автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Цилиндрический линейный асинхронный двигатель в приводе высоковольтных выключателей

На правах рукописи

БАЖЕНОВ ВЛАДИМИР АРКАДЬЕВИЧ

ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ЛИНЕЙНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ В ПРИВОДЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

Специальность 05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск 2012

005046408

005046408

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального ^разоватш «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ В1Ю Ижевская ГСХА)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

1 у Владыкин Иван Ревович

Официальные оппоненты: Воробьев Виктор

доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВПО МГАУ

им. В.П. Горячкина

Бекмачев Александр Егорович кандидат технических наук, руководитель проектов ЗАО «Радиант-Элком»

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетном образовательном учреждение вы с ше го п ро ф е с с и о к ал ы I о го образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГОУ ВПО Чувашская ГСХА)

Зашита состоится «28» мая 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета КМ 220.030.02 в ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА по адресу: 426069,

г. Ижевск, ул. Студенческая, 11, ауд. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА.

Автореферат разослан «27» апреля 2012 г.

Размещен на сайте: туюл^вЬа/ги

Ученый секретарь диссертационного совета

НЛО. Литвинюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

носгь комплексной автоматизации сельских электрических с^еГнanttT"

исследованиях Сулимова М.И., Гусева B.C. отмечено ™ ^

действия релейной защиты и автоматики /рчаГIV З0...35% случаев

творительного состояния приводГХчем до TsJTJ™

долю ВМ 10...35 кВ с ,,nv«,m„n mv'; Дефектов приходится на

Н.М., Палюга M^AaSTZ^rZZr^Tsy

ского повторного включения ГАПШ ' °ТКа30В астома™че-

привода в целом

0,122

■ ПП-67 ПП-67К

■ВМП-10П КРУН К-13

"ВМПП-ЮП КРУН К-37

ПЭ-11

Рисунок I - Анализ отказов в электроприводах ВМ 6.. 35 кВ ВИЯ, они потребляют большую мощность и требуют установки громоздкой

отказ механизма отключения, о.е.

00» ПП-67 ПП-67

■ ВМП-10П КРУ| К-13

■ ВМПП-ЮП КРУН К-37 ПЭ-11

- «„,„«, и зарядного устройства или же выпрямительного уст-кумуляторнои батар 3^ДД°0рМЦ0М мощностью 100 кВА. В силу ука-

ройства со "п^^ прнво«о нашли широкого применения.

3аШЮНаРГбьш^'проведи ан™ и'з достоинств „ недоспшюв различных приво-

довдляВМ. „„_,.,* ппиводов постоянного тока: невозмож-

Недостатки эле.сгромап^^^^^ включающего электромаг-ность регулировки СК0Р°^ДХ ^ ^эл^^.апнпв, которая увеличивает Ш1Та> большая „нду^ивносгь обмотки я от поло.

время включения выключателя ^-¿^'^/^^.„.оро включения, аккуму-жения сердечника,что привод.п-к мощности и их

ляторная батарея или-"Р—^ /™ой площади до 70 м> и ДР-большие габариты и масса, что посменного тока: большое по-

Нсдостатки ^^^^^^^ „щих проводов,

¡гггг-^5^-скорости—и

Т-Д' Недостатки индукционно. привод

Ь^^'ГГЖ цилиндрических лиией-Вышеперечисленные недогатк* „струк-тивных особешю-

„ь,х асинхронных двн^е" Поэтому предлагаем использовать их в

стей и массогабаритных "О^3^"'110^0 * э_ \ для масля„ых выключате-качестве силового элемента в пр ' ^лення Ростехиадзора по

лей, которых по данным Западно-Ур^ьско^ компаний в

удмуртской Республике ВМГ-35 300 штук.

эксплуатации«^^^^^лирована следующая цель РаНа основании выше высоковольтных масляных выклю-ботьк повышение эффектишюсп, "Р^^^оляющего снизить ущерб чателей 6 .35 кВ. работающего на основе ЦЛАД, позволя

"ели были поставлены следующие анализ существующих конструкций приводов

3" теоретических и характеристик

4- —»

, ГрХГь^С-"- — "" 6-35 *

основе ЦЛАД.

6. Провести технико-экономическое . .

использования ЦЛАД для приводов масляных выключателей 6...35 кВ.

Объектом исследования является: цилиндрический линейный асинхронный электродвигатель (ЦЛАД) приводных устройств выключателей сельских распределительных сетей 6...35 кВ.

Предмет исследования: изучение тяговых характеристик ЦЛАД при работе в масляных выключателях 6...35 кВ.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием основных законов геометрии, тригонометрии, механики, дифференциального и интегрального исчисления. Натуральные исследования проводились с выключателем ВМП-10 с использованием технических и измерительных средств. Обработка экспериментальных данных выполнена с использованием программы «Microsoft Excel». Научная новизна работы.

1. Предложен новый тип привода масляных выключателей, позволяющий повысить надежность их работы в 2,4 раза.

2. Разработана методика расчета характеристик ЦЛАД, которая в отличие от предложенных ранее, позволяет учитывать краевые эффекты распределения магнитного поля.

3. Обоснованы основные конструкционные параметры и режимы работы привода для выключателя ВМП-10, снижающие недоотпуск электроэнергии потребителям.

Практическая ценность работы определяется следующими основными результатами:

1. Предложена конструкция привода выключателей типа ВМП-10.

2. Разработана методика расчета параметров цилиндрического линейного асинхронного двигателя.

3. Разработана методика и программа расчета привода, которые позволяют рассчитывать приводы выключателей подобных конструкций.

4. Определены параметры предлагаемого привода для ВМП-10 и ему подобных.

5. Разработан и испытан лабораторный образец привода, который позволил уменьшить потери перерывов электроснабжения.

Реализация результатов исследований. Работа проведена в соответствии с планом НИОКР ФГБОУ ВПО ЧИМЭСХ, регистрационный номер №02900034856 «Разработка привода для высоковольтных выключателей 6...35 кВ». Результаты работы и рекомендации приняты и используются в ПО «Башкирэнерго» С-ВЭС (получен акт внедрения).

Работа основана на обобщении результатов исследований, выполненных самостоятельно и в содружестве с учеными ФГБОУ ВПО Челябинского государственного агроуниверситета (г. Челябинск), ФГОУ ВПО Ижевской государственной сельскохозяйственной академии.

На защиту вынесены следующие положения:

1. Тип привода масляных выключателей на основе ЦЛАД

2. Математическая модель расчета характеристик ЦЛАД, а также тягового

усилия в зависимости от конструкции паза.

программа расчета привода для выключателей типа ВМГ, ВМП напряжением 10...35 кВ. 4. Результаты исследований предлагаемой конструкции привода масляных выключателей на основе ЦЛАД.

Апробация результатов исследований. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих научно-практических конференциях: XXXIII научная конференция посвященная 50-летию института, Свердловск (1990); международная научно-практическая конференция «Проблемы развития энергетики в условиях производственных преобразований» (г. Ижевск, ФГБОУ В ПО Ижевская ГСХА 2003); Региональная научно-методическая конференция (Ижевск, ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2004); Актуальные проблемы механизации сельского хозяйства: материалы юбилейной научно-практической конференции «Высшему агроинженерному образованию в Удмуртии - 50 лет». (Ижевск, 2005), на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников ФГБОУ ВПО «Ижевская ГСХА».

Публикации по теме диссертации. Результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены 8 печатных работах, в том числе: в одной статье, опубликованной в журнале, рекомендованном ВАК, двух депонированных отчетах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений, изложена на 167 страницах основного текста, содержит 82 рисунка, 23 таблицы и списка использованных источников из 105 наименований и 4 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, рассмотрены состояние вопроса, цель и задачи исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ конструкций приводов выключателей.

Установлено:

- принципиальное преимущество совмещения привода с ЦЛАД;

- необходимость дальнейших исследований;

- цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрены методы расчета ЦЛАД.

На основании анализа распространения магнитного поля выбрана трехмерная модель.

Обмотка ЦЛАД в общем случае состоит из отдельных катушек, включенных последовательно в трёхфазную схему.

Рассматривается ЦЛАД с однослойной обмоткой и симметричным относительно сердечника индуктора расположением вторичного элемента в зазоре.

Принятые следующие допущения: 1. Ток обмотки, уложенной на длине 2рт, сосредоточен в бесконечно тонких токовых слоях, расположенных на ферромагнитных поверхностях индуктора и создает чисто синусоидальную бегущую волну. Амплитуда связана известным соотношением с линейными плотностью тока и токовой нагрузкой

создает чисто синусоидальную бегущую волну. Амплитуда связана известным соотношением с линейными плотностью тока и токовой нагрузкой

А =

к """д."«*. (1)

t

mwl

гДе. рТ - линейная токовая нагрузка,

т - полюсное ; ш - число фаз; W - число витков в фазе; I - действующее значение тока; Р - число пар полюсов; J - плотность тока;

Ко6| - обмоточный коэффициент основной гармоники.

2. Первичное поле в области лобовых частей аппроксимируется экспоненциальной функцией

/(') = 0,83 ехр ~~~ (2)

Достоверность такой аппроксимации к реальной картине поля говорят проведенные ранее исследования, а также опыты на модели ЛАД При этом возможно заменить L-2 с.

3.Начало неподвижной системы координат х, у, z расположено в начале обмотанной частн набегающего края индуктора (рис. 2).

При принятой постановке задачи н.с. обмотки можно представить в виде двойного ряда Фурье:

где, А - линейная токовая нагрузка индуктора; Коб - обмоточный коэффициент; L - ширина реактивной шины; С - общая длина индуктора; а - угол сдвига;

z = 0,5L - а - зона изменения индукции; п - порядок гармоники по поперечной оси; v- порядок гармоник по продольной осн;

Решение находим для векторного магнитного потенциала токов А В области воздушного зазора Аг удовлетворяет следующим уравнениям:

АА5=0,

divAs = 0. J (4)

Для ВЭ уравнения А 2 уравнения имеют вид:

ДА2 .= ГгМ 2 сИУ Т2 = 0.

а/

Решение уравнений (4) и (5) производим методом разделения переменных. ^упрощения задачи приведем лишь выражение для нормальной составляющей индукции в зазоре:

Г

и,—. г«=° \

ад [КЫ<л

у 2а V 1й<ЬК0.51.

_¿1— 2с -1 -1 "

Рисунок 2 - Расчетная математическая модель ЛАД без учета распределения обмотки

в

5-у ~ д2 дх

с

А.

2л' п V

КП2 . СОБ--—АХ

X (сИЛу + С^ЬЛу) ехр у

е

(6)

Полная электромагнитная мощность 8ЗМ, передаваемая из первичной части в з" орТвЭ, Хег быть найдена как поток нормальной 8, составляющей вектора Пойтинга через поверхность у - 5

л ' 2

= / / ЯуЖсЬ =

~ 2

" - - \shXS + С2сИЛд\2

^ГрЛс^ГвВэГ''" С0СтаШ1ЯЮЩаЯ' У™«*»«« механическую мощ-

Р™со" зР™'ШЯ С°СТаСЛЯЮЩаЯ'УЧИТШает поТОк „

С\ - комплекс, сопряжений с С2.

„з-ор,",г«.мша'' лад «». ..з

£

II 'в е., ЪгсЬс

^ И О Л V о_£ V у

2

- " " \shXS + С.сЬАЗ?'

''-^/Н^н^м-^гИ

л ' \shXS +С2с1гЛ5^

по поп^еч^^Л^еТоТ^ ^ " Ь = 2с> ™ -рмо„ик координата Л-УКроме Г Г^Г в двухмерное, по

чие стального ^тора^то^^^я е^прашуществ^Г ^ЧССТЬ нашг"

2) Механическая мощность

Электромагнитная мощность £,.,«1 = р /с» + .у, /С1 „ 1 '

гласно выражению, формуле (7) рассчитывалась со-

4) Потери в меди индуктора

Р,г1 = ШI1 Гф ^

где гф - активное сопротивление фазной обмотки;

5) К п д. без учета потерь в стали сердечника

„ р.-и ■ (12) Р, Р„(5>+Л,..

6) Коэффициент мощности

р т!\гы+гф) ^ тиф1 т1 Z £

где, 2 = + х1 есть модуль полного сопротивления последовательной

схемы замещения (рис 2).

х1=х„+ха1 О4)

v -Язи- г (15)

х = х + х + х + Ха - индуктивное сопротивление рассеяния первичной об-п а * ч

М°™аким образом, получен алгоритм расчёта статических характеристик ЛАД с короткозамкнутым вторичным элементом, позволяющий учитывать свойства активных частей конструкции на каждом зубцовом делении.

Разработанная математическая модель позволяет: . Применить математический аппарат для расчета цилиндрического линсшюго асинхронного двигателя, его статических характеристик на основе развсрну-схем замещения электрических первичной и вторичной и магнитно» це-

. Провести оценку влияния различных параметров и конструкций вторичного элемента на тяговые и энергетические характеристики цилиндрического линейного асинхронного двигателя. . Результаты расчётов позволяют определить в первом приближении оптимальные основные технико-экономические данные при проектировании цилиндрических линейных асинхронных двигателей.

В третьей главе «Расчетно-теорстнческие исследования» приведены результаты численных расчётов влияния различных параметров и геометрических на энергетические и тяговые показатели ЦЛАД с помощью математической модели описанной ранее.

Индуктор ЦЛАД состоит из отдельных шайб, расположенных в ферромагнитном цилиндре. Геометрические размеры шайб индуктора, принятые в расче-тПшведены на рис. 3. Количество шайб и длина ферромагнитного цилиндра —Гя' числом полюсов и числом пазов на полюс и фазу обмотки индуктора 1^заш(симые перемеш1Ые принимались параметры индуктора (геометрия зубцового слоя, число полюсов, полюсное деление, длина и ширина) вторичной структуры - тип обмотки, электрическая проводимость С2 - Уг Л , а

также параметры обратного магнитопровода. При этом результаты исследования представлены в виде графиков.

113

Рисунок 3 - Устройство индуктора 1-Вторичный элемент; 2-гайка; З-уплотнительная шайба; 4- катушка; 5-корпус двигателя; 6-обмотка,7-шайба.

Для разрабатываемого привода выключателя однозначно определены:

1 Режим работы, который может быть охарактеризован, как «пуск». Время ' работы - менее секунды (t.=0,07c), повторные пуски могут быть, но даже в

этом случае общее время работы не превышает секунды. Следовательно, электромагнитные нагрузки - линейная токовая нагрузка, плотность тока в обмотках могут быть взять, существенно выше принимаемых для jустановившихся режимов электрических машин: А = (25...50) 10 А/м, J (4.../) А/мм2. Поэтому тепловое состояние машины можно не рассматривать.

2 Напряжение питания обмотки статора Ut = 380 В.

3. Требуемое тяговое усилие F„ > 1500 Н. При этом изменение усилия за время работы должно быть минимальным.

4. Жесткие ограничения габаритов: длина Ls . 400 мм; внешний диаметр статора Д = 40... 100 мм.

5 Энергетические показатели (л, coscp) не имеют значения.

Таким образом, задача исследований может быть сформулирована следующим образом: при заданных габаритах определить электромагнитные нагрузки значение конструктивных параметров ЛАД, обеспечивающих неоохо-

димое тяговое усилие в интервале 0,3 <S ¿1.

Исходя из сформированной задачи исследований, основным показателем ЛАД является тяговое усилие в интервале скольжений 0,3 <S ¿1. При этом сила тяги во многом зависит от конструктивных параметров (число полюсов 2р, воздушный зазор 8, толщина немагнитного цилиндра d2 и его удельная электрическая проводимость п , электропроводность у} и магнитная проницаемость и3 стального стержня, выполняющего функции обратного магнитопровода). При конкретных значениях указанных параметров тяговое усилие однозначно будет определяться линейной токовой нагрузкой индуктора, которая, в свою очередь при U = const зависит от компоновки зубцового слоя: числа пазов на полюс и фазу q, числа витков в катушке WK и параллельных ветвей а.

Таким образом, сила тяги ЛАД представляется функциональной зависимостью ..

Fx = f( 2р, г, &d2,y2,Yi, Ms > Ч< Wk, A, a) U<>>

таметров некоторые пр—т —ко и т=400/4 = 100 -* 66,6 ммГч

тель„оСПяВГИЧе"ИеМ ЧИСЛЗ П°ЛЮС0В "У"0806 ТЯГОвое усилие падает значи- 5

- ТЯГОВОГ° УСИЛИЯ СВЯЗано с Уменьшением полюсной деления т и магнитной индукции в воздушном И деления т

является 2р=4 (рис. 4). °ЗДушном зазоРе Следовательно, оптимальным

ОД 0.2 0.3 0.4 0,5 0,6 0,7 0,8 0 9

Скольжение Б, ое

Рисунок 4 - Тяговая характеристика ЦЛАД „ зависимости от числа полшсов

X Ц-

о I;

и >>

О

о ш о

3000 2500 2000 1500 1000 500 0 ■

>— .-<

< г

1 к" г

—

1,5|у 2,0л<

0 0,10,20,30,40,50,60,70,80,9 1 ^кольжение Б, ое

РИСУ5ЮК5 ,азо.

ра( 6=1,5мм и 5=2,0мм)

проводность у2,у3 и магнитная проницаемость ц3 ВЭ.

12

Изменение электропроводимости стального цилиндра » (рис. 6) на тяговое усилие ЦЛАД оказывает малосущественное значение до 5%.

0 0,10,23,30,40,50,60,70,83,91

Скольжение 8, ое.

Рисунок 6. Тяговая характеристика ЦЛАД при различных значениях электропроводимости стального цилиндра

Изменение магнитной проницаемости ц3 стального цилиндра (рис. 7) не приносит значительных изменений тягового усилия Рх=ДБ). При рабочем скольжении 8=0,3 тяговая характеристики совпадают. Пусковое тяговое усилие изменяется в пределах 3...4%. Следовательно, учитывая несущественное влияние уз и Мз на тяговое усилие ЦЛАД, стальной цилиндр может быть изготовлен из магнитомягкой стали.

0 0 1 0 2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0.9 СкольжениеЗ,ое

Рисунок 7. Тяговая характеристика ЦДАД при различных значениях магнитном проницаемости (Цз=1000цо И Цз =500цо) стального цилиндра

Из анализа графических зависимостей (рис. 5, рис. 6, рис. 7) следует вывод: изменения проводимости стального цилиндра и магнитной проницаемости, ограничения немагнитного промежутка добиться постоянства тягового усилия 1'Х невозможно вследствие их малого влияния.

у=1,2-10'См/м

у=3 10»См/м

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Скольжение Э, ое

Рисунок 8. Тяговая характеристика ЦЛАД при различных значениях электропроводимости ВЭ

Параметр, при помощи которого можно добиться постоянства тягового усилия =/( 2р, г, <$ й2 ,у2, уз, цз, Я, А, а) ЦЛАД, является удельная электропроводимость у2 вторичного элемента. На рисунке 8 указаны оптимальные крайние варианты проводимостей. Эксперименты, проведенные на экспериментальной установке, позволили определить наиболее подходящую удельную проводимость в пределах у=0,8-10'...1,2-ю'См/м.

На рисунках 9...11 приведены зависимости Г, I, т},оо$<р = /(я) при различных значениях числа витков в катушке обмотки индуктора ЦЛАД с экранированным вторичным э л е м е нто в (с/,=1 мм; 5=1 мм).

Лг аз о* ~05 Об й5 То

Рисунок 9. Зависимость 1=Г(8) при различных значениях числа витков в катушке

Рисунок 10. Зависимость eos<p=f(S)

Рисунок! I Зависимость t]= f(S)

ees'/

Графические зависимости энергетических показатели от числа витков в кашках совпадают. Это говорит о том, что изменение числа витков в катушке не приводит к значительному изменению этих показателей. Это является причиной отсутствия внимания к ним.

Увеличение тягового усилия (рис. 12) по мере уменьшения числа витков в катушке объясняется тем. что увеличивается сечение провода при постоянных значениях геометрических размеров и коэффициента заполнения медью паза индуктора и незначительном изменении значения плотности тока. Двигатель в приводах выключателей работает в пусковом режиме менее секунды. Поэтому для привода механизмов с большим пусковым тяговым усилием и кратковременным режимом работы эффективнее использовать ЦЛАД с малым числом витков и большим сечением провода катушки обмотки индуктора.

Ноо

2SOO гбаз

гьоо ггт

2аос

мол /"4а? /?(/,'■ Ш0О 8оо боа íoo 2 ос ■

О о/ О.З oi 05 Об 07 os ¿J? То

Рисунок 12. Тяговая характеристика ЦЛАД при различных значениях числа витков era горной катушки

Однако, при частых включениях таких механизмов необходимо иметь запас двигателя по нагреву.

Таким образом, на основании результатов численного эксперимента по вышеописанной методике расчёта можно с достаточной степенью точности определить тенденцию изменения электрических и тяговых показателей при различных переменных ЦЛАД. Основным показателем для постоянства тягового усилия является электропроводимость покрытия вторичного элемента у2 Изменяя её в пределах у=0,8-10 ...1,2-10 См/м, можно получить необходимую тяговую характеристику.

Следовательно, для постоянства тяги ЦЛАД достаточно задаться постоянными значениями 2р, т, 8, у} , Цз, </, Л, а. Тогда, зависимость (16) можно преобразовать в выражение

!•],=/( К у2, \Ук) (17)

где К=/(2р, т, 8, Л2, у,, Цз » </. 4• ")■

В четвертой главе изложена методика проведения эксперимента исследуемого способа привода выключателя. Экспериментальные исследования характеристик привода проводили на высоковольтном выключателе ВМП-10 (рис. 13)

Рисунок 13 Экспериментальная установка.

Также в этой главе определено инерционное сопротивление выключателя, которое выполнено с использованием методики, представленной в [5] графоаналитическим методом, используя кинематическую схему выключателя. Определены характеристики упругих элементов. При этом в конструкцию масляного выключателя входят несколько упругих элементов, которые противодействуют включению выключателя и позволяют аккумулировать энергию для отключения выключателя:

1) Пружины ускорения ГПу',

2) Пружина отключения Г по',

31 Упругие силы, создаваемые пружинами контактов Рк[1-

Общее воздействие пружин, которые противодействуют усилию двигателя, можно описать уравнением: , ,, / и„ П8)

Усилие растяжения пружины в общем случае описывается уравнением:

РПу=кхг¥Р0, <-1У)

где к- коэффициент жёсткости пружины;

Г„ . усилие предварительного натяжения пружины.

Для 2-х ускоряющих пружин уравнение (19) имеет вид (без предварительного натяжения): ,

где А,- коэффициент жёсткости ускоряющей пружины.

Усилие пружины отключения описывается уравнением:

где кг жёсткость отключающей пружины; х„ хг перемещение;

Л - усилие предварительного натяжения отключающей пружины.

Усилие необходимое для преодоления сопротивления контактных пружин, вследствие незначительного изменения диаметра розетки, принимаем постоянным и равным

Учитывая (20), (21), (22) уравнение (18) примет вид

^от^А-^+А-л+^+Ги, (23)

Упругие силы, соиздаваемые отключающей, ускоряющими и контактными пружинами, определяют при исследовании статических характеристик мае-

ляного выключателя. .

Гвмс=/(ссп) ^ (24)

Для исследования статических характеристик выключателя была создана установка (рис. 13). Изготовлен рычаг с сектором окружности для устранения изменения длины плеча при изменении угла а* вала привода. В результате при изменении угла а плечо приложения усилия, создаваемое леоедкои 1, остается

ПОСТОЯННЫМ

^/(а)=со/Ш

Для определения коэффициентов жесткости пружин А> к0, были исследованы усилия сопротивления включения выключателя от каждой пружины.

Исследование проводилось в следующей последовательности:

1. Исследование статической характеристики при наличии всех пружин г,,.*

2. Исследование статических характеристики при наличии 2-х пружин г, и г,

(ускоряющие пружины); _

3. Исследовать статические характеристики при наличии одной пружины г,

("отключающая пружина).

4. Исследовать статические характеристики при наличии одной ускоряюще»

5. Исследовать статические характеристики при наличии 2-х пружин г, и (ускоряющая и отключающая пружины).

Далее в четвертой главе проведено определение электродинамических характеристик. При протекании по контуру выключателя токов короткого замыкания возникают значительные электродинамические усилия, которые препятствуют при включении, значительно увеличивают нагрузку на приводной механизм выключателя. Проведен расчёт электродинамических сил, который выполнен графоаналитическим способом.

Также определено аэродинамическое сопротивление воздуха и гидравлического изоляционного масла по стандартной методике.

Кроме того, определены передаточные характеристики выключателя к которым относятся: '

1. Кинематическая характеристика Ь

2. Передаточная характеристика вала выключателя а,=/(аО;

3. Передаточная характеристика рычага траверсы

4. Передаточная характеристика И=/(хт) где а,-угол поворота вала привода;

а, -угол поворота вала выключателя;

а2 -угол поворота рычага траверсы.

В пятой главе проведена оценка технико-экономическая эффективности использования ЦЛАД в приводах масляных выключателей, которая показала, что использование привода масляных выключателей на основе ЦЛАД позволяет повысить их надежность в 2,4 раза, снизить потребление электроэнергии в

раза' по сравнению с применение старых приводов. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения ЦЛАД в приводах масляных выключателей составляет 1063 руб./выкл. при сроке окупаемости капительных вложений менее, чем за 2,5 года. Применение ЦЛАД позволит снизить недоотпуск электроэнергии сельским потребителям на 834 кВт*час на один выключатель за 1 год, что приведет к повышению доходности энергоснабжающих компаний которая составит для Удмуртской Республики около 2 млн. руб.

ВЫВОДЫ

1. Определена оптимальная тяговая характеристика для привода масляных выключателей, позволяющая развить ЦЛАД максимальное тяговое усилие равное 3150 Н. 3 '

2. Предложена математическая модель цилиндрического линейного асинхронного двигателя на основе трехмерной модели, позволяющая учитывать краевые эффекты распределения магнитного поля.

3. Предложен способ замены электромагнитного привода на привод с ЦЛАД позволяющий повысить надежность в 2,7 раза и уменьшить ущерб от недо-отпуска электроэнергии энергоснабжающих компаний на 2 млн руб nf/rfl0™3 Ф"знческая м°Дель привода масляных выключателей типа ВМП ВМГ на напряжение 6...35 кВ, и даны их математические описания

5. Разработан и изготовлен опытный образец привода, позволяющий реализовать необходимые параметры выключателя: скорость включения 3 8 4 2 м/с, выключения 3,5 м/с. ' "" '

6. По результатам исследований оформлены технические задания к переданы в «Башкирэнерго» для разработки рабочей конструкторской документации для доработки ряда маломасляных выключателей типа ВМП и ВМГ.

МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ДОСТАТОЧНО ПОЛНО ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ АВТОРА

Издания, указанные в перечне ВАК и приравненные к ним:

1. Баженов, В.А. Совершенствование привода высоковольтного выключателя. / В.А. Баженов, И.Р. Владыкин, А.П. Коломиец//Электронный научно-инновационный журнал «Инженерный вестник Дона» [Электронный ресурс]. - №1, 2012г. С. 2-3. - Режим доступа: http://w\v\v.ivdon.ru.

Другие издания:

2. Пястолов, A.A. Разработка привода для высоковольтных выключателей 6...35 кВ.' /A.A. Пястолов, И.Н.Рамазанов, Р.Ф.Юнусов, В.А. Баженов // Отчет о научно-исследовательской работе (х. № ГР 018600223428 лив. №02900034856.-Челябинск: ЧИМЭСХ.1990. - С. 89-90.

3. Юнусов, Р.Ф. Разработка линейного электропривода сельскохозяйственного назначения. /Р.Ф. Юнусов, И.Н. Рамазанов, В.В. Иваницкая, В.А. Баженов // XXXIII научная конференция. Тезисы докладов.- Свердловск, 1990, С. 32-33.

4. Пястолов, A.A. Привод высоковольтного масляного выключателя. /Юнусов Р.Ф., Рамазанов И.Н., Баженов В.А. // Информационный листок № 91-2. -ЦНТИ, Челябинск, 1991. С. 3-4.

5. Пястолов, A.A. Цилиндрический линейный асинхронный двигатель. /Юнусов Р.Ф., Рамазанов И.Н., Баженов В.А. // Информационный листок № 91-3. -ЦНТИ, Челябинск, 1991. с. 3-4.

6. Баженов, В.А. Выбор аккумулирующего элемента для выключателя ВМП-10. Актуальные проблемы механизации сельского хозяйства: материалы юбилейной научно-практической конференции «Высшему агроинженерному образованию в Удмуртии - 50 лет». / Ижевск, 2005. С. 23-25.

7. Баженов, В.А. Разработка экономичного привода масляного выключателя. Региональная научно-методическая конференция Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, Ижевск, 2004. С. 12-14.

8. Баженов, В.А. Совершенствование привода масляного выключателя ВМП-10. Проблемы развития энергетики в условиях производственных преобразований: Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 25-летию факультета «Электрификации и автоматизации сельского хозяйства» и кафедры «Электротехнология сельскохозяйственного производства». Ижевск 2003, С. 249-250.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

Сдано в набор_2012г. Подписано в печать 24.04.2012г.

Бумага офсетная Гарнитура Times New Roman Формат 60x84/ 16. Объем I печ.л. Тираж 100 экз. Заказ №4187. Изд-во ФГБОУ BIIO Ижевской ГСХА г. Ижевск, ул. Студенчески. 11

19

61 12-5/2707

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»

На правах рукописи

Баженов Владимир Аркадьевич

ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ЛИНЕЙНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ В ПРИВОДЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

Специальность 05.20.02 Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент

Владыкин Иван Ревович

Ижевск - 2012

На различных этапах исследований работа выполнялась под руководством д.т.н., профессора, зав. кафедрой «Электрические машины» Челябинского института механизации и электрификации сельского хозяйства A.A. Пястолова (глава 1, 4, 5) и д.т.н., профессора, зав. кафедрой «Электропривод и электрические машины» Санкт-Петербургского Государственного Аграрного Университета А.П. Епифанова (глава 2, 3), Автор выражает искреннюю благодарность.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................................5

1 АНАЛИЗ ПРИВОДОВ МАСЛЯНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИК.......................................................................................................................................7

1.1 Устройство и принцип работы выключателей..................................................11

1.2 Классификация приводов....................................................................................14

1.3 Основные элементы привода..............................................................................19

1.4 Общие конструктивные требования к приводам..............................................22

1.5 Электромагнитные приводы...............................................................................26

1.5.1 Конструкции электромагнитных приводов...................................................28

1.5.2 Электромагнитный привод на переменном токе...........................................42

1.5.3 Привод на основе плоского ЛАД....................................................................45

1.5.4 Привод выключателя на основе вращающегося асинхронного двигателя ................................................................................................................................48

1.5.5 Привод на основе цилиндрического линейного асинхронного

двигателя..........................................................................................................................50

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ..........................................................................52

2 РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ЛИНЕЙНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИ-ГАГЕЛЕЙ........................................................................................................................................55

2.1 Анализ методик расчета характеристик ЛАД...................................................55

2.2 Методика на одномерной теории........................................................................56

2.3 Методика на основе двухмерной теории...........................................................58

2.4 Методика на основе трехмерной модели...........................................................59

2.5 Математическая модель цилиндрического асинхронного двигате-ля на

основе схемы замещения................................................................................................65

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ..................................................................................................................94

3 РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ...................................................95

3.1 Общие положения и решаемые задачи (постановка задачи)...........................95

3.2.Исследуемые показатели и параметры...................................................................96

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ..............................................................................................................105

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................................106

4.1 Определение инерционного сопротивления системы ВМ-привод....................106

4.2 Определение характеристик упругих элементов............................................110

4.3 Определение электродинамических характеристик.......................................114

4.4 Определение аэродинамического сопротивления воздуха и

гидравлического изоляционного масла ВМ...............................................................117

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ...............................................................................................................121

5 ТЕХНИКО ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ......................................................122

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ...............................................................................................................124

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИСССЛЕДОВАНИЙ........................................125

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................................................126

ПРИЛОЖЕНИЕ А.....................................................................................................................137

ПРИЛОЖЕНИЕ Б РАСЧЁТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЁЖНОСТИ ПРИВОДОВ ВМ6...35КВ...139

ПРИЛОЖЕНИЕ В СПРАВКА ОБ ИССЛЕДОВАНИИ ОБЪЕКТА РАЗРАБОТКИ...................142

I Патентная документация.......................................................................................142

II Научно- техническая литература и техническая документация........................143

III Технические характеристики цилиндрического линейного асинхронного двигателя........................................................................................................................144

IV Анализ эксплуатационной надёжности приводов ВМ- 6.. .35кВ......................145

V Конструктивные особенности основных типов приводов ВМ-6... 35 кВ........150

ПРИЛОЖЕНИЕ Г......................................................................................................................156

Пример конкретного выполнения привода................................................................156

высоковольтного выключателя...................................................................................156

Расчёт мощности, потребляемой инерционным приводом......................................162

при операции включения ВМ......................................................................................162

Указатель основных обозначений и сокращений......................................................165

ВВЕДЕНИЕ

С переводом сельскохозяйственного производства на промышленную основу существенно повышаются требования к уровню надёжности электроснабжения.

Целевая комплексная программа повышения надёжности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей /ЦКП ПН/ предусматривает широкое внедрение средств автоматизации сельских распределительных сетей 0,4.. .35 кВ, как одно из наиболее эффективных способов достижения этой цели. Программа включает в себя, в частности, оснащение распределительных сетей современной коммутационной аппаратурой и приводными устройствами к ним. Наряду с этим предполагается широкое использование, особенно на первом этапе, первичной коммутационной аппаратуры, находящейся в эксплуатации [1]

Наибольшее распространение в сельских сетях нашли масляные выключатели (ВМ) с пружинными и пружинно-грузовыми приводами. Однако, из опыта эксплуатации известно, что приводы ВМ являются одним из наименее надёжных элементов распределительных устройств. Это снижает эффективность комплексной автоматизации сельских электрических сетей. Например, в [82] отмечается, что 30...35% случаев действия релейной защиты и автоматики /РЗА/ не реализуется из-за неудовлетворительного состояния приводов. Причём до 85% дефектов приходится на долю ВМ 10...35 кВ с пружинно-грузовыми приводами. По данным работы [33] 59,3% отказов автоматического повторного включения /АПВ/ на базе пружинных приводов происходит из-за блок- контактов привода и выключателя, 28,9% из-за механизмов включения привода и удержания его во включённом положении. О неудовлетворительном состоянии и необходимости модернизации и разработки надёжных приводов отмечается в работах [2,16,53].

Имеется положительный опыт применения более надёжных электромагнитных приводов постоянного тока для ВМ 10 кВ [91,98] на понижающих подстанциях сельскохозяйственного назначения. Однако в силу ряда особенностей эти приводы не нашли широкого применения [ 53 ].

Целью настоящего этапа НИР является выбор направления исследования.

В процессе работы решались следующие задачи:

• определение показателей надёжности основных типов приводов ВМ- 6.. .35 кВ и их функциональных узлов;

• анализ конструктивных особенностей различных типов приводов ВМ- 6...35 кВ;

• обоснование и выбор конструктивного решения привода ВМ 6...35 кВ и направления исследований.

1 АНАЛИЗ ПРИВОДОВ МАСЛЯНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Работа привода масляных выключателей 6 - 10 кВ во многом зависит от совершенства конструкции. Конструктивные особенности определяются предъявляемыми к ним требованиями:

• мощность, потребляемая приводом в процессе выполнения операции включения ВМ, должна быть ограничена, т.к. питание осуществляется от маломощных трансформаторов собственных нужд. Это требование особенно существенно для понижающих подстанций сельскохозяйственного электроснабжения.

• привод масляного выключателя должен обеспечивать достаточную скорость коммутации,

• дистанционное и местное управление,

• нормальное срабатывание при допустимых уровнях изменения рабочих напряжений и др.

Исходя из этих требований, основные механизмы приводов выполняются в виде механических преобразователей с различным числом каскадов (ступеней) усиления, которые в процессе отключения и включения потребляют небольшую мощность для управления большим потоком энергии, затрачиваемой выключателем [5, 67].

В известных приводах каскады усиления конструктивно выполняются в виде запирающих устройств (ЗУО, ЗУВ) с защёлками, редуцирующих механизмов (РМ) с многозвенными ломающимися рычагами, а также механических усилителей (МУ) с использованием энергии поднятого груза или сжатой пружины. На рис.2 и 3 (приложение Б) представлены упрощённые схемы приводов масляных выключателей различных типов. Стрелками и цифрами над ними показаны направление и последовательность взаимодействия механизмов в процессе работы.

Основными коммутационными аппаратами на подстанциях являются масляные и безмасляные выключатели, разъединители, предохранители напряжением до 1000 В и выше, автоматические выключатели, рубильники. В электрических ссетях небольшой мощности напряжением 6 - 10 кВ устанавливаются простейшие коммутационные аппараты - выключатели нагрузки [1,5,53 ].

В распределительных устройствах 6... 10 кВ, в выкатных КРУ, часто применяются маломасляные подвесные выключатели со встроенными пружинными или электромагнитными приводами (ВМПП, ВМПЭ): Номинальные токи этих выключателей: 630 А, 1000 А, 1600 А, 3200 А.

Ток отключения 20 и 31,5 кА. Такой диапазон исполнений дает возможность применять выключатели ВМП как в электроустановках средней мощности, так и на крупных вводных линиях и на стороне вторичных цепей относительно крупных трансформаторов. Исполнение на ток 31,5 кА позволяет применять компактные выключатели ВМП в мощных сетях 6.. .10 кВ без реактирования и тем самым уменьшить колебания и отклонения напряжения в этих сетях.

Маломасляные горшковые выключатели типа ВМГ-10 с пружинными и электромагнитными приводами изготавливаются на номинальные токи 630 и 1000 А и ток отключения КЗ 20 кА. Они встраиваются в стационарные камеры серии КСО-272 и применяются преимущественно в электроустановках средней мощности. Выпускаются также маломасляные выключатели типа ВММ-10 небольшой мощности с встроенными пружинными приводами на номинальный ток 400 А и номинальный ток отключения 10 кА.

В большом диапазоне исполнений и параметров изготавливаются электромагнитные выключатели следующих типов [1,2,5,53 ]: • ВЭМ-6 со встроенными электромагнитными приводами на напряжение 6 кВ, номинальные токи 2000 и 3200 А, номинальный ток отключения 38,5 и 40 кА;

• ВЭМ-10 со встроенным электромагнитным приводом, на напряжение 10 кВ, номинальные токи 1000 и 1250, номинальный ток отключения 12,5 и 20 кА;

• ВЭ-10 со встроенными пружинными приводами, на напряжение 10 кВ, номинальные токи 1250, 1600, 2500, 3000 А. Номинальные токи отключения 20 и 31,5 кА.

Электромагнитные выключатели по своим параметрам соответствуют маломасляным выключателям ВМП и имеют такую же область применения. Они пригодны для частых коммутационных операций. Коммутационная способность выключателей зависит от типа привода его конструктивного исполнения и надежности работы. На подстанциях промышленных предприятий преимущественно применяются пружинные и электромагнитные приводы встроенные в выключатель [1,2,5,53]. Электромагнитные приводы используются в ответственных установках:

• при питании электроприёмников первой и второй категории с частыми операциями выключателями;

• особо ответственных электроустановках первой категории независимо от частоты операций;

• при наличии аккумуляторной батареи.

Для подстанций промышленных предприятий применяются комплектные крупноблочные устройства: КРУ, КСО, КТП различной мощности, напряжения и назначения. Комплектные устройства со всеми аппаратами, измерительными приборами и вспомогательными устройствами изготовляются, комплектуются и испытываются на заводе или в мастерской и в собранном виде доставляются на место установки. Это дает большой экономический эффект, так как ускоряет и удешевляет строительство и монтаж и позволяет вести работы индустриальными методами. Комплектные распределительные устройства имеют два принципиально различных конструктивных исполнения: выкатное (серии КРУ) и стационарное (серии

КСО, КРУН и др.). Устройства обоих видов одинаково успешно разрешают задачи электромонтажных и эксплуатационных работ.

Выкатные распредустройства более удобны, надежны и безопасны в эксплуатации. Это достигается благодаря защите всех токоведущих частей и контактных соединений надежной изоляцией, а также возможности быстрой замены выключателя путем выкатки и обслуживания в мастерской. Расположение привода выключателя таково, что его внешний осмотр можно осуществить как при включенном, так и при отключенном положении выключателя без выкатки последнего.

Заводами изготавливаются унифицированные серии выкатных КРУ для внутренней установки на напряжение до 10 кВ, основные технические параметры которых приведены в таблице 1.

Таблица 1.1- Основные параметры КРУ на напряжение 3-10 кВ для внутренней установки

Серия Номинальное напряжение, в кВ Номинальный ток, в А Вид масляного выключателя Тип привода

КРУ2-10-20УЗ 3,6, 10 630 1000 1600 2000 2500 3200 Маломасляный горшковый ВМП-Юлд ПЭ-11 ПП67 ПП70

КР-10-31, 5УЗ 6,10 630 1000 1600 3200 Маломасляный горшковый

КР-10Д10УЗ 10 1000 2000 4000 5000 Маломасляный горшковый

КЭ-10-20УЗ 10 630 1000 1600 2000 3200 Электромагнитный

КЭ-10-31, 5УЗ 10 630 1000 Электромагнитный

1600 2000 3200

1.1 Устройство и принцип работы выключателей

Выключатели типа ВМГ-10-20 относятся к трехполюсным высоковольтным выключателям с малым объемом дугогасящей жидкости (трансформаторного масла). Выключатель предназначен для коммутации высоковольтных цепей переменного тока напряжением 10 кВ в нормальном режиме работы установки, а также для автоматического отключения этих цепей при токах короткого замыкания и перегрузках, возникающих при ненормальных и аварийных режимах работы установок [5,46].

Принцип работы выключателя основан на гашении электрической дуги, возникающей при размыкании контактов, потоком газомасляной смеси, образующейся в результате интенсивного разложения трансформаторного масла под действием высокой температуры горения дуги. Этот поток получает определенное направление в специальном дугогасительном устройстве, размещенном в зоне горения дуги.

Управление выключателем осуществляется приводами. При этом, оперативное включение производится за счет энергии привода, а отключение — за счет энергии отключающих пружин самого выключателя.

Конструкция выключателя показана рис.1.1. Три полюса выключателя смонтированы на общей сварной раме 3, являющейся основанием выключателя и имеющей отверстия для крепления выключателя. На лицевой стороне рамы установлено шесть фарфоровых изоляторов 2 (по два на полюс), имеющих внутреннее эластичное механическое крепление. На каждую пару изоляторов подвешивается полюс выключателя 1.

Приводной механизм выключателя (рис. 9) состоит из вала 6 с приваренными к нему рычагами 5. К крайним рычагам 5 присоединены отключающие пружины 1, к среднему — буферная пружина 2. На противоположных концах рычагов механически укреплены изоляционные рычаги, которые соединены с токоведущими контактными стержнями 9 при помо-

щи серьги 7 и служат для передачи движения от вала выключателя к контактному стержню.

установки (тип ВМП-10) - общий вид

Между крайним и средним рычагами на валу выключателя приварена пара двуплечих рычагов 4 с роликами на концах. Эти рычаги служат для ограничения включенного и отключенного положений выключателя. При включении один из роликов подходит к болту 8, при отключении второй ролик перемещает шток масляного буфера 3; более подробное устройство которого показано на рис.1. 2.

В зависимости от кинематики ячейки выключатель допускает среднее или боковое присоединение привода. При среднем присоединении привода используется рычаг 13 (рис. 1.1), для бокового присоединения на вал выключателя дополнительно устанавливается рычаг 12 (рис. 1.1).

Рисунок 1.2 - Полюс выключателя

Основной частью полюса выключателя (рис. 1.2) является цилиндр 1. Для выключателей на номинальный ток 1000А эти цилиндры выполнены из латуни. Цилиндры выключателей на номинальный ток 63ОА выполнены из стали и имеют продольный немагнитный шов. К каждому цилиндру приварены две скобы для крепления его к опорным изоляторам, и кожух 10 с маслоналивной пробкой 11 и маслоуказателем 15. Кожух служит дополните