Содержание к диссертации
Введение
1. Конструкция и область применения асинхронных двигателей с двухслойными роторами
1.1. Конструкция и особенности двухслойного ротора. 7
1.2. Сравнительный анализ работы АДЦР и АДКР в судовом электроприводе II
1.3. Выводы 25
2. Особенности электромагнитных переходных процессов в массивном ферромагнитном роторе
2.1. Постановка задачи 27
2.2. Интегральное уравнение для плотности тока в двухслойном роторе 33
2.3. Переходные процессы в двухслойном роторе при включении на постоянное по знаку напряжение. 41
2.4. Переходные процессы в двухслойном роторе при включении на синусоидальное напряжение 60
2.5. Исследование переходных процессов в двухслойном роторе на АВМ 76
2.6. Выводы 92
3. Особенности электромагнитных переходных процессов в асинхронных двигателях с центральным ротором при пуске
3.1. Постановка задачи 95
3.2. Сравнительная оценка электромагнитных переходных моментов АДЦР и АДКР 97
3.3. Выводы III
4. Особенности переходных процессов в асинхронные двигатели с центральным ротором при пульсирующей нагрузке
4.1. Анализ работы асинхронного двигателя при пульсирующей нагрузке 115
4.2. Сравнительная оценка работы асинхронных двигателей с короткозамкнутым и двухслойным роторами при пульсирующей нагрузке 131
4.3. Выводы 133
5. Экспериментальная оценка переходных процессов асинхронных двигателей с короткозамкнутым и двухслойным роторами
5.1. Общие сведения 135
5.2. Экспериментальная оценка переходных процессов АДДР и АДКР при пуске 138
5.3. Экспериментальная оценка работы АДЦР и АДКР при пульсирующей нагрузке 152
5.4. Экспериментальная оценка переходных процессов
АДДР и АДКР при повторных включениях 157
5.5. Экспериментальная оценка переходных процессов АДЦР и АДКР при коротком замыкании 160
5.6. Выводы 161
Заключение 166
Литература 170
Приложение 177
- Конструкция и особенности двухслойного ротора.
- Интегральное уравнение для плотности тока в двухслойном роторе
- Сравнительная оценка электромагнитных переходных моментов АДЦР и АДКР
- Анализ работы асинхронного двигателя при пульсирующей нагрузке
- Экспериментальная оценка переходных процессов АДДР и АДКР при пуске
Введение к работе
В материалах ХХУІ съезда КПСС и Пленумов ЦК КПСС особое внимание уделяется повышению производительности труда в народном хозяйстве страны. Важная роль в повышении производительности труда принадлежит средствам автоматизации и механизации производственных процессов, основой которых является современный электропривод. Основным элементом электропривода большинства механизмов, используемых во всех отраслях народного хозяйства, являются асинхронные электродвигатели. В народнохозяйственном парке электродвигателей они составляют по количеству 90%, по мощности-лримерно 55%, Они потребляют более 40% вырабатываемой в стране электроэнергии.
В судовых условиях почти 95% от общего количества электродвигателей составляют короткозамкнутые асинхронные электродвигатели, а потребляют они более 70% мощности судовой электростанции.
В настоящее время на судах мощность многих механизмов составляет сотни киловатт и имеет тенденцию к дальнейшему увеличению. В частности, значительную мощность имеют средства активного управления движением судна-крыльчатые движители, подруливающие устройства, рулевые устройства и т.д. При этом стремятся использовать наиболее простые и дешевые короткозамкнутые асинхронные электродвигатели и применять прямой пуск. Однако мощности асинхронных электродвигателей, применяемых в настоящее время на судах, весьма часто соизмеримы (а иногда и равны) с мощностью генераторных агрегатов судовой электростанции. В связи с этим возникают проблемы пуска, динамических режимов работы мощных электроприводов, качества электроэнергии и устойчивой работы генераторных агрегатов.
Поэтому создание надежных конструкций асинхронных двигателей, улучшение их технико-экономических показателей работы, правильный их выбор и эксплуатация являются важной народнохозяйственной зада- чей и играют большую роль в экономии материальных и трудовых ресурсов в нашей стране.
Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором (АДКР) просты в изготовлении и эксплуатации, дешевые, имеют высокие энергетические показатели. Известны асинхронные электродвигатели с иной конструкцией ротора, в частности, асинхронные электродвигатели с массивным ротором (АДМР), которые имеют ряд бесспорных достоинств перед АДНР. Однако эффективное внедрение АДМР в электропривод было ограничено по причине низких энергетических показателей при номинальном скольжении. В последнее время характеристики АДМР удалось существенно улучшить благодаря применению двухслойной конструкции ротора (АДЦР) и применению сплава с оптимальными электромагнитными свойствами.
Достоинства АДЦР заключаются в простоте и надежности конструкции ротора и лучших пусковых характеристик относительно АДКР - при меньших кратностях пускового тока пусковой момент у них больше.
Известно, что в переходном процессе на двигатель и привод воздействуют не статические, а электромагнитные переходные моменты, величина которых может оказаться значительно больше статических моментов.
Механическая прочность двигателя, механизма, механической передачи, а также надежность работы привода во многом определяется именно электромагнитными переходными моментами.
Так как АДЦР имеют больший статический пусковой момент относительно АДКР, возникает вопрос: не приведет ли применение АДЦР к увеличению электромагнитных переходных моментов.
В связи с этим в работе решается задача-исследовать электромагнитные переходные моменты АДЦР и сравнить их относительно АДКР, имея в виду, что статические пусковые моменты у АДЦР больше,чем у
АДКР, на основании чего выяснить особенности протекания переходных процессов в двигателях с двухслойным ротором.
В работе решена и другая задача: АДЦР внедрен в типовой судовой электропривод (электропривод пожарного насоса мощностью 55 кВт), произведена сравнительная оценка работы этого привода с АДЦР и АДКР.
Научная и техническая новизна диссертационной работы состоит в следующем:
1. Исследованы электромагнитные процессы, протекающие в мас сивном ферромагнитном роторе при изменении режима его работы, в результате чего: получено интегральное уравнение для плотности тока двухслойного ротора в переходном процессе и дано достаточно простое его решение; исследован характер затухания свободных токов в массивном цилиндре двухслойного ротора; исследована особенность электромагнитных переходных моментов у АДЦР по сравнению с АДКР; произведена сравнительная экспериментальная оценка протекания электромагнитных переходных процессов АДЦР и АДКР при пуске, повторных включениях, коротком замыкании.
Произведен теоретический и экспериментальный анализ и выявлены особенности работы АДЦР относительно АДКР при пульсирующей нагрузке.
Разработана конструкция, изготовлен и внедрен АДЦР в электропривод судового пожарного насоса.
На основании выполненных расчетов показана область применения АДЦР в судовом электроприводе.
Разработаны практические рекомендации для расчета электромагнитных переходных процессов АДЦР.
Конструкция и особенности двухслойного ротора
Асинхронные двигатели с массивным ротором (MP) известны давно. Впервые такая машина предложена русским ученым К.И.Шенфе-ром [і] в 1926 году. Известно также,что асинхронные двигатели с массивным ротором (АДМР ) обладают рядом преимуществ перед нормальным короткозамкнутым асинхронным двигателем (АДКР). К числу бесспорных преимуществ АДМР перед АДКР относятся:
- простота и надежность конструкции;
- меньшая кратность пускового тока при большей кратности пускового момента;
- лучшие вибро-шумовые показатели.
Однако эти положительные качества АДМР не всегда могут быть использованы из-за низких СОБф и к.п.д. АДМР в области номинального скольжения.Хорошие пусковые свойства АДМР постоянно привлекали и привлекают внимание специалистов. С целью улучшения характеристик АДМР предложен ряд конструктивных мероприятий -фрезерование пазов и установка медных короткозамыкающих колец L 1, 2 J ,установка медной или латунной втулки [3J , пластинчатый ротор [4 J , омеднение ротора [5j , массивный ротор с беличьей клеткой [б] . Аналогичные конструктивные мероприятия по улучшению характеристик АДМР разработаны в последние годы в ряде зарубеж -ных стран - Японии, США, Италии, Индии, Германии, Англии 7,8, 9, 10 J . В Индии [_7J исследовано влияние осевых пазов на характеристики АДМР, в Англии llOJпроводятся эксперименты с 3-х фазными асинхронными двигателями с многослойными массивными роторами (сталь-медь и сталь-медь-сталь) для повышенных частот, в Японии предложен зубчатый ротор с короткозамкнутой обмоткой, в Италии [_9j исследован биметаллический (омедненный) массивный ротор.
В 1963 году В.С.Могильников показал, что характеристики АДЛР можно улучшить не только с помощью конструктивных мероприятий, но и с помощью выбора материала с оптимальными электромагнитными свойствами для изготовления ротора ІІ] Такой материал вскоре был получен j_I2 .
Интегральное уравнение для плотности тока в двухслойном роторе
Приведенные выше результаты эксперимента и расчетные данные позволяют сделать вывод, что наибольший эффект применения двухслойного ротора наблюдается в электроприводах с динамическими режимами работы - при частых пусках, торможениях, реверсах и т.п. В связи с этим приобретает практический интерес исследования таких режимов работы АДДР» Основное значение для таких режимов работы занимают переходные процессы. Как было показано выше, статический пусковой момент брлыпе у АДДР по сравнению с АДКР, но в переходном процессе на двигатель и привод воздействуют не статические, а электромагнитные переходные моменты, величина которых может оказаться значительно больше статических моментов. Известно, что механическая прочность двигателя и привода, а также надежность работы привода во многом определяется именно электромагнитными переходными моментами.
В связи с этим в работе и решается задача - исследовать электромагнитные переходные моменты АДДР и сравнить их относительно АДКР, имея в виду, что статические пусковые моменты у АДДР больше, чем у АДКР.
Методы исследования переходных процессов могут быть различны. Но в любом случае для расчета и анализа переходных процессов любого асинхронного электропривода важно правильно определять параметры асинхронного электродвигателя. Под параметрами, определяющими свойства асинхронной машины в переходных режимах,обычно понимают активные сопротивления статора и ротора, а также реактивности рассеяния статора, ротора и взаимоиндукции. В дальнейшем под параметрами статора и ротора асинхронной машины мы будем понимать активные сопротивления ( Г и tz /S ) и реактивности рассеяния ( ЦА и LfcflT )
Обычно определение параметров статора асинхронного двигателя с двухслойным ротором не вызывает затруднений, так как обычно в качестве статора АДЦР используется статор нормального коротко-замкнутого асинхронного двигателя, обмотка которого остается без изменений. Поэтому параметры статора АДДР определяются по хорошо известным формулам теории машины переменного тока 27 34] , при этом полагается, что влияние массива ротора на параметры статора оказывается незначительным зі] ,
Сравнительная оценка электромагнитных переходных моментов АДЦР и АДКР
Важной частью эксплуатационных режимов асинхронного электропривода является пусковой режим, под которым подразумевается процесс перехода электропривода из неподвижного состояния в состоя -ние движения до установившейся частоты вращения.
Особую важность проблема пуска асинхронных электроприводов приобрела в судостроении, где часто мощности электроприводов соизмеримы по мощности с источниками электроэнергии. При прямом пуске асинхронного электродвигателя возникает ток, превышающий номинальный ток в 4-7 раз при низком коэффициенте мощности (0,2--0,4). При соизмеримых мощностях электропривода и генераторного агрегата пусковой ток асинхронного электродвигателя может значительно превысить номинальный ток генератора. Это вызывает значительные провалы напряжения генераторов и может создать значительную перегрузку первичного двигателя. При потреблении от генератора больших токов с низким C0S p система регулирования не способ -на восстановить напряжение генератора до номинального, вследствие этого вращающий момент асинхронного электродвигателя может оказаться меньше момента сопротивления механизма, что сделает невозможным прямой пуск электродвигателя. Кроме того,указанные явления могут нарушить устойчивую работу других работающих асинхронных злектроприводов. В процессе пуска могут возникнуть опасные усилия, воздействующие на обмотки двигателя и рабочий механизм.
Часто данная проблема решается за счет применения специаль-. ных способов пуска или за счет завышения установленной мощности источников электроэнергии, что приводит к ухудшению технико-экономических характеристик электроэнергетической системы,
В первом разделе уже указывалось, что данную проблему можно решить за счет применения двухслойной конструкции ротора асинхронного электродвигателя.
В данном разделе и рассматривается влияние замены коротко-замкнутого ротора двухслойным на переходные процессы при пуске асинхронного электродвигателя»
Вопросам анализа переходных процессов при пуске асинхронных электродвигателей посвящено значительное число работ советских и зарубежных авторов [27,29,32 34,46,51454] .
В указанных работах рассматривается два вида переходных процессов в машинах переменного тока - электромагнитные и электромеханические.
Анализ работы асинхронного двигателя при пульсирующей нагрузке
Ряд производственных механизмов характеризуется периодическим изменением нагрузки, В судовой практике к ним относятся различные поршневые насосы и компрессоры, обычно снабжаемые асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Работа этих механизмов характеризуется колебаниями частоты вращения и тока статора, частыми пусками, возможностью пуска под нагрузкой, В судовых условиях при ограниченной мощности судовой электростанции работа этих механизмов вызывает колебания тока судовой сети и усложняет работу судовой электростанции.
Для таких механизмов целесообразно применять двигатели с мягкой механической характеристикой. Доказано это, в частности, А. Т. Голованом [5б].
Как указывалось ранее, асинхронные двигатели с двухслойными массивными роторами имеют более мягкую механическую характеристику, чем у асинхронных двигателей с короткозамкнутыми роторами. Поэтому АДЦР целесообразно применять для механизмов с пульсирующим моментом сопротивления JJ57,58J.Однако, окончательное решение о целесообразности применения АДЦР зависит от результатов расчета, т.е. когда известны данные о величинах пульсации тока статора, скольжения или частоты вращения и других данных, характеризующих работу асинхронного электропривода при пульсирующей нагрузке.
Расчету асинхронных электроприводов при пульсирующей нагрузке посвящен целый ряд работJJ59,60,61] В этих работах показано, что пренебрежение электромагнитными переходными процессами при расчете приводит к недопустимым погрешностям» Более того - электромагнитные переходные процессы могут явиться причиной появления резонансных явлений в асинхронных электроприводах с пульсирующей нагрузкой.
Точные данные для оценки работы асинхронного электропривода при пульсирующей нагрузке можно получить путем решения на ЦВМ известных уравнений Горева-Парка совместно с уравнением движения электропривода. Однако, при этом теряется восприятие физических процессов, происходящих в электроприводе и требуется довольно большое "машинное время"..
Экспериментальная оценка переходных процессов АДДР и АДКР при пуске
Одним из важнейших режимов работы асинхронного электропривода является процесс пуска. Вопросы поведения асинхронных двигателей при пуске представляют большой интерес с точки зрения определения времени пуска электропривода, нагрева обмоток двигателя и определения допустимого числа включений, определения усилий, воздействующих на обмотки двигателя и рабочий механизм, а также определения возможности пуска асинхронного электропривода при слабых питающих сетях.
В судовых условиях асинхронные двигатели, выбранные по уеловиям нормальной работы, обязательно должны проверяться по пусковому режиму,
В третьем разделе указывалось, что пуск асинхронного электродвигателя сопровождается появлением свободных токов статора и ротора, в результате чего реальные токи и мощность при пуске значительно превышают значения, определяемые по статическим характеристикам двигателя. В этом же разделе показано, что у АДЦР, по сравнению с АДКР, свободный ток ротора затухает быстрее и электромагнитные переходные моменты меньше.
Подтвердим этот вывод экспериментом» С этой целью нами проводилось осциллографирование процесса пуска вхолостую двигателей АОМ-32-4 и МАФ 82-81/2 со штатным короткозамкнутым и двухслойным роторами. Схема опыта в лабораторных условиях представлена на рис. 5,1, а, где ТГ-тахогенератор, ДУ-датчик ускорения, М -асинхронный двигатель, Шт4"Шп - гальванометры осциллографа. Осциллограммы процесса пуска представлены на рис, 5,2 и 5,3, Осуществить измерения момента удалось только в лабораторных условиях для двигателя мощностью 1,5 кВт, Максимальный пик момента в АДДР примерно в 1,4 раза меньше, чем у АДКР, Более того, из осциллограмм видно, что кривая момента АДКР имеет колебательный характер, ясно видны два положительных и два отрицательных пика момента, а кривая момента АДДР не имеет колебаний, виден только один положительный пик момента, а отрицательные пики отсутствуют. Для двигателя мощностью 55 кВт не удалось осуществить измерение момента, но о колебательном характере кривой можно судить по кривой угловой частоты вращения двигателя, т.к. в некоторых областях она имеет колебательный характер.
Похожие диссертации на Асинхронные электродвигатели с двухслойным ротором в судовом электроприводе
