автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Моделирование асинхронной машины методом зубцовых контуров

БЕРТЕ СУЛЕИМАН

1-Х

МОДЕЛИРОВАНИЕ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ МЕТОДОМ ЗУБЦОВЫХ КОНТУРОВ

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 3 ОКТ 2011

Москва-2011

4857228

Работа выполнена на кафедре Электромеханики Национального исследовательского университета МЭИ.

Научный руководитель

Кандидат технических наук

Ширинский Сергей Владимирович

Научный консультант

Профессор

Паскаль Броше, EC-Lille Доктор технических наук Захаренко Андрей Борисович кандидат технических наук Дунайкина Елена Алексеевна

Официальные оппоненты

Ведущая организация

Московский государственный открытый

университет

Защита диссертации состоится «28 » октября 2011 года в час. мин. в аудитории Е-205 на заседании диссертационного совета Д 212.157.15 при Национальном исследовательском университете МЭИ по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета МЭИ.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направить по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет Национального исследовательского университета МЭИ. Автореферат разослан « » сентября 2011г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.15

к. т. н, доцент

А.М. Боровкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Асинхронные двигатели являются основными двигателями в электроприводах практически всех промышленных предприятий в РФ и за рубежом. Асинхронные машины средней мощности используются с успехом как двигатели передвижных устройств, крупные асинхронные машины используются в области атомной энергетики в системах охлаждения. Асинхронные машины получили широкое распространение благодаря простоте их конструкции и низкой себестоимости. В настоящее время, с развитием атомной энергетики и в связи с защитой окружающей среды повышены требования к качеству проектирования и энергосбережению, что повышает требования к точности моделирования асинхронного двигателя на этапе их проектирования и оптимизации.

С развитием компьютерных технологий и различных видов программного обеспечения стало возможно исследовать поведение электрических машин в разних режимах, что ускоряет процесс проектирования машины и повышает точность. Это позволяет сэкономить на проведении опытных исследований, весьма дорогостоящих для крупных машин. Для достижения этих перечисленных преимуществ и получения высоких показателей качества необходимо использовать эффективные методы проектирования. Показатели качества асинхронных машин в значительной степени зависят от оптимальности их конструкции и режимов работы. Проблема расчета электрических машин, особенно асинхронных машин большой мощности, состоит в сложном характере поля в воздушном зазоре, и необходимости учитывать насыщение.

Уже на этапе эскизного проектирования требуется высокая точность моделирования. А перебор вариантов (оптимизация) требует высокой скорости расчета. Существующие инженерные методики расчета асинхронных машин не обладают достаточной точностью, а численные методы, такие как метод конечных элементов (МКЭ), требуют значительных затрат по времени.

Диссертация посвящена разработке метода анализа установившихся режимов асинхронных машин с помощью метода зубцовых контуров и комбинированным методом, отвечающего таким достаточно противоречивым требованиям, как высокая скорость расчета и высокая точность результатов. Разрабатываемый метод и программа обеспечения предназначены для использования при оптимизационных расчетах асинхронного двигателя.

Целью диссертационной работы является разработка части программного комплекса проектирования асинхронных машин с последующей оптимизацией, который создается в Лаборатории электротехники и силовой электроники (L2EP) в Центральной Школы Лилля (Франция) по заказу промышленности. Разрабатываемая часть посвящена электромагнитному и тепловому расчету электрических машин. Она выполняется в лаборатории L2EP совместно с кафедрой Электромеханика МЭИ (Россия). Основное внимание уделяется разработке средств для оптимального проектирования асинхронных машин.

Задачи исследования:

1) Разработка метода анализа электромагнитного состояния асинхронной машины с применением метода зубцовых контуров ;

71 Ря^тгытми nnnmai*»« тон^^пгп «пл..,,-™ _______________ .

.........---..... ппьдрсипл а программный

комплекс;

3) Разработка быстрого и точного алгоритма расчета установившегося режима асинхронных машин;

4) Разработка программного обеспечения для электромагнитного и теплового анализа асинхронных машин.

Методы решения поставленных задач. Использованы аналитические и численные методы анализа электромагнитного поля электрических машин в установившихся режимах работы. Для электромагнитного расчета применяется метод зубцовых контуров (МЗК), и на основе этого метода была создана математическая модель. Параметры схемы замещения определяются из расчета магнитного поля по МКЭ. После создания модели асинхронной машины, с помощью комбинированного метода определяем токи и момент машины в установившемся режиме."'

Для этого был разработан алгоритм определения токов статора и ротора в установившемся режиме. На основе модели разработан программный модуль «IM_TCM » (Induction Motor by Tooth Contour Method) для расчета асинхронных машин с короткозамкнутым ротором. Он может быть использован для оптимизации геометрических размеров, легко может интегрироваться с другими программами комплекса (например, термическими, виброаккустическими).

Разработанная электромагнитная модель по МЗК должна взаимодействовать с разработанной тепловой моделью в программе «SAME» (Аэротермическое Моделирование Электрических Машин), позволяющей прогнозировать тепловое состояние ЭМ на стадии проектировании. Программы реализованы под Matlab и некоторые части запрограммированы на языке С++. Поверочные расчеты двигателя выполнялись по методу МКЭ в программе «OPERA».

Научная новизна работы

1. Разработана автоматизированное формирование схемы замещения на основе МЗК позволяющая при минимуме ветвей учитывать вытеснение токов в роторе, насыщение стали и двустороннюю зубчатость сердечников.

2. Разработан метод определения токов ротора и статора, названный комбинированным методом.

3. Создан и отлажен алгоритм реализации комбинированного метода в виде программного модуля для расчета установившегося режима асинхронных машин.

4. Разработана тепловая модель асинхронных машин на основе метода тепловых схем замещения и соответствующее программное обеспечение для исследования локальных перегревов в машине.

Для проверки результатов, проведено сравнение с результатами, полученными по книге проектирования, программой «OPERA» и опыт измерения теплового состояния.

Практическая значимость:

1. Разработана методика расчета и алгоритм для определения токов статора и ротора в установившемся режиме асинхронной машины с короткозамкнутым ротором с помощью комбинированного метода.

2. Создана программа для анализа асинхронных машин, реализованная в среде Matlab.

3. Разработанная методика и программы могут быть применены для расчета и оптимизации средных и крупных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором и расчета рабочих характеристик машины.

4. Разработанная методика и программы могут быть использованы во взаимодействии с другими программами и моделями (тепловыми, виброакустическими) под управлением одного супервизора оптимизации с целыо уменьшения потерь, шумов и вибраций.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований и полученные рекомендации использованы на заводе «Jeumont» (Франция) при создании асинхронного двигателя для системы охлаждения атомной станции нового поколения, а также в «Alstom» для создания тягового асинхронного двигателя бесшумного поезда (TGV). Программа успешно применяется для создания и исследования асинхронных двигателей больших мощностей соответственно требованиям заказчика.

Личный вклад автора. Разработка схемы замещения асинхронных машин с короткозамкнутым ротором по МЗК и создание программного обеспечения: постановка задачи, разработка методов расчета параметров

схемы замещения, разработка алгоритма определения токов в установившемся режиме с помощью комбинированного метода, построение механических характеристик и применение методики расчета и программного обеспечения для проектирования асинхронного двигателя. Выполнение всех приведенных в диссертации расчетов и анализ полученных результатов.

Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• в Лаборатории Электротехники и Силовой Электроники «L2EP» 02 Октября 2009 в городе Лилль, Франция;

• International Conference Doctorales Franco-belges. September 20-25, 2009 Lille, France;

• На международной конференции « 125 SEE » Bruxelles, Belgium;

• На международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» г Москва, МКРЭЭ-2008.

• На международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты » г. Крым, Алушта, ICEEE-2010.

• На международной конференции «Proceedings of International Conference on Knowledge based Industiy » Ulaanbaatar, Mongolia ICKI-2011.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы, из них 1 статья в рекомендованном ВАК журнале Электричество 2010 №1 С.28-34, 1 краткий тезис и 2 полных тезисов докладов в сборниках трудов международных научных конференций.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Способ формирования схемы замещения асинхронной машины с короткозамкнутым ротором по МЗК.

2. Комбинированный метод определения токов ротора и статора;

3. Алгоритм определения токов асинхронной машины в установившемся режиме с помощью комбинированного метода.

4. Программная модель «1М_ТСМ» для расчета асинхронного двигателя

5. Тепловая модель и программное обеспечение для прогнозирования теплового состояния ЭМ на стадии проектирования.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 64 наименований. Основная часть работы изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка и б таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложены цели и задачи диссертационной работы, методы решения поставленных задач. Дана информация о структуре и объеме диссертации, определена научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится обзор и анализ методов электромагнитного расчета электрических машин в целом и конкретно асинхронных машин с короткозамкнутым ротором. Отмечены основные недостатки существующих методик для расчета и оптимизации асинхронных машин. Проведено сравнение существующих методик и обоснована необходимость их развития. Формулируется цель диссертационной работы.

Объектом исследования в диссертационной работе является асинхронная машина с короткозамкнутым ротором.

Сегодня существуют три метода электромагнитного анализа электрических машин:

• Аналитические методы,

• Полевые методы,

• Цепные методы.

Для электромагнитного расчета асинхронных машин аналитическим методом используются основные уравнения машины, в которые входят такие величины как потоки, напряжения и токи. Они основаны на расчете параметров по инженерным формулам. Погрешность расчета этого метода может достигать 15+20% и выше. Приближенный учет насыщения не учитывает дискретность обмоток к зубчатость сердечников.

Полевые методы позволяют сделать минимум допущений. Благодаря высокой точности и количеству характеристик, определяемых из расчета поля, метод конечных элементов (МКЭ) стал основным рабочим инструментом при выполнении поверочных расчетов электрических машин. Однако время расчета машины этим методом даже с помощью современных

компьютеров относительно велико. Этот недостаток не позволяет использовать МКЭ при многовариантных расчетах и оптимизации конструкции.

Для расчета и оптимизации электрических машин могут использоваться методы, основанные на эквивалентных схемах замещения, среди которых наиболее точным методом является МЗК. Этот метод был разработан на кафедре электромеханики Московского энергетического института в 1980-х г. под руководством A.B. Иванова-Смоленского, а затем развит в докторской диссертации В.А. Кузнецова. В главе приведены основные положения МЗК. Отмечена проблема применения классической схемы замещения, составленной по МЗК, в случае асинхронной машины с короткозамкнутым ротором.

Сравнили эти методы с точки зрения точности и скорости расчета.

Модели машины

Рис.1. Сравнение моделей машин по скорости и точности расчета

Во второй главе исследовано влияние КЗ ротора асинхронной машины на характер магнитного поля при использовании метода МЗК , описан способ

построения и расчета параметров схемы замещения и составлена математическая модель асинхронной машины с короткозамкнутым ротором.

Существует много способов моделирования асинхронной машины, мы выбираем один из лучших.

Схема замещения состоит из нелинейных проводимостей зубца Ап — Лпо в радиальном направлении, проводимостей в зоне ярме Лу в тангециальном направлении и линейных проводимостей в пазах As2 - As6. Число элементов связанно с чисом поясов Ny, от чего зависит точность расчета. После исследования характера поля построена схема замещения и на основе этой схемы замещения была составлена математическая модель по МЗК. Модель строится на базе универсального метода:

Уравнение магнитной цепи

Рис. 2. Фрагменты схем замещений статора и ротора

Ф = ¡ИИ ' (1ИН£ -Ф + П

(1)

¡141 -ф = О

(2)

Уравнение электрической цепи

- I. < tu -

uß = tUfiil ш<Ре =~ПГ

IK||-rß = o

+ ||Ä||-rB + ||L||-^+||C-1||- j TBdt (3)

(4)

Уравнение связи

Г = \№\\-тв (5)

Фв = ^\т\с-ф (6)

Где Пв - вектор напряжений ветвей электрической схемы замещения;

t - число периодов поля в машине, а — число параллельных ветвей обхмотки. Ф - вектор магнитных потоков ветвей схемы замещения, ф -вектор магнитных потенциалов узлов схемы замещения, /- вектор магнитодвижущих сил (МДС) ветвей.. Ш'\\ -матрица преобразоиянйя токов электрической схемы к МДС магнитной схемы замещения, ЦЛЦ^-' матрица инциденций, ||Л|| - матрица проводимостей ветвей магнитной схемы замещения, -фв - потокосцепления ветвей электрической схемы замещения.

-0.15 -0.1 -0 05 0 0.05 0.1

Jfl tk Jil til

f I'! Jl' :! i ^ I

I ir. л

lJ

liiiJ 1 ■ii 1

If i l< 1

i

,21-!-1----1---1--;-u_.....—■

0 12 3 4 5 6 7

Angie, рад

Рис.3. Модель магнитной системы и индукция в воздушном зазоре

Для моделирования короткозамкнутого ротора используется следующий подход. Можно представить зубцовые контуры обмотки ротора, замыкающиеся через вал ротора, при этом активное сопротивление зубцового контура равно активному сопротивлению стержня плюс сопротивление участка кольца между двумя соседними стержнями и каждый стержень считает фазой.

В третьей главе описан комбинированный метод и его преимущества и также представлен расчет асинхронных машин в установившемся режиме комбинированным методом, расчет токов статора и ротора и построение механической характеристики машины.

После создания математической модели, с помощью комбинированного метода представлены метод и основные уравнения для расчета асинхронной машины в установившемся режиме.

На основе этого метода была реализована программа расчета асинхронной машины «1М-ТСМ» (Induction Motors by Tooth Contour Method).

Особенностью программы является ее быстрота и определение характеристик машины с учетом насыщения, и также легкая интегрируемость с другими программами, например программами оптимизации.

Предложенный метод позволяет определить токи ротора и статора асинхронной машины и построить характеристику с данным напряжением и скольжениями. Для этого ЭДС определяются через потокоцепления, которые получаем из модели, составленной по МЗК, для решения системы уравнений асинхронного двигателя.

Запишем систему уравнений асинхронного двигателя по Т-образой схеме замещения.

1] -1 и Р о-—-—

Рис.4, а) Сх

'йх = -£, + ■¿2 = ^2-

¿2

, г:

1о

V

I

-о ^ех[Ь

а)

б)

£г~М\

ема замещения б) Векторная диаграмма

т, , 1 — л <-/2г2----;

Задача состоит в том, чтобы из модели получить ¿1 и г2, для которых система уравнений будет справедлива, и где исходными данными являются напряжение статора иг и скольжение я, а также построит механические характеристики машины при различных скольжениях.

По схеме замещения £, = Е^ =

= + —; (8) /,+ /; = /„.

/,+ /¿=4

о = А) ('0 + >'0 ) + ('2 + ) + А'2 — ; (9)

5

= А>('ь+У*о)+А(л + 0 = + + (10) А=4

Разделим активные и реактивные составляющие векторов, чтобы перейти к алгебраическим уравнениям

'(у1а + Д/|р)= (70а + АрХ'о + У*о)+(/1а +>-,);

< 0 = (/оа ++ + + (11)

+ УАр)+ (/¿а + ^2р)= (/оа +У7Ср)

Чтобы учитывать насыщения и зная что ^ = £"2 = /(/0^0), можно писать: Ги1в + У^р = -№га + (/га + )к р)0г + ]ххУ,

0 = (Я'2а + ]Е'2р) + (/га -г //гр) + 7*2); (12)

(Ла +;'Лр) + 01а+№р) = 0'оа + УЫ; г£/1а +;'У1Р = -£1а -;Е1Р + /гагг + ]11ахг +)ЬРгг - 11рхг; 0 = Е'2а+}Е'2Р + 1'2а Г 2/3 +}1'2ах'г + ¡¡'¿р Г 2/5 - !'2Рх'2, (13)

к а

+ УЛр + к а + У4р — Уэсг + ИоР'>

Запишем уравнения отдельно для активных и реактивных составляющих векторов тока в комплексном виде

'U1а = —ЕХа 4- /1агх — /1Рх1; U1P = -ЕХР + !laxj + 11Ргг-,

(14)

0 = £"2Р + ^2 + /2РГ2/5; |>1 + /'2| = |/0|

Пусть вектор напряжения будет направлен вдоль действительной оси. Тогда Ulp ■= 0, Ula = иг и получим:

rll*. = —F.. _ 4-1. Г. — I.

-LW — хи • -lU'l

О = -Е1Р + 1гахх + ^ръ;

0 = ^ + 4 а^Л-«;

(15)

О = Е'2Р+Г2ах'г+1'2Ргг/5-. \ii + Ц = \Ц

Для решения системы уравнений (15) необходимо определить одну из ЭДС статора или ротора. Зная что ЭДС- статора есть функция 10р, нужно взять заранее из любой машины это завимость используется для определения ее активной и реактиной составляющих векторов.

rVxa = ~ЕХа + llarx - [lpXl; О = -Е1Р + 11ахх + /1Рг1;

О = E2a+12аГ2/5-12Рх'2) О = E2P+l2ax'2+l2Prz/s-,

\h + ¡Я = |/0|; (16)

Ei =/(|/0|);

= Jlla + 1}Р;

„ t'2=Jtia + lip.

Система уравнений (15) решается с помощью /so/ve из оптимизационного тулбокса под Matlab.

Модель составлена по МЗК, что позволяет получить потокосцепления Фг.фг с большой точностью как функции реальных токов статора и ротора. Переход от приведенных сопротивлений к сопротивлениям модели осуществляется с помощью коэффициентов приведений. ЭДС Ё1и Ё2

определяются через и ф2 в комплексной форме, в итоге система уравнений для модели будет

(и1 а = ~Е1а +/1аГ3 — 1\рХх\ О = -£1Р + 11ахх + /1Рг1;

О = Е2а + 12аГ2 - ¡2рХ2: С17)

О = Е2Р + 12ах2 + 12Рг2; 1де Е1 = -/(/»! 2ТГ/!; ^

¿2 = -¡ф^п^. (19)

Тогда получим

Е1а = \Ё1\5т(апд[е(Ех)) (20)

Е1Р = \Ё1\со$(апд1е(Е1)) (21)

^'га = \Е''г 1вЦал^ВД)) (22)

= |£"2|со5(яад/£?(£,1)) (23)

Сначала определим значения токов статора и ротора Г3 и Г2 по схеме замещения. Параметры схемы замещения рассчитываем по обмоточным данными. После определения этих токов находим распределение токов по пазам статора и ротора.

Перейдем к расчету магнитной цепи по методу зубцовых контуров для этих значений токов и определим соответствующие потокосцепления грг,ф2. А потом определим ЭДС через потокосцепления и поставим в систему уравнений, которая решается с помощью оптимизационного тулбокса по МаЙаЬ, в данном случае мы выбрали решатель_/уо/у<?.

Рис.5. Основные этапы расчета установившегося режима

После расчета установившегося режима полученные результаты токи углы представлены в таблице ниже и были сравнены с расчетными г методике [21].

Таблица 1. Сравнение результатов программы 1М_ТСМ с расчетными книге проектирования для АМ с КЗ ротором Р=15кВт

Параметры По книге проектирования при 5И = 0,024 По 1М_ТСМ при 5„ = 0,024 %

28,44 29,9 5

Н 1238,1 1300 4,9

С08(р 0,894 0,89 0,4

Построена векторная диаграмма машины с неподвижным ротором.

Рис.6. Векторная диаграмма асинхронного двигателя с неподвижным

ротором

Была построена механическая характеристика машины по данной модели.

35

тос*е1

Рис.7. Механические характеристики модели и по книге проектирования

Четвертая глава содержит описание разработанной тепловой модели асинхронной машины и описание сходства между схемой замещения по МЗК и тепловой схемой замещения. Наша модель основана на методе МЗК, который позволяет расчитать индукции в каждой ветви машины. Используя этот прием, определи индукции различных частей машины для расчета потерь и составления тепловой модели. Для этого наша модель была соединена с тепловой моделью с целью минимизации локальных температуры машины и эти результаты сравнили с данными, получены опытным путем. При создании модели машина была упрощена, таким образом как показано на рис.8.

ша шц

. В'

МВй

обоваячасть

Ста гор

Водушный зазор

^йзая часть без й|нти/1ятора У^ : ,

Рогор.....

Торцевая чгг^гь ' с вентилятором

I'

Подшипники

Рис.8. Упрощенная схема модели электрической машины

32

щз

28

30

в®

эв

а) Опытные результаты

>) расчетные данные

Рис.9. Температуры внутри машины без нагрузки

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Сделан обзор разработок и показано, как в настоящее время важно совершенствование асинхронных машин и повышение их энергетических, экологических параметров, чтобы удовлетворяли новым экологическим требованиям.

2. Разработан и теоретически обоснован метод расчета асинхронных машин с короткозамкнутым ротором на основе МЗК. Схема замещения такой машины составлена по МЗК.

3. Создана математическая модель такой машины. Разработанный алгоритм позволяет определить с высокой точностью токи статора и ротора в установившемся режиме с помощью комбинированного метода.

4. Создано программное обеспечение для расчета и оптимизации асинхронного двигателя в среде Matlab.

5. Численный эксперимент, реализованный с помощью других программ (Opera), основанных на методе конечных элементов, подтвердил эффективность и адекватность разработанной методики расчета асинхронного двигателя с КЗ ротором большой мощности.

6. Поведен опыт измерения локальных температур асинхронного двигателя мощности 250 кВт, которые сравнили с полученными

данными по расчету при использовании программы «1М_ТСМ» и тепловой модели «SAME».

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Сулейман Берте, Кузнецов В.А., Паскаль Броше, Мишель Еке Схемы замещения электрических машин для электромагнитного и теплого расчета в переходном процессе и опыт применения программы SAME // Электричество. - 2010. - №1.

2. Сулейман Берте, Ширинский С.В., Пстреченко Д.А., Паскаль Броше, Мишель Еке Расчет асинхронных машин в установившихся режимах комбинированным методом // ICEEE -2010.

3. Сулейман Берте, Кузнецов В.А Перспектива развития ветроэнергетики в Сахаре на международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» г. Москва, МКРЭЭ-2008.

4. Souleymane Berthe, Pascal Brochet, Michel Hecquet, Shirinsky S.V. «Modélisation et analyse de la machine électrique par la méthode intégrée ou combinée» International Conference Doctorales Franco-beiges. September 20-25,2009 Lille, France.

5. Souleymane Berthe, Pascal Brochet, Michel Hecquet, Shirinsky S.V, Petrichenko D. « The calculation of Induction machines in steady-state conditions by combined method ». Proceedings of International Conference on Knowledge based Industry «ICKI-2011 » Ulaanbaatar, Mongolia, July 6-07,2011, pp.378-381.

Подписано в печать Áb, fkЗак. Л 01/ Тир. fCO П.л. /, ¿>¿> Полиграфический центр МЭИ(ТУ) Красноказарменная ул.,д. 13

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Методы расчета асинхронных машин

1.1.0бзор существующих методов расчета асинхронных машин

1.2,Основные понятия метода зубцовых контуров

1.2.1.Понятие скалярного магнитного потенциала

1.2.2.Понятие магнитных зарядов

1.2.3.Понятие зубцовых контуров

1.2.4.Параметры зубцовых контуров

1.2.4.1.Стационарное магнитное поле

1.2.4.2.Расчет проводимостей взаимоиндукции зубцовых контуров при особых граничных условиях.

1.2.5.Эквивалентная схема замещения магнитных зарядов 33 1.2.6.Эквивалентная схема замещения и математическая модель электрической машины по методу зубцовых контуров

1.2.6.1.Эквивалептная схема замещения ЭМ по МЗК 35 1.2.6.2.Математическая модель электрической машины по методу зубцовых контуров (МЗК)

1.2.7.0сновные подходы и цель работы

Выводы

Глава 2. Применение метода проводимостей зубцовых контуров для расчета асинхронных машин

2.1.Допущения о характере магнитного поля при использовании метода ПЗК

2.2.Исследование влияния обмотки ротора о характере поля 43 2.3.Эквивалентная схема замещения магнитной цепи

2.3.1.Магнитные потоки магнитной цепи из схемы замещения

2.3.2.Допущения о характере магнитного поля насыщенной асинхронной машины

2.3.3.Построение схемы замещения магнитной цепи насыщенной асинхронной машины

2.3.3.1.Схема замещения статора 65 Схема замещения зубца 66 Схема замещения зоны ярма 68 Схема замещения в пазах

2.3.3.2.Схема замещения ротора 69 Воздушный зазор

2.3.4.Расчет проводимостей с помощью аналитического метода

2.3.5.Расчет при наличии КЗ ротора 80 Выводы

Глава 3. Расчет асинхронных машин в установившемся режиме комбинированным методом

3.1.Комбинированный метод для исследования электрических машин

3.2.0сновные этапы расчета машины в установившемся режиме

3.3.Расчет установившегося режима AM с К.З. ротором, заданного напряжением, частотой и номинальным скольжением

3.4.Структура программы

3.5.Графический интерфейс пользователя 99 Параметры статора 101 Параметры ротора 102 Параметры моделирования

Выводы

Глава 4. Тепловая модель асинхронной машины и особенности расчетов в подшипниках

4.1.Аналитическая формулировка потерь

4.2.Принцип 116 Метод узловых потенциалов 117 Уравнения баланса 118 Термические (тепловые) проводимости 119 Проводимость по активной проводимости 120 Проводимости конвекций 122 Особенность соединения и условия и ограничения

4.3.Формирование тепловой схемы замещения

4.3.1.Картография тепловых потоков

4.3.2.Моделирование подшипника для расчета теплового состояния

4.4.Результаты расчета и опыта

Выводы

В. течение последних 100-120 лет электрическая машина и оборудование, электрически к ней присоединенное, являются одним из важнейших элементов беспрецедентного ускорения технического прогресса. Развитие электромеханики и всего комплекса электрических и электроэнергетических сторон деятельности человечества обеспечило, стимулировало и оплодотворило успешное развитие подавляющего числа областей знаний, одно перечисление которых заняло бы неоправданно большое пространство.

Разработка новых методов исследования электромеханических систем, состоящих из различных электромеханических преобразователей, электрических, механических и полупроводниковых устройств, а также методы представления магнитных полей и процессов в электромеханических преобразователях относятся к числу наиболее важных проблем современной электромеханики. Исторически, эти две проблемы были весьма отделены друг от друга и разные методы были использованы для их решения. Это может быть объяснено как разнообразием явлений, которые происходят в этих системах, так и скромными возможностями компьютерной техники, которая использовалась на протяжении многих десятилетий. Ситуация изменилась за последние 20-25 лет, многие новые математические методы анализа явлений и процессов в электромеханических приборах и систем были разработаны и стали доступными исследователям.

Рост компьютерных технологий и скорости расчетов стало важным фактором, который сделал возможным оптимизацию проблем, будет показана для любой целевой функции и поведения электромеханических систем и их элементов для анализа как в рамках номинальных и в экстремальных условиях эксплуатации. Электрические машины являются одной из наиболее сложных частей любых электромеханических преобразователей и характеризуются магнитными; электрическими, 4 волными, тепловыми, механическими, и аэрогидродинамическими явлениями. По этим причинам основное внимание научных исследователей было сосредоточено на разработке надежных мультифизических и связанных моделей и методов моделирования электрических машин.

Производство и ремонт асинхронных машин большой мощности в настоящее время является одной из важнейших направлений деятельности компании Jeumont S.A. В настоящее время, делаются инвестиции в этой области деятельности в целях улучшения качества продукции и сокращения сроков разработки проектов. Основной целью данного исследования является создание «быстрой» модели (и соответствующего программного обеспечения) асинхронной машины, которая позволяет рассчитать ее рабочие характеристики и может быть использована в дальнейшем совместно с программами оптимизации асинхронных машин в целях создания машины отвечающей новым экологическим требованиями (по уровню шумов, вибраций, тепловых нагрузок).

Для создания «быстрой» модели машины использован комбинированный метод расчета, основанный на методе проводимостей зубцовых контуров (МПЗК, другое название - метод зубцовых контуров (МЗК)). Этот метод, в свою очередь основанный на анализе схем замещения электрических машин, был разработан на кафедре электромеханики Московского энергетического института в 80-е годы под руководством проф.

A. В. Иванова - Смоленского, а затем развит в докторской диссертации В. А. Кузнецовым.

Автор диссертационной работы выражает искреннюю благодарность

B.А. Кузнецову, C.B. Ширинскому, Д.А. Петриченко (кафедра электромеханики МЭИ), а также Паскаль Броше, Мишель Хекет (лаборатория силовой электроники и электротехники Высшей Центральной Школы в городе Лилле, Франция) за совместно руководство и консультирование в ходе подготовки диссертации.

Актуальность темы: асинхронные двигатели являются основными двигателями в электроприводах практически всех промышленных предприятий в РФ и за рубежом. Средние асинхронные машины используют с успехом как двигатели в передвижных устройствах, крупные асинхронные двигатели применяются в области атомной энергетики для систем охлаждения. Они нашли столь широкое применение благодаря простоте их конструкции и низкой себестоимости.

Однако, строгие требования к оборудованию атомных станций, а также мировая политика повышения энергоэффективности с целью уменьшения парниковых эффектов и зашиты окружающей среди делают весьма перспективной разработку асинхронных" машин повышенной эффективности.

С развитием компьютерной технологии и появлением различных программ стало возможно исследовать поведение электрических машин на стадии их проектирования, что ускоряет процесс проектирования машины и позволяет экономить на проведении опытов.

Для достижения этих преимуществ и получения высоких показателей качества необходимо использовать эффективные методы проектирования. Показатели качества асинхронных машин в значительной степени зависят от оптимальности их конструкции и режимов работы. Проблема расчета электрических машин, особенно асинхронных машин большой мощности, состоит в сложном характере поля в воздушном зазоре, выражающемся в большом числе гармоник магнитной индукции. Все это оказывает существенное влияние на выбор метода моделирования асинхронных машин.

При использовании эффективных методов моделирования удается учитывать эти факторы и получать высокие показатели качества. В настоящее время все большее внимание уделяется этому вопросу. В России значительный вклад в развитие теории и практики асинхронных машин внесли ученые. Несмотря на значительные успехи, достигнутые в направлении развития методов исследования, как в России, так и за рубежом, сохраняется актуальность совершенствования методов расчета с целью оптимизации асинхронных машин большой мощности. Существующие инженерные методики расчета таких машин не обладают достаточной точностью, а численные методы, такие как метод конечных элементов (МКЭ), требуют значительных затрат времени и не могут применяться в оптимизационных расчетах.

Диссертация посвящена разработке «быстрого» метода расчета асинхронных машин большой мощности с помощью метода зубцовых контуров, и созданию алгоритма определения токов в установившимся режиме, отвечающего таким достаточно противоречивым требованиям, как скорость счета и точность результатов.

Целыо диссертационной работы является разработка метода расчета асинхронных машин большой мощности методом зубцовых контуров с использованием алгоритма для определения токов в установившихся режимах комбинированным методом, а также реализация программного обеспечения, позволяющего проводить многовариантные расчеты за короткое время при обеспечении высокой точности.

Эта тема является частью проекта кафедры электромеханики МЭИ (Россия) и Лаборатории Ь2ЕР Центральной Школы Лилля (Франция). Основное внимание уделяется в нем разработке средств для оптимального проектирования асинхронных машин, позволяющих надежно и быстро выполнять проектирование.

Моделирование электрических машин с использованием эквивалентных схем замещения магнитных цепей открыло интересные возможности для исследования их в динамических и переходных процессах, а также в диагностике неисправностей. Понимая, что это метод есть хороший компромисс с точкой зрения скорости расчета и точности, он хорошо подходит для процесса проектирования машин и прогнозирования их производительности в различных условиях эксплуатации.

Выбор в качестве объекта исследования асинхронных машин большой мощности изначально обусловлен интересом промышленности. Области применения крупных асинхронных машин обусловили повышенные требования по уровню шумов и вибраций, тепловым нагрузкам.

Выводы

1. Программа SAME позволяет прогнозировать тепловое состояние ЭМ на стадии проектировании ЭМ и определить срок службы каждой ее детали. Зная температуры, можно принимать меры увеличения надежности ЭМ.

2. Программа также позволяет оптимизировать размеры электрических машин.

3. Погрешности между полученными результатами и результатами опытов не превышают 5%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе проведенных теоретических исследований получен ряд научных результатов, позволяющих выполнять расчет асинхронных машин с короткозамкнутым ротором. Основные результаты проделанной работы состоят в следующем:

1. Сделан обзор разработок и показано, как в настоящее время важно совершенствование асинхронных машин и повышение их энергетических, экологических параметров, чтобы удовлетворяли новым экологическим требованиям.

2. Разработан и теоретически обоснован метод расчета асинхронных машин с короткозамкнутым ротором на основе МЗК. Схема замещения такой машины составлена по МЗК.

3. Создана математическая модель такой машины. Разработанный алгоритм позволяет определить с высокой точностью токи статора и ротора в установившемся режиме с помощью комбинированного метода.

4. Создано программное обеспечение для расчета и оптимизации асинхронного двигателя в среде Matlab.

5. Численный эксперимент, реализованный с помощью других программ (Opera), основанных на методе конечных элементов, подтвердил эффективность и адекватность разработанной методики расчета асинхронного двигателя с КЗ ротором большой мощности.

6. Проведен опыт измерения локальных температур асинхронного двигателя мощности 250 кВт, которые сравнили с полученными данными по расчету при использовании программы «1МТСМ» и тепловой модели «SAME».

1. «Тепловые и атомные Электростанции», Справочник, Изд. МЭИ, Книга третья, Изд. МЭИ. М^ 2003г. 648с.

2. Иванов Смоленский А.В., Абрамкин Ю.В., Власов А.И, Кузнецов В.А. «Универсальный ; метод расчета; электромагнитных; процессов в Э.М», М.: Энергоатомиздат, 1986.-. 216с.

3. Иванов-Смоленский А.В:, Кузнецов В.А. «Универсальный численный метод моделирования электромеханических преобразователей, и систем» //Электричество. 2000. №7. С.24-33.

4. Kusnetsov V.A., Pascal Brochet. Numerical modeling of electromagnetic process in electromechanical systems. // Compel, Vol.22 №4- 2003. .

5. Иванов-Смоленский A.B., Кузнецов В.А., Петриченко Д.А. «Развитие комбинированного метода;' анализа1 электрических машин» //Электричество. 2007. №8. C.4-12.

6. A.Fasquelle, Contribution a la modélisation multiphysique ; electro-vibro-acoustique et aerothermique de machincs de traction, these de doctorat Ecole Centrale de Lille 2006.

7. Филиппов И.Ф., «Теплообмен в электрических машинах», книга для студентов вузов, JL: энергоатомиздат. 1986.-254с.

8. J. Pelle, modélisation des roulements, Laboratoire L2EP de Lille. .9: J.F. Trigeol", Identification des pertes d'une machine electrique par une approche thermique et a l'aide d'une technique inverse, These de doctorat Université de Poitier, 2004.

9. Ю.Коломейцев Л.Ф., Ротыч P.B., Долгошеев A.T. «Расчет поля воздушного зазора асинхронной машины с учетом двусторонней зубчатости». Изв. вузов. Электромеханика. - 1974. — №1.

10. П.Коломейцев Л.Ф., Ротыч Р.В., Цибулевский Ф:И. «О параметрах электрических машин с. зубчатым зазором». Изв. вузов. Электромеханика. — 1970. — №7.143

11. Коник Б.Е. «Исследование магнитного поля в воздушном зазоре электрической машины с двухсторонней зубчатостью сердечников методом скалярного магнитного потенциала». — Электричество. — 1976. —№2.

12. Коппенфельс В., Штальмаи Ф. «Практика конформных отображений». -М.: ИЛ. 1963.

13. Коршунов Ю.М. «Математические основы кибернетики». — 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 496 с.

14. Проектирование гидрогенераторов и синхронных компенсаторов: Учеб. пособие для вузов/ А.И. Абрамов, A.B. Иванов Смоленский. -2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк. - 2001. - 389 с.

15. Проектирование электрических машин: Учеб. для вузов/ И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В .П. Морозкищ Б.Ф. Токарев; Под ред. И.П. Копылова. -3-е изд:, испр. и доп. М.: Высшгшк., 2002. - 757 с.

16. Расчет переходных процессов в короткозамкнутых асинхронных двигателях методом проводимостей зубцовых контуров/ А.В. Иванов-Смоленский, Б.К. Клоков, В.И. Гончаров, В.Г. Фисенко // Тр. МЭИ.• 1Q85.-Bbin.73.-C. 8-14. : .

17. Расчет трехмерного магнитного поля и интегральных характеристик; электрических машин с постоянными магнитами Электронный ресурс. / В. 1-1. Горюнов;. Л. Е. Серкова, В. Э. Тиль. Омск : ОмГТУ, 2004.

18. Синельников Д.Е. «Расчет магнитного поля машин переменного тока с произвольными обмотками статора' на ЦВМ». . Изв. вузов. Электромеханика. — 1963. - №2.

19. Сорокер Т.Г. Поле в зазоре асинхронного двигателя и связанные с ним реактивные сопротивления //Тр. ВНИТ1ЭМ.,— 1976. — Т. 45. — С.5-37.

20. Статистические методы в инженерных исследованиях. Раздел: Регрессионный анализ/ А.З: Иванов, Г.К. Круг, Г.Ф., Филаретов; Под. ред. В.А. Кабанова. М.: Изд-во МЭИ. - 1977. - 79 с.

21. Тесленко О.А., Аванесов М.А. «Расчет характеристик генератора с малым числом пазов на полюс и фазу с питанием от диодного моста»// Электромеханические комплексы автономных объектов ЭКАО-97. -М. -1998.

22. М. Hecquet," Contribution à la modélisation des systèmes électrotechniques par la méthode des schémas équivalents magnétiques. Application à l'alternateur automobile", Thèse, Université des Sciences et Techniques de Lille, Janvier 1995.

23. C.Delforge «Modélisation d'un actionneur asynchrone et de sa commande vectorielle par reseaux de perméance.» Thèse Université des Sciences et Technologie de Lille - Janvier 1995.

24. D. Petrichenko, "Calculation and Simulation of Turbogenerators Using Permeance Network. Optimization Application" PhD Thesis, Ecole Centrale de Lille, France, 2007.

25. Иванов Смоленский A.B., Аванесов М.А., Казьмин Е.В. «Применение метода проводимостей зубцовых контуров для расчета синхронных машин с постоянными магнитами, размещеными на поверхность ротора»// Электричество - 2003. - №8.

26. Бинс К., Лауренсон П. «Анализ и расчет Электрических и магнитных полей»: Пер. с англ. М.: Энергия 1970. - 376с.36.0stovic V., "Dynamics of saturated machines", Springer-Verlag, 1989.

27. Влияние насыщения зубцового слоя на величину коэффициента воздшного зазора / С.Г. Бояджан, М.С Мнацаканян, В.Р. Гаспарян, Н.Р. Хачатрян межвзовский сборник научных трудов ЕрПИ, сер. XIII. Электротехника, вып.2, Ереван, 1976.

28. Demerdash N.A., Shah M. Apractical approach to inclusion of electromagnetic field nonlinearities in dynamic modeling of large turbogenerators. Pt. I. IEEE trans. On PAS, 1981, vol. PAS-100, &1, P.14-24.

29. Иванов Смоленский А.В. «Электрические Машины» в 2-х т. Том 1. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательство МЭИ, 2004.- 652с.

30. Иванов Смоленский А.В. Электрические Машины в 2-х Т. Том 2. 2-е изд., перераб. и доп. - М: Издательство МЭИ, 2004.-632с.

31. Иванов-Смоленский А.В., Аванесов М.А., Мартынов В.А. Расчет гармонических индукций в зазоре электрической машины при односторонней неравномерной зубчатости // Электротехника. — 1983. — № 7. — С.28-33.

32. Асинхронные двигатели общего назначения/ Е.П. Бойко, Ю.В. Гаинцев, Ю.М. Ковалев и др.; Под ред. В.М. Петрова, А.Э. Кравчика. -М.: Энергия, 1980. 488 с.

33. Казаков Ю.Б., Щелыкалов Ю.Я. Конечно-элементное моделирование физических полей в электрических машинах / Иван. гос. энерг. ун-т. -Иваново, 2001.- 100 с.

34. Worotynski J., Turowski M., and Mendrela E.A., "The accuracy of calculation of magnetics fields, inductance and forces in electromagnetic devices using the reluctance network method ", Proc.ISEF'93, Warsaw, pp 159-162, 1993.

35. Hecquet M., Brochet P., "Time variation forces in a synchronous machine using electric coupled network model", IEEE Trans. On Magnetics, Vol. 34, No 5, pp 3656-3659, September 1998.

36. S. Vivier, "Stratégies d'optimisation par plans d'expériences et Application aux dispositifs électrotechniques modélisés par éléments finis", Thèse de doctorat, Université des Sciences et Techniques de Lille, Juillet 2002.

37. Matlab 6.5 User's Guide. The Mathworks, http ://ww w. math works. com/

38. Juha Pyrhonen, Tapani Jokinen, Valéria Hrabovcova "Design of rotating electrical machines" translated by Hanna Niemala Pubished 2008 John Wiley & Sons Ltd, Great Britain.

39. V.Ostovic, J.M. Miller, V.K. Garg, R.D. Schult, and S.H. Swales. «A magnetic equivalent circuit based on performance computation of a lundell alternator. IEEE Transactions on Industry Applications, 35(4), July/August 1999.

40. J. Perho. Reluctance network for analysing induction machines. PhD thesis, University of Helsinki, Helsinku, Finland, December 2002.

41. H. Roters. Electromagnetic devices. J. Wiley and Sons, New-York, USA, 1941.

42. Filtz R.V. Mathematical basis of the electromechanical converters theory. Naukova Dumka, Kiev, 1979.

43. F. Sixdenier, B. Ducharne, J.P. Masson, L. Morel, and M.A. Raulet. Coupled programming: "finite elements" — "dynamical hysteresis flux tubes", for non-homogeneous circuits modeling. COMPUMAG, July 2003.

44. J. Turowski. Ch. 4, "Reluctance networks" in Computational Magnetics, J. Sykulski. Chapman and Hall, New York, USA, 1996.

45. A. Aït-Hammouda, Pré-dimensionnement et étude de sensibilité vibro-acoustique de machines à courant alternatif et à vitesse variable, Thèse de doctorat de l'école Centrale de Lille et de l'Université des Sciences et de la Technologie de Lille, 2005.

46. P.L.Alger. «Induction machines and their Behavior and Uses» Gordon and Breach Science Publishers, 1970.

47. Мартынов В.A. Матаматическое моделирование переходных процессов электрических машин на основе численного метода расчета элементарного поля. Диссертация доктора технических наук. Иваново 1996г. Стр.316.

48. Чуа JI.O,, Лин Пен-Мин. Машинный анализ электронных схем: алгоритмы и вычислительные методы. Пер. С анг. М.: энергия, 1980 -640с.

49. Майе И. Расчет индуктивностей лобового рассеяния электрических машин переменного тока с применением физического моделирования для определения коэффициентов магнитной проводимости. Диссертация. Канд. Техн. Наук. 1996г.

50. Ширинский C.B. Математическая модель синхронной машины на основе универсального метода // Тр. Моск. Энер. Инс-та. 1993. -Bbin.665.-c. 25-32.

51. Справочник по электрическим машином / В.2Т. Под. Общ.ред.

52. Мартынов В.А. Исследование установившихся режимов явнополюсных синхронных машин методом проводимостей зубцовых контуров: автореферат дис. Канд. Техн. Наук. М.: МЭИ, 1982. - 20с.