ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Папазов Юрій Миколайович

УДК 621.313.333

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ВИБУХОЗАХИЩЕНИХ

АСИНХРОННИХ ЕЛЕКТРОДВИГУНІВ З ЛИТОЮ МІДНОЮ

КОРОТКОЗАМКНЕНОЮ ОБМОТКОЮ РОТОРА ДЛЯ ПРИВОДУ ГІРНИЧИХ МАШИН

Спеціальність 05.09.01 – Електричні машини і апарати

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донецькому національному технічному університеті (ДонНТУ) Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк, і в Українському науково-дослідному, проектно-конструкторському і технологічному інституті вибухозахищеного та рудникового електрообладнання з дослідно-експериментальним виробництвом (УкрНДІВЕ) Міністерства промислової політики України, м.Донецьк

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Дудник Михайло Захарович,

Донецький національний технічний університет, завідуючий кафедрою “Електромеханіка і теоретичні основи електротехніки”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Шумілов Юрій Андрійович,

Національний технічний університет України “Київський

політехнічний інститут”, професор кафедри “Електромеханіка”;

кандидат технічних наук, доцент

Заблодський Микола Миколайович,

Донбаський державний технічний університет,

завідуючий кафедрою “Електричні машини і апарати”

Провідна установа: Науково-дослідний, проектно-конструкторський і технологічний інститут важкого електромашинобудування, відділ тягових двигунів і допоміжних машин К-201 Міністерства промислової політики України, м. Харків

Захист відбудеться 30.06.05 о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.02 Донецького національного технічного університету за адресою:

Україна, 83000, м. Донецьк, пр. 25-річчя РСЧА, 1, 8-й навчальний корпус, ауд. 8.704

З дисертацією можна ознайомиться в бібліотеці ДонНТУ за адресою:

Україна, 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2-й навчальний корпус.

Автореферат розісланий "27" мая 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 11.052.02,

кандидат технічних наук, доцент А.М.Ларін

Папазов Юрій Миколайович

Підвищення ефективності вибухозахищених

асинхронних електродвигунів з литою мідною короткозамкненою обмоткою

ротора для привода гірничих машин

Автореферат дисертації на здобуття

наукового ступеня кандидата технічних наук

Підписано до друкування 02.03.2005

Формат 60х84 1/16. Папір офсетний.

Друк різографічний. Видруковано ТОВ „ЛІК”

Усл. друк. аркушів.

Тираж 100 екземплярів. Замовлення № 555

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Нафта, газ і ядерне паливо є критичним імпортом для України, у той же час вугілля залишається головним енергоносієм, частка якого складає 95,4 % серед усіх запасів енергоресурсів країни. Частка вугілля в паливно-енергетичному комплексі України складає 20...25 % при середній у світі 40 %. Завдання полягає в тому, щоб збільшити частку вугілля в балансі енергоносіїв шляхом нарощування його щорічного видобутку.

Будівництво нових шахт у прийнятій програмі реструктуризації вугільної галузі України не є пріоритетним, тому істотне підвищення вуглевидобутку можливе за рахунок збільшення навантаження на діючі вугільні горизонти. Ця задача може бути вирішена шляхом удосконалення гірничої техніки і підвищення її енергооснащення, надійності й економічності.

У переважній більшості основним елементом електроприводу гірничої техніки є вибухозахищені асинхронні двигуни (ВАД). Збільшення їхньої потужності, ефективності і надійності є умовою подальшого зростання продуктивності гірничих машин. Ця задача по актуальності висувається на перший план.

Проблема підвищення енергетичних показників ВАД є частиною національної програми енергозбереження, сформульованої Державним комітетом України по енергозбереженню. У зв'язку з подорожчанням електроенергії її ощадлива витрата при проведенні гірничих робіт здобуває усе більшу актуальність.

Значна частина ВАД для приводу гірничих машин в Україні залишається в нижчому класі енергетичної ефективності EFF3 відповідно до прийнятої ЄС класифікації АД. Таке положення значно знижує експортні можливості України і конкурентноздатність на зовнішньому ринку. Тому підвищення коефіцієнта корисної дії (ККД) для ВАД на
1,5…2 % є актуальним.

Підвищення навантажень у вибої шахт вимагає збільшення корисної потужності, обертальних моментів і перевантажувальної здатності ВАД у тому ж габариті.

Сучасна економічна ситуація, різке скорочення обсягів виробництва ВАД в Україні, розробка більш досконалих АД в Росії і країнах далекого зарубіжжя змушують шукати нові нетрадиційні шляхи підвищення технічного рівня ВАД. Дослідження показали, що застосування литої мідної короткозамкненої обмотки (ЛМКО) ротора замість литої алюмінієвої короткозамкненої обмотки (ЛАКО) в значній мірі вирішує зазначені проблеми. Підтверженням цьому є підвищений інтерес з боку провідних фірм Європи і США до застосування ЛМКО замість ЛАКО ротора.

Український науково-дослідний, проектно-конструкторський і технологічний інститут вибухозахищеного та рудникового електрообладнання з дослідно-експериментальним виробництвом (УкрНДІВЕ), м.Донецьк, разом з ВАТ "Первомайський електромеханічний завод ім. К.Маркса" (ПЕМЗ), м.Первомайськ, Луганської обл., більш 25 років удосконалюють ВАД на основі ЛМКО ротора. Розроблена і впроваджена промислова екологічно чиста ресурсоенергозберігаюча технологія заливання роторів міддю і її сплавами, виготовлені дослідні зразки ВАД із ЛМКО ротора, що витримали стендові та експлуатаційні випробування в складі приводу гірничих машин - стругів, комбайнів, скребкових конвейєрів та інших. В основному таке удосконалення ВАД здійснювалося шляхом послідовних багаторазових експериментальних досліджень макетних і дослідних зразків і вимагало значних фінансових і матеріальних витрат.

На сучасному етапі, коли джерела фінансування таких робіт значно обмежені, на перший план висувається питання підвищення ефективності шляхом удосконалення проектування ВАД. Існуючі методи розрахунку і проектування ВАД стосовно до ЛМКО ротора мають істотні похибки, тому що розраховані на проектування повних серій електродвигунів і не враховують особливостей ВАД з ЛМКО ротора, умов експлуатації, технічних вимог і режимів навантаження гірничих машин. У результаті розбіжність розрахункових і експериментальних характеристик складає 20...30%, що недопустимо.

Таким чином, підвищення ефективності ВАД для приводу гірничих машин є актуальним, зокрема, для розвитку електромашинобудування в Україні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до тематики наукових робіт кафедри електромеханіки і ТОЕ Донецького національного технічного університету (ДонНТУ), Програмою ВАТ "Первомайський електромеханічний завод ім. К.Маркса" створення асинхронних електродвигунів нового покоління на базі техногеноекологічно чистої технології виготовлення мідних литих обмоток короткозамкнених роторів на період 2000-2003р.р., тематичними планами НДДКР, проведених в УкрНДІВЕ згідно договорам: від 28.12.00р. № 265, від 19.06.02р. № 812, від 24.10.02р. № 914 при особистій участі автора як керівника окремих етапів і відповідального виконавця.

Мета роботи. Метою роботи є удосконалення приводних ВАД шляхом впровадження ЛМКО ротора для підвищення продуктивності, надійності та економічної ефективності гірничих машин.

Задачі досліджень. Відповідно до поставленої мети в дисертації вирішуються наступні задачі:

· уточнення і доповнення технічних вимог до ВАД на основі аналізу їх умов експлуатації і режимів роботи;

· розробка нових методів розрахунку і проектування ВАД із ЛМКО ротора для приводу гірничих машин;

· уточнення параметрів і характеристик ВАД із ЛМКО ротора з використанням результатів польового чисельного аналізу;

· оцінка точності розроблених методів розрахунку та проектування шляхом проведення експериментальних досліджень ВАД із ЛМКО ротора, і порівняння з технічними характеристиками аналогів серійно-виробляємих ВАД з литою алюмінієвою короткозамкненою обмоткою (ЛАКО) ротора;

· оцінка надійності, конкурентноздатності та економічної ефективності ВАД нового покоління із ЛМКО, які відрізняються новою формою пазів та змінною електропровідністю стрижнів ротора по висоті пазу.

Об'єктом досліджень є вибухозахищені асинхронні двигуни з литою мідною короткозамкненою обмоткою ротора для приводу гірничих машин.

Предметом досліджень є процеси, параметри та характеристики, які впливають на ефективность вибухозахищених асинхронних двигунів з литою мідною короткозамкненою обмоткою ротора.

Методи досліджень. Рішення сформульованих задач дисертаційної роботи досягнуто з використанням наступних методів досліджень:

· системного аналізу накопиченого досвіду розрахунків, проектування, виготовлення та експлуатації ВАД із ЛМКО ротора з метою виявлення резервів підвищення їхньої ефективності;

· критичного аналізу існуючих методів розрахунку параметрів і характеристик ВАД із ЛМКО ротора з метою їхнього удосконалення;

· методу кінцевих елементів (МКЕ), використаного для уточнення параметрів і характеристик ВАД:

· експериментальних досліджень ВАД для оцінки точності розроблених методів розрахунку.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

· уперше запропоновано, для поліпшення пускових і робочих характеристик ВАД, використання мідних сплавів з різною питомою електропровідністю по висоті паза ротора з урахуванням залежності коефіцієнта збільшення активного опору стрижня від ковзання;

· удосконалено метод визначення залежності перехідного опору "стрижень-зубець ротора" від температури матеріалу обмотки ротора, що заливається, який дає змогу підвищити точність розрахунку втрат потужності ВАД від поперечних струмів;

· уточнено метод розрахунку електромагнітного моменту ВАД із ЛМКО ротора за умов стохастичного навантаження за рахунок використання його амплітудно–частотної характеристики.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

· розроблена методика розрахунку ВАД з ЛМКО ротора (ПИЖЦ.520078.393 – Донецк - 2004 г. – 41 стр.), яка використовується в УкрНДІВЕ при проектуванні двигунів;

· розроблена конструкторська документація ВАД нового покоління для приводу вугільних комбайнів серій ЕДК(О) і ЕКВ, яка дає змогу досягнути технічного рівня, що перевищує рівень аналогів та не поступається кращим закордонним зразкам;

· по технічній документації (ПИЖЦ 684261.400) на ВАТ "ПЕМЗ" освоєне виробництво ВАД із ЛМКО ротора типу: ЕКВ3,5-180; ЕКВ4-150-2; ЕКВ5-250В; ЕКВ6-355, які відрізняються від аналогів підвищеним технічним рівнем та відповідають вимогам міжнародних стандартів.

Особистий внесок здобувача. Усі наукові положення та результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Особисто здобувачем виконано: постанова задач, розробка критеріїв оцінки і порівняння показників електродвигунів нового покоління з аналогами, дослідження напрямків підвищення ефективності ВАД з ЛМКО ротору, аналіз сучасних методів розрахунку і проектування електродвигунів з ЛАКО ротора, розробка методів розрахунку параметрів та характеристик електродвигунів з ЛМКО ротора, в тому числі з різною електропровідністю сплаву міді по висоті паза, уперше показано зв'язок додаткових втрат потужності від поперечних струмів, а також коефіцієнта підвищення опору стрижня ротора від особистостей сплавів міді, дослідження динамічних рис електродвигунів при навантаженні їх стохастичними моментами, експериментальне дослідження зв'язку поперечного опору зубців ротора з ЛМКО і вилучення зв'язку цього опору в залежності від температури сплаву при заливці пазів, формулювання висновків та рекомендацій подальшого підвищення ефективності ВАД .

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на: міжнародному науково-технічному семінарі "Проблеми підвищення ефективності автономних електромеханічних перетворювачів енергії" (м. Севастополь, жовтень 2002 р.); міжнародному симпозіумі "Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика" SIEMA-2002, 2003 і 2004 (м.Харків, жовтень 2002, 2003 і 2004 рр.); VII симпозіумі "Електротехніка 2010" (Московська обл., травень 2003 р.); міжнародній конференції "Старопромислові регіони Західної і Східної Європи в умовах інтеграції" (Донецьк, листопад 2003р.); "SPEEDAM-2004" - International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (Capri, Italy, June 2004); засіданнях кафедри "Електромеханіка і теоретичні основи електротехніки" (ДонНТУ); науково-технічній раді УкрНДІВЕ.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 9 наукових робіт із них 8 у фахових виданнях та отримано один декларований патент України на винахід.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 85 найменувань, вона ілюстрована 40 рісунками і
15 таблицями, має 10 додатків. Основний зміст дисертації викладений на 124 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і задачі досліджень та розробок, представлені наукова новизна і практична значимість отриманих результатів.

1. В першому розділі "Тенденції розвитку вибухозахищенних асинхронних двигунів для приводу гірничих машин" приведений короткий огляд історичного досвіду створення асинхронних електродвигунів з мідною обмоткою ротора, починаючи з 1888 року, коли М.О. Доливо-Добровольский винайшов перший трифазний асинхронний електродвигун з мідною стрижневою паяною короткозамкненою обмоткою ротора, і закінчуючи останніми вітчизняними і закордонними розробками нового покоління АД з ЛМКО ротора. Показано, що унікальна технологія заливання обмоток ротора міддю і її сплавами в промисловому масштабі освоєна тільки в Україні, завдяки чому виготовлені ВАД потужністю
355 кВт, у той час як за кордоном (США) розроблено лише до 200 кВт.

Проаналізовано умови експлуатації, режими роботи ВАД і на їхній основі розроблені технічні вимоги до створюваних ВАД для приводу гірничих машин. Зроблено висновок про те, що аналоги ВАД з ЛАКО ротора переважно не задовольняють технічним вимогам умов експлуатації і режимам навантаження сучасних ВАД для приводу гірничих машин.

Для оцінки і порівняння нового покоління ВАД з вітчизняними і закордонними аналогами вперше запропоновані й обґрунтовані критерії, що дозволяють на стадії проектування підвищувати ефективність двигунів для приводу гірничих машин.

У табл. 1 приведені критерії оцінки технічного рівня ВАД типу ЕКВ3,5 із ЛМКО і ЛАКО ротора для приводу вугільного комбайна К-103.

Таблиця 1

Порівняння ВАД типу ЕКВ3,5

Тип двигуна | Рн,

кВт | 2р | G,

кг | ККД,

% | ПВ % | Z,

вкл/г | КД | КЗ | Мп, Нм | Мм, Нм | tдоп,

с | ЭКВ3,5-75 с ЛАКО | 75 | 4 | 530 | 85,4 | 40 | 25 | 1,23 | 1,9 | 800 | 900 | 28 | 2ЭКВ3,5-90 с ЛМКО | 100 | 4 | 435 | 88,0 | 60 | 30 | 1,34 | 2,47 | 882 | 1460 | 45 |

де:

КД – коефіцієнт підвищення динамічних втрат при пусках під номінальним навантаженням;

КЗ – коефіцієнт запасу температури ротора в режимі короткого замикання (к.з.) відносно температури плавлення металу, з якого виготовлена обмотка;

Мп – пусковий момент;

Мм – максимальний момент.

tдоп – час перебування ВАД у режимі короткого замикання.

Аналіз результатів, наведених в табл. 1, доводить, що ВАД із ЛМКО ротора має підвищені корисну потужність, динамічні та енергетичні характеристики в повторно-короткочасному режимі (S4 по ГОСТ 183), допускає більшу тривалість увімкнення та число увімкнень на годину. Досягнуті показники забезпечують підвищення продуктивності комбайна К-103 на 15 – 20%.

У розділі проаналізовано фактори, що стримують підвищення ефективності сучасних ВАД для приводу гірничих машин. Зроблено висновок про те, що основним фактором є застосування для приводу ВАД із ЛАКО ротора. Визначено напрямки підвищення ефективності ВАД для приводу гірничих машин, основними з яких є:

· застосування ЛМКО ротора і нових форм пазів ротора, що забезпечують підвищення моментів;

· застосування матеріалу обмотки ротора з різною величиною питомої електропровідності по висоті паза;

· використання (при необхідності) безпосереднього рідинного охолодження активних частин ВАД;

· розробка і введення в практику проектування нової науково-обгрунтованої методики розрахунку параметрів і характеристик ВАД із ЛМКО ротора.

У останній частині розділу сформульовані задачі досліджень.

В другому розділі "Розробка й удосконалювання інженерних методів розрахунку і проектування двигунів з литою мідною короткозамкненою обмоткою ротора" присвячений питанням розробки й удосконалення методів розрахунку і проектування ВАД із ЛМКО ротора для приводу гірничих машин. Виконано аналіз стану питань з розрахунку електромагнітних і електродинамічних характеристик ВАД, у результаті якого визначені основні напрямки розробок і удосконалення методик розрахунку ВАД із ЛМКО ротора для приводу гірничих машин, а саме:

· визначення магнітних потоків і магнітних індукцій в елементах зубцьового контуру з метою визначення їхніх максимальних значень;

· визначення активного опору стрижня ротора (rC) і короткозамикаючого кільця (rK) з урахуванням змінної питомої електропровідності матеріалу по висоті паза та індуктивного опору ротора у задачі розрахунку щільності струму та магнітної індукції по висоті паза;

· визначення коефіцієнта збільшення корисної потужності ВАД при заміні ЛАКО ротора на ЛМКО;

· удосконалення механічної характеристики з урахуванням взаємовпливу надлишкового моменту на валові АД та температур обмоток, а також одержання максимальної перевантажувальної здатності ВАД;

· врахування впливу опору переходу "стрижень – зубець ротора", що змінюється, при заливанні обмотки ротора міддю і її сплавами, на значення втрат потужності від поперечних струмів;

· визначення динамічних характеристик ВАД із ЛМКО ротора з метою мінімізації часу пуску tn і ударного момента Муд з використанням сучасних математичних моделей;

· розрахунок електромагнітного моменту Ме(t) у функції недетермінованого (стохастичного) навантаження на валу Мс(t).

Для визначення характеристик магнітного поля в активних частинах ВАД, а також коефіцієнтів і в залежності від корисної потужності використано один з чисельних ітераційних методів визначення провідності ділянок зубчастого контуру, а саме МКЕ.

Омічний опір стрижня з перемінною електропровідністю

, (1)

де - омічний опір i-го шару стрижня; п - число шарів.

Активний опір стрижня в процесі пуску ВАД

, (2)

де - коефіцієнт збільшення активного опору i-того шару, що має питому електропровідність і-го шару i.

На рис. 1 приведена залежність стрижня ротора у функції ковзання s при різних значеннях питомої електропровідності верхнього (пускового) шару.

Рис.1. Залежність стрижня ротора від ковзання s
при різних значеннях питомої електропровідності

Щільність струму по висоті стрижня ротора

(3)

де - магнітна провідність паза; - магнітна провідність частини паза на висоті x; - повний струм у стрижні; bx - ширина стрижня на висоті x від основи,
hx – висота стрижня на координаті х.

Аналізом результатів досліджень по поліпшенню якісних і кількісних показників механічної характеристики ВАД виявлено, що застосування глибокого паза ротора в сполученні з ЛМКО із заданою замість подвійної обмотки дозволяє:

· зменшити індуктивний опір;

· збільшити cos та максимальні обертальні моменти;

Встановлено, що коефіцієнт збільшення потужності при переході від ЛАКО ротора до ЛМКО при тих же габаритних розмірах в залежності від потужності чотириполюсного ВАД змінюється в межах =1,15-1,35.

В результаті врахування впливу параметрів мережі електропостачання обмеженої потужності ( =660 В) на характеристики ВАД із ЛМКО ротора для приводу гірничих машин встановлено, що двигуни стійко працюють у діапазоні зміни напруги
= 660...600 В, у той час як ВАД з ЛАКО ротора - 660 ...630 В.

Дослідженнями встановлено, що при заливанні пазів міддю або її сплавами зростає поперечний опір між обмоткою ротора і осердям сталі (Zq) відповідно до рівняння

, (4)

де пл температура плавлення металу; bx*  відносна ширина зубця ротора;
bx – відстань від стінки паза до місця визначення опору поперечному струмові по зубцю; bz – ширина зубця на координаті х.

Зниження сумарних втрат від поперечних струмів при цьому визначається за формулою:

, (5)

де - фазна напруга в обмотці ротора; ; ; ; - поздовжній опір стрижня; ; - довжина стрижня;  опір стрижня для -тої гармонійної струму.

Для розрахунку електродинамічних характеристик ( ) як математичну модель ВАД із ЛМКО ротора прийнято модель узагальненої двофазної машини. Рівняння напруг, електромагнітного момента і руху ротора вирішені на ПЕОМ з використанням прикладного пакету програм МАТLАВ і чисельного ітераційного методу. Для визначення параметрів r, L, M, що входять у ці рівняння, використовуються результати розрахунку магнітного поля за допомогою методу кінцевих елементів.

За результатами розрахунків для режиму пусків ненавантаженого двигуна отримані динамічні характеристики проектованого ВАД типа 2ЕКВ3,5-210 із ЛМКО ротора (при r'2п=0,2226 Ом і х'2п=0,3387 Ом), які приведені на рис.2.

З використанням відомого методу розрахунку електромагнітного момента АД при стохастичному навантаженні з використанням імовірнісних характеристик навантаження, стаціонарних лінійних одномірних динамічних систем, зробленно уточнення електромагнітного момента ВАД типу 2ЕКВ3,5-210 з використанням його амплітудно-частотних характеристик, які приведені на рис. 3.

Врахування впливу активного опору ротора від дії першої гармоніки поля здійснюється відповідно до залежності (рис. 1), а дія вищих гармонік з використанням схеми заміщення роторного кола у вигляді багатоконтурної системи (чотири контури з постійними параметрами).

Рис.2. Пускові динамічні характеристики ВАД типу 2ЕКВ3,5-210 із ЛМКО ротора

а) б)

Рис.3. Частотні характеристики вхідної провідності статора

ВАД типу 2ЭКВ3,5-210:

а) амплітудно-частотна; б) фазо-частотна.

Електромагнітний момент при стохастичному навантаженні

, (6)

де - електромагнітний момент для середніх значень струмів контурів ; - число пар полюсів ВАД; - амплітудне значення струму в контурі; - взаємна індуктивність контурів; kl, 1m - модуль АЧХ контурів; kl, 1m – фазовий кут струму відповідно до ФЧХ контурів; 0 – початкова фаза; j=1 при m=u; j=2 при l=v; - кутова швидкість обертання магнітного поля.

На основі виконаних досліджень розроблена методика електромагнітного та електродинамічного розрахунку ВАД із ЛМКО ротора. З використанням розробленої методики виконані розрахунки ВАД для приводу вугільних комбайнів.

У третьому розділі "Чисельні дослідження електромагнітних полів, параметрів і характеристик двигунів з литою мідною короткозамкненою обмоткою ротора" приведені результати чисельних досліджень електромагнітних полів, параметрів і характеристик ВАД із ЛМКО ротора. Для подальшого підвищення точності розрахунку параметрів схеми заміщення ВАД і визначення раціонального співвідношення висот окремих частин пускового шару зі змінною електропровідностю в пазах ротора необхідно було дослідити електромагнітне поле в активних частинах двигунів з роторами ЛМКО.

У загальному випадку нестаціонарне нелінійне диференціальне рівняння в частинних похідних для векторного магнітного потенціалу

, (7)

де - магнітна проникність і електропровідність; - вектори швидкості руху середовища і сторонньої щільності струму; - диференційний набла-оператор.

У зв’язку з тим що ВАД містить шихтований магнітопровід (0), рівняння (7) перетворюється в стаціонарне нелінійне рівняння Пуассона

. (8)

Для зменшення числа незалежних просторових змінних тривимірне електромагнітне поле замінене двовимірним (плоским), тобто поле стає плоскопаралельним у поперечному перерізі ВАД.

Рішення рівняння (8) здійснено чисельним методом з використанням МКЕ. Векторний магнітний потенціал А апроксимується лінійним поліномом у декартових координатах Х,Y

. (9)

Після визначення А у вузлах сітки кінцевих елементів (СКЕ) виконано розрахунок складової магнітної індукції по осях Х,Y

. (10)

Чисельне дослідження електромагнітного поля ВАД із ЛМКО ротора здійснено за допомогою пакета прикладних програм FEMLAB, що входять до складу комплексу MATLAB. При аналізі фізичних полів ВАД частково використане програмне забезпечення, розроблене на кафедрі електромеханіки НТУ „КПІ" м. Київ.

На основі аналізу розрахункових даних визначені індукції, магнітні потоки, а також індуктивні опори ВАД із ЛМКО ротора. За результатами розрахунку електромагнітного поля з використанням МКЕ визначені рівні електромагнітного момента в зоні ковзань
s = 0...1:

, (11)

де - радіус розрахункової лінії (середина повітряного зазору), - довжина осердя сталі; - нормальна і тангенціальна складові вектора магнітної індукції.

За результатами розрахунку електромагнітного поля визначені інтегральні електромагнітні параметри ВАД – повні індуктивні опори обмотки фази статора , індуктивний опір розсіювання паза статора хп1, індуктивний опір розсіювання паза ротора хп2, індуктивний опір взаємоіндукції в області ковзань s = 0...1.

З використанням МКЕ отримане оптимальне співвідношення висоти і питомої електропровідності матеріалу пускового шару паза ротора ВАД із ЛМКО ротора.

У четвертому розділі "Експериментальні дослідження двигунів з литою мідною короткозамкненою обмоткою ротора" приведені результати експериментальних досліджень ВАД із ЛМКО ротора. Необхідність експериментальних досліджень обумовлена наступними обставинами:

· втрати в сталі ВАД із ЛМКО ротора не піддаються точному розрахунку в зв'язку зі зміною магнітної проникності сталі в зоні переходу "обмотка-осердя" за складним законом (м при заливанні обмотки алюмінієм не дорівнює м при заливанні міддю і її сплавами);

· розрахунок теплового стану ВАД із ЛМКО ротора не розглядається в рамках даної дисертаційної роботи і є предметом окремих досліджень;

· розрахунок коефіцієнта збільшення потужності Кр для ВАД із ЛМКО ротора є орієнтовним;

· у зв'язку з демпфірувальною дією сплаву міді на рівень звукового тиску і недостатньою вивченістю цього явища розрахунок рівня звукового тиску представляє значні труднощі;

· уперше виконаний розрахунок параметрів і характеристик ВАД із ЛМКО ротора та електропровідності по висоті паза ротора вимагає експериментальної перевірки.

Крім того, проведення експериментальних досліджень дослідних зразків ВАД із ЛМКО ротора для приводу гірничих машин має наступні цілі:

· тестування на точність і достовірність розроблених методів розрахунку електромагнітних і електродинамічних характеристик ВАД, що працюють у мережах електропостачання обмеженої потужності в повторно-короткочасних режимах зі стохастичним навантаженням на валу;

· порівняльна оцінка пускових і робочих характеристик, механічних характеристик і теплового стану ВАД із ЛАКО та із ЛМКО роторів, що випускаються серійно для привода гірничих машин;

· оцінка експлуатаційної надійності ВАД із ЛМКО ротора безпосередньо в приводі гірничих машин для вирішення питання про серійне виробництво ВАД нового покоління.

Приведено опис випробувального устаткування, програми і методів проведення стендових і експлуатаційних випробувань.

Результати цих випробувань показали (табл. 2 та 3), що ВАД із ЛМКО ротора за всіма характеристиками має перваги над ВАД з ЛАКО ротора, а їх експлуатаційна надійність зростає в 1,4...1,6 рази. Продуктивність гірничої машини, оснащеної ВАД із ЛМКО ротора, зростає в середньому на 20%.

Таблиця 2

Результати стендових випробувань ВАД типу 2ЕКВ3,5-100 і ЕКВ3,5-75

Тип електро-двигуна | Характеристика | Uн,

В | Iн,

А | P1,

(S1)

кВт | Pн,

(S1)

кВт | Pн,

(S4)

кВт | ПВ

% | Z,

ч-1 | sн, % | KрКПД

% | cos | ,

°С | Pст,

Вт | Pдоб

Вт | Mп,

Н·м | Mmin

Н·м | Mм,

Н·м | Mуд,

Н·м | Iуд,

А | tп,

с | Pд,

дБАQ,

кг | Розрахунок по методиці ПИЖЦ.520078

з ЛМКО |

660 |

107,9 | 103,7 |

100 | 103 |

60 |

30 | 2,5 | 1,25 | 87,2 | 0,841 |

145 | 2390 | 570 | 903 | - | 1510 | 1026 | 875 | 0,35 | - | 470 | 2ЭКВ3,5-100 із ЛМКО | 104,3 | 103 | 101,4 | 2,7 | 1,34 | 88,0 | 0,85 | 2332 | 550 | 882 | - | 1460 | 1035 | 849 | 0,31 | 65 | 435 | ЭКВ3,5-75 із ЛАКО | 91 | 74,9 | 64 | 75 | 40 | 25 | 4,2 | - | 85,4 | 0,81 | 125 | 2410 | 620 | 800 | 710 | 900 | 992 | 853 | 0,46 | 81 | 530 |

Таблиця 3

Результати стендових випробувань ВАД типу 2ЕКВ3,5-210 і ЕКВ3,5-180

Тип електро-двигуна | Характеристика | Uн,

В | Iн,

А | P1,

(S1)

кВт | Pн,

(S1)

кВт | Pн,

(S4)

кВт | ПВ,

% | Z,

ч-1

sн, % | KрКПД

% | cos | ,

°С | Pст,

Вт | Pдоб

Вт | Mп,

Н·м | Mmin

Н·м | Mм,

Н·м | Mуд,

Н·м | Iуд,

А | tп,

с | Pд,

дБАРозрахунок по методиці ПИЖЦ.520078 з ЛМКО

660 | 222,4 | 218,8 |

200 | 212 |

60 |

30 | 4,25 | 1,19 | 91,4 | 0,868 |

145 | 3870 | 870 | 2420 | - | 3410 | 2750 | 1800 | 0,3 | - | 2ЕКВ3,5-210 із ЛМКО | 215 | 216 | 210 | 4,49 | 1,24 | 92,2 | 0,88 | 3790 | 830 | 2300 | - | 3300 | 2700 | 1750 | 0,25 | 67 | ЕКВ3,5-180 із ЛАКО | 208 | 201,5 | 161 | 180 | 6,5 | - | 89 | 0,85 | 4500 | 1014 | 2500 | 1820 | 2970 | 3100 | 1950 | 0,41 | 80 |

У п'ятому розділі "Надійність, конкурентноздатність і економічна ефективність двигунів з литою мідною короткозамкненою обмоткою ротора" розглянуті питання надійності удосконалених ВАД із ЛМКО ротора, а також їхньої економічної ефективності.

Основним видом відмов високонавантажених ВАД є виплавлення ЛАКО ротора. Допустимий час перебування в найбільш навантаженому режимі (КЗ) розраховується наступним чином

(12)

де - температура плавлення металу обмотки ротора; - початкова температура; - коефіцієнт теплопровідності осердя ротора уздовж його листів; С - теплоємність електротехнічної сталі; - питомий тепловий потік.

У зв’язку з тим, що > , то >. При переході на ЛМКО ротора відмови через її виплавлення цілком усуваються, тому що час перевищує .

З використанням результатів експлуатаційних випробувань, а також імовірнісних характеристик надійності ВАД, установлені нормативні показники надійності ВАД: Тв- наробіток на відмову; - термін служби до першого капітального ремонту; - термін служби до списання.

Установлено, що термічна стійкість ЛМКО ротора майже в 2 рази вище, ніж ЛАКО, що дозволяє істотно зменшити число відмовлень ВАД.

Обґрунтовано необхідність переходу на напругу 1140 В або 3кВ замість 660 В, коли потужність однодвигунового привода досягає 280...315 кВт.

Особливо сприятливо позначається перехід на підвищену напругу на значенні і , що забезпечує зростання перевантажувальної здатності ВАД і, у кінцевому рахунку, надійності.

Оцінено техніко-економічну ефективність і строк окупності ВАД із ЛМКО ротора. У середньому ці показники в 1,5-2,0 рази вище, ніж у ВАД з ЛАКО ротора.

Розглянуто перспективи розвитку електродвигунів нового покоління.

Економічний ефект в Україні при упровадженні ВАД із ЛМКО ротора для привода гірничих машин складає щорічно порядку 45...50 млн.грн./рік.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення ефективності вибухозахищених асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором для приводу гірничих машин, за рахунок поліпшення кількісних і якісних показників технічних характеристик, шляхом застосування литих мідних короткозамкнених обмоток із застосуванням нових форм пазів і перемінної електропровідності стрижнів обмотки по висоті.

Основні наукові і практичні результати полягають у наступному:

· застосування сплавів міді з перемінною по висоті паза ротора електропровідністю унеможливлює використання відомих методів розрахунків пускових і робочих характеристик ВАД із ЛМКО ротора. На підставі цього розроблено метод розрахунку цих характеристик з урахуванням залежності коефіцієнта збільшення активного опору стрижня від ковзання;

· застосування міді і її сплавів замість алюмінію в короткозамкнених обмотках ротора викликає структурні зміни в зубцях ротора, що приводять до нелінійної зміни опору по їх ширині. У зв'язку з цим удосконалено метод визначення залежності перехідного опору "стрижень - зубець ротора" від заливаємого матеріалу та його температури, що дає можливість підвищити точність розрахунку додаткових втрат у роторі від дії поперечних струмів ВАД;

· для гірничих машин ВАД розробляються за умови, що їхні навантажувальні моменти є детерміновані функції часу. Таке допущення не правомірне, тому що більшість ВАД працюють у режимі стохастичного наватаження. Тому уточнено метод розрахунку електромагнітного момента ВАД із ЛМКО ротора при умовах стохастичного навантаження з використанням його амплітудно-частотної характеристики, що дозволяє на стадії проектування вибрати найбільш сприятливе сполучення параметрів двигуна з метою підвищення його перевантажувальної здатності, а тому й надійності;

· існуючі методики розрахунку ВАД з ЛАКО ротора не забезпечують задовільну збіжність розрахунку й експерименту для випадку ВАД із ЛМКО ротора. Тому розроблено методику розрахунку ВАД із ЛМКО ротора, що використовується при проектуванні ВАД нового покоління. За цією методикою розраховані і спроектовані ВАД із ЛМКО ротора типу: ЕКВ3,5-180; ЕКВ4-150-2; ЕКВ5-250В; ЕКВ6-355. По технічній документації (ПИЖЦ 684261.400) на ВАТ ПЭМЗ освоєне виробництво цих двигунів, що відрізняються від аналогів більш високим технічним рівнем і відповідають вимогам міжнародних стандартів;

· порівнянням розрахункових і експериментальних значень характеристик і параметрів ВАД з литою мідною обмоткою ротора для приводу гірничих машин показано, що їхня розбіжність не перевищує 4...5 %, що свідчить про задовільне співпадання розрахунку й експерименту.

ВАД із ЛМКО ротора цілком відповідають вимогам експлуатації, конструктивно мають більш високу надійність і підвищують продуктивність гірничих машин на 20...30%. У двигунах істотно (на 1,5...2 %) підвищено коефіцієнт корисної дії і підвищено коефіцієнт потужності, що дасть значну економію електроенергії в експлуатації. Розроблені двигуни відповідають другому класові економічної ефективності (EFF2) і можуть конкурувати з кращими закордонними зразками.

Економічний ефект від упровадження ВАД із ЛМКО ротора для приводу гірничих машин складає порядку 45...50 млн. грн./рік.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Чувашев В.А., Вареник Е.А., Папазов Ю.Н., Сытник В.В. Экономические аспекты создания взрывозащищенных электродвигателей нового поколения для привода горных машин // Старопромислові регіони Західної і Східної Європи в умовах інтеграції. Збірник наукових праць. -Донецьк: ДонНУ, 2003/-С.423-429.

2. Железняков А.В., Медведев Ю.Л., Мухамедшин Н.А., Папазов Ю.Н., Чувашев В.А. Новое поколение взрывозащищенных асинхронных электродвигателей на базе экологически чистых и ресурсо-энергосберегающих технологий // VII симпозиум "Электротехника 2010". Сборник докладов, Москва, 2003, том 4, С.211-220.

3. Чуванков В.Ю., Чувашев В.А., Папазов Ю.Н., Демченко В.Н. Условия эксплуатации, критерии оценки и технические требования, предъявляемые к современным взрывозащищенным электродвигателям для привода горных машин // Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут". Збірник наукових праць. -Харків: НТУ "ХПІ" .-2002.-Вип.№14.-С.134-141.

4. Чуванков В.Ю., Чувашев В.А., Папазов Ю.Н. Направления совершенствования взрывозащищенных асинхронных двигателей для привода горных машин // Електротехніка і Електромеханіка, Харків, 2002.-№3.-С.70-72.

5. Чувашев В.А., Чуванков В.Ю., Папазов Ю.Н., Мухаметшин Н.А. Совершенствование проектирования взрывозащищенных асинхронных двигателей с литой медной клеткой ротора для привода горных машин // Електротехніка і Електромеханіка, Харків, 2002.-№2.-С.68-74.

6. Чуванков В.Ю., Чувашев В.А., Железняков А.В., Папазов Ю.Н., Демченко В.Н. Электромагнитный момент взрывозащищенного асинхронного электродвигателя с литой медной короткозамкнутой обмоткой ротора при стохастическом нагружении // Електротехніка і Електромеханіка, Харків, 2003.-№4.-С.87-91.

7. Папазов Ю.Н. Экспериментальные исследования взрывозащищенных асинхронных двигателей с литой медной короткозамкнутой обмоткой ротора для привода горных машин // Взрывозащищенное электрооборудование: Сб.научн. тр. УкрНИИВЭ.- Донецк: ООО “Юго-Восток, Лтд”, 2004.-С.194-204.

8. Папазов Ю.Н., Чувашев В.А., Васьковский Ю.Н., Гайденко Ю.А. Анализ механических характеристик короткозамкнутых асинхронных электродвигателей методами теории электромагнитного поля. // Електротехніка і Електромеханіка, Харків, 2005.-№ 1.-С.55-58.

9. Ротор асинхронного електродвигуна. Декл. патент на винахід № 72104А. Чувашев В.А., Мухаметшин Н.А., Чуванков В.Ю., Папазов Ю.М., Москальов Е.П., Железняков А.В., Демченко В.М., Медведєв Ю.Л., Ульман А.М., Чувашев І.В., Лень А.Т. Опубл. 17.01.2005, Бюл. №1.

Особистий внесок здобувача в опублікованих у співавторстві роботах:

у [1] – обґрунтована необхідність переходу на нові форми пазів, що чергуються в активному об’ємі ротора ВАД нового покоління; у [2] - розрахунок залежності коефіцієнта стрижня ротора при різних питомих електропровідностях сплаву міді від ковзання ротора; у [3] - сформульовані критерії оцінки ВАД, виконані їхні розрахунки для двигуна типу 2ЕКВ3,5-90; у [4] – запропоновані способи поліпшення показників технічного рівня ВАД із ЛМКО ротора; у [5] – класифіковані напрямки удосконалення ВАД із ЛМКО ротора і розроблені методи розрахунку окремих параметрів і характеристик; у [6] – виконаний розрахунок амплітудно-частотних і фазо-частотних характеристик ВАД типу 2ЕКВ3,5-210 із ЛМКО ротора, запропонований спосіб врахування стохастичного навантаження при розрахунку електродинамічних характеристик; у [8] - теоретичний аналіз, постановка задачі, розробка математичної моделі, заснованої на розрахунку електромагнітного поля методом кінцевих елементів; у [9] - прийняв участь у підготовці формули патенту п.6: (Пускова обмотка виконана з меньшим числом провідників, ніж робоча).

АНОТАЦІЯ

Папазов Ю.М. Підвищення ефективності вибухозахищених асинхронних електродвигунів для приводу гірничих машин з литою мідною короткозамкненою обмоткою ротора. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата техничних наук за спеціальністю 05.09.01 – Електричні машини і апарати. Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2005.

Дисертація присвячена підвищенню ефективності вибухозахищених асинхронних двигунів (ВАД) з литою мідною короткозамкненою обмоткою (ЛМКО) ротора для приводу гірничих машин. Уперше в практиці розрахунків і проектування ВАД повною мірою враховані умови експлуатації, режими навантаження і технічні вимоги, поставлені до конкретного класу АД.

Розглянуто тенденції розвитку ВАД для приводу гірничих машин і запропоновані напрямки підвищення їх ефективності. Одержан подальший розвиток проектування ВАД для приводу гірничих машин у вугільної промисловості, що відрізняється значними уточненнями, доповненнями і розробкою нових підходів при використанні існуючих методик розрахунку ВАД з ЛМКО ротора. Уперше розроблений метод врахування стохастичного навантаження ВАД на його електромагнітний момент. Виконано чисельні дослідження електромагнітних полів, параметрів і характеристик ВАД із ЛМКО ротора на основі методу кінцевих елементів. Виконано розрахунки ВАД для приводу основних видів гірничих машин (комбайнів, конвейєрів) і на їхній основі спроектовані і виготовлені дослідні зразки ВАД нового покоління. Розглянуто питання надійності, економічної ефективності і конкурентноздатності ВАД із ЛМКО ротора і запропоновані способи їхнього підвищення.

Стендові й експлуатаційні випробування дослідних зразків ВАД із ЛМКО ротора підтвердили їхні високі техніко-економічні показники.

Ключові слова: асинхронний двигун, лита мідна короткозамкнена обмотка, математична модель, повторно-короткочасний режим, стохастичне навантаження, імовірнісні характеристики, амплітудно-частотні характеристики, метод кінцевих елементів.

АННОТАЦИЯ

Папазов Ю.Н. Повышение эффективности взрывозащищенных асинхронных электродвигателей для привода горных машин с литой медной короткозамкнутой обмоткой ротора. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 – Электрические машины и аппараты. Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2005.

Диссертация посвящена вопросам повышения эффективности взрывозащищенных асинхронных электродвигателей (ВАД) с литой медной короткозамкнутой обмоткой (ЛМКО) ротора для привода горных машин в угольной промышленности.

В подавляющем большинстве основным элементом электропривода горной техники являются взрывозащищенные асинхронные двигатели (ВАД). Увеличение их мощности, эффективности и надёжности является условием роста дальнейшей производительности горных машин. Эта задача по актуальности выдвигается на первый план.

Проблема повышения энергетических показателей ВАД является частью национальной программы энергосбережения, сформулированной Государственным комитетом Украины по энергосбережению. В связи с удорожанием электроэнергии её экономное расходование при проведении горных работ приобретает всё большую актуальность.

В соответствии с принятой ЕС классификацией значительная часть ВАД для привода горных машин в Украине остаётся в низшем классе энергетической эффективности (EFF3). Такое положение снижает экспортные возможности Украины и конкурентоспособность на внешнем рынке. Поэтому повышение коэффициента полезного действия (КПД)