автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Синтез системы автоматизации оценки виброактивности асинхронных экранированных электродвигателей

Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический

Синтез системы автоматизации оценки виороактивно-сти асинхронных экранированных электродвигателей

Специальность 05.09.01 Электромеханика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель- доктор технических наук, профессор. Коськин Ю.П

Консультант-кандидат технических наук, ст.н.с Сепп Ю.И.

Университет им. В.И Ульянова (Ленина)

На правах рукописи

Чжан Чжунсинь

Санкт-Петербург 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. Разработка математических моделей внутренних магнитных источников виброактивности асинхронных экранированных двигателей 2 8

1.1. Постановка задачи описания состояний виброактивного магнитного поля в рабочем зазоре для установившихся режимов работы АЭД.

1.1.1 Исходные допущения. 2 8

1.1.2 Исходные уравнения 3 3

1.2 Математическая модель виброактивного магнитного поля в зазорах АЭД.

1.2.1. Описание составляющих виброактивного магнитного поля АЭД, связанных с токами статора. ®

1.2.2. Описание составляющих виброактивного магнитного поля АЭД, связанных с токами оболочки. ^ 1

1.3. Уравнения для оценки потоков колебательной энергии, излучаемых внутренними магнитными источниками в конструкцию АЭД. § в

1.4. Выводы.

2. Разработка математических моделей и методов оценки параметров виб-

роактивности конструкций асинхронных экранированных двигателей. $ \

2.1. Постановка задачи.

2.2. Уравнения состояния цилиндрического конструктивного элемента. в, о

2.3. Разработка математических моделей описания состояний конструкций АЭД. 9 §

2.4. Выводы. ^ о 5

3. Синтез системы автоматизации оценки виброактивности от внутренних

магнитных источников АЭД. 1 о 6

3.1. Анализ функциональной и информационной структур системы математических моделей для оценки виброактивности от внутренних магнитных источников АЭД.

3.2. Расчетное исследование виброактивности АЭД от внутренних маг-

нитных источников. 12$

3.3. Разработка программных средств сопровождения процесса оценки виброактивности АЭД.

3.4. Выводы. 16 5

4. Экспериментальная проверка методики автоматизированной оценки

виброактивности АЭД. I 7 2

4.1 .Цель и задача экспериментального исследования. 1 7 2

4.2.Описание экспериментальной установки и измерений. 17 4

4.3.Обработка результатов измерений. * 8 О

4.4.Сравнение расчетных и экспериментальных данных. i g (

4.5.Выводы. 2 0 0

Заключение 2 0 2

\

Литература 2 1 1

Приложение 1 2 2с

Приложение 2 2 Ъ 2

ВВЕДЕНИЕ

Технический уровень и состояние промышленного развития экономически развитых стран в значительной степени определяются использованием в производстве, а также в различных сферах человеческой деятельности разнообразных автоматических систем, устройств и приборов. Одним из основных элементов подобных технических систем как общепромышленного, так и специального назначения [1,2,6,10,1316,20] является асинхронный двигатель (АД), предназначенный для преобразования электрической энергии в механическое вращение. Качество и конкурентная способность АД решающим образом определяют качество и конкурентную способность включающих их в качестве элементов электроприводов, автоматических устройств и приборов.

К числу необходимых и важных показателей качества АД относятся показатели их виброакустичекой активности, требования к которым до недавнего времени формулировались в совокупности специальных требований и ограничений, предъявляемых к АД при их создании.

В то же время исследованиями российских и зарубежных специалистов [24,25,140] установлено, что повышенные уровни шума и вибрации электрооборудования (и электрических машин (ЭМ), в частности), помимо утомления, производственного и бытового травматизма, профессиональной заболеваемости, приводят к нарушениям в динамике нервной регуляции организма, практическим следствием которых является рост общей заболеваемости обслуживающего персонала, операторов и пользователей подобных преобразователей и оборудования. Выявлено воздействие низкочастотной вибрации на психофизиологическое состояние человеческого организма

[24,25,127,140], а также адаптацию к внешним условиям его функциональных и молекулярных структур [140].

С другой стороны, виброакустическая активность (шум и виброизлучение) ЭМ, обусловленная виброакустическими процессами, протекающими в пределах пространственных объемов, занимаемых самой машиной, приводит к накоплению повреждений в материалах, к постепенному ослаблению неподвижных соединений, к износу поверхностных слоев сопрягаемых деталей, к нарушениям контактных соединений и к замыканиям проводников [28,46]. Влияние внутренних виброакустических процессов в ЭМ сказывается на нарушениях в работе и повреждении устройств и приборов, размещаемых в окружающем машину пространстве или устанавливаемых на корпусных и прилегающих конструкциях [28,30]; по цепочкам обратных связей возмущения, связанные с виброакустическими процессами внутри ЭМ, могут передаваться в другие элементы систем, построенных на базе ЭМ, и существенным образом сказываться на функционировании и показателях качества указанных систем [22,30,46]. Наконец, информация, извлекаемая из анализа виброакустических процессов в ЭМ, часто оказывается достаточно существенной для составления представления о функциональном состоянии различных элементов системы, включающей ЭМ в качестве элемента, и потому может служить в качестве средства для диагностирования состояний и разработки устройств защиты систем управления [31-35].

В силу сказанного, виброактивность, определяемая в работах [36-39] как способность машины вызывать вибрацию как внутри её конструкции, так и в присоединенных связях, а также в окружающей среде, в значительной степени определяет качество функционирования ЭМ при заранее заданных и определённых условиях, существенно влияет на

характеристики надёжности и ресурса ЭМ и систем, включающих их в качестве элементов, предопределяет мероприятия по охране среды обитания и труда обслуживающего персонала, а совокупность показателей ее проявления является неотъемлемой характеристикой технического уровня и качества ЭМ. Поэтому, а также в связи с ужесточением требований, нормативов и стандартов по экологическим и медицинским показаниям, в связи с необходимостью повышения надёжности функционирования аппаратуры и устройств, включающих в свой состав ЭМ, учет и оценка виброактивности ЭМ становятся обязательным и необходимым требованием повышения их качества и конкурентной способности в процессе создания [29,40,46]. АД не являются исключением в отношении сказанного применительно к любым ЭМ. Поэтому для данного класса машин учёт и оценка виброакустических показателей в целях повышения их качества и конкурентной способности при использовании в составе технических систем и аппаратуры в настоящее время из разряда специальных требований переходит в разряд обязательных и необходимых [22, 46].

Осуществленные в работах [29,36-39] анализ и обобщение опыта проектирования ЭМ с пониженной виброакустической активностью дают возможность утверждать, что:

- в настоящее время разработка и создание ЭМ осуществляются по традиционным методикам с учётом традиционных технико-экономических показателей; виброакустические параметры обеспечиваются, главным образом, путём установления резервов, имеющихся в конструкции, исправления неудачных, с позиций обеспечения требуемых виброакустических показателей, технических решений [29,46,47,48];

- требования к виброакустическими характеристикам учитываются лишь на ранних стадиях проектирования серийных машин в ходе подготовки технического задания в виде разнообразных ограничений [29,49]; результаты виброакустических расчётов учитываются также при выборе окончательного конструктивного решения, а в ходе создания машин, удовлетворяющих специальным требованиям, пониженная виброактивность обеспечивается также уже после создания ЭМ при разработке средств установки её на объекте и в ходе доводки машины при испытаниях [29,46,48];

- подобный подход не даёт проектировщику гарантии того, что доводка уровней вибрации приведёт к необходимым значениями и требует значительных трудовых и материальных затрат на заключительных стадиях создания ЭМ. При обеспечении требуемых значений на стадии приёмо-сдаточных испытаний подобный подход приводит к тому, что на стадии эксплуатации ЭМ усложняется диагностика эксплуатационных отказов, отсутствует системность в прогнозировании аварийности и старения узлов ЭМ. В результате увеличиваются расходы на усложнение и специализацию диагностических комплексов, сокращается срок службы ЭМ и увеличивается их аварийность [45];

- проблема оценивания виброактивности ЭМ, создания машин, удовлетворяющих заданным требованиям по вибрации и шуму, должна рассматриваться как проблема управления внутренними и внешними проявлениями виброакустических процессов в ЭМ в том смысле, в каком ставится и обсуждается проблема управления в общей теории оптимального управления [51], а поэтому задача оценки виброактивности ЭМ, может быть сформулирована [36,38,45] как задача определения и выделения критериев виброактивности,а также построения физических

моделей конструктивной среды ЭМ, позволяющих описывать выделенные критерии в функции параметров конструкции машин, параметров её эксплуатации и технологии изготовления и является центральной при решении проблемы синтеза ЭМ с заданными или оптимальными характеристиками виброактивности;

- в условиях современного проектирования ЭМ, осуществляемого на основе средств автоматизации, решение задачи оценки виброактивности носит системный характер и не может быть осуществлено без использования особого класса систем - систем автоматизированной оценки виброактивности (САОВ) ЭМ, выступающих в качестве самостоятельных подсистем САПР ЭМ, согласование с которой осуществляется в процессе синтеза САПР путём согласования функциональных связей, морфологических признаков и информационных потоков [37]; САОВ ЭМ, включая в себя в качестве элементов: а) модели процессов, определяющих виброактивность; б) программные средства воссоздания моделей в ЭВМ; в) средства информационной взаимосвязи моделей; г) схемы, алгоритмы и средства управления оценкой на различных стадиях проектирования ЭМ, имея самостоятельные и слабо связанные с включающей её САПР функциональную, морфологическую и информационную структуры, могут и должны синтезироваться независимо на основе специальных знаний о предмете оценки, осуществляемой с их помощью [36-38].

Сказанное означает, что разработка САОВ для различных типов ЭМ и синтез подобных систем, выступающих сегодня в качестве основного инструмента при решении задачи оценивания такого качества ЭМ, как их виброактивность, является актуальной научно-технической задачей, способствующей внедрению в практику создания современного электрооборудования новых информационных технологий [37,38].

Одной из главных составляющих частей задачи оценки виброактивности, сформулированной в работах [36,38,45], является проблема выбора и определения критериев, по которым указанное свойство (качество) ЭМ подлежит оценке. Выполненные в работах [3639,41-45] на основе анализа отечественных публикаций исследования показывают, что:

существуют такие инварианты адекватной реальной ЭМ физической теории виброактивности, которые зависят только от переменных состояния ЭМ и полностью определяют ее виброактивность;эти инварианты с максимальной простотой отражают влияние на вибрацию различных по физической природе источников и конструкций, а также условия их функционирования, учитывают принципиальную неопределенность и дополнительность связей в ЭМ, предельно чувствительны к изменениям в различных частях конструкции в ходе ее проектирования, т.е. могут указывать пути для этих изменений, и с ними непосредственно связаны «наблюдаемые» (измеряемые) характеристики [45];

- указанные инварианты основаны на представлениях о потоках колебательной энергии (ПКЭ), и их необходимо использовать в качестве обобщённых физически измеряемых критериев виброактивности ЭМ при решении задачи оценки;

- использование упомянутых представлений позволяет естественным образом выделять в пределах конструкций ЭМ внутренние источники, способные (в силу происходящих в них энергетических превращений) излучать колебательную энергию и формировать в пределах всей конструкции поле излучения этой энергии от упомянутых источников; в результате, задачу оценки виброактивности ЭМ следует разделить на две

самостоятельные задачи - задачу оценки виброактивности самих этих внутренних источников и задачу описания и оценки состояния поля излучения колебательной энергии от них в конструктивном объёме ЭМ [36,45].

Результаты упомянутых исследований позволяют считать решённой для любого типа ЭМ, в том числе и для АД, проблему выбора критериев виброактивности и рассматривать ПКЭ как физическую основу и обобщённые критерии для разработки и синтеза САОВ АД.

Среди АД, имеющих важное значение в специальной гидроэнергетике, а также в ряде автоматических систем, особое положение занимают АД со сплошными вращающимися и неподвижными электропроводящими оболочками, находящимися в зазоре между ферромагнитными сердечниками статора и ротора.

Такие оболочки, называемые также гильзами, применяются (рис. В1) в главных и вспомогательных циркуляционных насосах атомных энергетических установок [1] и электростанций [1,2] для защиты обмоток АД от перекачиваемой и проходящей внутри АД жидкости - теплоносителя (обычно дистиллированной воды).

Гильзы-оболочки применяются также в АД погружных насосов (рис. В2), используемых в установках водоснабжения [75,90].

Сплошной электропроводящей оболочкой (СЭО) является полый ротор в асинхронных исполнительных двигателях [рис. ВЗ].

Во всех случаях вращающееся магнитное поле, создаваемое обмотками АД, индуцирует в СЭО электродвижущие силы и вихревые токи. В асинхронных исполнительных двигателях (АИД) эти токи приводят во вращение оболочку - полый ротор и являются полезными. В АД насосов вихревые токи статорных оболочек экранируют и ослабляют полезное магнитное поле, вызывают дополнительные потери и нагрев, т.е.

Рис. В1. Герметичный электронасос для циркуляции водяного пара или газа мощностью 1,3 кВт (а) и экранированный электропривод с гильзой, скреплённой статором и корпусом (б) [2] 1 - статор электродвигателя, 2 - ротор электродвигателя, 3 - экранирующие элементы (гильзы)

Рис. В2. Погружной электродвигатель типа ПЭДВ 16-140 [ 2]: I - вывод, 2 - корпус, 3 - стакан, 4 - кольцо, 5 - кольцо упорное, 6 - щит подшипниковый, 7 -вал, 8 - корпус статора, 9 - цилиндр изолирующий, 10 - обмотка статора, 11 - ротор, 12 - подшипник, 13 - втулка, 14 - щит подшипниковый, 15 - пята, 16 - подпятник, 17 - корпус подпятника, 18 - шпилька, 19 - диафрагма, 20 - гайка, 21 - днище, 22 - пробка, 23 - кольцо пружинное, 24 - шпонка, 25 - шпилька, 26 - гайка, 27 - уплотнение торцевое, 28 - полукольцо, 29 - шайба регулировочная

10 11

Рис. ВЗ. Двигатель с полым немагнитным ротором ДИД-0,6-ТВ [3]: / - аккумулятор масла, 2 - подшипник, 3 -втулка статора, 4 - сердечник, 5 - пакет статора, 6 - обмотка статора, 7 - корпус, 8 - полый ротор, 9 - вал, 10 - подшипник, 11 - защитный экран, 12 - трубка, 13 - гайка

у

«А

О»

являются вредными.

В любом исполнении СЭО изменяют картину магнитного поля в немагнитном (воздушном) зазоре АД, влияют на виброакустические характеристики (ВАХ) АД и требуют использования особых методик при расчете АД с СЭО.

В литературе [82] АД с СЭО получили название экранированных АД (АЭД).

Анализ опубликованных материалов [1,2,6,7,12,13,17,21,53] показывает, что в них практически отсутствуют сведения о способах учета СЭО в расчетах ВАХ АЭД. Поэтому представляется актуальной задача разработки теории и методик, позволяющих учитывать влияние СЭО на картину магнитного поля в зазорах АЭД и рассчитывать ВАХ АЭД.

Как и в обычных АД основную роль в формировании виброактивности АЭД играют магнитные источники, связанные с переменным магнитным полем, сосредоточенным в рабочем зазоре машины [33]. Данные источники через поверхность контакта поля со статором поставляют в последний потоки колебательной энергии, которые, преобразуясь в спинке статора и в связанной с ней корпусной конструкции, приводят к вибрации корпуса машины и через взаимодействие этого конструктивного элемента с окружающим воздухом - к возникновению шума машины [33,52]. Взаимодействие корпусных элементов с опорными связями ведёт к возникновению структурного шума в присоединенных к машине конструкциях [52].

Взаимодействие магнитного поля в зазоре с оболочками и ротором АЭД определяет ПКЭ, распространяющийся в теле ротора, и связанные с ним динамические нагрузки, приводящие к изменяющемуся со вр