Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 . Тепловые модели электродвигателей 12
1.1. Обзор методов построения тепловых моделей 12
1.2. Выбор и обоснование метода получения тепловых моделей вентильно-индукторных электродвигателей 19
1.3. Предварительные тепловые испытания двигателя 23
1.4. Разработка алгоритма построения моделей 26
1.5. Выводы 30
Глава 2. Разработка математического аппарата построения тепловых моделей 31
2.1. Условия и допущения 31
2.2 Модель обмотки в теле двигателя 34
2.3. Модель двигателя как однородного тела 39
2.4. Критерии подобия 41
2.5. Выводы 45
Глава 3. Экспериментальное оборудование для получения тепловых моделей 46
ЗЛ. Образцы вентильно-индукторных двигателей с встроенными датчиками температуры 51
3.2. Испытательный стенд двигателей 5 и 7,5 кВт 55
3.3. Испытательный стенд велодвигателя
3.4. Выводы
Глава 4. Тепловые испытания вентильно-индукторных двигателей в «модельном» режиме 61
4.1. Организация экспериментов в «модельном» режиме 61
4.2. Обработка данных — получение тепловых характеристик образцов машин 66
4.3. Тепловые испытания базового образца 69
4.4. Тепловые испытания образцов №2 и №3 75
4.5. Выводы 81
Глава 5. Проверка адекватности тепловых моделей в форме критериев подобия 82
5.1. Алгоритм проверки 82
5.2. Проверка адекватности тепловых моделей на базовом образце... 84
5.3. Проверка адекватности тепловых моделей
на двигателях №2 и №3 87
5.4. Испытания базового образца в рабочих режимах 91
5.5. Проверка применимости моделей для рабочих режимов двигателей 96
5.6. Выводы 98
Заключение 99
Литература 100
- Предварительные тепловые испытания двигателя
- Модель двигателя как однородного тела
- Испытательный стенд двигателей 5 и 7,5 кВт
- Тепловые испытания базового образца
Введение к работе
В настоящее время все большее количество электроприводов, которые еще недавно были нерегулируемыми, приобретают возможность быть управляемыми. Это стало возможным благодаря достижениям силовой полупроводниковой техники - созданию мощных управляемых силовых ключей, коммутирующих с большой частотой значительные токи и имеющих высокие обратные напряжения, а также, благодаря появлению микропроцессорных устройств, производимых такими компаниями, как Texas Instruments, Motorola, Analog Devices и предназначенных для построения систем управления электроприводов.
Именно эти достижения электроники оказали сильное, определяющее влияние на развитие современного электропривода: появились доступные преобразователи частоты, кардинально изменившие традиционный массовый электропривод с короткозамкнутыми асинхронными двигателями, возникла целая гамма новых электроприводов с различными типами электромеханических преобразователей - синхронными реактивными, синхронными с постоянными магнитами, индукторными и др., и электронными коммутаторами - аналогами традиционных коллекторов. Среди всех этих новых, рожденных электроникой электроприводов, особенно выделяется один -вентильно-индукторный (ВИЛ) или в англоязычной литературе - Switched Reluctance Drive (SRD).
Внешне вентильно-индукторный электропривод очень прост, и в этом одна из его привлекательных сторон. Он состоит (рис. В.1) из собственно двигателя - индукторной машины ИМ, электронного коммутатора К, подключенного к выпрямителю В параллельно с конденсатором С и управляемого обычно датчиком положения ротора ДП через схему управления СУ. ИМ имеет явнополюсный статор, например, с п = 8 полюсами, несущий сосредоточенные катушки, образующие п/2 фаз и явнополюсный пассивный
ротор, число полюсов которого отличается от числа полюсов статора, например, т = 6.
Катушки связаны с электронным коммутатором, подающим на каждую фазу двигателя импульсы тока; в рассматриваемом примере на фазу приходятся два ключа - транзистора и два диода (на рис. В. 1 показана только одна фаза).
Работу ВИД на принципиальном уровне можно свести к поочередному последовательному включению электромагнитов (индукторов), якорями у которых являются зубцы ротора. Возбуждение фазы при несогласованном положении зубцов статора и ротора вызывает возникновение электромагнитных сил притяжения между зубцами этой фазы статора и ближайшими к ним зубцами ротора. В результате ротор перемещается в согласованное положение (совпадение осей зубцов статора и ротора). Так как число зубцов статора и ротора различно, то в согласованном положении ротора для одной фазы следующая фаза оказывается в рассогласованном положении, т.е. подготовленной к включению. Последовательная коммутация фаз с помощью, например, датчика положения ротора обеспечивает непрерывное создание вращающего момента и, следовательно, непрерывное вращение ротора. Управление движением - выбор моментов включения и отключения фаз, формирование нужных импульсов тока и т.п. осуществляется схемой управления СУ [16].
Принцип работы ВИД очень схож с работой индукторных шаговых двигателей в дискретном электроприводе, появившемся в 60-е годы на волне развития первых полупроводниковых приборов и применяющемся для преобразования цифры или кода в дозированные механические перемещения. В 60 - 70-е годы этот электропривод получил серьезное развитие в нашей стране благодаря работам М.Г.Чиликина, Б.А.Ивоботенко и их учеников. Были сформулированы основные принципы его организации, критически осмыслены и обобщены многочисленные варианты конструкций, отработаны алгоритмы
управления, предложены эффективные новые технические решения, построена теория дискретного электропривода [10].
Г1ПҐ1
Рис. В.1 Упрощенная функциональная схема ВИП
Однако, в то время не удалось перейти к силовой версии электропривода, построенного на шаговом принципе в силу ограниченности элементной базы. Переход к силовой версии шагового привода был предпринят в 80-е годы прошлого столетия. Роль создателя силового вентильного электропривода (Switched Reluctance Drive) по праву принадлежит проф. П.Лоуренсону (Лидс, Великобритания), первые работы которого, демонстрирующие преимущества SRD [43], открыли целую волну разработок и публикаций на эту тему. Часть их удачно собрана и обобщена в монографии Т.Миллера [44], дающей достаточно полное представление о состоянии дел с этой проблемой в мире.
К основным особенностям ВИД можно отнести предельно простую, технологичную, дешевую и надежную конструкцию собственно вентильно-индукторного двигателя ВИД. В нем не используются существенно усложняющие технологию производства и дорогие постоянные магниты. Отсутствует технологическая операция заливки ротора, обязательная при производстве к.з. асинхронных двигателей. Обмотки (катушки) статора хорошо приспособлены к машинному производству, проста сборка и, что важно при массовых применениях, разборка для ремонта или утилизации. Пропитка осуществляется только собственно катушек, а не статора в целом, как у других
типов машин, что также снижает долю технологических затрат. Таким образом, машина в ВИП позволяет преодолеть уже устойчивую тенденцию роста на 10-12% в год цены основных типов электрических машин. Оптимально спроектированная вентильно-индукторная машина в сравнении с асинхронным двигателем той же мощности имеет на 20-25% меньше меди и на 10-15% меньше стали. В условиях мелкосерийного производства ВИД эти двигатели дешевле асинхронных в 1,4 - 1,6 раза, при больших сериях разница будет около 2 раз за счет отсутствия участка заливки ротора, машинного изготовления катушек обмотки, и других особенностей, указанных выше [2].
Электронный коммутатор К должен обеспечивать подачу на фазы ИМ однополярных импульсов, что позволяет выполнить его более надежным в сравнении с аналогичным преобразователем частоты для асинхронного электропривода - ликвидируется опасность сквозных коротких замыканий, упрощается защита. Среди большого числа исполнений коммутатора, разработанных для дискретного электропривода еще в 60-е годы, удается найти варианты с наименьшим количеством дорогих ключей - транзисторов, снизив в итоге его стоимость. Система управления ВИП определяется требованиями к характеру функционирования привода и может видоизменяться в широких пределах - от одной микросхемы до развитого микропроцессорного модуля [2]. По основным массо-габаритным и энергетическим показателям ВИП не уступает и даже превосходит за счет использования насыщения магнитной цепи ВИД [3], например, частотно-регулируемый асинхронный привод. Так, в [43] приводятся кривые КПД английских ВИД вместе с аналогичными кривыми для электропривода с электромагнитной муфтой и асинхронного электропривода обычного исполнения, а также массо-габаритные и энергетические показатели вентильно-индукторного привода, в сравнении с приводом постоянного тока (ДПТ) и асинхронным (АД) для двигателей с высотой оси 112 мм (см. табл. 1).
Таблица 1
Благоприятные функциональные особенности ВИД - большие моменты при низких скоростях и небольших токах, гибкое управление скоростью, простая реализация тормозных режимов и т.п. делают этот привод весьма привлекательным для широких применений. Большое разнообразие структур ВИД (различные отношения п/т - 4/2, 6/4, 8/6 и др., различные способы коммутации фаз) делают этот привод хорошо применимым как в низкооборотных (сотни об/мин), так и высокооборотных (десятки тысяч об/мин) версиях [16].
В настоящий момент ВИП уже получил некоторое развитие. Разработан ряд типоразмеров фирмой SRD Ltd в Лидсе, перешедшей во владение американской корпорации Эмерсон, выпускаются SRD в Италии, Великобритании (фирмы Allenwest и Jeffrey Diamond), КНР, пропагандирует SRD немецкая фирма MACCON [16]. В России также существует ряд фирм, начавших производство или разрабатывающих данный тип привода (см. табл. 2). Варианты реализации данного типа электродвигателей проиллюстрированы на рисунках В.2 - В.4. Мощности уже существующих ВИП значительны и достигают 500 кВт (компрессор на одной из шахт в Великобритании).
Рис.В.2 ВИП запорной арматуры
Таблица 2
Вентильно-индукторному электроприводу посвящено большое количество работ. Они относятся главным образом к созданию совершенной схемы управления ВИП, которая должна получать сигналы о фактическом положении ротора в данный момент и формировать на этом основании с учетом параметров и режимов привода воздействие на ключи коммутатора.
Решению проблемы рационального управления ВИП посвящены работы М.Г.Бычкова [3,4,7], П.А. Дроздова [14], В.А. Семенчука [27], СЮ. Уткина [29], Р.В. Фукалова [31]. Комплексу исследований ВИП методом имитационного моделирования посвящена работа А.Б. Красовского [23]. В работах Е.В. Бычковой, А.Г. Федорова и др. разработаны процедуры проектирования вентильно-индукторных двигателей [20]. В этих работах подробно изучен и описан объект управления, проведены экспериментальные исследования с использованием специального компьютеризированного испытательного оборудования, позволяющего регистрировать весьма сложные процессы в реальном времени и в легко перестраиваемых структурах, найдены рациональные алгоритмы проектирования и управления, разработан соответствующий программный продукт.
. В процессе исследований удалось в основном избавиться от датчика положения ротора, заменив его простыми датчиками напряжения и тока. Это повлияло на конструктивный облик ВИД — теперь эта машина стала заметно проще основного конкурента - короткозамкнутого асинхронного двигателя.
Несмотря большое количество проведенных исследований такими исследователями как Бычков М.Г. [3,4,5], Дроздов П.А. [14], В. Ранлин [45], группа Т. Миллера [37,44], до настоящего времени не построены тепловые модели, достоверно описывающие поведение ВИД в составе электропривода. Такие модели необходимы для правильного проектирования электропривода с ВИД, оптимального использования данного типа двигателя, рациональной организации защит.
Данная работа посвящена тепловым моделям вентильно-индукторных электродвигателей в составе электропривода.
Тепловые исследования в рамках данной работы проводятся с применением теории планирования инженерного эксперимента [17], что позволяет на основе специально организованных испытаний образцов строить тепловые модели, описывающие объект исследования в определенных, заданных границах изменяемых факторов.
Для создания обобщенной тепловой модели ВИД будет использовано распространение результатов испытаний отдельных образцов на ряд подобных двигателей с помощью теории подобия и представление тепловых моделей подобных двигателей в виде критериев подобия.
В первой главе рассматриваются возможные способы построения тепловых моделей электрических машин, приводятся результаты предварительных тепловых испытаний ряда образцов вентильно-индукторных двигателей и обосновывается принцип и алгоритм построения тепловых моделей в форме критериев подобия.
Во второй главе формулируются условия и допущения и разрабатывается математический аппарат построения тепловых моделей в форме критериев подобия.
Третья глава посвящена испытательным стендам и образцам ВИД со встроенными термопарами.
В четвертой главе представлено описание экспериментальных исследований образцов вентильно-индукторного электродвигателя и обработка экспериментальных данных.
В пятой главе представлена проверка адекватности полученных тепловых моделей, сопоставление экспериментальных характеристик и кривых, построенных по моделям. Приведены примеры использования полученных тепловых моделей.
Предварительные тепловые испытания двигателя
Для разработки алгоритма построения тепловых моделей образцов вентильно-индукторного двигателя в составе электропривода было необходимо провести ряд предварительных испытаний для определения характера кривой нагрева r(t) , постоянных времени начального и конечного участков, начальной производной — , установившегося перегрева туст и коэффициентовтеплоотдачи. К задачам проведения предварительных тепловых испытаний относится сопоставление характера кривых перегрева в «модельном» и «рабочем» режимах.
В «модельных» экспериментах в отличие от «рабочих» испытуемая машина приводилась в движение от внешней машины (подробно испытательный стенд рассмотрен в главе 3), обмотки испытуемой машины обтекались постоянным током и были соединены таким образом, что потоки противоположных полюсов были направлены встречно и вычитались и, как следствие, момент равнялся нулю. Также испытания позволяют оценить потери в меди и выяснить зависимость коэффициента теплоотдачи от тока, обтекающего обмотки, и частоты вращения вала исследуемой машины. Эксперименты были проведены с привлечением аппарата планирования эксперимента (рассмотрен в четвертой главе), что позволило построить полиномы, описывающие тепловые процессы в заданных пределах изменения тока и частоты вращения.
Предварительные тепловые испытания производились также в «рабочем» режиме для оценки характера кривой перегрева и сравнения с проведенными «модельными» испытаниями.
На рисунках 1.8 и 1.9 в качестве примера приведены кривые перегрева вентильно-индукторного двигателя 5 кВт (двигатель № 1) в «модельном» и «рабочем» режимах соответственно. Опыты проводились при следующих параметрах: «модельный» опыт ток 7 ампер, частота вращения 1800 об/мин, «рабочий» опыт - ток в звене постоянного тока 12 ампер, частота вращения 1100 об/мин. Наиболее нагретой зоной в обоих случаях была лобовая часть обмотки со стороны переднего щита (термопара ТП2). Как и ожидалось, постоянная времени нагрева является переменной величиной, характер изменения постоянной времени идентичен в «модельном» и «рабочем» режиме - Г, Т2 Тъ.
Предварительные тепловые испытания позволили выяснить ряд важных моментов:
- позволили определить распределение температуры по зонам нагрева (расположение термопар: ТП1 - сталь, передняя часть полюса статора, ТП2 -медь, лобовая часть обмотки, ТПЗ - сталь вдоль длинной стороны полюса под катушкой, ТП4 - воздух у переднего щита);
- позволили установить идентичность характера кривых нагрева как для «модельного» , так и для «рабочего» режимов работы;
- идентичность кривых в «модельном» и «рабочем» режиме позволила сделать вывод о возможности приведения потерь в стали к легко идентифицируемым потерям в меди с помощью некоторого коэффициента; 1.4 Разработка алгоритма построения моделей
В вентильно-индукторном двигателе, как и в любых других электрических машинах, тепловое состояние определяется двумя основными составляющими потерь — потерями в меди обмоток АРМ и потерями в стали магнитопр овода АР .
Первая составляющая ДРМ выражается через легко измеряемые величины - токи в обмотках или в общем проводе и сопротивление обмоток, изменяется, следуя за изменениями момента, быстро преобразуется в тепло из-за малой массы меди в сравнение с массой магнитопровода, выделяется в зоне, наиболее критичной к превышению температуры - изоляция обмоток.
Вторая составляющая ДРСТ сложно связана с амплитудой и формой импульсов напряжения, прикладываемых к фазам, допускает лишь косвенные способы измерения, выделяется неравномерно в теле магнитопровода, хотя и преобладает в зубцах и спинке статора.
Немногочисленные работы, посвященные потерям в магнитопроводе вентильно-индукторных машин (их обзор приведен в [45] ) основаны на весьма сложных процедурах моделирования, учитывающих свойства материала и особенности геометрии машины, использующих различные способы представления изменения потокосцепления во времени и пр. К сожалению, полученные в результате модели потерь в магнитопроводе трудно использовать на практике для оценки тепловых режимов машины в реальных эксплуатационных условиях. Нужны другие подходы, основанные на интегральных оценках с использованием теории подобия.
Многочисленные опыты, предшествующие построению тепловых моделей [11,12,13,19], представленные частично в пункте 1.3, позволили установить следующие важные для построения алгоритма получения тепловых моделей закономерности.
Модель двигателя как однородного тела
Тепловая модель двигателя как однородного тела [22,18,9] удобна в том случае, когда вентильно-индукторныи электродвигатель в комплекте с преобразователем работает в продолжительном режиме и нет необходимости в информации о его тепловых характеристиках в динамических режимах.
Рассмотрим тепловые процессы в электродвигателе как однородном теле с равномерно распределенными по объему источниками потерь. Для пессимистических оценок можно воспользоваться температурой в наиболее нагретой зоне машины, имея ввиду, что все остальные части будут иметь меньшую температуру.
Приняв, что суммарные потери ЛР составляют разницу между потребляемой мощностью и мощностью на валу, а теплоотдача пропорциональна первой степени превышения температуры г, будем иметь:
№ = сдЛ A + K0SaJ dt, (2.16) или после деления на k"0SaB dt к" S к" S dt где сДй - удельная теплоемкость материала двигателя,
SBb - площадь внешней поверхности двигателя, отводящей тепло,
К. - — - объем тела двигателя, к"0 - коэффициент теплоотдачи.
Уравнение (2.17) - тепловая модель двигателя, служащая основой для обобщения на основе алгоритмов теории подобия.
Левая часть - значение установившегося превышения температуры над температурой окружающей среды;
Тепловая модель двигателя как однородного тела [22,18,9] удобна в том случае, когда вентильно-индукторныи электродвигатель в комплекте с преобразователем работает в продолжительном режиме и нет необходимости в информации о его тепловых характеристиках в динамических режимах.
Рассмотрим тепловые процессы в электродвигателе как однородном теле с равномерно распределенными по объему источниками потерь. Для пессимистических оценок можно воспользоваться температурой в наиболее нагретой зоне машины, имея ввиду, что все остальные части будут иметь меньшую температуру.
Приняв, что суммарные потери ЛР составляют разницу между потребляемой мощностью и мощностью на валу, а теплоотдача пропорциональна первой степени превышения температуры г, будем иметь:
Учитывая, что значительная часть потерь в железе выделяется в зоне обмотки, для грубых оценок, как показано далее, можно учитывать эти потери увеличенной плотностью тока, не прибегая к более точным и полным моделям. Аналогичные критерии подобия могут быть получены для электродвигателя, рассматриваемого как однородное тело с равномерно распределенной мощностью потерь APz и одинаковой температурой во всех точках. По аналогии с предыдущим, критерии подобия для двигателя, рассматриваемого как однородное тело, определятся как /г, = - - (2.22) и Коэффициенты теплоотдачи к 10 и к%0, входящие в приведенные выше уравнения и учитывающие отдачу тепла обмоткой (к то) или двигателем в целом (kj0), зависят от многих факторов, однако главные из них - скорость и температура, т.е. K=f{r,n). (2.24) Эта зависимость, играющая важную роль в тепловых моделях, должна быть установлена экспериментально. В уравнении (2.20) не учитывается увеличение сопротивления с ростом температуры, что не приводит к значительным погрешностям при небольших температурах. При необходимости может быть сделан учет изменения р, что позволит несколько уточнить модель.
Тепловые модели в виде критериев подобия (2.20 - 2.23) позволяют распространить полученные экспериментально на базовом образце двигателя характеристики r5?a(t на любой подобный двигатель, используя известные алгоритмы теории подобия.
Записав масштабы всех величин, входящих в модели базового X5 j и подобного ему нового двигателя и подставив их в критерии подобия щ , масштабы которых тождественно равны 1, можно решить эти уравнения масштабов относительно неизвестных тти mt, рассматриваемых автомодельных объектов процедуры выполняются элементарно.
Полученные тепловые модели в виде критериев подобия могут эффективно использоваться в процессе проектирования установок с вентильно-индукторньш электроприводом и организации эксплуатации вентильно-индукторного электропривода.
Тепловые модели в виде критериев подобия можно использовать двумя способами - в виде «прямых» и «обратных» оценок.
Прямые оценки состоят из следующих шагов (рассмотрим на примере моделирования процессов в обмотках электродвигателя):
определение геометрических параметров базовой и подобной машины (путем прямого измерения или по каталогу);
испытания базового образца, получение кривой нагрева в наиболее нагретой точке, или использование ранее полученной кривой r(t);
оценка входных параметров к„, ку0 по опытным данным;
расчет масштабов температуры и времени по критериям подобия;
построение кривой нагрева подобной машины.
Процесс «прямых» оценок проиллюстрирован на рис.2.6
Испытательный стенд двигателей 5 и 7,5 кВт
Тепловые испытания вентильно-индукторного электродвигателя № 3 проводились на испытательном стенде (рис. 3.12), использовавшемся для детальных исследований велосипедного ВИД с различными нагрузками и возможностью контролировать момент, скорость вращения и токи в фазах ВИД.
Общий вид стенда показан на рис. 3.13. Машины на опоре располагаются внизу стенда и закрыты защитным щитом, предотвращающим нежелательное попадание во вращающиеся части посторонних предметов.
Установка содержит испытуемую машину ИМ с блоком управления БУ. Вращением ручки потенциометра, расположенного на верхней панели БУ, можно изменять скорость испытуемого двигателя в рабочем режиме в пределе от 0 до 400 об/мин.
Ремённая передача обеспечивает стыковку ДПТ с ИМ; благодаря разности диаметров шкивов (ОимЛЭдпт =1,9) момент нагрузки для ИМ может регулироваться от 0 до 7,6 Н м.
ИМ получает питание от двух последовательно включённых регулируемых источников питания, выходное напряжение может регулироваться от Одо 30 В.
Нагрузочная машина постоянного тока с независимым возбуждением ДПТ питается от источника тока ИТ.
Источник тока ИТ представляет собой трёхфазный индуктивно-ёмкостной преобразователь с мостовым выпрямителем на выходе, позволяющий получать вертикальные механические характеристики ДПТ; при изменении тока возбуждения ДПТ можно снимать механические характеристики испытуемой машины.
Тепловые испытания проводились в «модельном» режиме, т.е. коммутатор фаз, представленный в схеме на рис. 3.12, не задействовался, фазы ВИД были соединены последовательно и подключены к регулируемому источнику постоянного тока.
Переменное напряжение 380В подаётся на ИТ от разводной коробки включением автомата QF1. Постоянный ток, величина которого фиксируется с помощью амперметра А1, питает якорь ДПТ и реостат R.
Включение реостата R обеспечивает регулирование скорости вращения в «модельных» опытах, когда фазы ИМ соединены последовательно и встречно, чтобы момент, создаваемый ИМ, был равен нулю, и обтекаются постоянным током.
Автомат QF2 подаёт переменное напряжение 220В на автотрансформатор ЛАТР с выпрямителем питающим обмотку возбуждения ДПТ; величина тока возбуждения фиксируется амперметром А2. Применение автотрансформатора в цепи возбуждения позволяет регулировать скорость вращения ДПТ не только с помощью регулирования резистора R, но и с помощью регулировки напряжения возбуждения, что иногда требовалось в ходе эксперимента для достижения необходимой скорости вращения.
Датчик положения ротора ДПР в данной установке не выполняет свою основную задачу и используется для измерения скорости ИМ. Сигналы с ДПР поступают на блок управления, затем, проходя через высокочастотный фильтр -конденсатор, поступают на частотомер. Фильтр необходим для отсечения возможных наводок от высокочастотной ШИМ, подаваемой на ключи БУ при «рабочем» режиме испытаний. Частотомер обеспечивает измерение частоты сигнала при прохождении импульса через нулевое значение, а поскольку датчики выдают сигнал в виде меандра с уровнем от нуля до 5 В, необходимо сместить этот сигнал относительно нулевого уровня. Для этого в цепь датчика положения ротора встроен встречно направленный источник ЭДС величиной 1,5 В, что обеспечило устойчивую работу частотомера. В «модельном» режиме испытаний блок управления используется исключительно в виде блока коммутации сигналов с ДПР на частотомер и как клеммный разъем для подсоединения фаз ВИД к источникам питания постоянного тока.
1. В качестве базового образца для экспериментальных исследований в «модельном» и «рабочем» режимах был выбран вентильно-индукторный двигатель 8/6, 5 кВт, 1500 об/мин. Для проверки адекватности полученных тепловых моделей использовались общепромышленный двигатель 6/4, 7,5 кВт, 3000 об/мин и велодвигатель 12/16, 160 Вт, 160 об/мин.
2. Приведены технические данные экспериментальных двигателей и места расположения встроенных в двигатели термопар.
3. Разработана конструкция стенда для тепловых испытаний двигателей 5 и 7,5 кВт.
4. Проведена модернизация стенда с велодвигателем для проведения на нем тепловых испытаний.
Тепловые испытания базового образца
Для проведения оценки возможности распространения полученных на базовом образце тепловых моделей (2.10 - 2.13) на другие вентильно-индукторные электродвигатели были проведены тепловые испытания образцов №2 и №3 в «модельных» режимах.
На рис. 4.10 - 4ЛЗ представлены кривые нагрева, полученные в ходе «модельных» испытаний вентильно-индукторного электродвигателя №2. Диапазон токов (от 6 до 12 ампер) в общем проводе, при которых производились испытания, обусловлен допустимой плотностью тока, скорость вращения во всех опытах равна нулю. Провести испытания данного образца по плану эксперимента ПФЭ 2 для создания полинома, описывающего процесс нагрева вентильно-индукторного электродвигателя в заданном диапазоне варьируемых факторов, не представляется возможным по причине особенностей соединения обмоток конкретного образца электродвигателя (в отличие от базового образца, где в клемную коробку были выведены выводы каждой из катушек, в двигателе №2 выведены только начала и концы фаз).
При испытаниях термопары в вентильно-индукторном электродвигателе №2 были расположены согласно схеме представленной на рис. 3.7. Время проведения последнего опыта (при токе 12 ампер) достаточно мало в силу быстрого роста температуры и опасности повреждения изоляции, данные условия опыта не позволили построить экстраполяцию по причине недостаточности исходных данных для экстраполяции.
На рис. 4.14 - 4.18 представлены экспериментальные кривые нагрева велосипедного вентильно-индукторного электродвигателя (образец №3).
Испытания данного образца вентильно-индукторного электродвигателя проводились с привлечением аппарата планирования эксперимента. Расположение термопар проиллюстрировано на рис. 3.8. Факторы X, варьировались в ходе экспериментов в следующих пределах: ток в общем проводе от 5 до 8 ампер, частота вращения - от 0 до 200 об/мин. Для перехода от реальных величин факторов X к безразмерным, удобным для организации эксперимента, было проведено кодирование факторов Xпо формуле (4.2).
г = 113,75 + 37,25 JC, -10,75 х2 - 3,25 JC, х2 (4.11)
Использовался ортогональный план ПФЭ 2 , по которому проводились эксперименты. Искомый полином представлен формулой (4.11), коэффициенты Ь определяются по формуле (4.5). Данный полином описывает нагрев велосипедного вентильно-индукторного электродвигателя в области, ограниченной диапазоном варьирования факторов описанных выше. На рис. 4.19 изображено графическое представление итога испытаний вентильно-индукторного электродвигателя № 3 в «модельном» режиме работы -установившийся перегрев густ в зависимости от варьируемых факторов - тока и частоты вращения. Сравнение коэффициента Ь0 полученного полинома (4.11) и установившегося перегрева в проверочном опыте в «нулевой» точке свидетельствует об адекватности полинома - ошибка составляет 3,2 %.
1. Описан и обоснован алгоритм тепловых испытаний двигателей в «модельном» режиме с привлечением аппарата планирования эксперимента.
2. В качестве функций цели назначены установившееся превышение температуры тусг в наиболее нагретой зоне двигателя и начальная производная ; в качестве варьируемых факторов выбраны ток и частота вращения.
3. Экспериментально полученные кривые перегрева r(t) экстраполированы до установившегося уровня посредством пакета Microcal Origin v. 6.0.
4. Получены полиномиальные зависимости тусї и частоты вращения и коэффициентов теплоотдачи от частоты вращения
5. Приведены калибровочные параметры термопар образцов ВИД. Представлен алгоритм обработки полученных экспериментальных данных. Проведена обработка экспериментальных данных, оценена погрешность для экстраполированных графиков.
