Содержание к диссертации
Введение
1. Объект, метод и задачи исследования 12
1.1. Обзор литературы по вопросам теории и применения ДВИ 12
1.2. Вентильный индукторный двигатель с последовательной обмоткой возбуждения 17
1.2.1. Вентильный электродвигатель 17
1.2.2. Описание конструкции ДВИ 26
1.2.3. Способы включения последовательной обмотки возбуждения 41
1.3. Выбор метода исследования 48
1.4. Выводы 53
2. Математическая модель электромагнитных процессов ДВИ с после довательной обмоткой возбуждения 55
2.1. Основные понятия и допущения 55
2.2. Формирование системы дифференциальных уравнений. Схемы замещения магнитной цепи ДВИ с последовательной обмоткой возбуждения 57
2.3. Алгоритм расчета электромагнитных параметров и характеристик ДВИ с последовательной обмоткой возбуждения 65
2.4. Выводы 78
3. Математическая модель тепловых процессов в ДВИ 80
3.1. Оценка теплового состояния электрической машины. Цели и задачи 80
3.2. Метод эквивалентных тепловых схем замещения применительно к ДВИ 82
3.3. Расчет тепловых процессов в ДВИ. Тепловые схемы замещения. Метод конечных элементов 90
3.4. Особенности расчета тепловых процессов в ДВИ для тягового привода 99
3.5. Выводы 105
4. Расчет электромагнитных и тепловых процессов в тяговых электро двигателях 107
4.1. Описание объектов исследования 107
4.2. Результаты расчета электромагнитных параметров и характеристик электродвигателей 115
4.3. Результаты расчета тепловых процессов в вентильных индукторных электродвигателях при различных условиях работы 127
4.4. Выводы 151
5. Экспериментальные исследования ДВИ с последовательной обмоткой возбуждения 153
5.1. Цель и задачи экспериментальных исследований 153
5.2. Описание макетного образца ДВИ с последовательной обмоткой возбуждения и методики проведения экспериментов 154
5.3. Результаты исследования электромагнитных процессов 157
5.4. Результаты исследования тепловых процессов 168
5.5. Выводы 179
Заключение 180
Список литературы 182
Приложения
- Обзор литературы по вопросам теории и применения ДВИ
- Основные понятия и допущения
- Оценка теплового состояния электрической машины. Цели и задачи
- Описание объектов исследования
Введение к работе
Одной из тенденций развития современного электропривода является постоянное расширение сферы применения регулируемого электропривода [27, 53]. Электрическая машина для современного привода должна обладать хорошими регулировочными и динамическими характеристиками, иметь технологичную и надежную конструкцию, высокий КПД, способность длительно работать в широком диапазоне скоростей вращения, обеспечивать заданные характеристики при питании от полупроводниковых преобразователей с современными алгоритмами управления.
В ряде областей требуется работа в пределах механической характеристики гиперболического вида (тяговой характеристики) при хороших динамических качествах привода и широком диапазоне регулирования вращающего момента. Это относится к электроприводам большегрузных автомобилей, тепловозов и других транспортных средств, электроприводам грузоподъемного оборудования, приводам электроинструмента различного назначения и мощности и т.д.
Особенностью условий функционирования перечисленных выше двигателей является широкий диапазон изменения нагрузок и частоты вращения вала, что приводит к существенным перераспределениям потерь в меди и стали магнитопровода в зависимости от режима работы.
В настоящее время в этих областях в составе регулируемого привода широко применяются электродвигатели постоянного тока с последовательной обмоткой возбуждения.
Основным недостатком двигателей постоянного тока (ДПТ) является наличие в них щеточно-коллекторного узла. При этом все возрастающие технические требования к электроприводу и к электрическим машинам в частности побуждают к разработке новых электродвигателей нетрадиционных конструкций.
Альтернативой приводам с двигателями постоянного тока являются приводы с вентильными двигателями (ВД) [5].
В составе ВД могут использоваться электрические машины различного типа.
В качестве исполнительных бесколлекторных двигателей постоянного тока широкое применение получили вентильные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов [11, 38]. Этот тип привода наиболее перспективен для станкостроения и робототехники, однако, является самым дорогостоящим.
Для общепромышленного применения перспективными являются индукторные двигатели с самовозбуждением (в зарубежной литературе имеют название Switched Reluctance Motors). Такие двигатели хорошо изучены: разным аспектам их разработки и исследования посвящены многие статьи и доклады как в нашей стране [12, 13, 35, 52], так и за рубежом [65-68].
Реализация тяговых характеристик, наиболее просто осуществляемая при использовании электродвигателей с последовательной обмоткой возбуждения, может быть обеспечена в ВД на базе одноименнополюсных индукторных машин. В дальнейшем такие двигатели будем называть вентильными индукторными двигателями (ДВИ).
Двигатели этого типа просты в изготовлении, технологичны, надежны, имеют малые потери в роторе, обладают хорошими регулировочными свойствами, способны работать в сложных условиях окружающей среды.
Несмотря на то, что машины подобного класса известны уже достаточно давно, выход на большие мощности двигателей стал возможным исключительно благодаря успехам современной электроники.
Для создания конкурентоспособных ДВИ с последовательной обмоткой возбуждения требуются методики их поверочного расчета, включающие электромагнитные и тепловые расчеты, которые позволили бы производить расчеты интегральных значений и временных зависимостей параметров и ха-
рактеристик двигателя, а также уточнить с учетом заданного критерия геометрические и обмоточные данные электродвигателя, провести расчет на требуемые показатели и выбрать алгоритм управления.
В публикациях, касающихся вентильных двигателей с электромагнитным возбуждением, в основном рассматриваются двигатели независимого возбуждения [30-J-32, 41, 43]. В то же время в этих публикациях недостаточно внимания уделено методам расчета электромагнитных и тепловых процессов, протекающих в машинах такого типа, а особенности, касающиеся машин последовательного возбуждения, практически не рассмотрены.
Актуальность задачи. С учетом сказанного можно сделать вывод, что разработка и исследование вентильных индукторных электродвигателей с последовательной обмоткой возбуждения представляет весьма актуальную задачу. А создание методик поверочного расчета является необходимой базой для анализа и синтеза электромеханических систем такого класса в целом.
Цель диссертационной работы заключается в разработке математических моделей электромагнитных и тепловых процессов в вентильном индукторном двигателе с последовательной обмоткой возбуждения и в исследовании его характеристик посредством этих моделей.
Для достижения цели в диссертации поставлены следующие основные задачи:
Провести анализ и систематизацию сведений по различным вопросам теории и практики разработки и применения ДВИ.
Разработать математическую модель электромагнитных процессов в ДВИ с последовательной обмоткой возбуждения.
Разработать математическую модель тепловых процессов в ДВИ с электромагнитным возбуждением, определить основные особенности систем охлаждения.
4) С целью подтверждения адекватности разработанных математических моделей провести экспериментальные исследования и сравнение результатов натурного и математического моделирования.
Методы исследования
Комплексное исследование ДВИ последовательного возбуждения включает в себя анализ электромагнитных процессов с помощью аналитических методов исследования, базирующихся на методе мгновенных значений, теории обыкновенных дифференциальных уравнений и матричной алгебре. Исследование тепловых процессов в ДВИ проводилось посредством математической модели, основанной на методе эквивалентных схем замещения, и с применением пакета конечно-элементного анализа ELCUT.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций в диссертационной работе обосновывается хорошим совпадением результатов теоретического исследования и экспериментальных данных, полученных на макетном образце для различных режимов работы исследуемого двигателя.
Новые научные результаты и практическая ценность
1. Систематизированы сведения по вопросам современного со
стояния теории и практики разработки ДВИ. Определены и обоснованы
перспективные области применения ДВИ с последовательной ОВ.
Разработана и обоснована математическая модель электромагнитных процессов в ДВИ с последовательной ОВ, позволяющая адекватно с приемлемыми допущениями исследовать процессы, протекающие в машине. Дана оценка точности показателей этой модели.
Разработана математическая модель тепловых процессов в ДВИ с электромагнитным возбуждением, позволяющая оценить динамику процесса нагрева и охлаждения элементов конструкции электродвигателя, а также определить рациональное значение требуемой производительности системы охлаждения в соответствии с заданными режимами работы объекта исследования.
4. С учетом особенностей работы тяговых электродвигателей сформулированы рекомендации для выбора систем охлаждения ДВИ этого назначения.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Разработанные математические модели реализованы в виде программ для персонального компьютера. Использование программ позволяет принимать обоснованные технические решения по выбору рациональных параметров и режимов работы ДВИ.
Результаты диссертационной работы использованы при разработке и проектировании ДВИ для приводов электротележки, троллейбуса и сетевого насоса РТС «Коломенская» г. Москвы. Подтверждением реализации результатов работы является наличие актов о внедрении.
Разработанные в рамках данной работы программные средства реализованы в учебном процессе на кафедре ЭКАО МЭИ (ПСУН «Программа моделирования тепловых процессов в вентильных индукторных двигателях» и «Программа моделирования электромагнитных процессов в вентильных индукторных машинах»), а также используются при выполнении госбюджетных и хоздоговорных работ в данной области.
На защиту выносятся:
Математическая модель электромагнитных процессов в ДВИ с последовательной обмоткой возбуждения.
Математическая модель тепловых процессов в ДВИ, позволяющая исследовать тепловое состояние электродвигателя в различных режимах его работы.
Результаты расчета и анализа электромагнитных и тепловых процессов в ДВИ с последовательной ОВ различного назначения и мощности.
4. Результаты экспериментальных исследований макетного образца
ДВИ с последовательной ОВ, подтверждающие адекватность результатов,
полученных с использованием разработанных математических моделей.
Апробация работы
Основные результаты работы обсуждались на заседаниях кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов» Московского энергетического института (технического университета), а так же на следующих конференциях:
1. Одиннадцатая международная научно-техническая конференция
студентов и аспирантов, Москва, МЭИ, 1-2- марта, 2005.
Двенадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ, 2-3 марта, 2006.
Тринадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ, 1-2 марта, 2007.
Для решения поставленных задач в первой главе проведен аналитический обзор по вопросам современного состояния теории и практики применения индукторных машин. Рассмотрены электромеханические преобразователи энергии в составе вентильного двигателя, выделены их достоинства и недостатки. Представлена классификация, устройство и принцип действия индукторных машин, а также сравнительный анализ возможных способов включения последовательной обмотки возбуждения. Выбраны методы исследования, отвечающие выдвинутым требованиям и поставленным задачам.
Во второй главе рассмотрены общие проблемы, связанные с выбором и обоснованием метода электромагнитного расчета ИМ. С учетом принятых допущений разработана математическая модель электромагнитных процессов в вентильном индукторном двигателе с последовательной обмоткой возбуждения. Представлены схемы замещения магнитной цепи, определены основные электромагнитные параметры.
В третьей главе рассмотрены особенности тепловых процессов в ДВИ с электромагнитным возбуждением. Проведен сопоставительный анализ существующих методов расчета. Представлены тепловые схемы замещения,
алгоритм и особенности тепловых расчетов электродвигателей применительно к тяговому приводу.
Четвертая глава посвящена расчету электромагнитных и тепловых процессов в тяговых вентильных индукторных электродвигателях различного назначения и мощности. Проведен анализ влияния отдельных параметров и режимов работы на выходные характеристики ДВИ.
В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований электромагнитных и тепловых процессов макетного образца ДВИ последовательного возбуждения. Представлены результаты сопоставления экспериментальных и расчетных исследований, которые позволили судить об адекватности математических моделей.
В заключении обобщены основные результаты и выводы по работе.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Русаков А. М., Шатова И. В. Моделирование тепловых процессов в вентильном индукторном двигателе с электромагнитным возбуждением // «Электричество». - 2007. - №4. - С. 42-49.
Русаков A.M., Окунеева Н.А., Соломин А.Н., Шатова И.В. Математическая модель электромагнитных процессов в вентильных двигателях // Вестник МЭИ. - 2007. - №.3 - С. 33-39.
Шатова И.В. (Капкова И.В.) Результаты моделирования электромагнитных процессов в индукторном вентильном двигателе с последовательным возбуждением // РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА // Одиннадцатая междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. - М.: МЭИ, 2005. Т. 2. - С. 84-85.
Шатова И.В. Результаты исследования вентильных индукторных электродвигателей с последовательной обмоткой возбуждения // РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА // Двенадцатая ме-
ждунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. - М.: МЭИ, 2006. Т. 2.-С. 90-91.
5. Шатова И.В. Математическая модель электромагнитных процессов в вентильных индукторных двигателях с последовательным возбуждением // РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА // Тринадцатая междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. - М.: МЭИ, 2007. Т. 2. - С. 89-90.
По теме диссертационной работы опубликовано пять печатных работ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 71 наименования. Ее содержание изложено на 193 страницах машинописного текста, включая 78 рисунков, 16 таблиц и 2 приложения.
Обзор литературы по вопросам теории и применения ДВИ
Разработка вентильных машин продолжается уже более ста лет. В настоящее время они являются одними из наиболее перспективных типов машин при их использовании в самых разных областях применения. Этому способствует их бесконтактность и широкие возможности регулирования выходных показателей при простоте реализации управления. В составе вентильных двигателей используются различные типы электрических машин, среди которых можно выделить индукторные машины.
Появление индукторных машин (ИМ) можно отнести к 1854 году [19], когда американский инженер Чарльз Найт получил патент на машину, которая, хотя и очень далека от современных аналогов, однако по принципу работы соответствует классу индукторных машин. Так индуктирование ЭДС в неподвижных обмотках машины происходило в результате движения некоторых железных частей магнитной цепи («индукторов»), что вызывало изменение магнитного сопротивления цепи и, как следствие, - колебание магнитного потока в обмотках и наведение в них ЭДС. При использовании такого принципа ротор машины оказывался весьма простым по устройству: он выполнялся в виде кулачка из мягкой стали, на котором не было ни обмоток, ни магнитов, ни скользящих контактов. При вращении ротор замыкал и размыкал магнитную цепь полюсов подковообразного магнита с размещенными на них катушками якоря. Данную машину, а также ряд ее модификаций, предложенных в 50-х годах XIX века У. Генли и Ч. Уитстоном, в соответствии с современной классификацией можно отнести к радиально-возбуждаемым машинам с пульсирующим потоком. В 1868 г. Ф. Холмс изобрел аксиально-возбуждаемую индукторную машину, в которой впервые было применено электромагнитное возбуждение с помощью размещенных на многополюсном индукторе кольцевых катушек, питаемых постоянным током через щеточно-контактное устройство.
В нашей стране исторически термин «индукторная машина» связан с индукторными генераторами переменного тока [2, 18, 49], которые до сих пор широко используются на транспорте.
Первым в России разработкой индукторных генераторов занимался выдающийся русский электротехник П. Н. Яблочков. В 1877 г. он получил французский патент на электрический генератор переменного тока, который был назван автором «магнито-динамо-электрической» машиной. Это была первая бесконтактная электрическая машина с аксиальной электромагнитной системой возбуждения, выполненной без скользящих контактов. В ней намагничивающая обмотка и обмотка, в которой наводилась ЭДС, были неподвижными. Вращался зубчатый железный диск, изменявший при вращении величину магнитного потока, пронизывающего обмотку, в которой наводилась ЭДС. Позднее принцип действия этого генератора был использован другими электротехниками: А.И. Клименко, получившим русский патент в 1885 г. на двухпакетный индукторный генератор с аксиальным возбуждением, Кингдоном, Томпсоном и др. Генератор, построенный харьковчанином Клименко в 1882 г., имел большую по тому времени мощность (3,5 кВт) для машины, работающей на новом принципе.
Исследованием индукторных генераторов и сравнением их с обычными переменно-полюсными машинами занимался М. О. Доливо-Добровольский.
К концу XIX века было разработано огромное количество разнообразных конструкций индукторных машин, которые постепенно приобрели все основные черты современных машин этого типа.
В начале XX века индукторные генераторы были вытеснены из крупной электроэнергетики более совершенными в конструктивном отношении на тот момент синхронными машинами обычного исполнения. Тот период характеризовался преимущественным применением индукторных генераторов высокой частоты в новой области техники - в качестве источников питания для целей радиосвязи, позднее для целей индукционного нагрева и поверхностной закалки (машины Тесла, Тюри, Кайль-Гельмера, Зольмана, Волощина, Шмидта и др.). Получение высоких частот требовало выполнения машин на максимально возможную скорость вращения и с предельно большим числом полюсов. Последнее условие, учитывая ограниченный диаметр генератора, сводилось к необходимости выполнения предельно малого полюсного деления. Однако при этом возникали, с одной стороны, конструктивно-технологические трудности, связанные с расположением обмоток якоря, и, с другой стороны, ограничения, связанные с прочностью конструкции.
В 1901 г. Гюи изобретает индукторный генератор, в котором обмотка якоря укладывается в специальные большие пазы и охватывает большое число полюсных делений. Таким образом, была решена проблема укладки обмотки якоря при малых полюсных делениях. Однако долгое время изобретение Гюи не находило практического осуществления, и возможности дальнейшего повышения частоты конструкторы видели в увеличении скорости вращения ротора.
Работа конструкторов над «проблемой малого шага статора» завершается созданием ряда оригинальных зубцовых зон, связанных с именами Волощина, Латура, Дрейфуса, Кейлгермера и др.
Начиная с 30-х годов XX века индукторные генераторы, доказавшие уже свою надежность (на радиостанциях), становятся основными источниками питания для таких областей техники, как металлургия, машиностроение, станкостроение, радиолокация и др. Позднее генераторы повышенной частоты широко внедряются в электроавтоматику, электрорадиосвязь, вычислительную технику, автоматизированный электропривод, светотехнику и многие другие области [64].
Большинство опубликованных работ, относящихся к раннему периоду существования индукторных машин, посвящены описанию и сравнению различных видов индукторных генераторов, описанию их характеристик и вопросам практического применения. Среди таких работ следует выделить оригинальные труды отечественных и зарубежных ученых: А. Е. Алексеева, В. П. Вологдина, Дж. Уолкера и Р. Поля. Ими были предложены методы расчета ЭДС и рабочих характеристик, основанные на определении разности магнитных потоков в зубцах и пазах индуктора. Были выявлены особенности и основные отличия существующих видов индукторных машин и предложены их первые классификационные схемы.
Статья Р. Поля, опубликованная в 1946 г., является по существу первой теоретической работой по индукторным машинам с пульсирующим потоком. Для определения потока в зубцах машины им был разработан широко применяемый до настоящего времени приближенный метод расчета магнитных проводимостей. Работа Поля нашла широкое распространение и легла в основу целого ряда последующих исследований магнитного поля в зазоре машины, которым посвящены работы В. Апсита, В. Буня, Л. Домбура, К.Скрузитиса, Б. Зечихина, А. Цугуля, Г. Штурмана и др.
В то же время, в виду отсутствия в работах этого периода точных методов расчета магнитных полей, результаты исследований носили скорее качественный характер: при этом влияние реакции якоря учитывалось весьма приближенно, а переходные режимы работы индукторных машин вообще не рассматривались.
Основные понятия и допущения
Математическое моделирование предполагает воспроизведение существенных для решения поставленной задачи свойств, характеристик и связей реального объекта путем решения уравнений, описывающих законы электромеханического преобразования энергии. При помощи математической модели исследуется и прогнозируется поведение электромеханической системы в различных режимах и условиях эксплуатации, а также осуществляется оптимизация ее параметров с целью достижения требуемых характеристик. Таким образом, математическое моделирование позволяет решать задачи как анализа, так и синтеза.
Важнейшим этапом моделирования электромагнитных процессов в электромеханической системе является расчет магнитной цепи электрической машины. Среди методов решения этой задачи можно выделить полевые методы, основанные, например, на методе конечных элементов (МКЭ) или методе конечных разностей (МКР), и методы, основанные на использовании малоузловых эквивалентных схем замещения магнитной цепи электрической машины.
Использование полевых численных методов расчета магнитных полей повышает точность определения характеристик и параметров электрических машин. Такие методы дают возможность получать решение искомой функции в области поля для каждого конкретного случая.
В то же время, несмотря на достижения в создании моделей электрических машин на базе уравнений поля, на точность и строгость моделирования электромагнитных процессов, полевые методы обладают рядом недостатков. К ним можно отнести: сложность описания и реализации математической модели, а также обработки получаемых результатов; требование сложного комплекса программного обеспечения и высокого уровня подготовки пользователя. Главным недостатком полевых методов является большие временные затраты на расчет магнитного поля при одном положении ротора, что не позволяет использовать их на этапе итерационного подбора оптимальных параметров и размеров машины и расчета характеристик.
Перечисленные недостатки полевых методов обуславливают потребность в методах моделирования, пусть не столь строгих, как методы теории поля, но позволяющих без указанных выше затруднений решать широкий круг проектно-конструкторских задач с приемлемой точностью.
Проведенный анализ показал, что вышеперечисленные задачи позволяет решить метод расчета, основанный на использовании эквивалентных схем замещения магнитной цепи электрической машины. Этот метод является наиболее простым с точки зрения реализации и обеспечения точности, соответствующей требованиям инженерного расчета.
Поскольку при математическом моделировании абсолютное подобие модели и реального объекта достигнуто быть не может, задачи решаются с различными приближениями путем выявления и учета главных факторов и пренебрежения второстепенными. При исследовании переходных и установившихся электромагнитных процессов в ДВИ введем ряд допущений, общепринятых при моделировании электрических машин: магнитное поле в воздушном зазоре плоскопараллельно, т.е. не изменяется в аксиальном направлении по длине пакета; магнитное поле машины разделяется на рабочее поле и поле рассеяния. Проводимости путей потоков рассеяния постоянны; проводимость воздушного зазора под зубцом статора определяется при условии постоянного распределения магнитных потенциалов на поверхностях статора и ротора; ДВИ обладает геометрической, электрической и магнитной симметрией; сопротивление полупроводниковых приборов в прямом направлении определяется их статическими вольтамперными характеристиками (ВАХ), а в обратном - принимается бесконечно большим; кривая намагничивания стали не зависит от частоты перемагничива-ния.
В качестве объекта моделирования выступает вентильный индукторный двигатель (ДВИ), включающий в себя одноименнополюсную индукторную машину с последовательной обмоткой возбуждения и инвертор, ключи которого управляются по сигналам датчика положения ротора и, в общем случае, других датчиков, например датчика тока. Один из вариантов электрической схемы силовой части вентильного индукторного двигателя приведен на рис.1.11.
Для математического моделирования электромагнитных процессов, протекающих в вентильном индукторном двигателе, с учётом насыщения магнитной цепи и несинусоидальности токов в обмотках наиболее пригодным является метод мгновенных значений, согласно которому расчёт магнитной цепи, токов и напряжений производится на периоде повторяемости электромагнитных процессов с некоторым достаточно малым шагом. При использовании этого метода появляется возможность достаточно точно смоделировать процессы, протекающие не только в электромеханическом преобразователе, но также учесть особенности, вносимые вентильным преобразователем при моделировании вентильных электромеханических преобразователей [57]. Математической моделью электромеханической системы является система уравнений, с некоторым приближением описывающих исследуемые процессы. С практической точки зрения интерес представляет не собственно математическая модель, а ее программная реализация на языках программирования высокого уровня, позволяющая рассчитывать и анализировать выходные показатели рассматриваемых электрических машинах.
В качестве исходных данных для электромагнитного расчета используются конструктивные, геометрические и обмоточные данные электрической машины, характеристики полупроводниковых элементов преобразователя и материалов участков магнитопровода, а также параметры исследуемого режима работы. Основная часть исходных данных, требуемых для анализа электромагнитных процессов, приведена в таблице 1 приложения 1. Вращение ротора моделируется изменением электрического угла 9, характеризующего положение ротора относительно статора, с шагом А9.
Основным содержанием математической модели является система уравнений, описывающих согласно законам Кирхгофа контура протекания токов электрической цепи. Основу этих уравнений составляют выражения для напряжений, записываемых для каждой из п0 обмоток: т фаз обмотки якоря (ОЯ) и s обмоток возбуждения (ОВ).
Оценка теплового состояния электрической машины. Цели и задачи
Преобразование энергии в электрических машинах неизбежно связано с нежелательными сопутствующими явлениями, проявляющимися в виде нагрева, магнитного рассеяния, механических деформаций, вибраций, износа и пр. Наиболее широко рассеяние энергии проявляется в виде тепла, что приводит к нагреву элементов и устройств оборудования в целом. Выделяющаяся в элементах электродвигателя тепловая энергия потерь частично расходуется на повышение температуры элемента, а частично отводится в окружающее пространство. В установившемся тепловом режиме вся энергия потерь отводится в окружающее пространство. При этом уровень нагрева элементов определяется рассеиваемой мощностью и условиями охлаждения, характеризуемыми окружающей температурой, коэффициентом теплоотдачи и размерами рассеивающей тепло поверхности. Практически во всех случаях желательно иметь малые потери и допустимые значения нагрева или превышения температуры элемента над температурой окружающей среды, ибо большие нагревы снижают срок службы, качество функционирования оборудования и могут даже приводить к полной утрате его работоспособности. По этой причине анализ и определение зависимости температуры основных элементов электродвигателя от параметров и режимов его работы наряду с электромагнитным расчетом имеет большое значение.
Поскольку натурное моделирование тепловых процессов в электродвигателе затруднено сложными связями изучаемых явлений, большими габаритами, а также трудностями внесения изменений в ходе поисковых исследований, важную роль для изучения электрической машины как гидравлической и тепловой системы играет математическое моделирование. Теория подобия устанавливает условия моделирования, соблюдение которых позволяет рас пространить результаты, полученные с помощью моделирования, на реальный объект.
Непосредственной задачей теплового расчета является определение температуры активных частей машины с целью проверки выполнения требований по допустимому уровню нагрева, указанных в ГОСТе или в техническом задании на проектирование.
От того, как рассчитана и реализована система охлаждения электрической машины, во многом определяются ее технико-экономические показатели. Тепловой расчет электрической машины выполняется, как правило, для ее номинального режима работы при установившемся состоянии нагрева. Однако в ряде случаев требуется расчет и для нестационарных режимов нагрева, в том числе при нагрузках, отличных от номинальной. В результате расчета могут быть определены температурные поля в наиболее нагретых зонах активных частей машины. Значительно чаще бывает достаточно ограничиться более простым расчетом средних превышений температуры, в частности для обмоток, поскольку они легко измеряются методом сопротивления при испытаниях машин и их допустимые значения даны в стандартах [9].
В случае самовентиляции или при принудительной вентиляции, когда напор в вентиляционной системе создается вентилятором, установленным на валу машины или в непосредственной близости от нее, непосредственно перед тепловым расчетом проводится вентиляционный (гидравлический) расчет электрической машины [10,56].
Общая задача вентиляционного расчета электрических машин заключается в том, чтобы проверить, как выбранная схема вентиляции и вентилятор обеспечивают допустимую температуру активных частей машины при заданном уровне греющих потерь. Здесь одной из важнейших задач является определение суммарного гидравлического сопротивления вентиляционного тракта электрической машины. В ходе вентиляционного расчета также опре деляются требуемый напор и скорость охлаждающей среды в отдельных вентиляционных каналах магнитопровода машины, а также перепад давлений на суммарном гидравлическом сопротивлении вентиляционного тракта. Результаты вентиляционного расчета определяют граничные условия для уравнения теплопроводности, т.е. служат теми исходными данными, которые позволяют выполнить тепловой расчет машины [60].
В случае необходимости рассчитываются напорные элементы вентиляторов или насосов, обеспечивающих необходимый расход, и скорости охлаждающей среды, а также затраты мощности, необходимые для работы вентилятора или другого напорного устройства [15].
С учетом данных вентиляционного расчета производится общая оценка теплового состояния электрической машины.
Как уже говорилось ранее работа электрических машин, в том числе и ДВИ, сопровождается нежелательным, но неизбежным процессом выделения тепловой энергии в элементах конструкции машины, являющимся следствием потерь энергии в них. Наиболее чувствительной к тепловым нагрузкам является изоляция обмоток электрической машины. Повышенная температура вызывает тепловое старение изоляции обмоток, приводит к снижению электрической и механической прочности.
В настоящее время для анализа тепловых процессов в различных конструкциях электродвигателей находят применение разнообразные методы расчета [9, 36, 39], среди которых можно выделить: полевые методы, метод эквивалентных греющих потерь, метод температурных полей, метод эквивалентных схем замещения и др. Наиболее простым с точки зрения реализации и обеспечения точности, соответствующей требованиям инженерного расчета, является метод эквивалентных тепловых схем замещения (ЭТС).
Основным достоинством метода ЭТС является существенное упрощение решений двумерных процессов теплопроводности. Так как результирующий тепловой поток есть сумма взаимодействия одномерных потоков, то встречаемое им эквивалентное тепловое сопротивление определяется как сумма параллельных сопротивлений, проходимых одномерными потоками в соответствующих направлениях.
Описание объектов исследования
Привод предназначен для замены электрической машины постоянного тока типа ПТ-6,3, устанавливаемой на электротележке типа ЕТ2.
Электротележки используются для транспортировки грузов на промышленных предприятиях, складах и базах, железнодорожных вокзалах и станциях, в морских и речных портах, аэропортах и т.п. со средним и высоким грузопотоком. Их отличает большая грузоподъемность - до 2-х тонн, высокая скорость передвижения, хорошая маневренность и возможность применения в стесненных условиях. Простота управления и обслуживания, отсутствие выхлопных газов делают электротележки незаменимыми при транспортировке грузов.
Замена электродвигателя постоянного тока на вентильный индукторный двигатель позволит повысить ресурс привода, увеличить его КПД и улучшить ряд других потребительских качеств.
Согласно требованиям технического задания разрабатываемый двигатель должен иметь воздушную систему охлаждения с самовентиляцией и работать при температуре окружающего воздуха от -45С до +40С. При номинальном напряжении питания Un=75 В номинальная частота вращения двигателя 11,,=1600 об/мин, номинальная мощность на валу Рн=5 кВт, номинальный момент Мн=30 Н-м, КПД 0,8. Максимальный пусковой момент (трогания) электродвигателя - Мтах 170 Н-м. Максимальная частота вращения п=3300 об/мин. Режим работы повторно-кратковременный S3 (ПВ40%).
В соответствии с требованиями технического задания были спроектированы две модификации вентильного индукторного электродвигателя с последовательной обмоткой возбуждения. Они представляют собой одноимен-нополюсные двух- и четырехпакетные синхронные 3-х фазные машины с аксиальным направлением магнитного потока возбуждения. Эскизы магнитной цепи двух- и четырехпакетной конструкции электродвигателя представлены на рис. 4.1 а) и б) соответственно.
Статор электродвигателей состоит из магнитопроводящего корпуса, соответственно 2-х и 4-х шихтованных пакетов, набранных из листов электротехнической стали толщиной 0.5 мм, а также катушек фазной зубцовой обмотки и обмотки возбуждения.
Пакеты статора имеют 18 зубцов и установлены без углового смещения между собой. Обмотка возбуждения в двухпакетной конструкции размещена между шихтованными пакетами ротора ниже расточки статора. В четырехпакетной конструкции ОВ расположена между шихтованными пакетами статора выше рабочей обмотки. В обоих конструкциях ОВ имеют кольцевую форму и крепятся к корпусу болтами.
Фазные обмотки соединены в звезду. Фазная обмотка состоит из 6 соединенных последовательно катушек, каждая из которых установлена на отдельном зубце. Для возможности установки катушек на статоре пазы статора выполнены открытыми. Катушки рабочей обмотки выполнены таким образом, что они охватывают одинаково ориентированные зубцы обоих пакетов статора одновременно. При этом для получения ненулевой ЭДС в катушках ОЯ второй пакет ротора (двухпакетной конструкции) сдвинут на половину зубцового деления (эл. угол 180) относительно первого, а в четырехпакетной конструкции внешние пакеты ротора также сдвинуты на эл. угол 180 относительно внутренних.
Ротор включает немагнитный вал, магнитопроводящую втулку и два (четыре) шихтованных пакета, набранных из листов электротехнической стали толщиной 0.5 мм. Пакеты ротора имеют 11 зубцов и размещены на втулке, состоящей из двух частей.
Исходя из условий применения вентильного электродвигателя, его требуемых технических характеристик, возможных способов идентификации положения ротора и алгоритмов управления инвертора (коммутатора), используется наиболее простой в реализации режим парной коммутации силовых ключей инвертора.
Датчик положения ротора электродвигателя выполнен на базе микросхем Холла. Электродвигатель привода троллейбуса Тяговый вентильный индукторный электродвигатель ДВИ-180 предназначен для замены электрической машины постоянного тока типа ДК-117, предназначенной для привода троллейбуса. Замена электродвигателя постоянного тока на вентильный индукторный с улучшенными массогабаритными и эксплуатационными характеристиками позволит повысить ресурс электропривода.
Согласно требованиям технического задания двигатель должен иметь воздушную систему охлаждения с самовентиляцией и работать при температуре окружающего воздуха от -40С до +40С. При номинальном напряжении питания Un=550 В, номинальная частота вращения двигателя пн=1230 об/мин, номинальная мощность на валу Рн=180 кВт, номинальный момент М„=1400 Н-м. Максимальный пусковой момент (трогания) электродвигателя -Мтах 1600 Н-м, момент при максимальной частоте вращения nmax=3650 об/мин не менее Мв 240 Н-м. Тормозной момент в диапазоне частот вращения от 900 до 2000 об/мин не менее 1000 Н-м.
Работа привода движения городского троллейбуса характеризуются частыми пусками и торможениями. В среднем цикл движения составляет примерно одну минуту, в течение которого привод дважды работает в режиме максимальной мощности. Возможно длительное движение (до 3 минут) на подъеме или спуске с равномерной скоростью при номинальной мощности, или с неравномерной - более продолжительный период времени (случай движения троллейбуса в автомобильной пробке). Кроме этого, необходимо обеспечить плавное движение на скорости 3 -5 км/час при минимальной нагрузке и торможение троллейбуса независимо от наличия напряжения в контактной сети. Анализ совокупности режимов работы показывает, что привод должен обеспечить плавную регулировку вращающего момента в 25-КЗО раз, частоты вращения вала двигателя в 20- -25 раз и мощности на валу в 100-450 раз.
Похожие диссертации на Разработка методики поверочного расчета вентильного индукторного двигателя с последовательной обмоткой возбуждения
