Гайденко Юрій Антонович. Польовий аналіз характеристик та режимів роботи тягових асинхронних двигунів

Краткое описание

Гайденко Юрій Антонович. Польовий аналіз характеристик та режимів роботи тягових асинхронних двигунів : Дис... канд. наук: 05.09.01 2008

Гайденко Ю. А. Польовий аналіз характеристик та режимів роботи тягових асинхронних двигунів. 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 та динамічних режимів роботи тягових асинхронних двигунів на основі методів теорії поля. Актуальність такого підходу обумовлена неможливістю достовірного визначення параметрів і характеристик ТАД в різних режимах роботи на основі класичних методів. Розроблено науково-методичне забезпечення, що включає в себе: польові математичні моделі, які дозволяють визначати та досліджувати характеристики і режими роботи ТАД з урахуванням особливостей їх експлуатації, нелінійних властивостей матеріалів, реальної геометрії, ефекту витіснення струму в стержнях ротора, тощо; методологію визначення інтегральних (механічних і робочих) характеристик ТАД в симетричних і несиметричних усталених режимах роботи, безпосередньо з аналізу електромагнітного поля в активній зоні двигуна і без застосування схем заміщення; методологію коло-польового моделювання динамічних режимів ТАД. Вперше польовими методами проаналізовано вплив обриву стержнів короткозамкненої обмотки ротора на характеристики ТАД. Виявлено, що руйнування стержнів обмотки ротора викликає значне зростання електромагнітного і теплового навантаження на сусідні стержні.

В дисертаційній роботі розв’язана актуальна науково-технічна задача розробка методології ефективного математичного моделювання та визначення характеристик тягових асинхронних двигунів різного типу в усталених, динамічних і несиметричних режимах роботи з використанням методів теорії електромагнітного поля. За допомогою розробленої методології в дисертації досліджено характеристики та режими роботи основного ТАД типу СТА-1200 та допоміжного ТАД типу СВА-55, що дало змогу розробити та впровадити технічні рішення і практичні рекомендації з удосконалення їх конструкцій, при цьому одержані наступні наукові результати:

Традиційні математичні моделі та розрахункові методи, які дотепер використовувалися для розробки ТАД, базуються на теорії узагальненої електричної машини з постійними параметрами. Ці моделі часто не відображають особливості конструкції і специфічні умови роботи ТАД і тому не забезпечують прийняття правильних технічних рішень при їх проектуванні. Найбільш повно врахувати всі чинники, які впливають на характеристики ТАД, можна на основі моделей та методів розрахунку електромагнітного поля за рівняннями Максвелла. Широке впровадження польових методів аналізу ТАД в практику їх дослідження та проектування стало можливим завдяки не тільки створенню сучасної обчислювальної техніки, але й завдяки розробці ефективних чисельних методів і відповідного програмного забезпечення. Для чисельного розв’язання нелінійних польових математичних моделей ТАД доцільно використовувати метод скінченних елементів.
Вперше розроблено обчислювальні алгоритми і методики, що дозволяють використовувати чисельні результати аналізу електромагнітного поля для безпосереднього розрахунку механічних і робочих характеристик основних та допоміжних ТАД.
На основі розроблених польових методик проведено дослідження та оптимізацію характеристик основного ТАД потужністю 1200 кВт при частотному регулюванні його напруги живлення. Комплексне дослідження системи ПЧ ТАД, яка складається з ПЧ фірми «Siemens» та двигуна СТА-1200, розробленого НВО «СЕМз» (Україна, м. Сміла), дозволило виявити недолік в заданому законі управління двигуном, який запрограмований в штатних налаштуваннях ПЧ «Siemens». Цей недолік пов’язаний з неточним для СТА-1200 вибором граничної частоти 48,5 Гц переходу від режиму регулювання здо режиму регулювання з(або). Показано, що в районі частоти 48,5 Гц спостерігається істотне (на 12 15%) збільшення електромагнітного моменту, струму статора і зниження, що пояснюється зміною магнітного стану магнітопровода двигуна і, як наслідок, зміною його електричних параметрів. Рекомендовано вказаний недолік усунути шляхом корекції штатного закону частотного регулювання ПЧ «Siemens» шляхом збільшення граничної частоти переходу від першого режиму управління до другого. Для забезпечення незмінності параметрів двигуна СТА-1200 на всьому діапазоні робочих частот необхідно збільшити граничну частоту від 48,5 Гц до 54 Гц. Результати і рекомендації щодо вибору оптимальних конструктивних параметрів СТА-1200 впроваджено на НВО «СЕМз» (Україна, м. Сміла).
За допомогою розроблених польових методик проведено дослідження та удосконалення конструкції допоміжного ТАД СВА-55. В результаті запропонованих варіантів конструкції основні енергетичні показники двигуна значно покращилися, а нагрів його елементів зменшився. Так, температура обмотки статора знизилася на 18 С, значеннязбільшилося з 0,63 до 0,672, при тому, що кратність пускового моменту зросла з 4,29 в.о. до 4,40 в.о. При цьому ударні значення пускового струму залишилися практично незмінним (1321 А проти 1313 А в початковій конструкції). Результати і рекомендації щодо вибору оптимальних конструктивних параметрів СВА-55 впроваджено на НВО «СЕМз» (Україна, м. Сміла).
Розроблено методику та проведено дослідження роботи допоміжного ТАД в несиметричних режимах роботи. Розглянуто два види несиметричних режимів при несиметрії трифазної напруги живлення і при несиметрії параметрів короткозамкненої обмотки ротора типу «білячої клітки». Показано, що при ступені несиметрії напруги живлення більше ніж 5% при незмінному номінальному навантаженні двигун перегрівається і може вийти з ладу. Тому в цих випадках доцільно рекомендувати вимкнути двигун не пізніше ніж через 10 хвилин після виникнення несиметрії живлення. При рівні несиметрії 10-25% необхідно зменшити навантаження в 1,5 - 2,3 рази.
На лабораторному стенді проведено експериментальні дослідження та обґрунтування достовірності польових методів для розрахунку несиметричних режимів асинхронних машин. Порівняння експериментальних даних з розрахунковими даними, отриманими методом симетричних складових та польовим методом, показало суттєво меншу розрахункову похибку у разі використання польових методик, що підтверджує доцільність їх практичного впровадження.
Уперше проведені дослідження впливу кількості обірваних стержнів ротора на характеристики ТАД показали, що наслідком обриву стержнів є значна деформація магнітного поля, яка призводить до надмірного насичення окремих ділянок магнітопроводу, спотворення кривої ЕРС, а також до зниженняі ККД. В стержнях, що знаходяться поруч з ушкодженими значно збільшуються електричні втрати та нагрів. Це призводить до подальшої лавиноподібної руйнації стержнів ротора, що межують з ушкодженою ділянкою, та до повної зупинки ротора. Крім того, при поступовому виходу з ладу стержнів збільшується і ступінь несиметрії, що призводить до додаткового навантаження на обмотку статора. Проте при невеликій кількості ушкоджених стержнів допускається короткочасна робота ТАД при відповідному зменшенні його навантаження. Польові методики є універсальними та дозволяють розрахувати характеристики АД і у випадках більш складної та комбінованої руйнації обмотки ротора, наприклад при обриві кількох стержнів, що лежать в різних місцях клітки ротора. Розроблена методика визначення характеристик АД в несиметричних режимах може лягти в основу систем діагностики стану двигунів та методів раннього попередження їх аварійного стану.
В роботі показано, що застосування польового методу аналізу характеристик ТАД є необхідним і особливо актуальним для двохкліточних АД. Це пояснюється тим, що при ковзанніпохибка класичного методу розрахунку є надзвичайно великою до 35% і вище, що в ряді випадків взагалі не дозволяє отримати адекватної розрахункової інформації.
Для аналізу динамічних режимів роботи ТАД розроблено нові коло-польові методи та алгоритми. Досліджено процес пуску допоміжного ТАД СВА-55 при симетричній і несиметричній напрузі живлення. Показано, що при несиметрії напруги живлення величина моменту в процесі розгону двигуна є меншою, ніж у випадку симетричного живлення. Так, при коефіцієнті несиметрії 25% зменшення амплітудного значення моменту складає 24%. Крім того, час розгону двигуна збільшується на 35%. Ця обставина погіршує пускові властивості двигуна при увімкненні його на повне навантаження.
Одержані в дисертації результати рекомендується до впровадження при удосконаленні конструкцій потужних ЕМ турбо- і гідрогенераторів та ін., а також при створенні систем діагностики та раннього попередження аварійного стану АД.