Введение к работе
Актуальность проблемы. Электромашиностроение, включающее электромеханические системы (ЭМС) в качестве технических объектов, представляет одну из наиболее сложных отраслей промышленности. Очевидно, что любая техническая ситуация требует комплексного подхода к анализу научной проблемы и специальных инструментальных средств, позволяющих перейти от постановки к реализации адекватной технической задачи. Развитие силовой электроники, микропроцессорной техники и компьютерных технологий приводит к существенным изменениям в направлениях развития ЭМС, неотъемлемым элементом которых, является электрическая машина (ЭМ). Среди основных направлений отмечают: значительное расширение области применения регулируемых электроприводов, обусловленное актуальностью энерго- и ресурсосбережения, требованием улучшения технологических характеристик механизмов; увеличение доли электроприводов переменного тока, прежде всего частотно-регулируемого асинхронного; и др. Управляемый промышленный электропривод экономит до 40% электроэнергии. Доля регулируемых электроприводов составляет не более 40%. Экономия от использования регулируемого электропривода может составить 72 млрд. $. В системах частотного регулирования наиболее часто применяют асинхронные короткозамкнутые двигатели (АД).
Выпуск современной конкурентоспособной продукции на рынке энергетического оборудования невозможен без совершенствования функциональных возможностей ЭМ в составе управляемых ЭМС, что требует системного подхода и разработки новых концепций ее анализа и синтеза на основе современного знания и инструментальных средств. Технические системы имеют свои закономерности развития и противоречия. Первое из них заключается в преобладании темпа роста сложности систем над развитием методов их проектирования: осложняется согласование действий; теряется представление о системе как о едином цепом; нередко она оказывается малоэффективной, несмотря на высокие показатели ее подсистем и элементов. Названное противоречие и обусловило появление тенденции, ориентированной на разработку комплектных изделий. Второе противоречие проявляется во взаимодействии таких факторов как продолжительность разработки и срок морального старения. Внешняя группа факторов оказывает существенное влияние на развитие методов исследования электромагнитных процессов ЭМ. С решением теоретических и прикладных задач такого плана связана деятельность многих отечественных и зарубежных научных школ. Реализация многокритериальной задачи разработки ЭМ всякий раз производится при определенной системе предпочтений и ограничений, в связи с чем постоянным остается вопрос о разумности принятой системы критериев, которые обуславливает не только выгоду, но и проигрыш. В процессе развития технических систем для ЭМ, как технических изделий, сформировался свой ряд актуальных задач, среди которых следующие:
- в регулируемой ЭМС изменяются требования к показателям технической подфункции АД, что предопределяет необходимость детального исследования процесса электромеханического преобразования энергии для произ-
вольного квазиуетановившегося режима работы при любых конструктивно-технических решениях активного объема; - ориентация на уменьшение показателя удельной массы привела к увеличению уровня электромагнитных нагрузок, что с одновременным усложнением геометрии активного объема обусловило изменение характер распределения поля и осложнило ситуацию по адекватному определению параметров схемы замещения и технических характеристик АД; - согласование параметров АД и регулируемого источника питания, в частности по критерию входной индуктивности ЭМ, является одним из важнейших факторов обеспечения целесообразной технической функции ЭМС в целом. Таким образом, комплексное решение вопросов, связанных с исследованием электромагнитных процессов асинхронных машин (AM) и обеспечением их энергетической эффективности в составе управляемых ЭМС на основе современного знания и современных инструментальных средств, является актуальной научно-технической проблемой.
Рассмотренный в диссертационной работе комплекс задач сформулирован в контексте проблемы совершенствования методов исследования электромагнитных процессов AM в составе регулируемых ЭМС и реализован на методологическом принципе системного подхода, решение главной задачи детального анализа электромагнитного состояния АД любого конструктивно-технического решения в произвольном квазиустановившемся режиме работы базируется на фундаментальных теоремах и уравнениях электродинамики, принципе существования единого поля в активном объеме ЭМ с последующим использованием результатов для синтеза комплекса расчетно-теоретических моделей с целью определения технических характеристик.
Цель работы и задачи исследования. Цель диссертационной работы состоит в решении крупной научно-технической проблемы повышения эффективности процесса электромеханического преобразования энергии асинхронным электродвигателем в составе управляемой электромеханической системы путем теоретического и практического обоснования новых концепций анализа и синтеза электрической машины на базе фундаментальных теорем и уравнений электродинамики и современных инструментальных средств, что связано с актуальностью энерго- и ресурсосбережения и имеет большое экономическое значение.
Для достижения цели поставлены следующие основные задачи:
-
Исследовать магнитное поле в локальной области активного объема "занятая током часть паза - шпицевая зона - воздушный зазор" в пределах зубцового деления статора (или фазного ротора) численным методом, определить граничные условия для занятой током части паза с целью решения уравнения Пуассона аналитическим методом.
-
Решить уравнение Пуассона аналитическим методом для расчетной модели паза при различных граничных условиях в области шлицевой зоны, на основе которого определить расчетные формулы магнитной энергии, индуктивности, коэффициента магнитной проводимости.
-
Определить закономерность влияния относительного открытия паза на коэффициент магнитной проводимости пазов различной конфигурации, обеспечив физически наглядную интерпретацию с помощью картин магнитного поля.
-
Разработать метод расчета индуктивности пазов сложной конфигурации на основе моделирования двумерного магнитного поля аналитическим и численным методами. Выбрав в качестве критерия оценки значения магнитной энергии, определенные на основе численного метода, установить диапазоны размерных соотношений, при которых аналитические выражения обеспечивают высокую точность расчета индуктивности и коэффициента магнитной проводимости пазов различной геометрической формы.
-
На базе уравнения Гельмгольца исследовать аналитическим и численным методами двумерное электромагнитное поле моделей пазов короткозамкнутого ротора; определить комплексное сопротивление стержня, расположенного в частично открытом пазу; выполнить анализ характера распределения плотности тока, влияния на составляющие комплексного сопротивления относительного открытия паза и частоты тока стержня.
-
Разработать метод расчета комплексного сопротивления зубцового деления короткозамкнутого ротора с учетом насыщения зубцов и верифицировать точность расчета сопротивлений пазов сложной геометрической формы методом конечных элементов.
-
Разработать принципы синтеза схем замещения пазов с двухслойными обмотками, энергетические принципы синтеза схемы замещения асинхронного двигателя с двухслойной укороченной обмоткой статора на основе следствия теоремы Пойнтннга и результатов решения конкретных задач электродинамики.
-
Сформировать каскадную схему замещения трехфазного асинхронного двигателя, алгоритм расчета с целью определения выходных характеристик с учетом двумерного характера электромагнитного поля и насыщения мапш-топровода. Обеспечить систему компьютерной поддержки.
-
Выполнить экспериментально-аналитическое исследование асинхронных электродвигателей различных модификаций. Разработать рекомендации по выбору конструктивно-технических решений с целью обеспечения технической подфункции электрической машины в составе регулируемой электромеханической системы, использованию различных вариантов каскадной схемы замещения для решения задач поискового конструирования.
Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены на базе фундаментальных теорем и уравнений электродинамики. Использованы аналитические и численные методы решения дифференциальных уравнений; методы математического эксперимента; методы системного, ретроспективного и гармонического анализа. Достоверность результатов исследования проверялась путем параллельного расчета различными методами, сравнением результатов решения некоторых задач с результатами их решения другими авторами, а также результатами физических и математических эксперимен-
тов. Моделирование поля методом конечных элементов выполнено на основе подхода, реализованного в программном комплексе TELMA (разработка кафедры прикладной математики НГТУ).
Главные положения, выносимые на защиту:
-
Методологическая основа анализа электромагнитных процессов асинхронных короткозамкнутых электродвигателей любого конструктивно-технического решения в произвольных квазиустановившихся режимах управляемой электромеханической системы, основанная на использовании фундаментальных теорем и уравнений электродинамики и современных методов.
-
Физико-математические модели энергетического и электромагнитного состояния пазов сложной формы асинхронной машины при двумерном характере распределения поля, включая принципы синтеза схем замещения и методы расчета их параметров.
-
Результаты многофункционального анализа параметров регулируемого асинхронного электродвигателя, определяющие границы рационального использования конструктивных решений и позволяющие на начальной стадии проектирования достаточно точно оценивать целесообразность их использования для подсистемы преобразователь — двигатель, в частности по критерию эквивалентной индуктивности электрической машины.
-
Комплекс расчетно-теоретических моделей, обеспечивающих принятие технических решений при синтезе регулируемой электромеханической системы и выбор конструктивных факторов и насыщения мапштопровода асинхронного двигателя на основе требований технической подфункции электрической машины.
Научная значимость и новизна работы состоит в том, что на базе фундаментальных теорем и уравнений электродинамики, современных методов анализа и инструментальных средств разработана новая концептуальная основа и методы электромагнитных расчетов AM, позволяющие достоверно учитывать особенности процесса электромеханического преобразования энергии при определении показателей технической подфункции ЭМ в составе управляемой ЭМС и принятии конструктивно-технических решений:
-
Получено впервые аналитическое решение уравнения Пуассона для модели частично открытого паза якоря при различных граничных условиях в области шлицевой зоны, на основе которого определены расчетные формулы магнитной энергии, индуктивности и коэффициента магнитной проводимости при произвольной частоте тока. С целью определения допущений и граничных условий, решена более сложная задача, связанная с анализом магнитного поля в локальной области активного объема "занятая током часть паза - шпицевая зона - воздушный зазор" методом конечных элементов.
-
Выполнен анализ определяющих факторов и установлена закономерность влияния относительного открытия на индуктивность и коэффициент магнитной проводимости пазов простой геометрической формы, для которых существует аналитическое решение двумерного уравнения Пуассона.
-
Разработан метод расчета индуктивности и коэффициента магнитной проводимости пазов сложной конфигурации при произвольной частоте тока по результатам математического моделирования двумерного магнитного поля аналитическим и численным методами и выявленных закономерностей, точность расчета которых верифицирована методом конечных элементов.
-
Разработаны принципы синтеза схем замещения пазов якоря электрических машин переменного тока с двухслойными обмотками на основе решения комплекса задач электродинамики.
-
Выполнено физико-математическое моделирование двумерного электромагнитного поля расчетных моделей пазов аналитическим и численным методами на базе уравнения Гельмгольца; выполнен анализ влияния частоты тока обмотки ротора, относительного открытия на характер распределения плотности тока по высоте паза, активную и индуктивную составляющие комплексного сопротивления в произвольных квазиустановившихся режимов работы.
-
Введено понятие комплексного коэффициента, учитывающего наличие шли-цевой зоны, при определении комплексного сопротивления стержня, расположенного в частично открытом пазу ротора. Впервые выполнено разделение влияния на активную и реактивную составляющие сопротивления физических эффектов - проникновения электромагнитной волны в проводящую среду и искажения картины магнитного поля при наличии шлицевой зоны.
-
Разработан метод расчета комплексного сопротивления зубцового деления короткозамкнутого ротора с учетом насыщения зубцов. Точность расчета сопротивления для пазов сложной геометрической формы верифицирована методом конечных элементов.
-
Впервые разработаны энергетические принципы синтеза схемы замещения асинхронного двигателя с двухслойной укороченной обмоткой статора на базе следствия теоремы Пойнтинга и результатов решения конкретных задач электродинамики.
Практическая ценность работы состоит в том, что предложенная концепция и разработанные на ее основе методы и алгоритмы расчетов позволяют на начальной стадии проектирования ЭМС принимать рациональные технические решения, обеспечивающие показатели технической подфункции AM и повышение эффективности процесса электромеханического преобразования энергии, что в конечном счете обеспечивает энерго- и ресурсосбережение. Использование программных комплексов при разработке АД новых модификаций повышает точность расчета интегральных характеристик, а следовательно, сокращает трудоемкость и сроки выполнения опытно-конструкторских работ.
Реализация результатов работы. Основные результаты диссертации использованы при выполнении госбюджетных НИР, проводимых в НГТУ (тема 1.23.97Д, тема ГБ № 32). Материалы диссертации внедрены на ОАО ЭЛСИБ при разработке АД с короткозамкнутым ротором серии АТД4 мощностью от 315 до 8000 кВт, 2АДО мощностью от 315 до 1600 кВт на частоты вращения от 500 до 1500 об/мин, используемых для электропривода механизмов с вентиля-
торной нагрузочной характеристикой (тягодутьевые установки, насосы, компрессоры и т.д.), а также в учебный процесс НГТУ.
Апробация работы. Основные результаты были представлены на 3-й международной конференции по электромеханике и электротехнологии (Клязьма, 1998); международной научно-технической конференции "Проблемы комплексного развития регионов Казахстана" (Павлодар, 1996); международных российско-корейских симпозиумах по науке и технологиям (Ульсан - Корея, 1997; Томск, 1998; Новосибирск, 1999); научно-технической конференции с международным участием "Проблемы электротехники. Электромеханика" (Новосибирск, 1993); 6-й всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития асинхронных двигателей" (Владимир, 1983); 2-й всесоюзной научно-технической конференции "Электромеханотроника" (Санкт-Петербург, 1991); 6-й всесоюзной научно-технической конференции "Динамические режимы электрических машин и электроприводов" (Бишкек, 1991); республиканской научно-технической конференции "Электромеханические преобразователи и машино-вентильные системы" (Томск, 1991); 6-м сибирском научно-техническом семинаре с международным участием "Автоматизированные биб-лиотечно-информационные системы" (Новосибирск, 1996); научно-технических конференциях "Автоматизация электроприводов и оптимизация режимов энергопотребления" (Красноярск, 1982, 1988); научно-технической конференции "Энергетика и электротехническая промышленность" (Новосибирск, 1981), а также ряде научных семинаров НГТУ.
Публикации. Основные результаты теоретических исследований опубликованы в 39 печатных работах. Результаты научно-исследовательских разработок изложены в 12 отчетах по НИР.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и имеет общий объем 365 страниц, включая'142 рисунка, 34 таблицы и список литературных источников из 328 наименований, а также приложения.
