Введение к работе
Актуальность проблемы .,.
Практика создания асинхронных двигателей средней и большой мовщо-;ти. предназначенных для работы в электроприводах с тяжелыми условиями эксплуатации при наличии жестких требований по характеристикам электромеханических переходных процессов привода, вибрации, иуму и надежно-5ти двигателя, приводит к необходимости совершенствования методов рас-іета переходных процессов.- пусков, реверсов, изменений нагрузки на вагу, перерывов питания и т.д., основанных на использовании аналитичес-сих и численных математических моделей.
Целями вычислительного эксперимента при проектировании ЯВЛЯЮТСЯ: определение традиционных интегральных характеристик процесса (токов ї потерь в обмотках двигателя, среднего нагрева обмоток, электромаг-гатного вращающего момента, частоты вращения ротора)і определение дифференциальных характеристик процесса «местных индук-шй, плотностей тока и локальных потерь, а также электродинамических гсилий, являющихся источником вибрации и шума двигателя). /
Все характеристики представляются как функции времени.
Актуальность данной работы обусловлена тем, ч*о применяемые в іастоящее время расчетные методы не всегда позволяют С, достаточной для фактики точностью и минимальными вычислительными затратами учитывать' >акторы, влияющие на характер протекания электромеханического переход-юго процесса в асинхронном двигателе: геометрию обмоток и магнитной [епи, вытеснение тока в обмотке ротора, насыщение стали сердечников татора и ротора, нагрев обмоток. Вследствие этого требуется уточнение іетодов расчета с учетом перечисленных факторов.
Цели работа' разработка методики учета влияния вытеснения тока в обмотке ротора и е нагрева, насыщения стали сердечников статора и ротора на электро-іагнитньїе параметры асинхронного двигателя на основе численного анади-а электромагнитного поля для использования в гасчетах электромехани-еских переходных процессов двигателя с помощью решения системы обык-овенных диффенайальных уравнений асинхронной машинні исследование влияния вытеснения и насыщения на электромагнитные па-аметры ротора и установление критериев, определяющих необходимость их овместного учета;
разработка методики численного расчета нестационарного электромаг-итного поля в поперечном сечении асинхронного двигателя в установив-
шихся и переходных режимах работы с учетом вытеснения тока, насыщения магнитопровода и реального положения ротора при вращении;
разработка методики расчета электромагнитных сил, действующих на статор двигателя, основанной на результатах численного анализа поля с использованием метода конечных элементов первого порядка;
создание на основе разработанных методик комплекса программ, ориентированного на применение персональных компьютеров, снабженного средствами графической интерпретации исходных данных и результатов расчета.
Диссертация выполнялась в соответствии с планом научно-исследова-тельских и опытно-конструкторских работ, проводимых в НИИ ЛПЭО "Электросила" по тематическому плану, а также согласно программе исследований по важнейшим фундаментальным проблемам ГКНТ и АН СССР.
Методика выполнения_исследований
Теоретические и расчетные исследования выполнялись на основе обобщенной, теории асинхронной электрической машины и теории проекцион-но-сеточных методов для расчета плоскопараллельных электромагнитных полей. Полученные результаты сопоставлены с экспериментальными данными и результатами, полученными с.использованием традиционных методов.
Научная новизна работы
1. Разработана методика расчета электромеханических переходных
процессов асинхронного двигателя, основанная на решении системы обык
новенных дифференциальных уравнений асинхронной машины, .позволяющая
выполнять расчеты с учетом произвольной формы пазоз. нагрева, вытесне
ния тока в обмотке ротора при протекании в обмотке апериодических то
ков, а также насыщения стали сердечников статора и ротооа, как без
учета взаимного влияния вытеснения и насыщения, так и с его учетом.
Методика расчета коэффициентов вытеснения активного и индуктивного сопротивлений обмотки ротора позволяет выполнять расчеты без введения в схему замещения нескольких эквивалентных контуров обмотки.
-
Установлен критерий, определяющий необходимость совместного учета влияния вытеснения и насыщения на эквивалентные электромагнитные параметры ротора двигателя.
-
Разработана методика численного расчета нестационарного электромагнитного поля в поперечном сечении.короткозамкнутого асинхронного двигателя в установившихся и переходных режимах работы, позволяющая выполнять расчеты поля на двух полюсных делениях (при любом числе пар полюсов) с учетом реального положения ротора при вращении, вихревых токов в обмотке ротора, нелинейных свойств ферромагнитных материалов
сердечников статора и ротора. Предложенная'математическая формулировка позволяет сокращать вычислительные затраты, а также получать симметричный положительно определенный оператор разностного уравнения и использовать эффективные алгоритмы решения разреженных симметричных систем алгебраических уравнений большой размерности.
-
Предложен способ, позволяющий сокращать число итераций метода Ньютона, необходимых для достижения заданной точности, примерно в 1.5 раза по сравнению с обычно применяемыми методами.
-
Разработана методика расчета объемных и поверхностных электромагнитных сил, действующих на статор асинхронного двигателя, основанная на результатах численного анализа электромагнитного поля в терминах векторного магнитного потенциала с использованием метода конечных элементов первого "порядка. Сделан вывод о возможности уменьшения погрешности определения объемных сил, возникающей при использовании результатов численного расчета поля с помощью метода конечных элементов первого порядка. Разработаны рекомендации для ее снижения до практически приемлемой величины.
-
Проведена оценка влияния насыщения на значения сил и установлено, что распределение объемных сил в гармонический состав поверхностных сил, действующих иа статор, в любых режимах работы следует определять с. учетом-насыщения стали сердечников статора и ротора.
Достоверность основных положений
Основные научные положения и достоверность результатов исследования подтверждаются сопоставлением результатов расчета короткозамкнутых асинхронных двигателей мощностью от 90 до 5000 кВт с результатами, полученными другими методами, а также с экспериментальными данными, полученными на испытательном стенде ЛПЭО "Электросила" и при эксплуатации. .
Практическая ценность работы ......... '
Разработан: и" внедрен комплекс программ, в котором реализованы представленные в диссертации методики, выводы и рекомендации:
расчета электромеханических переходных процессов асинхронного двигателя на основе решения системы дифференциальных уравнений і
численного расчета нестационарного электромагнитного поля в попереч-іом сечений хороткозамкнутого асинхронного двигателя в установившихся ! переходных режимах работы»
расчета электромагнитных сил, действующих на статор асинхронного івигателя в установившихся и переходных режимах работы, на основе чис-
. 3
ленного анализа электромагнитного поля.
Комплекс программ включает в себя пре- и постпроцессорные программные модули, позволяющие контролировать подготовку исходных данных, всесторонне анализировать результаты расчетов с использованием современных средств компьютерной графики. Комплекс предназначен для использования на широко распространенных персональных компьютерах, совместимых с IBM рс/АТ, и может быть использован в качестве удобного и экономичного инструмента, при проектировании асинхронных двигателей.
На зашиту выносится
-
Методика расчета электромеханических переходных процессої асинхронного двигателя, основанная на решении системы дифференциальны: уравнений, учитывающая насыщение магнитопровода, вытеснение тока в обмотке ротора и ее нагрев при ^произвольной форме пазов ротора.
-
Методика численного расчета нестационарного электромагнитного поля в поперечном сочёнии короткозамкнутого асинхронного двигателя і установившихся и переходных режимах работы, позволяющая выполнять расчеты поля на двух полюсных делениях (при любом числе пар полюсов) < учетом насыщения стали сердечников статора и ротора, вихревых токов і обмотке ротора и реального положения ротора при вращении.
-
Методика определения объемных и поверхностных электромагнитны: сил* действуюашх на статор асинхронного двигателя в установившихся і переходных режимах работы, основанная на результатах численного анализа электромагнитного поля, позволяющая находить распределение сил і поперечном сечении двигателя.
-
Выводы я рекомендации, сформулированные на основе обобщени.< результатов проведенных расчетных исследований.
Реализация результатов работы. Разработанные'в'диссертации методики,' программное обеспечение и результаты расчетно-теоретических исследований используются в НИИ ЛЛЭО "Электросила" и ЛОЭЗ НЛО "Электрофизика" с 1988 года, что подтверждается соответствующими актами внедрения.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и об
суждены на I Всесоюзной конференции по' теоретической электротехнике
(Ташкент, 1987), на v Всесоюзной научно-технической конференции "Дина
мические режимы работы электрических машин и электроприводов" (Каунас.
1988), на Всесоюзном научно-техническом совещании "Вопросы проектиро
вания, исследования и производства мощных гурбо-, гидрогенераторов і
крупных электрических машин" (Ленинград; 1988), на v молодежном Сймпо-
4 ' '
эиуме с международным участием "Современные проблемы .электротехнической промышленности" "СИЗЛТ'90" (г.Варна, Болгария, 1990), на международном симпозиуме "Electromagnetic fields In electrical engineering" (Southampton. UK, I991).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 4 печатных работах.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 150 работ отечественных и зарубежных авторов, четырех приложений и материалов о внедрении. Общий объем диссертации 146 страниц, в том числе 64 страницы основного текста, 38 рисунков и приложения на 7 страницах..
