Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса торможения и самоторможения асинхронных электроприводов и задачи исследования 9
1.1 Общие сведения по торможению и самоторможению асинхронных электроприводов 9
1.2 Критический анализ существующих устройств торможения и самоторможения асинхронных электроприводов 10
1.3 Обоснования принципа и конструкции аксиального самотормозящегося электропривода и задачи исследования 32
1.4 Выводы по главе 1 35
2. Развитие теории и практики тормозящихся асинхронных электроприводов 36
2.1 Общие сведения теории торможения асинхронных электроприводов . 36
2.2 Принципы и устройства торможения асинхронных электроприводов. 37
2.3 Разработка схем управления тормозными устройствами 46
2.4 Выбор конструкции и фрикционных материалов тормозных устройств55
2.5 Выводы по главе 2 65
3. Развитие теории и практики самотормозящихся асинхронных электроприводов 66
3.1 Общие вопросы по самоторможению асинхронных электроприводов ..66
3.2 Разработка конструкции самотормозящихся асинхронных электроприводов 67
3.3 Разработка основных электромагнитных и геометрических соотношений в самотормозящихся асинхронных электроприводах 76
3.4 Развитие теории самотормозящихся асинхронных двигателей с массивным ротором 80
3.5 Разработка методики расчета осевых электромагнитных усилий в самотормозящихся асинхронных электроприводах 91
3.6 Выводы по главе 3 96
4. Математическое моделирование тормозящихся и самотормозящихся электроприводов 97
4.1 Общие сведения о моделировании тормозящихся и самотормозящихся электроприводов 97
4.2 Построение математической модели тормозящихся асинхронных электроприводов 100
4.3 Построение математической модели самотормозящихся электроприводов 104
4.4 Выводы по главе 4 108
5. Реализация математической моделей тормозящихся и самотормозящихся асинхронных электродвигателей, эксперементальные исследования 109
5.1 Общие сведения по реализации математической модели 109
5.2 Матрица планирования эксперимента как инструмент для реализации математической модели 110
5.3 Установление связей между динамическими показателями и переменными параметрами самотормозящегося электропривода 118
5.4 Экспериментальные исследования магнитных свойств различных материалов роторов самотормозящих электроприводов 122
5.5 Выводы по главе 5 148
Заключение 149
Литература
- Общие сведения по торможению и самоторможению асинхронных электроприводов
- Общие сведения теории торможения асинхронных электроприводов
- Общие вопросы по самоторможению асинхронных электроприводов
- Общие сведения о моделировании тормозящихся и самотормозящихся электроприводов
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие индивидуального привода и оснащение промышленности высокопроизводительными автоматическими линиями и машинами ставит перед электромашиностроением задачи по созданию совершенных конструкций электрических машин, которые за счет увеличения скорости и сокращения непроизводительного времени, затрачиваемого на их остановку, должны значительно повысить производительность исполнительных механизмов [4, 5, 9, 28, 29, 33, 38, 45, 50, 52, 53].
В настоящее время наиболее массовой продукцией электромашиностроения является асинхронные электродвигатели (АД), которые широко применяются в различных отраслях промышленности и в сельском хозяйстве.
Для нормальной эксплуатации большинства машин и механизмов необходимы АД с надежно действующими тормозными устройствами, обеспечивающими в нужный момент быструю и точную остановку электропривода.
Значение тормозных устройств существенно возрастает в связи с увеличением движущихся масс, скоростей движения и частоты торможения. За последние годы разработано и освоено большое количество конструктивных разновидностей таких устройств [56, 58, 59, 65, 88, 89,92].
Изучение зарубежных каталогов показывает, что в настоящее время электродвигатели с тормозными устройствами выпускаются во всех промышленно развитых странах, при этом основная масса электродвигателей изготавливается со встроенными электромагнитными тормозами постоянного и переменного тока.
Отечественной промышленностью электродвигатели со встроенными электромагнитными тормозами постоянного и переменного тока практически не выпускаются, за исключением небольших партий электродвигателей, которые изготавливаются на заводах «Вольта», «Динамо» и др.
Данные конструкции, как правило, громоздки и устанавливаются рядом с приводным механизмом.
В настоящее время из всех известных конструкций наиболее перспективным направлением в этой области является самотормозящийся асинхронный двигатель со встроенным тормозом [92, 109, 111], который получил наибольшее распространение в силу своих конструктивных преимуществ. Такие электродвигатели находят применение в станкостроении, в промышленных и строительных подъемно-транспортных механизмах, в деревообрабатывающей и перерабатывающей промышленности, различных агрегатах и автоматических линиях [106, 112]. Их быстрое развитие вызвано тем, что управление тормозным устройством осуществляется с помощью магнитного потока самого электродвигателя, что позволяет спроектировать самотормозящийся асинхронный электродвигатель довольно простой, компактной, надежно действующей конструкции, которая исключает возможность неправильного или ошибочного действия. Кроме этого, самотормозящийся асинхронный электродвигатель позволяет резко увеличить число торможений, обеспечить постоянство тормозного момента, улучшить тепловой режим двигателя, упростить схему управления и сократить количество пусковой аппаратуры.
Потребность в этих электродвигателях из года в год увеличивается, однако до настоящего времени еще не удалось создать электродвигатели, которые удовлетворяли бы всем требованиям, предъявляемым к электродвигателям с тормозным устройством. Поэтому актуальными являются вопросы совершенствования конструкций самотормозящегося асинхронного электродвигателя, разработки методики расчета осевых усилий в самотормозящихся асинхронных электродвигателях конструктивных различных исполнении, разработка математической модели, построения рациональных электроприводов на основе самотормозящихся асинхронных электродвигателей.
Цель работы. Целью работы является развитие конструкции, методики расчета осевых электромагнитных усилий и математических моделей самотормозящихся асинхронных электроприводов (САЭ).
Задачи исследования. Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи: -разработана перспективная конструкция самотормозящегося асинхронного электропривода; -разработана методика расчета осевого электромагнитного усилия в самотормозящемся асинхронном электроприводе; -установлены основные геометрические соотношения магнитопроводов статора и ротора в САЭ; -разработана математическая модель САЭ, предназначенная для самотормозящихся асинхронных электроприводов; -определены магнитные свойства различных марок конструкционных сталей, предназначенных для использования при изготовлении роторов асинхронных двигателей.
Методы исследования. Исследования проводились с помощью теории обобщенного электромеханического преобразователя энергии с применением математического аппарата матричного анализа электрических машин, теории поля и теории электрических цепей. Поставленные задачи решены аналитическими, численными и экспериментальными методами с использованием метода планирования эксперимента.
Научная новизна. В работе построен математический аппарат и разработаны методы теоретического и экспериментального исследования, а именно: -предложена методика расчета осевых электромагнитных усилий в САЭ; -определены основные геометрические соотношения магнитопроводов статора и ротора САЭ; -разработана математическая модель САЭ на основе обобщенного электромеханического преобразователя энергии (ЭМПЭ); -получены функциональные связи различных динамических характеристик электропривода на основе САЭ.
Практическая ценность. -разработаны методики расчета осевых электромагнитных усилий в САЭ; -получены аналитические соотношения геометрических размеров магнитопровода САЭ, являющейся определяющими при их проектировании и что позволяют уменьшить массогабаритные и стоимостные показатели двигателя; -разработана конструкция САЭ для быстрого и автоматического останова электропривода.
Автор защищает. -методику расчета осевого электромагнитного усилия в САЭ с учетом перемещения ротора относительно статора; -определения основного геометрического отношения магнитопроводов статора и ротора в САЭ; -математическую модель САЭ; -определение магнитных свойств различных марок конструкционных сталей.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы «ОАО Краснодарский Электроремонтный завод» (г. Краснодар), при проектировании и разработке специальных САЭ, а так же в учебном процессе по курсам «Электромеханика» и «Электрические машины» в Кубанском государственном технологическом университете.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались, обсуждались и получили одобрения на следующих конференциях: - Международная конференция, «Возобновляемая энергетика 2003г: состояние, проблемы, перспективы» (С-Петербург 2003);
Всероссийский электротехнический конгресс ВЭЛК-2005 «Нетрадиционные ЭМПЭ для систем автономного электроснабжения на базе возобновляемых источников энергии» (Москва, 2005);
Межвузовской научно-методической конференции «Электромеханические преобразователи энергии -03»(г. Краснодар, 2003г);
Межвузовской научно-методической конференции «Электромеханические преобразователи энергии -04» (г. Краснодар, 2004г); - IV Южнороссийской научной методической конференции «Энерго - и ресурсосберегающие технологии и установки -05» (г. Краснодар 2005г); - расширенном заседании кафедры Электротехники КубГТУ-05, (г. Краснодар 2005г).
Публикации. По теме диссертационной работе имеется 9 публикаций.
Объем работы. Диссертация состоит из ведения, пяти глав, заключения, списка литературы из 144 наименований и двух приложений. Общий объем диссертационной работы 193 страниц машинописного текста, включая 10 таблиц, 95 рисунков.
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ТОРМОЖЕНИЯ И САМОТОРМОЖЕНИЯ АСИНХРОННЫХ
ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Общие сведения по торможению и самоторможению асинхронных электроприводов
Повышенные требования к точности автоматического останова, при малом выбеге исполнительного двигателя, вызывают появление работ, в которых для торможения электродвигателей предлагаются различные тормозные конструкции тормозов электродвигателей.
Над проблемой создания компактных двигателей с тормозом, позволяющих обеспечить с наименьшими затратами быстрый и точный останов электропривода, работает как отечественные, так и зарубежные фирмы, выпускающие электрооборудование [4, 5, 9, 17, 18, 21, 24, 29, 34, 47, 50,85,86,88, 109,110].
Как показывает практика, перспективным направлением в этой области является разработка и создание самотормозящегося асинхронного электродвигателя [17, 18,21,25,28,52,85,88,92, 109, ПО, 111, 112, 129].
Начало активного изучения самотормозящихся асинхронных электродвигателей совпадает с созданием в 1926г. фирмой «Demag» (Германия) самотормозящегося конусного двигателя, имевшего тормозную конструкцию, при которой ротор перемещался в осевом направлении и через систему рычагов действовал на колодочный тормоз. В 1938г. тормоз был встроен в двигатель, и его тормозной диск вместе с валом ротора осуществлял вращательное и осевое перемещение.
На сегодняшний день в нашей стране и за рубежом известно большое число конструкций самотормозящихся асинхронных электродвигателей.
Проблема выбора самотормозящихся асинхронных электродвигателей задача многоплановая и должна увязываться с общими требованиями к технологии производства и технико-экономическими показателями электропривода в целом.
Асинхронный двигатель быстрого останова, снабженный тормозным устройством делятся на: -электродвигатели со встроенным или пристроенным электромагнитным тормозом; -самотормозящиеся.
У электродвигателей со встроенным или пристроенным тормозом управление тормозным устройством осуществляется посредством специальной обмотки.
Самотормозящийся асинхронный электродвигатель представляет собой электропривод, который объединяет электродвигатель и тормоз в виде единого механизма с общей электромагнитной системой, то есть управление тормозом осуществляется магнитным потоком самого электродвигателя. Именно этот тип двигателей является в настоящее время наиболее распространенным и в силу своих преимуществ (в конструкции и в характеристиках) сохраняет свою ведущую роль в практике самотормозящихся электроприводов в обозримом будущем.
В настоящее время из литературы известно большое количество конструктивных исполнении тормозящихся и самотормозящихся асинхронных электродвигателей [ 4, 21, 52, 88, 111].
Рассмотрим типичные конструктивные схемы тормозящихся и самотормозящихся асинхронных электродвигателей и проведем их сравнительный анализ. Самотормозящийся асинхронный электродвигатель с вспомогательным ротором
Основным конструктивным признаком этих электродвигателей является то, что рядом с рабочим ротором, передающим вращающий момент, закреплен вспомогательный ротор, который служит для создания осевого усилия, необходимого для управления тормозной системой. Конструкции самотормозящегося асинхронного электродвигателя с вспомогательным ротором можно разделить на две группы. 1. САЭ с вспомогательным ротором, имеющим ограниченный угол поворота
Схематично конструкция изображена на рис. 1.1. В этих электродвигателях вспомогательный ротор может поворачиваться относительно вала на определенный (ограниченный) угол. При подаче напряжения на обмотку статора вал с рабочим ротором находится в заторможенном состоянии, а вспомогательный ротор под действием магнитного потока начинает поворачиваться и через винтовую передачу воздействовать на тормозное устройство [52].
Самотормозящийся асинхронный электродвигатель с вспомогательным ротором имеют следующие недостатки: сложность конструкции; часть магнитного потока статора расходуется на создание растормаживающего усилия, что приводит к увеличению габаритов электродвигателя; вспомогательный ротор работает в режиме короткого замыкания и поэтому имеет низкие энергетические характеристики, увеличенный нагрев двигателя.
Общие сведения теории торможения асинхронных электроприводов
Электродвигатели со встроенным электромеханическим тормозным устройствам (ЭМТУ) используется для привода механизмов, нормальное функционирование которых предусматривает остановку рабочих органов в регламентируемое время и удержание их в заторможенном состоянии даже при наличии усилия со стороны приводного механизма. Основные функции ЭМТУ сокращение времени инерционных выбегов вращающегося вала, аварийная остановка при исчезновении напряжения питания, удержание и фиксация вала электродвигателя с заданным тормозным моментом. Выполняя перечисленные функции, ЭМТУ обеспечивает значительное повышение производительности и качества выполнения приводным механизмом заданных операций, а также принципиально увеличивает безопасность работы этих механизмов.
Все существующие электродвигатели с ЭМТУ делятся на два типа: тормозные электродвигатели, в которых для размыкания тормозного устройства применяется отдельный привод на базе электромагнита; самотормозящиеся электродвигатели, в которых тормозное устройство и электродвигатель имеют общую магнитную систему [52].
Для привода ЭМТУ в настоящее время на практике применяют электромагниты переменного и постоянного выпрямленного тока. До 1950-х голов, когда промышленность не имела малогабаритных и надежных выпрямительных устройств, конструкции с электромагнитами переменного тока рассматривались как более предпочтительные.
Электромеханическое тормозное устройство состоит из двух основных частей - электромеханического фрикционного тормоза (ЭФТ) и схемы его управления (СУ). Электромеханический фрикционный тормоз служит для создания тормозного момента на приводном валу, содержит нормально замкнутый фрикционный тормозной узел и электромагнитный привод в виде растормаживающего электромагнита, предназначенного для размыкания этого тормозного узла. Схема управления служит для подключения электромагнитного привода ЭФТ к источнику питания и обеспечивает заданные параметры быстродействия ЭФТ при его замыкании и размыкании путем формирования оптимального закона изменения питающего напряжения.
На рис 2.1,а показано принципиальное устройство ЭФТ, а на рис.2.1,6 приведена его простейшая СУ. Электромеханический фрикционный тормоз состоит из растормаживающего электромагнита, содержащего магнитопровод 1 с обмоткой 2, и фрикционного узла, содержащего якорь 3 и тормозной диск-вентилятор 4 с фрикционной накладкой 5. Якорь 3 может перемещаться в аксиальном направлении по неподвижным штифтам 6, препятствующим вращению якоря. Якорь 3 прижат усилием пружины 7 к тормозному диску-вентилятору 4, который жестко установлен на валу 8 электродвигателя. Обмотка 2 растормаживающего электромагнита подключена к зажимам электродвигателя 9 через выпрямительное устройство Ю.При обесточенной обмотке 2 тормоз замкнут, и вал 8 находится в заторможенном состоянии. При включении электродвигателя в сеть посредством контактов 11 коммутационного аппарата напряжение подается на обмотку 2, возбуждается магнитный поток, который замыкается по магнитопроводу 1, якорю 3 и воздушному зазору между ними (магнитный поток показан на рис. 1.1,а штриховой линией). Якорь 3, преодолевая противодействующее усилие пружины 7, притягивается к магнитопроводу 1.
Тормозной диск 4 освобождается, вал 8 растормаживается и начинает свободно вращаться до тех пор, пока обмотка 2 остается под напряжением. При отключении электродвигателя обмотка 2 также отключается от источника питания. Тяговое усилие растормаживающего электромагнита уменьшается до нуля и усилием пружины 7 якорь 3 прижимается к тормозному диску 4, за счет чего вал вновь тормозится.
Общие вопросы по самоторможению асинхронных электроприводов
АД, широко применяемые в различных отраслях промышленности и в сельском хозяйстве, - наиболее массовая продукция электромашиностроения.
С возрастанием требований к динамике работы, приводящей, к росту производительности машин и механизмов встает необходимость разработки перспективных АД, к которым можно отнести САД и СААД.
В практике мирового электромашиностроения в последнее время наблюдается расширение области применения самотормозящихся асинхронных электродвигателей [21, 52].
Отечественный и зарубежный опыт производства и применения самотормозящихся асинхронных электродвигателей свидетельствует о высокой экономической эффективности использования конструкционных материалов. Широко известные способы электрического торможения механизмов с электрическим приводом в устройствах точной остановки и фиксации не приемлемы, поскольку только механическое торможение является единственным способом остановки механизма после прекращения подачи электроэнергии и удержание вала в заторможенном состоянии [29].
Одним из мало используемых до сих пор достоинством АД является возможность сочетаться, органически сливаться с рабочими машинами, что и лежит в основе разработки САЭ.
Однако в ряде случаев целесообразно отказаться от цилиндрических конструкции САЭ и взамен ей перейти к САЭ аксиального типа. Это обусловлено прежде всего технологическими и экономическими условиями. Кроме надежной изоляции температурных полей и полей давления статора и ротора в таких АД в необходимых случаях возможно уменьшение воздушного зазора, упрощается их разработка и сборка. Последнее обстоятельство особенно важно для САЭ периодического действия. Среди определяющих условий перехода к САЭ аксиального типа является снижение расхода активных материалов, а также и трудоемкости изготовления. Конструкция этих двигателей позволяет применить прогрессивные технологические процессы и высокопроизводительные технологические линии, а следовательно, повысить технический уровень производства.
Торможение двигателей осуществляется несколькими способами, первый способ это когда отключение двигателя производить обслуживающий персонал и двигатель тормозится, второй способ это когда двигатель тормозится за счет СУ автоматически и последний когда двигатель отключается за счет автоматического торможения (заложено в принципе работы) самотормозящийся.
К вышеперечисленным преимуществам САЭ, построенного на базе аксиального асинхронного электропривода (ААЭ) можно отнести и еще целый ряд положительных специфических качеств, которые будут приведены ниже, при описании самотормозящегося аксиального асинхронного двигателя.
Самотормозящийся аксиальный асинхронный электродвигатель
Известен самотормозящийся асинхронный электродвигатель являющийся аналогом, содержащий статор с цилиндрической расточкой, цилиндрический ферромагнитный ротор, установленный на валу с возможностью аксиального перемещения и снабженный тормозной колодкой, отличающийся тем, что с целью увеличения осевого электромагнитного усилия и КПД, пакет ротора выполнен из анизотропного в магнитном отношении материала с монотонно изменяющейся в аксиальном направлении (от одного торца ротора к другому) магнитной проницаемостью [21].
Такой самотормозящийся асинхронный электродвигатель имеет ряд недостатков: сложность изготовления анизотропного в осевом направлении ротора, малая аксиальная электромагнитная сила, что не позволяет получить (особенно в мощных двигателях) надежное самоторможение в силу большой упругости мощных пружин, требующая соответствующего большего электромагнитного усилия. Кроме того, в рабочем (расторможенном) состоянии в таком двигателе значительно проявляется несимметричный (односторонний) краевой эффект, обусловленный осевым перемещением ротора относительно неподвижного статора, что снижает КПД двигателя.
Наиболее близким к предполагаемому двигателю, являющимся прототипом данного двигателя, является самотормозящийся асинхронный электродвигатель, содержащий статор с конусной расточкой и ферромагнитный ротор также в виде конуса, расположенный в расточке статора. Торможение такого двигателя осуществляется за счет осевой составляющей его электромагнитного усилия, обусловленной конусной геометрией магнитопроводов ротора и статора [65].
Общие сведения о моделировании тормозящихся и самотормозящихся электроприводов
Современная традиционная электромеханика имеет в своем арсенале ряд апробированных и достаточно точных методов исследования переходных режимов электрических машин (ЭМ), которые могут быть применимы для ЭВМ с некоторыми коррективами, обусловленными нетрадиционностью их конструкций и режимов работы. Здесь следует заметить, что все рассмотренные выше типы САЭ являются многомерными (двухмерными), имеющими две степени свободы, что должно быть отражено в структуре уравнений, описывающих электромеханические и электромагнитные переходные процессы в них.
Разработанная Адкинсом [1], А.В. Ивановым - Смоленским [63], И.П. Копыловым [71-73], Г. Кроном [80], Г.А. Сипайловым [114] и другими отечественными и зарубежными учеными обобщенная теория ЭМПЭ - это математическая теория электрических машин, позволяющая на принципиально новой основе провести исследования динамических характеристик машин при различных режимах работы с широким использованием ЭВМ.
Электрическая машина, как обобщенный ЭМПЭ, представляется в виде системы электрических цепей, находящихся в относительном движении. Как известно, система уравнений ЭМПЭ является нелинейной даже при постоянных параметрах машины. И, естественно, при замене постоянных параметров нелинейными коэффициентами система значительно ус ложняется. Данную замену необходимо провести в связи с тем, что параметры ротора САЭ не являются постоянными величинами при изменении работы машины. Такое непостоянство имеет место в САЭ при учете насыщения, когда вторичные параметры представляют собой нелинейные функциональные зависимости от тока и скольжения. ЭМПЭ в трех осях представляет собой многообмоточную структуру с тремя группами статорных и роторных обмоток (рис.4Л), находящихся в относительном движении. Систему уравнений, описывающую ЭМПЭ можно представить в матрично-векторной форме согласно [71, 76-78].
Несмотря на большое многообразие типов ЭМ традиционной электромеханики все они основаны на физических явлениях, возникающих при движении проводника в магнитном поле. Это позволяет построить единую теорию обобщенной ЭМ, на базе которой могут быть исследованы различные типы машин в переходных и, как частный случай - в стационарных режимах работы [1, 76]. В основе теории обобщенной ЭМ лежит замена реальной m-фазной многополюсной машины двух - или трехфазной двухполюсной машиной с взаимно ортогональными или сдвинутыми на 2/3; обмотками. Такая замена существенно упрощает модель исследуемого объекта и в то же время достаточно точно отображает реальную физическую картину преобразования энергии как по величине и характеру возникающего электромагнитного момента, так и по качественному и количественному характеру магнитного поля машин.
В (4.2) индекс T обозначает операцию транспонирования матрицы, индексы s и г обозначают принадлежность к статору и ротору, соответственно.
Количество уравнений в системе (4.2) определяется величиной к (т + п), где количество принятых фаз обобщенной машины, т.е. количество осей координат к=2 или 3. При этом число пар произведений токов, образующих электромагнитный момент Мэм равно к тп.
Математическая модель машины (4.2) позволяет исследовать ЭМ с учетом вихревых токов, насыщения, несинусоидальности, несимметрии и любых пространственных гармоник, т.е. решать практически все задачи современной электромеханики с достаточной точностью, включая оптимизационные задачи для двух - трех гармоник, с учетом двух - трех контуров, с нелинейными коэффициентами и т.д.
В ряде работ электрическая машина, как ЭМПЭ, представлена в двух осях а и Д Такое упрощение на более ранних этапах развития вычислительной техники обусловлено значительными затратами машинного времени. Однако, при исследовании несимметричных машин и исследовании машин с учетом пространственных гармоник или при несимметричных режимах работы, трехфазную машину целесообразно рассматривать в трехосной системе координат, так как поля в зазоре трехфазной и двухфазной машин в этих условиях отличаются друг от друга. Поэтому в последние годы, когда вычислительная техника сделала резкий скачок, представляется целесообразным при исследовании трехфазных асинхронных машин последнюю представлять в трех осях а,/3, у либо в осях d, q, s, либо в осях и, v, w отличающихся между собой угловой скоростью вращения осей координат и жесткой связью этих осей либо с ротором, либо со статором ЭМ.
