуктора и ВЭ, постоянная составляющая усилия увеличивается по мере удаления от края индуктора.
