Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В настоящее время 67% электроэнергии, вырабатываемой различными энергоисточниками, потребляется электродвигателями. В Республике Беларусь находящиеся в эксплуатации электродвигатели на 95 % - нерегулируемые, на Западе и в промышленно развитых странах других регионов мира таких двигателей - не более 40 ... 50%; тенденция - использовать только регулируемые электродвигатели, что, в целом, уже сейчас дает свыше 10 ... 15% экономии электроэнергии. В частности, в стране не менее 40% электроэнергии потребляют различного рода нагнетатели (насосы, вентиляторы и пр.), и приводятся они в движение нерегулируемыми электродвигателями. Установка же в нагнетателях вместо дросселирования регулируемых электродвигателей дает экономию электроэнергии до 40 ... 50%, воды-15 ...20%.
В настоящее время основная ориентация новых разработок и производства регулируемых систем с асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями сосредоточена на частотных электроприводах, где получены превосходные на сегодня результаты по регулировочным свойствам, энергетике, динамике электропривода в целом. Пожалуй, единственным недостатком указанных электроприводов следует считать их высокую стоимость (в 8 ... 10 раз превышающую аналогичные нерегулируемые системы) и относительно большие массогабаритные показатели преобразовательной техники (по массе соизмеримой с массой двигателя, по габаритам больше габаритов управляемого двигателя). Указанные недостатки в значительной степени ограничивают использование частотных электроприводов. В таких энергоемких системах, как в различного рода нагнетателях, реальная окупаемость затрат, даже при современных весьма высоких ценах на электроэнергию, наступает спустя около десятка лет.
В тоже время, на сегодня практически приостановлены исследования и наработки по регулируемым электроприводам переменного тока с регуляторами напряжения в статорной цепи двигателя (так называемыми параметрическими регуляторами), необоснованно ограничено и применение подобных электроприводов в промышленном производстве. Это связано и с тем, что использование стандартных асинхронных электродвигателей для широкого диапазона регулирования только напряжением оказалось неприемлемым из-за неудовлетворительных электромеханических и энергетических характеристик двигателей, которые особенно ухудшаются при скольжениях ротора больше критических.
В последние годы на кафедре "Электропривод и автоматизация общепромышленных установок" в Могилевском государственном техническом университете проводились исследования по разработке асинхронных электродвигателей с двумя короткозамкнутыми роторами, специально предназначенных для регулирования частоты вращения напряжением со
стороны статора (конструктивная схема-двигатель асинхронный специальный - ДАС), которые при организации промышленного производства в комплекте с преобразователем могут быть в 3 ... 4 раза дешевле применяемых регулируемых электроприводов на базе частотных инверторов, и, к тому же, обладают более высокой структурной надежностью. В настоящее время на Могилевском заводе "Электродвигатель" изготовлены и испытаны макетные образцы указанных электродвигателей. Образцы выполнены на базе стандартных двигателей типоразмера AHPC-100S4.
Разработке теоретических положений оценки электромеханических и энергетических свойств новых электродвигателей по конструктивной схеме ДАС и посвящена данная диссертация.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Работа выполнялась в соответствии с заданием по Межвузовской научно-технической программе "Приоритет" - 1997-2000г, в частности, по одному из разделов этой программы: "Разработка теоретических основ создания и эффективного применения управляемого электропривода переменного тока на основе новых конструктивных решений асинхронных электродвигателей и систем фазового управления".
Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы заключается в разработке элементов теории электромагнитных, электромеханических и тепловых процессов для нового асинхронного двухроторного электродвигателя, специально предназначенного для регулирования его частоты вращения напряжением со стороны статора.
Поставленная цель была достигнута в настоящей работе путем решения следующих задач:
- проведения сравнительного анализа методов регулирования часто
ты вращения асинхронных электродвигателей, электромеханических и
энергетических характеристик стандартных асинхронных электродвигате
лей при их работе в системах с частотными регуляторами и регуляторами
напряжения;
- анализа конструктивных решений и технико-экономических
свойств электромеханических преобразователей, работающих в системах с
регуляторами напряжения;
- разработки статической модели (схема замещения, основные урав
нения) и методов расчета характеристик специального асинхронного двух
роторного электродвигателя по конструктивной схеме ДАС;
. - разработки элементов теории, динамической модели и методов расчета динамики специального асинхронного двухроторного электродвигателя по конструктивной схеме ДАС;
- разработки элементов теории, тепловых и вентиляционных моде
лей, специального асинхронного двухроторного электродвигателя по кон
структивной схеме ДАС.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются элементы теории электромагнитных, электромеханических и тепловых процессов асинхронного электродвигателя.
Предмет исследования - специальный двухроторный регулируемый асинхронный с короткозамкнутым ротором электродвигатель.
Гипотеза. Предполагалось, что электроприводы с регуляторами напряжения могут стать конкурентоспособными с частотными регуляторами, если простыми, надежными и дешевыми регуляторами напряжения управлять не стандартными, а специально созданными для такой системы регулирования электродвигателями.
Методология и методы проведенного исследования. При разработке математической модели специального электродвигателя использовались методы преобразования координат уравнений трехфазной системы; теории обобщенной электрической машины; теории автоматического управления; численные методы решения дифференциальных уравнений. Проверка результатов теоретических исследований осуществлялась с помощью моделей на персональном компьютере с использованием современных математических пакетов программ, экспериментальных исследований макетных образцов.
Научная новизна и значимость полученных результатов. Разработаны элементы теории электромагнитных, электромеханических и тепловых процессов нового асинхронного двухроторного электродвигателя, специально предназначенного для регулирования его частоты вращения напряжением со стороны статора.
Проанализированы сравнительные методы регулирования частоты вращения асинхронных электродвигателей, электромеханические и энергетические характеристики стандартных асинхронных электродвигателей при их работе в системах с частотными регуляторами и регуляторами напряжения. Произведен анализ конструктивных решений и технико-экономических свойств электромеханических преобразователей, работающих в системах с регуляторами напряжения. Разработаны статическая модель (схема замещения, основные уравнения) и методы расчета характеристик специального асинхронного двухроторного электродвигателя по конструктивной схеме ДАС. Разработаны элементы теории, динамическая модель и метод расчета динамики специального асинхронного двухроторного электродвигателя по конструктивной схеме ДАС. Разработаны элементы теории, тепловые и вентиляционные модели, предложен метод расчета тепловых и вентиляционных характеристик специального асинхронного двухроторного электродвигателя по конструктивной схеме ДАС.
Практическая и экономическая значимость полученных результатов.
Практическая значимость работы заключается в разработке элементов теории новых асинхронных двухроторных электродвигателей, специально предназначенных для регулирования частоты вращения ротора из-
менением подводимого к трехфазным обмоткам статора напряжения. В этой части предложены: статическая модель и методы расчета механических и электромеханических характеристик электродвигателя, характеристик допустимого по условиям нагрева моментов электродвигателя при регулировании его частоты вращения напряжением со стороны статора, методы расчета тепловых и вентиляционных характеристик специального двухроторного электродвигателя.
Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные в работе, используются при чтении курсов: " Элементы автоматизированного электропривода" и " Электрические машины " по специальности Т.11.02.00 "Автоматизированный электропривод" в МГТУ.
Экономическая значимость заключается в том, что при организации промышленного производства электроприводов на базе специального электродвигателя с регулятором напряжения цена таких электроприводов может быть в 3 ... 4 раза меньше чем у частотных. Конструкция специального электродвигателя на 10 ... 20 % позволяет также снизить расход активных материалов (медь, электротехническая сталь) на единицу выходной мощности двигателя.
Основные положения диссертации, выносимые на зашиту. Автором защищаются:
-
Результаты сравнительного анализа методов регулирования частоты вращения асинхронных электродвигателей с обоснованием преимуществ и недостатков частотного и параметрического, со специальным электродвигателем, методов.
-
Теоретические, структурные модели электродвигателя как электромеханического преобразователя, специально предназначенного для параметрического регулирования частоты его вращения, основные расчетные соотношения электромеханических и энергетических характеристик.
-
Математическая и структурная модели специального электродвигателя - источника тепловых потерь, теплопроводности, теплопередачи и вентиляции, расчетные соотношения тепловых и вентиляционных процессов.
Личный вклад соискателя. Научные и практические результаты диссертации, положения, выносимые на защиту, разработаны и получены лично соискателем или при его непосредственном участии.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований, содержащиеся в диссертации, докладывались, обсуждались и получили одобрение на:
- 52-ой международной научно-технической конференции профессо
ров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов Бело
русской государственной политехнической академии (г. Минск, 1997 г.);
- X научно-технической конференции профессорско-преподава
тельского состава, аспирантов и студентов "Новые технологии в машино
строении и вычислительной технике " (г. Брест, 1998 г.);
международной научно-технической конференции "Современные проблемы машиноведения" (г. Гомель, 1998 г.);
международной научно-технической конференции "Современные направления развития производственных технологий и робототехника" (г. Могилев, 1999 г.);
международной научно-технической конференции "Современные проблемы машиноведения" (г. Гомель, 2000 г.);
- 3-ем международном симпозиуме "Электрические машины в новом
столетии" (г. Москва, 2000 г.).
Опубликованность результатов. Основные положения диссертации опубликованы в 1 статье в журнале "Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объед. СНГ)", 6 статьях в материалах конференций, 2 тезисах докладов. Всего объем опубликованных материалов составляет 25 страниц.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, заключения, списка использованных источников, двух приложений. Общий объем диссертации составляет 125 страниц, при этом 52 рисунка, 6 таблиц, список использованных источников из 74 наименований, приложения занимают 40 страниц.
Похожие диссертации на Специальный двухроторный регулируемый асинхронный с короткозамкнутым ротором электродвигатель (элементы теории)
