автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Специальный двухроторный регулируемый асинхронный с короткозамкнутым ротором электродвигатель (элементы теории)

МОГИЛЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

СПЕЦИАЛЬНЫЙ ДВУХРОТОРНЫЙ РЕГУЛИРУЕМЫЙ АСИНХРОННЫЙ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ (ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ)

05.09.01 - Электромеханика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ОД

УДК 621.313.333

Кебеде Нахом Демеке

Могилев 2000

Работа выполнена на кафедре "Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов" Могилевского государственного технического университета.

Научный руководитель

— кандидат технических наук, профессор Парфенович О.Н.

Официальные оппоненты: — доктор технических наук

профессор Шпиганович А.Н.; кандидат технических наук, доцент Тодарев В.В.

Оппонирующая организация — Белорусская государственная

политехническая академия

Защита состоится " 19 " декабря 2000 г. в 10— часов на заседании совета по защите диссертаций К.02.13.01 в Гомельском государственном техническом университете имени П.О. Сухого по адресу:

246746, г. Гомель, пр-кт Октября, 48, корп.1, ауд. 516, Гомельский государственный технический университет имени П.О. Сухого.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Гомельского государственного технического университета имени П.О. Сухого.

Автореферат разослан" /т^" ноября 2000 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций

Г.И. Селиверстов

© Кебеде Н.Д., 2000

ААЯ.4. -OI . ГУ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В настоящее время 67% электроэнергии, вырабатываемой различными энергоисточниками, потребляется электродвигателями. В Республике Беларусь находящиеся в эксплуатации электродвигатели на 95 % - нерегулируемые, на Западе и в промышленно развитых странах других регионов мира таких двигателей - не более 40 ... 50%; тенденция - использовать только регулируемые электродвигатели, что, в целом, уже сейчас дает свыше 10 ... 15% экономии электроэнергии. В частности, в стране не менее 40% электроэнергии потребляют различного рода нагнетатели (насосы, вентиляторы и пр.), и приводятся они в движение нерегулируемыми электродвигателями. Установка же в нагнетателях вместо дросселирования регулируемых электродвигателей дает экономию электроэнергии до 40 ... 50%, воды -15 ...20%.

В настоящее время основная ориентация новых разработок и производства регулируемых систем с асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями сосредоточена на частотных электроприводах, где получены превосходные на сегодня результаты по регулировочным свойствам, энергетике, динамике электропривода в целом. Пожалуй, единственным недостатком указанных электроприводов следует считать их высокую стоимость (в 8 ... 10 раз превышающую аналогичные нерегулируемые системы) и относительно большие массогабаритные показатели преобразовательной техники (по массе соизмеримой с массой двигателя, по габаритам больше габаритов управляемого двигателя). Указанные недостатки в значительной степени ограничивают использование частотных электроприводов. В таких энергоемких системах, как в различного рода нагнетателях, реальная окупаемость затрат, даже при современных весьма высоких ценах на электроэнергию, наступает спустя около десятка лет.

В тоже время, на сегодня практически приостановлены исследования и наработки но регулируемым электроприводам переменного тока с регуляторами напряжения в статорной цепи двигателя (так называемыми параметрическими регуляторами), необоснованно ограничено и применение подобных электроприводов в промышленном производстве. Это связано и с тем, что использование стандартных асинхронных электродвигателей для широкого диапазона регулирования только напряжением оказалось неприемлемым из-за неудовлетворительных электромеханических и энергетических характеристик двигателей, которые особенно ухудшаются при скольжениях ротора больше критических.

В последние годы на кафедре "Электропривод и автоматизация общепромышленных установок" в Могилевском государственном техническом университете проводились исследования по разработке асинхронных электродвигателей с двумя короткозамкнутыми роторами, специально предназначенных для регулирования частоты вращения напряжением со

стороны статора (конструктивная схема-двигатель асинхронный специальный - ДАС), которые при организации промышленного производства в комплекте с преобразователем могут быть в 3 ... 4 раза дешевле применяемых регулируемых электроприводов на базе частотных инверторов, и, к тому же, обладают более высокой структурной надежностью. В настоящее время на Могилевском заводе "Электродвигатель" изготовлены и испытаны макетные образцы указанных электродвигателей. Образцы выполнены на базе стандартных двигателей типоразмера АИРС-10084.

Разработке теоретических положений оценки электромеханических и энергетических свойств новых электродвигателей по конструктивной схеме ДАС и посвящена данная диссертация.

Связь работы с крупными научными программами. темами. Работа выполнялась в соответствии с заданием по Межвузовской научно-технической программе "Приоритет" - 1997-2000г, в частности, по одному из разделов этой программы: "Разработка теоретических основ создания и эффективного применения управляемого электропривода переменного тока на основе новых конструктивных решений асинхронных электродвигателей и систем фазового управления".

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы заключается в разработке элементов теории электромагнитных, электромеханических и тепловых процессов для нового асинхронного двухроторного электродвигателя, специально предназначенного для регулирования его частоты вращения напряжением со стороны статора.

Поставленная цель была достигнута в настоящей работе путем решения следующих задач:

- проведения сравнительного анализа методов регулирования частоты вращения асинхронных электродвигателей, электромеханических и энергетических характеристик стандартных асинхронных электродвигателей при их работе в системах с частотными регуляторами и регуляторами напряжения;

- анализа конструктивных решений и технико-экономических свойств электромеханических преобразователей, работающих в системах с регуляторами напряжения;

- разработки статической модели (схема замещения, основные уравнения) и методов расчета характеристик специального асинхронного двухроторного электродвигателя по конструктивной схеме ДАС;

. - разработки элементов теории, динамической модели и методов расчета динамики специального асинхронного двухроторного электродвигателя по конструктивной схеме ДАС;

- разработки элементов теории, тепловых и вентиляционных моделей, специального асинхронного двухроторного электродвигателя по конструктивной схеме ДАС.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются элементы теории электромагнитных, электромеханических и тепловых процессов асинхронного электродвигателя.

Предмет исследования - специальный двухроторный регулируемый асинхронный с короткозамкнутым ротором электродвигатель.

Гипотеза. Предполагалось, что электроприводы с регуляторами напряжения могут стать конкурентоспособными с частотными регуляторами, если простыми, надежными и дешевыми регуляторами напряжения управлять не стандартными, а специально созданными для такой системы регулирования электродвигателями.

Методология и методы проведенного исследования. При разработке математической модели специального электродвигателя использовались методы преобразования координат уравнений трехфазной системы; теории обобщенной электрической машины; теории автоматического управления; численные методы решения дифференциальных уравнений. Проверка результатов теоретических исследований осуществлялась с помощью моделей на персональном компьютере с использованием современных математических пакетов программ, экспериментальных исследований макетных образцов.

Научная новизна и значимость полученных результатов. Разработаны элементы теории электромагнитных, электромеханических и тепловых процессов нового асинхронного двухроторного электродвигателя, специально предназначенного для регулирования его частоты вращения напряжением со стороны статора.

Проанализированы сравнительные методы регулирования частоты вращения асинхронных электродвигателей, электромеханические и энергетические характеристики стандартных асинхронных электродвигателей при их работе в системах с частотными регуляторами и регуляторами напряжения. Произведен анализ конструктивных решений и технико-экономических свойств электромеханических преобразователей, работающих в системах с регуляторами напряжения. Разработаны статическая модель (схема замещения, основные уравнения) и методы расчета характеристик специального асинхронного двухроторного электродвигателя по конструктивной схеме ДАС. Разработаны элементы теории, динамическая модель и метод расчета динамики специального асинхронного двухроторного электродвигателя по конструктивной схеме ДАС. Разработаны элементы теории, тепловые и вентиляционные модели, предложен метод расчета тепловых и вентиляционных характеристик специального асинхронного двухроторного электродвигателя по конструктивной схеме ДАС.

Практическая и экономическая значимость полученных результатов.

Практическая значимость работы заключается в разработке элементов теории новых асинхронных двухроторных электродвигателей, специально предназначенных для регулирования частоты вращения ротора из-

менением подводимого к трехфазным обмоткам статора напряжения. В этой части предложены: статическая модель и методы расчета механических и электромеханических характеристик электродвигателя, характеристик допустимого по условиям нагрева моментов электродвигателя при регулировании его частоты вращения напряжением со стороны статора, методы расчета тепловых и вентиляционных характеристик специального двухроторного электродвигателя.

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные в работе, используются при чтении курсов: " Элементы автоматизированного электропривода" и " Электрические машины " по специальности Т. 11.02.00 "Автоматизированный электропривод" в МГТУ.

Экономическая значимость заключается в том, что при организации промышленного производства электроприводов на базе специального электродвигателя с регулятором напряжения цена таких электроприводов может быть в 3 ... 4 раза меньше чем у частотных. Конструкция специального электродвигателя на 10 ... 20 % позволяет также снизить расход активных материалов (медь, электротехническая сталь) на единицу выходной мощности двигателя.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту. Автором защищаются:

1. Результаты сравнительного анализа методов регулирования частоты вращения асинхронных электродвигателей с обоснованием преимуществ и недостатков частотного и параметрического, со специальным электродвигателем, методов.

2. Теоретические, структурные модели электродвигателя как электромеханического преобразователя, специально предназначенного для параметрического регулирования частоты его вращения, основные расчетные соотношения электромеханических и энергетических характеристик.

3. Математическая и структурная модели специального электродвигателя - источника тепловых потерь, теплопроводности, теплопередачи и вентиляции, расчетные соотношения тепловых и вентиляционных процессов.

Личный вклад соискателя. Научные и практические результаты диссертации, положения, выносимые на защиту, разработаны и получены лично соискателем или при его непосредственном участии.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований, содержащиеся в диссертации, докладывались, обсуждались и получили одобрение на:

- 52-ой международной научно-технической конференции профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов Белорусской государственной политехнической академии (г. Минск, 1997 г.);

- X научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов "Новые технологии в машиностроении и вычислительной технике " (г. Брест, 1998 г.);

- международной научно-технической конференции "Современные проблемы машиноведения" (г. Гомель, 1998 г.);

- международной научно-технической конференции "Современные направления развития производственных технологий и робототехника" (г. Могилев, 1999 г.);

- международной научно-технической конференции "Современные проблемы машиноведения" (г. Гомель, 2000 г.);

- 3-ем международном симпозиуме "Электрические машины в новом

столетии" (г. Москва, 2000 г.).

Опубликованностъ результатов. Основные положения диссертации опубликованы в 1 статье в журнале "Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объед. СНГ)", 6 статьях в материалах конференций, 2 тезисах докладов. Всего объем опубликованных материалов составляет 25 страниц.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, заключения, списка использованных источников, двух приложений. Общий объем диссертации составляет 125 страниц, при этом 52 рисунка, 6 таблиц, список использованных источников из 74 наименований, приложения занимают 40 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая оценка проблемы регулирования асинхронных с короткозамкнутым ротором электродвигателей, отмечено, что применение высокоэффективных в эксплуатации частотных электроприводов ограничивается большой стоимостью их преобразователей, в несколько раз превышающих стоимость управляемого электродвигателя, а применение более дешевых регуляторов напряжения требует разработки электродвигателей специальной конструкции.

В общей характеристике работы обоснована актуальность темы, приведен перечень проблем, которые до сих пор оставались недостаточно изученными, сформулированы цели и задачи исследований.

В первой главе осуществлен анализ современных регулируемых систем электроприводов переменного тока, производимых и используемых в настоящее время, в промышленности. При этом рассмотрены: параметрическое регулирование асинхронных электродвигателей (АД); частотное регулирование АД с использованием непосредственных преобразователей частоты; частотное регулирование АД с использованием независимых инверторов напряжения и инверторов тока и регулирование частоты вращения АД изменением напряжения на обмотках статора; дана обобщенная сравнительная оценка технико-экономических характеристик указанных электроприводов. На этом основании определены приоритетные области и

проблемы применения электропривода переменного тока с частотными и параметрическими регуляторами.

На основании произведенного анализа сделаны следующее выводы:

1. По техническим параметрам (диапазону регулирования, коэффициенту полезного действия (КПД), коэффициенту мощности (созф), гармоническому составу, кратности пускового момента, кратности допустимого по условиям нагрева момента) система частотного регулирования на базе автономного инвертора напряжения с широтно-импульсным преобразователем (АИН-ШИП) имеет явные преимущества перед остальными методами регулирования.

2. По массогабаритным характеристикам система АИН-ШИП несколько уступает системе с транзисторным регулятором напряжения на базе широтно-импульсного преобразования напряжения (РН-ШИП) и тири-сторного регулятора напряжения (ТРН).

3. По стоимости система АИН-ШИП уступает РН-ШИП значительно.

Во второй главе произведен анализ механических характеристик -

зависимости частоты вращения от момента (со=/(М)); электромеханических характеристик - зависимости частоты вращения от тока статора ((й=/(10); энергетических характеристик - зависимости коэффициента полезного действия от мощности (г1=/(Р2)), зависимости коэффициента мощности от мощности (со5ф=/(Рг)) и регулировочных характеристик для асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором типа АИРС100 84 стандартной серии при его работе с частотными регуляторами и регуляторами напряжения (системы регулирования АИН-ШИП-Д и РН-ШИП-Д).

Приведены технико-экономические параметры рассматриваемых систем регулирования применительно к асинхронным электродвигателям мощностью до 5 кВт.

На основании анализа сделаны следующие выводы:

1. По стоимости, по массе, по габаритам, по надежности системы РН-ШИП-Д имеют значительные преимущества по сравнению с системами АИН-ШИП-Д.

2. По диапазону регулирования частоты вращения вниз от номинальной, по управляемости режимами работы, при наличии пульсаций моментов на регулировочных характеристиках системы идентичны.

3. Система АИН-ШИП-Д имеет лучшие параметры по энергетике на регулировочных характеристиках, в пускотормозных режимах и обеспечивает лучшие допустимые по условиям нагрева моменты двигателя в указанных режимах.

4. Наиболее целесообразные области применения электроприводов с системами АИН-ШИП Д- это механизмы с продолжительным режимом работы при Мс=пост, Р2=пост.

5. Наиболее целесообразные области применения электроприводов с системами РН-ШИП-Д - это механизмы с повторно-кратковременными и кратковременными режимами работы с нагрузкой типа "вентиляторной"-Мс=со22

6. Применение системы РН-ШИП-Д можно рекомендовать при использовании в системе специального электродвигателя, предназначенного для регулирования частоты вращения напряжением со стороны статора.

В третьей главе произведен анализ конструктивных решений асинхронных с короткозамкнутым ротором электродвигателей, применяемых в электроприводах для регулирования частоты вращения изменением напряжения на статорных обмотках; дана обобщенная сравнительная оценка технико-экономических характеристик указанных электродвигателей. При этом рассматривались стандартные асинхронные электродвигатели общепромышленной серии, электродвигатели с повышенным скольжением, крановые, с фазным ротором, специальные с массивным ротором, с выносным индукционным сопротивлением и ферромагнитной звездочкой электродвигатели, прочие известные конструкции электродвигателей для регулирования напряжением со стороны статора.

Анализ произведен применительно к выходным параметрам двигателей с номинальными данными: Рн = 3000 Вт; и„ = 220/380 В;/, =50 Гц; 2Р = 4; ПВ=100%, степень защиты 1Р44. На основании произведенного анализа сделаны следующие выводы:

1. Двигатели с повышенным скольжением, крановые и с ферромагнитной "звездочкой" в роторе, имея соизмеримые параметры по цене, массе, габаритам, с соответствующими параметрами двигателей основного исполнения, практически нельзя использовать для работы на регулировочных характеристиках в системе РН-Д из-за низких КПД и допустимых по условиям нагрева моментов в этих режимах.

2. Двигатели с фазным и массивным ротором могут обеспечивать работу на регулировочных характеристиках, например, в механизмах с вентиляторными нагрузками, но при этом имеют высокую стоимость, большие массогабаритные показатели, низкий КПД на естественных и регулировочных характеристиках.

3. Двигатели с индукционными сопротивлениями в цепи ротора дорогие, имеют весьма большие массогабаритные показатели и низкий КПД, сложны по конструкции и технологии.

4. Необходима разработка новой модели асинхронного с коротко-замкнутым ротором электродвигателя, специально предназначенного для работы в системах РН-Д, у которого при сохранении параметров по цене, массогабаритиым характеристикам, КПД в номинальном режиме с соответствующими параметрами двигателя основного исполнения следует значительно улучшить КПД и допустимые по условиям нагрева моменты на регулировочных характеристиках.

В четвертой главе приведена конструктивная схема нового двигателя ДАС (рис.1), специально предназначенного для регулирования частоты вращения изменением напряжения со стороны статора. В состав двигателя входят статор 1, ротор силовой 2, ротор малый вентилятора 3, лопатки вентилятора-радиатора силового ротора 4, лопатки вентилятора малого ротора 5, подшипники силового ротора 6, подшипники малого ротора 7, вал силового ротора 8, корпус двигателя и подшипниковые щиты (на рис.1 не показаны). Как видно из рис. 1. конструкция рассматриваемого двигателя представляет собой в силовой части подобие стандартного асинхронного двигателя, у которого, при этом, тепловая энергия потерь скольжения в роторе выводится удлиненной стержневой обмоткой, обладающей хорошей теплопроводностью, в зону интенсивного охлаждения. Зона интенсивного охлаждения обеспечивается вентилятором, приводной ротор которого встроен в полую, выступающую за пакет статора, часть силового ротора.

Таким образом, в рассматриваемом двигателе могут быть реализованы оптимальные высокоэффективные характеристики стандартных асинхронных электродвигателей, а также двухроторных электродвигателей.

<5 4 5

Рис. 1. Конструктивная схема двигателя ДАС

Принципиальная схема электродвигателя ДАС показана на рис. 2. Теоретическая схема двигателя ДАС применительно к теории обобщенной электрической машины в осях координат аир приведена на рис. 3

Рис. 2. Принципиальная схема Рис. 3. Теоретическая схема

двухроторного двигателя двухроторного двигателя

На рис. 2 и 3 обозначено:а>1, оъ, (»3 - соответственно, угловая скорость магнитного поля статора, силового ротора и ротора вентилятора;

ЧУЬ \¥гь ^з - соответственно, число витков фазы обмотки статора, силового ротора в пределах пакета статора, силового ротора выступающей за пакет статора и малого ротора вентилятора;

\V2ia, '\V21p, Ш22а, №22р, \Уза, \*/3р - соответственно, число витков фазы обмотки статора, силового ротора в пределах пакета статора, силового ротора, выступающего за пакет статора и малого ротора вентилятора по осям а и (3.

В рассматриваемом случае, применительно к теоретической модели двухроторного двигателя ДАС, отметим следующие особенности. Два ротора машины вращаются с различными угловыми скоростями Ш2 и 0Э3. Каждый ротор имеет по одной паре обмоток, сдвинутых в пространстве на электрический угол 90°. Оси координат определены осями статарных обмоток аир. Ротор силовой короткозамкнутый, в части витков №21, размещенных в пределах длины пакета статора, связан электромагнитно со статарной обмоткой а в части витков \*/22, размещенных в выступающей за пакет статора части ротора, связан электромагнитно с короткозамкнутой обмоткой \Уз малого ротора вентилятора.

Дифференциальные уравнения двигателя ДАС в системе координат, вращающихся синхронно с полем, в векторной форме с параметрами, приведенными к первичной обмотке имеют вид:

где Ю1=2тг/] - угловая частота вращения поля статора; а>2,соз - угловые скорости вращения, соответственно, силового ротора и ротора вентилятора; рп - число пар полюсов; Т^^Дз - фазные токи статора и роторов;

;Ч/21 т-полные потокосцепления фазных обмоток, соответственно, статора, части силового ротора в пределах пакета статора, части силового ротора, выступающей за пакет статора, ротора вентилятора.

Потокосцепления статора и роторов связаны с токами через индуктивности

где 14;Ь'21;Ь'22;Ь'з - полные приведенные индуктивности фаз обмоток статора, двух соответствующих частей силового ротора и ротора вентилятора.

— - <1Ч,1 —

= 11Г1 +-т-±+ .¡и 1Ф1;

(1)

= + ^Ьпи;

^22 = 12Ь22 + ЦЬ'тг; .Щ^ТЫ'тг + Тш,

(2)

М =Ьт1 +Ь1о ; Ь'21 = ЬШ1 + Ь'21а ;

= Ь'т2 + Ь22о ; Ц =Ью2 + Ц„ .

(3)

Здесь Ца ;Ь'2[а ; Ь'22а - индуктивности от полей рассеяния стато-

ра, соответствующих частей силового ротора и ротора вентилятора; Ьт1 - индуктивность от основного магнитного потока поля статора; Ьт2~ индуктивность от магнитного потока выступающей части силового ротора.

Электромагнитный момент, развиваемый силовым ротором двигателя ДАС, можно определить следующим выражением:

мЭм1 = г:Рп--^-). (4)

2 ц-сЦп+ьы-Чп!

Для построения теоретической модели двигателя ДАС векторные величины уравнений (1)...(4) представляются в виде проекций на оси координат а, р комплексной плоскости и могут быть записаны через их вещественные и мнимые составляющие:

"к

0 = Г2а + 10Р21Р +Ч,22? );

(5)

о = 12й (г21 + Г22) + ] + 82и 1 (Ч"2к + Ч"22а );

0 = Г3рг5+^6- + 8з<о

Уравнение моментов силового ротора будет иметь вид:

МЭМ1=К! +№р) ) =

. -4^4^)= (6)

з ь

где К4 - коэффициент равный, К.1 = • р п-—-г—:

2 Ц(Ь'21+Ь'22)-Ь2т1

-момент инерции силового ротора, Мс - момент нагрузки. Уравнение моментов ротора вентилятора

МЭм2 =К2(^2а Ч^ ) = + Кз^, (7)

3 Ь'

где Кг - коэффициент, К2 = - • рп--„ -;

¿ Т'Т'Т'-'

К3- коэффициент вентиляторной нагрузки.

Уравнения (5)...(7), выраженные в операторной форме, определяют структуру теоретической модели двигателя ДАС.

На рис. 4 и 5 показана структура модели двигателя по конструктивной схеме ДАС.

На основании приведенных структурных схем рис. 4 и 5 с использованием программы "МаЛаЬ V 5.2" были проведены исследования переходных процессов пуска двигателя ДАС без нагрузки и с нагрузкой. Графики переходных, процессов для силового ротора и ротора вентилятора представлены на рис. 6.

Рис. 4. Структура динамической модели силовой части электродвигателя ДАС

Рис. 5. Структура динамической модели для выступающей части ротора и ротора вентилятора электродвигателя ДАС

Рис. 6. Графики переходных процессов о2=Д1); са3

М2=Д1) при включении двигателя ДАС без нагрузки (а) и с номинальной нагрузкой при Мс=пост. (б)

В диссертации на основании разработанной схемы замещения (рис. 7) произведен также анализ элеюромеханических свойств электродвигателя ДАС.

'•г!

Тт]

222

Тт2

Кмх

122

I

Рис. 7. Схема замещения двигателя ДАС

Основные уравнения двигателя в статике сформулированы в виде следующей системы:

Ц1 =-Е! +Т121; -Т^-Ез =Т2г'н2;

Е1 =Е2 =-1т1гш1; Ез = 1з2'з + 1згн3; Щ=1ьг'22; Тю1=Т + Т2;12 = 1з + 122; Тт2=0,

(8)

где и^; и2 ; Е(; Е2 ; Е3; II; 12; 1з; 1т1; 1т2 ~соответственно, напряжения, ЭДС, токи в обмотках статора, силового ротора и малого ротора вентилятора, контура намагничивания статора - силового ротора. Сопротивление контура намагничивания силового ротора и ротора вентилятора принято Ъ^ =. Ъ\\ Ъ'21, 7~-'гъ 7/у, Ъ'¡а, 2,'из ~ комплексные сопротивления, соответственно: контура намагничивания статора - силового ротора, обмотки статора, части обмотки ротора на длине статора, выступающей части обмотки ротора, обмотки малого ротора, модели нагрузки силового ротора и малого ротора.

В соответствии со схемой замещения двухроторного электродвигателя по конструктивной схеме ДАС, которая получена на основании решения уравнений (8) двигателя в установившемся режиме, определены математические зависимости механических (ш=/(М)), электромеханических (ш-/(1|), энергетических (грДРг), соз<р=/(Р2)) характеристик двигателя ДАС в естественных и регулировочных режимах работы.

Предложен новый метод расчета допустимых по условиям нагрева моментов электродвигателя ДАС на регулировочных характеристиках при изменении напряжения на статоре, который основан на допущении равенства температуры нагрева элементов двигателя на всех режимах работы одинаковыми токами статора.

При этом, получена формула допустимых по условиям нагрева моментов двигателя на регулировочных характеристиках:

МД = М„

г'рн "С^р

А

Б '

(9)

где Мн — номинальный момент; 8Н - номинальное скольжение; Б - скольжение.

яр = + г'«, = М'2/8п)2 + (Х'2)2-, (1 о)

1 +

^ . г,

^р гт1

1 1

1 + ——+- -1

7* -. ■^рн -

1 1

(И)

рн

На рис. 8 показаны графики рассчитанных по формуле (9) характеристик Мд = ДЭ) двигателя ДАС и двигателя основного исполнения АИРС-10084. Для сравнения приведена "вентиляторная" характеристика М= к со2 рекомендуемой нагрузки для двигателей по типу ДАС.

Как видно из графиков, двигатели по типу ДАС практически могут обеспечить регулирование в широком диапазоне частоты вращения механизмов, имеющих "вентиляторный" характер момента сопротивления (Мс= ко2), без увеличения установленной мощности.

Ч

о.е 0,2

М,Н.м

Рис. 8. Характеристики электродвигателя:

1,2 - характеристики допустимых по условиям нагрева моментов, соответственно, электродвигателя ДАС и стандартного АИРС 100 Э4; 3 - вентиляторная характеристика; 4,5 - механические характеристики двигателя ДАС и стандартного двигателя.

В пятой главе рассмотрены элементы теории тепловых и вентиляционных процессов электродвигателя по конструктивной схеме ДАС; разработаны тепловые модели электродвигателя по типу ДАС; рассчитаны тепловые проводимости между элементами тепловой модели; рассчитана температура перегрева отдельных элементов двигателя. Рассчитаны параметры схем замещения; рассчитаны аэродинамические характеристики вентиляторов и воздухопроводящей сети двигателя; построены внешние аэродинамические характеристики вентиляторов при номинальном и заторможенном режимах работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с поставленной целью для проверки выдвинутой гипотезы в диссертации получены следующие основные результаты:

1.Осуществлен анализ современных регулируемых систем электроприводов переменного тока, производимых и используемых в настоящее время в промышленности, дана обобщенная сравнительная оценка технико-экономических характеристик указанных электроприводов, на этом основании определены приоритетные области и проблемы применения электропривода переменного тока с частотными и параметрическими регуляторами [9, С. 135; 8, С.35].

2. Произведен анализ конструктивных решений асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, применяемых в электроприводах для регулирования частоты вращения изменением напряжения на статорных обмотках, дана обобщенная сравнительная оценка технико-экономических характеристик указанных электродвигателей; на основании анализа сделан вывод, что применение стандартных асинхронных электродвигателей (общепромышленной серии, крановых, с фазным ротором), специальных с массивным ротором, с выносным индукционным сопротивлением и ферромагнитной звездочкой и прочих известных конструктивных систем для регулирования напряжением со стороны статора в настоящее время неэффективно, не имеет преимуществ перед электроприводами с частотными регуляторами. Для регулирования напряжением необходима разработка новой конструктивной концепции асинхронного электродвигателя, специально предназначенного для этой цели [7, С. 316-318].

3. Дана конструктивная характеристика, произведены исследования макетных образцов новых двухроторных короткозамкнутых электродвигателей, выполненных на базе стандартных АИРС-10084 по конструктивной схеме ДАС, при этом показано, что на естественной характеристике двигатель по выходным параметрам не уступает стандартному АИРС-10084, а на регулировочных -выходные параметры существенно лучше [1, С.42-45; 4, С.115-117].

4. Разработаны элементы теории электромеханических и электромагнитных процессов в электродвигателе по конструктивной схеме ДАС, сформулированы основные уравнения динамики и статики двигателя, разработана схема замещения и структурная динамическая модель двигателя, на основании разработанной теории рассчитаны механические и электромеханические характеристики двигателя ДАС. Расчеты динамики двигателя произведены с использованием программ МаЛЬаЬ у.5.2. Результаты расчетов апробированы экспериментом [2, С. 206-209; б, С. 120-123].

5. Разработаны элементы теории энергетических процессов в электродвигателях по конструктивной схеме ДАС, сформулированы основные зависимости энергетических параметров двигателя (КПД, соБф), рассчитаны со ответствующие характеристики двигателя ДАС, произведена сравнительная оценка рассчитанных характеристик с данными испытаний макетных образцов в испытательной лаборатории завода "Электродвигатель" [3, С. 202-205; 5, С. 123-125]

6. Разработаны элементы теории тепловых и вентиляционных процессов в электродвигателях по конструктивной схеме ДАС; сформированы тепловые и вентиляционные модели двигателя; разработаны расчетные соотношения и программы тепловых и вентиляционных расчетов; рассчитаны картина температурных полей и аэродинамические характеристики двигателя ДАС; установлены расчетные соотношения, определяющие зависимость допустимых по условиям нагрева моментов электродвигателя ДАС от скольжения при регулировании частоты вращения напряжением со стороны статора; показано, что двигатели по типу ДАС при использовании их в механизмах с "вентиляторной" нагрузкой могут выбираться по номинальным параметрам (без завышения мощности), и при этом в работе на регулировочных характеристиках перегреваться не будут. В работе также показано, что электроприводы с двигателями по типу ДАС при худших (сравнительно с частотными электроприводами) характеристиках по энергетике в регулировочных режимах (в пределах 10 ...15%) могут иметь лучшие показатели по энергетике при работе в номинальном режиме. По массогабаритным показателям и цене частотные электроприводы уступают параметрическим [1, С. 42-45; 9, С. 35].

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ СОИСКАТЕЛЯ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Парфенович О.Н., Кебеде Н.Д. Регулируемый асинхронный электродвигатель в электромеханотронном исполнении //Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объед. СНГ). - 1998. -№3,- С. 42-45.

2. Парфенович О.Н., Кебеде Н.Д. Допустимые по условиям нагрева моменты на естественной и регулировочных характеристиках двухроторных электродвигателей по конструктивной схеме ДАС //Электрические маши-

ны в новом столетии: Материалы межд. симп. - М.: Элмаш, 2000. -С.206 - 209.

3. Парфенович О.Н., Кебеде Н.Д. Элементы теории электромагнитных и электромеханических процессов двухроторных асинхронных электродвигателей по конструктивной схеме ДАС //Электрические машины в новом столетии: Материалы межд. симп. - М.: Элмаш, 2000. - С.202 - 205.

4. Парфенович О.Н., Кебеде Н.Д. Двухроторный асинхронный электродвигатель для параметрического регулирования частоты вращения //Современные проблемы машиноведения: Материалы межд. науч.- техн. конф. -Гомель: ГПИ, 1998. - Т.1. - С.115 -117.

5. Парфенович О.Н., Кебеде Н.Д. Допустимые по условиям нагрева моменты на естественной и регулировочных характеристиках двухроторных электродвигателей по конструктивной схеме ДАС //Современные проблемы машиноведения: Материалы межд. науч.-техн. конф. - Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого, 2000. - Т.2. - С.120 -123.

6. Парфенович О.Н, Кебеде Н.Д. Элементы теории электромагнитных и электромеханических процессов двухроторных асинхронных электродвигателей по конструктивной схеме ДАС //Современные проблемы машиноведения: Материалы межд. науч. - техн. конф. - Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого, 2000. - Т.2. - С, 123 - 125.

7. Парфенович О.Н., Кебеде Н.Д. Регулируемый асинхронный электродвигатель в электромеханотронном исполнении //Новые технологии в машиностроении и вычислительной технике: Материалы X науч.-техн. конф. профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов: В 2 ч. -Брест: БПИ, 1998,-4.2. - С. 316 - 319.

8. Кебеде Н.Д. Сравнительный анализ методов регулирования скорости асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором //Современные направления развития производственных технологий и робототехника: Материалы межд. науч.-техн. конф. - Могилев: ММИ, 1999. - С.35.

9. Парфенович О.Н., Тюшкевич Л.М., Кебеде Н.Д. Система параметрического управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором при двуквадратном регулировании частоты вращения //Материалы межд. 52-й науч.-техн. конф. профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов: В 7ч. - Минск: БГПА, 1997. - 4.1. - С. 135.

РЕЗЮМЕ

Кебеде Нахом Демеке Специальный двухроторный регулируемый асинхронный с короткозамкнутым ротором электродвигатель (элементы теории)

Специальный электродвигатель, параметрическое регулирование, механические, электромеханические, энергетические характеристики, допустимые по условиям нагрева моменты на регулировочных характеристиках, схема замещения, динамические модели двигателя, тепловые и вентиляционные модели двигателя, расчеты.

Объект исследования - элементы теории электромагнитных, электромеханических и тепловых процессов асинхронного электродвигателя.

Предмет исследования - Специальный двухроторный регулируемый асинхронный электродвигатель.

Цель исследования заключается в разработке элементов теории электромагнитных, электромеханических и тепловых процессов нового асинхронного двухроторного электродвигателя, специально предназначенного для регулирования напряжением его частоты вращения.

Применялась комплексная методика исследований, основанная на теории обобщенной электрической машины; теория автоматического управления; численные методы решения дифференциальных уравнений; экспериментальные исследования.

Научная и практическая значимость полученных результатов состоит в том, что:

- проанализированы современные методы регулирования частоты вращения асинхронных электродвигателей, конструктивные решения и технико-экономические свойства электромеханических преобразователей, работающих в системах с регуляторами напряжения;

- разработана статическая модель (схема замещения, основные уравнения), методы расчета характеристик специального асинхронного двухроторного электродвигателя по конструктивной схеме ДАС;

- разработаны элементы теории, динамические модели и метод расчета динамики специального асинхронного двухроторного электродвигателя по конструктивной схеме ДАС;

- разработаны элементы теории, тепловые и вентиляционные модели, предложен метод расчета тепловых и вентиляционных характеристик специального асинхронного двухроторного электродвигателя по конструктивной схеме ДАС.

Результаты исследований применены в МГТУ при чтении лекций, проведении практических занятий по дисциплинам "Электрические машины" и "Элементы автоматизированного электропривода".

Область применения - в электроприводе подъемно-транспортных машин и различного рода нагнетателях.

РЭЗЮМЭ

Кебеде Нахом Демеке Спецыяльны двухротарны рэгулюемы асшхронны з коратказамкнутым ротарам электрарухавж (элементы тэорьй)

Спецыяльны электрарухавш, параметрычнае рэгуляванне, мехашчныя, электрамехашчныя характарыстык^ дапусщмыя па умовах нагрэву маменты на рэгушровачных характеристиках, схема замяшчэння, дынам1чныя мадэл1 рухавша, цеплавыя 1 вентьшяцыйныя мадэл1 рухавка, разлш.

Аб'ект даследавання - элементы тэорьй электрамагштных, электраме-хашчных 1 цеплавых працэсау рэгулюемага асшхроннага электрарухавша.

Прадмет даследавання - спецыяльны двухротарны рэгулюемы асшхронны здектрарухавж.

Мэта даследавання заключаецца у распрацоуцы элементау тэорьй электрамагштных, элекграмсхашч ных 1 цеплавых працэсау новага асшхроннага двухротарнага электрарухавка, спецыяльна прызначанага для регулявання напружаннем яго частаты вярчэння.

Выкарыстовывалась комплексная методыка даследавання, заснованая на тэорьп абагульненай электрычнай машыны, тэорыя аутаматычнага кфа-вання, лжавыя мэтады рашэнняу дыферэнцыяльных урауненняу, эксперы-ментальныя даследавання.

Навуковая 1 практычная значнасць атрыманых вышкау заключаецца у тым, што:

- праанал1заваны сучасныя метады рэгулявання частаты вярчэння асинхронных электрарухаш'коу, канструктьшньи рашэшп I тэхшка-эканам1чныя уласщвасщ электрамехашчных нераутваральшкау, яюя працуюць у сютэмах з рэгулятарамг напружання;

- распрацавана статычная мадэль (схема замяшчэння, асноуныя урау-ненш), метады разлшу характарыстык спецыяльнага асшхроннага двухротарнага электрарухавжа па канструктыунай схеме ДАС;

- распрацаваны элементы тэорьп, дынам1чная мадэль 1 метад разлжу дынамта спецаяльнага асшхроннага двухротарнага электрарухавжа па канструктыунай схеме ДАС;

- распрацаваны элементы тэорьп, цеплавыя I вентыляцыйныя мадэ.ц, прапанаваны метад разл1ку цеплавых i вентыляцыйных характарыстык спе-цыяальнага асшхроннага двухротарнага электрарухавша па канструктыунай схеме ДАС.

Вынш даследавання прыменяны у МДТУ пры чытанш лекцый, правяд-зенш практычных заняткау па дысцыплшам: "Электрычныя машыны" 1 "Элементы аутаматызаванагаэлектрапрывада".

Галша прымянешм - у электрапрываде пад'емна - транспартных ма-шын 1 рознага рода нагняталыпкау.

SUMMARY

Kebede Nahom Demeke A special double -rotor regulated induction motor (elements of theory)

A special induction motor, parametric regulation, mechanical, electromechanical, power of performances, admissible torque on conditions of heat on adjusting performances, equivalent circuit, dynamic models of an induction motor, calculation of thermal and ventilation models of an induction motor.

The object of research - elements of theory of electromagnetic, electromechanical, and the thermal processes of induction motor.

The Subject of research - a special double -rotor regulated induction motor.

The purpose of the research is the development of elements of theory of electromagnetic, electromechanical, and thermal processes of the new double -rotor induction motor specially intended for speed regulation by means of voltage control.

The complex technique of research, based on the theory of generalized electrical motors, the theory of automatic control, numerical methods of the solution of deferential equations, experiments.

Scientific and practical significance of the results obtained:

- analysis of modern methods of speed regulation of induction motors, analysis of constructive solutions of technical-economical properties of electromechanical converters operating in systems with voltage regulators;

- the development of statistics model (equivalent circuit, the main type of equations), methods of calculations the performances of the special double-rotor an induction motor under the constructive design of a special an induction motor (SIM);

- the development of elements of theory, dynamical models and simulation of the special double-rotor of an induction motor under the constructive SIM design;

- the development of elements of theory, thermal and ventilation models, method of calculations of thermal and ventilation special double-rotor of an induction motor under the constructive is offered design SIM;

The results of research are applied in Mogilev State Technical University during lectures and practical lessons, on the following disciplines: "Electrical machines" and "Elements of automated electric drive ".

The field of application - electric drives, handling and transport machines and different sort of superchargers.

Кебеде Нахом Демеке

СПЕЦИАЛЬНЫЙ ДВУХРОТОРНЫЙ РЕГУЛИРУЕМЫЙ АСИНХРОННЫЙ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ (ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ)

05.09.01 - Электромеханика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Редактор Л.Ф. Теплякова

Подписано в печать 20.11.2000. Формат 60x84/j6. Гарнитура «Тайме». Усл. печ. л. 1,39. Уч. - изд. л. 1.

_Тираж 100 экз. Заказ № 66._

Отпечатано на ризографе ГГТУ им. П. О. Сухого, г. Гомель, пр. Октября, 48.

Лицензия ЛВ № 399 0т 14.07. 99. Лицензия ЛП №114 от 1.07.99.