Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Проектирование частотно-управляемых асинхронных двигателей 10
1.1. Постановка задачи 10
1.1.1. Обзор методик проектирования асинхронных двигателей11
1.1.2. Критерии оптимального управления асинхронным двигателем 13
1.1.3. Задача оптимизации асинхронных двигателей . 19
1.2. Особенности методик расчета асинхронного двига теля с форсированным охлаждением 24
1.2.1. Общая характеристика и особенности программирования методики расчета 24
1.2.2. Исходные данные для расчета 27
1.2.3. Методика электромагнитного, теплового и экономического расчетов 28
1.3. Критерии и алгоритм оптимизации 32
1.3.1. Комплексный показатель качества 32
1.3.2. Критерий максимума момента 34
1.3.3. Алгоритм проектирования и расчета оптимальных режимов асинхронного двигателя35
Выводы 44
Глава II. Многофакторные эксперименты 46
2.1. Постановка задачи 46
2.2, Выбор факторов, уровней. Уравнение регрессии. Кодирование факторов 49
2.3, Выбор плана. 1-й эксперимент 56
2.4. Анализ результатов 1-го эксперимента по плану главных эффектов 64
2.5. Уточнение модели. 2-й эксперимент 72
2.6. Сводные результаты 89
В ы в о д ы 93
Глава III. Рекомецвдии по проектированию асинхронныхдвигателей 94
3.1. Коэффициенты геометрии статора 94
3.2. Выбор геометрии ротора 111
3.3. Электромагнитные нагрузки, технико-экономические и энергетические показатели 114
Вы в од ы 130
Глава ІV. Апробация и внедрение результатов исследования в разработку частотно-управляемых асинхронных двигателей 131
4.1. Оценка достоверности полученных результатов . 131
4.2. Определение зон существования тяговых асинхронных двигателей 136
4.3. Практическая значимость выполненной работы . 140
Заключение 144
Литература 147
Приложение 157
- Особенности методик расчета асинхронного двига теля с форсированным охлаждением
- Выбор факторов, уровней. Уравнение регрессии. Кодирование факторов
- Выбор геометрии ротора
- Определение зон существования тяговых асинхронных двигателей
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" предусмотрело: "... В одиннадцатой пятилетке развитие науки и техники должно быть еще в большей мере подчинено решению экономических и социальных задач советского общества, ускорению перевода экономики на путь интенсивного развития, повышению эффективности общественного производства. На основе использования достижений науки и техники ... повышать в оптимальных пределах единичные мощности машин и оборудования при одновременном уменьшении их габаритов.; создавать принципиально новые виды транспортных средств, а также транспортные энергосиловые установки, обеспечивающие существенное сокращение топлива, энергии; создавать и внедрять в производство принципиально новые технику и материалы... Обеспечить рост выпуска машин и агрегатов большой единичной мощности и производительности, высокоэкономичного оборудова-
ния. . » .
Создание новых видов транспортных средств и установок требует разработки более совершенных электроприводов. Весьма актуально применение асинхронных двигателей /АД/ с частотным управлением для тягового привода. Этот вопрос возник одновременно с самой идеей частотного управления. Уже в первых работах по частотної^ управлению академик М.П.Костенко указывал на тяговый привод как на одну из важнейших областей его применения [l8,20J. Тогда же отмечались преимущества, которые ожидались от привода с частотным управлением в области тяги. Недостатки двигателей постоянного тока, обусловленные наличием коллектора, особенно остро сказываются в тяговом электроприводе. Часто тяговые двигатели работают в условиях повышенной влажности, загрязненности,
резких колебаний температуры, динамических ударов и т.д. К ним предъявляются повышенные требования по надежности, пыле- и вла-гозащищенности, а размещение их в труднодоступных местах и специфика работы подвижного состава крайне затрудняет уход за двигателями. Преимущество АД по сравнению с двигателями постоянного тока заключается кроме того в уменьшении веса и существенном упрощении обслуживания.
Важнейшие работы, выполненные в последние два десятилетия, были посвящены разработкам конструкторских, технологических и эксплуатационных вопросов создания промышленных серий частотно-управляемого привода общего назначения, проведенным научно-исследовательскими и учебными институтами, заводами нашей страны. Аналогичные работы были проведены в США, ФРГ, Японии и в других странах. К настоящему времени электропривод с частотным управлением АД занимает ведущее место в качестве одного из важнейших видов регулируемого автоматизированного электропривода.
Наиболее широкое распространение получили АД с воздушной системой охлаждения. Такие частотно-регулируемые АД разрабатываются із виде модификаций общепромышленных серий с учетом максимальной унификации узлов и деталей |_53L При проектировании модификаций частотно-управляемых АД на базе общепромышленной серии 4А решались вопросы, связанные с их конструкцией [53] : независимая вентиляция, вывод второго конца вала для размещения датчика скорости, более высокий класс изоляции и согласование обмотки статора по напряжению с преобразователем частоты. Вопросам разработки управляемых АД применительно к конкретным законам управления не было уделено должного внимания. Поэтому на стадии проектирования частотно-управляемых АД необходимо в методике расчета использовать один из известных законов или критериев оптимального регулирования АД.
В последнее время в связи с бурным освоением восточных /Сибири, Дальнего Востока/ и северных районов страны перед железнодорожным транспортом и тракторостроением возникла проблема создания мощных частотно-управляемых электрических машин с высокой надежностью и высокими энергетическими показателями. Увеличение мощности или момента машин такого типа связано часто с заданными габаритными и температурными ограничениями. Одним из возможных путей повышения мощности и энергетических показателей является совершенствование системы охлаждения, к которой относится система форсированного масляного струйного охлаждения [14J
Оптимизационные расчеты требуют выбора критерия оптимального проектирования. При его выборе нужно исходить из требований максимума момента или эффективности, минимума веса и т.д. Выбранный показатель должен быть наилучшим для оптимальной машины.
Решениями партии и правительства по основным направлениям развития народного хозяйства до 1990 г. предусмотрено расширение автоматизации проектно-конструкторских и научно-исследовательских работ с применением электронно-вычислительной техники. В этой связи при проектировании частотно-управляемых АД актуальным является применение ЭВМ [ij, позволяющее найти оптимальное решение при минимуме затрат.
Для повышения эффективности выполняемых расчетов может быть использована математическая теория эксперимента. Многообразные эксперименты с использованием ЭВМ позволяют проводить меньшее число расчетов с достаточно полной информацией об исследуемом объекте.
Комплекс вопросов, связанных с получением рекомендаций по проектированию оптимальных частотно-управляемых АД с форсированным осаждением, будет способствовать более успешному решению
.. 7 -
общей проблемы создания новых видов транспортных средств.
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Научно-технический прогресс в области частотно-управляемых приводов требует разработки новых асинхронных машин повышенной надежности и большой мощности, защищенных от разнообразных неблагоприятных воздействий окружающей среды. Одним из перспективных решений проблемы повышения мощности /момента/' тяговых АД с габаритными ограничениями является использование управляемого струйного жидкостного охлаждения. Эффективное масляное охлаждение позволяет увеличить мощность двигателя в два-три раза в том же объеме по сравнению с воздушной системой охлаждения. Недостаточный опыт проектирования систем форсированного охлаждения,отсутствие рекомендаций по выбору электромагнитных нагрузок и геометрических соотношений - затрудняют выполнение расчетов для конструирования такого типа машин. Поэтому задача разработки рекомендаций по проектированию частотно-управляемых асинхронных двигателей с жидкостным охлаждением, обеспечивающим высокую надежность, экономичность и получение большой мощности в заданных габаритах, является важной и актуальной.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью настоящей работы является разработка рекомендаций по проектированию частотно-уп-равля!Мых АД с форсированным охлаждением при заданных габаритных и температурных ограничениях. Поставленная цель требует решения следующих задач:
уточнение методик поверочного электромагнитного и теплового расчетов АД с форсированным охлаждением при заданных габаритных и температурных ограничениях;
уточнение технико-экономических показателей для оценки вариации конструктивных соотношений;
разработка и отладка программы проектирования по уточненной методике электромагнитного, теплового и экономического рас-
ЧЄТОВ}
- выбор частных критериев оптимального проектирования;
- поиск оптимальных геометрических и электромагнитных соотношений для отрезка серии АД на основе многофакторных экспериментов на ЭВМ с вариацией геометрических факторов.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Цри решении поставленных задач основным методом исследования является численный эксперимент. В планах многофакторных экспериментов была предусмотрена вариация переменных на нескольких уровнях. Реализация экспериментов проводилась на ЭВМ типа ЕС-І022.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В работе получены следующие новые научные результаты:
разработан алгоритм и программа проектирования частотно-управляемых АД с форсированным охлаждением при заданных габаритных и температурных ограничениях;
получены рекомендации по проектированию отрезка серий АД с форсированным масляным охлаждением в виде зависимостей коэффициентов геометрии,электромагнитных нагрузок, энергетических показателей и электромашинных постоянных от наружных размеров АД.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ ВЫПОЛНЕННОЙ РАБОТЫ. По разработанному алгоритму и методике были рассчитаны оптимальные тяговые АД тепловоза с частотным регулированием скорости - по заданию НИИ завода "Электротяжмаш".
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ. Результаты работы внедрены в методике расчета частотно-управляемых АД НИИ завода "Электротяжмаш" /г.Харьков/ и Института электродинамики АН УССР /г.Киев/. Полученный экономический эффект составляет 30 тыс .рублей.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертационной работы были доложены и обсуждены: на научном семинаре в Институте электродина-
мики АН УССР /г.Киев в 1980 и 1983 гг./, республиканском семинаре "Обеспечение качества и надежности электрических машин" /г. Киев s 1980 и 1983 гг./, отчетной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава КПИ за 1979 и 1982 гг., заседании кафедры электрических машин Киевского ордена Ленина политехнического института, секции по тяговому электрооборудованию научно-технического совета НИИ завода "Электротяжмаш" /г.Харьков в 1983 г./,
ПУБЛИКАЦИИ. По результатам диссертационной работы опубликована брошюра и три статьи, зарегистрирован отчет по НИР с Институтом электродинамики АН УССР.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на $8 страницах машинописного текста, иллюстрируемых 25"рисунками и 40 таблицами, содержит приложение на /03 страницах и список литературы из /03 наименований.
Особенности методик расчета асинхронного двига теля с форсированным охлаждением
Задача оптимального проектирования весьма трудоемка. В настоящее время она может быть успешно решена лишь с помощью ЭВМ с достаточным объемом памяти. Разработанная методика расчета АД в основе имеет уже известную Г831, которая приведена в приложении ПІЛ и цредставляет собой комплекс частных методик. Частные методики состоят из электромагнитного, теплового и экономического расчетов. Для быстрого внесения необходимых дополнений и изменений частная методика электромагнитного поверочного расчета разбита на следующие блоки: - блок статора, в котором определяют число пазов, его гео метрию, вылет лобовых частей, активную длину сердечника, высоту спинки; - блок ротора с расчетом геометрии пазов, короткозамыкающих колец, высоты спинки; - блок расчета зубцов статора и ротора; - блок расчета тепловых и индуктивных сопротивлений статора и ротора; - блок расчета допустимого тока статора; - блок расчета магнитной цепи; - блок расчета параметров обмоток статора и ротора /с учетом реальных расчетных температур/, потерь, энергетических показателей, момента, мощности, скольжения, напряжения и других величин. Методика позволяет рассчитать частотно-управляемые АД с короткозамкнутым ротором в диапазоне мощностей от 100 до 1000 кВт напряжением до Цх $ 1000 В. Статор имеет открытые пазы /рис. I.I/, в которые укладывается двухслойная обмотка. Короткозамкну-тый ротор выполняется с полузакрытыми пазами /рис.1.2/, в которые вставляют медные стержни. 1. Для упрощения расчета магнитной цепи АД используется сплайн-интерполяция кривых намагничивания [ЮОІ. Программа расчета кривых намагничивания для зубцов и спинки представлена в приложении ПІ.2. 2. Величины, которые обычно задаются в методике расчета в виде таблиц или экспериментальных кривых, заменяются аппроксимирующими уравнениями кривых. К таким величинам можно отнести, например, коэффициент Ji =У ) , используемый при определении обмоточного коэффициента ка ; коэффициенты к /(&) » = = т(В) , используемые при определении коэффициента проводимости рассеяния паза статора; коэффициентj80 -fCfcuj/S ) , используемый при расчете амплитуды колебаний индукции в статоре и роторе; ко эффициент 3? jlSnl&X необходимый для расчета ширины открытого паза, 3. Проверяется выполнение следующих ограничений: - ограничение по максимально допустимой температуре изоляции У Си max доп где Си/пах" наибольшая расчетная температура изоляции; вдоп - максимально допустимая температура изоляции; - выбор уровня добавочных потерь - это сложная технико-эко номическая проблема для таких машин, поскольку она связана с гра фиком использования АД в различных /скоростных и нагрузочных/ режимах. В данной работе рассматриваются двигатели с повышенной частотой, у которых добавочные потери в обмотке статора могут быть значительными 52 . Добавочные потери вызваны эффектом вы теснения тока. Если не проводить специальных исследований, то логично принять какое-то округленное число /10, 20 или 30$/. В работе были приняты добавочные потери в меди обмотки статора не более 30$ от основных. Нарушение этого ограничения устраняется увеличением числа элементарных проводников в пазу статора; -. величина фазного напряжения Цр обмотки статора не должна превышать 1000 В. Нарушение этого ограничения устраняется увеличением числа параллельных ветвей обмотки. Предлагаемая методика проектирования имеет следующие особенности: 1. Расчет выполняется, исходя из заданных габаритов. 2. Целью ставим максимальное использование по температуре АД. 3. В заданных габаритах проектируется АД в режиме наибольшего длительно-допустимого по нагреву момента. 4. Применяется частный критерий оптимизации потока по минимуму тока статора. 5. Для обеспечения надежности приняты жесткие секции, выполненные из небольшого числа витков /2 - 12/ провода прямоугольного сечения. Поэтому предусматривается проектирование АД с нестандартными напряжениями. 6. Оценка качества делается по коэффициенту эффективности Э» учитывающему эффект и приведенные затраты. 7. Поиск оптимальных геометрических соотношений магнитопро-вода проводится с использованием нелинейных моделей и многофакторного планирования экспериментов. 1.2.2. Исходные данные для расчета Исходными данными для выполнения теплового, электромагнитного и экономического расчетов являются 73 величины. Наиболее важные из них: 1/Ji - эквивалентная высота меди статора; zljz эквивалентная высота меди ротора; и - коэффициенты геометрии ширины зубцов статора и ротора; zjf - коэффициент, равный отношению максимальной индукции в зубце к индукции в спинке статора; /L,- и - суммарные толщины изоляции в пазу статора по высоте и ширине; zm0xi предварительно выбранная индукция в зубце статора; ft - число пар полюсов; & - число пазов на полюс и фазу; Z% - число пазов ротора; Ifa - окружная скорость вращения: /Я - число фаз статора; t u3 A#j/ мг коэффициенты теплопроводности меди, изоляции, клина, железа, используемые для расчета тепловых соцротивлений; fly - коэффициент поверхности лобовых частей, контактирующей с охладителем; - -наружный диаметр статора; с# - наружная длина статора вместе с лобовыми частями обмотки; Тлт&х " максимально допустимая температура нагрева в пазу статора; . , , , oiA , Ы# - коэффициенты теплоотдачи лобовых частей, в зазоре, на наружном диаметре спинки статора, в канале, на короткоеамыкающих кольцах; TQ - температура охладителя; цены на сталь, медь, изоляционные материалы, стоимость технологических процессов изготовления. Конструкция обмотки статора принципиально ничем не отличается от обмоток асинхронных двигателей общепромышленного исполнения. В частотно-управляемых АД рекомендуется применять обмотку с укороченным шагом, так как она по сравнению с обмоткой с диаметральным шагом [56І имеет меньший вылет лобовых частей и меньшие активные и индуктивные сопротивления. Обмотка статора должна выполняться из жестких катушек, что может обеспечить повышенную
Выбор факторов, уровней. Уравнение регрессии. Кодирование факторов
Выбор факторов во многом зависит от опыта и интуиции инженера. Определение числа переменных тоже важная задача. Чем больше варьируемых факторов, тем лучше исследуется целевая функция. Но выбор большого числа варьируемых факторов ведет к усложнению плана эксперимента и его реализации. Поэтому надо стараться выбирать число факторов, позволяющее получить достаточно полную информацию о целевой функции без чрезмерного усложнения эксперимента [77, 98]. Для решения поставленной задачи было взято семь независимых переменных, существенно влияющих на целевую функцию. Ими являются: - коэффициент, равный отношению максимальной индукции в зубце к индукции в спинке статора; - коэффициент, равный отношению ширины зубца к зуб-цовому шагу статора; - коэффициент,равный отношению ширины зубца к зуб-цовому шагу ротора.
Проанализируем влияние на допустимый по нагреву момент f zoo /и коэффициент / конструктивных факторов, являющихся частью входных данных. Фактор JL = "//// - эквивалентная высота меди статора - определяет активное сопротивление, потери и нагрев обмотки; для каждого габарита и тепловых ограничений, он имеет некоторый оптимальный уровень. К такому выводу приводят следующие соображения: -. увеличение Ху увеличивает высоту зубцов и , что при стабилизированном наружном диаметре И# уменьшает расчетный диаметр /диаметр расточки/ и при сохранении электромагнитных нагрузок А и of уменьшает момент -. уменьшение -Ху при сохранении "фактора нагрева" "i /J1 на одном уровне должно происходить при уменьшении линейной нагрузки А і , что в соответствии с /2.3/ тоже уменьшает момент. Наличие двух противоположно действующих закономерностей создает кривизну, которая может быть аппроксимирована квадратичной зависимостью.
Фактор jC - Л2 /j\ - эквивалентная высота меди ротора -определяет активное сопротивление, потери и нагрев ротора, влияет на величину тока намагничивания. Увеличение - может привести к снижению момента. Уменьшение JC увеличивает сопротивление, потери и нагрев ротора, но это чаще всего не приводит к ограничению момента, потому что короткозамкнутую клетку охлаждать -проще,, так как лобовые части короче, а каналы охлаждения в ярме не влияют практически на момент. Поэтому математическая модель для учета влияния фактора Х. на момент - нелинейная и зависит от удачи в выборе области варьирования: в благоприятных областях А-не влияет на момент, в неблагоприятных - проявляется значительная нелинейность из-за насыщения зубцов.
Фактор JL» - # - число пазов на полюс и фазу - и Ли р -число пар полюсов - могут быть только целыми положительными числами, т.е. дискретно меняющимися. Опыт электромашиностроения и опыт оптимизации предыдущих серий показал, что факторы Xj и Xу оказывают влияние на и 00
ФакторX Kgjj В%ilvji определяется соотношением индукций или размеров зубцов и ярма статора. Если зубец узкий, то он насыщается раньше, чем ярмо, и момент, допустимый по нагреву, снижается. Если раньше насыщается ярмо, то допустимый момент также уменьшается из-за насыщения ярма. Для каждого числа полюсов должно существовать свое оптимальное значение фактора Х - -%ji Так как зубцы и ярмо сделаны из одного сорта стали /2312/ и их насыщение сказывается довольно резко, то следует ожидать оптимального уровня /у вблизи единицы. Математическая модель должна быть существенно нелинейной, если интервал варьирования zji большой; если интервал небольшой, то достаточна аппроксимация квадратичной параболой»
Факторы -л. » ГJ "-7— - ъ и - гГ 9 1— т; относи 7 tt dZi 7 г Ч &ZZ тельная ширина зубцов - в области больших насыщений зубцов увеличивают ток намагничивания, снижают COS У и допустимый момент. Следует ожидать нелинейной зависимости откликов от этих факторов. После выбора факторов и их количества необходимо найти область для проведения эксперимента. Выбор области эксперимента - плохо формализованная задача [l0, IIJ . Эта процедура состоит из выбора уровней каждого фактора. Число уровней определяется конкретной постановкой задачи, видом фактора, предполагаемой сложностью изучаемого объекта. Например, для построения линейной модели достаточно двух уровней; полная квадратичная модель требует варьирования факторов по крайней мере на трех уровнях; полная модель третьей степени - на четырех и т.д. Исходя из физических представлений о влиянии каждого фактора на кривизну поверхности отклика, выбирается модель, для нее выбирается план, а план определяет количество уровней. Кривизна модели и интервал варьирования факторов выбираются одновременно. Интервалы варьирования переменных выбираются из физических представлений и исследований, которые проводились для каждого фактора. Изменение факторов Xj ,- в широких пределах существенно изменяет значения момента и коэффициента эффективности. Поэтому интервалы варьирования этих факторов в широких пределах. Интервалы варьирования факторов Л$ , Xу выбираются по следующим соображениям. Значительное увеличение Х6 9 Ху приводит к уменьшению сечения меди в пазу, а значит, и к увеличению активных сопротивлений, что ухудшает показатели АД. УменьшениеХ{$, Ху ведет к увеличению индуктивных сопротивления, и следовательно, к уменьшению момента. Исследования, которые проводились с Xft показали, что варьирование этого фактора в широких пределах не приводило к каким-либо лучшим значениям функций отклика. Поэтому наиболее удачным было варьирование факторов Xg- Хе t Л у в нешироких пределах. Параметры, взятые в качестве независимых переменных и влияющие на функцию отклика, могут носить как линейный, так и нелинейный характер. В данном случае факторы варьировались на следующих уровнях:
Выбор геометрии ротора
Коэффициент геометрии ширины зубца ротора j &Z2/tz /рие.3.21 - критерий )L /nax; рие.3.22 - критерий Y&=rnax/ мало изменяется во всем диапазоне изменения наружной длины и для полюсностей 2р = 8; 16; 20; 24 среднее его значение может быть принято равным fz= 0,7. Выбирая Ц , можно получить ширину паза: Высота паза ротора где йїЦг 0,5Аіф.
При выборе числа пазов ротора следует стремиться к получению минимально возможного активного сопротивления обмотки при ограниченном индуктивном сопротивлении и снижению паразитных моментов, вызывающих шум и вибрации машины в рабочем режиме. Во всех случаях при выборе числа пазов должны соблюдаться известные условия [88J. Активное сопротивление обмотки ротора при пуске во многом определяется формой паза. Как правило, короткозамкнутые АД общепромышленного назначения выпускаются с роторной обмоткой в виде беличьей клетки, полученной путем заливки пазов алюминием Для улучшения пусковых характеристик двигателя выбирают углубленные пазы, при которых происходит повышение активного сопротивления ротора в начале пуска в 1,3-2,5 раза [бб] Поскольку пусковой и минимальный моменты частотно-управляемых двигателей не оговариваются, выбор формы паза ротора может производиться только на основании требования получения минимально возможных активных и индуктивных сопротивлений обмотки Выполнение указанного требования способствует снижению потерь, повышению КОД, COS У и максимального момента [5б]. Минимум активного сопротивления обмотки ротора может быть получен при выборе паза максимального сечения, так как сопротивление стержня, как правило, больше сопротивления короткозамыкающего кольца На основании ранее проведенных исследований [52, 54, 56J делаем вывод, что минимальные значения активного и индуктивного сопротивлений обмотки ротора получаются при трапецеидальном пазе При заливке ротора алюминием возможно образование дефектов в виде раковин, трещин и т.д., что существенно снижает надежность двигателя. Поэтому для тяговых машин специального назначения, работающих в тяжелых условиях, целесообразно использовать в роторе медные кольца и стержни Более технологичным является использование пазов прямоугольной формы Скос пазов ротора нецелесообразен по тем же причинам, о которых говорилось при выборе паза статора Использование медных стержней в роторе с малым активным сопротивлением позволяет повысить жесткость механической характеристики в зоне малых скольжений и при частотном управлении получить улучшенные энергетические показатели по сравнению с АД с алюминиевыми стержнями в роторе.
Значение основных размеров АД позволяет выбрать обмоточные данные двигателя. Последние связаны с основными размерами и номинальными параметрами посредством электромагнитных нагрузок [48J, к которым относятся линейная нагрузка Л/ , плотность тока Ли индукция в воздушном зазоре Г» Электромагнитные нагрузки также имеют свои допустимые значения, потому что определяют тепловые нагрузки и, следовательно, температурное поле машины. Электромагнитные нагрузки определяются конструктивным исполнением и системой охлаждения. Прогресс в повышении использования активного объема и рост единичной мощности /момента/ связаны со значительным увеличением токовых нагрузок в двигателях с масляным струйным охлаждением обмоток примерно в 1,5-2 раза по сравнению с естественным воздушным. На рис.3.23 /критерий Ш /пс/х/ и рис.3.24 /критерий КэвЛиИ/ показаны зависимости линейной нагрузки Aj от наружной длины двигателей с масляным охлаждением. Принятая система охлаждения очень эффективно снимает тепло с лобовых частей обмотки статора. Поэтому при возрастании длины машины линейные нагрузки уменьшаются. Если отношение - /# близко к единице /2р « 8/, то линейная нагрузка Л/ меняется незначительно и практически остается постоянной.
Плотность тока У/ наряду с линейной нагрузкой характеризует использование активных материалов машины, удельные потери в меди. На рис.3.25 /критерий М тах/ и рис.3.26 /критерий Кэ = = тех/ показаны оптимальные значения плотности тока в зависимости от наружной длины, рекомендуемые для проектирования АД с масляным охлаждением. Для многополюсных коротких машин Л достигает 20-26 А/мм2. Для длинных машин /2р = 8/ плотность тока может быть принята 6-7 А/мм2. Величины магнитных нагрузок Maxi й
Рис.3.26. Плотность тока статора, оптимизированная по критерию К? ж та , в зависимости от наружной длины # . &С1 показаны на рис.3.27 и 3.29 /критерий MgQQ mor/ и на рис. 3.28 и 3.30 /критерий Кэ ли Л Значения индукции в воздушном зазоре могут быть предложены согласно табл.3.1 /критерий j f = тах/ и табл.3.2 /критерий Кэ=/я лс/. Меньшие значения магнитной индукции Готносятся к большим длинам, а большие значения Btf-к меньшим. Таким образом, увеличение электромагнитных нагрузок может быть достигнуто за счет использования эффективной системы охлаждения. При этом оптимальные линейная нагрузка А І и плотность тока jf возрастают в I,5-2 раза, магнитные индукции - в 1,2-1,4 раза /по сравнению с электромагнитными нагрузками при воздушном охлаждении/» Машинная постоянная Арнольда [83J
Определение зон существования тяговых асинхронных двигателей
К транспортным электрическим машинам предъявляются специфические требования, определяемые условиями их эксплуатации. Как правило, система охлаждения транспортной электромашины выбирается в соответствии с уже имеющейся на борту системой охлаждения, при этом требуется или только замкнутая, или только разомкнутая система охлаждения. Комбинация определенных условий эксплуатации и обстоятельства размещения электрической машины на транспортной установке требуют и специального подхода к их проектированию. Обнаруживается недостаток существующих методик проектирования: первостепенное внимание уделяется вопросам, связанным с электромагнитными расчетами, и только после их выполнения переходят к поверочному тепловому расчету для определения превышения получаемых перегревов. Такой подход оправдан в том случае, если при проектировании машины выбирают традиционные системы охлаждения.
Применяя форсированные системы охлаждения необходимо использовать иной алгоритм проектирования, который при выборе оптимального варианта, как правило, обусловленного весогабаритными ограничениями, должен включать выбор параметров системы охлаждения, обеспечивающих допустимый тепловой режим, а также анализ тепловых характеристик обмоток электрической машины. Для повышения энергетических показателей в заданном габарите двигателя используются два варианта: I - увеличение электромагнитных нагрузок; 2 - улучшение параметров системы охлаждения, а именно: повышение коэффициентов теплоотдачи, снижение температуры охладителя на входе, повышение максимально допустимой температуры в наиболее нагретом месте. Если выполнять только первое условие, то не всегда удается добиться заданных технических показателей. Необходим еще поиск комбинации параметров системы охлаждения, способствующих ре шению задачи, т.е. использование возможностей второго варианта. При последовательном решении задачи проектирования, когда неизвестно, какая система охлаждения будет удовлетворять поставленным в задании требованиям, проектировщику приходится выполнить не один десяток расчетов, чтобы получить приемлемые результаты или ответить, что в заданном габарите нужный технический показатель получить нельзя.
Рєіссмотрим один из вариантов проектирования тягового асинхронного двигателя с максимально возможным моментом при заданных габаритных ограничениях с использованием непосредственного жидкостного охлаждения активных элементов. Для определенного типа АД в достаточно широком диапазоне геометрических параметров, перегревов активных частей и интенсивностей охлаждения численным экспериментом на ЭВМ по разработанному алгоритму расчета 13 было получено поле реализуемых электрических машин. Анализ таких расчетов показал, что зависимость момента, развиваемого АД, от габаритных размеров при постоянной линейной скорости ротора представляет собой в логарифмической системе координат прямые линии для различных интенсивностей охлаждения и перегревов. На рис.4.1 представлена зависимость момента М на валу асинхронного двигателя 01 его наружного диаметра Л для шести значений интенсивности охлаждения, охватывающих следующий диапазон коэффициентов теплоотдачи на основной поверхности теплосъема: 1-250 ВтЛг.град.; 2 - 500 ВтЛг.град.; 3 - 750 Вт/м град.; 4 - 1000 Вт/м град.; 5 - 1500 ВтЛг.град.; б - 2000 ВтЛг.град. Такой диапазон соответствует всем возможным значениям коэффициентов теплоотдачи в системах струйного масляного охлаждения двигателя. Зоны, обозначенные на рис.4.I номерами системы охлаждения, ограничены снизу линией перегрева, равного лТ = 80С, а сверху - перегревом Л Т = = 200С. Зоны I и 2-й систем охлаждения ограничены на рис.4.I сплошными линиями, зоны 3 и 4-й - штриховыми линиями, зоны 5 и 6-й - штрих-пунктирными линиями. Для электрических машин транспортного исполнения принятый диапазон по перегреву охватывает все классы применяемой изоляции. В исходных данных задается температура охладителя на входе, следовательно, по величине максимально допустимой температуры принимается для выбираемого варианта величина перегрева.
Для каждой системы охлаждения расчеты выполнялись для соотношения наружного диаметра АД к ее наружной длине L , равного D/6 = I при габаритах .# = 0,3; 0,4; 0,53; 0,6; 0,7 м и перегревах 4 7 = 80; 120; 160; 200С. Выбранные диапазоны указанных параметров в приводимом численном эксперименте являются достаточными ддя.проектирования целого ряда электрических машин такого типа. Графическое представление расчетов наглядно иллюстрируют генденции изменения момента на валу асинхронного двигателя при различных соотношениях исходных параметров. Поскольку области на рис.4.1, соответствующие каждой из систем охлаждения, перекрываются, то получение в равном габарите одного и того же момента возможно в случае различных систем охлаждения, при этом создаются разные перегревы. Получение равного момента при одной и той же системе охлаждения возможно в разных габаритах /перегревы также различные/. Если заданы температура на входе и максимально допустимая температура изоляции, то выбор вариантов электрической машины целесообразно проводить по графику, показанному на рис. 4.2, где для перегрева, равного А Т = 120С, приведены зависимости момента от наружного диаметра. Аналогичные зависимости могут быть построены для различных перегревов по данным рис.4.1.
При проектировании новых транспортных электрических машин в заданных габаритах с произвольным выбором типа электротехнических материалов и вида системы охлаждения возможны ситуации, когда ог
