автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Трехфазная асинхронная машина при нарушении равномерности воздушного зазора и симметрии фазных обмоток статора

Введение.

1 Состояние исследуемого вопроса по литературным источникам.

1.1 Неравномерность воздушного зазора при эксцентриситете ротора и ее влияние на параметры и работу асинхронной машины.

1.1.1 Ось ротора смещена параллельно относительно оси статора.

1.1.2 Ось ротора перекошена относительно оси статора.

12 Несимметрия фазных обмоток статора и ее влияние на параметры и работу асинхронной машины.

1.2.1 Междувитковые короткие замыкания.,.

1.2.2 Отключение короткозамкнутых витков из схемы фазной обмотки.

13 Выводы. Постановка задач исследования.,.

2 Магнитные поля в асинхронной машине при неравномерном воздушном зазоре и несимметричной обмотке статора.

2.1 Уточненная методика расчета асинхронной машины при наличии эксцентриситета ротора.

2.1.1 Ось ротора смещена параллельно относительно оси статора.

2.1.2 Ось ротора перекошена относительно оси статора.

2.2 Силы одностороннего магнитного притяжения, действующие на ротор при неравномерном воздушном зазоре.

2.3 Выводы.

3 Параметры и характеристики асинхронной машины при несимметричных фазных обмотках статора.

3.1 Принцип расчета асинхронных машин при несимметрии обмоток статора

3.2 Определение вращающего момента с учетом высших гармоник магнитного поля.

3.3 Характеристики асинхронных двигателей, полученные по результатам расчета на ЭВМ и по результатам эксперимента.

3.4 Выводы.

4 Экспериментальное исследование трехфазных асинхронных машин при наличии неравномерного воздушного зазора и несимметричной обмотки статора.

4.1 Описание лабораторной установки.

4.2 Экспериментальные асинхронные двигатели для исследования влияния неравномерности воздушного зазора и несимметрии обмотки статора.

4.3 Выводы.

5 Определение допустимой степени магнитной и электрической несимметрии в трехфазной асинхронной машине.

В производстве и эксплуатации асинхронных машин (АМ) возникает множество факторов, приводяп1;их к отклонениям электромеханических характеристик от нормированных. На отклонение электромеханических характеристик значительное влияние оказывает нарушение магнитной и электрической симметрии АМ. Магнитная и электрическая несимметрия могут быть вызваны широким комплексом факторов, обусловленных технологическими и эксплуатационными причинами. Одной из причин вызываюш;их магнитную несимметрию является неравномерность воздушного зазора, а электрическую -неодинаковое число витков в фазах обмотки статора.

Реальные асинхронные машины обычно имеют неравномерный воздушный зазор в радиальном и осевом направлениях, что вызывается причинами технологического и эксплуатационного характера. Неравномерность воздушного зазора вызывается эксцентриситетом ротора относительно оси статора, эллиптичностью ротора, конусностью статора или ротора, несоосностью статора и ротора и рядом других причин. Наиболее часто неравномерность бывает обусловлена эксцентриситетом ротора. Эксцентриситет ротора может возникать из-за технологических неточностей в процессе изготовления машины, а также может являться следствием подработки подшипников в процессе эксплуатации. Согласно статистическим данным относительный эквивалентный эксцентриситет в асинхронных двигателях (АД) может составлять 0.1-Л-0.8, а иногда доходить до 1 (задевание ротора о статор).

Наличие эксцентриситета в АМ оказывает негативное влияние на работу машины. Из-за эксцентриситета в воздушном зазоре машины появляются дополнительные гармоники магнитного поля, возникает сила одностороннего магнитного притяжения, действующая на ротор машины и приложенная в сторону минимального воздушного зазора, которая стремится увеличить эксцентриситет и значительно уменьшить критическую скорость вращения вала. При значительной величине эксцентриситета может произойти прилипание ротора к статору, вследствие чего пуск двигателя станет невозможен.

В настоящее время в нашей стране и странах СНГ в связи с тяжелым финансовым положением многие промышленные предприятия не могут производить полноценный ремонт крупных двигателей при выходе из строя обмотки статора (ОС). Производится частичный ремонт, в результате которого из обмотки исключаются одна или несколько неисправных секций, а концы оставшихся секций соединяются в обход неисправных. В результате ОС становится несимметричной, и двигатель в дальнейшем продолжает эксплуатироваться в таком состоянии. При этом токи фаз становятся несимметричными, что приводит к возникновению в воздушном зазоре эллиптического магнитного поля. В результате появляются высшие гармонические поля, которые существенно влияют на пусковые характеристики АД.

Существующие на сегодняшний день математические модели АМ с эксцентриситетом ротора являются упрощенными и неполными, так как не учитывают реальную конфигурацию зубцовой зоны машины и магнитное напряжение стальных участков магнитной цепи. Также не рассматривается случай перекоса осей статора и ротора, который, как правило, существует в реальной АМ, а рассматривается более простой при параллельном смещении этих осей.

Наиболее простым в освоении является метод, предложенный Б. Геллером и В. Гаматой 111, развитый Н.Г. Никияном 111. Суть метода состоит в том, что магнитная индукция в воздушном зазоре вычисляется как результат действия основной гармоники поля и двух дополнительных, возникающих при наличии эксцентриситета ротора. Данный метод нуждается в дальнейшем развитии и дополнении с целью повышения точности.

Существует также метод для расчета электромеханических характеристик АМ в слзЛае наличия несимметричной ОС, предложенный Т.Г. Сороке-ром. Суть метода заключается в том, что несимметричная система трехфазной ОС раскладывается на симметричные составляющие: прямую, обратную и нулевую. Расчет производится по первой гармонике магнитного поля.

Несмотря на определенные достижения в области исследования АМ при наличии электрической несимметрии, вызванной несимметричными ОС, и магнитной несимметрии, обусловленной эксцентриситетом ротора, задача расчета электромеханических характеристик АМ при наличии эксцентриситета ротора и несимметричной обмотки статора по сей день является актуальной. Использование современной вычислительной техники дает возможность проводить такие расчеты и обработку полученных результатов с минимальными затратами времени.

Целью работы является разработка математической модели трехфазной АМ, обладающей нарушениями электрической и магнитной симметрии, для использования ее остаточного ресурса. В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи: а) выполнить анализ существующих математических моделей АМ при наличии магнитной и электрической несимметрии и оценить их возможности; б) усовершенствовать выбранные математические модели АМ при наличии эксцентриситета ротора и разработать новые с целью повышения точности; в) выявить возможности существующей методики расчета АМ с несимметричной ОС, основанной на методе симметричных составляющих; г) разработать аналитическую методику расчета вращающих моментов АМ с несимметричной ОС с учетом высших гармоник магнитного поля машины; д) оценить степень адекватности разработанных математических моделей на реальной машине; ж) на основе разработанных математических моделей создать программное обеспечение для расчета на ЭВМ характеристик АМ при наличии магнитной и электрической несимметрии; з) дать рекомендации по выбору допустимой степени несимметрии обмотки статора АМ и величине эксцентриситета ротора.

Научная новизна заключается в следующем: а) разработана методика расчета магнитного поля в неравномерном воздушном зазоре при параллельном смеш;ении осей статора и ротора в расточке статора, которая учитывает реальную конфигурацию зубцового слоя статора и позволяет повысить точность расчета намагничивающего тока и силы одностороннего магнитного притяжения; б) разработана методика расчета магнитного поля в неравномерном воздушном зазоре и силы одностороннего магнитного притяжения при перекосе оси ротора относительно оси статора; в) разработана методика расчета характеристик АМ с несимметричной обмоткой статора, базирующаяся на кривой пространственно - временного распределения МДС в зазоре и позволяющая учесть моменты от высших гармоник поля.

Практическая ценность работы состоит в следующем: а) разработана математическая модель, которая может быть применена для определения допустимой нагрузки при заданной степени несимметрии обмотки статора АМ с целью использования остаточного ресурса АМ, находящихся в эксплуатации; б) на основе разработанных математических моделей создано программное обеспечение, позволяющее рассчитать на ЭВМ пусковые и рабочие характеристики АМ с несимметричной трехфазной обмоткой статора, а также намагничивающий ток при наличии эксцентриситета ротора; в) даны рекомендации, позволяющие определить допустимзЛо степень несимметрии обмотки статора АМ; г) математические модели АД с неравномерным воздушным зазором и несимметрией фазных обмоток статора применяются в учебном процессе для студентов по специальности "Электромеханика".

Методы исследования. В данной работе магнитное поле в воздушном зазоре АМ при наличии эксцентриситета ротора рассчитывалось аналитическими методами решения задач магнитного поля и численным методом на ЭВМ. В работе применялись аналитические и экспериментальные методы исследования электрических машин.

На защиту выносятся: а) уточненная методика расчета магнитного поля воздушного-зазора и намагничивающего тока при параллельном смещении осей; б) методика расчета магнитного поля и силы одностороннего магнитного притяжения (ОМП) при перекосе осей статора и ротора; в) методика расчета характеристик АМ с несимметричной трехфазной обмоткой статора; г) рекомендации к определению допустимой степени несимметрии обмотки статора при наличии эксцентриситета ротора.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы в полном объеме докладывались на научных семинарах кафедры "Электромеханика" Оренбургского государственного университета. Результаты исследований узловых вопросов докладывались на ежегодных региональных научно-практических конференциях молодых ученых и специалистов Оренбуржья (Оренбург 2000, 2001 г.), на ежегодных научно-технических конференциях Института энергетики и информатики Оренбургского государственного университета (Оренбург 1999 г.), на Всероссийской научно-практической конференции (Оренбург 2000 г.) и на международной научно-практической конференции (Оренбург 2001 г.). По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Первая глава диссертации посвящена анализу современного состояния определения характеристик АМ при наличии эксцентриситета ротора и несимметричной обмотки статора. Проводится обзор существующих методов расчета характеристик АМ с магнитной и электрической несимметрией. Показано, что в известных литературных источниках вопрос о расчете характеристик АМ при перекосе ротора не рассматривается.

Вторая глава посвящена описанию предложенной уточненной методике расчета магнитного поля в воздушном зазоре и тока холостого хода АМ при на

-9 линии эксцентриситета ротора, как при параллельном смещении ротора относительно расточки статора, так и при перекосе ротора в отверстии статора.

Третья глава посвящена изложению метода расчета характеристик АМ с несимметричной обмоткой статора. Описана методика расчета вращающего момента с учетом высших гармоник магнитного поля. Также проведена проверка адекватности уточненных методов. Проведено сравнение характеристик АМ с несимметричной обмоткой статора и неравномерном воздушным зазором (НВЗ), полученных расчетным и опытным путем.

Четвертая глава посвящена описанию созданной экспериментальной установки для исследования АМ с несимметричной обмоткой статора и при наличии статического эксцентриситета ротора, позволяющая исследовать совместное либо раздельное влияние магнитной и электрической несимметрии на работу АМ. Также приведено описание изготовленных на базе серийных экспериментальных двигателей для исследования влияния статического эксцентриситета ротора и несимметричной обмотки статора на характеристики АМ. т-ч и о

В пятой главе даны рекомендации к определению допустимой степени несимметрии обмотки статора, при наличии эксцентриситета ротора АМ.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 60 наименований, 2 приложений на 17 страницах, 54 рисунков, 4 таблицы и содержит 145 страниц машинописного текста.

Выводы: а) Для испытуемых АД расчет рабочих характеристик показывает, что исключение секций из фазы ОС от 16 до 50 % от общего количества секций фазы вызывает:

- увеличение тока фазы с выведенными секциями (от 10 до 120 %);

- увеличение потребляемой мощности (от 2 до 15 %);

- уменьшение КПД (от 1.5 до 12 %);

- уменьшение коэффициента мощности (от 6 до 36 %). б) допустимая степень несимметрии может быть определена, исходя из следующих ограничений: 1) по нагреву; 2) по электромагнитному вращающему моменту; 3) по вибрации. а) для того чтобы определить допустимую нагрузку АД с несимметричной ОС необходимо рассчитать пусковые и рабочие характеристики АД с помощью математической модели;

- 120 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе исследований асинхронной машины с эксцентриситетом ротора и несимметричной обмоткой статора получены следующие результаты:

1 Анализ литературных источников по влиянию эксцентриситета ротора на магнитное поле машины показал, что известные методы расчета базируются на методе гармонических проводимостей, при использовании которого возникают значительные погрешности расчета при значениях относительного эксцентриситета больших 0.7 -т— 0.8.

2 Разработана уточненная методика расчета АМ при наличии эксцентриситета ротора, учитывающая реальную конфигурацию зубцовых зон статора и ротора, падение магнитных напряжений на стальных участках магнитной цепи и позволяющая приблизительно в два раза точнее по сравнению с известным методом 111 рассчитать намагничивающий ток машины.

3 Разработана методика расчета магнитного поля в неравномерном ВЗ АМ при перекосе осей ротора и статора. Задача решена с помощью уточненного способа П.2.

4 Разработана методика расчета силы ОМП при перекосе осей ротора и отверстия статора.

5 Показано, что известный метод с использованием симметричных составляющих позволяет рассчитывать токи в ОС с достаточной точностью, но при расчете вращающего момента возникают существенные погрешности из-за неучета дополнительно возникших высших гармоник магнитного поля машины.

6 Разработанная методика расчета электромагнитного момента с учетом высших гармоник магнитного поля машины, позволяет более точно рассчитать механическую характеристику АМ при несимметрии ОС, по сравнению с известным ранее методом. можно использовать для определения допустимой нагрузки АМ с несимметричной ОС.

8 Экспериментальные исследования подтвердили адекватность усовершенствованной математической модели, которая обладает достаточной точностью, приемлемой для инженерных расчетов.

9 Расчеты и экспериментальные исследования показывают, что несимметрия ОС в двухполюсной машине влияет на форму механической характеристики сильнее, чем в многополюсной.

10 Экспериментальные исследования показывают, что эксцентриситет ротора влияет на величину вращаюш;его момента, уровень вибрации и шума при несимметричной ОС, но не оказывает никакого влияния при симметричной ОС.

11 Расчетные и экспериментальные данные показывают, что исключение секций из фазы ОС вызывает:

- увеличение токов всех фаз, но особенно в фазе с выведенными секциями;

- увеличение потребляемой мощности;

- уменьшение КПД;

- уменьшение коэффициента мощности.

12 Даны рекомендации к определению допустимой степени несимметрии АМ с несимметричной ОС и эксцентриситетом ротора. Допустимая степень несимметрии может быть определена, исходя из следующих ограничений: а) по нагреву; б) по электромагнитному вращающему моменту; в) по вибрации.

13 Расчеты и экспериментальные исследования показывают, что при исключении до 16 % секций из фазы обмотки АД пусковые и электромеханические характеристики не выходят за пределы допустимых значений по стандарту, и двигатель может работать с пониженной нагрузкой на валу.

- 122

1. Геллер Б., Гамата В. Высшие гармоники в асинхронных машинах // М., Энергия, 1981,352с., ил.

2. Йондем М.Е., Никиян Н.Г., Акопян Г.С. Магнитная проводимость воздушного зазора асинхронной машины при эксцентриситете ротора // Изв. Высш. Уч. заведений. Электромеханика, 1985, №5, с. 32 35.

3. Валентайте Д-3. И. Исследование неравномерности воздушного зазора и ее влияние на рабочие характеристики асинхронных электродвигателей малой мощности. Дисс. . .канд. техн. наук. - Каунас, 1973. - 183 с.

4. Шуйский В.П. Расчет электрических машин // Энергия, 1968, 732 с,ил.

5. Шуйский В.П. Магнитное тяжение в электрических машинах, обусловленное эксцентриситетом ротора // Экспресс-информация ВИНИТИ, М.: ЭМА.,№3 1972.-С. 3-17.

6. Воскресенский А.П. Влияние неравномерности воздушного зазора на характеристики асинхронных двигателей // Вестник электропромышленности. 1957.-с. 35-39.

7. Каасик П.Ю., Блинов И.В. Асинхронные индукторные микродвигатели устройств автоматики // Л., Энергоиздат, 1982,152 с, ил.

8. Шубов И.Г. Шум и вибрация электрических машин // Л., Энерго-атомиздат, 1986. 208 с, ил.

9. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии // М., Энергия, 1973, 400 с, ил.

10. Копылов И.П. Применение вычислительных машин в инженерно-экономических расчетах // М., Высшая школа, 1980, 256 с, ил.

11. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин // М., Высшая школа, 1994, 318 с., ил.

12. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных электродвигателей // М. Л., Госэнергоиздат, 1963, - 528, с, ил.

13. Гашимов М.А., Гаджиев Г. А., Мирзоева СМ. Диагностирование неисправностей обмотки статора электрических машин // Электрические станции, 1998, № 11,0.30-35.

14. Гашимов М.А., Гаджиев Г.А. Диагностирование технического состояния электрических машин // Электрические станции, 2000, № 9, с. 41 47.

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

16. Иванов-Смоленский A.B. Электрические машины. Учебник для вузов // М., Энергия, 1980, 928 с, ил.

17. Сорокер Т.Г. Теория и расчет многофазных асинхронных двигателей с несимметричными обмотками статора // Труды ВНИИ ЭМ. т. 45, М. 1976. с. 103-121.

18. Сорокер Т.Г. Поле в зазоре асинхронного двигателя и связанные с ним реактивные сопротивления // Труды ВНИИ ЭМ. т. 45, М. 1976. с. 5 - 37.

19. Нутов В.Х. Исследование индуктивности рассеяния лобовых частей обмотки асинхронного двигателя // Труды ВНИИ ЭМ. т. 45, М. 1976. с. 79 -92.

20. Демирчян К.С., Чечурин В.Л. Машинные расчеты электромагнитных полей // М., Высшая школа, 1986, 240 с, ил.

21. Сипайлов Г.А., Кононенко Е.В., Хорьков К.А. Электрические машины (специальный курс) // М., Высшая школа, 1987, 287 с, ил.

22. Алексеев А.Е. Конструкция электрических машин // М., Государственное электрическое издательство, 1958, 427 с, ил.

23. Проектирование электрических машин // под редакцией Сергеева П.С.//М., Энергия, 1969.

24. Проектирование электрических машин // под редакцией Копылова И.П. // М., Энергия, 1980, 496 с, ил.

25. Проектирование электрических машин // Учеб. для вузов.- В 2-х кн.: кн. 1/ И. П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев; Под ред. И. П. Копылова.- 2-е изд., перераб. и доп.-М.: Энергоатомиздат, 1993.- 464 с.

26. Бойко Е.П., Гаинцев Ю.В., Ковалев Ю.М. и др. Асинхронные машины обш;его назначения // Под ред. Петрова В.М., Кравчика А.Е. // М., Энергия, 1980, 488 с, ил.

27. Гурин Я.С., Кузнецов Б.И. Проектирование серий электрических машин переменного тока // Л., Энергия, 1974, 504 с, ил.

28. Гольдберг О.Д., Гурин Я.С., Свириденко И.С. Проектирование электрических машин // М., Высшая школа, 1984, 431 с, ил.

29. Данилевич Я.Б., Домбровский В.В., Казовский Е.Я. Параметры электрических переменного тока // М. Л., Наука, 1965, - 339 с, ил.

30. Никиян Н.Г., Акопян Г.С. Асинхронные двигатели малой мош;ности для исследования эксцентриситета ротора. // Межвузовский тематический сборник научных трудов по электротехнике. Ереванский политехнический институт, 1984. с. 64 - 68.

31. Саркисян Р.Г. Погрешности балансирных моментомеров // АН СССР ВНИИЭМ Электрические машины малой мощности. Сб. Трудов. Издательство Наука, Л.: 1970, с. 99 - 115.

32. Астахов Н.В., Краиз Б.Л. Испытание электрических микромашин // Учебн. пособие для втузов. М., Высшая школа, 1973. 220 с, ил.

33. Коварский Е.М., Янко Ю.И. Испытание электрических машин // М., Энергоатомиздат, 1990. 320 с, ил.

34. Гольдберг О.Д. Испытание электрических машин // Учебн. для вузов по спец. "Электромеханика". М., Высшая школа, 1990. - 225 с, ил.

35. Пиотровский Л.М., Васютинский СБ., Несговорова Е.Д. Испытание электрических машин // М. Л., Госэнергоиздат, 1960. - 372 с, ил.

36. Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин // М. -Л., Госэнергоиздат, 1959. 504 с, ил.

37. Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин // М. -Л.: Энергоатомиздат, 1984. 408 с, ил.

38. Котеленец Н.Ф., Кузнецов Н.Л. Испытания и надежность электрических машин // Учебн. пособие для вузов по спец. "Электромеханика". М.: Высшая школа, 1988. - 232 с, ил.

39. Универсальный метод расчета электромагнитных процессов в электрических машинах // под ред. Иванова-Смоленского A.B. // М.: Энергоатомиздат, 1986.-216 с, ил.

40. Рихтер Р. Электрические машины // Том 1., М.: ОНТИ, 1935. 597 с,ил.

41. Рихтер Р. Электрические машины // Том 2., М.: ОНТИ, 1935. 688 с,ил.

42. Адаменко А.И. Несимметричные асинхронные машины // Киев: Издательство академии наук Украинской ССР, 1962. 212 с, ил.ил.

43. Нейман Л.Р., Демирчян К.С, Теоретические основы электротехники // Учебник для втузов в 2-х томах. Том 1-3-е издание, перераб. и допол. Д.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1981. - 536 с, ил.

44. Самохин А.Б., Самохина A.C. Численные методы и программирование на Фортране для персонального компьютера // М.: Радио и связь, 1996. -224 с, ил.

45. Очков В.Ф. Mathcad 7 Pro для студентов и инженеров // М.: КомпьютерПресс, 1998. 384 с, ил.

46. Унифицированная серия асинхронных двигателей Интерэлектро // под ред. Радина Б.И. // М.: Энергоатомиздат, 1990. 416 с, ил.

47. Асинхронные двигатели серии 4А : Справочник // М.: Энергоиздат, 1982. 504 с, ил.

48. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов // М.: Наука; Лейпциг: Тойбнер, 1981. 718 с,ил.

49. Падеев А. С. Магнитное поле и параметры асинхронной машины при неравномерном воздушном зазоре // Тезисы докладов региональной научно практической конференции молодых ученых и специалистов Оренбуржья. Оренбург: ОГУ, 2000. с. 78.

50. Падеев A.C. Универсальная экспериментальная установка для испытания асинхронных двигателей // Региональная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов: Сборник материалов. Часть 2. Оренбург, PfflK ОГУ, 2001. с. 63 - 64.

51. Никиян Н.Г., Падеев A.C. Магнитное поле и сила одностороннего притяжения при нарушении равномерности воздушного зазора асинхронной машины // Электротехника, 2001. №8, с. 46 50.