НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

Гайденко Юрій Антонович

УДК 621.313.32

ПОЛЬОВИЙ АНАЛІЗ ХАРАКТЕРИСТИК ТА РЕЖИМІВ

РОБОТИ ТЯГОВИХ АСИНХРОННИХ ДВИГУНІВ

Спеціальність 05.09.01 “Електричні машини і апарати”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електромеханіки Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” (НТУУ “КПІ”) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник – | доктор технічних наук, професор

Васьковський Юрій Миколайович, професор кафедри електромеханіки Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” МОН України.

Офіційні опоненти: –

– |

доктор технічних наук, професор

Римша Віталій Вікторович, професор кафедри електричних машин Одеського національного політехнічного університету МОН України;

кандидат технічних наук, с.н.с.

Попович Олександр Миколайович, старший науковий співробітник відділу електромеханічних систем Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ.

Захист дисертації відбудеться “04” березня  р. об 11-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .187.03 Інституту електродинаміки НАН України за адресою: Україна, 03680, м. Київ – , проспект Перемоги, 56. Тел. 456-91-15.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України (03680, м. Київ – , проспект Перемоги, 56)

Автореферат розіслано “16” січня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради О.В. Бібік

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Подальший розвиток та підвищення ефективності вантажної та пасажирської поїзної роботи на залізниці в значній мірі пов’язано з розробкою та впровадженням універсальних електровозів нового покоління, що можуть живитися від електромережі як постійного, так і змінного струму і складаються з уніфікованих базових секцій потужністю 4800 кВт. Розробка універсальних електровозів потребує створення нового та удосконалення існуючого тягового електрообладнання і, насамперед, основних та допоміжних тягових електродвигунів. Такі двигуни можуть бути створені на базі короткозамкнених асинхронних двигунів. Тягові асинхронні двигуни (ТАД) працюють в важких умовах підвищеного нагріву, вологості, сильної забрудненості, обмеженого простору на їх розміщення. Крім того, для цих двигунів, частими є несиметричні режими роботи. Техніко-економічні показники роботи ТАД в значній мірі визначаються вимогами до величини їх пускового моменту та перевантажувальної здатності. Тому розробка та подальше удосконалення конструкцій ТАД для їх використання в складі універсальних електровозів є актуальною науково-технічною проблемою сучасного електромашинобудування.

Традиційні підходи до аналізу і розрахунку ТАД з огляду на специфічність їх функціонування не забезпечують необхідну достовірність розрахункових результатів. Це обумовлено тим, що вони мають багато різного роду допущень і спрощень, та повною мірою не враховують геометричні характеристики і фізичні властивості матеріалів.

Методами, що забезпечують високу достовірність розрахунків, є інваріантними до характеру електромагнітних зв’язків електричної машини, враховують її реальну геометрію та властивості матеріалів є польові та коло-польові методи аналізу. Застосування цих методів дозволяє проводити уточнені дослідження параметрів, характеристик і режимів роботи ТАД і розробляти ефективні технічні рішення.

Таким чином, розробка адекватних польових та коло-польових математичних моделей і удосконалення конструкції ТАД за результатами досліджень, проведених на основі таких моделей, є актуальною науково-технічною проблемою електромеханіки, яка потребує подальшого розв’язання.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота безпосередньо пов’язана із науковою тематикою кафедри електромеханіки НТУУ “КПІ”. Дослідження, резуль-тати яких наведені в дисертації, пов’язані з виконанням держбюджетних НДР: “Дослідження деструктивних процесів в обмотках потужних електричних машин та розробка технічних пропозицій по підвищенню надійності їх функціонування” (шифр 2627-п, № ДР 0103U000287), де автор дослідив режими роботи ТАД при несиметричному живленні обмотки статора; “Науково-методичне забезпечення для обґрунтування режимних параметрів потужних електричних машин в процесі їх модернізації та ремонту” (шифр 2812-п, № ДР 0105U001418), де автор запропонував методику та дослідив процеси в потужних ТАД з к.з. ротором, що мають ушкодження в конструкції “білячої клітки” ротора.

Мета і завдання дослідження. Актуальність розглянутої тематики обумовлює основну мету дисертаційної роботи – розробку науково-методичного забезпечення для польового та коло-польового аналізу характеристик і режимів роботи основних та допоміжних тягових асинхронних двигунів, а також розробку за результатами чисельних досліджень практичних рекомендацій з удосконалення конструкції ТАД.

Реалізація поставленої мети містить в собі розв’язання наступних задач:

· розробку польових математичних моделей, які дозволяють визначати та досліджувати характерис-тики і режими роботи ТАД з урахуванням особливостей їх електроживлення, нелінійних властивостей матеріалів, реальної геометрії, ефекту витіснення струму в стержнях ротора, тощо;

· розробку методик і алгоритмів польового розрахунку механічних та робочих характеристик ТАД в си-метричних усталених режимах роботи;

· розробку методик і алгоритмів розрахунку характеристик ТАД, що працюють в несиметричних ре-жимах роботи;

· розробку коло-польових методів та моделей аналізу динамічних режимів ТАД.

Об’єкт дослідження – основні та допоміжні тягові асинхронні двигуни.

Предмет дослідження – характеристики і режими роботи ТАД.

Методи дослідження – методи математичного моделювання, які базуються на чисельному розв’язанні рівнянь електромагнітного поля ТАД за допомогою методу скінченних елементів (МСЕ). В дисертації використовуються методи теорії нелінійної електротехніки, методи чисельного розв’язання диференційних та алгебраїчних систем рівнянь, сучасні методи в сфері алгоритмізації та програмування.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що на базі польового підходу розроблено методологію ефективного моделювання та визначення характеристик ТАД різного типу в усталених, динамічних і несиметричних режимах роботи з урахуванням особливостей їх функціонування та найважливіших конструктивних факторів. Зокрема:

· розроблено нові польові математичні моделі для аналізу механічних і робочих характеристик основних та допоміжних ТАД з урахуванням їх основних фізичних та конструктивних факторів. Важливою ознакою новизни моделей є те, що уперше струми, індуковані в короткозамкненій обмотці ротора, визначаються безпосередньо в процесі розв’язання рівнянь електромагнітного поля без використання окремого рівняння електричного кола обмотки ротора;

· розроблено методологію, яка за результатами розрахунку електромагнітного поля дозволяє визначити характеристики ТАД при несиметрії напруги живлення обмотки статора. На відміну від традиційних лінійних методів аналізу несиметричних режимів АД розроблена методологія забезпечує високий рівень достовірності результатів моделювання ТАД, для яких характерним є суттєва нелінійність електромагнітних зв’язків;

· розроблено методологію, яка за результатами розрахунку електромагнітного поля дозволяє визначити характеристики ТАД при несиметрії параметрів обмотки ротора. Уперше виявлено та описано явище суттєвого зростання електромагнітних навантажень в стержнях, які межують з ушкодженою ділянкою ротора, що спричиняє лавиноподібну руйнацію обмотки ротора АД;

· розроблено нові коло-польові математичні моделі та методи для аналізу динамічних режимів роботи ТАД, які забезпечують високий рівень достовірності результатів моделювання та суттєву економію витрат процесорного часу ПЕОМ.

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність результатів полягає в тому, що:

· розроблено практичну методику розрахунку механічних та робочих характеристик ТАД в симетричних і несиметричних режимах на основі результатів аналізу розподілу електромагнітного поля;

· сформульовано рекомендації щодо формування оптимальної тягової характеристики частотно-керованого основного ТАД типу СТА_, зокрема вибору оптимального значення граничної частоти переходу від регулювання швидкості при постійному електромагнітному моменті до закону регулювання швидкості при постійній потужності;

· розроблено комплекс технічних рішень і рекомендацій щодо удосконалення конструкції ТАД, направлених на поліп-шення техніко-економічних характеристик цих двигунів. Розроблені технічні рішення і рекомендації щодо двигунів СТА--_і СВА_впроваджено на НВО “Смілянський електромеханічний завод” (м. Сміла);

· результати досліджень впроваджено в навчальний процес і використовуються на кафедрі електромеханіки НТУУ “КПІ” при виконанні студентами бакалаврських та дипломних робіт.

Особистий внесок здобувача. Дисертанту належать всі результати та висновки, що складають основну частину дисертації. У роботах, опублікованих у співавторстві, автору належать наступні результати: у [1, 2] – застосував методи чисельного розв’язання коло-польових математичних моделей електромеханічних перетворювачів енергії; у [3] – розробив математичну модель для аналізу електромагнітного поля в кінцевих клинах ротора потужного турбогенератора в несиметричних режимах роботи; у [4] – розробив та застосував методи польового аналізу для удосконалення конструкції допоміжного ТАД; у [5–7] – розробив методики та виконав дослідження характеристик ТАД в симетричних режимах роботи; у [8, 9] – розробив методики і алгоритми та виконав аналіз характеристик допоміжних ТАД, що працюють в несиметричних режимах.

Апробація результатів дисертації. Основні результати виконаних в дисертації досліджень допові-далися на: 4-ій Міжнародній науково-технічній конференції “Математичне моделювання в електротехніці та електроенергетиці” (м. Львів, 22–25 жовтня 2003 р.); щорічному Міжнародному симпозіумі “Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика (SIEMA’2004), (SIEMA’2005), (SIEMA’2006),” (м. Харків, 20–23 жовтня, 2004 р., 19–22 жовтня, 2005 р., 18–21 жовтня, 2006 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 9 наукових праць у фахових наукових видан-нях, зокрема 6 статей – в наукових журналах, 3 статті – в збірниках наукових праць.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел зі 117 найменувань та додатку. Загальний обсяг роботи становить 162 сторінки, у тому числі 136 сторінок основного змісту, 64 рисунки, 14 таблиць та 1 додаток.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовано мету і задачі досліджень, наведено основні положення, що визначають наукове і практичне значення отриманих результатів досліджень.

У першому розділі розглянуто існуючий стан розвитку тягових асинхронних двигунів та методів їх дослідження.

В розділі здійснено аналіз проблеми математичного моделювання усталених та динамічних режимів ТАД. Виявлено, що існуючі методи аналізу характеристик і режимів роботи ТАД не достатньо враховують багато важливих фізичних особливостей, зокрема сильного насичення магнітопроводу. Відомо, що допоміжні ТАД часто працюють в умовах несиметрії напруги живлення, а також несиметрії параметрів білячої клітки ротора. Тому, надзвичайно важливим є вибір достовірних методів аналізу характеристик допоміжних ТАД, що працюють в несиметричних режимах. В розділі показано, що класичні методи аналізу несиметричних режимів (наприклад, метод симетричних складових) для ТАД не дають достовірних розрахункових результатів, оскільки базуються на принципі суперпозиції, що є справедливим для лінійних систем.

Показано, що методами, які забезпечать високу достовірність результатів розрахунків, є польові та коло-польові методи. Ці методи є інваріантними до характеру електромагнітних зв’язків електричної машини, враховують її реальну геометрію та властивості матеріалів, не потребують емпіричних залежностей і тому є перспективними для використання при розробці та удосконаленні ТАД.

В розділі проведено аналіз літературних джерел з даного напрямку. Показано, що в технологічно розвинутих країнах світу методи моделювання параметрів та процесів електричних машин на базі польових та коло-польових методів інтенсивно розвиваються.

У другому розділі сформульовано теоретичні основи побудови польових та коло-польових математичних моделей відповідно для усталених і динамічних режимів ТАД. У випадку, коли магнітне поле змінюється у часі за гармонійним законом, польова модель ТАД базується на нелінійному диференціальному рівнянні для векторного магнітного потенціалу в електропровідному рухомому середовищі

,

де – магнітна проникність і електропровідність;  – вектори швидкості руху середовища і сторонньої густини струму;  – диференційний набла-оператор; – кутова частота зміни магнітного поля.

Крім рівняння (1) математична модель включає в себе вирази для розрахунку:–

повного магнітного потокозчеплення обмоток ТАД

,

де – площа інтегрування, що складається з сумарної площі поперечного пере-різу сторін усіх послідовно з’єднаних котушок фази, які мають струм одного напрямку; – площа перерізу ефективних провідників в пазу статора; – активна довжина статора; – число витків в котушці обмотки статора в одному пазу;–

фазної ЕРС обмотки статора ТАД

,

де  – частота струму в обмотці статора; –

електромагнітного моменту ТАД

,

де – проекції вектора тензора магнітного натягу на вісі координат.

Польова математична модель, яка описана рівняннями (1) – (4), дозволяє строго врахувати вплив реальної конфігурації активної зони машини і нелінійних властивостей феромагнітних магнітопроводів на характеристики ТАД. Електромагнітне поле моделюється у двовимірному наближенні, тобто у поперечному перерізі активної зони. Вплив лобових частин на характеристики ТАД враховується наближеними методами.

Для розрахунку електромагнітного моменту за виразом (4) застосовується метод тензору магнітного натягу. Чисельна реалізація цього методу у випадку двомірного електромагнітного поля потребує чисельного інтегрування тільки уздовж довільної замкнутої лінії, яка, охоплює плоску фігуру.

Було розроблено методи та алгоритми визначення за результатами розрахунку поля інтегральних (механічних та робочих) характеристик ТАД в усталених режимах роботи. Для розрахунку інтегральних характеристик ТАД необхідно визначити (або задати) струми в пазах ротора. Запропоновано два методи для визначення цих струмів: метод векторних діаграм і метод індукованих струмів. Метод векторних діаграм заснований на попередньому завданні джерел поля - струмів у пазах ротора, які знаходяться у результаті побудови векторної діаграми ТАД. Цей метод може ефективно застосовуватися для розрахунку характеристик при малих (номінальних) ковзаннях. Метод індукованих струмів заснований на безпосередньому розрахунку струмів в стержнях ротора в результаті розв’язання загального польового рівняння (1) і дозволяє строго врахувати вплив ефекту витіснення струмів в стержнях при будь-якій величині ковзання. Порівняльний аналіз цих методів дозволив зробити висновок, що метод індукованих струмів є більш строгим, точним і універсальним.

Кожна точка механічної характеристики розглядається як сталий режим роботи ТАД. Алгоритм розрахунку характеристики складається з наступних етапів.

1. У відповідності з технологією методу скінченних елементів розробляється скінченно-елементна модель ТАД, яка складається з сітки скінченних елементів, що покриває розрахункову область (графічне зображення конструкції поперечного перерізу ТАД), коефіцієнтів, що відображають фізичні властивостей матеріалів, які заповнюють активну зону АД, джерел поля (густин струмів в пазах статора, де розташовані витки обмоток, підключених до джерел напруги живлення).

2. За-даючись будь-яким значенням ковзання в заданому діапазоні та довільним (прогнозованим) значенням струмів фаз статора, розраховується розподіл електромагнітного поля в актив-ній зоні двигуна.

3. З одержаного розподілу електромагнітного поля за виразом (2) розраховується повне магнітне потокозчеплення кожної фази.

4. Розраховується ЕРС кожної фази обмотки статора за виразом (3).

5. Порівнюючи отримані значення індукованих фазних ЕРС з заданою системою ЕРС, що живить двигун, робиться висновок щодо відповідності цих значень. Якщо розрахована система ЕРС відрізняється від заданої, надалі ітераційним методом підбирається така система струмів в фазах обмотки статора, яка забезпе-чує індукування в фазах заданої системи ЕРС. Ця система ЕРС повинна залишатися незмінною для кожного ковзання і характеризує конкретний режим живлення двигуна, що розглядається.

6. Електромагнітний момент знаходиться за формулою (4).

7. Приймаються нові значення ковзання з заданого діапазону і у відповідності з п.2–6, розраховуються характеристики та .

Для практичної реалізації наведеного алгоритму був використаний програмно-обчислювальний комплекс FEMLAB 3.1.

Робочі характеристики визначаються на основі знайдених вище залежностей: і . На базі цих залежностей розраховується відповідно механічна потужність і електричні втрати в обмотці статора . Електричні втрати в стержнях обмотки ротора отримують безпосере-дньо з польового розрахунку інтегруючи густину втрат в стержнях по повній площі їх перерізу. Після визначення за традиційними методиками втрат, що не залежать від польових розрахунків (механічні втрати , втрати в сталі магнітопроводів), розраховуються залежності, які складають робочі характеристики – активна потужність, що споживається двигуном , ККД, і ін.

Запропонована коло-польова математична модель (КПММ), яка використовувалася для аналізу динамічних режимів роботи ТАД, складається з наступних рівнянь: диференціальних рівнянь електричної рівноваги фаз обмотки статора ТАД

,

диференціальних рівнянь механічної рівноваги ротора ТАД

системи алгебраїчних рівнянь, що описує електромагнітне поле у вузлах сітки скінченних елементів, яка покриває розрахункову область ТАД

.

Алгебраїчні вирази, які визначають магнітні потокозчеплення і електромагнітний момент через векторний магнітний потенціал, аналогічні виразам (2) і (4). Заданими величинами в системі (5) – (7) є напруги живлення фаз обмотки статора і параметри , а невідомими – значення потенціалів у вузлах сітки скінченних елементів , де , - число вузлів сітки, струми фаз статора , координата (кут повороту) ротора і кутова швидкість ротору . Основним припущенням, прийнятим при формулюванні моделі (5) –), є припущення, що потокозчеплення і електромагнітні моменти можуть бути однозначно визначені функціональними залежностями, аргументами яких є вектори струмів статора і координати ротора ТАД. Рівняння (7) формується після алгебраїзації крайової задачі у відповідності з методом скінченних елементів.

З огляду на трудомісткість розв’язання КПММ важливою проблемою є розробка та вибір ефективних чисельних методів їх розв’язання, які з одного боку забезпечують точність результатів, а з іншого – заощаджують процесорний час обчислювальних ПЕОМ. В роботі розроблено, удосконалено та досліджено переваги і недоліки трьох різних методів розв’язання КПММ, а саме: методу покрокового інтегрування, методу динамічних характеристик і методу поділу змінних.

У третьому розділі польовими методами проведено дослідження, визначення та удосконалення характеристик основного частотно-керованого ТАД з короткозамкненим ротором потужністю 1200 кВт типу СТА-1200, що працює у складі базової чотирьохосьової секції електровоза потужністю 4800 кВт. Електроживлення і частотне регулювання швидкості обертання двигуна здійснюється від спеціального перетворювача частоти (ПЧ), розробленого і виготовленого фірмою “Siemens”. Відповідно до представленої фірмою “Siemens” інформації перетворювач частоти формує закон керування тяговим асинхронним двигуном, що складається з двох режимів регулювання (рис.1): на етапі розгону двигуна забезпечується незмінність його електромагнітного моменту (тягового зусилля) , при цьому перетворювач частоти автоматично підтримує постійним відношення , а на другому етапі практично не змінюється активна потужність двигуна , при цьому величина напруги підтримується постійною.

Рис. 1. Тягова характеристика двигуна СТА-1200

В роботі було доведено, що при встановленому фірмою “Siemens” законі частотного керування, при якому перехід від режиму з до режиму з (або ) відбувається на частоті 48,5 Гц, в районі вказаної частоти 48,5 Гц у двигуна СТА -1200 спостерігається істотне (на 12 … 15%) збільшення електромагнітного моменту, струму статора і зниження (рис.2). Це пояснюється зміною магнітного стану магнітопроводу двигуна і, як наслідок, зміною його електричних параметрів. Частота 48,5 Гц встановлена виходячи з умов оптимальної сумісної роботи ПЧ “Siemens” і відповідного двигуна німецького виробництва. Конструкція українського двигуна дещо відрізняється від конструкції німецького двигуна-аналога. Тому, у разі використання ПЧ “Siemens” для сумісної роботи з СТА-1200, зазначена гранична частота потребує корекції у бік більших значень.

Встановлено, що для забезпечення незмінності параметрів СТА-1200 на усьому діапазоні робочих частот доцільно збільшити граничну частоту від 48,5 Гц до 54 Гц (рис.3).

Рис. . Залежність від частоти напруги живлення

Рис. . Залежність від частоти напруги живлення при поліпшеному законі регулювання

Створення оптимального комплексу ПЧ “Siemens” – СТА_потребує прийняття узгоджених технічних рішень щодо удосконалення законів керування ПЧ і щодо вибору оптимальних параметрів ТАД.

В розділі також виконано дослідження та порівняльний розрахунковий аналіз робочих характеристик двох варіантів виконання частотно-керованого двигуна СТА-1200 – з мідною і алюмінієвою клітками ротора. Аналіз показав, що варіант двигуна СТА-1200 з мідною кліткою має кращі енергетичні характеристики (наприклад, ККД більше на 0,44%), більш високий ступінь надійності і може бути рекомендований як основний варіант виконання. Стержні короткозамкненої клітки ротора повинні мати максимально допустиму площу поперечного перерізу і розміщуватися в неглибоких широких пазах.

У четвертому розділі польовими методами проведено дослідження характеристик і режимів роботи допоміжного ТАД потужністю 55 кВт типу СВА-55, призначеного для приводу компресорів у складі електровоза.

Експлуатація двигунів супроводжується частими пусками при повному моменті навантаження на валу, а також підвищеним нагрівом вузлів конструкції через важкі умови вентиляції. Результати випробувань і подальшої експлуатації зразків двигуна показали частий вихід з ладу, як обмотки статора, так і короткозамкненої клітки ротора. Так, в обмотці статора виникав пробій ізоляції, а в стержнях ротора з’являлися тріщини, розриви і обгорілі ділянки.

Було встановлено, що початковий варіант СВА-55 характеризується низьким значенням =0,63 і надмірно високою температурою обмотки статора 205 0С. Це обумовлено неоптимальним вибором геометрії пазів статора, і, як наслідок, високим насиченням зубців статора. Магнітна індукція в зубцях статора перевищує значення 2,28 Тл. При цьому двигун має надмірний запас по кратності пускового моменту – 4,29 в.о. (1566Нм) і надмірно високу кратність пускового струму – 8,75 в.о. (1313А).

Польовими методами досліджено і запропоновано три удосконалених варіанта конструкції СВА-55, кожний з яких забезпечує підвищення енергетичних показників двигуна і відповідає різним ступеням модернізації конструкції. В основі розглянутих варіантів лежить рекомендація щодо використання на роторі двохкліткової обмотки, одна з яких (пускова клітка) виконана з латуні, а друга(робоча клітка) виконана з міді. Інша технічна пропозиція пов’язана з оптимізацією геометрії зубцово-пазових зон, як статора, так і ротора. Показано, що доцільним є зменшення повітряного проміжку з 1,1 мм до 0,9 мм. Виявлено найкращий варіант конструкції СВА-55, в якому температура обмотки статора знизилася на 18 0С, збільшено з 0,63 до 0,672, а кратність пускового моменту зросла з 4,29 в.о. до 4,40 в.о. Пусковий струм практично залишився незмінним (1321 А проти 1313 А в початковій конструкції).

Був проведений порівняльний аналіз характеристик ТАД розрахованих традиційним і польовим методами. Встановлено, що для ТАД з двохклітковою конструкцією ротора, розрахункові результати одержані за допомогою традиційного методу (пунктирна лінія) суттєво (більш ніж на 35%) відрізнялись від результатів одержаних польовим методом (суцільна лінія) (рис.4), в той час як результати розрахунку ТАД з одноклітковою конструкцією обмотки ротора, що отримані цими методами, суттєво не відрізнялись (рис.5). Це свідчить про великі похибки традиційного методу при аналізі двохкліткових АД.

Рис. . Механічна характеристика СВА-55 з двохклітковою обмоткою ротора

Рис. . Механічна характеристика СВА-55 з одноклітковою обмоткою ротора

В даному розділі також був проведений польовий аналіз несиметричних режимів роботи допоміжних ТАД, оскільки ці двигуни працюючи у складі електровозу отримують живлення від розщеплювачів фаз, які, в залежності від навантаження, можуть створювати значну несиметрію трифазної напруги живлення.Традиційний метод симетричних складових для аналізу несиметричних режимів роботи ТАД базується на принципі суперпозиції і не забезпечує необхідної точності розрахунків характеристик ТАД, особливо в несиметричних режимах, пов’язаних з несиметричністю конструкції обмотки ротора. На противагу методу симетричних складових польовий метод аналізу забезпечує високу достовірність результатів. Цей висновок підтверджено результатами експериментальних досліджень лабораторного зразка АД, проведених автором на кафедрі електромеханіки Національного технічного університету “КПІ”.

На прикладі СВА-55 показано значне погіршення енергетичних показників двигуна при несиметрії напруги живлення, а також знайдено зв’язок цих показників з величиною коефіцієнту несиметрії. Наприклад, при рівні несиметрії 25% ККД двигуна зменшується з 0,9 до 0,75, а – з 0,67 до 0,64.

Базуючись на отриманих результатах розрахунку досліджуваного СВА-55 був зроблений висновок, що при ступені несиметрії напруги живлення більше ніж 5% двигун перегрівається і може вийти з ладу. Тому у цих випадках доцільно рекомендувати вимкнути двигун не пізніше ніж через 10 хвилин після виникнення несиметрії живлення, або зменшити навантаження в 1,5-2,3 рази при рівні несиметрії 10-25%.

Іншим, дуже важливим, видом несиметрії є несиметрія параметрів обмотки ротора АД. Як показує практика експлуатації допоміжних ТАД, цей вид несиметрії виникає в них достатньо часто в результаті ушкодження стержнів і к.з. кілець ротора. Польовий метод аналізу дозволив уперше дослідити несиметричні режими АД з ушкодженою обмоткою ротора при різних варіантах її руйнації та для різної кількості ушкоджених стержнів.

Наслідком обриву стержнів є значна деформація магнітного поля (рис.6, 7), що призводить до надмірного насичення окремих ділянок магнітопроводу, спотворення кривої ЕРС, а також до зниження і ККД.

В ході польового аналізу вперше було виявлено, що в стержнях, які знаходяться поруч з ушкодженими значно (у 1,5 … 2,3 рази) збільшуються електричні втрати та нагрів. Це призводить до подальшої лавиноподібної руйнації стержнів ротора, що межують з ушкодженою ділянкою, та повної зупинки ротора. Крім того, при поступовому виходу з ладу стержнів збільшується і ступінь несиметрії, що призводить до додаткового навантаження на обмотку статора. Таким чином недоцільно використовувати АД з обірваними стержнями, навіть якщо їх кількість незначна. Проте при невеликій кількості ушкоджених стержнів допускається короткочасна робота ТАД при відповідному зменшенні його навантаження.

Рис. . Розподіл векторного магнітного потенціалу АД при обриві двох стержнів в умовах пуску

Рис. . Розподіл векторного магнітного потенціалу АД при обриві восьми стержнів в умовах пуску

В роботі також було порівняно вплив різних видів несиметрії на характеристики досліджуваного ТАД. Було з’ясовано, що руйнація стержнів ротора більш суттєво впливає на показники двигуна, ніж несиметрія напруги живлення. Наприклад, приблизно однакове погіршення роботи СВА-55 виникає при і при (що складає лише 10% від усієї кількості стержнів ротора).

П’ятий розділ присвячено дослідженню динамічних режимів роботи допоміжних ТАД.

Класичний підхід до математичного моделювання динамічних режимів ТАД, заснований на використанні теорії узагальненої ЕМ, не дозволяє врахувати нелінійні електромагнітні зв’язки в машині і не забезпечує необхідної точності розрахунків. Для достовірного аналізу динамічних режимів ТАД необхідно використовувати КПММ (5) – (7), яку було сформульовано у розділі 2.

Встановлено, що серед чисельних методів розв’язання КПММ ТАД найточнішим є метод покрокового інтегрування, який є найбільш загальним і не потребує знаходження динамічних параметрів. Він заснований на сумісному розв’язанні рівнянь електричних кіл та електромагнітного поля машини. Проте, при розрахунку на ПЕОМ, цей метод вимагає значних витрат процесорного часу і пам’яті.

В роботі було виконано моделювання процесу пуску допоміжного ТАД типу СВА-55 при симетричному і несиметричному живленні. Практична реалізація розв’язання КПММ здійснювалася за допомогою поєднання потужних програмно-обчислювальних комплексів MATLAB і FEMLAB.

Показано, що несиметрія напруги живлення викликає пульсації моменту (рис.8) (амплітуда яких вдвічі більша від усталеного значення при симетрії) і швидкості обертання ротора СВА-55 (рис.9) з частотою , що призводить до появи вібраційних радіальних сил, що погіршують віброакустичні показники і надійність машини.

Рис. 8. Залежність СВА-55 при симетричному і несиметричному живленні

Рис. . Залежність СВА-55 при симетричному і несиметричному живленні

При несиметрії напруги живлення величина моменту в процесі розгону двигуна менше ніж у випадку симетричного живлення. Так, при коефіцієнті несиметрії 25% зменшення амплітудного значення моменту складає 24%. Крім того, час розгону двигуна збільшується на 35%. Ця обставина погіршує пускові властивості двигуна при увімкненні його на повне навантаження.

В додатку містяться акти про використання результатів роботи на НВО “СЕМз” (Україна, м. Сміла).

ВИСНОВКИ

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

1. Традиційні математичні моделі та розрахункові методи, які дотепер використовувалися для розробки ТАД, базуються на теорії узагальненої електричної машини з постійними параметрами. Ці моделі часто не відображають особливості конструкції і специфічні умови роботи ТАД і тому не забезпечують прийняття правильних технічних рішень при їх проектуванні. Найбільш повно врахувати всі чинники, які впливають на харак-теристики ТАД, можна на основі моделей та методів розрахунку електромагнітного поля за рівнян-нями Максвелла. Широке впровадження польових методів аналізу ТАД в практику їх дослідження та проектування стало можливим завдяки не тільки створенню сучасної обчислювальної техніки, але й завдяки розробці ефективних чисельних методів і відповідного програмного забезпечення. Для чисельного розв’язання нелінійних польових математичних моделей ТАД доцільно використовувати метод скінченних елементів.

2. Вперше розроблено обчислювальні алгоритми і методики, що дозволяють використовувати чисельні результати аналізу електромагнітного поля для безпосереднього розрахунку механічних і робочих характерис-тик основних та допоміжних ТАД.

3. На основі розроблених польових методик проведено дослідження та оптимізацію характеристик основного ТАД потужністю 1200 кВт при частотному регулюванні його напруги живлення. Комплексне дослідження системи ПЧ – ТАД, яка складається з ПЧ фірми “Siemens” та двигуна СТА-1200, розробленого НВО “СЕМз” (Україна, м. Сміла), дозволило виявити недолік в заданому законі управління двигуном, який запрограмований в штатних налаштуваннях ПЧ “Siemens”. Цей недолік пов’язаний з неточним для СТА-1200 вибором граничної частоти 48,5 Гц переходу від режиму регулювання з до режиму регулювання з (або ). Показано, що в районі частоти 48,5 Гц спостерігається істотне (на 12 … 15%) збільшення електромагнітного моменту, струму статора і зниження , що пояснюється зміною магнітного стану магнітопровода двигуна і, як наслідок, зміною його електричних параметрів. Рекомендовано вказаний недолік усунути шляхом корекції штатного закону частотного регулювання ПЧ “Siemens” шляхом збільшення граничної частоти переходу від першого режиму управління до другого. Для забезпечення незмінності параметрів двигуна СТА-1200 на всьому діапазоні робочих частот необхідно збільшити граничну частоту від 48,5 Гц до 54 Гц. Результати і рекомендації щодо вибору оптимальних конструктивних параметрів СТА-1200 впроваджено на НВО “СЕМз” (Україна, м. Сміла).

4. За допомогою розроблених польових методик проведено дослідження та удосконалення конструкції допоміжного ТАД СВА_. В результаті запропонованих варіантів конструкції основні енергетичні показники двигуна значно покращилися, а нагрів його елементів – зменшився. Так, температура обмотки статора знизилася на 18 °С, значення збільшилося з 0,63 до 0,672, при тому, що кратність пускового моменту зросла з 4,29 в.о. до 4,40 в.о. При цьому ударні значення пускового струму залишилися практично незмінним (1321 А проти 1313 А в початковій конструкції). Результати і рекомендації щодо вибору оптимальних конструктивних параметрів СВА_впроваджено на НВО “СЕМз” (Україна, м. Сміла).

5. Розроблено методику та проведено дослідження роботи допоміжного ТАД в несиметричних режимах роботи. Розглянуто два види несиметричних режимів – при несиметрії трифазної напруги живлення і при несиметрії параметрів короткозамкненої обмотки ротора типу “білячої клітки”. Показано, що при ступені несиметрії напруги живлення більше ніж 5% при незмінному номінальному навантаженні двигун перегрівається і може вийти з ладу. Тому в цих випадках доцільно рекомендувати вимкнути двигун не пізніше ніж через 10 хвилин після виникнення несиметрії живлення. При рівні несиметрії 10-25% необхідно зменшити навантаження в 1,5 - 2,3 рази.

6. На лабораторному стенді проведено експериментальні дослідження та обґрунтування достовірності польових методів для розрахунку несиметричних режимів асинхронних машин. Порівняння експериментальних даних з розрахунковими даними, отриманими методом симетричних складових та польовим методом, показало суттєво меншу розрахункову похибку у разі використання польових методик, що підтверджує доцільність їх практичного впровадження.

7. Уперше проведені дослідження впливу кількості обірваних стержнів ротора на характеристики ТАД показали, що наслідком обриву стержнів є значна деформація магнітного поля, яка призводить до надмірного насичення окремих ділянок магнітопроводу, спотворення кривої ЕРС, а також до зниження і ККД. В стержнях, що знаходяться поруч з ушкодженими значно збільшуються електричні втрати та нагрів. Це призводить до подальшої лавиноподібної руйнації стержнів ротора, що межують з ушкодженою ділянкою, та до повної зупинки ротора. Крім того, при поступовому виходу з ладу стержнів збільшується і ступінь несиметрії, що призводить до додаткового навантаження на обмотку статора. Проте при невеликій кількості ушкоджених стержнів допускається короткочасна робота ТАД при відповідному зменшенні його навантаження. Польові методики є універсальними та дозволяють розрахувати характеристики АД і у випадках більш складної та комбінованої руйнації обмотки ротора, на-приклад при обриві кількох стержнів, що лежать в різних місцях клітки ротора. Розроблена методика визначення характеристик АД в несиметричних режимах може лягти в основу систем діагностики стану двигунів та методів раннього попередження їх аварійного стану.

8. В роботі показано, що застосування польового методу аналізу характеристик ТАД є необхідним і особливо актуальним для двохкліточних АД. Це пояснюється тим, що при ковзанні похибка класичного методу розрахунку є надзвичайно великою – до 35% і вище, що в ряді випадків взагалі не дозволяє отримати адекватної розрахункової інформації.

9. Для аналізу динамічних режимів роботи ТАД розроблено нові коло-польові методи та алгоритми. Досліджено процес пуску допоміжного ТАД СВА_при симетричній і несиметричній напрузі живлення. Показано, що при несиметрії напруги живлення величина моменту в процесі розгону двигуна є меншою, ніж у випадку симетричного живлення. Так, при коефіцієнті несиметрії 25% зменшення амплітудного значення моменту складає 24%. Крім того, час розгону двигуна збільшується на 35%. Ця обставина погіршує пускові властивості двигуна при увімкненні його на повне навантаження.

10. Одержані в дисертації результати рекомендується до впровадження при удосконаленні конструкцій потужних ЕМ – турбо- і гідрогенераторів та ін., а також при створенні систем діагностики та раннього попередження аварійного стану АД.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Васьковский Ю.Н., Гайденко (Гибель) Ю.А. Моделирование динамических режимов электромеханических преобразователей цепно-полевыми методами в системе MATLAB – // Електротехніка і електромеханіка. – 2003. – №4. – С. 16–20.

2. Васьковський Ю.М., Гайденко (Гибель) Ю.А. Методи розв’язання коло-польо-вих математичних моделей електромеханічних перетворювачів енергії // Вісник НУ “Львівська політехніка”. – 2003. – №485. – С. –201.

3. Васьковский Ю.Н., Цывинский С.С., Гайденко Ю.А. Оптимизация концевых клиньев ротора турбогенератора для повышения надежности его работы в несимметричных режимах // Електротехніка і електромеханіка. – 2004. – №3. – С. –28.

4. Папазов Ю.Н., Чувашев В.А., Васьковский Ю.Н., Гайденко Ю.А. Анализ механических характеристик короткозамкнутых асинхронных электро-двигателей методами теории электромагнитного поля // Електротехніка і елек-тромеханіка. – 2005. – №1. – С. –58.

5. Васьковский Ю.Н., Гайденко Ю.А., Цывинский С.С., Трофимов В.А., Русятинский А.Е. Формирование тяговой характеристики частотно-регулируемого асинхронного электродвигателя, предназначенного для привода электровоза // Вісник КДПУ. – 2005. – №4/2005 (33). – С. –136.

6. Васьковский Ю.Н., Гайденко Ю.А., Цывинский С.С. Определение интегральных характеристик электрических машин методами теории электромагнитного поля // Електротехніка і електромеханіка. – 2006. – №1. – С. –32.

7. Васьковский Ю.Н., Гайденко Ю.А. Применение полевого анализа для усовершенствования конструкции тяговых асинхронных двигателей // Електромашинобудування та електрообладнання. – 2006. – Вип.67. – С. –94.

8. Васьковський Ю.М., Гайденко Ю.А. Моделювання методами теорії поля характеристик тягових асинхронних двигунів в несиметричних режимах роботи // Технічна електродинаміка. – 2006. – №6. – С. 37–41.

9. Васьковський Ю.М., Гайденко Ю.А. Несиметричні режими роботи короткозамкнених асинхронних двигунів власних потреб гідроелектростанцій // Гідроенергетика України. – 2006. – №4. – С. –35.

АНОТАЦІЇ

Гайденко Ю. А. Польовий аналіз характеристик та режимів роботи тягових асинхронних двигунів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 – електричні машини і апарати. – Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2008.

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

Ключові слова: тяговий асинхронний двигун, польова математична модель, інтегральна характеристика, несиметричний режим.

Гайденко Ю.А. Полевой анализ характеристик и режимов работы тяговых асинхронных двигателей. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 – электрические машины и аппараты. – Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2008.

Диссертация посвящена проблеме математического моделирования установившихся и динамических режимов работы тяговых асинхронных двигателей на основе методов теории поля. Актуальность такого подхода обусловлена невозможностью достоверного определения параметров и характеристик ТАД работающих в различных режимах работы на основе классических методов, основанных на линейной теории электрических машин. Такие методы в полной мере не учитывают реальную геометрию машины и физические свойства материалов.

В диссертации разработано научно-методическое обеспечение для полевого и цепе-полевого анализа характеристик и режимов работы основных и вспомогательных ТАД. Разработанное научно-методическое обеспечение включает в себя: полевые математические модели, которые позволяют определять и исследовать характеристики и режимы работы ТАД с учетом особенностей их эксплуатации, нелинейных свойств материалов, реальной геометрии, эффекта вытеснения тока в стержнях ротора, и т.п.; методологию определения интегральных (механических и рабочих) характеристик ТАД в симметричных и несимметричных установившихся режимах работы, непосредственно из анализа электромагнитного поля в активной зоне двигателя и без применения схем замещения; методологию цепе-полевого моделирования динамических режимов ТАД. В работе, в качестве объектов исследования, приняты основной частотно управляемый ТАД с короткозамкнутым ротором мощностью 1200 кВт типа СТА-1200 и вспомогательный ТАД мощностью 55 кВт типа СВА-55.

На основе разработанных