Введение к работе
Актуальность темы: Асинхронные двигатели являются основными двигателями в электроприводах практически всех промышленных предприятий в РФ и за рубежом. Асинхронные машины средней мощности используются с успехом как двигатели передвижных устройств, крупные асинхронные машины используются в области атомной энергетики в системах охлаждения. Асинхронные машины получили широкое распространение благодаря простоте их конструкции и низкой себестоимости. В настоящее время, с развитием атомной энергетики и в связи с защитой окружающей среды повышены требования к качеству проектирования и энергосбережению, что повышает требования к точности моделирования асинхронного двигателя на этапе их проектирования и оптимизации.
С развитием компьютерных технологий и различных видов программного обеспечения стало возможно исследовать поведение электрических машин в разных режимах, что ускоряет процесс проектирования машины и повышает точность. Это позволяет сэкономить на проведении опытных исследований, весьма дорогостоящих для крупных машин. Для достижения этих перечисленных преимуществ и получения высоких показателей качества необходимо использовать эффективные методы проектирования. Показатели качества асинхронных машин в значительной степени зависят от оптимальности их конструкции и режимов работы. Проблема расчета электрических машин, особенно асинхронных машин большой мощности, состоит в сложном характере поля в воздушном зазоре, и необходимости учитывать насыщение.
Уже на этапе эскизного проектирования требуется высокая точность моделирования. А перебор вариантов (оптимизация) требует высокой скорости расчета. Существующие инженерные методики расчета асинхронных машин не обладают достаточной точностью, а численные методы, такие как метод конечных элементов (МКЭ), требуют значительных затрат по времени.
Диссертация посвящена разработке метода анализа установившихся режимов асинхронных машин с помощью метода зубцовых контуров и комбинированным методом, отвечающего таким достаточно противоречивым требованиям, как высокая скорость расчета и высокая точность результатов. Разрабатываемый метод и программа обеспечения предназначены для использования при оптимизационных расчетах асинхронного двигателя.
Целью диссертационной работы является разработка части программного комплекса проектирования асинхронных машин с последующей оптимизацией, который создается в Лаборатории электротехники и силовой электроники (L2EP) в Центральной Школы Лилля (Франция) по заказу промышленности. Разрабатываемая часть посвящена электромагнитному и тепловому расчету электрических машин. Она выполняется в лаборатории L2EP совместно с кафедрой Электромеханика МЭИ (Россия). Основное внимание уделяется разработке средств для оптимального проектирования асинхронных машин.
Задачи исследования:
-
Разработка метода анализа электромагнитного состояния асинхронной машины с применением метода зубцовых контуров ;
-
Развитие программ теплового расчета для внедрения в программный комплекс;
-
Разработка быстрого и точного алгоритма расчета установившегося режима асинхронных машин;
-
Разработка программного обеспечения для электромагнитного и теплового анализа асинхронных машин.
Методы решения поставленных задач. Использованы аналитические и численные методы анализа электромагнитного поля электрических машин в установившихся режимах работы. Для электромагнитного расчета применяется метод зубцовых контуров (МЗК), и на основе этого метода была создана математическая модель. Параметры схемы замещения определяются из расчета магнитного поля по МКЭ. После создания модели асинхронной машины, с помощью комбинированного метода определяем токи и момент машины в установившемся режиме.
Для этого был разработан алгоритм определения токов статора и ротора в установившемся режиме. На основе модели разработан программный модуль « IM_TCM » (Induction Motor by Tooth Contour Method) для расчета асинхронных машин с короткозамкнутым ротором. Он может быть использован для оптимизации геометрических размеров, легко может интегрироваться с другими программами комплекса (например, термическими, виброаккустическими).
Разработанная электромагнитная модель по МЗК должна взаимодействовать с разработанной тепловой моделью в программе «SAME» (Аэротермическое Моделирование Электрических Машин), позволяющей прогнозировать тепловое состояние ЭМ на стадии проектировании. Программы реализованы под Matlab и некоторые части запрограммированы на языке C++. Поверочные расчеты двигателя выполнялись по методу МКЭ в программе «OPERA».
Научная новизна работы
-
Разработана автоматизированное формирование схемы замещения на основе МЗК позволяющая при минимуме ветвей учитывать вытеснение токов в роторе, насыщение стали и двустороннюю зубчатость сердечников.
-
Разработан метод определения токов ротора и статора, названный комбинированным методом.
-
Создан и отлажен алгоритм реализации комбинированного метода в виде программного модуля для расчета установившегося режима асинхронных машин.
-
Разработана тепловая модель асинхронных машин на основе метода тепловых схем замещения и соответствующее программное обеспечение для исследования локальных перегревов в машине.
Для проверки результатов, проведено сравнение с результатами, полученными по книге проектирования, программой «OPERA» и опыт измерения теплового состояния.
Практическая значимость:
-
Разработана методика расчета и алгоритм для определения токов статора и ротора в установившемся режиме асинхронной машины с короткозамкнутым ротором с помощью комбинированного метода.
-
Создана программа для анализа асинхронных машин, реализованная в среде Matlab.
-
Разработанная методика и программы могут быть применены для расчета и оптимизации средних и крупных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором и расчета рабочих характеристик машины.
-
Разработанная методика и программы могут быть использованы во взаимодействии с другими программами и моделями (тепловыми, виброакустическими) под управлением одного супервизора оптимизации с целью уменьшения потерь, шумов и вибраций.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований и полученные рекомендации использованы на заводе «Jeumont» (Франция) при создании асинхронного двигателя для системы охлаждения атомной станции нового поколения, а также в «Alstom» для создания тягового асинхронного двигателя бесшумного поезда (TGV). Программа успешно применяется для создания и исследования асинхронных двигателей больших мощностей соответственно требованиям заказчика.
Личный вклад автора. Разработка схемы замещения асинхронных машин с короткозамкнутым ротором по МЗК и создание программного обеспечения: постановка задачи, разработка методов расчета параметров схемы замещения, разработка алгоритма определения токов в установившемся режиме с помощью комбинированного метода, построение механических характеристик и применение методики расчета и программного обеспечения для проектирования асинхронного двигателя. Выполнение всех приведенных в диссертации расчетов и анализ полученных результатов.
Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
в Лаборатории Электротехники и Силовой Электроники «L2EP» 02 Октября 2009 в городе Лилль, Франция;
International Conference Doctorales Franco-belges. September 20–25, 2009 Lille, France ;
На международной конференции «125 SEE» Bruxelles, Belgium;
На международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» г.Москва, МКРЭЭ–2008.
На международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» г. Крым, Алушта, ICEEE-2010.
На международной конференции «Proceedings of International Conference on Knowledge based Industry» Ulaanbaatar, Mongolia, ICKI-2011.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы, из них 1 статья в рекомендованном ВАК журнале Электричество 2010 №1 С.28-34, 1 краткий тезис и 2 полных тезисов докладов в сборниках трудов международных научных конференций.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Способ формирования схемы замещения асинхронной машины с короткозамкнутым ротором по МЗК.
-
Комбинированный метод определения токов ротора и статора;
-
Алгоритм определения токов асинхронной машины в установившемся режиме с помощью комбинированного метода.
-
Программная модель «IM_TCM» для расчета асинхронного двигателя
-
Тепловая модель и программное обеспечение для прогнозирования теплового состояния ЭМ на стадии проектирования.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 64 наименований. Основная часть работы изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка и 6 таблиц.
