автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Асинхронные электродвигатели с двухслойным ротором в судовом электроприводе

Введение.

1. Конструкция и область применения асинхронных двигателей с двухслойными роторами

1.1. Конструкция и особенности двухслойного ротора.

1.2. Сравнительный анализ работы АДЦР и АДКР в судовом электроприводе.II

1.3. Выводы.

2. Особенности электромагнитных переходных процессов в массивном ферромагнитном роторе

2.1. Постановка задачи.

2.2. Интегральное уравнение для плотности тока в двухслойном роторе.

2.3. Переходные процессы в двухслойном роторе при включении на постоянное по знаку напряжение.

2.4. Переходные процессы в двухслойном роторе при включении на синусоидальное напряжение.

2.5. Исследование переходных процессов в двухслойном роторе на АВМ.

2.6. Выводы.

3. Особенности электромагнитных переходных процессов в АДЦР при пуске

3.1. Постановка задачи.

3.2. Сравнительная оценка электромагнитных переходных моментов ДПДР и АДКР.

3.3. Выводы.III

4. Особенности переходных процессов в АДЦР при пульсирующей нагрузке

4.1. Анализ работы асинхронного двигателя при пульсирующей нагрузке.

4.2. Сравнительная оценка работы асинхронных двигателей с короткозамкнутым и двухслойным роторами при пульсирующей нагрузке.

4.3. Выводы.

5. Экспериментальная оценка переходных процессов асинхронных двигателей с короткозамкнутым и двухслоййым роторами

5.1. Общие сведения.

5.2. Экспериментальная оценка переходных процессов

АДЦР и АДКР при пуске.

5.3. Экспериментальная оценка работы АДЦР и АДКР при пульсирующей нагрузке.

5.4. Экспериментальная оценка переходных процессов

АДЦР и АДКР при повторных включениях.

5.5. Экспериментальная оценка переходных процессов

АДЦР и АДКР при коротком замыкании.

5.6. Выводы.

В материалах ХХУ1 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-^примерно 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 суцах 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 задачей 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 (АдаР), которые имеют ряд бесспорных достоинств перед АДНР, Однако эффективное внедрение АЩР 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 массивном 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, 2. Произведен теоретический и экспериментальный анализ и выявлены особенности работы АДЦР относительно АДКР при пульсирующей нагрузке.3. Разработана конструкция, изготовлен и внедрен АДЦР в электропривод судового пожарного насоса.4. На основании выполненных расчетов показана область применения АДЦР в судовом электроприводе.5. Разработаны практические рекомеццации для расчета электромагнитных переходных процессов АДЦР.

Основные результаты диссертационной работы могут быть сформулированы следующим образом:

I'. Выполнен расчет конструкции двухслойного ротора для двигателей единой серии 4А# Показано, что двигатели единой серии основного исполнения, предназначенные для длительного режима рабо 1 ты, могут быть легко приспособлены для электроприводов с напряженными динамическими режимами работы путем простой замены к.з. ротора двухслойным и при этом в отношении пусковых характеристик они могут конкурировать с двигателями модификаций - с повышенным скольжением, с повышенным пусковым моментом.

2. На основании выполненных расчетов и анализа примеров использования АДДР в судовых условиях в работе показана область применения асинхронных двигателей с двухслойными роторами на судах:

- мощные электроприводы с кратковременным режимом работы -якорно-швартовные устройства, подруливающие устройства, электропривод шлюпбалок, подъема колонн полупогружных буровых установок;

- электропривод судовых грузоподъемных механизмов - лебедки, краны, лифты, подъемники;

- электромеханический рулевой электропривод;

- позиционные электроприводы - привод запорной арматуры, дистанционного включения автоматов и др.;

- электропривод стартерного пуска газотурбинных установок.

3, Разработана конструкция, изготовлен и внедрен в электропривод судового пожарного насоса асинхронный двигатель с двухслойным ротором, в результате чего пусковые характеристики привода относительно привода со штатным короткозамкнутым двигателем улучшились:

- пусковой момент возрос в 1,6 раза;

- пусковой ток уменьшился в I,5 раза;

- в 2 раза уменьшился провал напряжения при пуске привода от одного ДГ;

- отпала необходимость в работе двух ДГ для обеспечения нормального пуска привода.

4, Исследованы электромагнитные процессы, протекающие в массивном 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 при включении на синусоидальное и постоянное по знаку напряжение;

- исследована особенность электромагнитных переходных моментов у АДДР по сравнению с АДКР.

5. Разработаны практические рекомеццации для расчета электромагнитных переходных процессов асинхронных двигателей с двухслойными роторами:

- рекомендовано при малом и минимальном скольжениях не учитывать явления вытеснения тока в двухслойном роторе, а по, стоянную времени изменения тока ДР в переходном процессе определять по выражению (2.22);

- при больших скольжениях учет явления вытеснения тока в ДР необходим, а кривую изменения свободной составляющей тока ДР в переходном процессе апроксимировать двумя составляющими - быстрозатухающей и медленнозатухающей с постоянной времени по выражению (2.22); - при расчете составляющих электромагнитного переходного момента учитывается только медленнозатухающая составляющая свободного тока двухслойного ротора.

6, Произведен анализ работы асинхронного двигателя при пульсирующей нагрузке с учетом электромагнитных переходных процессов, в результате чего получены выражения для определения максимальных отклонений тока статора, угловой частоты вращения, угла ротора, значения резонансной частоты для предварительного анализа работы АД при пульсирующей нагрузке,

7, Произведена теоретическая и экспериментальная оценка работы асинхронных двигателей с короткозамкнутыми и двухслойными роторами при пульсирующей нагрузке и показано, что:

- применение АДЦР вместо АДКР в асинхронных электроприводах, работающих при пульсирующей нагрузке,приводит к увеличению пульсаций скольжения и уменьшению пульсаций тока статора, что приводит к уменьшению потерь в статоре и благоприятным образом отражается на работе судовой электростанции, когда мощность генераторных агрегатов соизмерима с мощностью электропривода;

- АДЦР целесообразны для электроприводов с пульсирующей нагрузкой, когда не исключена возможность появления резонанса, т.к. применение АДЦР существенным образом уменьшает интенсивность проявления резонансных явлений,

8, Произведена оценка электромагнитных переходных моментов АДЦР и АДКР при пуске с помощью полученных в работе выражений для составляющих момента, а также путем решения на ЦВМ системы уравнений Горева-Парка. Анализ полученных результатов показал, что:

- несмотря на то, что статический пусковой момент у АДЦР больше, чем у АДКР, амплитуда колебаний, максимальные и особенно отрицательные пики электромагнитного момента у АДДР меньше, чем у АДКР;

- расчет переходного электромагнитного момента АДДР при пуске можно производить пользуясь статическими параметрами машины, при этом значения составляющих переходного электромагнитного момента, определяемых свободным током ротора, необходимо корректировать коэффициентом Ci = 0,3*0,4.

9. Произведена экспериментальная оценка электромагнитных переходных процессов АДДР и АДКР при коротком замыкании и повторных включениях с незатухшим полем. Анализ результатов эксперимента показал, что:

- электромагнитные переходные моменты при к.з. у АДКР в 2,7*3,1 раза больше, чем у АДДР, кроме того, из осциллограммы видно, что интенсивность переходных процессов у АДДР также меньше;

- электромагнитные переходные моменты при повторных включениях с незатухшим полем больше у АДКР, чем у АДДР в 1,7*1,9 раза;

- результаты эксперимента подтверждают теоретические выводы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Scvzsm-A- SO/ъо G.R. So&c/ tc^etof oo/tv^s tie rw^cv. с к t/i/c Aims. —

2. J£8. Тъа^п. s if с 'on et fccuPSjfrtLce1. Sys itesrrs^ p. ^/-YSS:

3. Могильников B.C. Оптимальное значение магнитной проницаемости массивного ротора асинхронного электродвигателя. -Электричество, 1963, № 8, с.42-45•

4. А,с. 240262 (СССР). Литой сплав на основе железа /А.Н. Стрельников, В.А.Михайлвди. Опубл. в Б.И., 1969, W 12.

5. Могильников B.C. Асинхронные электродвигатели с массивными и двухслойными роторами, Изд.ВМФ, Симферополь, 1967. -93с.

6. Могильников B.C., Стрельников А.Н. Перспективы улучшения характеристик асинхронных двигателей с массивными роторами.-Электротехника, 1970, № 3, с.13-17.

7. Стрельников А.Н,, Лисицкий Е.Л. Асинхронные электродвигатели с массивными роторами для судовых электроприводов, -Судостроение, 1970, № 3, с.37-39.

8. Асинхронные двигатели с двухслойными роторами в промышленном и судовом электроприводах. /А.М.Бабаев, А.П.Баранов и др.-ЦБНТИ ММФ СССР, Экспресс-информация, сер. Техническая эксплуатация флота, М., 1977, № 19 (431), с.3-25,

9. Олейников A.M. Экспериментальное сравнение асинхронных двигателей с короткозамкнутым и двухслойным роторами в различных режимах работы. -Электричество, 1975, № 3, с.70-73.

10. Конторович Б.И. Асинхронный электродвигатель с двухслойным ротором* Судостроение, 1977, № 5, с.32-36.

11. Титов ВД. Вибрация и шум кранового двухскоростного асинхронного двигателя с двухслойным ротором, Электротехническая промышленность, Тяговое и подъемно-транспортное оборудование, ,1975, вып. 5(38), с.13-15.

12. Глухов Ю.Е. Применение асинхронных электродвигателей с двухслойным ротором на судах. Судостроение, 1971, JTn 7, с.41-43.

13. Олейников A.M. Перспективы развития и применения асинхронных электродвигателей с двухслойным ротором. Электротехническая промышленность, электрические машины, 1980, вып. 4 (НО), с.18-19.

14. Жуков А.А., Могильников B.C. Асинхронные электродвигатели с массивным и двухслойным роторами. Николаев, изд. НКИ, 1977. - 52 с.

15. Олейников A.M. Рабочие характеристики асинхронных двигателей с двухслойными роторами. Электричество, 1979, № 7, с. 13-15

16. Стрельников А.Н. Асинхронный двигатель большой мощности с двухслойным ротором, Электротехника, 1981, № 10, с,27-29.

17. Отчет по НИР $ 710 /Ленинградское высшее инженерное морское училище; руководитель работы Сиверес П.Л., исполнители Бабаев A.M., Корнилов Г.Ф. и др.; госрегистрационный № 74063571, 1974. -162 с.

18. Опыт эксплуатации асинхронных двигателей с двухслойными роторами в судовом электроприводе /В.Н.Мартынов В кн.: Тез. докл.республ.конф, Перспективы развития электромашиностроения на Украине. чЛ; Харьков, ХПИ, 1983, с.30.

19. Казовский Е.Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока, -М.-Л.; АН СССР, 1962, -624 е., ил,

20. Данилевич Я,Б., Домбровский В.В., Казовский Е.Я, Параметры электрических машин переменного тока. -М.-Л.; Наука, 1965. -339 е., ил.

21. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока. М.- Л.; Госэнергоиздат, 1963. -744 е., ил,

22. Постников И.М. Обобщенная теория и переходные процессы электрических машин. М,; Высшая школа, 1975. -319 е., ил.

23. Постников И.М, и др. Теория и методы расчета асинхронных турбогенераторов, Киев; Наукова думка, 1977. -176 е., ил.

24. Страхов С,В, Переходные процессы в электрических цепях, содержащих машины переменного тока. -М.-Л.; Госэнергоиздат, I960. 247 е., ил.

25. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. Л.; Энергия, 1980. - 256 е., ил.

26. Трещев И.И, Электромеханические процессы в машинах переменного тока. Л.; Энергия, 1978. - 344 е., ил.

27. Могильников B.C. Асинхронный электродвигатель с двухслойным ротором. В кн. Бесконтактные электрические машины. Рига; Зинатне, 1969, вып. УШ, с.215-226.

28. Брук И.С. Теория асинхронного двигателя с массивным ротором. Вестник теоретической и экспериментальной электротехники, 1928, № 2, с.58-67; 1929, $ 5, с.175-193.

29. Кашарский Э.Г. Специальные вопросы расчета и исследования синхронных машин с массивным ротором, -М.-Л.; Наука, 1965» -104 с,, ил.

30. Кашарский Э.Г., Чемоданова Н.Б., Шапиро А.С. Потери и нагрев в массивных роторах синхронных машин. Л.; Наука, 1968. -199 е., ил.

31. Куцевалов В.М. Асинхронные и синхронные машины с массивными роторами. М.; Энергия, 1979. - 161 е., ил.

32. Могильников B.C., Олейников A.M., Стрельников А.Н. Асинхронные двигатели с двухслойным ротором. М.; Энергоатомиздат, 1983.-120 е., ил.

33. Овчар А.П. Асинхронные двигатели с двухслойным ротором: Автореф.дис.кацд.техн.наук. Харьков, 1982.-23 с.

34. Смирнов С.В. Параметры асинхронного двигателя с двухслойным массивным ротором. Севастополь, 1983.-4 с. Рукопись представлена СВЕИМУ. Деп. в ДИВТН МО СССР №Д5868.

35. Могильников B.C., Олейников A.M. Определение эквивалентных параметров массивного и двухслойного роторов асинхронного двигателя без учета выполнения тока в короткоеамыкающем кольце.- Изв.вузов, Электромеханика, 1982, № 10, с.1179-1183.

36. Иванов-Смоленский Л.В, Электрические машины. М.; Энергия, 1980.-927 е., ил.

37. Диткин В.А., Прудников А.П. Справочник по операционному исчислению* М.; Высшая школа, 1965.-466 с.

38. Соколов М.М,, Петров Л.П. и др. Электромагнитные переходные процессы в асинхронном электроприводе. М.; Энергия,1967.-201 е., ил.

39. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии. М.; Энергия, 1973.-233 е., ил.

40. Кроп Г. Применение тензорного анализа в электротехнике,- М.; Госэнергоиздат, I955.-3II е., ил.

41. Краснов М.Л. и др. Интегральные уравнения, М,; Наука, 1976.-213 с.

42. Забрейко П.П. и др. Интегральные уравнения. М.; Наука,1968, -303 с.

43. Столов Л.И, Влияние переходных электромагнитных процессов на динамику пуска короткозамкнутого двигателя. Электричество, 1948, № 6, с.54-56.

44. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных электродвигателей. -М.-Л.;Госэнергоиздат, I963.-528 е., ил.

45. Лайон В. Анализ переходных процессов в электрических машинах переменного тока. М,- Л.; Госэнергоиздат, 1958.- 400 е., ил.

46. Петров Л.П. Управление пуском и торможением асинхронных двигателей. М.; Энергоиздат, I98I.-I84 е., ил.

47. Голован А.Т, Основы электропривода. М,- Л.; Энергоиздат, 1959.-344 е., ил.

48. Верескун В.И., Краев С.И., Мартынов В.Н» 0 расчете переходных процессов асинхронной машины с различной конструкцией ротора. Кибернетика на морском транспорте: Респ.межвед. научн,-техн. сб., вып. 9, с*60-63.

49. Могильников B.C., Мартынов В.Н. Анализ работы асинхронного двигателя при пульсирующей нагрузке. Электричество, 1982, № II, с.57-59»

50. Мартынов В,Н. 0 резонансе в асинхронных двигателях с массивными роторами.-Изв. вузов, Электромеханика, 1980, № 4, с. 405-408.

51. Могильников B.C. Резонанс в асинхронных электроприводах при пульсирующей нагрузке. Электричество, 1956, № 8,с.22-26.

52. Пинчук И,С. Переходные процессы в асинхронных двигателях при периодической нагрузке. Электричество, 1957, № 9,с.27-30.

53. Артемюк В.Т. Асинхронные двигатели при периодической нагрузке. Киев; Техника, 1972.-200 е., ил.

54. Соколов М.М,, Масандилов Л,Б. Измерение динамических моментов в электроприводах переменного тока, М.; - Энергия, 1975.- 184 е., ил.

55. Трещев И,И, Методы исследования машин переменного тока, Л,; Энергия, 1969.-236 е., ил.

56. Лопухина Е.М., Сомохин Г.С. Асинхронные микромашины с полым ротором, М.; Энергия, 1967.-488 е., ил.

57. Левинтов С.Д., Борисов A.M. Новые конструкции магнит-ноупругих датчиков крутящего момента. Сб.тр. /Челябинскийполитехнический ин-т, 1970, № 69, с.151-160.

58. Куцевалов В.М., Могильников B.C., Олейников A.M. Применение асинхронных двигателей с массивным и двухслойным роторами на судах. Киев; Изд. общ, "Знание", 1979.-22 с.

59. Коник Б,Е., Абрамов С.П., Порхунов М.С. Высокоскоростные асинхронные двигатели с массивными роторами из маломагнитных сплавов. Электротехника, 1974, № 3, с.20-24.

60. Гандин Б.Д., Гревнин Г.Р., Лазаревский Н.А, Пуск асинхронных электродвигателей. Л,; Судостроение, 1980,-153 е.,ил,

61. Чиликин М.Г., Соколов М.М., Терехов В.М., Шинянский А.В. Основы автоматизированного электропривода. М.; Энергия, 1974.-568 е., ил,

62. Могильников B.C. Выбег асинхронных двигателей при коротком замыкании в сети. Электричество, 1954, № II, с.33-36.