Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ условий работы асинхронных вспомогательных двигателей электровозов 12
1.1. Особенности конструкции и схемы питания асинхронных вспомогательных двигателей на электровозах переменного тока 12
1.2. Исследование качества питающего напряжения на зажимах вспомогательных электрических машин. Анализ отказов АВЭМ 21
1.3. Методы исследования асинхронных двигателей с несимметричным питанием 34
1.4. Постановка задачи 39
ГЛАВА 2. Исследование режимов работы вспомогательных машин в условиях низкокачественного питания 40
2.1. Разработка математической модели трёхфазной асинхронной машины без учёта дефектов стержней ротора 40
2.2. Разработка математической модели трёхфазной асинхронной машины с учетом дефектов стержней ротора 50
2.3. Проверка адекватности математической модели 53
2.3.1. Учёт несимметричного и несинусоидального питания 53
2.3.2. Учёт дефектов стержней ротора 61
2.4. Исследование режимов работы вспомогательных машин в условиях несимметрии питания, наличии высших временных гармоник и дефектов стержней ротора 65
2.5. Анализ результатов исследования 71
2.6. Выводы 74
ГЛАВА 3. Модернизация конструкции вспомогательного асинхронного двигателя электровоза 76
3.1. Общие условия 76
3.2. Условия электропитания вспомогательных двигателей 79
3.3. Математическая модель для исследования пусковых режимов работы вспомогательных двигателей при их одиночном пуске 81
3.4. Математическая модель для исследования совместной работы вспомогательных асинхронных двигателей 84
3.5. Пусковые режимы работы вспомогательных двигателей 89
3.6. Мероприятия по улучшению работоспособности вспомогательных асинхронных двигателей электровозов 94
3.6.1. Модернизация схемы электрического питания вспомогательных двигателей 94
3.6.2. Модернизация конструкции вспомогательного двигателя НВА-55 96
3.7. Экономическое обоснование модернизации двигателя НВА-55 109
3.8. Выводы 112
ГЛАВА 4. Мониторинг теплового состояния вспомогательных асинхронных двигателей электровозов 114
4.1. Назначение системы мониторинга теплового состояния 114
4.2. Обзор существующих аналогов 115
4.3. Принцип работы системы теплового мониторинга 116
4.4. Апробация системы теплового мониторинга 135
4.5. Выводы 136
Заключение 137
Список литературы 140
Приложение 1 150
- Исследование качества питающего напряжения на зажимах вспомогательных электрических машин. Анализ отказов АВЭМ
- Разработка математической модели трёхфазной асинхронной машины с учетом дефектов стержней ротора
- Математическая модель для исследования совместной работы вспомогательных асинхронных двигателей
- Принцип работы системы теплового мониторинга
Введение к работе
Актуальность работы. Железнодорожный транспорт в транспортной системе страны всегда занимал и занимает особое место, обеспечивая бесперебойную доставку грузов практически во все регионы. Надёжное функционирование железной дороги способствует стабильности экономики и росту благосостояния государства.
Используемые в качестве тяговых средств локомотивы являются наиболее ответственными элементами в системе железнодорожного транспорта, к которым предъявляется ряд особых требований. Главным из них является надёжность тягового электропривода.
В его состав входят тяговые электродвигатели (ТЭД), аппаратура управления и защиты ТЭД и вспомогательные электрические машины (ВЭМ), обеспечивающие требуемые условия работы ТЭД.
В современных локомотивах применяют ТЭД и ВЭМ постоянного и переменного тока. Эксплуатация этих машин на транспорте отличается от общепромышленных условий низким качеством напряжения тяговых сетей, повышенной вибрацией, плохими климатическими условиями, широким диапазоном регулирования. Поэтому транспортные машины составляют отдельную группу. В развитие теории их проектирования и эксплуатации большой вклад внесли отечественные учёные: А.Е. Алексеев, Б.Н. Красовский, М.Д. Находкин, В.А. Кучумов, А.С. Курбасов, Л.А. Курочкин, В.Т. Касьянов, В.П. Янов, В.И. Бочаров, М.Ф. Карасёв, B.C. Хвостов, А.Б. Иоффе, В.Е. Скобелев, Б.Н. Тихменёв, Б.К. Баранов, В.Д. Авилов, Ш.К. Исмаилов, Р.Ф. Бекишев и многие другие.
В настоящее время в современных локомотивах в качестве вспомогательных преимущественно применяются асинхронные вспомогательные электрические машины (АВЭМ), выполняющие фунщии приводов вентиляторов охлаждения ТЭД, приводов компрессоров.
Современные способы управления ими построены либо на известной схеме расщепления фазы или на основе микропроцессорных систем.
Статистика отказов АВЭМ за последние годы показывает, что надёжность этих машин уменьшается. В особенной степени это проявляется на новых электровозах 2ЭС5К «Ермак», где число внеплановых ремонтов за последние годы увеличилось более чем в 2,5 раза из-за неисправностей АВЭМ. Эти отказы, наиболее выражены при организации питания АВЭМ по конденсаторной схеме. Проявление неисправностей АВЭМ НВА-55 такого вида как выплавление алюминиевого сплава обмотки ротора требует выяснения причин возникновения потерь, приводящих к отказам.
В транспортных условиях на качество- работы трёхфазного асинхронного двигателя действует несколько факторов: несимметрия трёхфазного питающего напряжения, формируемого от однофазной сети; выбор конденсаторной схемы и качество её функционирования; качество проекта АВЭМ и технология их изготовления.
Исследованию влияния этих факторов на энергетику машин по отдельности< посвящены работы многих выдающихся учёных: А.И. Адаменко, А.И. Постникова, И.Б. Башука, И.М. Булаева, А.И. Баликова, А.И. Вольдека, И.М. Камня, М.А. Морозова, Е.М. Лопухиной, А.С. Курбасова, Ю.С. Чечета и многих других.
В этих исследованиях нет убедительных доказательств того, что в реальных АВЭМ НВА-55 на реальных электровозах указанные выше факторы в отдельности могут вызвать потери, приводящие к выплавлению алюминия. Проявление этой неисправности в течение нескольких последних лет является* системным и не устраняется отдельными мерами со стороны производителя, например, заменой алюминиевого сплава клетки ротора на медные стержни или контролем параметров применяемых конденсаторов.
Проблема повышения качества вспомогательных машин на электровозах 2ЭС5К является весьма актуальной, учитывая большие экономические потери, связанные с их отказами.
Целью работы является исследование факторов, влияющих на качество работы асинхронных вспомогательных двигателей на локомотиве и разработка системы схемотехнических, конструкторских и технологических решений по их устранению.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
Анализ качества напряжения бортовой сети электровоза и оценка характера его воздействия на характеристики АВЭМ при реализованных схемах управления.
Разработка математического описания и математических моделей асинхронного вспомогательного двигателя для исследования работы при совместном действии несимметричного напряжения, наличии временных гармоник и технологических дефектов в стержнях обмотки ротора и исследование их влияния на энергетические показатели АВЭМ.
Разработка математической модели конденсаторного пуска асинхронного двигателя в группе других с питанием от однофазной сети для исследования изменения фазных токов и напряжений.
Модернизация конструкции АВЭМ.
Разработка алгоритма и системы мониторинга теплового состояния вспомогательного асинхронного электродвигателя при эксплуатации его на электровозе.
Перечисленные в диссертационной работе задачи решаются методами теории электрических машин, численного моделирования и экспериментальных исследований в лабораторных условиях и в процессе натурных испытаний.
В исследованиях использованы программные продукты:: Matlab 7, Mathcad 14, Elcut 5:8.
Научная новизна работы заключается в следующем.
Получено математическое описание асинхронного двигателя отличающееся от известных ранее вариантов подробным рассмотрением совместного влияния качества питающего напряжения и дефектов стержней обмоткироторана показатели машины.
Создана математическая модель АВЭМ, позволяющая исследовать особенности режимов при его пуске в группе с другими двигателями с питанием по конденсаторной схеме от однофазной сети.
3: Математическое моделирование группового включения: вспомогательных; асинхронных двигателей; по конденсаторной; схеме. позволило определить причину возникающих при пуске бросков токов, напряжений и величину ёмкости конденсаторов, а также порядок включения, обеспечивающие удовлетворительные условия работы.
4. Разработаны алгоритм и система мониторинга теплового состояния АВЭМ при условиях эксплуатации его на локомотиве.
Практическая ценность работы заключается вследующем.
Г. Проведённые с использованием математической модели исследования позволили установить, что критический: перегрев обмотки ротора возникает только при совместном влиянии низкого качества напряжения питания и выраженной дефектности обмотки ротора.
2. Разработаны рекомендации; по модернизации конструкции активной части АВЭМ, позволяющейснизитьтепловую нагрузку.
3- Разработаны элементы конструкции активной: части вспомогательного двигателя и проведён расчёт, показывающий возможность снижения тепловой нагрузки двигателя не менее чем на 30%.
4. Разработана программа и предложена микропроцессорная система теплового мониторинга асинхронных двигателей при эксплуатации на подвижном составе.
Результаты работы в виде рекомендаций и программ использованы на предприятии изготовителе АВЭМ НВА-55 НЭВЗ при проведении комплекса мероприятий по повышению1 надёжности электровозов 2ЭС5К «Ермак». Микропроцессорная система теплового мониторинга и программное обеспечение использовались для создания экспериментальной установки в лаборатории кафедры «Электромеханических комплексов и материалов» (ЭМКМ) для научных исследований и учебных программ при изучении дисциплины «Испытание и диагностика электрических машин».
На защиту выносится следующее.
Математическая, модель АВЭМ, позволяющая учитывать совместное влияние качества питающего напряжения и дефектов технологии изготовления обмотки ротора на энергетические показатели машины.
Математическая модель группового включения трёхфазных АВЭМ по конденсаторной схеме питания от однофазной сети.
Микропроцессорная система мониторинга теплового состояния и алгоритм её функционирования для вспомогательных асинхронных двигателей в условиях эксплуатации.
Экспериментальные исследования качества питающего напряжения на зажимах АВЭМ при их эксплуатации на электровозе 2ЭС5К.
Экспериментальные исследования для оценки адекватности математических моделей.
Данная диссертационная работа будет представлена на защиту по специальности 05.09.01 «Электромеханика и электрические аппараты» в соответствии с паспортом номенклатуры специальностей научных работников, утверждённой приказом Министерства образования и науки
Российской Федерации от «25» февраля 2009 г. №59.
Апробация работы и публикации. Материалы исследования докладывались и получили одобрение на следующих конференциях. XIV Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2008г.). XV Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2009г.). VI Международная научно-техническая конференция «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2009г.).
По результатам проведённых исследований опубликовано семь печатных работ, три из них — в изданиях, рекомендуемых ВАК. Также получено свидетельство о регистрации программы для АЭВМ.
Кроме того, принималось участие в совещаниях по надёжности АВЭМ, проводимых вице-президентом ОАО «РЖД» В.А. Гапановичем.
Содержание работы. Диссертационная работа изложена на 176 страницах машинописного текста, содержит 64 иллюстраций, состоит из 4 глав, заключения, списка литературы из 107 наименований и 8 приложений.
Во введении обоснована актуальность задач по исследованию работы вспомогательных асинхронных двигателей в условиях несимметричного и несинусоидального питания в группе АВЭМ от однофазной сети, а также вопросы модернизации данных машин. Поставлены основные задачи, описана научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.
В первой главе приведён анализ особенностей конструкции и условий работы асинхронных вспомогательных двигателей электровозов. Приведены результаты экспериментальных исследований качества напряжения питания АВЭМ, полученные при ходовых испытаниях электровозов ВЛ-85, 2ЭС4, 2ЭС5К. Проведён критический обзор существующих методов по исследованию асинхронных двигателей в условиях несимметричного и несинусоидального питания, а также несимметрии роторной цепи машины.
Проанализированы результаты работ, ранее проделанных по данной тематике. Поставлены основные задачи исследования.
Вторая глава посвящена разработке математической модели, позволяющей; исследовать работу асинхронного двигателя- при- наличии несимметрии питания^ высших временных гармоник; питающего напряжения< и при наличии.; дефектов стержней ротора. Проверена; адекватность разработанной математической модели; и представлены результаты , эксперимента. Исследованы режимы работы вспомогательных асинхронных, двигателей в рассматриваемых условиях с помощью; разработанной математической модели^ Єделаньг выводы о необходимости модернизации; конструкциивспомогательных машин;:
В третьей главе проработаны вопросы поэтапной' модернизации, конструкции вспомогательной машины электровоза и схемы электрического питания':?. АВЭМ1 Разработана; математическая модель группы асинхронных двигателей, питающихся от однофазной; сети; по; конденсаторной? схеме. Исследованы;режимы работы АВЭМ пршеё одиночном пуске, а'также при параллельно, работающих; машинах' в группе. Проведён сравнительный-анализ тепловых нагрузок; на исходный* вариант двигателя и на модернизированный.
В' четвёртой главе проработаны вопросы защиты асинхронных вспомогательных машин от. тепловых перегрузок, вызванных несимметрией и наличием высших; временных гармоник; напряжения; питания, а?: также наличием дефектов стержней ротора. Разработана система мониторинга теплового состояния асинхронных машин:
В заключении приведены.основные выводы по проделанной работе.
В приложениях представлены акт внедрения результатов работы и расчётные данные по; соответствующим главам, иллюстративные материалы результатов моделирования и расчётов.
Исследование качества питающего напряжения на зажимах вспомогательных электрических машин. Анализ отказов АВЭМ
В 20-х годах 20-го века получил известность метод симметричных составляющих, разработанный американским учёным C.L.Fortescuc [2, 3, 23]. Развитие этого метода дали в своих работах Ю.С.Чечет и И.М.Камень [2, 3]. Для исследования электрических машин методом симметричных составляющих используется принцип наложения, и токи фаз раскладываются на составляющие прямой и обратной последовательности, которые создают круговые вращающиеся поля. На схемах замещения асинхронного двигателя для напряжений прямой и обратной последовательностей ротор заменяется эквивалентным трёхфазным [2, 3, 4, 19, 23, 54, 55, 94, 95]. Данный метод позволяет определять токи в отдельных фазах двигателя при несимметричном питании, а также дополнительные электрические потери, обусловленные наличием напряжения обратной последовательности. При этом следует отметить, что используемый метод наложения, справедлив для линейных систем. Крондль [2, 3] в 1934 г. создал метод двух координат и применил его к асинхронным машинам с двумя взаимно перпендикулярными обмотками, выполненными с неравным числом витков. Они получаются из трёхфазных обмоток, если две последовательно включённые фазы рассматривать как одну. Поэтому, в дальнейшем появилась возможность моделирования асинхронных машин в неподвижной «оф» или вращающейся «dq» системах координат [43, 59].
В 50-х годах Б. Геллер и В. Гамата показали возможность учёта высших гармонических полей, которые могут создавать дополнительные вращающие моменты и потери, в результате чего ухудшаются механические характеристики асинхронной электрической машины [24]. Я.Б. Данилевичем и Э.Г. Кашарским был рассмотрен вопрос возникновения дополнительных потерь в асинхронных двигателях вследствие наличия высших гармоник магнитного поля в воздушном зазоре, в результате чего снижается КПД данных электрических машин [40]. Анализ работ по исследованию влияния несимметрии и высших гармонических составляющих питания на работу асинхронных машин позволяет сделать следующие выводы. 1. Несимметрия питания приводит к перекосу токов обмотки статора. В некоторых случаях, когда статорные токи становятся больше номинального значения, такой перекос токов приводит к увеличению электрических греющих потерь в двигателе и к его повышенному нагреву. Например, при несимметрии питания 4 %, перепад токов в фазах может достигать 20 %, а электрических потерь 40 % и более [23, 27, 30, 54]. 2. Высшие временные гармоники питающего напряжения создают вращающиеся магнитные поля высшего порядка прямой или обратной последовательностей. Это приводит к появлению дополнительных ЭДС в обмотке статора и ротора, а также к образованию дополнительных вращающих моментов и электрических потерь. Величина дополнительных потерь зависит от уровня гармоник и параметров асинхронной машины. В общем случае несинусоидальное напряжение питания, обусловленное наличием высших гармоник, приводит к снижению КПД асинхронного двигателя примерно на 10-15 % [24, 56, 58, 99, 101]. Перечисленные выше методы исследования асинхронных электрических машин базируются на том, что электрическая цепь ротора двигателя симметрична. Однако при производстве НВА-55 имеет место нарушение технологии изготовления обмотки ротора, что может привести к несимметричному распределению токов в стержнях роторной клетки. Во вспомогательных асинхронных двигателях электровозов типа НВА-55 имеет место несимметрия электрической цепи роторов вследствие нарушения технологии их изготовления. Поэтому, для исследования работы асинхронных машин при наличии дефектов ротора, необходима методика, учитывающая неравномерное распределение токов роторной клетки. В 60-х годах А.И. Зайцевым был разработан метод исследования распределения токов в стержнях ротора при наличии в них дефектов [51]. Метод реализован следующим образом. Ротор рассматривается как многофазная система, в которой при обрыве одного или нескольких стержней число фаз остаётся прежним, но система становится несимметричной, так как ток в одном или нескольких стержнях равен нулю. Отсутствие тока в повреждённом стержне рассматривается как наложение на ток, существовавший до обрыва, тока, равного ему и противоположного по фазе. По результатам исследования влияния дефектов роторной клетки на режим работы асинхронных двигателей, были сделаны следующие выводы. Обрывы стержней приводят к перекосу токов роторной клетки и увеличению электрических греющих потерь. В отдельных случаях это может привести к потере работоспособности двигателя из-за возникновения большого обратно вращающего момента, когда число дефектных стержней достаточно велико. Данное явление называется эффектом Гергеса [23]. Метод" А.И.Зайцева даёт возможность найти соотношение между прямой и обратной намагничивающими силами ротора и таким образом определить коэффициент несимметрии роторной цепи при обрыве одного или нескольких стержней. Недостаток данного метода — исследование режимов работы только при обрывах стержней без учета изменения сопротивлений участков роторной клетки.
Позже был создан метод эллиптических составляющих «МЭС», позволяющий анализировать влияние дефектов стержней ротора на распределение токов [49]. Но данный метод требует принудительного разложения спектра эллиптических составляющих в стержнях ротора, что является достаточно трудоёмким процессом.
Разработка математической модели трёхфазной асинхронной машины с учетом дефектов стержней ротора
Исходя из существующей проблемы выхода из строя вспомогательных двигателей НВА-55, возникает необходимость в изменении геометрии активной части данного двигателя для повышения его устойчивости к тепловым нагрузкам, возникающих от несимметричного и несинусоидального электропитания.
Как было сказано ранее, электрические греющие потери выделяются в обмотке статора, что приводит к снижению срока службы изоляции и далее к межвитковым замыканиям, и в обмотке ротора, что приводит к дополнительному нагреву обмотки статора, а в особых случаях, при некачественном изготовлении двигателя - к расплавлению алюминиевой клетки ротора.
Так как основная величина электрических потерь, вызванных различными причинами, сосредотачивается в основном в роторе, то необходимо разработать способ их уменьшения в данной части машины. Помимо основных потерь, в роторе, как уже было упомянуто ранее, возникают потери от обратно вращающегося поля статора, вызванного несимметрией питания. Также появляются дополнительные потери от высших временных гармоник питающего напряжения. Кроме того, вследствие наличия высших гармоник, оказывает заметное влияние поверхностный эффект, который приводит к увеличению активного сопротивления ротора. Это также приводит к увеличению электрических потерь от гармоник питающего напряжения. Эффективным способом снижения потерь в роторе является снижение активного сопротивления стержня за счёт увеличения его поперечного сечения. Только такой способ пригоден для двигателей, работающих на вентиляторную нагрузку, так как их пусковой момент может оказаться значительно меньше номинального рабочего момента. Так как рассматриваемый в данной работе двигатель НВА-55 предназначен для привода вентилятора, то указанный способ модернизации является наиболее приемлемым. Модернизацию конструкции будем проводить с учётом следующих ограничений. 1. При изменении конструкции активной части, необходимо сохранить все габаритные и присоединительные размеры машины. 2. Модернизируя двигатель, необходимо руководствоваться техническими условиями эксплуатации ТУ 16-99, в дальнейшем ТУ. К ТУ относится следующее. 1. Исполнение по способу монтажа-IM1001, IM1002 по ГОСТ 2479. 2. Исполнение по степени защиты - IP20 по ГОСТ 17494. 3. Способ охлаждения - 1С АО 1 по ГОСТ 20459. 4. Схема соединения фазных обмоток статора — «звезда». Обмотка статора должна иметь три вывода для присоединения к питающей сети. 5. Номинальное напряжение питания — трёхфазное 380 В частотой 50 Гц. 6. При работе от сети трёхфазного несимметричного напряжения переменного тока частоты 50 Гц диапазон изменения линейного напряжения допускается в пределах от 280 до 470 В (при номинальном 380 В). При этом напряжение обратной последовательности, рассчитанное для установившегося режима, не более 25 В во всем диапазоне изменения питающего напряжения. Для переходных (неустановившихся) режимов работы напряжение обратной последовательности не назначается и может превышать названные значения. 7. Напряжение прямой последовательности должно составлять: при наименьшем значении питающего напряжения (280 В) — не менее 255; при наибольшем (470 В) — не более 490 В. Продолжительная полезная мощность должна быть при этом не более 39 кВт. 8. Значения рабочей температуры окружающего воздуха от — 50 С до + 60 С. 9. Превышение температуры обмотки статора по отношению к температуре окружающего воздуха, замеренное методом сопротивления, ч должно быть: a) в номинальном продолжительном режиме не более 70С; b) в остальных режимах (с учётом параметров питания по пункту 6)-не более 135С. 10. Сопротивление изоляции обмотки статора относительно корпуса при нормальных климатических условиях по ГОСТ 15150 должно быть: a) в практически холодном состоянии — не менее 100 Мом; b) при температуре обмотки, близкой к рабочей, — не менее 1,5 Мом. 11. Сопротивление изоляции обмотки статора относительно корпуса в условиях влажности или после испытаний на влагостойкость - не менее 0,5 Мом. 12. Изоляция обмотки статора относительно корпуса должна выдерживать в течение 60 с испытательное практически синусоидальное напряжение 2500 В (действующее значение) частоты 50 Гц. 13. Междувитковая изоляция обмотки статора должна выдерживать в течение 5 мин. испытание практически синусоидальным напряжением 570 В (линейное) частоты 50 Гц на выводах двигателя. 14. При питании однофазным напряжением 280 В (линейное), приложенным к двум линейным проводам, и подключении к третьему линейному выводу конденсатора ёмкостью 2178 мкф. Двигатель должен развивать пусковой и минимальным вращающие моменты не менее 130 Н-м. 15. Пусковой ток 920 (+184) А.
Условия электропитания вспомогательных двигателей Как было сказано ранее, асинхронные вспомогательные двигатели, работающие на электровозах 2ЭС5К «Ермак», питаются по конденсаторной схеме от однофазной сети (рис. 1.1). На рис. 3.1 Приведена электрическая схема питания всех вспомогательных двигателей секции электровоза. Группа двигателей типа НВА-55 (МВ\, МВ2, МК) получает питание от трансформатора собственных нужд «ТСН». Двигатели подключаются контакторами «КМ4», «КМ5» и «КМ6» к однофазной вторичной обмотке «ТСН». Контакторами «KMl», «КМ2» и «КМЗ» обеспечивается подключение конденсаторных батарей «О21», «О 22» и «С123» к сборной шине «СЗ», идущей к одноимённым фазам всех трёх двигателей, и к сборной шине «С2», соединённой с одним выводом вторичной обмотки «ТСН». Конденсаторные батареи «С121», «С122», «С123» и «С124» собраны из сдвоенных конденсаторов «С101-С106». Резисторы «Ш», «i?2» и «ЛЗ» необходимы для снятия остаточного заряда с конденсаторов после их отключения. Тепловые реле «KKl», «КК2» и «ККЗ» необходимы для защиты двигателей от перегрузки по току. Алгоритм работы вспомогательных электродвигателей и контакторов в соответствии с электрической схемой питания показан на рис. 3.2. Знаком «крест» обозначено включение того или иного контактора.
Математическая модель для исследования совместной работы вспомогательных асинхронных двигателей
Геометрические размеры активной части и электромагнитные нагрузки НВА-55 при напряжении питания 380В приведены в приложении 3. По этим данным видно, что электрическая машина имеет потенциально уязвимое звено — это зубцовая зона статора. Т.е. магнитная индукция в зубце статора имеет не оптимально установленное значение и составляет 1,865 Тл при линейном напряжении питания 380 В. Но так как магнитная индукция прямо пропорциональна питающему напряжению, то при значении линейного напряжения 470 В в соответствии с ТУ, индукция будет равной 2,3 Тл, что превышает допустимое для электротехнической стали значение 2 Тл [57]. Это приводит к пожару стали зубцов статора, и, следовательно, к повышенному нагреву этой области и ускоренному старению пазовой изоляции. Остальные области активной части машины загружены оптимально в магнитном отношении, и при питающем напряжении 470 В индукция в этих областях будет составлять максимум до 2 Тл. Ликвидировать опасность чрезмерного увеличения магнитной индукции в зубцах статора целесообразно путём удлинения активной части машины. Таким образом, можно создать оптимальную площадь поперечного сечения зубцов статора для прохождения магнитного потока. Увеличение только ширины зубцов привело бы к снижению площади паза и затруднению размещения в нём статорной обмотки. Предотвращение чрезмерного увеличения магнитной индукции в наименьшем сечении зубца ротора в следствии увеличенной глубины паза, особенно при питающем линейном напряжении 470 В, достигается также удлинением активной части двигателя. Однако, удлиняя пакеты статора и ротора, необходимо уменьшать толщину статорного ярма для предотвращения его недогрузки в магнитном отношении, и вместе с этим делать паз статора более узким с целью сохранения его площади. Таким образом, можно оптимально выбрать геометрические размеры активной части двигателя.
При относительно глубоких роторных пазах одно только удлинение активной части, для поддержания необходимого уровня индукции в зубцах ротора, может оказаться недостаточным, так как это может привести к сильной недогрузке по магнитной индукции зубцов и ярма статора. Поэтому в данном случае необходимо также увеличивать в определённых пропорциях внутренний диаметр статора и внешний диаметр ротора с сохранением площади паза статора и необходимого воздушного зазора. При этом будет обеспечена необходимая площадь поперечного сечения всех участков активной стали машины для прохождения магнитного потока, чтобы магнитная индукция в них не была слишком мала и не превысила 2 Тл при наибольшем возможном линейном напряжении питания 470 В.
Увеличение длины активной части ограничено строго регламентированными габаритными размерами двигателя. Наименьшим возможным удлинением активной части, при котором будет обеспечена оптимальная магнитная загрузка, является удлинение на 15 %, что соответствует углублению паза ротора на 90% (приложение 3 вариант двигателя 1). При таком удлинении потребуется некоторое смещение воздушных диффузоров двигателя в сторону подшипниковых щитов с целью создания необходимого изоляционного расстояния между лобовыми частями обмотки статора и самими диффузорами. В данном варианте двигателя снижена индукция в зубцах статора с 1,865 Тл до 1,61 Тл. Для предотвращения недогрузки ярма статора в магнитном отношении, увеличена высота паза статора на 15 %. Площадь поперечного сечения стержней ротора осталась неизменной, в результате чего плотность тока в, стержнях сохранена номинальной 5 А/м . Но, за счёт, применения медного материала роторной клетки, снижено сопротивление ротора на 42 %. Это способствует значительному снижению греющих электрических потерь в роторе, но также и снижению пускового момента двигателя. Благодаря применению узкого и глубокого паза, более сильно проявляется эффект вытеснения тока (коэффициент увеличения сопротивления Кг\ возрос с 1,11 до 1,88), что приводит к некоторому увеличению пускового момента. Но сопротивление ротора было снижено в 1,75 раз, а Кг\ возрос в 1,69 раз. Поэтому применения глубокого паза ротора оказалось недостаточным для обеспечения пускового момента в соответствии с ТУ равным 130 Н-м при однофазном питании 280 В, поэтому необходимо также увеличить пусковую ёмкость конденсаторной батареи при схемах питания рис. 3.1 или рис. 3.14. Также за счёт удлинения активной части и увеличения высоты пазов статора и ротора соответственно на 15 % и 91 % увеличились индуктивности рассеяния La\ и Z/ff2 соответственно на 18 % и 72 %. Это способствует увеличению входного полного сопротивления двигателя, несмотря на уменьшение активного сопротивления ротора. В результате чего снижен пусковой ток асинхронной машины. Чувствительность роторной цепи по отношению к высшим временным гармониках вращающегося поля была снижена исходя из того, что коэффициенты увеличения активного сопротивления под влиянием эффекта вытеснения тока для 3-й, 5-й, 7-й и 9-й гармоник увеличены в 1,73 раз и менее, а сопротивление ротора снижено сильнее — в 1,75 раз. Кроме того, за счёт увеличения индуктивностей рассеяния статора и ротора, входное полное сопротивление двигателя по отношению к высшим временным гармоникам электрического питания увеличилось, не смотря на уменьшение активного сопротивления ротора. Таким образом, двигатель стал менее чувствителен к несинусоидальному питанию, обусловленному наличием высших гармоник питающего напряжения. Также следует отметить, что энергия электрических потерь при пуске не превышает такую же энергию как у начального варианта машины (приложение 6). Кроме того, в данной машине применена утолщённая пазовая и витковая изоляции на напряжение 3300 В [57] с целью повышения устойчивости обмотки статора к перенапряжениям, возникающих в динамических режимах работы. Перенапряжения, возникающие при пусках различных вариантов двигателя НВА-55, показаны в приложении 7 рис. 7.2, 7.4, 7.6, 7.8, 7.10, 7.12, 7.14, 7.16. Из последних видно, что броски потенциалов превышают значения для оригинала двигателя НВА-55 и могут достигать 1195 В. Это обусловлено увеличенной пусковой ёмкостью до 3146 мкФ, которая была выбрана исходя из необходимости обеспечения достаточного пускового момента машины.
Принцип работы системы теплового мониторинга
Полученные температуры ts и /,. сравниваются с предельной допустимой температурой, выше которой работа двигателя не допускается. При достижении фактической температуры этого предельного значения, вырабатывается аварийный сигнал, который свидетельствует о нарушении работы двигателя. После этого оператор, имеющий доступ к управлению данным двигателем, принимает решение о необходимости отключения двигателя или его некотором временном продолжении работы, если это выгоднее чем стоимость его ремонта.
При данном способе контроля теплового состояния ротора машины на основании спектра тока статора присутствуют некоторые ограничения. Характеристика, постоянно возрастающая, для Is.obri возможна только при дефектах или обрывах рядом друг за другом лежащих стержней ротора. Так как при этом система токов ротора искажается и становится несимметричной, появляется ток ротора обратной последовательности. При симметричном обрыве стержней при их количестве кратном трём результирующие вектора токов, образованные оставшимися токами, образуют симметричную систему векторов. Ток обратной последовательности в этом случае отсутствует, причём ток прямой последовательности не меняется, а следовательно, нет никакого воздействия на статор. В данной ситуации невозможно на основании гармонического состава тока статора судить об обрыве стержней. Хотя данный обрыв приводит к повышению электрических потерь в роторе. Этот рост добавочных потерь в относительных единицах от всех суммарных потерь в роторе представлен на рис. 4.4. Причём, этот рост потерь в роторе не зависит от того, как оборваны стержни - рядом лежащие или симметрично по окружности.
В случае, когда число дефектных стержней ротора не кратно трём, то уже при стремлении как можно более симметрично по окружности разорвать стержни, результирующая система токов ротора уже симметричной не будет и в этом случае появится относительно небольшой ток обратной последовательности. Этот ток создаст магнитное поле, которое наведёт в обмотке статора ЭДС, что приведёт к появлению тока статора с частотой f\-(l±s). Но судить по этим пульсациям тока статора о наличии дефектов в роторе было бы не достоверным.
В подавляющем числе асинхронных двигателей дефекты, как правило, возникают у рядом расположенных стержріей. Но встречаются и редкие случаи равномерного распределения дефектных участков по окружности роторов асинхронных машин, находящихся в составе современного электрооборудования. Поэтому, для организации надёжного способа обнаружения дефектов роторной клетки асинхронных вспомогательных двигателей, целесообразно использовать анализ состояния электрической машины с помощью измерения частоты вращения ротора. В схему рис. 4.1 необходимо внести некоторые изменения. Канал тока для фиксации частоты fi (l±s) в данном случае будет отсутствовать. Описываемый способ заключается в следующем. Сведения о количестве оборванных в роторе стержней nst формируются на основании переменной A(ash которая представляет собой разность между абсолютным снижением скорости вращения, снятым фактически с помощью тахометра «Дю» и полученным расчётным путём на основании значений напряжений прямой и обратной последовательности (рис. 4.8). Из частоты вращения ротора, снятой тахометром «Доз», вычитается с помощью математического оператора «Ml» номинальное значение скорости соНом5 соответствующее номинальному режиму работы двигателя при симметричном синусоидальном питании и без наличия дефектов в роторе. Таким образом, получается численное значение снижения скорости вращения ротора машины, которое может быть вызвано как несимметричным питанием, так и наличием дефектов в роторе. Уменьшение частоты вращения при обрыве стержней ротора происходит из-за того, что в данном случае увеличивается сопротивление роторной клетки и двигатель работает с большим скольжением. Известно, что напряжения прямой последовательности (в незначительной степени) и напряжение обратной последовательности влияют на вращающий момент двигателя и, следовательно, на частоту вращения ротора. На рис. 4.9 это влияние показано в виде зависимостей относительного снижения частоты вращения от напряжений питания прямой С/ц и обратной U\% последовательностей. Поэтому на основании замеров фазных напряжений двигателя и вычисленных значений U\\ и Un можно судить о снижении скорости вращения ротора машины с учётом того, что в роторной клетке отсутствуют дефекты. При этом значения снижения скоростей, полученные на выходе операторов суммирования «Ml» и «М2» рис. 4.8, должны совпадать с максимальной точностью. В случае, когда имеют место дефекты стержней ротора, значения на выходах «Ml» и «М2» начнут отличаться друг от друга. Полученная разность на выходе «МЗ» характеризует количество дефектных стержней роторной клетки в соответствии с характеристикой рис. 4.10.
