Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ влияния систем охлаждения на технические и эксплуатационные характеристики электрических машин морского назначения 15
1.1 Требования к надежности эксплуатации и эффективности систем охлаждения 15
1.1.1 Температура и превышение температуры 16
1.1.2 Сопротивление изоляции обмоток 18
1.1.3 Кавитация в системах водяного охлаждения 19
1.1.4 Аэродинамический шум 21
1.2 Влияние выбора системы охлаждения на электромеханические характеристики машины 22
1.3 Заключение 25
2 Предварительный анализ теплового состояний машины. Формирование первичного конструктивного облика электрической машины 27
2.1 Разделение потерь 27
2.1.1 Потери в обмотке статора 28
2.1.2 Потери в стали 30
2.1.3 Потери в роторе 32
2.1.4 Потери на вентиляцию 33
2.2 Тепловой анализ с применением точных аналитических решений 35
2.2.1 Анализ существующих расчетных моделей 35
2.2.2 Приведение параметров реальной электрической машины к эквивалентной двухслойной модели 37
2.2.3 Решение задачи для стационарного режима 39
2.2.4 Решение задачи для нестационарного режима 43
2.3 Тепловой анализ по методу тепловых схем замещения 45
2.4 Заключение 49
3 Численное моделирование тепловых процессов в электрических машинах 51
3.1 Постановка задачи и принятые допущения 51
3.2 Описание объектов исследования 55
3.3 Расчетные модели 57
3.4 Расчет стационарного теплового поля 59
3.4.1 Асинхронный двигатель 59
3.4.2 Трансформатор с вращающимся полем 63
3.5 Расчет нестационарных тепловых процессов 67
3.5.1 Асинхронный двигатель 69
3.5.2 Трансформатор с вращающимся полем 71
3.6 Заключение 73
4 Сравнительный анализ и обобщение результатов моделирования и аналитических решений, сопоставление с экспериментом 75
4.1 Асинхронный двигатель 75
4.1.1 Преобразование ядра машины в обобщенную двухслойную модель 75
4.1.2 Сравнение результатов расчетов 76
4.2 Трансформатор с вращающимся полем 78
4.2.1 Преобразование ядра машины в обобщенную двухслойную модель 78
4.2.2 Сравнение результатов расчетов 80
4.3 Анализ адекватности обобщенной двухслойной модели 82
4.4 Алгоритм проведения поисковых тепловых расчетов 86
4.4 Заключение 87 Заключение 88
Список литературы 90
Приложение
- Влияние выбора системы охлаждения на электромеханические характеристики машины
- Приведение параметров реальной электрической машины к эквивалентной двухслойной модели
- Расчет стационарного теплового поля
- Алгоритм проведения поисковых тепловых расчетов
Введение к работе
Актуальность проблемы
Одним из вопросов, возникающих при проектировании электрических машин (электродвигателей, генераторов) является проблема их охлаждения. Наиболее чувствительны к воздействию высоких температур изоляционные материалы, изолирующие и механические свойства которых резко ухудшаются при повышении температуры сверх допустимых значений. Для обеспечения стабильности работы машин служит система охлаждения. Система охлаждения электрической машины в большой степени определяет ее технические характеристики.
В настоящее время для нужд кораблестроения возникла необходимость в создании электрических машин переменного тока большой и средней мощности, обладающих специальными характеристиками. Главные требования к техническим параметрам таких машин состоят в следующем:
Минимально возможные масса и габариты
Высокая надежность в напряженных условиях эксплуатации
Низкий уровень шума и вибрации
Проектирование систем охлаждения для машин, удовлетворяющих названным требованиям, в сущности, является нахождением некоего оптимального соотношения противоречивых условий, в особенности надежности, безаварийности эксплуатации, что предъявляет дополнительные требования к методам тепловых расчетов.
При такой постановке вопроса система охлаждения является определяющим фактором в конструировании будущей машины.
Опыт разработки и изготовления ряда электрических машин показывает, что оптимальной с точки зрения предъявляемых к корабельным машинам требований является система косвенного водяного охлаждения:
- она позволяет выполнить машину в достаточно компактных габаритах;
- является малошумной, особенно в сравнении с системами воздушного
охлаждения;
3 \ <
обеспечивает требуемую надежность, как механическую, так и электрическую;
является непритязательной к химическому составу охлаждающей воды;
требует минимальных энергозатрат на обеспечение циркуляции за счет низких величин гидравлических сопротивлений элементов системы. Позволяет тем самым снизить мощность, а следовательно и шум насосов корабельной системы охлаждения.
Современный анализ систем охлаждения электрических машин использует физические и математические основы движения охлаждающих сред и тепловых потоков. В литературе существует значительное число частных решений, но в явном виде не содержится метод экспресс-анализа теплового состояния электрических машин с косвенным водяным охлаждением.
Цель исследований
Целью настоящей работы является разработка алгоритма проектирования и рекомендаций по проведению инженерных тепловых расчетов электрических машин с системами косвенного водяного охлаждения.
Научная новизна
предложена обобщенная двухслойная математическая модель, позволяющая с приемлемой точностью проводить поисковые тепловые расчеты с целью нахождения оптимальной конфигурации геометрии активного ядра электрических машин с системами косвенного водяного охлаждения;
выработан алгоритм проведения поисковых тепловых расчетов, основанный на предложенной обобщенной двухслойной модели.
Достоверность результатов
Полученные в работе результаты исследований обеспечены применением адекватного математического аппарата, хорошей согласованностью расчетных характеристик, полученных на базе
разработанной модели, с экспериментальными данными и результатами численного моделирования.
Практическая ценность работы
Предложенная расчетная модель и инженерный алгоритм проведения расчетов могут быть рекомендованы для анализа теплового состояния электрических машин переменного тока с системами косвенного водяного охлаждения морского исполнения.
По изложенному в работе алгоритму был проведен ряд расчетов крупных электрических машин морского исполнения. В настоящее время упомянутые электрические машины находятся в производстве в филиале ОАО «Силовые машины» «Электросила».
Апробация работы
Основные положения и научные результаты работы докладывались и обсуждались на:
Научно-практическом семинаре «Проблемы автоматизации проектирования корабельных электроэнергетических систем» (доклад), Санкт-Петербург, Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова, 30 ноября 2007.
V Международной (16 Всероссийской) конференции по
автоматизированному электроприводу, АЭП 2007 (доклад), Санкт-Петербург,
Государственный политехнический университет, 18-21 сентября 2007.
VI международном симпозиуме ЭЛМАШ - 2006 «Перспективы и
тенденции развития электротехнического оборудования» (доклад), Москва,
МА «Интерэлектромаш», 2-6 октября 2006.
Публикации
Основные положения и результаты диссертации опубликованы в четырех печатных работах, из них одна в рецензируемом издании.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 59 наименований и 5 приложений. Общий объем
работы составляет 129 страниц машинописного текста. Работа содержит 53 рисунка и 6 таблиц.
На защиту выносятся следующие положения
1. Предложенная обобщенная двухслойная математическая модель,
позволяющая проводить тепловые экспресс-расчеты электрических машин с системами косвенного водяного охлаждения на этапе предварительного проектирования.
2. Усовершенствованный алгоритм расчета и выбора оптимального
варианта конструкции машины на начальном этапе проектирования с
использованием предложенной обобщенной двухслойной модели.
3. Результаты исследования теплового состояния рассматриваемых
машин с применением предложенной расчетной модели.
Влияние выбора системы охлаждения на электромеханические характеристики машины
От проектировщика требуется разработать электрическую машину в соответствии с указанными в техническом задании параметрами. Для машин рассматриваемого в данной работе типа задаются: номинальная выходная мощность номинальное напряжение номинальный и максимальный вращающий момент номинальная частота вращения ротора, для регулируемых машин — максимальная частота вращения максимальные габаритные размеры максимальная масса максимально допустимые уровни шума и вибраций максимальная величина температуры корпуса обеспечение безаварийной работы при стоянке под током механическая прочность.
В основе лежит электромагнитный расчет, в результате которого получаем исходные данные для теплового расчета. Это основные размеры активного ядра, потери. В результате теплового расчета получаем: температуру всех активных частей температуру поверхности корпуса время достижения установившегося теплового режима время работы машины при номинальной мощности в случае выхода из строя системы охлаждения максимальную мощность длительной работы с неработающей системой охлаждения.
Проводя оценку исходных требований необходимо определить тип системы охлаждения и вид хладагента. Следующий шаг — это предварительная проработка конструкции с последующей оценкой эффективности выбранной системы охлаждения по упрощенным математическим моделям. На этом этапе разработки машины формируется ее основной конструктивный облик, т.е. подтверждается, либо опровергается правильность выбора системы охлаждения. После чего проводится уточненный расчет и фиксирование конструкции для проведения трехмерного моделирования. В процессе проектирования б-ти фазного трансформатора с вращающимся магнитным полем номинальной мощностью 1 МВт1 был проведен ряд электромагнитных и тепловых расчетов. Данная машина имеет систему косвенного водяного охлаждения с водяными рубашками статора и ротора. По этой причине наиболее термически напряженным элементом является обмотка ротора, в частности ее лобовые части. Наиболее характерные варианты расчетов, отражающие суть взаимосвязи конфигурации электромагнитного ядра, потерь и типа системы охлаждения представлены в таблице 1.1. На рисунке 1.2: кривая 1 - суммарные потери; кривая 2 - среднее превышение температуры лобовых частей обмотки ротора;
Приведение параметров реальной электрической машины к эквивалентной двухслойной модели
В случае машин компактного исполнения с системами косвенного водяного охлаждения, для улучшения теплового состояния, электромагнитные расчеты нацелены помимо получения высоких энергетических показателей, также на минимизацию потерь в обмотках, допуская при этом увеличение потерь в сердечниках машины. По этим причинам пренебрежение потерями в сердечниках для расчета машин данного класса является недопустимым. Моделирование статора машины с использованием обобщенной двухслойной модели, представленной на рисунке 2.2 сопряжено с приведением реальных параметров к эквивалентным для каждого слоя. Отличия модели, обобщенной двухслойной модели (рисунок 2.2) от модели, представленной на рисунке 1-а заключается в следующем: - к слою 1 приложен тепловой ПОТОК #2 - учтены все теплофизические характеристики для обоих слоев. Слой 1 представляет эквивалентную зубцовую зону, слой 2 — спинку сердечника. Тогда как для слоя 2 в случае больших диаметров применимы реальные параметры спинки сердечника (теплопроводность, удельное тепловыделение) для слоя 1 их необходимо вычислять каждый раз при проведении расчета. Определение эквивалентной теплопроводности производится по тепловой схеме замещения зубцовой зоны (рисунок 2.4). Для получения эквивалентного коэффициента теплопроводности необходимо вычислить суммарное тепловое сопротивление схемы по известным формулам [6, 27]. Далее из выражения (2.32) получаем искомый коэффициент. В предельном случае можно считать, что весь тепловой поток в зубцовой зоне проходит исключительно по стали зубца.
Схема, представленная на рисунке 2.4 применима для приведения реальной зубцовой зоны к эквивалентному слою с теплопроводностью ЛЭкв для любой двухслойной обмотки, уложенной в прямоугольные пазы.
Для модели (рисунок 2.2) справедлива следующая система дифференциальных уравнений: На рисунке точка 1 при переходе к реальной геометрии соответствует расположению между стержнями обмотки статора, точка 2 — дну паза. Превышение температуры в точке 1 составляет 106.9 К, в точке 2 -85.8 К. Особенностью расчета по упрощенным моделям, которую всегда необходимо помнить, является то, что наиболее точные результаты получаем для максимально нагретой точки модели. Это вызвано принятыми допущениями и принципиальным искажением картины теплового поля при замене зубцовой зоны на эквивалентный слой. Немаловажным недостатком является то, что температуру лобовых частей необходимо вычислять отдельно с применением готовых решений из [4, 29, 32, 50]. Далее будет приведен сравнительный анализ расчета, проведенного по упрощенной модели и конечноэлементного расчета по трехмерной геометрической модели.
Как было сказано ранее, для оценки нестационарного режима наиболее простым и наглядным является результат (2.13), полученный для простейшей однослойной модели. Следовательно, для максимально нагретой точки модели (при х = 0) имеет смысл преобразовать исходную расчетную модель (рисунок 2.2) в однослойную. В [23] было показано, что такая манипуляция приводит к погрешности, в диапазоне реальных теплофизических параметров электрической машины, в пределах 3..5 %.
Напрямую применить выражение (2.13) можно только при отсутствии теплового потока со стороны ротора, в нашем случае этот поток необходимо учитывать. Расчетная модель представлена на рисунке 2.3.
Дифференциальное уравнение нестационарного процесса для рассматриваемой модели: Для перехода к оригиналу функции необходимо выполнить обратное преобразование Лапласа, которое осуществляется комплексным интегралом [21]. На практике нередко можно воспользоваться таблицами преобразованных функций [21]. Однако в более сложных случаях целесообразно пользоваться формулами разложения [6, 27], которые представлены ниже. Левая часть выражения является функцией s, правая - соответствующая ей функция времени.
Для случае, когда M(s) = 0 имеет q простых корней (s\, s2, .., sq), корень рг кратности г и кореньр„ кратности п получим: Для практического применения прибегать к точным решениям, особенно на предварительном этапе проектирования, нет необходимости. Вполне достаточно пользоваться методом тепловых схем замещения.
Метод тепловых схем замещения является наиболее применяемым методом предварительной оценки теплового состояния проектируемых машин, он достаточно хорошо развит [43], дает удовлетворительные результаты при приемлемых трудозатратах. Ввиду этого, для формирования первичного конструктивного облика проектируемой электрической машины, метод тепловых схем замещения является наиболее рациональным. Основным элементом данного метода являются так называемые тепловые сопротивления, которые соединяются в тепловую сеть, имитирующую реальные пути передачи тепловых потоков в машине. Принимаемые для проведения теплового расчета допущения: 1) температура охлаждаемой поверхности (корпуса) равна температуре воды в рубашке 2) тепловая несимметрия, вносимая подогревом воды в системе водяного охлаждения пренебрежимо мала (обосновано малой величиной этого подогрева и организацией встречно-параллельной циркуляции воды) 3) элементарные проводники стержней обмоток представлены в виде одного эквивалентного проводника. 4) распределенные источники тепловыделения заменены на сосредоточенные
Расчет стационарного теплового поля
В соответствии с принятыми допущениями для проведения численного моделирования нет необходимости производить расчет для полной трехмерной модели, достаточно выделить образующий сегмент. В данном случае выделена половина зубцового деления, включающая в себя половину паза и половину зубца, с последующем разделением по магнитной оси. В качестве базового расчетного программного пакета в работе применяется ANSYS, как один из наиболее авторитетных пакетов в настоящее время. Для реализации расчетов в ANSYS имеется более 100 различных типов элементов. У многих конечных элементов существует два варианта - обычный и квадратичный.
Обычный элемент имеет узлы только на вершинах, в то время как квадратичный имеет также промежуточные узлы в серединах ребер. В связи с этим, если у обычных элементов ребра прямолинейные, у квадратичных они могут быть криволинейными. Преимуществом квадратичных элементов является большая точность при равных числах элементов. Для теплового анализа используются чаще всего квадратичный элемент SOLID90 с 20-ю узлами для объемов и квадратичный элемент MESH200 с восемью узлами для плоскостей. В некоторых случаях в местах со сложной геометрией, либо при переходе от более мелкого разбиения к более крупному, возможно вырождение элементов (слияние двух и более узлов). Существует два вида разбиения модели: свободное (Free) и упорядоченное (Mapped). Свободное разбиение целесообразно применять для тел сложной формы, так как оно не накладывает жестких требований на геометрию. В этом случае сетка получается неупорядоченной. Упорядоченное разбиение применяется в случае простой геометрии, приближенной в двумерном случае к четырехугольнику и параллелепипеду в трехмерном. При упорядоченном построении сетка содержит элементы только одной формы (треугольник и четырехугольник для плоскости, и шестигранник для объема).
Объемы могут быть разбиты также протяжкой сетки (Sweep), нанесенной на плоскость по длине участка. В представленных расчетах в основном использовалось упорядоченное разбиение с последующей протяжкой. Расчетные модели исследуемых электрических машин с нанесенной конечноэелементной сеткой представлены ниже на рисунках 3.6, 3.7. Все потери, выделяемые в асинхронном двигателе, отводятся водой, основная часть отводится рубашкой статора. За счет циркуляции воздуха во внутренней полости машины с лобовых частей обмотки статора снимается некоторое количество тепла, которое отводятся в воду через поверхности каналов в щитах и участков каналов рубашки, находящихся над лобовыми частями и омываемых воздухом; отводимыми потерями через подшипниковые щиты пренебрегаем ввиду малой площади поверхности этих каналов. В реальности каналы в щитах были введены для предотвращения подогрева машины в процессе эксплуатации в горячем цеху. Потери в роторе здесь, без ущерба для точности расчета, можно представить в виде теплового потока, направленного в расточку статора. В соответствии допущениями, принятыми в 3.1 и приложением В имеем: - внешняя поверхность корпуса, она же поверхность каналов рубашки имеет температуру равную нулю: - тепловой поток ротора, приложенный к поверхности расточки статора составляет: Объемные тепловыделения составляют: -для спинки статора- 5.307-104 Вт/м3 - для зубцов статора — 1.06-10 Вт/м - для меди статора -5.5-10 Вт/м . На рисунке 3.8 показано распределение температурного поля по объему расчетной модели. Наглядно проиллюстрирована разница между температурой лобовых частей обмотки и ее пазовой частью. То же, но в виде кривой показано на рисунке 3.9. Отсюда можно видеть распределение превышения температуры по длине полувитка с максимумом на длине 0.4 м, составляющим 153 К. На рисунках 3.10, 3.11 кривая 1 соответствует торцевой части пакета стали сердечника, кривая 2 - магнитной оси сердечника. Сравнивая рисунки ЗЛО и 3.11, можно видеть достаточно плавное нарастание температуры по длине корпуса и спинки сердечника, с незначительной разницей на границе зубцовой зоны и спинки (менее 10 К). Основное падение температуры наблюдается на изоляционных слоях в пазовой части. Горизонтальный характер распределения температуры по меди обмотки в радиальном направлении объясняется принятом в 3.1 допущении об объединении элементарных проводников стержня в один расчетный. При исключении данного допущения характер радиального распределения температуры по меди обмотки будет носить ступенчатый характер, за счет изоляции между элементарными проводниками, но со средней величиной, показанной на рисунке ЗЛО.
Алгоритм проведения поисковых тепловых расчетов
Исходя из вышесказанного в качестве рекомендаций по проектированию и проведению тепловых расчетов электрических машин с системами косвенного водяного охлаждения перечислим следующее: 1. Проведение ряда предварительных электромагнитных и тепловых расчетов проектируемой машины, используя предложенную в работе двухслойную расчетную модель. 2. Анализ влияния геометрии активного ядра на результаты электромагнитных и тепловых расчетов, с последующим выбором одного или нескольких оптимальных результатов для проведения дальнейшего анализа. 3. Первичная проработка конструкции машины для выбранных вариантов ядра, создание трехмерных расчетных моделей и проведение по ним тепловых расчетов установившихся и нестационарных режимов. 4. На основании проведенных численных расчетов принимается окончательный вариант машины, осуществляется подробная проработка конструкции с последующим запуском машины в производство. Изложенная концепция проектирования электрических машин морского исполнения с системами косвенного водяного охлаждения позволяет в значительной степени снизить затраты времени на начальных этапах создания машины. Применение предложенной расчетной модели позволяет интегрировать тепловой расчет в программы поверочных электромагнитных расчетов, при этом в большинстве случаев отпадает необходимость проведения теплового расчета с использованием метода тепловых схем замещения, что опять же, значительно снижает время выработки оптимального решения для активного ядра машины.
Четвертая глава содержит сравнительный анализ тепловых расчетов исследуемых машин, выполненных по разным методам, а так же сравнение с экспериментальными данными.
Как можно видеть из представленных рисунков, расчеты по трем методам для обеих машин, дают достаточно близкие результаты. Сравнивая их, можно заключить, что расчет по обобщенной двухслойной модели дает значения температур в пазовой части машины с приемлемой точностью, и не противоречит данным эксперимента.
Очевидно, что численное моделирование, в отличие от расчета по упрощенным математическим моделям и по методу схем замещения, дает наиболее точные результаты, однако их получение сопряжено с большими трудностями, основной из которых является подготовка расчетной модели. Т.е. при каждом изменении геометрии необходимо перестраивать модель и конечноэлементную сетку, а это весьма трудоемко. Поэтому численный расчет целесообразнее всего проводить после того как будет определена окончательная конфигурация активного ядра и конструкции машины.
Учитывая это, можно утверждать, что предложенный алгоритм экспресс-анализа для установившегося режима электрических машин с системами косвенного водяного охлаждения с применением обобщенной двухслойной расчетной модели может быть использован на начальных стадиях проектирования для проведения поисковых расчетов.
В диссертации рассмотрены вопросы тепловых расчетов и их влияние на процесс разработки электрических машин морского исполнения с системами косвенного водяного охлаждения. Основные результаты работы заключаются в следующем: 1. Исследованы существующие методы тепловых расчетов электрических машин. Показано, что методы дают удовлетворительную картину теплового состояния машин с системами косвенного водяного охлаждения, но в то же время их применение приводит к громоздким и трудоемким расчетам, сопряженных со значительными затратами времени и труда, что исключает возможность их использования при поисковых расчетах на этапе разработки конструкции. 2. Рассмотрены особенности конструкции высокоиспользованных электрических машин морского исполнения с учетом характерных для данного класса машин требований. Показана целесообразность и эффективность применения системы косвенного водяного охлаждения для машин морского исполнения. 3. Разработана обобщенная двухслойная расчетная модель, позволяющая производить тепловой расчет машин исследуемого класса с приемлемой точностью при минимальных затратах времени и трудоемкости. Полученные результаты аналитического решения могут быть интегрированы в программы поверочных электромагнитных расчетов машин исследуемого класса, что так же позволит сократить время предварительной разработки машины.
