автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Расчет энергетических показателей асинхронных двигателей в динамических режимах при автоматизированном проектировании

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Методы определения энергетических показателей электрических машин

1.2. Вопросы создания системы автоматизированного проектирование-" электрических машин. вывода.

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ В ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ С УЧЕТОМ ВИХРЕВЫХ ТОКОВ.

2.1. Моделирование динамических режимов с учетом мгновенных значений энергетических показателей

2.2. Моделирование динамических режимов с учетом интегральных значений энергетических показателей

2.3. Определение энергетических показателей при несинусоидальном напряжении питания

2.4. Учет энергетических показателей при частых пусках на холостом ходу - энергообмен

2.5. Определение энергетических показателей асинхронных двигателей в повторно-кратковременных режимах работы

ВЫВОДЫ

3. ЦИФРОВОЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ В ДИНАМИЧЕСКИХ ЖИМАХ С УЧЕТОМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ.

3.1. Решение уравнений динамики асинхронного двигателя с учетом энергетических показателей

3.2. Определение энергетических показателей асинхронного двигателя в динамических режимах

-33.3 Блок динамики, как часть подсистемы оптимального расчетного проектирования асинхронных двигателей ШВОда

4. АНАЛИЗ ЦИФРОВЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ

4.1. Цель и программа исследований

4.2. Мгновенные и средние энергетические показатели асинхронного двигателя в режимах пуска,реверса и повторного включения

4.3. Влияние на энергетические показатели асинхронного двигателя вихревых токов при пуске и реверс© в холостую.

4.4. Влияние момента инерции на энергетические показатели при пуске двигателя в холостую

4.5.Влияние скорости повторного включения на энергетические показатели асинхронного двигателя

4.6. Влияние несинусойдального питания на энергетические показатели асинхронного двигателя в режиме пуска. вывода.

5;- РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В ПОДСИСТЕМЕ ОПТИМАЛЬНОГО РАСЧЕТНОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ вывода

Развитие техники влечет за собой значительное усложнение режимов работы электротехнических систем и устройств. Для преобразования электрической энергии в механическую чаще всего применяются асинхронные двигатели. В СССР и в других развитых странах выпуск асинхронных двигателей различных мощностей составляет несколько миллионов штук в год. В настоящее время асинхронные двигатели потребляют более 40% вырабатываемой в СССР электроэнергии. Значительную долю этой величины составляет электроэнергия, потребляемая асинхронными двигателями в динамических режимах работы. Это связано с непрерывным увеличением удельного веса динамических режимов в связи с интенсификацией производственных процессов и расширяющимся внедрением регулируемого асинхронного электропривода на базе тиристорных преобразователей и микропроцессорной техники. Поэтому определение и уточнение расчета энергетических показателей асинхронных двигателей в динамических режимах работы является важной и актуальной задачей.

Исследованию энергетических показателей асинхронных двигателей посвящено большое количество работ советских и зарубежных авторов. Однако ряд важных вопросов изучен недостаточно, и, в частности, вопросы определения и расчета таких важных энергетических характеристик двигателя, как коэффициент мощности и коэффициент полезного действия в динамических режимах: при не синусоидальном питании. В установившемся режиме при симметрии и синусоидальном напряжении питания и симметрии двигателя поток энергии, входящий в асинхронный двигатель, имеет две составляющие - постоянную составляющую одного направления и колебательную с постоянной амплитудой, обуславливающую непрерывный обмен энергией между двигателем и источниксм питания. Характеристикой первой составляющей является активная мощность, часть которой преобразуется в тепло, а остальная часть передается вращающемуся механизму в виде механической модности. Абсолютной характеристикой второго процесса служит реактивная мощность, относительный ся^ .

Процессы обмена энергией между двигателем и сетью приводят к возрастанию потребляемого тока, увеличению потерь, изменению величины питающего напряжения.

В динамике структура обменных процессов при не синусоидальном питании значительно усложняется, возникают новые мало исследованные особенности. Энергообмен в динамических режимах приводит не только к изменению величин потребляемых токов и напряжения, но и к искажению их формы. Увеличиваются потери электроэнергии при несинусоидальном питании из-за появления высших гармонических. Асинхронные двигатели потребляют значительную долю вырабатываемой реактивной модности и эта доля еще более возрастает при работе двигателей в динамических режимах. Все эти особенности энергопотребления асинхронных двигателей влекут за собой дополнительные потери активной мощности, что в конечном счете отрицательно сказывается на качестве электроснабжения.

В настоящее время для расчета потерь мощности и потребляемой реактивной мощности в проектной практике используют методы, базирующиеся на эксплуатационных данных, получаемых с помощью счетчиков активной и реактивной энергии. Использование этих данных для вновь проектируемых электроприводов макет привести к большим погрешностям, поэтому для установившихся и динамических режимов работы асинхронных двигателей разрабатываются и совершенствуются аналитические методы расчета, основанные на теории цепей. Развитие этих методов дает возможность правильно выбирать тип и параметры компенсирующих устройств, способных реагировать на мгновенные изменения величины потребляемой реактивной мощности. Это позволяет в конечном счете снижать потери при передаче электроэнергии потребителям, работающим как в установившихся, так и в динамических режимах.

Поскольку асинхронные машины наиболее массовые преобразователи электрической энергии, то в электротехнической промышленности в первую очередь создается система автоматизированного проектирования асинхронных машин (САПР Ж). Р азработка и создание системы автоматизированного проектирования асинхронных машин продиктованы требованиями современной техники. Нужны более эффективные,надежные и экономичные технические устройства, основное звено которых составляют асинхронные машины. Создание САПР АМ стало возможным благодаря достижениям вычислительной математики и средств вычислительной техники и кибернетики. В САПР М предусматривается создание оптимальных методов расчетного проектирования с целью разработки машин с оптимальными показателями, в тем числе оптимальными энергетическими показателями. Поэтому целесообразно включать в САПР АМ, а именно в подсистему оптимального расчетного проектирования блок расчета энергетических показателей двигателя в динамических режимах, что позволит в частности спроектировать двигатель с оптимальными энергетическими показателями, как при номинальном режиме работы, так и в динамических режимах, при заданных ограничениях.

Целью работы является создание для автоматизированной системы проектирования электрических машин математических и программных средств расчета динамических режимов асинхронных машин с учетом энергетических показателей. Исследование разработанных цифровых математических моделей и ряда двигателей с целью получения материала, предназначенного для включения в банк данных САПР АД.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка

Выводы

1. Показано, что средние за время цикла энергетические показатели являются показателями, характеризующими процесс потребления асинхронными двигателями электрической энергии при работе двигате-лй в кратковременных режимах.

2. Предложена структурная блок-схема оптимального расчетного проектирования асинхронных двигателей в системе автоматизированного проектирования с учетом оптимизации их энергетических показателей.

ЗАКДКЯЕНИЕ

1. Вопросы определения энергетических показателей электрических машин в существенной мере нашли отражение в технической литературе. Однако в большинстве работ энергетические характеристики рассматриваются для установившегося режима при периодическом, синусоидальном изменении напряжений и токов.

2. Обзор трудов по созданию САПР ЭМ свидетельствует о том, что в настоящее время решены лишь частные задачи автоматизированного проектирования с учетом динамических режимов. Построение САПР АД как "открытой" системы позволяет решать задачу разработки блока динамики в подсистеме оптимального расчетного проектирования.

3. Разработана математическая модель асинхронного двигателя с двухконтурными статором и ротором на основе многообмоточной модели электромеханического преобразователя энергии с учетом энергетических показателей в динамических режимах. При этом учитывается эффект вытеснения тока в стержнях ротора.

4. Разработана методика определения мгновенных, средних за период основной гарсмники напряжения питания, энергетических показателей асинхронного двигателя в динамических режимах при синусоидальном и не синусоидальном питании.

5. Предложена методика определения допустимого с точки зрения экономии электроэнергии при пуске, времени нахождения на холостом ходу двигателя, работающего в кратковременных режимах.

6. Разработана программа расчета энергетических показателей асинхронных двигателей в переходных режимах при синусоидальном и не синусоидальном питании. Учитываются статорные и роторные вихревые токи, эффект вытеснения тока в стержнях ротора.

7 .Шредлшена структурная блок-схема алгоритма расчета энергетических показателей асинхронного двигателя в различных динамических режимах.

8. Разработана структурная блок-схема алгоритма оптимального расчетного проектирования асинхронных двигателей с учетом динамических режимов. В качестве целевых функций используются энергетические показатели динамического режима работы.

9. Проведены исследования, разработанных цифровых математических моделей. Получен материал, позволяющий оценить целесообразность выбора "рабочей" модели при решении конкретной задачи проектирования.

10. Проведены исследования мощностью 2,2 - 110 $3т при частоте сети ^ -50 Гц, 400 Гц и сделаны следующие выводы:

- Ударные значения потребляемой активной мощности, примерно в три раза больше значения номинальной мощности;

- Ударное значение потребляемой активной мощности при реверсе в четыре раза бюлыне этого значения при пуске;

- Влияние вихревых токов в статоре и в роторе приводит к снижению отношения активных мощностей, примерно на 0,81$;

- Вытеснение тока приводит к улучшению средних энергетических показателей. Коэффициент мощности увеличивается на 16$, а отношение активных мощностей на 10,7$;

- При несинусоидальном питании снижаются средние энергетические показатели. Отношение активных мощностей снижается, примерно на 1,0$, а коэффициент мощности на 3,3$.

Полученные результаты представляют собой материал для включения в банк данных САПР АД.

11. Доказано, что автоматическое выключение двигателя, работающего на холостом ходу, с целью экономии энергии не всегда оправдано. Представляется целесообразным, как показатели, характеризующие процесс потребления энергии АД.» работающими в кратковременных режимах, использовать средние за время цикла энергетические показатели.

12. Предложены выражения для расчета энергетических показателей асинхронных двигателей, работающих в кратковременных режимах.

13.Разрабютана структурная блок-схема оптимального расчетного проектирования АД. Доказана работоспособность и проведены исследования разработанных цифровых математических моделей, включенных в блок динамики САПР АД.

1. Воронов P.A., Пухов Г.Е. Кажущаяся мощность электрической цепи. - Электричество, 1954, № 4, с. 81.

2. Лурье Л.С. Кажущаяся мощность электрической цепи. Электричество, 1954, № 4, с. 81.

3. Rosenzweid I. Symboliczny wielowymiarowy rachunek wektor-owy jako metoda analizy ukladow wielofasouk.Czazopismo techniczne,1939, g .

4. Лурье Л.С. Кажущаяся мощность трехфазной системы. Электричество, 1951, В I, с. 47-53.

5. Пухов Г.Е. Теория мощности системы периодических многофазных токов. Электричество, Л 2, 1953, с. 56-61,

6. Пешелашвшш Г.К. К вопросу понятия полной мощности несимметричной цепи многофазного тока. Изв. вузов. Энергетика, 1963, № 8, с. 41-45.

7. Файнштейн Э.Г. К вопросу полной мощности многофазной электрической цепи. Изв.вузов - Энергетика, 1963, № 7, с. 30-37.

8. Маевский O.A. Определение энергетических соотношений и составляющих полной мощности вентильных преобразовательных установок. Электричество, 1965, № 3, с. 27-33.

9. Drechler R. Scheinleistung und untraditioneller La. stung-factor bein bertrieb von thristorshaltungen.Electric,1975, 29,n -b , p 324-327.

10. Мельников H.A. Реактивная мощность в электрических сетях.--М.; Энергия, 1975. 128 с.

11. Маевский O.A. Энергетические показатели вентильных преобразователей. -М.: Энергия, 1978. 320 с.

12. Маевский O.A. №тегральные методы определения энергетических соотношений в вентильных преобразователях. Изв.вузов. Энергетика, 1965, № 8, с.43-51.

13. Бородина И.В., Вейнтер A.M., Серый И.М., Янко-Тринцкий A.A. Автоматический регулируемый по скорости электропривод с асинхрони-зированным синхронным двигателем. Электричество, 1975, № 7,с. 41-46.

14. Бородина И.В., Фейнгер A.M., Серый И.М., Янко-Тринцкий A.A. О возможностях асинхронизированного синхронного компенсатора, регулируемого по скорости. Электричество, 1976, № II, с. 5-9.

15. Солодухо Я.Ю., Замараев Б.С., Иванов B.C. и др. Улучшение электромагнитной совместности тиристорных электроприводов и элек-троснабжающих сетей. Электричество, 1976, № 3, с. 13-18.

16. Замараев Б.С. Обобщенные энергетические показатели потребителей электроэнергии. сб. тр. ВЗПИ, вып. 84, серия "Электрооборудование и автоматизация промышленных установок", 1973, с. 168-Г -175.

17. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. Учебн. для электроэнерг,специальн. вузов,3.е изд., перераб. и доп. М.: Высш.школа, 1978. - "415 с.

18. Петров Г.Н. Электрические машины. Учебн. для электроэнерг.вузов и факульт. в 3-х ч. Изд. 2-е перераб. ч.2. Асинхронные и синхронные машины. M.JI.: Госэнергоиздат, 1963, 416 с.

19. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш.техн.учебн. заведений. 3-е изд. перераб. Л.: Энергия, 1978, 832 с.

20. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. Учебн. для вузов. М.: Энергия, 1980, 928 с.

21. Iliceto F.,G.Ruckstuhl and Geyhana.Behavior of loads during voltage dips encounted in stability studies fields and laboratory tests-IEE.Trans.Power Apparatus and systems,1972, vol.91 P. 2470-2479.

22. Iliceto P. Capassoa. Dynamic equivalent of asynchronousmotor load in systems, » ^974, vol.93, В 5,p. 1650-1657, 1974.

23. Sastry K.P.R., Burridge R.E Investigation of a reducedorder model for induction machine dynamic studies.-IEE. Trans.power appar. and syst.1976, vol. 95, $ 4, p. 1399-1406.

24. Мамедов Ф.А., Иванов M.H. Коэффициент мощности асинхронного двигателя, работающего в сети с несинусоидальным, несимметричным напряжением питания случайного характера. Электротехника, 1978, № I, с.17-19.

25. Мамедов Ф.А., Иванов М.Н. Анализ влияния параметров асинхронного двигателя с несимметричным ротором на ударный вращающий момент. Электричество, 1978, № 3, с.88-90.

26. Jimme J .Gathey, Ralph K. Cavin, A.K. Ayoub. Transient load model of an induction motor IEE Trans. Power Appar. and systems 1973, vol. 92, )i 4, p. 1399-1406.

27. Дрехслер P. Новый нетрадиционный метод определения коэффициента мощности " 1972, № II, с.586-591.

28. Дрехслер Р. Коэффициент мощности и потери в сети при несимметричном и нелинейном потребителе. Электричество, № 2, 1982, с. 12-16.

29. Башагуров Ю.М. Расчет средних значений к.п.д. и коэффициента мощности асинхронных электродвигателей в режиме случайного нагружения. Изв. Томского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института имени С.М.Кирова, 1968, т.190, с. 340-343.

30. Штурман Л.И., Золотарев О.И. Определение КПД и асинхронных двигателей при непрерывно меняющейся нагрузке. Электричество, 1951, № 8, с. 43-47.

31. Яценко A.A. Энергетические показатели тиристорных регуляторов мощности с импульсно-ступенчатым управлением. Электричество, & 10, 1982, с. 23-28.

32. Шуйский В.П. Расчет электрических машин. Пер. с немец. -I.: Энергия, 1968, 731 с.

33. Shuisky,Inductions maschinen, Wien, Springer-Verlag,1957.37. piliet E. Sur la generalisation de la notion de puissance reaktive , ^ 5, 1983, p. 317-323.

34. Уайт Д.Г. Вудсон. Электромеханическое преобразование энергии. М. Л.: Энергия, 1964. 528 с.

35. Орлов И.Н. и др. Алгоритмы оптимизации в автоматизированном проектировании электротехнических устройств. -М.: МЭИ, 1983.

36. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем. Учеб.пособие для Втузов.-М.: Высш.школа, 1980. 311 е., ил.

37. Дроздов Е.А., Комарницкий В.А., Пятибратов А.П. Электронные вычислительные машины единой серии. М., 1976.

38. Дворянкин A.M., Половинкин А.И., Соболев А.Н. Об оптимизации поиска принципов действия технических систем на основе банка физических явлений. Кибернетика, 1978, № I.

39. Терзян A.A. Автоматизированное проектирование электрических машин. M.s Энергоиздат, 1983. - 256 с.

40. Автоматизация проектно-конструкторских работ и технологи-чвекой подготовки производства в машиностроении /Под ред. О.И.Се-менкова. Минск, 1976, ч.1.

41. Юрин О.И. Единая система автоматизации проектирования ЭВМ. М., 1976.

42. Цветков В.Д. Принципы построения и функциональная структура систем автоматизации технологического проектирования. Приборы и системы управления, 1977, № 4.

43. Копылов И.П. Электромеханическое преобразование энергии. -М.: Энергия, 1973. 400 с.

44. Бородулин Ю.Б. Основные принципы оптимального проектирования силовых трансформаторов на ЭВМ; Автореферат докт. дисс.- Иваново.: 1974.

45. Вородулин Ю.Б., Гусев В.А., Попов Г.В. Проблемы разработки систем автоматизированного проектирования силовых трансформаторов /Сб. Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике, вып.2, Иваново: 1979, с.28-34.

46. Бурченков В.М., Кораблева И.М., Попов Г.В. Информационное обеспечение в САПР трансформаторов / Сб.Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике, вып.2, Иваново: 1979,с. 34-40.

47. Белоносов H.H. К вопросу организации базы данных в САПР трансформаторов /Сб. Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике, вып.2, Иваново: 1979, с.41-46.

48. Крючкова Т.Н. Совершенствование проектирования электромеханических устройств на основе разработки и применения комплекса алгоритмов оптимизации (на примере гидродвигателей). Автореферат канд.дисс. М.: 1983.

49. Курочка А.Л. Основы анализа и синтеза тяговых электрических машин кибернетическими методами. Автореферат докт.дисс. Новочеркасск. 1977.

50. Математическое обеспечение системы оптимального проектирования по созданию систем автоматизированного проектирования (САПР). Москва: 1978.

51. Оптимальное проектирование серий асинхронных двигателей на ЦВМ./Т.Г.Сорокер и др. Тр./ ВНИИЭМ, т.47, М.: 1980, с.5-12.

52. Копылов И.П. Применение вычислительных машин в инженерно-экономических расчетах. М.: Высш. школа, 1980, - 216 с.

53. Проектирование электрических машин / Под ред. И.П.Копы-лова. М.: Энергия, 1980. - 496 с.

54. Копылов И.П., Анбарцумова Т.Т. Влияние вихревых токов ротора на динамические характеристики асинхронных машин. Элек

55. Копылов И.П., Амбарцумова Т.Т., Голубович А.Н. О влиянии вихревых токов на момент вращения асинхронной машины. Тр. МЭИ, вып. 22, 1975.

56. Вахдат Асеф Мухаммед. Динамика асинхронных машин с совместным учетом эффекта вытеснения тока и вихревых токов: Автореферат канд. дисс. -М.: 1982.

57. Чиликин М.Г., А.С.Сандлер. Общий курс электропривода: Учебн. для вузов. М.: Энергоиздат, 1981. - 576 с.

58. Соколов М.М., Петров Л.П., Масандялов Л.Б., Ладензон В.А. Электромагнитные переходные процессы в асинхронном электроприводе. -М.¡Энергия, 1976. 200 с.

59. Постников И.М. Обобщенная теория и переходные процессы электрических машин: Учебн. для вузов, 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Высш.школа, 1975. - 319 с.

60. Беспалов В.Я., Копылов И.П. Переходные процессы в асинхронных двигателях при несинусоидальном напряжении. Электричество,гё 8, 1971.

61. Беспалов В.Я.,Исследование асинхронных двигателей при несинусоидальном напряжении. Автореферат канд. дисс. М.: 1968.

62. Федоров A.A., Ристейн Э.М. Электроснабжение промышленных предприятий: Учебн. для Вузов. М.:Энергия, 1981. - 360 с.