Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И МОДЕЛИ ЛАД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ, ТЕПЛОВЫХ И
АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 11
Модели электромеханических процессов ЛАД 11
Методы теплового расчета электрических машин 17
Известные тепловые модели линейных асинхронных двигателей 24
Аэродинамические модели электрических машин 28
Выводы 34
ГЛАВА 2. РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЛАД
НА ОСНОВЕ ДЕТАЛИЗИРОВАННЫХ СХЕМ ЗАМЕЩЕНИЯ 35
Повышение точности базовой модели ЛАД 35
Повышение быстродействия алгоритмов и программ расчета ЛАД 42
Квазистатическая модель ЛАД 44
Аппроксимация характеристик ЛАД 45
Выводы 51
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ТЕПЛОВОЙ МОДЕЛИ ЛАД НА ОСНОВЕ
ДЕТАЛИЗИРОВАННЫХ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ ЗАМЕЩЕНИЯ 52
3.1. Математическая модель на основе
детализированных тепловых схем замещения 52
Тепловая модель с высоким уровнем детализации схемы замещения 56
Тепловая модель с низким уровнем детализации схемы замещения 71
Вентиляционный расчет на основе аэродинамической схемы замещения 75
Математическая модель взаимосвязанных электромеханических, тепловых и аэродинамических процессов 82
Выводы 85
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРАКТИЧЕСКИХ
РАЗРАБОТОК 86
Расчеты ЛАД при разных алгоритмах численного дифференцирования по координате 86
Исследование тепловых процессов в ЛАД лабораторного стенда 88
Исследование тепловых процессов в ЛАД 51-5-100 90
Результаты расчета системы вентиляции тягового ЛАД 99
Исследование тепловых процессов в тяговом ЛАД
монорельсовой дороги 103
Оценка теплового состояния дугостаторного АД винтового пресса 115
Выводы 126
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 129
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ 143
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Документы о внедрении 144
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Результаты расчета тепловых процессов ЛАД 147
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Листинги программ и структурные схемы моделей 157
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Пример формирования массива характеристик
тягового ЛАД и система уравнений его тепловой модели 171
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Используемые элементы математического
описания тепловой модели 182
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Полевые расчеты тепловых процессов 193
Введение к работе
Известно несколько типовых областей применения двигателей с разомкнутым магнитопроводом: высокоскоростной наземный транспорт (монорельсовые дороги); взрывозащищенное электрооборудование; перемещающие и подъемные механизмы; различные загрузочные устройства; двери; натяжные устройства; системы автоматики и телемеханики [106, 107].
Широко известно применение тяговых ЛАД в пассажирском наземном, в том числе и высокоскоростном, транспорте. Наибольшие успехи в этом направлении среди отечественных организаций были достигнуты ОКБ ЛЭД (г.Киев) и ИНЦ«ТЭМП» (г.Москва) [19]. Актуальность монорельсового транспорта связана с тем, что в последнее время в крупных городах все более остро ощущается нехватка скоростного пассажирского транспорта [6, 19, 149]. Сегодня скорость сообщения наземного пассажирского транспорта в крупных городах ниже 20 км/ч, а подземный транспорт, отвечающий потребностям города, требует больших капитальных вложений и имеет низкие темпы строительства [6]. В настоящее время в Москве эксплуатируется пятикилометровая монорельсовая трасса [19, 149]. Тяговые двигатели поездов спроектированы ИНЦ «ТЭМП» при участии кафедры ЭЭТС УГТУ-УПИ [5, 6, 141,147]. Данная работа продолжает разработки кафедры в этом направлении.
В ряде стран был освоен серийный выпуск индукторов ЛАД для встраивания их в приводы некоторых механизмов. Вторичный элемент при этом изготавливается специально под конкретный привод или совмещается с рабочим органом механизма. Примером являются польские двигатели многоцелевого назначения серии SL фирмы «Technika» [106]. В Щецинском техническом университете (ЩТУ, Польша) исследуются возможности их применения для приводов дверей, заслонок, внутрицеховых конвейеров, а также в стрелочных механизмах для трамваев и железнодорожного транспорта. В работе произведены тепловые расчеты данных двигателей ввиду их универсальности в рамках сотрудничества с институтом электротехники ЩТУ [106],
Следует также отметить линейные асинхронные электроприводы изготовленные ВНИИ «Взрывозащищенное электрооборудование», ныне УкрНИИВЭ. Из-за специфики применения при их разработке уделялось повышенное внимание теоретическому и экспериментальному исследованию тепловых процессов. Результаты этих исследований [36, 43-47] подробно описаны в первой главе, т.к. представляют интерес с позиций данной работы.
В работе также рассматриваются винтовые прессы Чимкентского завода кузнечно-прессового оборудования [15, 144, 145, 146] с приводом от дугостаторного двигателя, эксплуатируемые ФГУП «Верхнетуринский механический завод». Оценка их теплового состояния производится в связи с модернизацией, вызванной повышением объемов производства в рамках хоз. договора между ФГУП ВТМЗ и кафедрой ЭЭТС УГТУ-УПИ [148].
Актуальность темы. При исследовании электропривода на основе линейного асинхронного двигателя весьма актуальной задачей является анализ тепловых процессов. Причем необходимость такого анализа может возникнуть как при проектировании двигателя, так и в ходе эксплуатации (при изменении режима работы, внесении изменений в другие элементы электропривода и т.д.)
Например, при проектировании транспортных систем зачастую налагаются весьма жесткие требования на геометрические размеры тяговых двигателей. В результате может оказаться, что двигатель не развивает необходимое тяговое усилие в течение требуемого промежутка времени, т.к. имеет место перегрев элементов конструкции (как правило, обмотки индуктора, что может привести к выходу ее из строя). При любом способе решения данной проблемы (применение охлаждающих установок, систем регулирования температуры, изменение конструкции двигателя или др.) необходимо исследование тепловых переходных процессов. Подобные проблемы встречаются не только в транспортных системах, в ряде случаев необходимо определить и ограничить скорость нарастания температур отдельных узлов ЛАД, особенно, если он изготавливается во взрывозащищенном исполнении [43,47,103].
В качестве примера необходимости оценки теплового состояния в ходе эксплуатации можно привести дугостаторный асинхронный двигатель винтового пресса. В данном случае проблема возникает при модернизации (переходе от нерегулируемого привода к регулируемому), а также в результате эксплуатации пресса в неноминалы-гам режиме.
Таким образом, анализ тепловых процессов и средства для его проведения актуальны в той или иной степени при разработке всех линейных асинхронных электроприводов.
Однако, такие исследования осложняются тем, что линейные асинхронные двигатели отличаются от вращающихся электрических машин характером протекания в них электромагнитных и тепловых процессов [98, 107]. Основные отличия заключаются в следующем: имеются краевые эффекты; индуктор и вторичный элемент ЛАД, как правило, работают в кратковременном и повторно-кратковременном режимах; тепловая мощность выделяется неравномерно по длине ВЭ и регулярно вьшосится за пределы активной зоны. При этом использование известных методов оценки теплового состояния, используемых в приводах вращательного действия [11, 62, 68, 56], весьма затруднительно, т.к. они основаны на ряде допущений, которые для линейных машин не выполняются. Существующие тепловые модели ЛАД [1, 43-47, 51, 52], как правило, не учитывают вынос тепла вторичным элементом, а потери зачастую вычисляются без учета особенностей электромагнитных процессов.
Таким образом, актуальной является разработка математических моделей учитывающих указанные особенности ЛАД и позволяющих проведение исследований тепловых процессов в линейных асинхронных двигателях. Данная работа основывается на разработках коллектива кафедры электротехники и электротехнологических систем УГТУ-УПИ в области линейных индукционных машин и развивает данные разработки.
Объектом исследования являются линейные асинхронные двигатели, предметом исследования - тепловые процессы в линейных асинхронных двигателях.
7 Цели работы:
- разработать методику и программные средства расчета нестационарных
тепловых процессов в ЛАД на основе детализированных электрических,
магнитных, тепловых и аэродинамических схем замещения;
- исследовать тепловые процессы ЛАД конкретных установок в их
рабочих режимах на основе разработанной методики.
Для выполнения поставленных целей решаются следующие задачи:
Разработка модификаций математических моделей нестационарных тепловых процессов в ЛАД с учетом массопереноса, позволяющих проводить исследование двигателей разных видов с различными особенностями конструкции на основе тепловой схемы замещения с высоким уровнем детализации и на основе укрупненной тепловой схемы замещения. Реализация уравнений тепловых моделей в виде структурных схем в среде Simulink.
Повышение точности и быстродействия электромеханической модели ЛАД на основе детализированных схем замещения используемой совместно с тепловой моделью с учетом взаимного влияния электромеханических и тепловых процессов.
Разработка математической модели аэродинамических процессов в ЛАД на основе детализированной аэродинамической схемы замещения и реализация решения системы нелинейных уравнений модели в среде MATLAB.
4. Разработка математической модели взаимосвязанных
электромеханических, тепловых и аэродинамических процессов в ЛАД и
реализация передачи данных между подмоделями в ее составе в среде Simulink.
5. Анализ закономерностей протекания тепловых процессов в
исследуемых конструкциях ЛАД, оценка влияния различных факторов на
нагрев элементов конструкции ЛАД.
Методы исследования. В работе используются методы теории электрических цепей, метод эквивалентных тепловых схем замещения, методы компьютерного моделирования с помощью пакета MATLAB и его расширения
8 Simulink, предназначенного для анализа динамических систем. Используются также физические (натурные) методы моделирования с помощью экспериментального лабораторного стенда и действующих установок.
Основой исследования были также труды ученых: Неймана Л.Р., Вольдека А.И., Копылова И.П., Иванова-Смоленского А.В., Сипайлова Г.А., Куцевалова В.М., Беспалова В.Я., Фридкина П.А., Штурмана Г.И., Резина М.Г., Сарапулова Ф.Н., Веселовского О.Н., Ямамуры С, Борисенко А.И., Филиппова И.В., Огаркова Е.М., ШулаковаЫ.В., Беляева Е.Ф., ШымчакаП., Карася СВ., Патанкара СВ. и др.
На защиту выносятся следующие положения представляющие научную новизну:
Математическая модель взаимосвязанных электромеханических, тепловых и аэродинамических процессов ЛАД на основе детализированных электрических, магнитных, тепловых и аэродинамических схем замещения, а также соответствующие подмодели процессов в ее составе.
Результаты анализа тепловых процессов в рассматриваемых конструкциях ЛАД в виде рекомендаций по выбору их режимов работы, выбору систем охлаждения, а также по необходимости учета ряда особенностей тепловых процессов при моделировании.
Программные средства и структурные схемы для расчета электромеханических и тепловых переходных процессов по указанным математическим моделям.
Практическая ценность. Предложенные математические модели позволяют производить оценку теплового состояния и исследование тепловых переходных процессов ЛАД с различными особенностями конструкции. Также на их основе выявлены общие закономерности протекания тепловых процессов в исследуемых ЛАД. С использованием данных закономерностей для тягового ЛАД монорельсовой дороги и дугостаторного АД винтового пресса выработаны рекомендации по выбору режимов работы и системы охлаждения.
9 Внедрение. Результаты работы используются:
ОАО «Инженерно-научный центр «ТЭМП» (г. Москва) для решения текущих задач по эксплуатации тяговых ЛАД поезда монорельсовой дороги, а также при разработке новых конструкций тяговых двигателей,
ФГУП «Верхнетуринский механический завод» (г. Верхняя Тура) при модернизации дугостаторного электропривода винтового пресса для оценки теплового состояния.
На кафедре электротехники и электротехнологических систем УГТУ-УПИ в учебном процессе, при курсовом и дипломном проектировании, проведении научных исследований.
Апробация. Основные результаты доложены, обсуждены и одобрены на следующих научных мероприятиях:
VI международный симпозиум ЭЛМАШ-2006. Москва, октябрь 2006 г.
XI Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты». Алушта, сентябрь 2006 г.
- Всероссийская научно-техническая конференция с международным
участием «Актуальные проблемы ресурсо- и энергосберегающих
электротехнологий», Екатеринбург, УГТУ-УПИ, апрель 2006 г.
Региональная научно-техническая конференция «Проблемы энергосбережения и экологии промышленного региона». Нижний Тагил, НТИ УГТУ-УПИ, декабрь 2005 г.
IV межотраслевая научно-техническая конференция «Автоматизация и прогрессивные технологии». Новоуральск, НГТИ, сентябрь 2005 г.
8-ая региональная научно-практическая конференция с международным участием «Энергосберегающие техника и технологии». Екатеринбург, май 2005 г
- III Межвузовская конференция «Практика применения научного
программного обеспечения в образований и научных исследования». СПб,
СПбГПУ, апрель 2005 г.
XIII Международная научно-техническая конференция «Электроприводы переменного тока». Екатеринбург, УГТУ-УПИ, март, 2005 г.
Региональная научно-техническая конференция «Наука-образование-производство». Нижний Тагил, октябрь 2004 г.
Sixth International Conference on Unconventional Electromechanical and Electrical Systems. Alushta, The Crimea, Ukraine, September, 2004 r.
5-ая международная научно-техническая конференция «Компьютерное моделирование 2004». СПб, СПбГПУ, июнь 2004 г.
- XXXV, XXXVI, XXXVII международные научно-технические
конференции молодых специалистов. Нижний Тагил, ОАО «НТМК»,
октябрь 2003 г., октябрь 2004 г., октябрь 2005 г.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 25 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников и 6 приложений общим объемом 194 страницы. Основная часть изложена на 143 страницах машинописного текста, иллюстрирована 76 рисунками, 12 таблицами. Список использованной литературы содержит 149 наименований.
