ДОНЕЦьКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Алєксєєв Євген Ростиславович

УДК 621.313.333 1

ТЕПЛОВИЙ СТАН АСИНХРОННИХ ДВИГУНІВ В УМОВАХ НЕСТАБІЛЬНОЇ НАПРУГИ ЖИВЛЕННЯ

Спеціальність 05.09.01 – Електричні машини і апарати

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк – 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донецькому національному технічному університеті (ДонНТУ) Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент, Федоров

Михайло Михайлович,

Донецький національний технічний

університет, доцент кафедри

електромеханіки і теоретичних основ

електротехніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник, Бурковський Анатолій Миколайович, професор кафедри електропостачання промислових підприємств та міст Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України;

кандидат технічних наук, доцент, Невзлін Борис Ісаакович, доцент кафедри електромеханіки Східноукраїнського національного університету Міністерства освіти і науки України, м. Луганськ

Провідна установа:

кафедра електричних машин Одеського національного політехнічного університету Міністерства освіти і науки, м. Одеса

Захист дисертації відбудеться “ 27 ” лютого 2003р. о “ 14 ” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К11.052.02 Донецького національного технічного університету за адресою: Україна, 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 1-й учбовий корпус, к. 201.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького національного технічного університету за адресою: Україна, 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2-й учбовий корпус.

Автореферат розісланий “ 20 ” січня 2003р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

К11.052.02,

кандидат технічних наук, доцент Ларін А. М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Експлуатація асинхронних двигунів (АД) часто супроводжується різного роду аномаліями. Однією з найбільш поширених є нестабільна напруга мережі. Відхилення напруги можуть досягати 15 і більше відсотків, що перевищує допустиме значення. Зміна напруги може привести до зростання струму в обмотках асинхронного двигуна, до збільшення втрат потужності, зростання температури обмоток і в результаті - до дострокового виходу його з ладу. Вплив величини напруги живлення на електромеханічні і теплові характеристики АД як у тривалому режимі, так і, особливо, в повторно-короткочасних режимах вимагає подальшого вивчення. Актуальність аналізу теплового стану при зміні напруги викликана як необхідністю підвищення надійності експлуатації двигуна, так і вимогою вдосконалення алгоритмів роботи систем контролю і прогнозування його теплового стану в різних режимах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами.

Робота виконана в Донецькому національному технічному університеті в межах держбюджетних науково-дослідних тем “Розробка мікропроцесорної системи автоматизованих випробувань електродвигунів і прогнозування їх електромеханічних і теплових характеристик в аномальних режимах роботи”, “Розробка автоматизованої системи контролю, діагностики і прогнозування електромеханічних і теплових характеристик електродвигунів змінного струму при несправностях обмоток” (номери держреєстрації 0195V006905, 098U002314).

Мета роботи і задачі дисертації. Мета дисертаційної роботи – підвищення надійності експлуатації асинхронних двигунів в умовах нестабільної напруги живлення шляхом встановлення допустимих навантажень і прогнозування теплового стану в системах температурного захисту.

Виходячи з мети, поставлені наступні задачі:

удосконалити методи аналізу електромеханічних характеристик АД при зміні напруги живлення урахуванням нелінійної залежності параметрів вторинного і намагнічувального контуру;

обґрунтувати і удосконалити методи розрахунку та здійснити аналіз теплового стану АД в тривалому режимі з урахуванням розподілу втрат потужності при неномінальній напрузі живлення;

проаналізувати вплив величини напруги живлення на тепловий стан АД в повторно-короткочасних режимах з різними тривалостями пуску, коефіцієнтами навантаження, тривалостями включення з метою розробки рекомендацій по підвищенню надійності експлуатації двигунів;

розробити алгоритми функціонування систем контролю і прогнозування теплового стану асинхронного двигуна з урахуванням нестабільної напруги живлення.

Об'єктом дослідження є асинхронний двигун.

Предметом дослідження є електромеханічні і теплові характеристики АД в різних режимах роботи при зміні напруги живлення.

Методи досліджень.

При вирішенні поставлених задач використовувалися: методи розрахунку електромеханічних характеристик асинхронного двигуна доповнені урахуванням нелінійних залежностей параметрів вторинного і намагнічувального контуру; теорія нестаціонарних теплових процесів; метод Рунге-Кутта розв’язання систем диференційних рівнянь; апробовані методи випробувань АД для отримання електромеханічних і теплових характеристик; метод найменших квадратів, методи інтерполяції.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у тому, що:

· удосконалена методика розрахунку електромеханічних характеристик АД, яка доповнена урахуванням нелінійних залежностей параметрів Т-образної схеми заміщення (намагнічувального контуру від струму в ньому, опорів ротора від ковзання), що дозволяє визначити ці характеристики при різних напругах живлення і навантаженнях;

· визначена особливість перерозподілу температур в елементах конструкції двигуна при зміні напруги в тривалому режимі та виявлено, що при зменшенні напруги і постійному навантаженні температура обмоток зростає, причому перегрів обмоток ротора більший, ніж обмоток статора;

· встановлено, що за підтримки постійного струму в обмотці статора і зменшенні напруги має місце зростання температури обмоток АД, яке викликане зростанням струму ротора;

· виявлено більш інтенсивне зростання середньої температури обмоток АД в повторно-короткочасних режимах S3 і S4 у порівнянні з роботою у тривалому режимі при однакових середніх навантаженнях.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і основних результатів роботи забезпечуються фундаментальними положеннями теорії нагріву і охолодження електродвигунів, порівнянням отриманих результатів чисельного дослідження з експериментальними даними (розбіжність між результатами розрахунків і експериментальними дослідженнями не перевищує 8%).

Практичне значення отриманих результатів:

· запропонована методика розрахунку теплових характеристик АД з урахуванням нелінійної залежності параметрів вторинного і намагнічувального контуру, яка може бути застосована як для проектуємих двигунів, так і тих, що знаходяться в експлуатації, з метою визначення допустимих відхилень напруг для двигунів, які працюють з різним навантаженням;

· визначені допустимі навантаження при зменшенні напруги живлення в режимах S1 і S3 для широкого класу АД, в яких відносна величина струму холостого ходу знаходиться в межах 0.2–0.8;

· розроблено алгоритм урахування зміни напруги мережі в системах контролю і прогнозування теплового стану АД, який використано у пристрої захисту УЗТН-5 і в мікропроцесорній системі автоматизованих випробувань і прогнозування електромеханічних і теплових характеристик АД.

Особистий внесок здобувача. Постановка задачі, удосконалення методик розрахунку електромеханічних характеристик АД урахуванням нелінійних параметрів вторинного і намагнічувального контуру, розробка удосконаленої методики розрахунку теплових характеристик АД, аналіз розподілу тем-ператур в елементах конструкції двигуна, розробка алгоритму урахування зміни напруги мережі в системах контролю і прогнозування теплового стану АД, розробка методик розрахунку електромеханічних і теплових характеристик двигуна, визначення допустимих навантажень при зменшенні напруги живлення в режимах S1, S3 і S4 виконані автором самостійно.

Апробація результатів роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на 13-й міжнародній конференції по автоматизації у вугільній промисловості у Високих Татрах (Словаччина), 1998 р., на 3-й міжнародній науково-технічній конференції “Математичне моделювання в електротехніці, електроніці, електроенергетиці” у м. Львові, 1999 р.; на міжнародній науково-технічній конференції “Управління режимами роботи об'єктів електричних систем - 2000” у м. Донецьку, 2000 р.; на трьох всеросійських конференціях з міжнародною участю “Комп'ютерні технології в інженерній і управлінській діяльності” у м. Таганрог, 1999-2001 рр. і отримали схвалення.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 17 робіт, з них: 1 – в науково-технічному журналі, 9 – в збірниках праць, 7 – в матеріалах і тезах конференцій.

Структура і склад дисертації. Дисертація викладена на 225 сторінках (список використаних джерел з 128 найменувань і п'ять додатків займають 79 сторінок), складається із вступу, п'яти розділів і висновків, включає 54 рисунки і 37 таблиць. Основний зміст викладений на 119 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульована мета і задачі досліджень, подані наукова новизна і практична цінність отриманих результатів.

В першому розділі проаналізовані показники якості електроенергії (ПЯЕ) на сучасних промислових підприємствах, показано, що відхилення напруги на багатьох промислових підприємствах перевищують допустимі значення і можуть привести до виходу з ладу АД. Сформульована задача про необхідність аналізу впливу зміни напруги на експлуатаційні (робочі і теплові) характеристики двигуна.

Проведений огляд робіт, присвячених дослідженню електромеханічних і теплових характеристик асинхронних двигунів. Значний внесок в дослідження електромеханічних характеристик зробили: О. І. Вольдек, О. В. Іванов-Смоленський, І. П. Копилов, М. П. Костенко, Л. М. Піотровський, Г. І. Петров, І. А. Сиромятніков, І. М. Постніков, В. І. Чабан і ін. вчені. В їх роботах проаналізовані методи дослідження електромеханічних характеристик АД при відхиленнях напруги мережі. Основна увага надана аналізу механічної характеристики при відхиленнях напруги. Проте недостатньо вивчений вплив нелінійної залежності параметрів намагнічувального і вторинного контуру (U0(І0), рст(U0), r2'(s), х2'(s)) на робочі характеристики АД і розподіл втрат потужності при зміні напруги.

В роботах Богаєнка І. М., Борисенка О. І., Бурковського А.М., Данька В. Г., Ковальова Є. Б., Коробова В. К., Счастливого Г. Г., Федоренка Г. М., Сиромятнікова І. А., Яковлєва О. І. і ін., що присвячені тепловому стану АД, розроблено методи його розрахунку і аналізу, проте практично відсутня оцінка теплового стану АД у різних режимах роботи в умовах нестабільної напруги живлення. Тому при аналізі теплового стану АД у тривалому режимі підлягають дослідженню питання: вплив зміни напруги на температурне поле АД при постійному моменті на валу; визначення законів зміни навантаження, які не викликають перегріву АД в умовах нестабільної напруги живлення; вплив зміни напруги мережі на тепловий стан АД при постійному струмі статора. В сучасній літературі також недостатньо освітлені питання теплового стану АД в повторно-короткочасних режимах в умовах нестабільної напруги живлення, вимагає додаткового вивчення вплив напруги живлення на температуру вузлів при різних тривалостях циклу, значеннях ТВ і т. д. В повторно-короткочасному режимі з частими пусками особливу увагу необхідно приділити впливу зміни напруги на час пуску і, відповідно, на перерозподіл поля температур вузлів електричної машини.

Згідно з викладеним вище з метою підвищення надійності експлуатації двигунів, які працюють в мережах з відхиленням напруги від номінальної, сформульовані задачі дослідження.

В другому розділі дисертації удосконалена методика розрахунку електромеханічних характеристик асинхронних двигунів при зміні напруги мережі урахуванням нелінійних залежностей U0(І0), рст(U0), r2'(s), х2'(s), які отримані з наступних дослідів: холостого ходу, під навантаженням, короткого замикання і заміру опору обмотки статора постійним струмом.

Розрахунок робочих і електромеханічних характеристик АД проводиться в два етапи. На першому етапі розраховуються характеристики пускового режиму, на другому – електромеханічні характеристики при різних значеннях ковзання si. Особливості розрахунку пускових характеристик пов'язані з наявністю нелінійної залежності U0(І0), для урахування якої при розрахунку U0п і z0п при заданій напрузі мережі U1 розроблений ітераційний алгоритм, на першому етапі якого формується напруга холостого ходу U0п = U1 - I1пz1 по значенню пускового струму І1п, який узятий з каталогу. Далі за допомогою залежностей U0(I0), рст(U0) розраховується опір намагнічувального контуру. На наступному етапі розраховуються пускові значення струмів I0п, I1п, I2п в комплексній формі і перераховується значення напруги U1розр = U0п+I1пz1. Цей розрахунок повторюється, доки отримане значення U1розр не буде відрізнятися від заданого на 1-2%. В результаті даного алгоритму формується U0п, що відповідає напрузі живлення U1, перераховуються пускові струми, електромагнітна і споживана з мережі потужності, електромагнітний момент і втрати в обмотках статора і ротора.

На другому етапі при розрахунку робочих і механічної характеристик задаються кроком зміни ковзання ?s, так що si=si-1-Дs, і розраховуються параметри подальших і-ділянок. Для визначення значення U0і, z0і=r0і+jx0і передбачений аналогічний ітераційний алгоритм. В результаті формуються струми І1і, І0і, напруга U0і, які відповідають ковзанню si. Далі перераховуються потужності і втрати, які відповідають точці si. В ході розрахунку фіксується максимальний електромагнітний момент Mmax і критичне ковзання sk = smax. При ковзанні меншому за критичне (на прямолінійній ділянці механічної характеристики M(s)) одночасно розраховуються параметри робочих характеристик при заданих коефіцієнтах навантаження.

За наслідками розрахунків були отримані робочі і електромеханічні ха-рактеристики короткозамкненого (на прикладі АИУМ225М4, U1н=380В, P2н=55кВт) двигуна і двигуна з фазним ротором (на прикладі МТН111-6, U1н=220В, P2н=2.7кВт). На рис. 1-3 наведені графіки залежності струмів і втрат потужності (в обмотках, в сталі і додаткові) від напруги для даних двигунів (де ? – величина навантаження), які отримані з робочих характеристик.

Рис. 1 - Залежності рст(U1) і pдод(U1) АД АИУМ225М4

З аналізу отриманих результатів випливає: зниження напруги U1 приводить до збільшення струмів статора і ротора (рис. 3); більші темпи зростання струму спостерігаються в роторі.

Підвищення вхідної напруги супроводжується збільшенням струму статора за рахунок зростання струму холостого ходу при насиченні магнітної системи машини, струм обмоток ротора при цьому зменшується; залежність струму статора від напруги має мінімум, який залежно від навантаження спостерігається при U1 = (0.9ч1.1)U1н; при великих навантаженнях мінімум струму зміщується у бік збільшення U1, при менших – у бік зменшення U1 (рис. 3); у всіх досліджених випадках має місце перерозподіл втрат потужності в асинхронному двигуні (рис. 1-2); при зниженні напруги має місце істотне зростання втрат в обмотці ротора (рис. 2), що особливо важливо для двигуна з фазним ротором. При підтримці навантаження, що відповідає незмінному струму статора, і зменшенні напруги сумарні втрати АД зростають.

Рис. 2 - Залежності pм1(U1) і pм2(U1) АД АИУМ225М4

Рис. 3- Залежності I1(U1) і I2(U1) АД МТН111-6

Було виявлено, що в АД з менш насиченою магнітною системою (при менших значеннях струму холостого ходу) має місце більш інтенсивне зростання струму статора при зниженні напруги живлення; струм ротора при зміні струму холостого ходу змінюється незначно.

Проведені дослідження дозволили точніше визначити втрати потужностей у вузлах АД в умовах неномінальної напруги живлення, які використовуються для оцінки теплового стану двигуна.

Третій розділ присвячений дослідженню теплового стану АД в тривалому режимі, розроблена методика проведення аналітичних досліджень і теплових випробувань. Розрахунок і аналіз теплового стану в елементах конструкції АД з достатнім ступенем точності можна здійснити з використанням еквівалентних теплових схем заміщення (ЕТС).

В матричному вигляді система диференційних рівнянь теплового стану, що отримана за допомогою ЕТС, має вигляд:

. (1)

Тут С– матриця теплоємностей вузлів двигуна; – вектор-стовпець перевищення температур вузлів; – матриця теплопровідностей вузлів; P – вектор втрат потужності в вузлах АД.

Для аналізу теплового стану АД необхідно розрахувати пасивні (теплові провідності, теплоємності) і активні (втрати в обмотках, в сталі, механічні і додаткові втрати) параметри теплової схеми заміщення. Пасивні параметри в двигунах з самовентиляцією при відхиленнях напруги живлення практично не змінюються, проте зміна втрат потужності істотно впливає на тепловий стан.

При розрахунку перевищення температур в сталому стані використовується система (1) з урахуванням того, що . Розраховано значення сталої температури вузлів АД при зміні напруги мережі. В табл. 1 наведені значення перегріву обмоток ротора і статора АД МТН111-6, АИУМ225М4 при різних напругах у відносних одиницях. За базове прийнято значення нагріву при номінальних напрузі і коефіцієнті навантаження .

Таблиця 1

Перегрів вузлів АД при різних напругах

Вузол | U1н | 0.9U1н | 0.8U1н

Статор МТН111-6 | 1 | 1.04 | 1.18

Ротор МТН111-6 | 1 | 1.07 | 1.33

Статор АИУМ225М4 | 1 | 1.21 | 1.52

З результатів, приведених у табл. 1, випливає, що при зниженні напруги мережі температура в обмотках АД збільшується; при U1=0.9U1н в двигуні МТН111-6 темпи зростання температур значно менше, ніж у короткозамкненому АД, що пояснюється особливістю тягового двигуна МТН111-6 з насиченою магнітною системою. В АД МТН111-6 мінімум втрат в статорі досягається при U1=0.9U1н (див. рис. 3), проте за рахунок підвищених втрат в роторі має місце незначне зростання температури в обмотках АД.

В результаті аналізу встановлено: при зниженні напруги температура в обмотках ротора зростає більш швидко, ніж в обмотках статора (це пояснюється великими значеннями струму ротора), що зумовлює перерозподіл поля температур вузлів АД.

Щоб уникнути перегрівання АД при зниженні напруги, необхідно зменшувати навантаження. Для визначення необхідного ступеня зниження навантаження в роботі побудована залежність за умови незмінності температури найбільш нагрітих вузлів двигуна АИУМ225М4, яка наведена на рис. 4.

Рис. 4 – Графіки ?(U1) за умови незмінності температури вузлів АД в різних режимах роботи АД АИУМ225М4

В результаті розрахунків і експериментальних досліджень вперше встановлено, що при зниженні напруги і незмінному струмі статора температури обмоток АД зростають.

Було виявлено, що в АД з менш насиченою магнітною системою має місце більш інтенсивне зростання температур в обмотках статора і ротора. В табл. 2 приведені значення температур найбільш нагрітих вузлів двигуна (лобові частини обмоток статора і ротора ) у відносних одиницях при зміні напруги. За базові прийняті значення температур при номінальній напрузі.

Таблиця 2

Вплив відносної величини струму холостого ходу на температури вузлів АД при зміні напруги

U | I0/I1н=0.3 | I0/I1н=0.5 | I0/I1н=0.7 | I0/I1н=0.8

U1н | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1

0.9U1н | 1.2 | 1.24 | 1.14 | 1.2 | 1.06 | 1.14 | 0.99 | 1.04

0.8U1н | 1.61 | 1.7 | 1.49 | 1.66 | 1.36 | 1.53 | 1.24 | 1.36

В оцінці теплового стану АД в нестаціонарних режимах важливу роль грають характеристики динаміки. Найважливішими показниками, що дозволяють робити висновок про динаміку теплового стану, є перехідні функції елементів конструкції, за допомогою яких можна розрахувати криві нагріву і охолодження вузлів АД, що побудовані у відносних одиницях (?*=и/иуст).

Криві нагріву вузлів конструкції визначаються шляхом рішення системи диференційних рівнянь (1) з нульовими початковими умовами методом Рунге-Кутта четвертого порядку з автоматичним вибором кроку інтегрування. Криві охолодження отримуються при рішенні системи рівнянь (1) при P=0 з початковими умовами и(0)=иуст. Порівняльний аналіз експериментальних даних і аналітичних розрахунків дозволив зробити висновок, що пасивні параметри ЕТС практично не змінюються у разі зміни напруги, і при аналізі теплового стану вузлів двигуна необхідно тільки перераховувати розподіл втрат потужності.

В роботі використовується розроблене у ДонНТУ представлення пере-хідних функцій у вигляді аналітичних виразів з двома експонентами (великими T1нг і T1ох і малими T2нг і T2ох постійними часу):

инг(t) = иуст (1 - а1нгexp(-t/T1нг) - а2нгexp(-t/T2нг));

(2)

иох(t) = и(0) ( а1охexp(-t/T1ох) + а2охexp(-t/T2ох)),

де a1нг, a2нг, a1ох і a2ох – коефіцієнти питомої ваги експонент з великими і малими постійними часу кривих нагріву і охолодження.

За допомогою інтеграла Дюамеля і перехідних функцій розраховується закон зміни температури вузлів двигуна з різними діаграмами навантажень.

В роботі запропоновані різні алгоритми апроксимації кривих нагріву і охолодження за допомогою співвідношень (2) методом найменших квадратів. Для досягнення максимальної точності апроксимації розроблений алгоритм знаходження всіх параметрів кривих нагріву і охолодження (иуст, T1нг, T2нг, a1нг, a2нг, T1ох, T2ох, а1ох і а2ох). Для порівняльного аналізу кривих при різних напругах побудовані алгоритми, що дозволяють знайти значення уст, a1, a2 при заданих постійних часу T1 і T2.

Вирази (2) дозволяють отримати основні характеристики динаміки теплових перехідних процесів. Так, експоненціальні складові з великою постійною часу дозволяють визначити тривалість теплових перехідних процесів (tпп). Критерієм закінчення перехідного процесу є досягнення температури, зміна якої не перевищує 1?С протягом години. Встановлено, що тривалість перехідного процесу tпп при нагріві може бути розрахована за допомогою формули

Tпп =T1нг ln(иуст a1нг (1-exp(-60/T1нг)). (3)

При аналізі теплового стану АД в повторно-короткочасних режимах важливу роль грає величина швидкості зміни температури на початкових етапах перехідного процесу, яка визначається малими постійними часу. Швидкість зміни температури у момент часу t=0 визначається формулою

= (a1/T1+a2/T2)уст. (4)

Четвертий розділ присвячений аналізу теплового стану АД в нестаціонарних повторно-короткочасних режимах роботи. В повторно-короткочасному режимі S3 цикл роботи (tц) рівний сумі робочого періоду (tр) і паузи (tпз). В загальному випадку цикл може включати декілька інтервалів (tп (період пуску), tр, tпз). Повторно-короткочасний режим характеризується тривалістю включення (ТВ) і потужністю джерел тепла на робочій ділянці. Після певного числа включень наступає квазісталий стан – стан, коли закон зміни температури ?(t) в кожному подальшому циклі повторюється. Критерієм досягнення квазісталого стану, згідно ДСТУ, є величини максимального і мінімального значення температур, зміна яких не перевищує 2?С протягом години.

Розрахунок теплового стану в повторно-короткочасному режимі здійснюється за допомогою рішення системи диференційних рівнянь (1) методом Рунге-Кутта четвертого порядку з автоматичним вибором кроку інтегрування. Особливістю розрахунків є зміна початкових умов на кожному інтервалі, для АД з самовентиляцією слід ураховувати і режим охолодження, коли на різних інтервалах можуть змінюватися величини теплопровідностей. Розрахунок здійснюється на кожному інтервалі циклів до досягнення квазісталого стану. На рис. 5, як приклад, наведена експериментальна залежність перевищення температури обмотки статора двигуна АД МТН111-6 від часу в повторно-короткочасному режимі протягом всього часу теплового перехідного процесу, на рис. 6 – графік залежності перевищення температури від часу в квазісталому стані в перебігу двох циклів цього ж двигуна. На рис. 7 приведені огинаючі розрахункових значень , і отримані в результаті експерименту максимальні і мінімальні значення перегріву лобової частини обмотки статора АД МТН111-6 при номінальних напрузі і коефіцієнті навантаження, що підтверджують точність розрахунків, які проводяться за допомогою ЕТС.

Рис.5 – Залежність ?(t) в повторно- Рис. 6 – Квазісталий стан в повтор-

короткочасному режимі нокороткочасному режимі

В повторно-короткочасному режимі обмотки АД зазнають найбільших температурних коливань в квазісталому стані.

До основних характеристик квазісталого стану, як і кожного циклу, можна віднести максимальне , мінімальне , середнє значення перевищення температури (див. рис. 6) і розмах зміни температури . Як і в тривалому режимі, в АД з фазним ротором інтерес представляє тепловий стан обмоток статора і ротора, в короткозамкненому АД – обмоток статора. В табл. 3, як приклад, приведені розрахункові перевищення температури иmin, иmax и иср обмотки статора короткозамкненого двигуна АИУМ225М4 в квазісталому стані в повторно-короткочасному режимі S3 (ТВ=40%) і тривалому режимі при різних напругах мережі в абсолютних і відносних одиницях (иi/иiн). За базове значення прийнято перевищення температури вузла в тривалому режимі при U1 = U1н.

Рис. 7 – Експериментальні значення (o) і огинаючі розрахункових значень (–) ?min, иmax перегріву лобової частини обмотки статора АД МТН111-6 в режимі S3 (ТВ=40%) при U1=U1н і ?=1

Таблиця 3

Перевищення температури обмотки статора АД АИУМ225М4 в повторно-короткочасному (max, min) і тривалому (уст) режимах

U1 = U1н | U1 = 0.9U1н | U1 = 0.8U1н

З табл. 3 випливає, що зниження напруги живлення приводить до зростання температури , , вузлів двигуна; температури в повторно-короткочасному режимі S3 зростають швидше, ніж у тривалому.

В результаті проведеного аналізу в повторно-короткочасному режимі S3 встановлено, що найбільші темпи зростання температури елементів конструкції АД спостерігаються в обмотках ротора; в АД з фазним ротором найбільші теплові перевантаження при U1 = U1н відчувають обмотки ротора, на відміну від тривалого режиму, де найбільш нагрітими вузлами є обмотки статора. Це пояснюється більшою швидкістю зниження температури в обмотках статора, ніж ротора, в період паузи.

Особливістю аналізу теплового стану АД в режимі з частими пусками S4 є урахування пускових характеристик. До розглянутих раніше характеристик динаміки теплового стану додається величина наростання температури в період пуску, яка залежить від пускового струму і тривалості пуску (tп).

Зниження напруги мережі значно впливає на збільшення tп. Було виявлено, що на динаміку теплового стану двигуна впливає величина відносної тривалості пуску на робочому інтервалі tп*=tп/tp.100 %, яка визначає питому вагу теплової енергії, що виділяється при пуску. При розрахунку теплового стану АД з самовентиляцією слід ураховувати і той факт, що на інтервалі пуску теплопровідність Лп залежить від частоти обертання ?. З достатнім ступенем точності можна вважати Лп Лп=(Лн+Лох)/2, де Лп, Лох – теплопровідності на робочому інтервалі і в період паузи. В табл. 4 приведені перевищення температури обмотки статора при напругах U1=U1н, U1=0.9U1н , U1=0.8U1н в повторно-короткочасному режимі S4 з частими пусками (ТВ=40%) при різних тривалостях циклу (tц) в абсолютних () і відносних (*) одиницях. За базове перевищення температури вузла прийнято перевищення в тривалому режимі при U1=U1н і =1.

При зростанні відносного часу пуску (зниженні тривалості циклу) спостерігається збільшення температури вузлів АД (див. табл. 4), причому темпи зростання температури збільшуються при зниженні напруги живлення. Існує певне значення відносного часу пуску, при перевищенні якого середня температура обмоток стає вище допустимої.

Таблиця 4

Перевищення температури лобової частини обмотки статора (/*) АД АИУМ225М4 при різних U1 в режимі S4 (tц=0.5, 1, 2 хв, FI=2.5, TВ=40%) |

U1 = U1н | U1 = 0.9U1н | U1 = 0.8U1н

tц, мин | /* | tп*, % | /* | tп*, % | /* | tп*, %

2 | 103/0.94 | 0.19 | 129/1.18 | 0.25 | 201/1.84 | 0.35

1 | 117/1.07 | 0.38 | 141/1.29 | 0.5 | 215/1.9 | 0.7

0.5 | 138/1.27 | 0.76 | 169/1.55 | 1 | 247/2.27 | 1.4

Побудовано залежності середньої температури обмотки статора від навантаження, за якими були визначені коефіцієнти навантаження , при яких температура обмоток статора АД не перевищує допустиму при різних напругах і тривалостях циклу (див. рис. 4).

Для АД в повторно-короткочасному режимі з частими пусками S4 встановлено, що темпи зростання температури вузлів вище, ніж у розглянутих раніше режимах.

Було виявлено, що ступінь насичення магнітної системи (струм холостого ходу) є найважливішим показником, який визначає теплові характеристики різних АД. В двигунах з менш насиченою магнітною системою має місце більш інтенсивне зростання температур вузлів при зниженні напруги. Визначені допустимі навантаження при зміні напруги живлення в режимах S1, S3 для широкого класу двигунів, в яких величина струму холостого ходу знаходиться в межах (див. табл. 5). Критерієм визначення допустимих величин коефіцієнтів навантаження при зміні напруги в режимі S4 є величина допустимого струму

, (5)

де - допустима величина суми гріючих втрат в режимі S4, що визначається з методу середніх втрат.

Таблиця 5

Вплив струму холостого ходу на величину навантаження при постійній температурі і зміні напруги

U1 | I0/I1н=0.3 | I0/I1н=0.5 | I0/I1н=0.7 | I0/I1н=0.8

S1 | S3 | S1 | S3 | S1 | S3 | S1 | S3

U1н | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1

0.95U1н | 0.93 | 0.96 | 0.93 | 0.95 | 0.96 | 0.93 | 0.94 | 0.93

0.9U1н | 0.87 | 0.92 | 0.88 | 0.91 | 0.91 | 0.89 | 0.88 | 0.88

0.85U1н | 0.8 | 0.87 | 0.82 | 0.86 | 0.85 | 0.84 | 0.85 | 0.84

В п'ятому розділі розглянуті основні області застосування результатів дослідження. Приведені структурні схеми пристроїв контролю і прогнозування теплового стану АД в умовах нестабільної напруги живлення і алгоритми їх функціонування. Отримані результати використані у пристрої захисту УЗТН-5, який пройшов успішні промислові випробування на Донецькому металургійному заводі, Вуглегірськiй ТЕС. Розроблені за наслідками дос-ліджень алгоритми використані в мікропроцесорній системі автоматизованих випробувань і прогнозування електромеханічних і теплових характеристик АД, побудованій в рамках державної науково-дослідної теми “Розробка автоматизованої системи контролю, діагностики і прогнозування електромеханічних і теплових характеристик електродвигунів змінного струму при пошкодженнях обмоток”. Лабораторний зразок системи пройшов успішні випробування.

ВИСНОВКИ

В дисертації вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення надійності експлуатації асинхронних двигунів в умовах нестабільної напруги живлення шляхом встановлення допустимих рівнів навантажень і прогнозування теплового стану в системах температурного захисту АД.

Основні наукові і практичні висновки роботи полягають у наступному.

1. Удосконалена методика розрахунку електромеханічних характеристик АД, яка доповнена урахуванням нелінійних залежностей параметрів Т-образної схеми (U0(І0), pст(U0) і ), що дозволяє визначити ці характеристики при різних напругах живлення і навантаженнях.

2. Обґрунтовані методи розрахунку теплового стану АД, і виявлено, що у тривалому режимі при зниженні напруги і постійному навантаженні температура обмоток зростає, причому перегрів обмоток ротора більший, ніж обмоток статора.

3. Запропонована методика розрахунку теплових характеристик АД з урахуванням нелінійної залежності параметрів вторинного і намагнічувального контуру, яка може бути застосована як для проектуємих двигунів, так і тих, що знаходяться в експлуатації, з метою визначення допустимих відхилень напруг для двигунів, які працюють з різним навантаженням.

4. Встановлено, що при постійному струмі статора і зниженні напруги нагріви обмоток вузлів статора і ротора перевищують номінальні значення.

5. Встановлено більш інтенсивне зростання середньої температури обмоток АД в повторно-короткочасних режимах S3 у порівнянні з роботою у тривалому режимі при однакових середніх навантаженнях і зниженні напруги; в режимі S4 характер розподілу температур в обмотках зберігається таким, як і в режимі S3, але темпи зростання температур в обмотках вище, ніж в режимі S3 (за рахунок пускових струмів).

6. Визначені допустимі навантаження при зміні напруги живлення в режимах S1, S3 для широкого класу двигунів, в яких відносна величина струму холостого ходу знаходиться в межах 0.2–0.8. Допустимі величини навантажень в режимі S4 визначаються відповідно до загальноприйнятого методу середніх втрат з урахуванням зміни величини пускових втрат і втрат в сталі.

7. Запропоновано алгоритм врахування зміни напруги мережі в системах контролю і прогнозування теплового стану АД, який використаний у пристрої захисту УЗТН-5 і в мікропроцесорній системі автоматизованих випробувань і прогнозування електромеханічних і теплових характеристик АД.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Захарченко П. И., Федоров М. М., Денник В. Ф., Алексеев Е. Р., Карась С. В. Система автоматизированных испытаний и прогнозирования характеристик АД // Уголь Украины.-1998.-№7.-С. 45–48.

2. Федоров М. М., Алексеев Е. Р., Горелов М. В. Пусковые и рабочие характеристики асинхронных двигателей при различных напряжениях сети // Сборник научных трудов ДонГТУ. Серия “Электротехника и энергетика”, выпуск 4.- Донецк.- 1999.-С.123-126.

3. Федоров М.М., Алексеев Е.Р. Влияние колебания напряжения сети на электромеханические и тепловые характеристики асинхронных двигателей // Сборник научных трудов ДонГТУ. Серия “Электротехника и энергетика”, вып.2.-Донецк. - 1998.-С.172-177.

4. Алексеев Е. Р. Математические модели анализа кривых переходных процессов в узлах электрических машин при пониженных напряжениях // Наукові праці Донецького державного технічного університету. Серія „Інформатика, кібернетика та обчислювальна техніка”, випуск 6.- Донецьк: ДонДТУ.-1999.-С.304-309.

5. Федоров М. М., Алексеев Е. Р. Тепловое состояние асинхронных двигателей при изменении напряжения сети // Збірник наукових праць ДонДТУ. Серія “Електротехніка і енергетика”, випуск 17. - Донецьк. – 2000.-С. 82-86.

6. Ковалев Е. Б., Федоров М. М., Алексеев Е. Р., Пинчук О. Г. Защита от тепловых перегрузок обмоток АД, работающих при пониженных напряжениях // Взрывозащищенное электрооборудование. Сб. научн. тр. УкрНИИВЭ. - Донецк. - 2001.-С. 25-30.

7. Ковалев Е. Б., Федоров М. М., Алексеев Е. Р. О влиянии потокосцеплений рассеяния на электромеханические и тепловые характеристики асинхронных двигателей // Взрывозащищенное электрооборудование. Сб. научн. тр. УкрНИИВЭ. - Донецк. - 1999. -С. 14-18.

8. Федоров М. М., Денник В. Ф., Алексеев Е. Р., Карась С. В. Прогнозирование динамики тепловых процессов в узлах электрических машин по экспериментальным кривым нагрева и охлаждения // Взрывозащищённое электрооборудование. Cб. науч. тр. УкрНИИВЭ. –Донецк. – 1998.- С.42-50.

9. Федоров М. М., Денник В. Ф., Алексеев Е. Р. Особенности тепловых процессов в асинхронных электродвигателях при аномальных режимах работы // Вісник Національного університету “Львівська політехніка”. Електроенергетичні та електромеханічні системи. – Львів. – 2000.- №403. - С. 170-174.

10. Федоров М. М., Денник В. Ф., Алексеев Е. Р., Карась С. В. Исследование влияния несимметрии питающих напряжений на электромеханические характеристики асинхронного двигателя и его тепловое состояние // Взрывозащищённое электрооборудование. Cб. науч. тр. УкрНИИВЭ. - Донецк. - 1998. -С.32-42.

11. Федоров М. М., Денник В. Ф., Корощенко А. В., Алексеев Е. Р. Особенности характеристик асинхронных двигателей при несимметрии питающего напряжения // Компьютерные технологи в инженерной и управленческой деятельности. Материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием 19.05-21.05.1999. -Таганрог.- 2000.- С. 237-241.

12. Федоров М. М., Алексеев Е. Р., Денник В. Ф., Горелов М. В. Особенности моделирования и анализа пусковых и рабочих характеристик асинхронных двигателей при различных напряжениях сети. // Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности. Материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием 19.05-21.05.1999. –Таганрог. -2000. -С. 230-235.

13. Федоров М. М., Алексеев Е. Р. Методы расчета теплового состояния двигателей при изменении напряжения сети // Известия ТРТУ. Тематический выпуск. Материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием “Компьютерные технологи в инженерной и управленческой деятельности”. - Таганрог: ТРТУ.- 2001. - №3. -С. 58-62.

14. Fedorov M., Dennik V., Alekseev E. The system of automatic trial and prognosis of the electric mechanical and thermical testimonial of asinchronic engins // World Mining Congress, 13th International Conference on Automation in Mining. September 8-11, 1998. - High Tatras. Slovak Republic. - 1998. -Р. 93-96.

15. Алексеев Е. Р., Федоров М. М., Сорокина Л. С. Моделирование теплового состояния асинхронных двигателей в повторно-кратковременных режимах // Известия ТРТУ. Тематический выпуск. Материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием “Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности”. Таганрог: ТРТУ, 2002. -№2 (25).-С. 34-36.

16. Федоров М. М., Денник В. Ф., Алексеев Е. Р. Особенности тепловых процессов в асинхронных двигателях при аномальных режимах работы // Тези доповідей: 3-я міжнародна наукова технічна конференція “Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці” 25-30 жовтня 1999 р. – Львів.- 1999.- С.278-279.

17. Алексеев Е. Р. Влияние напряжения сети на тепловые характеристики асинхронных двигателей в различных режимах работы // Тезисы докладов международной научно-технической конференции “Управление режимами работы объектов электрических систем - 2000” 5-7 сентября 2000 г., Донецк: Донецкий государственный технический университет.- 2000. - С. 16.

Особистий внесок здобувача в опублікованих у співавторстві роботах.

В публікаціях, написаних у співавторстві, автору належать:

[1-3, 7, 12] розробка алгоритму розрахунку електромеханічних характеристик АД при нестабільній напрузі живлення;

[2, 3, 7, 10, 11, 12, 14] проведення аналізу впливу напруги мережі на електромеханічні характеристики асинхронних двигунів;

[6] розробка алгоритму урахування зміни напруги мережі в системах контролю і прогнозування теплового стану АД;

[4, 8] проведення аналізу динаміки теплового стану асинхронного двигуна при зміні напруги мережі;

[5, 9, 10, 13, 15-17] розрахунок і аналіз теплового стану АД в різних режимах при нестабільній напрузі живлення.

АНОТАЦІЯ

Алєксєєв Є. Р. Тепловий стан асинхронних двигунів в умовах нестабільної напруги живлення. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 – “Електричні машини і апарати”. Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2003.

Дисертація присвячена аналізу теплового стану асинхронних двигунів в різних режимах роботи в умовах нестабільної напруги живлення. Початковими даними для аналізу теплового стану АД є пасивні (теплові провідності, теплоємності) і активні (втрати в обмотках, втрати в сталі, механічні і додаткові втрати) параметри теплової схеми заміщення. Була розроблена методика більш точного розрахунку розподілу втрат потужності при зміні напруги з урахуванням нелінійних параметрів вторинного і намагнічувального контурів. Вивчений вплив напруги мережі на тепловий стан асинхронного двигуна в тривалому і повторно-короткочасних режимах роботи. В результаті аналізу виявлено, що зниження напруги приводить до збільшення струмів статора і ротора; великі темпи зростання струму спостерігаються в роторі; при підтримці навантаження, яке відповідає номінальному струму статора, і зменшенні напруги сумарні втрати АД зростають; зниження напруги приводить до зростання температури всіх вузлів АД, причому темпи зростання температур в обмотках ротора вище, ніж в обмотках статора, що приводить до перерозподілу поля температур вузлів АД. Розроблені практичні рекомендації по підвищенню надійності експлуатації АД в різних режимах роботи при нестабільній напрузі живлення. Запропонований алгоритм урахування нестабільної напруги живлення в системах контролю і прогнозування теплового стану АД, який використаний в пристрої захисту УЗТН-5, що пройшов успішні промислові випробування на Донецькому металургійному заводі.

Ключові слова: асинхронний двигун, робочі характеристики, тепловий стан, тривалий режим, повторно-короткочасний режим.

АННОТАЦИЯ

Алексеев Е. Р. Тепловое состояние асинхронных двигателей в условиях нестабильного напряжения питания. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 – “Электрические машины и аппараты”. Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2003.

Диссертация посвящена анализу теплового состояния асинхронных двигателей в различных режимах работы в условиях нестабильного напряжения питания.

Исходными данными для анализа теплового состояния АД являются пассивные (тепловые проводимости, теплоемкости) и активные (потери в обмотках, потери в стали, механические и