автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Тепловые процессы в линейных асинхронных двигателях и их математическое моделирование

На правах рукописи

ГОМАН ВИКТОР ВАЛЕНТИНОВИЧ

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЛИНЕЙНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ И ИХ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург — 2006

Работа выполнена в Уральском государственном техническом университете.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор, Сарапулов Ф.Н.

Научный консультант: кандидат технических наук,

Иваницкий С. В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Денисенко В.И.

кандидат технических наук, доцент Бородацкий Е.Г.

Ведущая организация: ГОУ ВПО Пермский государственный

технический университет, г. Пермь

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государств венного технического университета.

Защита диссертации состоится 29 ноября 2006 года в 15.30 на заседании диссертационного совета Д 212.285.03 при Уральском государственном техническом университете по адресу: г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, ауд. Э406

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, УГТУ, К-2, ученому секретарю совета.

Автореферат разослан «¿У» октября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., доцент. —^

Паздерин А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность темы. При исследовании электропривода на основе линейного асинхронного двигателя (ЛАД) весьма актуальной задачей является анализ тепловых процессов. Причем необходимость такого анализа может возникнуть как при проектировании двигателя, так и в ходе эксплуатации (при изменении режима работы, внесении изменений в элементы электропривода и т.д.)

Например, при проектировании транспортных систем зачастую налагаются жесткие требования на геометрические размеры тяговых двигателей. В результате может оказаться, что двигатель не развивает необходимое тяговое усилие в течение требуемого промежутка времени» т.к. имеет место перегрев элементов конструкции (как правило, обмотки индуктора, что может привести к выходу ее из строя). При любом способе решения данной проблемы (применение охлаждающих установок, систем регулирования температуры, изменение конструкции двигателя или др.) необходимо исследование тепловых переходных процессов. Подобные проблемы встречаются не только в транспортных системах, в ряде случаев необходимо определить и ограничить скорость нарастания температур отдельных узлов ЛАД, особенно, если он изготавливается во взрывозащищенном исполнении.

В качестве примера необходимости оценки теплового состояния в ходе эксплуатации можно привести дугостаторный асинхронный двигатель винтового пресса. В данном случае проблема возникает при модернизации (переходе от нерегулируемого привода к регулируемому), а также в результате эксплуатации пресса в неноминальном режиме.

Таким образом, анализ тепловых процессов и средства для его проведения актуальны в той или иной степени при разработке всех линейных асинхронных электроприводов. Однако, такие исследования осложняются тем, что линейные асинхронные двигатели отличаются от вращающихся электрических машин характером протекания в них электромагаитных и тепловых процессов. Основные отличия заключаются в следующем: имеются краевые эффекты; индуктор и вторичный элемент ЛАД, как правило, работают в кратковременном и повторно-кратковременном режимах; тепловая мощность выделяется неравномерно по длине вторичного элемента (ВЭ) и регулярно выносится за пределы активной зоны. При этом использование известных методов оценки теплового состояния, используемых в приводах вращательного действия, весьма затруднительно, т.к. они основаны на ряде допущений, которые для линейных машин не выполняются. Существующие тепловые модели ЛАД, как правило, не учитывают вынос тепла вторичным элементом, не учитывают особенности электромагнитных процессов при расчете потерь, а также имеют ряд других допущений. Таким образом, актуальной является разработка математических моделей, учитывающих указанные особенности ЛАД и позволяющих проведение исследований тепловых процессов в линейных асинхронных двигателях. Данная работа основывается на разработках коллектива кафедры электротехники и электротехнологических систем УГТУ-УПИ в области линейных индукционных машин и развивает их.

Объектом исследования являются линейные асинхронные двигатели, предметом исследования — тепловые процессы в ЛАД.

Цели работы: 1. разработать методику и программные средства расчета нестационарных тепловых процессов в ЛАД на основе детализированных электрических, магнитных, тепловых и аэродинамических схем замещения; 2. исследовать тепловые процессы ЛАД конкретных установок в их рабочих режимах на основе разработанной методики. Для выполнения поставленных целей решаются следующие задачи:

1. Разработка модификаций математических моделей нестационарных тепловых процессов в ЛАД с учетом массопереноса, позволяющих исследование двигателей разных видов с различными особенностями конструкции на основе тепловой схемы замещения с высоким уровнем детализации и на основе укрупненной тепловой схемы замещения. Реализация уравнений тепловых моделей в виде структурных схем в среде ЗшиНпк,

2. Повышение точности и быстродействия электромеханической модели ЛАД на основе детализированных схем замещения, используемой совместно с тепловой моделью, с учетом взаимного влияния электромеханических и тепловых процессов.

3. Разработка математической модели аэродинамических процессов в ЛАД на основе детализированной аэродинамической схемы замещения и реализация решения системы нелинейных уравнений модели в среде МАТ1АВ.

4. Разработка математической модели взаимосвязанных электромеханических, тепловых и аэродинамических процессов в ЛАД и реализация передачи данных между подмоделями в ее составе в среде ЗтиНпк.

5. Анализ закономерностей протекания тепловых процессов в исследуемых конструкциях ЛАД, оценка влияния различных факторов на нагрев элементов конструкции ЛАД.

Методы исследования. В работе используются методы теории электрических цепей, метод эквивалентных тепловых схем замещения, методы компьютерного моделирования с помощью пакета МАТЬАВ и его расширения 5г'ти~ Ипку предназначенного для анализа динамических систем. Используются также физические (натурные) методы моделирования с помощью экспериментального лабораторного стенда и действующих установок.

На защиту выносятся следующие положения, представляющие научную новизну: 1. математическая модель взаимосвязанных электромеханических, тепловых и аэродинамических процессов ЛАД на основе детализированных электрических, магнитных, тепловых и аэродинамических схем замещения, а также соответствующие подмодели процессов в ее составе; 2. результаты анализа тепловых процессов в рассматриваемых конструкциях ЛАД в виде рекомендаций по выбору их режимов работы, выбору систем охлаждения, а также по необходимости учета ряда особенностей тепловых процессов при моделировании; 3. программные средства и структурные схемы для расчета электромеханических и тепловых переходных процессов по указанным математическим моделям.

Практическая ценность. Предложенные математические модели позволяют производить оценку теплового состояния и исследование тепловых переходных процессов ЛАД с различными особенностями конструкции. Также на их основе выявлены общие закономерности протекания тепловых процессов в

4.

исследуемых ЛАД. С использованием данных закономерностей для тягового ЛАД монорельсовой дороги и дугостаторного АД винтового пресса выработаны рекомендации по выбору режимов работы и системы охлаждения.

Внедрение. Результаты работы используются: 1. ОАО «Инженерно-научный центр «ТЭМП» (г. Москва) для решения текущих задач по эксплуатации тяговых ЛАД поезда монорельсовой дороги, а также при разработке новых конструкций тяговых двигателей; 2. ФГУП «Верхнетуринский механический завод» (г. Верхняя Тура) при модернизации дугостаторного электропривода винтового пресса для оценки теплового состояния; 3. на кафедре электротехники и электротехнологических систем УГТУ-УПИ в учебном процессе, при курсовом и дипломном проектировании, проведении научных исследований.

Апробация. Основные результаты доложены, обсуждены и одобрены на следующих научных мероприятиях:

- VI международный симпозиум ЭЛМАШ-2006. Москва, октябрь 2006 г.

- XI Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты». Алушта, сентябрь 2006 г.

- Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Актуальные проблемы ресурсо- и энергосберегающих электротехнологий», Екатеринбург, УГТУ-УПИ, апрель 2006 г.

- Региональная научно-техническая конференция «Проблемы энергосбережения и экологии промышленного региона». Нижний Тагил, НГИ УГТУ-УПИ, декабрь 2005 г.

- IV межотраслевая научно-техническая конференция «Автоматизация и прогрессивные технологии». Новоуральск, НГТИ, сентябрь 2005 г.

- VIII региональная научно-практическая конференция с международным участием «Энергосберегающие техника и технологии». Екатеринбург, май 2005 г.

- Ш Межвузовская конференция «Практика применения научного программного обеспечения в образовании и научных исследования». СПб, СПбГПУ, апрель 2005 г.

- XIII Международная научно-техническая конференция «Электроприводы переменного тока». Екатеринбург, УГТУ-УПИ, март, 2005 г.

- Региональная научно-техническая конференция «Наука-образование-производство». Нижний Тагил, НТИ УГТУ-УПИ, октябрь 2004 г.

- VI International Conference «Unconventional Electromechanical and Electrical Systems». Alushta, Ukraine, September, 2004 r.

- V международная научно-техническая конференция «Компьютерное моделирование 2004». СПб, СПбГПУ, июнь 2004 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 25 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников и 6 приложений общим объемом 194 страницы. Основная часть изложена на 143 страницах машинописного текста, иллюстрирована 77 рисунками, 12 таблицами. Список использованной литературы содержит 149 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описаны перспективные области применения ЛАД, отражена актуальность исследования тепловых процессов в ЛАД, сформулированы цели работы и задачи, необходимые для их достижения, отмечена научная новизна, практическая ценность результатов исследования и результаты внедрений, приведена структура диссертации и апробация работы.

В первой главе приведен обзор литературных источников. Перечислены известные методы электромагнитного расчета ЛАД, кратко описана математическая модель на основе детализированных схем замещения, принятая в качестве базовой для применения и развития. В соответствии с принятым подходом, машина сводится к совокупности трех детализированных схем замещения: электрической цепи индуктора, магнитной цепи и электрической цепи вторичного элемента. Описывается статическая модель, в рамках которой электромагнитные переходные процессы предполагаются установившимся, а питающие напряжения синусоидальными. Известно, что электромагнитные и механические переходные процессы в машине имеют различную (отличающуюся на порядок и более) длительность. Применение статической модели в данной работе связано с тем, что для рассматриваемых объектов (тем более с позиций теплового расчета) ее возможностей вполне достаточно, а время расчета по ней невелико.

Описаны известные методы теплового расчета электрических машин, а также известные тепловые модели ЛАД и некоторые результаты исследований в данной области. Приводится обоснование выбора метода эквивалентных тепловых схем (ЭТС) для исследования тепловых процессов в данной работе. Описаны недостатки большинства известных тепловых моделей ЛАД, такие как: отсутствие учета массопереноса, что ограничивает возможность моделирования многоиндукторных приводов и приводов с возвратно-поступательным движением; как правило, расчет ведется только для одной скорости движения, что затрудняет использование модели при расчете пуско-тормозных режимов (особенно, повторно-кратковременных режимов 53); зачастую исследование ограничивается стационарными процессами; при расчете режимов 53 используются, как правило, средние потери за цикл; не учитывается влияние температур проводящих элементов конструкции на электромеханические характеристики и потери в ходе теплового переходного процесса; пренебрегается теплообменом между индуктором и ВЭ. Следует заметить, что в каждом отдельном случае (и объекте исследования) такие допущения являются вполне оправданными, однако, с позиций создания модели, пригодной для исследования разнообразных конструкций и режимов ЛАД, работающих в составе различных приводов технологических установок, принятие указанных выше допущений, либо части из них, нецелесообразно. Таким образом, в главе показаны ограничения существующих тепловых моделей ЛАД и показана необходимость дальнейшего их развития. Также приведены основные положения вентиляционного расчета электрических машин, описаны методы расчета разветвленных систем вентиляции. Приведен базовый подход к расчету аэродинамических процессов на основе схем замещения. Описаны различные способы расчета процессов конвекции.

Вторая глава посвящена развитию электромеханической модели ЛАД на основе метода детализированных схем замещения (МДСЗ).

Предлагается способ повышения точности расчетов ЛАД с малым числом пазов на полюс и фазу за счет применения более сложного алгоритма численного дифференцирования по координате при вычислении ЭДС контуров вторичного элемента и тяговых усилий. Именно при расчете таких ЛАД по МДСЗ погрешность численного дифференцирования наиболее велика. Приведена математическая модель электрической цепи ВЭ, модернизированная в соответствии с предложенным подходом.

Описаны применявшиеся способы повышения быстродействия комплекса программ в среде МАТЬЛВ для расчета статических характеристик ЛАД, к которым можно отнести векторизацию циклов, применение встроенных механизмов обработки и хранения разреженных матриц, компилирование файл-функций.

Приведена квазистатическая модель ЛАД, позволяющая учитывать влияние тепловых процессов на электромеханические процессы, и показан созданный механизм ее реализации в среде ЭтиИпк Для этого используется аппарат ^-функций, с помощью которого организовано взаимодействие с процедурами программного комплекса расчета статических характеристик ЛАД по МДСЗ. Входными данными ¿-функции являются скольжение, частота, температуры участков проводящего слоя ВЭ и температуры участков обмотки индуктора; выходными - тяговое усилие, потери в меди и стали на участках индуктора и ВЭ.

В случае применения такой подмодели в составе тепловой модели, расчет усилия и потерь происходит на каждом шаге расчета теплового переходного процесса, что обуславливает низкое быстродействие. Поэтому при исследовании тепловых переходных процессов для уменьшения времени расчетов целесообразно избежать непосредственного объединения в одной модели различных подмоделей, описывающих процессы с разными постоянными времени. Это можно произвести с помощью представления статической модели асинхронного двигателя в виде многомерного массива чисел. Данный массив представляет собой упорядоченный набор чисел, являющихся значениями выбранной переменной (усилием или потерями на участке) для различных сочетаний изменяющихся в ходе моделирования величин (скольжение, частота сети, температуры участков). Пределы изменения этих величин выбираются исходя из характеристик исследуемого режима.

В ходе моделирования извлечение значения (путем интерполяции) из такого массива происходит быстрее в 6-8 раз, чем происходил бы расчет непосредственно по статической модели с помощью ¿-функции. Однако неудобством модели является то, что для каждой выходной координаты требуется заполнение отдельного массива, в отличие от модели на основе ¿-функции, где лишь изменится размерность выходного вектора. Также недостатком является то, что для учета изменения каких-либо дополнительных факторов требуется вводить в массив дополнительные размерности, что резко снижает быстродействие. В то же время достоинством является то, что время расчета по модели с использованием массива не зависит от сложности исходной модели, по которой массив был заполнен.

Заполнение массивов является достаточно длительной процедурой и, в идеале, производится один раз для каждой исследуемой конструкции. Для получения массива в существующем программном комплексе расчета статических характеристик в среде МАТЬАВ были организованы вложенные циклы по частоте, напряжению (используемый по необходимости), температуре обмотки индуктора, температуре проводящего слоя ВЭ, по скольжению.

При использовании статической модели на основе многомерного массива важной задачей является обоснование шага заполнения массива по каждой координате и выбор алгоритмов интерполяции, т.к. от этого, помимо времени вычислений (при заполнении массива и собственно при моделировании тепловых процессов), зависит и точность расчетов. Поэтому во второй главе также предложена методика выбора шага заполнения многомерных массивов, основанная на трех способах. В приложениях приведен пример использования данной методики для выбора шагов заполнения массивов усилий и потерь тягового ЛАД.

В третьей главе предлагаются разработанные тепловые и аэродинамические модели ЛАД. Приводится используемая математическая модель массопе-реноса, основанная на конечно-разностной аппроксимации дифференциального уравнения теплопроводности с учетом массопереноса (применялась разностная схема «против потока»). Показаны структурные схемы для расчета процессов теплоотдачи (на основе известных критериальных уравнений). Далее приводятся описания разработанных моделей (их особенности, ЭТС, уравнения и т.д.)

Тепловая модель с высоким уровнем детализации. Уровень детализации тепловой модели соответствует уровню детализации электромеханической модели. При создании модели учитывались следующие явления и особенности; наличие выноса тепла из активной зоны при движении подвижной части; неравномерное распределение потерь по длине двигателя вследствие краевых эффектов и различного нагрева элементов конструкции; наличие потерь во вторичном элементе за пределами активной зоны; наличие потерь в стали магни-топроводов; влияние температуры частей двигателя на электромеханические характеристики и потери; теплопроводность между элементами конструкции; теплообмен излучением с окружающей средой, между индуктором и ВЭ; теп-. лоотдача с внешних поверхностей конструкции, с учетом условий конвекции, рассчитываемая по критериальным уравнениям; эквивалентная теплопроводность пазовых и лобовых частей в разных направлениях с учетом теплопроводности изоляции; зависимость коэффициента теплопроводности от температуры.

Сформулированы также допущения модели: пренебрегаем излучением лобовых частей на магаитопровод; пренебрегаем излучением верхней поверхности проводящего слоя ВЭ и нижней поверхности индуктора (обращенных к зазору) в окружающую среду; подмодели расчета коэффициентов теплоотдачи являются стационарными, а основная модель описывает нестационарные процессы; считаем, что боковые поверхности индуктора и поверхности индуктора и ВЭ, обращенные к зазору, омываются окружающей средой со скоростью, равной скорости движения подвижной части ЛАД; коэффициенты теплопроводности обмотки с учетом изоляции рассчитаем на основании приблизительных эмпирических зависимостей.

окр. ср

^ окр. «р

окр. ср

б)

«кр. ср

О

©кр.ср

«Хр.ср

*

окр. ер

• тепловые проводимости масеовдрвиос«

• теплое ые проводимости -гепгкхчжеодности

• тепловые проводимости твппоотдащ

- тепловые проводимости излучения

• потери и» участке*

• обмотка индуктора (мв. материал)

- проводящий спой ВЭ •уздтоговой схемы замещения

- окружающая среда

Рис. 1. Эквивалентная тепловая схема замещения а) продольное сечение; б) поперечное сечение

На рис. 1 показана эквивалентная тепловая схема замещения, соответствующая приведенным особенностям и допущениям. На рис. 1,6 на фоне тепловых про вод имостей теплопроводности между пазовыми и лобовыми частями обмотки показаны (пунктиром) тепловые проводимости теплоотдачи и излучения с боковых поверхностей магнитопровода. Для упрощения на рис. 1 не показаны тепловые емкости, хотя предполагается расчет нестационарных тепловых процессов. Объемная дискретизация и построение ЭТС на рис. 1 произведено в соответствии с рекомендациями, приведенными в первой главе. На основе представленной на рис. 1 эквивалентной тепловой схемы была составлена система уравнений модели (1). Выражения для вычисления тепловых потоков не приводятся. В модели имеются следующие характерные участки; левый край индуктора; центральный участок индуктора; правый край индуктора; ВЭ за пределами активной зоны. Уравнения (1) составлены для центрального участка.

Обозначения в (1): То1з, Т^Т^.Т^Т^, Тс1г, ТоЪг - температуры участков: пазовой части обмотки, магнитопровода над пазом, магнитопровода

над зубцом» зубца, лобовых частей слева, лобовых частей справа, проводящего слоя ВЭ, магнитопровода ВЭ; Те - температура окружающей среды;

Рсри> раъ> Р<и. р,4,> Рс!оы,>Рс!«ь*,> Kir'Kir ~ мощности потерь в участках; сес\»ср* 2*' сраъ,> срг*,>сpcu>bu> Срси>ьь>сpel г >сра^ " теплоемкости участков; Mcli, Ma2s, Маг}, Mctob6t, Mclr,Ma%r - массы участков; q - тепловые

потоки. Индексы в (1) обозначают: Ьок — боковые поверхности, zad — задние поверхности; prev — предыдущий участок; next - следующий участок; air — взаимодействие с окружающей средой; izl — процессы излучения; to - процессы теплоотдачи; v - процессы массопереноса; тепловые потоки без индекса обозначают процессы теплопроводности.

х 1

dt с».. ■ м,

(Р+. ~Яч ~Яп_ы)

реи б1|

1 .

л ='-' 1 ' '("в!г ~Ян ~ Яп-ш Чг*хи*> ~ Яг1к* »1 — Ягм »2 ~Ягь°* Ы\~"ЯинЛ Ш1'>

£/Тв3г I _

. е- ■ - - ■■■ ■ * (- ~~ Яц ~ Язгрт Я)ш>1 м Яъш м"Яг*вк ю1 ~Яию* ш\ шг/>

Л ср.3,-Мв3, ^ .

<ГГг41 1 >„ ,

= •(1,4, Яю Я*1рт Яаыг_Ю1 Я*-> ш ~Я*ьсл ~Я*ыл «г— Я*м "ш?)•

<Я -

с1Тыь 1 ^ '

Ж ~ г- "(Р^Ли^Яя ~Ямг_п~ЯъЫг_ ы ~Яп_ы)

а' срми 'мм>и

~ , , ' (Рс/ФЬи ~Яы ~Яба№ Ю ~Яба!г Ш~Яб7 ш)

сГГсчР _ 1

Т — ' ~ ЯIX "" Ято)г »1 ~Я")аг И4 ~Яп Ш ~Яи Ш ~ Яп ш~Як ¡а + Ят!выу~Яляа1 +

а • а/с7, 1

— Г'- = ' . , ~ — Ял7 ~ ЯхюЛ и + Яюрт ~Яплся +Яырп» *~Япмя *~Яы<А №1 ~Я*ЫЛ «>2 ~ ЧгЬок Ш\ ~Я%Ъо*

Тепловая модель с низким уровнем детализации, В данной модели дополнительно учтено наличие полузаполненных пазов и кожуха, закрывающего лобовые части. Предполагается продув воздуха через образовавшиеся за счет этого каналы в лобовых частях и пазах. При этом учитывается, что скорости обдува лобовых частей и боковых поверхностей магнитопровода индуктора с разных сторон могут быть различными. Не учитываются зависимости коэффициентов теплопроводности от температуры, а некоторые участки схемы замещения укрупнены. Не учитывается теплообмен излучением между стенками пазового канала, т.к. температуры его стенок достаточно близки. Коэффициент теплоотдачи предполагается одинаковым для всех стенок пазового канала и неизменным по длине канала. Данная модель предназначена для исследования тягового ЛАД, имеющего указанные особенности конструкции. Прочие особенности модели и допущения, сделанные при ее создании, совпадают с таковыми для предыдущей рассмотренной модели. На их основе составлена ЭТО, показанная на рис. 2 (для поперечного сечения совпадает с приведенной на рис. 1 ,б.) На основе данной ЭТС также была составлена система уравнений.

10

Мф. ср

оир.ср

V _. >-

Г

©

I

окр. ср

Рис. 2. ЭТС для тягового ЛАД (продольное сечение)

С1_01Л,

Рис. 3. Аэродинамическая схема замещения ЛАД

11

Вентиляционный расчет на основе аэродинамической схемы замещения. Вентиляционный расчет машины сводится к определению гидравлического (аэродинамического) сопротивления системы охлаждения, потерь давления по тракту от входа охладителя в машину до выхода и скоростей охладителя в каналах. Подогрев охладителя учитывается упрощенно. Аэродинамическая схема замещения системы вентиляции тягового ЛАД представлена на рис. 3. Обозначения местных сопротивлений на рис. 3: Zin — сопротивления входа; Zout — сопротивление выхода; Zkol — сопротивление колена; Ztro — сопротивление тройника в ответвлении; Ztrp - сопротивление тройника в прямом проходе; Zlob - сопротивление лобовых частей. Zpk - путевое сопротивление канала в пазу; N - число каналов. При расчетах учитывалась зависимость коэффициентов местных сопротивлений тройников от соотношений расходов, а зависимость путевых сопротивлений от числа Рейнольдса не учитывалась. В этом случае сопротивления равны (индексы в обозначениях совпадают с индексами на рис. 3):

gr* & (2)

=+С' (^f)+^ >

kVl fcVl

а система уравнений выглядит следующим образом (и = 1 .. N-1):

{otf+^f^+zp^zf- (3)

Учет данной нелинейности (в дополнении к нелинейности, обусловленной квадратичной зависимостью давления от расхода) потребовал организации дополнительного итерационного процесса. В итоге применялась следующая процедура решения системы уравнений: 1. вычисляем расходы в ветвях в предположении, что местные сопротивления не зависят от соотношения расходов, будем использовать полученные значения сопротивлений и расходов как начальные; 2. на основе расходов, полученных на этапе 1, рассчитываем зависящие от них сопротивления тройников; 3. решаем систему уравнения для определения расходов и скоростей в ветвях (для решения такой нелинейной системы (к тому же с большим числом уравнений, например, при N- 50, получается 146 уравнений) использовались функция /solve пакета МЛ ТЬАБ), при этом в качестве начальных значений для решения системы уравнений будем задавать расходы, полученные на предыдущей итерации, а в качестве коэффициентов — сопротивления, полученные на предыдущей итерации; затем повторяем этапы 2 и 3 до достаточного совпадения результатов расчета на двух последних итерациях.

В ходе процедуры, описанной выше, необходимо на каждом шаге рассчитывать сопротивления тройников в зависимости от соотношения расходов. Для

* *

-в-1

в:

автоматизации этого процесса были созданы подпрограммы, в которые были заложены справочные таблицы. В ходе расчета с помощью двумерной интерполяции выбираются значения коэффициентов местных сопротивлений и затем рассчитываются гидравлические сопротивления.

Ввиду длительности итерационного расчета для каждого значения скорости движения использование его непосредственно в тепловой модели невозможно. Поэтому результаты такого расчета были представлены в виде простых аналитических выражений. В главе показано, что при сделанных допущениях скорость охладителя на каждом участке схемы замещения линейно зависит от скорости охладителя на входе в систему, затем определены коэффициенты данных зависимостей.

Математическая модель взаимосвязанных электромеханических, тепловых и аэродинамических процессов. На рис. 4 показана схема взаимосвязи подмоделей (и их варианты) в составе общей модели ЛАД.

Want

wad

Медаль САУ

fexw «м. 1чт«мт1

Рс

Fe

Злектромек.

потерь ■

рвомгг

№7ПркИ

TV»

Tlnd

I

I I I

I Vwnt

Vmov

Аэродинамическая модель

Rawer на owoea ynpcu* «налит, аыраканий

VverttJ

Pfnd,

I

I!

Попевая модель

Блок пампагаи FemLab N SlmuCnk

Tlnd TV«

Расчет no детализированной ЭТС

Pno*rr no укругмвн-ной ЭТС

HrKf

Tve

cr>

Рис. 4. Схема взаимосвязи подмоделей

ЦЙМ* (Ml

Рис. 5. Тепловая модель ЛАД в среде Simulink

На рис. 4: Vzad - сигнал задания на скорость; Fe - сила сопротивления; Vvent - скорость охладителя на выходе из нагнетательного устройства; Vvent_i -скорости охладителя на участках; Vmov - скорость движения подвижной части ЛАД Find - потери в индукторе; Pve - потери во ВЭ; Tind - температуры участков индуктора; Tve - температуры участков ВЭ. Пунктиром показаны необязательные связи между блоками. Например, расчет по полевой модели использу-

13

стоя лишь в случае сравнения с результатами моделирования по ЭТС. В случае отсутствия системы вентиляции (или допущении о том, что Гу-елМ = УуеЫ) расчет по аэродинамической модели не производится. Скорость обдува элементов конструкции в этом случае равна либо скорости охладителя на выходе из вентилятора (если таковой имеется), либо скорости движения подвижной часта. Структурная схема тепловой модели (в среде ЗтиЦпк) показана на рис. 5.

В четвертой главе приводятся результаты исследований и практических разработок. Приведены результаты расчета ЛАД с малым числом пазов на полюс и фазу с применением различных алгоритмов численного дифференцирования по координате. Показана целесообразность применения модернизированной модели электрической цепи ВЭ.

Проведено сравнение результатов расчета тепловых процессов ЛАД лабораторной установки с данными эксперимента. Отличия составляют менее 5 %.

Произведено исследование тепловых процессов на примере ЛАД ££,-5-100 с помощью тепловой модели с высоким уровнем детализации, выработаны рекомендации по учету ряда особенностей протекания тепловых процессов в ЛАД. Проведено сравнение с результатами расчета полевыми методами, отличия составляют также менее 5 %. На рис. б показаны тепловые процессы в следующих режимах (изменение режима каждые 10000 с): пуск на холостом ходу при задании на пониженную скорость 0,5 м/с ((7=24,2 В, /- 5,5 Гц, сила сопротивления 5 Н), затем повышение сигнала задания до соответствующего номинальной скорости (5,01 м/с, I/ — 220 В,/= 50 Гц), затем наброс нагрузки до максимальной (ИОН), затем сброс до прежнего значения.

Приведены результаты вентиляционного расчета тягового ЛАД (ТЛАД) монорельсовой дороги, получены графики распределения скоростей, расходов и давлений охладителя по участкам конструкции. Для типовых режимов работы определена неравномерность нагрева по длине индуктора ТЛАД, а также между участками с верхним и нижним расположением обмотки (составляет около 30 %). Показано, что при установившемся тепловом процессе температура наиболее нагретого участка обмотки индуктора может оказаться в 1,3-1,5 раза выше, чем средняя по длине индуктора температура обмотки. В переходных же тепловых режимах может наблюдаться различие в 1,3-1,8 раз (из-за различной скорости нарастания температур разных элементов конструкции).

Рассчитан нагрев ВЭ при частотном пуске (составляет около 20 °С под одним индуктором). Рассмотрен случай работа в многоиндукторном приводе и показано влияние нагрева ВЭ предыдущими индукторами на нагрев обмотки выбранного индуктора (при небольших скоростях дополнительный нагрев обмотки составляет около 10 °С, при предварительном нагреве ВЭ до 100 °С).

Для тягового ЛАД определены области безопасной работы (значения токов) при различных вариантах систем вентиляции (и расходах воздуха), выработаны рекомендации по их выбору. При этом рассматривались следующие варианты: естественная вентиляция (скорость охладителя на входе в систему равна скорости движения состава, что возможно лишь для первого индуктора); искусственная вентиляция (при различных расходах от 0,11 до 2,2 м3/с, темпе-

ратуры показаны в табл. 1 для частоты 5 Гц, отмечена область безопасной работы с учетом неравномерности нагрева по длине); отсутствие продува (например, при отказе вентилятора); идеальная система вентиляции (скорость охладителя во всех каналах равна скорости на входе). Были получены следующие результаты: нагрев индуктора при реальной и идеальной системе отличается на 30%, причем при идеальной системе вентиляции уменьшается неравномерность нагрева по длине индуктора, т.к. она частично обусловлена характерным распределением охладителя по каналам. При искусственной вентиляции со скоростью воздуха на входе, равной номинальной скорости движения, нагрев обмотки индуктора меньше на 25 %, чем при естественной вентиляции, также уменьшается неравномерность нагрева участков с верхним и нижним расположением обмотки, т.к. улучшаются условия теплоотдачи в пазовом канале. В рассмотренном случае естественной вентиляции, работа при токах более 135 А невозможна, т.к. приводит к росту температур участков обмотки выше 180-200 °С. При отсутствии продува температуры индуктора 60% выше чем при естественной системе вентиляции.

В качестве примера приведем графики тепловых переходных процессов (рис.7) при заданном токе 190А, частоте 15Гц, при пуске под нагрузкой 1000 Н, вентиляция искусственная (расход 1,1 м3/с).

Средние установившиеся температуры обмотки индуктора, °С Таблица 1

№ Фазный ток Расход воздуха, м3 /с

0,11 0,22 0,55 1,1 2,2

1 270 А 585 510 355 240 150

2 240 А 470 396 260 170 114

3 215 А 375 306 195 130 90

4 190 А 280 225 145 100 72

5 165 А 200 162 106 76 58

6 135 А 130 105 72 55 44

В главе также произведена оценка теплового состояния дугостаторного асинхронного двигателя (ДАД) винтового пресса. Номинальный режим работы пресса — повторно-кратковременный. При прямом пуске и максимальной производительности (30 ходов/мин, рабочий ход 400 мм) цикл работы следующий: 0,6 с. - ход вниз при включенном двигателе; 0,25 с — ход вниз под собственным весом, затем удар и пауза; 0,3 с - ход вверх с включенным двигателем; 0,5 с - ход вверх на выбеге; 0,35 с — наложение тормоза, пауза.

Результаты расчетов приведены в табл. 2, по данным которой определены близкие по нагреву варианты (3, 8, 9, 13) и оценено влияние различных факторов на нагрев (уменьшение хода, т.е. ПВ; применение плавного пуска; применение системы вентиляции.) Приведены также графики тепловых переходных процессов (рис. 8 и 9) для дугостаторного асинхронного двигателя пресса (для варианта 2, табл. 2). Также рассмотрены процессы охлаждения ДАД после отключения. Обмотка охлаждается за 4,5 часа без обдува, за 1 час с обдувом вентилятором номинальной мощности (ВЭ-маховик в 4 раза быстрее).

15

1 - температур« пазовой части обмогкн индуктора

2 - темпер »тура участка магннтопров ода нндуктора над пазом

3 - температура участка магннтопровода индуктора нал зубном

4 - температура зубца индуктора

5 - температура лобовой части 1 обмотки индукторе б' температура лобовой части 2 обмотан индуктора

7 - температура проводящего спояВЭ

8 - температура магннтопр овода ВЭ

4 с

Рис, 6. Температуры участков на зубцовом делении 51-5-100

т.'с

й5

1.5

15

Ьс

Рис. 7. Средние температуры обмотки (верхняя кривая) и магннтопровода

индуктора (нижняя кривая) ТЛАД

т, °с

„4_________

40

Рис. 8, Средние температуры обмоток индукторов и ВЭ ДАД

16

Таблица 2

№ Вид пуска (вид Время Рабочий Скорость Уст. темп. Уст.

модели, время цикла, ход, мм обдува, обм. темп. ВЭ,

нараст. напр.) с м/с инд.,° С °С

1 Прямой (эксперим.) 2 400 12 <110 90-100

2 Прямой (стат. мод.) 2 400 12 98 84

3 Прямой (дин. мод.) 2 400 12 105 92,5

4 Прямой (стат. мод.) 2 280 12 85,5 77,5

5 Прямой (дин. мод.) 2 280 12 91,5 »л 00

6 Прямой (стат. мод.) 2 280 0 170 115

7 Прямой (стат. мод.) 6 280 0 103 85,5

8 Прямой (дин. мод.) 6 280 0 110 94,5

9 Плавный (2 пер.) 5 280 0 114 96

10 Плавный (2 пер.) 2 280 12 83 81

11 Плавный (2 пер.) 2 280 10 89 87

12 Плавный (2 пер,) 2 280 8 97 98

13 Плавный (2 пер.) 2 280 6 109 112

В результате исследований ДАД пресса сделаны следующие выводы:

1. В каждом режиме температуры участков ВЭ практически одинаковы, для обмоток индукторов аналогично. Поэтому для анализа можно пользоваться усредненными по длине температурами.

2. В начале переходного процесса охлаждения в паузах между ходами не происходит, происходит лишь изменение темпа нагрева. В режимах, близких к установившимся, в паузах происходит охлаждение элементов конструкции, т.к. тепловые потоки теплоотдачи и излучения увеличиваются с ростом температуры.

3. Ротор-маховик (ВЭ) нагревается примерно в 5 раз быстрее обмотки индуктора из-за различия теплоемкостей и условий теплоотдачи.

4. Сравнение результатов расчета и эксплуатационных данных показывает хорошую адекватность модели (вариант 1 и 3 в табл. 2). При этом лучшее совпа-

дение можно получить, вычисляя потери по динамической электромагнитной модели. В случае использования статической модели при оценке теплового состояния следует делать поправку в соответствии со следующим выводом (5).

5. Разница между результатами расчета тепловых процессов при задании потерь по статической и динамической моделям составляет около 6-7 °С для обмотки индуктора и 7-8 °С для ВЭ. Однако такое различие имеет место лишь для режима прямого пуска (т.к. имеются значительные колебания токов и потерь), в режиме плавного пуска, когда колебания сглажены, результаты расчетов практически совпадают.

6. При работе с уменьшенным ходом установившиеся температуры обмотки индуктора ниже примерно на 12 °С, ВЭ - на б °С (вар. 2 и 4 в табл. 2), т.к. продолжительность включения двигателя меньше.

7. Потери при плавном пуске примерно на 10 % меньше, чем при прямом пуске. Соответственно нагрев обмотки индуктора становится меньше на 8-9 °С (вар. 5 и 10 в табл. 2.)

8. При отсутствии обдува при сохранении минимального времени цикла 2 с. (максимальной производительности) имеет место недопустимый перегрев обмоток индуктора, как при прямом (вар. 6 в табл. 2), так и при плавном пуске.

9. Для снижения нагрева при отсутствии вентилятора рекомендуется увеличение времени цикла до б с (за счет паузы в конце) при прямом пуске (вар. 7 и 8 в табл. 2) и до 5 с при плавном пуске (вар. 9 в табл. 2.)

10. В случае необходимости сохранения производительности пресса (цикл 2 с) при условии уменьшения рабочего хода до 280 мм и применения плавного пуска возможно уменьшение мощности приводного двигателя вентилятора (вар. 10-13 в табл. 2),

Следует также отметить, что результаты расчета тягового ЛАД и ДАД пресса хорошо согласуются с опытными данными.

В приложениях приводятся документы о внедрении, графики тепловых переходных процессов, листинги программ и структурные схемы моделей, а также пример формирования многомерных массивов тягового ЛАД и система уравнений тепловой модели тягового ЛАД.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В результате выполненных работ создана математическая модель для исследования тепловых процессов линейных асинхронных двигателей, реализованная в компьютерных программах в среде МАНАВ-ЭгтиНпк, с помощью которых выполнен анализ тепловых режимов ряда ЛАД, применяющихся в конкретных установках.

Д иссертация развивает разработки коллектива кафедры электротехники и электротехнологических систем Уральского государственного технического университета в области исследования линейных индукционных машин и создания программных средств их математического моделирования. Основные результаты исследований могут быть выражены в следующих выводах.

1. Разработана математическая модель, позволяющая исследовать процессы в ЛАД с учетом присущих им особенностей, состоящая из трех основных взаимосвязанных элементов (подмоделей):

- уточненная квазистатическая модель электромеханических процессов на основе метода детализированных схем замещения, учитывающая влияние тепловых переходных процессов на электромеханические характеристики;

- тепловая модель, учитывающая особенности конструкции и тепловых процессов ЛАД, основанная на эквивалентных тепловых схемах замещения двух разновидностей: с высоким уровнем детализации и низким уровнем детализации;

- аэродинамическая модель, позволяющая производить расчет систем вентиляции ЛАД и основанная также на детализированной схеме замещения.

2. Математическая модель ЛАД реализована в виде быстродействующих алгоритмов и программ в среде МА ТЬАВ и ЭтиНпк.

3. На основе созданной модели произведены исследования тепловых процессов в ряде конструкций ЛАД, На основании теоретического и экспериментального исследования лабораторных и промышленных ЛАД сделаны общие выводы о протекании тепловых процессов в исследуемых конструкциях, выработаны рекомендации по их моделированию.

Подробно изучены особенности тепловых процессов ЛАД, имеющего полузаполненные пазы и систему охлаждения, с учетом результатов вентиляционного расчета. Приведены рекомендации по выбору системы охлаждения и безопасных с точки зрения нагрева режимов работы.

Произведена оценка теплового состояния ДАД с ферромассивным ВЭ, работающего в повторно-кратковременном режиме в составе регулируемого электропривода и приведены рекомендации по выбору вентилятора и режима работы (продолжительности включения) ДАД пресса.

4. Произведено сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными, а также с результатами расчета полевыми методами, которое подтверждает достоверность выполненных исследований, а также показывает, что допущения, принятые при разработке моделей, приемлемы для получения достаточной для инженерной практики точности 10 %,

5. Результаты исследований используются: Институтом электротехники Щецинского технического университета (г. Щецин, Польша) при разработке электроприводов на основе ЛАД серии 5Х; ИНЦ «ТЭМП» при разработке новых тяговых ЛАД, а также для решения задач по эксплуатации установленных на подвижном составе монорельсовой дороги в г. Москве; ФГУП ВТМЗ при эксплуатации и модернизации дугостаторного АД пресса; в учебном процессе и научных исследованиях кафедры «Электротехника и электротехнологические системы» УГТУ-УПИ.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Сарапулов Ф.Н., Бегалов В.А., Гоман В.В., Федореев С.А. Исследование тепловых процессов в линейном асинхронном двигателе. - Тр. VI Междунар. симпозиума ЭЛМАШ-2006. - М,: МА «Интерэлектромаш», 2006. - Т. 2. -С. 55-59.

2. Гоман В.В. Методика выбора шагов заполнения многомерных массивов характеристик линейных асинхронных двигателей. - Вестник УГТУ-УПИ. Сб. тр. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2006. - №4 (75). - С. 175-179.

* 3. Иваницкий С.В., Гоман В.В., Иваницкая В.В.. Повышение быстродействия программного комплекса моделирования индукционных машин. — Вестник УГТУ-УПИ. Сб. тр. - Екатеринбург; УГТУ-УПИ, 2006. - № 4 (75). -С. 194-198.

4. Иваницкая В.В., Гоман В.В., Федореев С.А. Чувствительность характеристик асинхронного двигателя, рассчитанных с помощью математической модели на основе детализированных схем замещения, к изменению параметров. -Вестник УГТУ-УПИ. Сб. тр. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2004. - №16 (46). -С. 80-84.

5. Сарапулов Ф.Н. Бегалов В.А., Федореев С.А., Гоман В.В, Программный комплекс для исследования тепловых и электромеханических процессов ЛАД. - Тр. Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. уч. «Актуальные проблемы ресурсе- и энергосберегающих электротехнологий». - Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2006. - С. 473-479,

6. Сарапулов Ф.Н. Гоман В.В. Структурные модели тепловых процессов. — Тр. Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. уч. «Актуальные проблемы ресур-со- и энергосберегающих электротехнологий». - Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2006. - С. 479-485.

7. Гоман В.В., Федореев С.А., Прахт В.А. Моделирование электромеханических и тепловых процессов в тяговом линейном асинхронном двигателе монорельсовой транспортной системы. - Мат. Междунар. науч.-техн. конф. «Электромеханические преобразователи энергии». — Томск: 111 У, 2005. — С.108-112.

8. Гоман В.В., Федореев С.А., Прахт ВЛ. Исследование режимов работы тягового линейного электропривода монорельсовой транспортной системы. -Тр. IV межотрасл. науч.-техн. конф. «Автоматизация и прогрессивные технологии» - Новоуральск: НГТИ, 2005. - С. 208-212.

9. Гоман В.В., Иваницкий С.В, Федореев С.А. Выбор алгоритма численного дифференцирования по координате в математической модели асинхронного двигателя. - Компьютерное моделирование 2004: Тр. 5-й Междунар. науч.-техн. конф. - СПб.: Нестор, 2004. - Ч. I. - С. 67-70.

10. Ivanitsky S., Ivanitskaya V., Sarapulov F., Goman V. Optimization of algorithms of LIM mathematical models on detailed substitution schemes. - Proc. of VI International conf. on Unconventional Electromechanical and Electrical Systems. -Alushta, The Crimea: Ukraine, 2004. - C. 313-318.

Подписано в печать 18.10.2006 Офсетная печать

Формат 60 х 84 1/16 Тираж 100

Бумага писчая Заказ № 195

Ризография НИЧ УГТУ 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

-f

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И МОДЕЛИ ЛАД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ, ТЕПЛОВЫХ И

АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

1.1. Модели электромеханических процессов ЛАД

1.2. Методы теплового расчета электрических машин

1.3. Известные тепловые модели линейных асинхронных двигателей

1.4. Аэродинамические модели электрических машин

1.5. Выводы

ГЛАВА 2. РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЛАД

НА ОСНОВЕ ДЕТАЛИЗИРОВАННЫХ СХЕМ ЗАМЕЩЕНИЯ

2.1. Повышение точности базовой модели ЛАД

2.2. Повышение быстродействия алгоритмов и программ расчета ЛАД

2.3. Квазистатическая модель ЛАД

2.4. Аппроксимация характеристик ЛАД

2.5. Выводы

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ТЕПЛОВОЙ МОДЕЛИ ЛАД НА ОСНОВЕ

ДЕТАЛИЗИРОВАННЫХ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ ЗАМЕЩЕНИЯ

3.1. Математическая модель на основе детализированных тепловых схем замещения

3.2. Тепловая модель с высоким уровнем детализации схемы замещения

3.3. Тепловая модель с низким уровнем детализации схемы замещения

3.4. Вентиляционный расчет на основе аэродинамической схемы замещения

3.5. Математическая модель взаимосвязанных электромеханических, тепловых и аэродинамических процессов

3.6. Выводы

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРАКТИЧЕСКИХ

РАЗРАБОТОК

4.1. Расчеты ЛАД при разных алгоритмах численного дифференцирования по координате

4.2. Исследование тепловых процессов в ЛАД лабораторного стенда

4.3. Исследование тепловых процессов в ЛАД 5Х-5

4.4. Результаты расчета системы вентиляции тягового ЛАД

4.5. Исследование тепловых процессов в тяговом ЛАД монорельсовой дороги

4.6. Оценка теплового состояния дугостаторного АД винтового пресса

4.7. Выводы

Известно несколько типовых областей применения двигателей с разомкнутым магнитопроводом: высокоскоростной наземный транспорт (монорельсовые дороги); взрывозащищенное электрооборудование; перемещающие и подъемные механизмы; различные загрузочные устройства; двери; натяжные устройства; системы автоматики и телемеханики [106, 107].

Широко известно применение тяговых ЛАД в пассажирском наземном, в том числе и высокоскоростном, транспорте. Наибольшие успехи в этом направлении среди отечественных организаций были достигнуты ОКБ ЛЭД (г.Киев) и ИНЦ«ТЭМП» (г.Москва) [19]. Актуальность монорельсового транспорта связана с тем, что в последнее время в крупных городах все более остро ощущается нехватка скоростного пассажирского транспорта [6, 19, 149]. Сегодня скорость сообщения наземного пассажирского транспорта в крупных городах ниже 20 км/ч, а подземный транспорт, отвечающий потребностям города, требует больших капитальных вложений и имеет низкие темпы строительства [6]. В настоящее время в Москве эксплуатируется пятикилометровая монорельсовая трасса [19, 149]. Тяговые двигатели поездов спроектированы ИНЦ «ТЭМП» при участии кафедры ЭЭТС УГТУ-УПИ [5, 6, 141, 147]. Данная работа продолжает разработки кафедры в этом направлении.

В ряде стран был освоен серийный выпуск индукторов ЛАД для встраивания их в приводы некоторых механизмов. Вторичный элемент при этом изготавливается специально под конкретный привод или совмещается с рабочим органом механизма. Примером являются польские двигатели многоцелевого назначения серии SL фирмы «Technika» [106]. В Щецинском техническом университете (ЩТУ, Польша) исследуются возможности их применения для приводов дверей, заслонок, внутрицеховых конвейеров, а также в стрелочных механизмах для трамваев и железнодорожного транспорта. В работе произведены тепловые расчеты данных двигателей ввиду их универсальности в рамках сотрудничества с институтом электротехники ЩТУ [106].

Следует также отметить линейные асинхронные электроприводы изготовленные ВНИИ «Взрывозащищенное электрооборудование», ныне УкрНИИВЭ. Из-за специфики применения при их разработке уделялось повышенное внимание теоретическому и экспериментальному исследованию тепловых процессов. Результаты этих исследований [36, 43-47] подробно описаны в первой главе, т.к. представляют интерес с позиций данной работы.

В работе также рассматриваются винтовые прессы Чимкентского завода кузнечно-прессового оборудования [15, 144, 145, 146] с приводом от дугостаторного двигателя, эксплуатируемые ФГУП «Верхнетуринский механический завод». Оценка их теплового состояния производится в связи с модернизацией, вызванной повышением объемов производства в рамках хоз. договора между ФГУП ВТМЗ и кафедрой ЭЭТС УГТУ-УПИ [148].

Актуальность темы. При исследовании электропривода на основе линейного асинхронного двигателя весьма актуальной задачей является анализ тепловых процессов. Причем необходимость такого анализа может возникнуть как при проектировании двигателя, так и в ходе эксплуатации (при изменении режима работы, внесении изменений в другие элементы электропривода и т.д.)

Например, при проектировании транспортных систем зачастую налагаются весьма жесткие требования на геометрические размеры тяговых двигателей. В результате может оказаться, что двигатель не развивает необходимое тяговое усилие в течение требуемого промежутка времени, т.к. имеет место перегрев элементов конструкции (как правило, обмотки индуктора, что может привести к выходу ее из строя). При любом способе решения данной проблемы (применение охлаждающих установок, систем регулирования температуры, изменение конструкции двигателя или др.) необходимо исследование тепловых переходных процессов. Подобные проблемы встречаются не только в транспортных системах, в ряде случаев необходимо определить и ограничить скорость нарастания температур отдельных узлов ЛАД, особенно, если он изготавливается во взрывозащищенном исполнении [43,47,103].

В качестве примера необходимости оценки теплового состояния в ходе эксплуатации можно привести дугостаторный асинхронный двигатель винтового пресса. В данном случае проблема возникает при модернизации (переходе от нерегулируемого привода к регулируемому), а также в результате эксплуатации пресса в неноминальном режиме.

Таким образом, анализ тепловых процессов и средства для его проведения актуальны в той или иной степени при разработке всех линейных асинхронных электроприводов.

Однако, такие исследования осложняются тем, что линейные асинхронные двигатели отличаются от вращающихся электрических машин характером протекания в них электромагнитных и тепловых процессов [98, 107]. Основные отличия заключаются в следующем: имеются краевые эффекты; индуктор и вторичный элемент ЛАД, как правило, работают в кратковременном и повторно-кратковременном режимах; тепловая мощность выделяется неравномерно по длине ВЭ и регулярно выносится за пределы активной зоны. При этом использование известных методов оценки теплового состояния, используемых в приводах вращательного действия [11, 62, 68, 56], весьма затруднительно, т.к. они основаны на ряде допущений, которые для линейных машин не выполняются. Существующие тепловые модели ЛАД [1, 43-47, 51, 52], как правило, не учитывают вынос тепла вторичным элементом, а потери зачастую вычисляются без учета особенностей электромагнитных процессов.

Таким образом, актуальной является разработка математических моделей учитывающих указанные особенности ЛАД и позволяющих проведение исследований тепловых процессов в линейных асинхронных двигателях. Данная работа основывается на разработках коллектива кафедры электротехники и электротехнологических систем УГТУ-УПИ в области линейных индукционных машин и развивает данные разработки.

Объектом исследования являются линейные асинхронные двигатели, предметом исследования - тепловые процессы в линейных асинхронных двигателях.

Цели работы:

- разработать методику и программные средства расчета нестационарных тепловых процессов в ЛАД на основе детализированных электрических, магнитных, тепловых и аэродинамических схем замещения;

- исследовать тепловые процессы ЛАД конкретных установок в их рабочих режимах на основе разработанной методики.

Для выполнения поставленных целей решаются следующие задачи:

1. Разработка модификаций математических моделей нестационарных тепловых процессов в ЛАД с учетом массопереноса, позволяющих проводить исследование двигателей разных видов с различными особенностями конструкции на основе тепловой схемы замещения с высоким уровнем детализации и на основе укрупненной тепловой схемы замещения. Реализация уравнений тепловых моделей в виде структурных схем в среде ЗтиИпк.

2. Повышение точности и быстродействия электромеханической модели ЛАД на основе детализированных схем замещения используемой совместно с тепловой моделью с учетом взаимного влияния электромеханических и тепловых процессов.

3. Разработка математической модели аэродинамических процессов в ЛАД на основе детализированной аэродинамической схемы замещения и реализация решения системы нелинейных уравнений модели в среде МАТЬАВ.

4. Разработка математической модели взаимосвязанных электромеханических, тепловых и аэродинамических процессов в ЛАД и реализация передачи данных между подмоделями в ее составе в среде БтиНпк.

5. Анализ закономерностей протекания тепловых процессов в исследуемых конструкциях ЛАД, оценка влияния различных факторов на нагрев элементов конструкции ЛАД.

Методы исследования. В работе используются методы теории электрических цепей, метод эквивалентных тепловых схем замещения, методы компьютерного моделирования с помощью пакета МАТЬАВ и его расширения

Simulink, предназначенного для анализа динамических систем. Используются также физические (натурные) методы моделирования с помощью экспериментального лабораторного стенда и действующих установок.

Основой исследования были также труды ученых: Неймана J1.P., Вольдека А.И., Копылова И.П., Иванова-Смоленского A.B., Сипайлова Г.А., Куцевалова В.М., Беспалова В.Я., Фридкина П.А., Штурмана Г.И., Резина М.Г., Сарапулова Ф.Н., Веселовского О.Н., Ямамуры С., Борисенко А.И., Филиппова ИВ., Огаркова Е.М., ШулаковаН.В., Беляева Е.Ф., ШымчакаП., Карася C.B., Патанкара C.B. и др.

На защиту выносятся следующие положения представляющие научную новизну:

1. Математическая модель взаимосвязанных электромеханических, тепловых и аэродинамических процессов ЛАД на основе детализированных электрических, магнитных, тепловых и аэродинамических схем замещения, а также соответствующие подмодели процессов в ее составе.

2. Результаты анализа тепловых процессов в рассматриваемых конструкциях ЛАД в виде рекомендаций по выбору их режимов работы, выбору систем охлаждения, а также по необходимости учета ряда особенностей тепловых процессов при моделировании.

3. Программные средства и структурные схемы для расчета электромеханических и тепловых переходных процессов по указанным математическим моделям.

Практическая ценность. Предложенные математические модели позволяют производить оценку теплового состояния и исследование тепловых переходных процессов ЛАД с различными особенностями конструкции. Также на их основе выявлены общие закономерности протекания тепловых процессов в исследуемых ЛАД. С использованием данных закономерностей для тягового ЛАД монорельсовой дороги и дугостаторного АД винтового пресса выработаны рекомендации по выбору режимов работы и системы охлаждения.

Внедрение. Результаты работы используются:

1. ОАО «Инженерно-научный центр «ТЭМП» (г. Москва) для решения текущих задач по эксплуатации тяговых ЛАД поезда монорельсовой дороги, а также при разработке новых конструкций тяговых двигателей.

2. ФГУП «Верхнетуринский механический завод» (г. Верхняя Тура) при модернизации дугостаторного электропривода винтового пресса для оценки теплового состояния.

3. На кафедре электротехники и электротехнологических систем УГТУ-УПИ в учебном процессе, при курсовом и дипломном проектировании, проведении научных исследований.

Апробация. Основные результаты доложены, обсуждены и одобрены на следующих научных мероприятиях:

- VI международный симпозиум ЭЛМАШ-2006. Москва, октябрь 2006 г.

- XI Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты». Алушта, сентябрь 2006 г.

- Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Актуальные проблемы ресурсо- и энергосберегающих электротехнологий», Екатеринбург, УГТУ-УПИ, апрель 2006 г.

Региональная научно-техническая конференция «Проблемы энергосбережения и экологии промышленного региона». Нижний Тагил, НТИ УГТУ-УПИ, декабрь 2005 г.

- IV межотраслевая научно-техническая конференция «Автоматизация и прогрессивные технологии». Новоуральск, НГТИ, сентябрь 2005 г.

- 8-ая региональная научно-практическая конференция с международным участием «Энергосберегающие техника и технологии». Екатеринбург, май 2005 г

- III Межвузовская конференция «Практика применения научного программного обеспечения в образовании и научных исследования». СПб, СПбГПУ, апрель 2005 г.

XIII Международная научно-техническая конференция «Электроприводы переменного тока». Екатеринбург, УГТУ-УПИ, март, 2005 г.

- Региональная научно-техническая конференция «Наука-образование-производство». Нижний Тагил, октябрь 2004 г.

- Sixth International Conference on Unconventional Electromechanical and Electrical Systems. Alushta, The Crimea, Ukraine, September, 2004 r.

- 5-ая международная научно-техническая конференция «Компьютерное моделирование 2004». СПб, СПбГПУ, июнь 2004 г.

- XXXV, XXXVI, XXXVII международные научно-технические конференции молодых специалистов. Нижний Тагил, ОАО «НТМК», октябрь 2003 г., октябрь 2004 г., октябрь 2005 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 25 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников и 6 приложений общим объемом 194 страницы. Основная часть изложена на 143 страницах машинописного текста, иллюстрирована 76 рисунками, 12 таблицами. Список использованной литературы содержит 149 наименований.

4.7. Выводы

1. В главе приведены результаты расчета ЛАД с малым числом пазов на полюс и фазу с применением различных алгоритмов численного дифференцирования по координате. Показана целесообразность применения модернизированной модели электрической цепи ВЭ.

2. Проведено сравнение с экспериментальными данными результатов моделирования ЛАД лабораторной установки, получено хорошее совпадение.

3. Произведено исследование тепловых процессов на примере ЛАД ££-5-100 с помощью тепловой модели с высоким уровнем детализации, оценена целесообразность учета ряда особенностей протекания процессов в ЛАД. Проведено сравнение с результатами расчета полевыми методами.

4. Произведен анализ тепловых процессов в ТЛАД в типовых режимах работы с помощью тепловой модели, учитывающей наличие полузаполненных пазов и системы вентиляции пазовых и лобовых частей обмотки. Приведены рекомендации по выбору системы охлаждения и области безопасной работы.

5. Произведена оценка теплового состояния ДАД винтового пресса работающего в повторно-кратковременных режимах при разной ПВ в составе регулируемого привода. Приведены рекомендации по выбору вентилятора и выбору времени паузы между рабочими ходами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных работ создана математическая модель для исследования тепловых процессов линейных асинхронных двигателей, реализованная в компьютерных программах в среде МАТЬАВ-БтиНпк, с помощью которых выполнен анализ тепловых режимов ряда ЛАД, применяющихся в конкретных установках.

Диссертация развивает разработки коллектива кафедры электротехники и электротехнологических систем Уральского государственного технического университета в области исследования линейных индукционных машин и создания программных средств их математического моделирования. Основные результаты исследований могут быть выражены в следующих выводах.

1. Разработана математическая модель, позволяющая исследовать процессы в ЛАД с учетом присущих им особенностей, состоящая из трех основных взаимосвязанных элементов (подмоделей):

- уточненная квазистатическая модель электромеханических процессов на основе метода детализированных схем замещения, учитывающая влияние тепловых переходных процессов на электромеханические характеристики;

- тепловая модель, учитывающая особенности конструкции и тепловых процессов ЛАД, основанная на эквивалентных тепловых схемах замещения двух разновидностей: с высоким уровнем детализации и низким уровнем детализации;

- аэродинамическая модель, позволяющая производить расчет систем вентиляции ЛАД и основанная на аэродинамической схеме замещения.

2. Математическая модель ЛАД реализована в виде быстродействующих алгоритмов и программ в среде МАТЬАВ и БтиИпк.

3. На основе созданной модели произведены исследования тепловых процессов в ряде конструкций ЛАД. На основании теоретического и экспериментального исследования лабораторных и промышленных ЛАД сделаны общие выводы о протекании тепловых процессов в исследуемых конструкциях, выработаны рекомендации по их моделированию, которые сводятся к следующему: учет потерь в стали и зависимости коэффициентов теплопроводности от температуры не является обязательным, а учет процессов вынужденной конвекции, учет зависимости значений потерь от температуры, учет процессов излучения является необходимым.

Подробно изучены особенности тепловых процессов ЛАД, имеющего полузаполненные пазы и систему искусственной вентиляции, с учетом результатов вентиляционного расчета. Определены области безопасной работы (значения токов) при различных системах вентиляции (и расходах охлаждающей среды), выработаны рекомендации по их выбору. Определена неравномерность нагрева по длине индуктора (которая составляет около 30 %), а также между участками с верхним и нижним расположением обмотки в пазу, рассчитан нагрев ВЭ.при частотном пуске.

Произведена оценка теплового состояния ДАД с ферромассивным ВЭ, работающего в повторно-кратковременном режиме в составе регулируемого электропривода, и приведены рекомендации по выбору вентилятора и режима работы (продолжительности включения) ДАД пресса.

4. Произведено сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными, а также с результатами расчета полевыми методами, которое подтверждает достоверность выполненных исследований, а также показывает, что допущения, принятые при разработке моделей приемлемы для получения достаточной для инженерной практики точности 5%.

5. Результаты исследований используются: Институтом электротехники Щецинского технического университета (г. Щецин, Польша) при разработке электроприводов на основе ЛАД серии ИНЦ «ТЭМП» при разработке новых тяговых ЛАД, а также для решения задач по эксплуатации установленных на участке монорельсовой дороги в г. Москве; ФГУП ВТМЗ при эксплуатации и модернизации дугостаторного АД пресса; в учебном процессе кафедры «Электротехника и электротехнологические системы» УГТУ-УПИ.

1. Ануфриев, И.Е. Самоучитель MatLab 5.3/б.х. / И.Е. Ануфриев. СПб. : БХВ-Петербург, 2002. - 736 с.

2. Бахвалов, Н. С. Численные методы / Н.С. Бахвалов, Н.П. Жидков, Г.М. Кобельков ; под общ. ред. Н.И. Тихонова. 2-е изд. - М. : Физматлит : Лаб. Базовых знаний ; СПб.: Невский диалект, 2002. - 630 с.

3. Бегалов, В.А. Исследование линейных асинхронных двигателей с короткозамкнутой вторичной частью: автореф. дис. . канд. техн. наук. -Свердловск, 1980. 24 с.

4. Бегалов, В.А. Городской надземный электротранспорт. / В.А. Бегалов, А.Т. Горелов, С.Е. Миронов, С.Ф. Сарапулов // Мат. докл. Урало-Сибирской науч.-практ. конф. Екатеринбург : УГТУ-УПИ, 2003. С. 439-440.

5. Бегалова, Т.А. Математическое моделирование частотно-управляемого линейного электромеханического преобразователя: дис. . канд. техн. наук. -Свердловск, 1990. 190 с.

6. Беляев, Е.Ф. Математическое моделирование динамических режимов линейных индукционных машин с коротким рабочим телом. / Е.Ф. Беляев, Н.В. Шулаков // Вестник УГТУ-УПИ. Электротехника и электротехнология. -Екатеринбург : УГТУ-УПИ, 1995. С. 28-31.

7. Беляев, Е.Ф. Дискретно-полевые модели электрических машин. Численные методы расчета магнитных полей. Учеб. пос. для вузов / Е.Ф. Беляев. Пермь : ПГТУ, 2005.-Ч. I.- 157 с.

8. Беспалов, В.Я. Исследование параметров линейного асинхронного двигателя методом проводимостей зубцовых контуров / В.Я. Беспалов, В.В. Кузнецов, Е.М. Соколова и др. // Электричество. 1985. - № 7. - С. 62-65.

9. Беспалов, В.Я. Нестационарные тепловые расчеты в электрических машинах / В.Я. Беспалов, Е.А. Дунайкина, Ю.А. Мощинский ; под ред. Б.К. Клокова. М.: МЭИ, 1987. - 72 с.

10. Биркгоф, Г. Гидродинамика. Методы. Факты. Подобие. / Г. Биркгоф ; пер. с англ. И.Б. Погребысского. М.: Изд-во иностранной литературы, 1963. - 238 с

11. Борисенко, А.И. Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах. / А.И. Борисенко, В.Г. Данько, А.И. Яковлев. М.: Энергия, 1974. - 560 с.

12. Борисенко, А.И. Охлаждение промышленных электрических машин. / А.И. Борисенко, О.Н. Костиков, А.И. Яковлев. М.: Энергоатомиздат, 1983.- 269с

13. Бочаров, Ю.А. Винтовые прессы. М.: Машиностроение, 1976. 247 с.

14. Браславский, И.Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод: учеб. пос. для вузов / И.Я. Браславский, З.Ш. Ишматов, В.Н. Поляков; под ред. И.Я. Браславского. М. : Издательский центр «Академия», 2004. - 256 с.

15. Веселовский, О.Н. Линейные асинхронные двигатели / О.Н. Веселовский, А.Ю. Коняев, Ф.Н. Сарапулов. М. : Энергоатомиздат, 1991. - 256 с.

16. Винокуров, В.А. Наземный транспорт на новых технологических принципах. Монография в 2 ч. / В.А. Винокуров, A.A. Галенко, А.Т. Горелов, А.Н. Фиронов; под ред. В.А. Винокурова. М.: МИИТ, 2004.4.1 - 185 с, 4.2 - 140 с

17. Винокуров, В.А. Взаимосвязь тепловых и электромагнитных процессов в линейных асинхронных двигателях / В.А. Винокуров, В.А. Власов, Б.Н. Минаев //

18. Известия высш. уч. зав., Электромеханика, 1989. № 5. - С. 12-17.

19. Власов, В.А. Анализ теплового состояния тягового линейного привода методом "вариации интенсивности теплоотдачи" / В.А. Власов, Б.Н. Минаев, И.И. Фроликов и др. // Известия высш. уч. зав., Электромеханика, 1990. № 12. - С. 26-31.

20. Вольдек, А.И. Индукционные магнитогидродинамические машины с жидкометаллическим рабочим телом / А.И. Вольдек. JI. : Энергия, 1970. - 272 с.

21. Вольдек, А.И. Электрические машины. Учеб. для студ. втузов. /

22. A.И. Вольдек. 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Энергия, 1974. - 840 с.

23. Гольдберг, О.Д. Переходные процессы в электрических машинах и аппаратах и вопросы их проектирования / О.Д. Гольдберг, О.Б. Буль, И.С. Свириденко и др.; под ред. О.Д. Гольдберга. М.: Высш. шк., 2001. - 512 с

24. Гоман, В.В. Исследование тягового линейного асинхронного электропривода / В.В. Гоман // Тр. 7-й Междунар. науч.-техн. конф. «Компьютерное моделирование 2006» СПб. : Нестор, 2006. - С. 92.

25. Гоман, В.В. Методика выбора шагов заполнения многомерных массивов характеристик линейных асинхронных двигателей. / В.В. Гоман // Вестник УГТУ-УПИ. Сб. тр. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2006. - №4 (75). - С. 175-179.

26. Гультяев, А. Визуальное моделирование в MatLab.- СПб: Питер, 2000.-432 с.

27. Денисенко, В.И. Исследование тепловых режимов асинхронного двигателя с асимметричным магнитопроводом на основе эквивалентных тепловых схем /

28. B.И. Денисенко, А.Т. Пластун, С.Г. Авдеев, C.B. Ивашов // Электрические машины и электромашинные системы: сб. науч. тр. Пермь : ПГТУ, 2003 - С. 204-209.

29. Дэбни, Д.Б. Simulink 4. Секреты мастерства / Д.Б. Дэбни, Т.Л. Харман ; пер. с англ. М.Л. Симонова. М. : БИНОМ : Лаборатория знаний, 2003. - 403 с.

30. Дьяконов, В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник. / В. Дьяконов, В. Круглов СПб.: Питер, 2002. - 448 с

31. Захарченко, П.И. Тепловое состояние крышки-экрана и вторичного элемента линейного асинхронного двигателя при работе его на упор. / П.И. Захарченко,

32. B.C. Иваненко, C.B. Карась // Тр. 8-й per. науч.-практ. конф. «Энергосберегающие техника и технологии». Екатеринбург: 2005. - С. 108-112.

33. Зимин, В.И. Обмотки электрических машин / В.И.Зимин, М.Я. Каплан, М.М. Палей и др. Л. : Энергия, 1976. - 488 с.

34. Иваницкая, В.В. Математическое моделирование электрической цепи индуктора асинхронного двигателя на основе графотопологического подхода: дис. . канд. техн. наук. Екатеринбург, 2002. - 156 с.

35. Иваницкая, В.В. Чувствительность характеристик асинхронного двигателя, рассчитанных с помощью математической модели на основе детализированных схем замещения, к изменению параметров. / В.В. Иваницкая, В.В. Гоман,

36. C.А. Федореев // Вестник УГТУ-УПИ. Сб. тр. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2004.-№16 (46).-С. 80-84.

37. Иваницкий, C.B. Асинхронные короткозамкнутые электродвигатели с несимметричным вторичным элементом и математическое обеспечение их анализа: дис. . канд. техн. наук. Свердловск, 1985. - 214 с.

38. Иваницкий, C.B. Повышение быстродействия программного комплекса моделирования индукционных машин / C.B. Иваницкий, В.В. Гоман,

39. B.В. Иваницкая // Вестник УГТУ-УПИ. Сб. тр. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2006.-№4(75).-С. 194-198.

40. Иваненко, B.C. Исследование нагрева двухстороннего линейного асинхронного электродвигателя /B.C. Иваненко, C.B. Карась // Конструкция и охлаждение специальных электрических машин безотходной технологии. -Харьков : ХАИ, 1986. С. 127-137.

41. Иваненко, B.C. Нагрев вторичного элемента двухстороннего низкоскоростного линейного асинхронного электродвигателя / B.C. Иваненко,

42. C.B. Карась // Известия вузов. Горный журнал, 1988. № 2. - С. 89-94.

43. Иваненко, B.C. Нагрев двухстороннего низкоскоростного линейного асинхронного электродвигателя / B.C. Иваненко, C.B. Карась // Известия вузов. Горный журнал, 1987. № 11. - С. 89-94.

44. Иванов-Смоленский, A.B. Универсальный метод расчета электромагнитных процессов в электрических машинах / A.B. Иванов-Смоленский, Ю.В. Абрамкин, А.И. Власов, В.А. Кузнецов. М. : Энергоатомиздат, 1986. - 216 с.

45. Иванов-Смоленский, A.B. Универсальный численный метод моделирования электромеханических преобразователей и систем / A.B. Иванов-Смоленский, В.А. Кузнецов // Электричество, 2000. № 7. - С. 24-33.

46. Иванушкин, В.А. Динамические модели и детализированные структуры электромеханических систем на основе специальных индукционных машин: автореф. дис. . канд. техн. наук. Екатеринбург, 1999. - 21 с.

47. Иванушкин, В.А. Структурное моделирование электромеханических систем и их элементов / В.А. Иванушкин, Ф.Н. Сарапулов, П. Шымчак. -Щецин: ЩТУ, 2000.-310 с.

48. Иванушкин, В.А. Структурные схемы тепловых цепей линейных асинхронных двигателей / В.А. Иванушкин, Ф.Н. Сарапулов, C.B. Карась, П. Шымчак // Pro с. of the IV Internat, conf. On UEES. СПб., 1999 - С. 393-398.

49. Ивоботенко, Б.А. Планирование эксперимента в электромеханике. / Б.А. Ивоботенко, Н.Ф. Ильинский, И.П. Копылов. М. : Энергия, 1975. - 185 с.

50. Идельчик, И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И.Е. Идельчик ; под ред. М.О. Штейнберга. 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Машиностроение, 1992. - 672 с.

51. Ижеля, Г.И. Линейные асинхронные двигатели / Г.И. Ижеля, С.А. Ребров,

52. A.Г. Шаповаленко. Киев : Техника, 1975. - 136 с.

53. Ильинский, Н.Ф. Общий курс электропривода: учеб. для вузов. / Н.Ф. Ильинский, В.Ф. Козаченко. М. : Энергоатомиздат, 1992. - 544 с.

54. Инкин, А.И. Электромагнитные поля и параметры электрических машин: учеб. пос. Новосибирск : ЮКЭА, 2002. - 464 с.

55. Исаков, Д.В. Формирование вычислительных моделей и анализ электромеханических систем с линейными асинхронными двигателями на основе детализированных структурных схем: дис. . канд. техн. наук. -Екатеринбург, 2000. 158 с.

56. Исаченко, В.П. Теплопередача. Учеб. для вузов / В.П. Исаченко,

57. B.А. Осипова, A.C. Сукомел. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1975.-488 с

58. Карась, C.B. Электропривод для горной промышленности на основе специальных асинхронных двигателей с замкнутым и разомкнутым магнитопроводом: дис. . д-ра. техн. наук. Свердловск, 1990. - 150 с.

59. Кетков, Ю.Л. MATLAB 6.x.: программирование численных методов. / Ю.Л. Кетков, А.Ю. Кетков, М.М. Шульц. СПб.: БХВ-Петербург, 2004. - 672 с

60. Ключев, В.И. Теория электропривода: учеб. для вузов / В.И. Ключев. М. : Энергоатомиздат, 1985. - 560 с.

61. Коняев, А.Ю. Исследование линейных асинхронных двигателей с массивной ферромагнитной вторичной частью: дис. . канд. техн. наук. -Свердловск, 1979. 194 с.

62. Коняев, А.Ю. Линейные индукционные машины для технологического электромагнитного воздействия на обрабатываемые электропроводящие изделия и материалы: дис. . д-ра. техн. наук. Екатеринбург, 1996. - 39 с.

63. Коняев, А.Ю. Особенности расчета характеристик линейного асинхронного двигателя с массивным магнитопроводом / А.Ю. Коняев, B.C. Проскуряков, М.Г. Резин, Ф.Н. Сарапулов // Электричество, 1983. № 8. - С. 65-67.

64. Копылов, И.П. Математическое моделирование электрических машин: учеб. для вузов. / И.П. Копылов. М. : Высшая школа, 1994. - 317 с.

65. Копылов, И.П. Проектирование электрических машин: учеб. для вузов / И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф.Токарев ; под ред. И.П. Копылова. 3-е изд., испр. и доп. - М. : Высшая школа, 2002. - 757 с.

66. Копылов, И.П. Электрические машины: Учеб. для вузов / И.П. Копылов. -4-е изд., испр. М. : Высшая школа, 2004. - 607 с.

67. Копылов, И.П. Численное моделирование линейных асинхронных двигателей высокоскоростных транспортных систем / И.П. Копылов, Е.Ф. Беляев // Энергетика и транспорт: Изв. АН СССР, 1977. № 3. - С. 61-69.

68. Корн, Г.К. Справочник по математике для научных работников и инженеров. / Г.К. Корн, Т.К. Корн. М. : Наука, 1973. - 832 с.

69. Кувалдин, А.Б. Индукционный нагрев ферромагнитной стали. / А.Б. Кувалдин. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 200 с.

70. Куцевалов, В.М. Асинхронные и синхронные машины с массивными роторами / В.М. Куцевалов. М. : Энергия, 1979. - 160 с.

71. Лузгин, В.И. Плавильные комплексы на основе индукционных тигельных печей и их математическое моделирование: учеб. пос. / В.И. Лузгин, С.Ф. Сарапулов, Ф.Н. Сарапулов и др. Екатеринбург : УГТУ-УПИ, 2005. - 464 с

72. Мамедшахов, М.Э. Специальные электромеханические преобразователи энергии в народном хозяйстве / М.Э. Мамедшахов // Ташкент: Фан, 1985. 120 с

73. Махорский, Ю.Л. Асинхронные машины с электромагнитной несимметрией индуктора: дис. . канд. техн. наук. Свердловск, 1985. - 182 с.

74. Михеев, М.А. Основы теплопередачи / М.А. Михеев, И.М. Михеева. 2-е изд. -М.: Энергия, 1977. - 344 с.

75. Мурджикян, М.Г. Исследование асинхронного двигателя с разомкнутым магнитопроводом и петлевой короткозамкнутой обмоткой на вторичном теле: автореф. дис. . канд. техн. наук. Свердловск, 1978. - 24 с.

76. Мэтьюз, Д. Численные методы. Использование МАТЬАВ / Д. Мэтьюз, К. Финк, 3-е изд. : пер. с англ. Л.Ф. Козаченко - М. : Вильяме, 2001. - 720 с.

77. Назаров, С.Л. Линейные асинхронные машины с повышенными электромагнитными нагрузками на вторичном элементе с массивным ферромагнитным сердечником: автореф. Дис. канд. техн. наук. Свердловск, 1990. - 23 с.

78. Насар, С.А. Тяговые и подъемные усилия, развиваемые односторонним линейным двигателем для высокоскоростного наземного транспорта / С.А. Насар, Л. Дел Сид // Наземный транспорт 80-х годов: пер. с англ. М. : Мир, 1974.-С. 163-170.

79. Нейман, Л.Р. Теоретические основы электротехники: в 3 т. Учеб. для вузов / Л.Р. Нейман, К.С. Демирчян, Н.В. Коровкин, В.Л. Чечурин. 4-е изд., СПб : Питер, 2003. Т. 1. - 463 с. - Т. 2. - 576 с. - Т. 3. - 377 с.

80. Нейман, Л.Р. Поверхностный эффект в ферромагнитных телах. М.-Л. : ГЭИ, 1949.- 190 с.

81. Некрасов, О.П. Расчет нагрева асинхронных машин по методу тепловых параметров / О.П. Некрасов, В.В. Шевченко, Г.Г. Рекус // Известия вузов. Энергетика, 1964 № 1.

82. Огарков, Е.М. Квазитрехмерная теория линейных асинхронных двигателей / Е.М. Огарков. Пермь : ПГТУ, 2003. - 240 с.

83. Огарков, Е.М. Исследование влияния продольных краевых эффектов на статические характеристики линейных асинхронных двигателей: дис. .канд. техн. наук. Пермь, 1974. - 223 с.

84. Патанкар, C.B. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости / С. В. Патанкар ; пер. с англ. -М. : Энергоатомиздат, 1984. 124 с.

85. Пирумян, Н.М. Исследование электромагнитных процессов в линейных асинхронных двигателях в режиме холостого хода: автореф. дис. . канд. техн. наук. Свердловск, 1972. - 20 с.

86. Певзнер, М.З. Непрерывная индукционная термообработка лент и полос. / М.З. Певзнер, Н.М. Широков, С.Г. Хаютин. М. : Металлургия, 1994. - 128 с.

87. Перцовский, М. Автоматизация испытаний линейного электропривода Московской монорельсовой дороги / М. Перцовский, А. Ртищев, А. Яковлев, И. Мирошкин. СТА, 2003 № 3. - С. 56-65.

88. Половко, A.M. Интерполяция. Методы и компьютерные технологии их реализации / A.M. Половко, П.Н. Бутусов СПб.: БХВ-Петербург, 2004. - 320 с

89. Поршнев, C.B. Вычислительная математика. Курс лекций. / C.B. Поршнев. СПб. : БХВ-Петербург, 2004. - 320 с.

90. Проскуряков, B.C. Исследование линейных асинхронных двигателей с различной конструкцией вторичной части: дис. . канд. техн. наук. -Свердловск, 1980. 200 с.

91. Прохоров, А.И. Исследование тепловых режимов линейного асинхронного двигателя / А.И. Прохоров, Ф.Н. Сарапулов, C.B. Карась, П. Шымчак // Энергосберегающие техника и технологии: сб. докл. Екатеринбург, 2004. - С. 67-69.

92. Резин, М.Г. Эффект реакции ротора и механические характеристики двигателя с дуговым статором. Электричество, 1950. - № 2. - С. 51-52.

93. Роуч, П. Вычислительная гидродинамика. / П. Роуч ; пер. с англ. В.А. Гущина, В.Я. Митницкого. М. : Мир, 1980. - 616 с.

94. Ряшенцев, Н.П. Электромагнитные прессы / Н.П. Ряшенцев, Г.Г. Угаров, А.В. Львицын. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1989. - 216 с.

95. Сарапулов, Ф.Н. Детализированная структурная схема тепловой цепи ЛАД / Ф.Н. Сарапулов, A.B. Прохоров // Сб. тр. «Электрические машины и электромашинные системы». Пермь : ПГТУ, 2005. С. 68-73.

96. Сарапулов, Ф.Н. Исследование короткозамкнутого асинхронного двигателя с разомкнутым магнитопроводом / Ф.Н. Сарапулов, В.А. Бегалов, C.B. Иваницкий, В.В. Иваницкая // Электричество, 1982. № 5. - С. 30-34.

97. Сарапулов, Ф.Н. Исследование переходных процессов линейного асинхронного двигателя / Ф.Н. Сарапулов, A.A. Емельянов, C.B. Иваницкий и др. // Электричество, 1982. № 20. - С. 54-57.

98. Сарапулов, Ф.Н. Исследование электромагнитных процессов в линейном асинхронном двигателе с обмотанной вторичной частью / Ф.Н. Сарапулов,

99. B.А. Бегалов, А.Ю. Коняев и др. Электричество, 1979. - № 4. - С. 53-56.

100. Сарапулов, Ф.Н. Магнитогидродинамические машины с бегущим или пульсирующим магнитным полем. Методы расчета: учеб. пос. / Ф.Н. Сарапулов, О.Ю. Сидоров. Екатеринбург : УГТУ-УПИ, 1994. - 206 с.

101. Сарапулов, Ф.Н. Математическое моделирование линейных индукционных машин: учеб. пос. / Ф.Н. Сарапулов, C.B. Иваницкий,

102. C.B. Карась, Ю.Л. Махорский, Ю.В. Телешев. Свердловск: УПИ, 1988. - 100 с.

103. Сарапулов, Ф.Н. Математические модели линейных индукционных машин на основе схем замещения: учеб. пос. / Ф.Н. Сарапулов, С.Ф. Сарапулов, П. Шымчак. Екатеринбург : УГТУ, 2001. - 236 с.

104. Сарапулов, Ф.Н. Математические модели линейных индукционных машин на основе схем замещения: учеб. пос. / Ф.Н. Сарапулов, С.Ф. Сарапулов, П. Шымчак. 2-е изд., перераб. и доп. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005. - 431 с.

105. Сарапулов, Ф.Н. Математическая модель линейной индукционной машины как объекта управления / Ф.Н. Сарапулов, И.В. Черных. -Электричество, 1994. № 5. - С. 46-49.

106. Сарапулов, Ф.Н. Несимметричные индукционные двигатели с замкнутым и разомкнутым магнитопроводом: дис. . д-ра техн. наук. Свердловск, 1982.-388 с.

107. Сарапулов, Ф.Н. Передаточные функции и структурные схемы линейных асинхронных двигателей: учеб. пос. / Ф.Н. Сарапулов, И.В. Черных; под. ред. Ф.Н. Сарапулова. Екатеринбург : УГТУ-УПИ, 1992. - 100 с.

108. Сарапулов, Ф.Н. Расчет характеристик холостого хода индукционных двигателей на основе магнитных схем замещения / Ф.Н. Сарапулов, Н.М. Пирумян, Ю.В. Барышников // Электричество, 1973. № 2. - С. 15-18.

109. Сарапулов, Ф.Н. Расчет режима короткого замыкания индукционного двигателя на основе магнитной схемы замещения. / Ф.Н. Сарапулов // Электричество, 1976 № 6. - С. 54-58.

110. Сарапулов, Ф.Н. Расчет статических характеристик линейных асинхронных машин: учеб. пос. / Ф.Н. Сарапулов, В.А. Бегалов, С.В. Иваницкий, Ю.В. Телешев. Свердловск : УПИ, 1989. - 104 с.

111. Сарапулов, Ф.Н. Исследование тепловых процессов в линейном асинхронном двигателе. / Ф.Н. Сарапулов, В.А. Бегалов, В.В. Гоман, С.А. Федореев // Тр. VI Междунар. симпозиума ЭЛМАШ-2006. М. : МА «Интерэлектромаш», 2006. - Т. 2. - С. 55-59.

112. Сарапулов, Ф.Н. Структурные модели тепловых процессов / Ф.Н. Сарапулов, В.В. Гоман // Тр. Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. уч. «Актуальные проблемы ресурсо- и энергосберегающих электротехнологий» -Екатеринбург : УГТУ-УПИ, 2006. С. 479-485.

113. Сарапулов, Ф.Н. Программный комплекс для исследования тепловых и электромеханических процессов ЛАД / Ф.Н. Сарапулов, В.А. Бегалов,

114. С.А. Федореев, В.В. Гоман // Тр. Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. уч. «Актуальные проблемы ресурсо- и энергосберегающих электротехнологий» -Екатеринбург : УГТУ-УПИ, 2006. С. 473-479.

115. Сарапулов, Ф.Н. Электротехнологическая виртуальная лаборатория: учеб. пос. / Ф.Н. Сарапулов, С.Ф. Сарапулов, Д.Н. Томашевский и др. -Екатеринбург : УГТУ-УПИ, 2003. 233 с.

116. Свенчанский, А.Д. Электрические промышленные печи: учеб. для вузов: в 2 ч. М.: Энергия, 1975.-Ч. 1.-384 с.

117. Свечарник, Д.В. Линейный электропривод. М. : Энергия, 1979. 152 с.

118. Сивокобыленко, В.Ф. О синтезе схем замещения асинхронных машин по частотным характеристикам / В.Ф. Сивокобыленко, В.Б. Совпель // Электричество, 1975. №7. - С. 33-36.

119. Сипайлов, Г.А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах : учеб. для вузов. / Г.А. Сипайлов, Д.И. Санников, В.А. Жадан. М. : Высшая школа, 1989. - 239 с.

120. Соболев, C.B. Линейный асинхронный двигатель с многофазными обмотками на вторичном элементе: автореф. дис. . канд. техн. наук. -Свердловск, 1985. 23 с.

121. Соколов, М.М. Электропривод с линейными двигателями / М.М. Соколов, Л.К. Сорокин. М. : Энергия, 1974. - 136 с.

122. Соловьев, Г.И. Трехмерная теория линейных асинхронных двигателей. Исследование путей улучшения их характеристик применительно к высокоскоростному наземному транспорту: автореф. дис. .канд. техн. наук. -Л. : ЛПИ, 1987.-21 с.

123. Солодов, А.П. Mathcad. Дифференциальные модели. / А.П. Солодов, В.Ф. Очков. М. : МЭИ, 2002. - 239 с.

124. Солодов, А.П. Принципы тепломассообмена. М. : МЭИ, 2002. - 96 с.

125. Таланкин, A.A. Исследование электромеханических и информационных свойств управляемого линейного асинхронного двигателя методами математического моделирования: автореф. дис. . канд. техн. наук -Свердловск, 1991. 23 с.

126. Урманов, Ю.Р. Линейный асинхронный двигатель с неравномерным воздушным зазором и фиксацией подвижной части: автореф. дис. . канд. техн. наук. Свердловск, 1985. - 23 с.

127. Федоров, М.М. Совершенствование методов прогнозирования теплового состояния электродвигателей переменного тока в нестационарных режимах работы: автореф. дис. . д-ра техн. наук. Харьков, 2003. - 39 с.

128. Филиппов, И.В. Теплообмен в электрических машинах: учеб. пос. для вузов / И.В. Филиппов. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд., 1986. - 256 с.

129. Фридкин, П.А. Безредукторный дугостаторный электропривод / П.А. Фридкин. -М. : Энергия, 1970. 138 с.

130. Черных, И.В. Моделирование многодвигательного линейного АД конвейерного поезда / И.В. Черных, Ф.Н. Сарапулов, C.B. Карась и др. // Электротехника, 2000. № 8 - С. 40-42.

131. Черных, И.В. Основы теории и моделирование линейного двигателя как объекта управления: автореф. дис. д-ра. техн. наук. Екатеринбург, 1999.-43 с.

132. Черных, И.В. Передаточные функции и переходные процессы линейного асинхронного двигателя: автореф. дис. канд. техн. наук-Свердловск, 1990.-23 с.

133. Черных, И.В. Simulink. Среда создания инженерных приложений. / И.В. Черных. М. : Диалог-МИФИ, 2004. - 496 с.

134. Шрейнер, Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты / Р.Т. Шрейнер. Екатеринбург : УРО РАН, 2000. - 654 с.

135. Штурман, Г.И. Краевой эффект в индукционных машинах с разомкнутым магнитопроводом / Г.И. Штурман, P.A. Аронов // Электричество, 1947.-№2.-С. 54-59.

136. Шымчак, П. Динамическая модель и структурная схема линейного асинхронного двигателя / П. Шымчак // Электричество, 2003. № 11. - С. 56-63.

137. Юрченко, М.В. Формирование характеристик линейных асинхронных двигателей путем совмещения режимов и конструкций: автореф. дис. . канд. техн. наук. Свердловск, 1987. - 23 с.

138. Ямамура, С. Теория линейных асинхронных двигателей ; пер. с англ. / С. Ямамура JL: Энергоатомиздат, 1983. - 180 с.

139. Begalov, V.A. Propulsion and normal forces in linear induction drives. / V. Begalov, F. Sarapulov, A. Gorelov // Proc. of ACED-04, Capri (Italy), 2004.

140. Begalova, T.A. Loss calculation in linear induction drives. / T.A. Begalova, V.A. Begalov // Proc. of Ural-Electroproect University of Gent. Ural State Technical Universities, Belgium, 1997.-P. 15-25.

141. Винтовой пресс с дугостаторным приводом усилием 250 т.е. Модель Ф1734А: паспорт : ЧЗПА. -М.: Станкоимпорт СССР, 1985. 21 с.

142. Винтовой пресс с дугостаторным приводом усилием 250 т.е. Модель Ф1734А: рук-во по эксплуатации : ЧЗПА. -М.: Станкоимпорт СССР, 1985. 38 с.

143. Винтовой пресс с дугостаторным приводом усилием 250 т.е. Модель Ф1734А: рук-во по электрооборуд.: ЧЗПА. М.: Станкоимпорт СССР, 1985. - 18 с

144. Отчет по НИР (промежуточный) №01996 от 11.11.2003. Исследование электропривода на базе линейного двигателя для монорельсового состава. -Рук.работ В.А. Бегалов, отв. исп. С.Е. Миронов, исп.: В.С.Проскуряков, С.Ф. Сарапулов. Екатеринбург, 2003.

145. Отчет по НИР (промежуточный) №01621 от 16.11.2006. Модернизация дугостаторного электропривода винтового пресса. Рук. работ Ф.Н. Сарапулов, отв. исп. С.В. Иваницкий, исп.: В.Н. Дерябин, В.А.Дмитриевский, С.А. Федореев, В.В. Гоман. - Екатеринбург, 2006.

146. Официальный сайт ОАО «Московские монорельсовые дороги»: www.monorail.ru.1. ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

147. ДРМ двигатель с разомкнутым магнитопроводом

148. ЛАД линейный асинхронный двигатель1. АД асинхронный двигатель

149. ДАД дугостаторный асинхронный двигатель

150. КРАД круговой асинхронный двигатель

151. ТЛАД тяговый линейный асинхронный двигатель

152. ЛИМ линейная индукционная машина1. ИМ индукционная машина1. ВЭ вторичный элемент

153. ТПН тиристорный преобразователь напряжения

154. ТПЧ тиристорный преобразователь частоты

155. ПВ продолжительность включения1. МДС магнитодвижущая сила1. ЭДС электродвижущая сила

156. ЭТС эквивалентная тепловая схема замещения

157. МДСЗ метод детализированных схем замещения

158. ДСЗ детализированная схема замещения1. СЗ схема замещения

159. МТП метод тепловых параметров

160. МКЭ метод конечных элементов

161. МКР метод конечных разностей

162. ПКЭ продольный краевой эффект