Головань Іван Васильович. Формування характеристик асинхронних двигунів з масивними елементами в магнітопроводі ротора

brief description

Головань Іван Васильович. Формування характеристик асинхронних двигунів з масивними елементами в магнітопроводі ротора : Дис... канд. наук: 05.09.01 2008

Головань І.В. Формування характеристик асинхронних двигунів з масивними елементами в магнітопроводі ротора. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 електричні машини і апарати. Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2008.
Дисертація присвячена проблемі математичного моделювання усталених режимів роботи АД з МЕМ ротора. Актуальність такої проблеми обумовлена потребою підвищити точність достовірного визначення параметрів і характеристик АД з МЕМ ротора в інтенсивних динамічних режимах роботи на основі відомих математичних моделей. Розроблено математичну модель АД з МЕМ ротора, що включає в себе: розроблену систему рівнянь електричної рівноваги АД з МЕМ ротора з урахуванням вихрових струмів шляхом еквівалентування їх двома системами зосереджених струмів; на основі аналізу електромагнітного поля АД з МЕМ ротора розроблену методику розрахунку, в квазітривимірній постановці, параметрів еквівалентних контурів. Розроблено конструкцію ТМР АД з покращеними енергетичними параметрами, добротністю пуску і використанням габаритної потужності у порівнянні з відомими прототипами такої конструкції та вперше визначені закономірності зміни параметрів робочих режимів в залежності від співвідношень його конструктивних параметрів.

В дисертаційній роботі шляхом уточнення математичної моделі асинхронного двигуна з масивними елементами в магнітопроводі ротора та створення за її допомогою конструкцій асинхронних двигунів з масивними елементами в магнітопроводі ротора зі спеціальними властивостями і параметрами, вирішена актуальна науково-технічна задача покращення техніко-економічних показників асинхронних двигунів з масивними елементами в магнітопроводі ротора в інтенсивних динамічних режимах, отримані нові наукові результати.
1. Аналіз основних конструктивних рішень ротора АД, які найкраще задовольняють вимогам по забезпеченню інтенсивних динамічних режимів роботи, а саме низької кратності пускових струмів, високої кратності пускового моменту, високої енергоефективності, надійності і простоти експлуатації показав, що одними з найбільш ефективних являються конструкції АД з МЕМ ротора. Створення адекватної фізичним процесам математичної моделі АД з МЕМ ротора, для проектування на її основі нових конструкцій двигунів, є необхідним засобом для пошуку шляхів задовільнення вимог по забезпеченню інтенсивних динамічних режимів роботи.
2. Адекватний фізичним процесам розрахунок магнітного кола АД з МЕМ ротора потребує вдосконалення еквівалентування розподілених струмів в роторі стумами еквівалентних контурів. Існуючий підхід еквівалентування розподілених струмів в роторі струмами однієї системи еквівалентних контурів вносить велику похибку в розрахунок параметрів електричної машини. Це пов’язано з завищенням результуючого значення намагнічуючої сили ротора. У зв’язку з чим в роботі обґрунтовано застосування до підходу еквівалентування розподілених струмів в роторі струмами двох систем еквівалентних контурів.
3. Отримана система рівнянь електричної рівноваги АД з МЕМ для дослідження режиму його роботи, яка дає змогу врахувати складний характер зміни вихрових струмів в магнітопроводі шляхом еквівалентування їх двома системами еквівалентних контурів по потоку в радіальному і тангенціальному напрямкам.
4. На основі дослідження розподілу струмів і магнітного потоку при розв’язанні тривимірної польової задачі дослідженні закономірності протікання електромагнітних процесів в АД з МЕМ ротора, які свідчать, що:
в квазітривимірній розрахунковій моделі АД з МФР, при визначенні його електромагнітних параметрів, необхідно розглядати два основні шляхи проходження магнітного потоку взаємної індуктивності статор-ротор: по боковій та торцевій поверхні ротора;
при наявності КЗК у МФР, потік взаємоіндукції статор-ротора не розділяється на два шляхи по боковій і торцевій поверхні ротора, а проходить тільки по боковій його поверхні.
5. З урахуванням закономірностей протікання електромагнітних процесів в АД з гладким МФР та МФР з короткозамкненою кліткою, виведено вирази для розрахунку параметрів еквівалентних контурів ротора при аналізі електромагнітного поля в квазітривимірній постановці задачі, які враховують процеси: по потоку взаємної індуктивності статор-ротор в боковій і торцевих поверхнях ротора; по потоку розсіювання в лобовій зоні ротора.
6. Розроблена математична модель, що реалізована у вигляді комплексу програм для ПЕОМ, забезпечує достатню для практичних розрахунків збіжність розрахункових і експериментальних. Похибка по всім параметрам поблизу ковзання, що відповідає номінальному струму серійного двигуна не перевищує для:
АД з гладким МФР на базі серійного двигуна АО2-81-2 15%;
АД з гладким МФР на базі серійного двигуна 4А160М4 10%;
АД з МФР і КЗО на базі серійного двигуна 4А160М4 15%;
АД з ротором у вигляді фероклітки на базі серійного двигуна АО2-81-2 3%, що свідчить про досить високу її адекватність фізичним процесам.
7. Дана кількісна оцінка впливу неврахування параметрів електромагнітного поля по основному потоку торцевих поверхонь та лобового розсіювання ротора. Максимальна розбіжність результатів чисельних і фізичних експериментів АД внаслідок неврахування параметрів по основному потоку торцевих поверхонь сягає 20%, а параметрів лобового розсіювання 50%.
8. Математична модель для дослідження АД з МЕМ ротора, дає можливість отримати результати розрахунків режимів роботи при підвищеній частоті живлення. Дослідження величини допустимого за перегрівом моменту АД з гладким МФР при варіюванні напругою та частотою живлення показало:
можливість визначення потрібного, за заданими критеріями, закону зміни відношення U/f;
зменшення величини відношення U/f, збільшення жорсткості механічних характеристик пропорційно частоті живлення;
покращення енергетичних показників, незначне зменшення добротності пуску при збільшенні частоти живлення.
9. В результаті дослідження закономірностей протікання електромагнітних процесів в АД з МЕМ ротора, розроблено конструкцію тришарового масивного ротора АД з покращеними енергетичними параметрами, добротністю пуску і використанням габаритної потужності у порівнянні з відомими прототипами такої конструкції.
10. Чисельні дослідження АД з тришаровим масивним ротором показали, що у порівнянні з його прототипами має місце підвищення ККД на 3%, соs на 6%, використання габаритної потужності двигуна на 1520%. При цьому кратність пускових струмів, у порівнянні з гладким МФР, зменшується до 70%, кратність пускового моменту залишається на такому ж рівні.
11. За сукупністю результатів чисельних експериментів АД з тришаровим масивним ротором дослідженні закономірності протікання електромагнітних процесів у роторі, які дали змогу розробити рекомендації по покращенню властивостей АД з ТМР. Так, було встановлено, що для покращення характеристик АД з ТМР у робочому та пусковому режимах, необхідно замінити застосування пазів прорізами (шириною 0.5-2.0мм). А збільшення діапазону зміни активного опору в роторі, можна отримати шляхом певного співвідношення ширини і кількості прорізів у втулках масивного ротора.
12. Отримані в роботі результати стосовно математичних моделей, методик розрахунку та програмних засобів дослідження АД з МЕМ ротора рекомендуються до використання при розробці, дослідженні та впровадженні АД та електромеханічних систем на їх базі для умов частих та важких пусків приводів електромеханічного обладнання в машинобудівній, переробній галузі, агропромисловому комплексі, транспорті. Результати щодо дослідження АД з МЕМ ротора при підвищеній частоті живлення рекомендуються до використання при розробці електроприводів механізмів з підвищеною частотою обертання із суміщенням елементів конструкцій приводного двигуна і навантажувального механізму.