ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНІЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Кімстач Олег Юрійович

УДК 621.313.333 (043)

ТРАНСФОРМАТОРНО-АСИНХРОННА СИСТЕМА ДЛЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДА ГЕРМЕТИЧНИХ ОБ’ЄКТІВ

Спеціальність 05.09.01 - Електричні машини і апарати

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса – 2003

Дисертація є рукопис.

Робота виконана на кафедрі суднових електроенергетичних систем Українського Державного Морського Технічного університету ім. адм. Макарова (УДМТУ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Ставинський Андрій Андрійович, УДМТУ, завідувач кафедри суднових електроенергетичних систем Українського Державного Морсь-кого Технічного університету ім. адм. Макарова.

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, доцент

Петрушин Віктор Сергійович, професор кафедри електричних машин Одеського національного політехнічного університету

- кандидат технічних наук, доцент

Радимов Ігор Миколайович, доцент кафедри електротехніки та електронних пристроїв Одеської державної академії холоду

Провідна установа: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, кафедра “Електромеханіки”, Міністерство освіти і науки України, м. Київ

Захист дисертації відбудеться “13” бе5резня 2003 р. о 15 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К41.052.05 Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса-44, пр. Шевченка 1, адмінкорпус, ауд. 400а.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету (м. Одеса, пр. Шевченка, 1)

Автореферат розіслано “ 5 ” лютого 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради К41.052.05, к.т.н., доцент В. А. Войтенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Загальний аналіз проблеми захисту ізоляції спеціальних електричних машин. Інтенсивний розвиток промисловості, освоєння океану і космосу обумовлюють необхідність створення спеціальних технологічних процесів і устаткування. У зв'язку з цим існує проблема надійного та безпечного перетворювання електричної енергії в механічну для ряду науково-технічних пристроїв і систем, що працюють при високочастотних і радіаційних випромінюваннях, значних температурах, тисках, у вибухонебезпечних середовищах, підвищеній вологості чи повному зануренні у воду. Сучасні тенденції комплексного енергоресурсозбереження також вимагають нетрадиційного підходу до виробництв, що сформувалися.

Створення підводних апаратів з широкими можливостям для дослідження та розробки корисних копалин з морського шельфу потребує наявності надійних і безпечних герметичних двигунів.

Створення й експлуатація атомних електростанцій вимагає разом з тим виготовлення надійних, довговічних і безпечних механізмів, що забезпечують роботу АЕС у будь-яких умовах. Для перекачування радіоактивних рідин і газів необхідні спеціальні насоси підвищеної надійності і високого рівня захисту.

Видобуток корисних копалин з надр землі супроводжується значними труднощами: присутність вибухонебезпечних газів, підвищена вологість. Виникнення іскор або електричних дуг у результаті аварійної ситуації або нормальних режимів роботи у вибухонебезпечних середовищах неминуче призводить до катастрофічних наслідків. Ще одна проблема - присутність ґрунтових вод і, як наслідок, достатньо висока вологість у підземних шахтах і виробках, більш того існує небезпека затоплення електроустаткування при аварійних ситуаціях. Тому тривала зупинка електродвигунів у такому середовищі призведе до проникнення вологи в електричну ізоляцію і, відповідно, до зниження її опору. Запуск двигуна при зниженому опорі ізоляції може стати причиною аварії. Установка додаткового осушувального устаткування для шахтних систем привода призводить до їх суттєвого ускладнення і підвищення вартості.

Пріоритетним напрямком діяльності у гірничодобувній галузі є переробка таких корисних копалин як нафта, газ, вугілля і т.п. Їхня присутність у навколишньому середовищі робить його вибухонебезпечною, тому необхідно герметизувати електроустаткування, у якому можливе утворення іскор і електричних дуг.

Усі вище перераховані галузі вимагають наявності надійних, довговічних і досить дешевих спеціальних електричних машин.

Дана проблема сьогодні розв’язується за допомогою специфічних вузько профільних електричних двигунів, таких як: рудничні двигуни, металургійні, занурені і двигуни з гільзою.

Усі ці двигуни мають істотні недоліки: підвищені масогабаритні показники, низьку надійність, малий ресурс роботи, необхідність у плановому обслуговуванні, складність виготовлення, низьку ремонтопридатність, специфічні електромагнітні й електромеханічні характеристики.

Усе це пояснюється, як недостатнім науковим опрацюванням даної проблеми, так і відсутністю достатніх вкладів коштів в сучасні розробки і модернізацію виробництва. Ще однією причиною є відсутність комплексності рішення проблеми, тобто вона вирішувалася або шляхом захисту ізоляції двигунів, або шляхом створення герметичної передачі.

Актуальність теми. Незважаючи на наявність досить широкого спектру двигунів спеціального призначення, розробка універсальної вітчизняної машини дозволить значно підвищити конкурентноздатність продукції, завантажити деякою мірою підприємства і заощадити валютні ресурси держави, що йдуть на закупівлю відповідної продукції.

Під час видобутку на території України покладів корисних копалин, що знаходяться на порівняно невеликих глибинах, виникає проблема в розробці устаткування, що дозволяє добувати корисні копалини зі значних глибин. Нова трансформаторно-асинхронна система (ТАС) дозволить модернізувати електрообладнання підприємств вугільної промисловості і тим самим підвищити безпеку і знизити кількість аварій і катастроф.

Більш того, впровадження ТАС дозволяє розширити можливості технологічного устаткування ряду підприємств (нафтогазових, хімічних, металургійних та ін.).

Зв'язок роботи з науковими програмами і темами. Дослідження з теми дисертації проводилися на кафедрі Суднових електроенергетичних систем Українського державного морського технічного університету (УДМТУ) в період з 1998 по 2002 р. Дослідження пов'язані з частковою темою “Дослідження трансформаторно-асинхронної електромеханічної системи електропривода герметичних об'єктів, способів енергозбереження в судновій силовій електротехніці, а також загальнопромислових і спеціальних індукційних електромеханічних і статичних перетворювачів” комплексної держбюджетної теми № ГБ1430 “Дослідження систем і елементів енергозберігаючого герметичного, суднового і загальнопромислового електропривода і динамічного віброгасіння з асинхронними і електромагнітними перетворювачами”.

Мета і задачі досліджень. Мета досліджень – підвищення надійності, довговічності і безпеки спеціальних герметичних електромеханічних перетворювачів АЕС, морської техніки та підводного обладнання, хімічних і нафтохімічних підприємств, гірничодобувної промисловості, текстильних фабрик, металургійних заводів.

Задачі дослідження:

1) виконати порівняльний аналіз відомих способів вирішення задачі забезпечення захисту електричної ізоляції двигунів спеціального призначення;

2) розробити методику розрахунку статичних характеристик ТАС;

3) створити математичну модель і дослідити динамічні властивості ТАС;

4) розробити методику проектного синтезу ТАС;

5) розробити нові конструкторські рішення та рекомендації з вибору конструкції і технології виготовлення ТАС.

Об'єкт дослідження – електричні машини спеціального призначення.

Предмет досліджень – трансформаторно-асинхронна система.

Методи дослідження. При дослідженні ТАС використовувалася загальна теорія і досвід експлуатації електричних машин, математична модель узагальненої електричної машини, числове інтегрування диференціальних рівнянь за допомогою методу Ейлера, методи числової апроксимації складних функцій.

Наукова новизна отриманих результатів:

1) вперше отримані порівняльні характеристики магнітної та електричної герметизації і запропоновано використання спрощеної заступної схеми для розрахунку характеристик двигунів з металевою гільзою;

2) вперше отримані статична та динамічні моделі ТАС;

3) вперше запропоновано графоаналітичний спосіб визначення необхідної потужності та головних геометричних співвідношень трансформатора ТАС;

4) удосконалено конструкцію ТАС, що дозволило отримати зниження кількості гермовводів та зменшення довжини лінії зв’язку.

Практичне значення отриманих результатів. Практична цінність наукових досліджень полягає в розробці нових конструкторських рішень, пакету програмного забезпечення для розрахунку статичних і динамічних характеристик, а також синтезу ТАС.

Теоретичні положення, технічні рішення та методика проектування ТАС використані УДМТУ, Московським інститутом комунального господарства та будівництва та ЗАТ “РИТМ-2”.

Виготовлено макетний варіант ТАС-0,55/2 для лабораторних досліджень. У навчальний процес УДМТУ запроваджено лабораторну роботу з курсу “Спеціальні електричні машини” на базі виготовленого макетного зразка. Московським ЗАТ “РИТМ-2” виготовлено та випробувано експериментальний зразок ТАС – АДГО-30.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати, що складають основну частину дисертації, належать дисертанту:

1) методика розрахунку характеристик герметичних двигунів з гільзою на базі спрощеної заступної схеми;

2) розробка статичної та динамічної моделей ТАС, а також уточненої моделі трансформатора;

3) розробка методики проектування ТАС;

4) розробка конструкцій ТАС концентричного и комбінованого типу;

5) розробка рекомендацій по вибору конструкції і технології виготовлення ТАС.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дослідження доповідалися й обговорювалися на 6 конференціях і семінарах: ІІ міжнародна науково-технічна конференція “Проблеми енергозбереження та екології в суднобудуванні”, Миколаїв, 1998 р; “4th INTERNATIONAL MODELING SCHOOL OF AMSE-UAPL” Crimea, Alushta, September 12-17, 2000; 5-th international conference UEES`01, Poland: Szczecin and Miedzyzdroje, September 05-08, 2001; ІІІ міжнародна науково-технічна конференція “Проблеми енергозбереження та екології в суднобудуванні”, Миколаїв, 2002; “Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації”, Кременчук, 2002; семінар НАН України при НТУУ “КПІ” “Структурно-системне дослідження в електромеханіці”, м. Київ, 2002.

Публікації. Основні результати дослідження викладені у 7 статтях, 1 деклараційному патенті України і 4 матеріалах та тезах конференцій. При цьому 5 робіт, із котрих 3 статті, написані здобувачем індивідуально, а інші роботи виконані в співавторстві зі Ставинським А.А., Заборою І.Г., Коноваловим А.П., Казанським С.Б. і Ставинським Р.А..

Дисертанту належать: у [1] – методика розрахунку механічних характеристик ТАС і одержання апроксимуючої функції; у [2] – аналіз електромеханічних процесів на базі заступної схеми; у [6] – заступна схема двигуна з магнітним екрануванням і методика розрахунку її параметрів; у [8] – аналіз технічних рішень та одержуваного ефекту; у [9] – застосування двокаскадної заступної схеми; у [11] – конструктивні рішення і рекомендації по їх вибору; у [7] – розділ, який присвячено ТАС.

Структура й обсяг роботи. Дисертація викладена на 159 сторінках, складається з вступу, п’яти розділів, висновку, списку використаних джерел з 88 найменувань, містить 46 рисунків, 6 таблиць, а також 2 додатки на 36 сторінках.

СТРУКТУРА І ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульована мета і задачі досліджень, наведені основні положення, що визначають наукове та практичне значення отриманих результатів досліджень.

У першому розділі здійснено аналіз сучасних електродвигунів, що застосовуються для приводу механізмів і пристроїв герметичних об’єктів, та факторів, які здійснюють великий вплив на електричну ізоляцію двигунів, крім того наведено конструкцію, принцип дії та заступну схему ТАС.

Розглянуто галузі науки і техніки, у яких застосовуються спеціальні електродвигуни, що забезпечують герметичність. Для привода механізмів герметичних об'єктів застосовуються: двигуни з ущільненням вала, вибухозахищені двигуни і занурені двигуни з використанням спеціальної ізоляції обмоток, а також асинхронні двигуни з герметизованим статором (АДГС).

Спеціальні герметичні двигуни використовуються для приводу механізмів і пристроїв, що працюють у несприятливих умовах, котрі виникають у результаті природних або штучних явищ.

Показано необхідність у розробці нового більш надійного і безпечного електромеханічного перетворювача для герметичних об'єктів.

Розглянуто конструкцію ТАС (рис.1). Функціонально ТАС можна розділити на дві частини: трансформатор-перетворювач і двигун. Перша частина уявляє собою трансформатор з обертовим магнітним полем і вторинною обмоткою по типу короткозамкненої обмотки ротора асинхронної машини. Подана на статорну обмотку трифазна напруга знижується до безпечного значення (менш 3В) і перетворюється в багатофазну. Навантаженням трансформатора є асинхронний двигун (АД) з короткозамкненими статором і ротором. Це дозволяє забезпечити герметизацію на ділянці стержнів між трансформатором і АД.

При зміні ковзання двигуна від 0 до 1,0 напруга двигуна змінюється приблизно в 2 рази. М'якість зовнішньої ха-рактеристики трансформатора пояснюється тим, що опір навантаження при пуску зменшується приблизно в 10 разів, а потужність трансформатора обмежена.

Слід зазначити, що поряд з недоліками (знижений коефіцієнт корисної дії (ККД) і підвищені масогабаритні показники) ТАС має деякі значні переваги: можливість функціонування в агресивному середовищі, довговічність, висока надійність, відсутність необхідності в обслуговуванні протягом усього терміну служби, який визначається довговічністю підшипників.

Аналіз показав, що в розглянутої літературі приділяється значна увага класифікації способів захисту і герметизації, однак не досить повно узагальнені фактори впливу зовнішнього середовища на електричні машини. Для привода механізмів герметичних об'єктів застосовуються вузько профільні електродвигуни, найбільш надійними з них є АДГС. Такі двигуни містять між активними поверхнями металеву гільзу і мають істотні недоліки. Аналітичні вираження для проектування і розрахунку характеристик АДГС, що представлені в літературі, є дуже складними для практичного застосування.

У другому розділі виконано порівняльний аналіз ТАС і АДГС, для чого отримані їхні статичні моделі.

Розробка аналітичних виразів, що описують роботу АДГС, ускладнена об'єктивною обставиною – АДГС являє собою складну багатошарову електромагнітну систему. Наявність екрана призводить до збільшеного робочого зазору, до перекручування магнітного поля статора, до зміни розподілу теплового поля двигуна і т.д. Аналітичні вирази для механічної потужності АДГС відрізняються своєю громіздкістю й отримані зі значними допущеннями.

Дані ускладнення можна перебороти, використовуючи спрощений аналіз на основі заступної схеми (рис.2), що відрізняється від Т-образної схеми звичайного АД наявністю другої паралельної гілки ротора. Зазначена частина відображає гільзу, що розглядається як другий постійно нерухомий ротор.

Електромагнітна потужність, що розвивається АДГС

, (1)

де m1 – число фаз статора АДГС; U1 – напруга статора; – повний опір гілок гільзи, статора, ротора і намагнічування.

Залежність зміни значення активного опору гільзи від її товщини

, (2)

де k, D/ – конструктивні коефіцієнти; н – номінальна товщина стінки, яка відповідає штатної гільзі, мм.

Для визначення статичних характеристик ТАС використовується двокаскадна заступна Т-Т-схема (рис.3).

Між трансформатором і двигуном є лінія зв'язку, що позначена активним і реактивним опорами, практично реактивний опір незначний (близько 1% реактивного опору двигуна в номінальному режимі), тому ним можна знехтувати.

Електромагнітна потужність, яку розвиває ТАС

, (3)

де – активний опір робочої гілки двигуна ТАС, Ом; і – повні опори гілок намагнічування двигуна і трансформатора ТАС, Ом; – повний опір лінії зв'язку ТАС, Ом; – комплексні коефіцієнти.

При визначенні заданих залежностей для ТАС, також уводиться допущення, що полягає в знехтуванні індуктивної складової опору лінії зв'язку, а його активний компонент є функцією товщини герметичної перегородки

, (4)

де Rл.с, Rл.v – відповідно постійна і змінна складова активного опору лінії зв'язку, Ом.

Під складовою Rл.с слід розуміти суму опорів стержня від магнітопровода вторинної обмотки трансформатора до герметичної перегородки і частини стержня статора від герметичної перегородки до магнітопровода. За змінну складову Rл.v приймається опір гермоввода в межах перегородки.

За допомогою виразів (1), (2), (3) і (4) виконано порівняльний аналіз на основі ідентичних показників залежностей електромагнітної потужності від товщини герметичної перегородки (рис.4). Також у дисертації аналогічно виконано порівняння споживаної потужності.

Товщина гільзи АДГС з енергетичної точки зору обмежена лише невеликим діапазоном від 0,2 до 2,0 мм, а товщина герметичної перегородки ТАС практично необмежена. При значному її збільшенні для збереження ККД можна збільшити перетин гермовводів або скористатися провідниковими матеріалами з меншим питомим опором.

Розрахунки, виконані з використанням отриманих залежностей, свідчать про те, що з точки зору масогабаритних показників, застосування АДГС краще при товщині герметичної перегородки, що не перевищує 0,5...0,7 мм.

Таким чином, при попередньому якісному синтезі й аналізі АДГС доцільно користуватися запропонованою методикою на основі спрощеної заступної схеми. ТАС, на відміну від двигунів загального призначення, характеризується зниженими пусковими струмами (3,0...4,5), відносно невисоким ККД (55...80%), підвищеним номінальним ковзанням (6...8,5%). Порівняльний аналіз магнітної й електричної герметизації показав, що магнітне екранування доцільно застосовувати при незначних тисках робочого середовища (десятки атмосфер), що вимагають товщини магнітного екрана до 0,7 мм, а при великих тисках варто застосовувати електричну герметизацію.

Третій розділ присвячений дослідженню динамічних властивостей ТАС, для чого отримана її математична модель, а також питанням регулювання частоти обертання.

Кругове магнітне поле трансформатора і двигуна ТАС має форму розподілу близьку до синусоїди, тому при моделюванні перехідних процесів ТАС доцільно скористатися їх найпростішим ідеалізованим еквівалентом – двофазною електричною машиною.

Математична модель містить рівняння електромагнітного моменту і руху. Щоб одержати рівняння, що описують динамічні режими роботи ТАС, математичні моделі трансформатора і двигуна у в.о. поєднуються в одну.

Рівняння зв'язку

(5)

де iдsu, iдsv, iдru, iдrv, Шдsu, Шдsv, Шдru, Шдrv, ? струми і потокозчеплення обмоток статору и ротору по осям u и v відповідно; bт, bд, kтд – розрахункові коефіцієнти.

Рівняння потокозчеплень

(6)

Система диференціальних рівнянь (6) і рівнянь зв'язку (5), які складають математичну модель ТАС, інтегруються за допомогою ЕОМ чисельним методом Ейлера.

Також розроблено уточнену математичну модель ТАС з урахуванням активного опору гілки намагнічування трансформатора

(7)

Для визначення нагрівання обмоток ТАС у динамічних режимах необхідно знати кількість тепла, що виділяється, оцінку теплового стану можна здійснити за допомогою еквівалентного середньоквадратичного струму

Також за допомогою числових методів на ЕОМ досліджено час пуску двигуна при різних прикладених моментах опору на валу. Виходячи з отриманих результатів, можна сказати, що урахування активного опору гілки намагнічування трансформатора системи не робить істотного впливу на точність визначення залежностей еквівалентного пускового середньоквадратичного струму і часу пуску, тому для спрощення розрахунків ним доцільно знехтувати.

Аналіз перехідних процесів (рис.5) системи показує, що наявність трансформатора як проміжної ланки між мережею і двигуном пом'якшує вплив асинхронного двигуна на мережу, але при цьому спостерігається збільшення часу пуску двигуна в 2,0...4,0 рази, що при рідкісних зупинках і пусках привода не відіграє істотної ролі.

Загальний аналіз динаміч-них властивостей ТАС показує, що система має величину ударного моменту (менше 4,0 номінального моменту), яка характерна для двигунів звичайного виконання. Невисока кратність пускового струму дозволяє використовувати ТАС у пристроях з енергетичною системою, обмеженою по потужності (морські судна і підводна техніка, геологічні установки та ін.).

Регулювання частоти обертання ТАС здійснюється відомими засобами: за допомогою зміни числа пар полюсів, напруги і частоти мережі.

Складність і особливість регулювання швидкості обертання ТАС полягає в тому, що відсутня можливість зміни параметрів безпосередньо на вході двигуна. Це пояснюється тим, що на двигун подається низьковольтна напруга, при цьому по стержнях протікають досить великі струми (десятки – тисячі ампер).

Зміна числа пар полюсів здійснюється в первинній обмотці трансформатора. Регулювання частоти обертання ТАС за допомогою зміни значення напруги мережі має свої істотні недоліки. Це зменшення максимального моменту і, як наслідок, невисокий діапазон регулювання; різке зменшення пускового моменту, що не дозволяє використовувати даний спосіб для пуску системи; а також необхідність у регуляторі напруги на повну споживану потужність. Так, при зменшенні напруги живлення ТАС концентричного типу потужністю 0,55кВт і 2р=2 на 36% кратність пускового моменту зменшується до 0,5, а максимальний момент не перевищує 0,8 номінального.

Зміна швидкості обертання при збереженні сталості максимального моменту, що досягається при частотному регулюванні, має великі межі і є плавною. Щоб одержати заданий вигляд механічної характеристики, необхідна зміна не тільки частоти напруги мережі, але і значення напруги. Для забезпечення нормальної роботи двигуна без виникнення надмірних динамічних навантажень в електричній і механічній частині, частота і напруга повинні змінюватися при визначеному законі. При зміні за законом, коли відношення частоти до величини напруги залишається постійним, максимальний момент декілька знижується при зменшенні частоти мережі. Тому у роботі отримана залежність напруги живлення ТАС від частоти мережі за умови, що максимальний момент залишається постійним.

Точка критичного ковзання є екстремумом кривої механічної характеристики, для її визначення похідна від моменту по ковзанню прирівнюється до нуля і визначається корінь отриманого рівняння. У рівнянні, крім безпосередньої присутності ковзання, мається величина, що є функцією ковзання, це струм робочого контуру двигуна, тому похідна має складний вигляд.

Для спрощення вигляду рівнянь уводяться розрахункові опори. Для забезпечення необхідного максимального моменту необхідно подати на двигун системи задану величину напруги в критичній точці

. (8)

Знаючи величину необхідної критичної напруги двигуна, можна обчислити напругу мережі

, (9)

де - розрахункові опорні коефіцієнти; - розра-хункові опори.

При заданому регулюванні (рис.6) можна помітити, що зі зменшенням частоти мережі спостерігається збільшення кратності пускового моменту до 1,7 і зниження кратності пускового струму до 2,0. Залежність напруги від частоти мережі має нелінійний характер, але дана крива може бути апроксимована за допомогою якої-небудь функції, що забезпечує задану точність. Також можливе регулювання в невеликому діапазоні, коли криву можна замінити лінійною складовою частиною.

Таким чином, використання трансформатора, як проміжної ланки між мережею і АД, призводить до збільшення часу пуску в 2,0...4,0 рази в порівнянні з двигунами загального призначення. Урахування активного опору гілки намагнічування в математичній моделі трансформатора (7) дозволяє уточнити розрахунок динамічних механічних і часових характеристик ТАС. Аналіз способів регулювання частоти обертання показав, що найбільш прийнятним з енергетичної і механічної точки зору є частотне регулювання за законом (8) і (9), що забезпечує сталість максимального моменту і зміну від 0,2 до 1,0 номінальної швидкості обертання.

У четвертому розділі викладені отримані методики і рекомендації з питань проектування ТАС.

Умови експлуатації електричних машин – основний фактор технічних вимог для їх проектування. Тому що трансформатор ТАС укладений у герметичний корпус, якій заповнено трансформаторним маслом, рівень тиску і вологості навколишнього середовища не справляють істотного впливу на електричну ізоляцію первинної обмотки трансформатора, тому головним фактором є температура.

У залежності від рівня температури в герметичному об'єкті, а також від особливостей його будови пропонується використовувати наступні конструктивні виконання ТАС: послідовне і концентричне з газо-повітряним і рідинним охолодженням.

Існують герметичні об'єкти, де потрібна наявність джерела механічної потужності для привода виконавчого механізму у центральній частині, до них можна віднести вугільні шахти, металургійні і нафтохімічні підприємства. У таких герметичних об’єктах (ГО) пропонується використовувати ТАС концентричного типу. Також існують ГО, у яких припустиме розташування джерела механічної потужності на границі об'єкта, до них відносяться підводні апа-рати, хімічні підприємства, АЕС. У них пропонується використовувати ТАС послідовного типу.

Використання ТАС послідовного типу обумовлено можливістю винесення трансформатора системи за межі герметичної області. Це приводить до підвищення безпеки системи, тому що всі аварійні ситуації, що виникають у трансформаторі, будуть виникати за межами об'єкта. Також поліпшується охолодження первинної обмотки трансформатора, а отже, збільшується довговічність і надійність системи. Крім того, спрощується підведення електроенергії до ТАС. Однак така конструкція системи має ККД приблизно на 2...5% нижче, що пояснюється збільшенням лінії зв'язку між трансформатором і двигуном. Для підвищення ККД за рахунок зменшення протяжності лінії зв'язку варто використовувати трансформатор з аксіальним напрямком магнітного потоку в зубцях і стиковому зазорі.

До складу обох конструкцій ТАС входить трансформатор у вигляді перетворювача з обертовим полем. Первинна обмотка трансформатора виконана з емальованого проводу, тому при проектуванні ТАС необхідне забезпечення достатнього охолодження.

У системі концентричного типу трансформатор розташований поверх двигуна й укладений у герметичний корпус, внутрішня порожнина якого заповнена трансформаторною олією для поліпшення охолодження і підвищення міцності. Двигун обдувається потоком газо-повітряної суміші, що надходить у внутрішню порожнину двигуна через вхідні вентиляційні отвори і виходить через вихідні отвори, обдуваючи зовнішню поверхню корпусу.

Так як трансформатор у такій конструкції розташований у безпосередній близькості від двигуна, необхідно враховувати втрати в двигуні при визначенні температури нагріву ізоляції первинної обмотки трансформатора.

Якщо охолодження ТАС внутрішнім середовищем об'єкта ускладнено чи неможливо унаслідок високої температури, то використовується примусове рідинне охолодження і тоді повинно виконуватися умова

, (10)

де - загальні втрати ТАС; - тепловий потік із середовища в ТАС; - тепловий потік охолодження.

У виразі (10) знак плюс має місце за умови, що температура усередині об'єкта вища від температури ТАС.

У розглянутих системах кількість гермовводів дорівнює числу стержнів вторинної обмотки трансформатора, що дорівнює числу фаз двигуна. Магніторушійна сила (МРС) поля статора має східчасту форму внаслідок наявності зубців і пазів, наближення до синусоїди з метою зниження впливу вищих гармонік у даному випадку можливо при збільшенні числа фаз і відповідно кількості гермовводов, що ускладнює та збільшує вартість системи. Завдання поліпшення гармонічного складу поля двигуна вирішується тим, що в ТАС кожен стержень обмотки двигуна на вході в статор розділений на частини, які розташовані в окремих пазах статора (рис.7).

Поділ кожного стержня обмотки двигуна на частини, які розташовані в окремих пазах статора, забезпечує задану форму кривої МРС і поліпшений гармонійний склад магнітного поля статора при зниженому числі фаз вторинної обмотки трансформатора і зниженому числі гермовводів. При зменшенні числа гермовводів має місце збільшення мінімальної відстані між сусідніми стержнями, що приводить до підвищення міцності герметичної перегородки, а також до збільшення електричного опору ізоляції між сусідніми фазами трансформатора. Кількість пазів статора двигуна відрізняється від кількості пазів вторинної обмотки трансформатора, що дозволяє вибирати їх незалежно один від одного, виходячи з умов поліпшення показників трансформатора і двигуна. Крім того, з'являється можливість збільшення кількості пазів статора на полюс і фазу з метою зниження впливу вищих гармонік МРС і створюється можливість поліпшення характеристик ТАС.

Використання мідної звареної клітки, як обмотки ротора, ускладнює застосування класичного технічного рішення ослаблення впливу зубцевих гармонік поля у вигляді скосу пазів. Тому для боротьби з зубцевими гармоніками пакет ротора поділяється на дві частини, що зміщуються одна відносно другій на половину зубцевого ділення.

Потужність трансформатора обмежена, а двигун споживає різну кількість енергії у залежності від ковзання S. Тому при проектуванні ТАС виникає завдання правильного визначення необхідної потужності трансформатора. Правильно визначити необхідну потужність трансформатора можна на основі графоаналітичної методики розрахунку. Суть її полягає в побудові електромеханічних характеристик на проміжному етапі проектування, що дозволяє запобігти використанню громіздкого методу послідовного наближення.

При розрахунку моменту двигуна враховується, що напруга живлення двигуна змінюється. Для того, щоб розрахувати і побудувати залежність , потрібні параметри трансформатора, а вони на даному етапі проектування невідомі. Вихідними відомими є дві точки: номінальна точка і точка пускового режиму, параметри якої задаються, виходячи з необхідної кратності пускового моменту. Рівняння, що описує залежність напруги двигуна від ковзання

, (11)

де - коефіцієнти.

Ця залежність має дрібно-ірраціональний вигляд і містить коефіцієнти: , що виражаються через параметри заступної схеми і містять шість невідомих параметрів трансформатора. Можна скласти тільки три рівняння для точок неробочого ходу, короткого замикання і номінального режиму роботи, отже, виходить система трьох рівнянь із шістьма невідомими – невизначена система. Така система не має однозначного рішення. Тому пропонується апроксимувати залежність (11) функцією, яка містить три невідомих параметри.

Вказану апроксимуючу функцію можна записати таким чином

, (12)

де a, b, c – коефіцієнти апроксимуючої функції.

З урахуванням даних значень ковзання і напруги двигуна, складається система рівнянь, рішення якої визначає невідомі параметри апроксимуючої функції. Виконано розрахунок відносної похибки (рис.8), яку вносить використання функції (12)

. (13)

Також наведено порядок розрахунку головних геометричних співвідношень трансформатора систем концентричного, послідовного та комбінованого типу.

Таким чином, наведено обґрунтування використання апроксимуючої функції для напруги живлення двигуна та доведено, що визначення моменту двигуна за допомогою функції (12) здійснюється з погрішністю (13), що не перевищує 3,0%. Така точність на попередньому етапі синтезу системи є припустимою, тому доведений метод синтезу може бути використаний при проектуванні ТАС.

У п'ятому розділі описані технологія і конструкція досліджених макетних зразків ТАС і результати експериментальних досліджень.

Для виконання поставленого завдання були виготовлені і випробувані у різних режимах і умовах макетні зразки ТАС-0,55/2 концентричного і комбінованого типу. Системи випробувалися в режимі пуску, навантаження (рис.9) і неробочого ходу. Під час випробувань у режимі неробочого ходу системи досліджувалися на наявність додаткових втрат, неврахованих у теоретичних викладеннях, а також досліджувався вплив розташування один відносно другого сердечників первинної і вторинної обмоток трансформатора.

Встановлено, що при рознесенні пазів сердечників первинної і вторинної обмоток трансформатора один щодо одного, спостерігається зниження коефіцієнта потужності (приблизно в півтора рази) і споживаного струму. Для дослідження можливих взаємних впливів полів трансформатора і двигуна ТАС концентричного типу в результаті їхнього конструктивного розташування, проведено порівняльний аналіз експериментальних характеристик неробочого ходу, який показав, що дана взаємодія відсутня. За допомогою запам'ятовуючого осцилографа отримано діаграми пускового струму ТАС. Дослідження динамічних режимів роботи ТАС показало, що пусковий струм, як правило, не перевищує величину еквівалентну 3,5...4,5Ін.

ВИСНОВКИ

У роботі вирішена актуальна проблема підвищення надійності, терміну служби та безпеки спеціальних електромеханічних перетворювачів, які призначені для праці в складних умовах. При цьому отримані наступні результати та висновки, які можна розглядати, як основу для подальших досліджень:

1. Вперше розроблено спрощену методику розрахунку характеристик АДГС за допомогою заступної схеми, на базі якої отримано чисельний порівняльний аналіз цього типу двигунів з ТАС, та доведена її перевага при товщинах герметичної перегородки більш 0,5...0,7 мм.

2. Розроблені конструктивні рішення трансформаторно-асинхронної системи для різноманітних умов використання: послідовна, торцева, концентрична та комбіновані системи, а також система зі зниженою кількістю гермовводів. Конструкції концентричного та комбінованого типів запропоновані вперше. Розроблені рекомендації щодо вибору типу ТАС для конкретних випадків.

3. Розроблено методику розрахунку потрібної потужності та головних геометричних співвідношень трансформатора системи, що дозволяє отримати нормальні пускові показники та уникнути перевитрати матеріалів.

4. Розроблено математичні моделі ТАС без та з урахуванням активного опору гілки намагнічування, які дозволяють моделювати різні динамічні режими ТАС, та розглянути питання числового інтегрування системи диференціальних рівнянь за допомогою ЕОМ.

5. Вперше розроблено закон частотного регулювання швидкості обертання двигуна ТАС, який дозволяє отримати плавне регулювання у широкому просторі від 0,2 до 1,0 номінальної швидкості.

6. Виконано експериментальне дослідження ТАС концентричного та комбінованого типу, яке ствердило отримані теоретично статичну модель та методику проектування ТАС.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

Кімстач О.Ю. Трансформаторно-асинхронна система для герметичного електропривода. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 – “Електричні машини і апарати”. Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2002.

Розроблено спрощену методику розрахунку характеристик герметичного АД з магнітним екрануванням за допомогою заступної схеми, на базі якої отримано порівняльний аналіз цього типу двигунів з ТАС. Розроблено математичну модель ТАС без та з урахуванням магнітного опору й розглянуті питання числового інтегрування системи диференціальних рівнянь за допомогою ЕОМ, що дозволяє моделювати різні динамічні режими ТАС. Розглянуті способи регулювання частоти обертання ТАС. Розроблено закон частотного регулювання швидкості обертання двигуна ТАС, який дозволяє отримати плавне регулювання у широкому діапазоні. Розроблені нові технічні рішення та удосконалення конструкції ТАС для різноманітних умов використання. Запропоновано рекомендації по вибору типу ТАС для конкретних випадків. Розроблено методику розрахунку потужності та головних геометричних співвідношень трансформатора ТАС, яка дозволяє отримати ТАС з мінімальними масовартісними показниками. Виконано експериментальне дослідження ТАС концентричного та комбінованого типу ТАС-0,55/2.

Ключові слова: герметичні електродвигуни, трансформаторно-асинхронна система, математична модель, перехідні процеси, частотне регулювання, числове інтегрування.

Кимстач О.Ю. Трансформаторно-асинхронная система для герметичного электропривода. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 – “Электрические машины и аппараты”. Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2002.

Диссертация посвящена вопросам синтеза и анализа специальной электрической машины – трансформаторно-асинхронной системы, предназначенной для работы в агрессивных средах.

Выполнен анализ природных и техногенных факторов, которые оказывают разрушающее воздействие на изоляцию электрических машин. Рассмотрены известные способы защиты от данных факторов. Проанализированы преимущества и недостатки современных технических решений электродвигателей для герметичного электропривода.

Для выполнения сравнительного анализа электрического и магнитного экранирования на основе схемы замещения разработана упрощенная методика расчета характеристик асинхронного двигателя с герметизированным статором. Предложенная схема замещения отличается от обычной Т-образной схемы наличием дополнительной ветви, которая параллельна ветви ротора. Данная дополнительная ветвь отображает магнитный экран, расположенный в воздушном зазоре АД и рассматриваемый как второй, постоянно заторможенный ротор. Выполнено сравнение зависимостей электромагнитной и потребляемой мощности ТАС и АДГС от толщины герметичной перегородки, показано, что при увеличении толщины магнитного экрана резко снижается электромагнитная мощность и КПД АДГС, а потребляемая мощность возрастает.

Разработана статическая и динамическая модель ТАС. Статическая модель ТАС получена на основе двухкаскадной схемы замещения. Математическая модель системы, описывающая динамические режимы работы, разработана на основе обобщенной электрической машины в осях u и v. Получены модели для двигателя, трансформатора и ТАС в целом. Рассмотрена также уточненная математическая модель, учитывающая активное сопротивление ветви намагничивания трансформатора ТАС. Для анализа динамических свойств ТАС выполнено численное интегрирование методом Эйлера системы дифференциальных уравнений с помощью ЭВМ. Также рассмотрены зависимости эквивалентного среднеквадратичного пускового тока и времени пуска от величины момента сопротивления на валу двигателя.

Рассмотрены возможные способы регулирования частоты вращения ТАС. В результате выполненного анализа установлено, что наиболее приемлемым вариантом является частотное регулирование, которое позволяет получить изменение частоты вращения в пределах от 0,2 до 1,0 номинальной частоты. Разработан закон изменения соотношения частоты и напряжения питания ТАС для частотного регулирования, которое обеспечивает постоянство максимального момента.

Разработаны схемы охлаждения ТАС и методика определения заданного типа охлаждения на основе учета общих потерь и температурного режима внешней среды. Предложена конструкция ТАС с пониженным количеством гермовводов и распределенными стержнями статора двигателя, которая характеризуется улучшенным гармоническим составом магнитного поля. Рассмотрены вопросы снижения влияния зубцовых гармоник за счет применения пазового сдвига. Разработана методика расчета требуемой мощности и главных геометрических соотношений трансформатора для ТАС концентрического, последовательного и комбинированного типов, которая позволяет проектировать ТАС с рациональными массогабаритными показателями. Данная методика частично избавляет от необходимости использования громоздкого метода последовательного приближения, широко применяемого при синтезе электрических машин. Выполнен анализ точности предложенной методики.

Проведено экспериментальное исследование ТАС концентрического и комбинированного (последовательно-концентрического) типа ТАС-0,55/2. Выполнено испытание в режиме холостого хода и нагрузки, а также получены осциллограммы пускового тока ТАС. Установлено влияние положения осей пазов сердечников первичной и вторичной обмоток на параметры ТАС.

Ключевые слова: герметичные электродвигатели, трансформаторно-асинхронная система, математическая модель, переходные процессы, частотное регулирование, численное интегрирование.

Kimstach O.Y. A transformer induction system for the hermetic electric drive. - Manuscript.

The thesis on competition of candidate engineering science scientific degree in speciality 05.09.01 - “Electrical machines and apparatus”. The Odessa national polytechnic university, Odessa, 2002.

On the basis of an equivalent circuit the method simplified technique for characteristic calculation of a hermetic induction motor with magnetic screening is developed. The comparative analysis magnetic and electric screening is executed. The ТIS mathematical model both including magnetic resistance and without one is developed. The differential equations system numerical integration with the help of the PC is made. The ТIS dynamic properties analysis is executed. The ТIS rotational speed regulation variants are considered. The ТIS motor rotation speed frequent regulation law, which allows obtaining smooth control in wide range, is developed. The new technical decisions are developed. The ТIS designs for operation various conditions are improved. The recommendations for choosing the ТIS type for