Федоров Михайло Михайлович. Удосконалення методів прогнозування теплового стану електродвигунів змінного струму в нестаціонарних режимах їх роботи

Короткий опис

Федоров Михайло Михайлович. Удосконалення методів прогнозування теплового стану електродвигунів змінного струму в нестаціонарних режимах їх роботи: дисертація д-ра техн. наук: 05.09.01 / Національний технічний ун-т "Харківський політехнічний ін-т". - Х., 2003. , табл.

Федоров М.М. Удосконалювання методів прогнозування теплового стану електродвигунів змінного струму при нестаціонарних режимах їх роботи Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.01 Електричні машини і апарати. Національний технічний університет Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2003.
Дисертація присвячена розвитку теорії нестаціонарних теплових процесів в електричних машинах. У дисертаційній роботі дано теоретичне узагальнення і рішення актуальної наукової проблеми прогнозування теплового стану вузлів електродвигунів змінного струму в нестаціонарних режимах їх роботи, що полягають у розкритті впливу характеру теплових перехідних процесів на надійну експлуатацію двигунів і терміни їхньої служби, у науковому обґрунтуванні методів розрахунку теплових перехідних процесів і технічному рішенні контролю і прогнозування теплового стану, що дозволяє здійснювати захист обмоток від перегріву, визначати припустимі навантаження і вводити корекції в навантажувальну діаграму електродвигунів. Теоретично обґрунтована побудова динамічних теплових моделей вузлів електричних машин. Пасивні параметри моделей єдині для всіх машин одного типорозміру і являють собою своєрідний «тепловий паспорт» машини. Пасивні параметри моделі використовувались при створенні пристроїв теплового захисту електродвигунів (УАТЗ-2, УТНЗ-4, УТНЗ-5 та ін.). Розроблено основи побудови автоматизованих систем прогнозування, що дозволяють судити про теплові навантаження в різних режимах роботи кожної електричної машини, що випускається, за результатами приймально-здавальних випробувань.

У дисертаційній роботі дано теоретичне узагальнення і рішення актуальної наукової проблеми прогнозування теплового стану елементів конструкції електродвигунів змінного струму в нестаціонарних режимах їх роботи, що полягає у розкритті впливу характеру теплових перехідних процесів на надійну експлуатацію двигунів і терміни їхньої служби, у науковому обґрунтуванні методів розрахунку теплових перехідних процесів і технічному рішенні контролю і прогнозування теплового стану, що дозволяє здійснювати захист обмоток від перегріву, визначати припустимі навантаження і вводити корекції в навантажувальну діаграму електродвигунів.
1. Проаналізовано існуючі в даний час методи прогнозування теплового стану обмоток електродвигунів, що визначають їхню потужність у нестаціонарних режимах і діаграму навантажень. Більшість їх заснована на непрямій оцінці температури по величині еквівалентних втрат в елементах конструкції двигуна, що приводить до значних помилок у нестаціонарних режимах роботи. Випробування на нагрівання при виробництві електродвигунів здійснюється з головним зразком в одному з можливих повторно-короткочасних режимів. Судження про теплові навантаження кожної машини, що випускається, здійснюється побічно за результатами приймально-здавальних випробувань шляхом порівняння втрат із утратами головного зразка при проведенні іспитів на нагрівання. Практично відсутні методи прогнозування температур обмоток двигунів у нестаціонарних режимах.
2. Обґрунтовано використання кривих нагрівання й охолодження як основний показник, що відображає властивості динаміки теплових процесів. Розроблено методику розрахунку теплових перехідних процесів з одержанням аналітичних виражень температури q(t) у різних елементах конструкції електродвигунів змінного струму, що дозволяють виділити кількісні характеристики для оцінки динаміки теплового стану. Виявлено характерні відмінності теплових перехідних процесів у різних вузлах конструкції машин і встановлено їхній зв'язок з особливостями поширення теплових потоків. Установлено вплив різних факторів (рівень струмових навантажень в обмотках, функціональна залежність опорів обмоток від температури й ін.) на характер теплових перехідних процесів. На основі спільності кількісних характеристик показана можливість апроксимації кривих нагрівання й охолодження аналітичними виразами з двома експонентними складовими. Запропоновано методику розкладання експериментальних кривих нагрівання й охолодження на експонентні складові, що дозволяє одержувати кількісні характеристики для судження про особливості теплових процесів за результатами випробувань на нагрівання.
3. Досліджено динаміку теплових процесів у повторно-короткочасних і перемежованих режимах роботи. Розроблено методику одержання аналітичних виразів температури q(t) на довільному інтервалі циклу повторно-короткочасного і перемежованого режимів при різних діаграмах навантажень у циклі з урахуванням безупинно змінних початкових умов q(0) на межах інтервалів, що дозволило одержувати кількісні характеристики для судження про особливості теплових перехідних процесів на різних тимчасових інтервалах. Для квазіусталеного стану досліджено вплив характеристик повторно-короткочасних і перемежованих режимів (tц, ТВ, пускові характеристики й ін.) на кількісні показники теплового стану в циклі. Запропоновано методику прогнозування теплових характеристик квазіусталеного стану при різному характері навантажень у циклі, що дозволяє формувати діаграму навантажень у циклі, яка виключає теплові перевантаження в обмотках електродвигунів змінного струму. Запропонована методика прогнозування теплового стану дозволяє визначати припустиме число включень двигунів, що працюють у повторно-короткочасних чи перемежованих режимах з підвищеними навантаженнями.
4. Науково обґрунтовано вибір схеми динамічної теплової моделі вузлів (ДТМВ) електродвигунів. Розроблено методику розрахунку параметрів ДТМВ на основі використання кривих нагрівання й охолодження, а також розподілу втрат, отриманих експериментальним шляхом. На основі порівняльного аналізу кривих теплового перехідного процесу в обраному вузлі машини і моделі при роботі в повторно-короткочасному режимі передбачена корекція параметрів ДТМВ, що підтверджує здатність адекватно відтворювати за допомогою ДТМВ динаміку теплового стану при довільному характері навантажень. Доведено, що пасивні параметри моделі єдині для всіх машин одного типорозміру. і можуть бути записані в каталоги електричної машини у вигляді «теплового паспорта». Використання «теплового паспорта» дозволяє прогнозувати тепловий стан у різних режимах роботи кожного електродвигуна відповідного типорозміру, що випускається. Відмінні риси динаміки теплового стану здійснюються завдяки обліку втрат, що можуть бути отримані для кожної машини при приймально-здавальних іспитах і перелічені для відповідних навантажень. ДТМВ можуть забезпечувати контроль і прогнозування теплового стану в будь-якому елементі конструкції електричної машини, у тому числі і для її обертових частин.
5. Проведено дослідження особливостей теплових процесів у характерних аномальних режимах АД: робота з загальмованим ротором, при зниженій напрузі й у несиметричних режимах. Установлено, що при загальмованому роторі найбільш уразливої до теплових перевантажень є лобова частина обмотки статора, у якій швидкість наростання температури може перевищити 8 град/с, коли руйнування ізоляції може відбутися при температурі менше припустимої. У пристроях захисту необхідно передбачити відключення АД, що працюють із загальмованим ротором, через (3-4) часу пуску tп. При роботі АД зі зниженою напругою мають місце теплові перевантаження в обмотках, особливо в обмотці ротора. Для АД з фазним ротором повинний бути передбачений контроль температури в обмотці ротора. Доведено, що для прогнозування і контролю температурного стану обмоток при знижених напругах можуть бути використані ДТМВ, а в пристроях захисту необхідно передбачити вузол формування втрат у АД при знижених напругах. Показано, що при роботі АД в несиметричних режимах роботи мають місце підвищені втрати, зв'язані з наявністю складових зворотної послідовності, а отже і можливі теплові перевантаження. Обґрунтовано застосування ДТМВ в пристроях теплового захисту при наявності несиметрії. Однак при глибокій несиметрії (обривши фази статора) у пристроях захисту передбачено відключення АД, щоб уникнути роботи з загальмованим ротором.
6. Вирішено комплекс задач по використанню ДТМВ в ряді пристроїв контролю, діагностики і прогнозування теплового стану електродвигунів змінного струму, а саме:
розроблено і створено ряд пристроїв аналогового теплового захисту (УАТЗ-2, УАТЗ-4М, УТНЗ-4 і ін.), заснованих на непрямій оцінці температури без вмонтування датчиків в обмотки, эфективність яких підтверджена досвідом промислової експлуатації на ряді підприємств;
розроблена і випробувана в лабораторних умовах система прискорених теплових випробувань, що дозволяє судити про припустимі теплові навантаження кожного електродвигуна, що випускається, у різних режимах роботи;
розроблено систему прогнозування теплового стану обмоток електродвигунів при довільно заданій діаграмі навантажень, що дозволяє здійснювати вибір потужності двигунів і, при необхідності, вводити корекцію в діаграму навантажень з метою забезпечення їхньої експлуатації без перевищення припустимих температур обмоток; використання мікропроцесорної техніки дозволяє робити облік ресурсу ізоляційних матеріалів, що витрачається.
Результати виконаної роботи дозволяють стверджувати, що комплекс проведених у ній досліджень складає рішення великої наукової проблеми. Вони обґрунтовують доцільність і ефективність створення і впровадження в широких масштабах систем контролю, діагностики і прогнозування теплового стану обмоток електродвигунів змінного струму в різних режимах роботи.