WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

БЕЛОЗОРОВ Сергей Александрович

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБМОТОК ТРЁХФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С УЧЁТОМ ЗУБЧАТОГО СТРОЕНИЯ ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА

Специальность: 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО “Воронежский государственный технический университет” доктор технических наук, Научный руководитель профессор, Кононенко Константин Евгеньевич доктор технических наук,

Официальные оппоненты:

профессор, Международный институт компьютерных технологий (г. Воронеж) Анненков Андрей Николаевич;

кандидат технических наук, доцент, Воронежский государственных аграрный университет имени Петра I Коробов Геннадий Викторович Ведущая организация ЗАО "Научно-исследовательский институт механотронных технологий-Альфа-научный центр" г. Воронеж

Защита состоится «23» мая 2012 г. в 1000 часов в конференцзале на заседании диссертационного совета Д 212.037.09 ФГБОУ ВПО “Воронежский государственный технический университет” по адресу:

394026, Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО “Воронежский государственный технический университет”.

Автореферат разослан « _21_ » апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Кононенко К.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время большое внимание уделяется проблеме энергосбережения в стране. Это подтверждается принятием правительством РФ Федерального Закона №261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности …». Асинхронные двигатели, ввиду своей простоты конструкции и наджности, получили широкое распространение и в настоящее время являются основными потребителями электроэнергии. В связи с этим в электромеханике сначала в мире, а затем и в России были приняты нормы IEC 60034-«Классы энергоэффективности односкоростных трехфазных асинхронных двигателей». В этом стандарте повышаются требования к энергоэффективности электрических машин.

В настоящее время многие производители асинхронных машин поставили перед собой задачу разработки новых энергоэффективных асинхронных двигателей. Но основными тенденциями увеличения энергоэффективности асинхронных двигателей являются использование новых конструктивных и технологических решений, направленных на снижение известных видов потерь в электрической машине, а также современных методов расчта. При этом практически не уделяется внимание оптимизации магнитопровода электрических машин.

В недалком прошлом, около 40 лет назад, по вопросам повышения коэффициента полезного действия, который непосредственно влияет на энергетические характеристики машины, были опубликованы работы таких учных, как А.И. Вольдека, А.В. Иванова-Смоленского, Г.К. Жерве, В.И. Попова, А.Э. Кравчика, Э.К. Стрельбицкого, О.П. Муравлва, Ю.П. Похолкова и др. Результаты их работ развили асинхронный двигатель в современный вид. Но в те времена вычислительные возможности были ограничены.

Обмотки являются одним из основных элементов электромеханического преобразования энергии, протекающего в электрических машинах. Раньше, не имея современных вычислительных мощностей, учным приходилось применять метод стохастического поиска оптимума при разработке методик расчта электрических машин. Так одним из допущений являлось предположение о гладкости статора и ротора, а влияние неучтнных факторов заменялось введением коэффициентов.

Считается, что применение укорочения для статорных обмоток приводит к повышению электромагнитных свойств асинхронных двигателей за счт улучшения кривой магнитного поля в зазоре и ЭДС. Уменьшается влияние (вплоть до уничтожения) отдельных высших гармонических составляющих в магнитной цепи машины. Сосредоточенные обмотки, катушки которых создают МДС прямоугольной формы, не нашли широкого распространения. Распределение обмотки по нескольким пазам ослабляет высшие гармонические в кривой результирующей МДС и улучшает форму поля в воздушном зазоре, приближая ее к синусоиде. Величины воздействия укорочения и распределения обмоток выражают в виде коэффициентов укорочения и распределения соответственно, произведение которых является обмоточным коэффициентом.

Обратим внимание на то, что вывод коэффициентов укорочения и распределения произведн без учта влияния геометрии зубцовой зоны на величину индукции в воздушном зазоре. В этом случае возникает сомнение в универсальности применения обмоточного коэффициента для обмоток асинхронных двигателей с различной геометрией зубцовой зоны.

Таким образом, на основании изложенного выше актуальность темы исследования определена необходимостью создания уточннных рекомендаций к проектированию новых асин хронных двигателей, позволяющих учитывать зубчатость геометрии воздушного зазора и осуществить выбор оптимальных конструктивных решений для обеспечения высоких показателей энергоэффективности готовых изделий.

Объектом исследования являются серийные асинхронные электродвигатели, рассчитанные на работу от сети промышленной частоты 50 Гц со стандартным уровнем напряжения.

Целью диссертационной работы является оценка эффективности обмоток трхфазных асинхронных двигателей с учетом зубчатого строения воздушного зазора.

Исходя из этой цели, были поставлены и решены следующие научно-технические задачи:

1. Создать универсальную конечно-элементную модель асинхронного двигателя для эффективного проведения анализа существующих асинхронных двигателей, на основании их параметров.

2. Произвести расчет электромагнитного момента асинхронного двигателя при различных положениях ротора.

3. Определить степень влияния укорочения обмотки на величину электромагнитного момента асинхронного двигателя при неизменной геометрии зубцовой зоны.

4. Определить влияние изменения геометрии зубцовой зоны и на величину электромагнитного момента асинхронного двигателя, при неизменной используемой обмотке.

5. Составить рекомендации по выбору конфигурации трхфазной обмотки асинхронного двигателя с учтом соотношения чисел пазов статора и ротора.

6. Проанализировать природу снижения электромагнитного момента асинхронных двигателей при использовании укорочения обмоток и зубчатой геометрии воздушного зазора.

7. Провести экспериментальные исследования для подтверждения правильности предложенных методик расчета и рекомендаций.

Методы исследований базируются на использовании теории электрических и магнитных цепей, методах теории поля, теории электрических машин, а также численных методах, реализованных современным программным обеспечением для вычислительных машин.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

- разработаны рекомендации для проектирования трхфазных обмоток асинхронных двигателей с учтом зубчатости воздушного зазора, с точки зрения получения максимального электромагнитного момента;

- предложена методика для определения оптимальных соотношений чисел пазов для статора и ротора с точки зрения энергосбережения, при которых достигается максимальное значение электромагнитного момента в номинальных и пусковых режимах работы асинхронного двигателя;

- разработана методика для сокращения времени и трудомкости составления типовых математических моделей для численного решения методом конечных элементов, с возможностью последующего автоматизированного расчта без участия человека;

- в результате исследований уточнены пределы применения коэффициента укорочения в методиках, построенных на основе классической теории электрических машин.

Практическая значимость работы. Практическую значимость диссертационной работы составляют:

- методика автоматизированного расчта типовых асинхронных двигателей методом конечных элементов;

- графические зависимости электромагнитного момента от соотношения чисел пазов на статоре и роторе в асинхронных двигателях;

- рекомендации по выбору типа обмотки и коэффициента укорочения для них с учтом зубчатой геометрии магнитопровода асинхронного двигателя.

Предложенная методика автоматизированного расчта типовых асинхронных двигателей методом конечных элементов может быть использована в системах автоматизированного проектирования асинхронных двигателей, на стадии разработки новых, модернизации существующих асинхронных двигателей, а также их серий.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- результаты математического исследования асинхронного двигателя подтвердили, что применение коэффициента укорочения в рассмотренных конструкциях не способствует повышению энергосберегающих параметров машины и поэтому рекомендуется использовать диаметральные обмотки;

- на основе современных численных методов предложена методика автоматизированного расчта типовых асинхронных двигателей методом конечных элементов;

- алгоритм расчта типовых асинхронных двигателей, который позволяет быстро рассчитать распределение поля в электрической машине по данным геометрии и параметров электродвигателя, позволяет производить быстрый перерасчт модели при изменении параметров;

- укорочение обмотки в трхфазных электрических машинах следует применять в соответствии с предложенными рекомендациями;

- для увеличения электромагнитных моментов в асинхронных машинах необходимо предварительно проанализировать влияние числа пазов ротора на момент двигателя;

- результаты экспериментальных исследований, подтверждающие необходимую для практики точность предложенных методов.

Реализация результатов работы. Полученные теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы реализованы на предприятии ООО «МЭЛ» (ООО НПО «Электротехнический холдинг “Энергия”», г. Москва), в ООО НПК «Дельта», а также внедрены в учебный процесс кафедры электромеханических систем и электроснабжения ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в лекционный курс «Компьютерные технологии в электромеханике».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на научных семинарах кафедры электромеханических систем и электроснабжения ВГТУ (2008 – 2011 гг.); всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2010, 2011). Результаты проведнных исследований опубликованы в 7 научных работах, в том числе 1 – в издании, рекомендованном ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведнных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [5] результаты исследования влияния геометрии зубцовой зоны на величину КПД;

[1,4,6] результаты исследования влияния укорочения обмоток на величину электромагнитного момента; [7] универсальная модель для конечно-элементного анализа типовых асинхронных двигателей.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 94 наименования, 2 приложений. Основная часть работы изложена на 157 страницах, содержит 71 рисунок, 47 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность тематики, сформулированы цель и основные задачи исследования, научная новизна и практическая значимость результатов исследования, дана краткая аннотация диссертации по разделам.

В первой главе рассмотрено многообразие конструктивных исполнений асинхронных двигателей, современные тенденции развития электромеханической промышленности, а также современное состояние методик проектирования обмоток асинхронных двигателей. Указаны основные группы по аналогичности обмоток в электромагнитном отношении. Определена цель и сформулированы задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены принципы и методы построения компьютерной конечно-элементной модели асинхронного двигателя.

Для анализа была написана программа-макрос для автоматического составления конечно-элементной модели асинхронного двигателя на основе справочных данных и его расчта.

Выведены расчтные формулы для определения ключевых точек геометрии электрических машин. Деление паза на две части для укладки двухслойных обмоток производилось из условия равенства их площадей A1 = A2 = Sпаза / 2.

h x1 bs2 bs2 Sпаза 2 tg 2 tg, (1) xb bs2 Sпаза 2 tg где bs1, bs2. bx1, hx1, tg() – размеры паза (рис.1);

Sпаза – полная площадь паза.

Рис. 1. Представление паза для расчта базовых точек Описаны принципы составления и применения торцевых схем обмоток в конечно-элементных моделях (рис.2).

Описаны методы анализа результатов расчта численными методами.

Расчт с использованием построенной автоматизированной модели, позволил сократить время, необходимое для анали за исполнений асинхронных двигателей. Это позволило проанализировать ряд исполнений.

Рис. 2. Торцевая схема фазы обмотки статора.

В третьей главе приведн анализ использования различных укорочений и распределений обмоток в асинхронных двигателях следующих исполнений: 4А71В6, 4А160S4, 4А250S4, с учтом влияния геометрии зубцовой зоны. Пазы трапецеидальной и овальной форм, площади пазов. Представлена методика определения усредннного значения электромагнитного момента при различных положениях ротора. Определено влияние геометрии зубцовой зоны на кривую магнитной индукции в воздушном зазоре.

Для каждого из исследуемых исполнений были составлены зависимости изменения электромагнитного момента от числа пазов ротора (рис. 3), из которых был сделан вывод об оптимальном подборе чисел пазов для различных исполнений асинхронных двигателей (табл. 1). Также было рассчитано изменение величины электромагнитного момента при использовании рекомендованного значения пазов на роторе по сравнению с используемым на исследуемых двигателях.

Таблица Оптимальный подбор чисел пазов ротора Используемые Рекомендуемые Марка значения значения Z1 Мэл, % двигателя Z2 Мэл, Нм Z2 Мэл.расч, Нм 4А71B6 36 28 6,64 31 6,92 4,4А132S4 36 34 52,00 30 58,47 11,4А160S6 54 50 84,08 35 99,00 15,4А160S4 48 38 95,25 27 116,58 18,4А200М4 48 38 221,55 26 275,90 19,4А250S4 60 50 559,44 37 614,09 8,4А132S2 24 20 30,40 13 43,37 29, 4А160S2 36 28 47,89 17 67,82 29,4А250S2 48 40 308,13 25 414,57 25, Рис. 3. Зависимость электромагнитного момента от числа пазов на роторе Гармонический анализ кривой индукции в воздушном зазоре в смоделированном двигателе показал наличие в спектре гармоник как нечтного порядка, так и чтного. При этом укорочение обмотки действительно снижает амплитуду гармоник 3,5,порядка, если не учитывать зубчатую геометрию ротора. При наличии пазов на роторе для исследованных случаев укорочение обмотки не приводит к однозначному уменьшению амплитуды высших гармоник (табл. 2). Функцию, описывающую кривую индукции в воздушном зазоре, определяли в виде:

2 2 F(t) A0 (2) B sink t a b Ck cosk t a b , k k где А, В, С - коэффициенты ряда Фурье;

a, b - границы периода функции;

k - номер гармоники.

На основании общего анализа была выявлена закономерность уменьшения числа пазов на роторе для достижения максимального электромагнитного момента от электродвигателя для двигателей с q 3. При неизменной геометрии пазов статора и ротора.

Применение предлагаемых модернизаций исполнений позволит повысить энергоэффективные параметры асинхронных двигателей. При этом потребляемые мощности снижаются для исполнения 4А71В6 на 2%, для 4А160S4 на 7,3%, а для 4А250Sна 12,3%. Это позволяет не только повысить КПД, но и получить заметный запас по нагреву.

Таблица Амплитуды гармоник спектрального анализа Амплитуда индукции Амплитуда индукции Гармоника при = 1 при = 0,Bk Ck Bk Ck Ротор не имеет пазов A0 0,63 0,61 0 -0,005 0 -0,02 0,071 -0,428 0,01 -0,3 0 0,001 0 4 0,034 -0,099 0,004 -0,05 0 0,002 0 Ротор имеет пазы A0 0,565 0,51 -0,004 -0,008 -0,003 -0,02 -0,129 -0,297 0,017 -0,33 -0,002 0,004 0,004 0,04 0,005 -0,006 -0,009 -0,05 -0,013 0,016 0,003 0,0В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований асинхронного двигателя АИР71В6. Целью эксперимента является качественная оценка влияния укорочения обмотки на величину момента на валу.

Однослойная обмотка электродвигателя была заменена эквивалентной двухслойной. Исследования проводились для двух различных обмоток: одна с диаметральным шагом, вторая – с укороченным на один паз.

Электродвигатель нагружается установкой измерения момента путм подачи тока на электромагниты. Для всех изме рений нагрузка на валу являлась постоянной величиной. Измерения проводились при токе в обмотке двигателя I = 1,2 А и напряжении U = 220 В.

Анализ результатов эксперимента показывает достоверность результатов конечно-элементного анализа асинхронного двигателя с использованием разработанного алгоритма, на основе которого была составлена программа автоматического расчта.

Установлено, что разработанная методика и рекомендации адекватно отражают реальные физические процессы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Создан и проанализирован ряд конечно-элементных математических моделей асинхронных двигателей, описывающих влияние укорочения и распределения обмотки, располагаемой в магнитопроводе, имеющем зубчатое строение, в номинальных и пусковых режимах двигателей 4А71B6, 4А160S4, 4A250S4.

2. Вычислительный эксперимент, проведнный с помощью метода конечных элементов, позволил оценить характер влияния обмоточного коэффициента с учтом геометрии зубцовой зоны на величину электромагнитного момента, развиваемого асинхронным двигателем.

3. Подробный анализ зависимости укорочения и распределения обмотки от различных параметров геометрии машины показал преимущества использования однослойных обмоток в рассмотренных исполнениях асинхронных двигателей (4А71B6, 4А160S4, 4A250S4) для повышения коэффициента полезного действия.

4. Соотношение чисел пазов ротора и статора, а также количество полюсов машины влияют на амплитуду электромагнитного момента. Оптимально подобранное число пазов ротора позволяет снизить ток, при том же электромагнитном моменте в том же габарите.

5. В результате анализа влияния числа пазов ротора на величину электромагнитного момента предложен способ количественной оценки оптимальности данного числа. Даны рекомендации по выбору числа Z2 в зависимости от числа пазов статора Z1 и числа пар полюсов 2p. В результате проведнных исследований с целью повышения энергосберегающих параметров рекомендуется для габарита h = 71 мм c 2p = 6 полюсов использовать Z2 = 31 паз на роторе. Для габарита h = 160 с 2p = 4 полюсов – Z2 = 27 пазов на роторе, а для габарита h = 250 с 2p = полюсов – Z2 = 37 пазов на роторе.

6. При проектировании трхфазных асинхронных электродвигателей рекомендуется применять однослойные обмотки с полным шагом. При этом желательно число пазов статора формировать из условия, что q 3.

7. Оптимальный выбор геометрии зубцовой зоны, укорочения и распределения обмоток при проектировании асинхронных двигателей являются достаточной мерой для повышения значения коэффициента полезного действия, которая не требует применения дорогих материалов и принципиально новых технологий.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Белозоров С.А. Оценка эффективности обмоток трхфазных асинхронных двигателей с учтом зубчатого строения воздушного зазора / С.А. Белозоров, К.Е. Кононенко // Электротехнические комплексы и системы управления. 2012. №2. – С. – 29.

Статьи и материалы конференций 2. Белозоров С.А. Оптимизация геометрии воздушного зазора и схем обмоток асинхронного двигателя / С.А. Белозоров // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве НТ-2009: труды всеросс. конф. Воронеж: ВГТУ, 2009. – С. 24.

3. Белозоров С.А. Возможности оптимизации зубцовой зоны асинхронных двигателей / С.А. Белозоров // Сборник трудов, посвящнный дням науки ВГТУ, Воронеж: ВГТУ, 2009 – С.

61.

4. Белозоров С.А. Исследование влияния коэффициента укорочения обмоток асинхронных двигателей на крутящий момент / С.А. Белозоров, В.Н. Заверюха // Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники: труды всеросс. студенческой НТК – Воронеж: ВГТУ, 2010. – С. 29-5. Белозоров С.А. Оптимизация геометрии зубцовой зоны для повышения КПД асинхронных двигателей / С.А. Белозоров, К.Е. Кононенко // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве НТ-2011: труды всеросс. конф. Воронеж: ВГТУ, 2011. – С. 190-191.

6. Белозоров С.А. Оптимизация двухслойных обмоток асинхронных двигателей / С.А. Белозоров, К.Е. Кононенко // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве НТ-2011: труды всеросс. конф. Воронеж: ВГТУ, 2011. – С. 202-203.

7. Белозоров С.А. Автоматизация проектирования новых электрических машин / С.А. Белозоров, К.Е. Кононенко // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве НТ-2011: труды всеросс. конф. Воронеж:

ВГТУ, 2011. – С. 68-69.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.