ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЙ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ С ДВИГАТЕЛЕМ ДВУХПАКЕТНОЙ КОНСТРУКЦИИ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Нгуен Куанг Кхоа

• Нгуен Куанг Кхоа
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Нгуен Куанг Кхоа

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ВЕНТИЛЬНО -ИНДУКТОРНЫХ МАШИН БОЛЬШОЙ

МОЩНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВА ИХ РАЗВИТИЯ

1.1. Обзор вентильно-индукторных машин большой мощности, зарубежный и отечественный опыт

1.1.1. Общая структура, принцип работы и достоинства вентильно-индукторных двигателей

1.1.2. Сравнение безотказности ВИМ с безотказностью других типов электрических машин

1.1.3. Состояние разработок ВИМ БМ за рубежом

1.2 Основные параметры конструкции и способы управления ВИМ

1.3 Анализ способов управления вентильно-индукторной машиной

Вывод по главе

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА, МОДЕЛИРОВАНИЯ и ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВИМ БМ

2.1. Общие принципы и средства проектирования электрических машин, особенности реализации ВИМ БМ

2.2. Методика определения главных размеров вентильных индукторных машин большой мощности двухпакетной конструкции

2.3. Методика моделирования вентильно-индукторных двигателей с помощью программ Elcut и MatlabSimulink

2.4. Исследование электромеханического комплекса: вентильно-индукторный

двигатель - центробежный насос

Вывод по главе

ГЛАВА 3. РЕАЛИЗАЦИЯ ВЕНТИЛЬНОЙ ИНДУКТОРНОЙ МАШИНЫ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ

3.1. Определение главных размеров и электромагнитных параметров ВИД -750 расчетным путем

3.2. Компьютерное моделирование ВИД-750

3.3. Исследование законов управления ВИД-750

3.4. Конструкционная реализация ВИД-750

3.5. Варианты реализации силового электрического преобразователя и

схемотехника ВИП-750

Вывод по главе

ГЛАВА 4. ИСПЫТАНИЯ ВИМ БМ ДВУХПАКЕТНОГО ИСПОЛНЕНИЯ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1. Методика испытаний вентильно-индукторного двигателя большой мощности

4.2. Анализ рабочих режимов ВИД-750

4.3. Методика обработки экспериментальных осциллограмм для оценки энергетических показателей ВИД-750

4.4. Методика расчета энергетических показателей ВИД-750 при одноимпульсном режиме двигателя-генератора

4.5. Экспериментальное определение тепловых режимов ВИД-750

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 - Акт внедрения результатов диссертационной работы от

ЗАО «ИРИС»

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 - Акт внедрения результатов диссертационной работы от

АК «АЛРОСА» (ПАО) и протокол о долевом внедрении

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 - Акт внедрения результатов диссертационной работы в

учебный процесс

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 - Методика расчета и проектирования системы охлаждения

элементов на примере ВИД-750 кВт

ПРИЛОЖЕНИЕ 5 - Методика расчета и проектирования центробежного насоса для комплекса «ВИП - ЦН»

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АД - асинхронный двигатель

ДПР -датчик положения ротора

БУ - блок управления

ВБР - вероятность безотказной работы

ВИД - вентильный индукторный двигатель

ВИГ - вентильный индукторный генератор

ВИМ - вентильная индукторная машина

ВИМ БМ вентильная индукторная машина большой мощности

ВИП - вентильный индукторный привод

ЦН - центробежный насос

ВШХ - виброшумовые характеристики

ИД - индукторный двигатель

КПД - коэффициент полезного действия

МДС - магнитодвижущая сила

РИД - реактивный индукторный двигатель

САПР - система автоматизированного проектирования

СД - синхронный двигатель

СУ - система управления

ТАУ - теория автоматического управления

ЦМК - центральный микроконтроллер

ШД - шаговый двигатель

ШИМ - широтно-импульсная модуляция

ЭДС - электродвижущая сила

ЭП - электропривод

СРВ - социалистическая республика Вьетнам ВШХ-вибро-шумовые характеристики ВАХ-виброакустические характеристики

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЙ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ С ДВИГАТЕЛЕМ ДВУХПАКЕТНОЙ КОНСТРУКЦИИ»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность и степень разработанности избранной темы. Возрастающие технологические требования к качеству производственных процессов, необходимость внедрения высоких технологий обусловливают устойчивую тенденцию внедрения в различные отрасли промышленного производства регулируемых электроприводов. В связи с возрастанием цен на энергоносители и ограниченными возможностями увеличения мощности энергоге-нерирующих установок энергосбережение стало одним из приоритетных направлений технической политики в Российской Федерации и Социалистической Республике Вьетнам (СРВ). Так как электроприводы потребляют до 70 % вырабатываемой электроэнергии, наиболее существенная экономия электроэнергии может быть достигнута при использовании регулируемых электроприводов для управления технологическими процессами, что в сочетании с возможностями автоматизации может обеспечить оптимальное использование электроэнергии и других ресурсов [1,2].

Среди регулируемых электроприводов в последнее время постоянно расширяется применение вентильно-индукторных электроприводов (ВИП) малой и средней мощности в различных электротехнических комплексах и системах общепромышленного применения и специального назначения. Это объясняется хорошими удельными показателями вентильно-индукторных машин (ВИМ), недорогой технологией их производства, конструктивной простотой и надежностью. Преимущества ВИП перед другими типами регулируемых электроприводов подтверждены длительной эксплуатацией в условиях жестких климатических и механических воздействий.

В последнее пятилетие вентильно-индукторные электроприводы большой мощности (ВИП БМ) активно развиваются в Российской Федерации, и можно говорить о формировании нового класса вентильных электроприводов, конкурентоспособных с традиционными регулируемыми электроприводами. Идет процесс перехода от проектирования единичных изделий к разра-

ботке промышленного ряда вентильных индукторных машин. Электроприводы этого класса выходят на новый виток своего развития.

Существенный вклад в развитие ВИП внесли: д.т.н., профессор Бычков М.Г.; к.т.н., профессор Коломейцев Л.Ф.; д.т.н., профессор Птах Г.К.; д.т.н., профессор Пахомин С.А.; д.т.н., профессор Петрушин А.Д.; д.т.н., профессор Остриров В.Н.; д.т.н. профессор Козаченко В.Ф; T.J.E. Miller; E. Husain; P.J. Lawrenson, A.V. Radun и др.

В настоящее время, за рубежом лидерами в разработке и внедрении ВИП малой и средней мощности являются следующие компании: Японская компания Nidec Corporation (штаб-квартира в Киото); Американская компания Weir Speciality Pumps Ltd (Солт-Лейк-Сити, штат Юта); Компания Jaguar Land Rover (Индия). Однако, только в России имеются внедрённые разработки вентильно-индукторных электроприводов большой мощности (свыше 500 кВт). На кафедре «Электромеханика и электрические аппараты» ЮРГПУ (НПИ), ЗАО «ИРИС», МИП «Мехатроника» ЮРГПУ (НПИ), ООО НПП «Эметрон», ООО «ВИЭМ», МЭИ, НПП «ЦИКЛ+», НПО «Вектор», разработаны реальные коммерческие проекты с применением вентильных индукторных машин большой мощности для различных применений.

В ЗАО «ИРИС» спроектированы и испытаны ВИП БМ: ВИП-2000 мощностью 2000 кВт (200 мин-1) для прямого (безредукторного) привода гребного вала морского буксира, удовлетворяющие требованиям Морского Регистра России; ВИП-1600 мощностью 1600 кВт (1000 мин-1) и ВИП-1250 мощностью 1250 кВт (200 мин-1) для мельниц мокрого самоизмельчения по заданию АК «АЛРОСА» для обогатительной фабрики №12 Удачнинского ГОКа; ВИП-600 кВт в компрессорных установках для нужд горнодобывающей промышленности [7]. ВИД мощностью 2000 кВт при номинальной частоте 200 об/мин для гребного винта является вентильно -индукторным двигателем самой большой мощности, разработанным в России. При испытаниях до 50% номинальной нагрузки на стенде ЗАО «ИРИС» в г. Новочеркасске его

КПД составил 95,6%, виброперемещение не более 10мкм и виброскорость не более 0,5 мм/с) [20].

В 2003 г. ООО НПП «Эметрон» разработал ВИП мощностью 900 кВт (400 мин-1 ) для насоса, при испытаниях КПД этого привода составил 93,5%, а двигателя 96% [18].

С 2012 г. по 2014 г. предприятием ООО "ВИЭМ" под руководством и при участии учёных и специалистов ЮРГПУ (НПИ), разработаны и сданы Сибирской угольной энергетической компании несколько проектов суммарной мощностью 22,5 МВт: ВИП-1250-900 (12 шт.) мощностью 1250 кВт (900 мин-1) для магистрального ленточного конвейера КЛМ-4500 на Берёзовском разрезе в Красноярском крае; ВИП-1250-630 мощностью 1250 кВт (630 мин-1) для замены двигателей постоянного тока главных механизмов тяги, подъёма и вращения карьерного экскаватора (драглайна) ЭШ 20.90 №44 на Тугнуй-ском разрезе; ВИП-500-850 мощностью 500 кВт (850 мин-1) для тягового электропривода карьерного самосвала БелАЗ - 75131 грузоподъёмностью 136 т [13].

Опыт разработки и поставки вентильно-индукторных электроприводов (ВИП) средней и большой мощности от 315 кВт до 1200 кВт имеют учёные и специалисты НИУ МЭИ. На тепловых станциях Москвы в настоящее время работает 14 ВИП дымососов, вентиляторов и насосов. Индукторные машины спроектированы в научной группе Русакова A.M., силовая часть преобразователей частоты - в фирме НПП "Цикл+", а контроллеры управления преобразователем и все алгоритмы управления - в ООО "НПФ ВЕКТОР" [13].

Несмотря на то, что в настоящее время появились разные проекты с применением ВИП БМ, теоретические и практические исследования этих электроприводов носят эпизодический разрозненный характер, требуются методики проектирования и испытаний, направленные на повышение КПД и эксплуатационных показателей. В публикациях [62 - 65], посвященных современным математическим моделям вентильно -индукторных двигателей, как правило, отсутствует изложение особенностей алгоритмов, необходимых

для их реализации на программном уровне, что затрудняет их практическое использование. При проектировании, разработчики анализируют одну конструкцию, оптимизации подвергаются только отдельные узлы и детали, например, статор или ротор, а не их взаимосвязь, как между собой, так и с элементами многофазного силового электрического преобразователя. Результаты этих исследований достаточно сложно использовать при проектировании другой конструкции. Недостаточно разработана методика сравнения многочисленных возможных вариантов конфигурации магнитной системы, выбора главных размеров активной части ВИМ БМ, и трансформации параметров ВИП БМ от успешных реализованных приводов меньшей мощности, что умедляет процесс перехода к серийному производству ВИП этого класса.

Для регулируемых электроприводов большой мощности особое значение приобретает организация их экспериментальных исследований, реализация испытательных стендов, в частности, нагрузочных устройств, поскольку это связано с большими финансовыми затратами. Применение двухпакетной конструкции ВИМ и реализация режима их взаимного нагружения решают эту проблему.

Таким образом, актуальна задача создания методик проектирования и испытаний ВИМ БМ на базе теории подобия электромеханических преобразователей энергии, известных результатов теоретических и практических исследований ВИП. Основным инструментом исследований может быть комплекс современных компьютерных средств моделирования.

Объект исследований: электропривод большой мощности ВИП-750 для грунтовых насосов ГРАТ 1800/67. В качестве макетных образцов используются ВИП 3,0 ... 5,5 кВт для центробежных насосов (ЦН) ЦН-319, ЦН-320.

Предмет исследования: компьютерная модель ВИП БМ на базе программных комплексов Е1си и МайаЬ^тиНпк, ВИП-750 в режиме взаимного нагружения двух пакетов (двигатель-генератор) и при работе на реальном объекте.

Цель работы - Разработка методик проектирования и испытаний ВИП БМ с двигателем двухпакетной конструкции на основе расчетных и экспериментальных исследований, направленных на энергосбережение и повышение их эксплуатационных показателей.

Для достижения цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработана методика моделирования вентильно -индукторных электроприводов с разным количеством фаз и разными конфигурациями статора/ротора в программных комплексах Е1си и МайаЬ^тиНпк.

2. Исследование электромеханического комплекса вентильно-индукторный двигатель - центробежный насос на компьютерной модели ВИП-ЦН, которая базируется на совместном рассмотрении механических, гидравлических и электрических подсистем.

3. Проверка адекватности модели ВИП-ЦН и оценка энергосбережения при регулировании производительности насоса изменением частоты по результатам экспериментальных исследований лабораторной установки.

4. Проведен анализ различных исполнений и конструкций ВИМ БМ. Обоснованы преимущества двухпакетной конфигурации магнитной системы 18/12 с питанием фаз от несимметричных мостовых схем.

5. Исследование математической модели системы вентильно -индукторный двигатель - вентильно-индукторный генератор (ВИД-ВИГ) при испытании ВИП БМ способом взаимного нагружения. Получение зависимостей основных показателей ВИД-750 от угла включения импульса при различной длительности импульса во всем диапазоне регулирования частоты вращения от 75 до 750 об/мин.

6. Обоснование и разработка комплексной методики экспериментальных исследований ВИП БМ. Экспериментальное определение энергетических показателей и оценка качества управления ВИД-750 при различных значениях частоты вращения и нагрузки.

7. Экспериментальное исследование тепловых режимов ВИД-750 как

при взаимном нагружении пакетов, так и при работе на нагрузочную машину.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена методика определения коэффициентов электромагнитного подобия для вентильно-индукторных машин двухпакетной конструкции на основе расчетных и экспериментальных данных реализованных образцов «ВИП-ЦН» малой мощности путем совмещения работы в двигательном и генераторном режимах, отличающаяся введением полученных расчетного соотношения для электромагнитного момента через главные размеры активной части и выражения для максимального значения ЭДС в од-ноимпульсном режиме работы, обеспечивающая качество проектирования и функционирования ВИМ БМ двухпакетной конструкции в составе пульпово-го насоса ГРАТ-1800/67 (Пункты 2 и 3 паспорта специальности 05.09.03);

2. Предложен комплекс компьютерных моделей для проверки и уточнения результатов предварительных конструкторских расчётов двухпа-кетных ВИД, отличающийся реализацией в моделях ВИП системы одноим-пульсного управления и внесением в модели системы двигатель-генератор коэффициента электромагнитного подобия, позволяющий определить необходимые управляющие воздействия для формирования требуемых механических характеристик в режиме двигатель - генератор и в рабочем режиме, имитирующий электротехнический комплекс «ВИП БМ-пульпового насоса ГРАТ 1800/67» (Пункт 1 паспорта специальности 05.09.03);

3. Предложена методика построения компьютерной модели электротехнического комплекса «регулируемый электропривод - центробежный насос», отличающейся возможностью выделения при исследовании взаимодействующих механических, гидравлических и электрических подсистем (Пункт 1 паспорта специальности 05.09.03);

4. В результате математического моделирования и экспериментал ь-ных исследований различных режимов способом взаимного нагружения двух

пакетов получены законы управления системой двигатель-генератор, реализующие заданные механические характеристики и законы управления ВИД-750 для пульпового насоса ГРАТ 1800/67 в рабочем режиме (Пункт 4 паспорта специальности 05.09.03);

5. Разработана комплексная методика пусконаладочных работ и приемо-сдаточных испытаний двухпакетного ВИД большой мощности, отличающаяся тем, что испытания выполняются с учетом введенного в алгоритм управления коэффициента электромагнитного подобия способом взаимного нагружения двух частей электрической машины, обеспечивающая проверку работоспособности, функционирования электротехнического комплекса ВИП-пульпового насоса ГРАТ 1800/67 во всем диапазоне регулирования скорости и нагрузки, получение требуемых механических характеристик, экспериментальное определение параметров ВИП, оценку энергетических и тепловых показателей рабочих режимов (Пункт 4 паспорта специальности 05.09.03).

Практическая ценность работы и ее реализация.

1. Основным практическим результатом проведённых исследований является разработка программного комплекса для проектирования ВИП БМ, который показал свою эффективность при реализации проекта ВИП-750 для грунтовых насосов ГРАТ 1800/67.

2. Результаты проведенных экспериментальных исследований ВИП-750 подтверждают его соответствие требуемым техническим характеристикам.

3. Вентильно-индукторный привод ВИП-750 для грунтовых насосов ГРАТ 1800/67 успешно внедрен на фабрике № 12 Удачнинского ГОКа АК «Алроса» (ПАО) в электротехнический комплекс по извлечению алмазов из руды.

4. Электротехнический комплекс «ЦН-320 с ВИП-3 кВт» внедрен в учебный процесс кафедры «Электроснабжение и электропривод» ЮРГПУ (НПИ).

Методология и методы исследований.

Исследования базируются на теории электропривода, теории автоматического управления, теории электрических машин, теории подобия, теоретической электротехнике, теории цифровой обработки сигналов, методах математического моделирования.

Положения, выносимые на защиту.

1. Методика определения коэффициентов электромагнитного подобия для вентильно-индукторных машин двухпакетной конструкции на основе расчетных и экспериментальных данных реализованных образцов «ВИП-ЦН» малой мощности путем совмещения работы в двигательном и генераторном режимах, отличающаяся введением полученных расчетного соотношения для электромагнитного момента через главные размеры активной части и выражения для максимального значения ЭДС в одноимпульсном режиме работы, обеспечивающая качество проектирования и функционирования ВИМ БМ двухпакетной конструкции в составе пульпового насоса ГРАТ-1800/67

2. Результаты исследования электромеханического комплекса ВИД -центробежный насос на компьютерной модели и проверки её адекватности на лабораторной установке с альтернативным электронасосным агрегатом ЦН-319А.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований системы ВИД-ВИГ, реализующие заданные механические характеристики в режиме взаимного нагружения и законы управления ВИД-750 в рабочем режиме.

4. Комплексная методика экспериментальных исследований ВИП БМ двухпакетной конструкции, обеспечивающая определение энергетических показателей и оценку качества управления ВИД-750 при различных значениях частоты вращения и нагрузки.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендациий подтверждена корректным использованием методов компь-

ютерного моделирования и экспериментальных исследований, сходимостью полученных теоретических результатов с данными испытаний промышленных образцов.

Внедрение результатов работы.

1. Вентильно-индукторный электропривод ВИП-750 для грунтовых насосов ГРАТ 1800/67 успешно внедрен на фабрике № 12 Удачнинского ГОКа АК «Алроса» (ПАО) в электротехнический комплекс по извлечению алмазов из руды.

2. Методики и результаты исследований внедрены в учебный процесс кафедры «Электроснабжение и электропривод» ЮРГПУ (НПИ) при обучении магистров по направлению «Электроэнергетика и электротехника».

3. Практическая полезность работы отражается в эффективном использовании разработанных программных средств в конкретных коммерческих проектах, во внедрении их в инженерную практику в ЗАО «ИРИС» и ООО «МИП «Мехатроника» ЮРГТУ (НПИ)».

Апробация. Основные результаты диссертационной работы обсуждены и одобрены на: научно-технической конференции «Энергетика и энергосберегающие технологии» (г. Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2014 г.); VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2014, г. Саранск; XXXVIII сессия семинара «Кибернетика энергетических систем» (г. Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2016 г.)

Соответствие паспорту специальности. Диссертационная работа соответствует п.3 «Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления» паспорта специальности 05.09.03 -«Электротехнические комплексы и системы».

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 19 печатных работ, в том числе 4 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, одна монография.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 197 страницах, включая 12 таблиц и 111 иллюстраций. Список использованной литературы включает 106 наименований. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и 5 приложений.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫХ МАШИН

БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВА ИХ РАЗВИТИЯ

1.1. Обзор вентильно-индукторных машин большой мощности, зарубежный и отечественный опыт

1.1.1. Общая структура, принцип работы и достоинства вентильно-индукторных двигателей

Вентильно-индукторный двигатель - это относительно новый тип электромеханического преобразователя энергии, который сочетает в себе свойства и электрической машины, и интегрированной системы регулирования. Как всякий электродвигатель, он обеспечивает преобразование электрической энергии, которая поступает от питающей сети, в механическую энергию, передаваемую в нагрузку. Как система регулируемого электропривода, ВИД дает возможность осуществлять управление этим процессом в соответствии с особенностями конкретной нагрузки: регулировать частоту вращения, момент, мощность и т.д. [3-5].

На рисунке 1.1 показана функциональная схема вентильно-индукторного электропривода, где В - выпрямитель; И - инвертор; ВИД -вентильно-индукторный двигатель; ДПР- датчик положения ротора. Плата

тропривода

управления на основе информации, получаемой от ДПР, формирует сигналы управления для обеспечения работы инвертора. Инвертор в соответствии с

сигналами управления преобразует параметры электрической энергии, получаемой от источника постоянного напряжения, и обеспечивает работу ВИД с возможностью регулирования частоты вращения и момента.

Двигатель состоит из неподвижного статора 1, на зубцах которого расположена сосредоточенная обмотка 2, и подвижного зубчатого ротора 3. Пакеты статора и ротора набраны из листов электротехнической стали. Обмотка состоит из концентрических катушек, соединенных в группы. Каждая фаза двигателя питается от полумостового инвертора, схема которого показана на рисунке 1.1.

В основе принципа действия ВИД лежит изменение индуктивности обмотки в зависимости от углового положения ротора относительно статора [3,6,7]. Инвертор фазы ВИД классического исполнения строят по так называемой полумостовой схеме (рисунок 1.2). Такая конфигурация силовой части обеспечивает все требуемые режимы. Алгоритм работы схемы в общем случае заключается в следующем: первый интервал - одновременно открываются транзисторы УТ1 и УТ2, при этом фазная обмотка оказывается подключенной к входному напряжению, ток в обмотке начинает нарастать,

УР2 УТ2

к фазной обмотке

Рисунок 1.2 - Упрощенная схема полумоста определенная часть этого тока разряжает конденсатор С1; второй интервал -при открытом транзисторе УТ1 закрывается транзистор УТ2, при этом ток в обмотке начинает протекать по контуру: открытый транзистор УТ2 - диод У01, ток в обмотке медленно уменьшается, обмен энергией между фазной обмоткой и конденсатором С1 отсутствует; третий интервал - закрывается транзистор УТ2, ток в обмотке начинает протекать через диоды У01 и У02,

+ ивх

-Иду

Ф С1

5

при этом к обмотке прикладывается отрицательное напряжение, ток в обмотке быстро спадает до нуля, часть этого тока подзаряжает конденсатор С1.

Достоинства вентильно-индукторных двигателей

Из преимуществ ВИД, с технической и экономической стороны, по сравнению с синхронным и асинхронным двигателями можно отметить следующие:

- важнейшим, с точки зрения энергосбережения, преимуществом ВИД является сохранение высокого значения КПД двигателя, близкого к номинальному (для крупных машин 96-98 %), в часто встречающихся режимах работы с неполной нагрузкой на валу [8];

- меньшие пульсации электромагнитного момента [6,7];

- точность управления моментом, возможность регулирования частоты вращения в широком диапазоне, более качественный плавный пуск (увеличение срока службы обмоток двигателя, передаточных деталей и прочих элементов насоса и двигателя) [9]

- простота конструкции магнитопроводов статора и ротора и катушечных обмоток двигателя, не имеющих пересекающихся лобовых частей, обеспечивает высокую технологичность при изготовлении, повышенные надежность и низкое количество отказов, долговечность и ремонтопригодность (снижение затрат на текущий ремонт и обслуживание);

- ротор не имеет обмоток, потери в стали ротора незначительны, поэтому от него не требуется отвода тепла;

- повышенная живучесть ВИД обеспечивается за счет магнитной независимости фазных обмоток в двигателе и электрической независимости фазных блоков в преобразователе частоты, поэтому повреждение какой-либо одной или нескольких фаз не приводит к полной потере работоспособности привода, снижается только его мощность;

- каждая секция может рассматриваться как независимая обмотка;

- секционирование статорной обмотки двигателя позволяет ограничить установленную мощность инвертора секции значением, реализуемым при

использовании стандартной элементной базы без необходимости перехода к высоковольтной технике, что открывает перспективу создания вентильно-индукторных приводов на мощности до нескольких мегаватт; при стандартных уровнях напряжения до 1000 В [7];

- секционирование статорной обмотки двигателя существенно повышает надежность электропривода, так как при выходе из строя одного силового канала остальные остаются в рабочем состоянии [10].

1.1.2. Сравнение безотказности ВИМ с безотказностью других типов электрических машин

Электрические машины, от момента зарождения в виде идеи или какого-либо проекта до непосредственного выполнения определенных функций, проходят длительный путь: проектирование, изготовление, эксплуатацию, ремонт, модернизацию, повторное использование. На основных этапах этого пути техническому изделию соответствуют различные виды оценки его надежности: конструктивная надежность, т.е. надежность, которая заложена в изделие при проектировании; технологическая надежность, характеризующая изделие сразу после его изготовления на заводе; эксплуатационная надежность, отражающая поведение машины или аппарата в процессе эксплуатации.

Асинхронные двигатели - наиболее распространенный тип электрических машин. В статистических исследованиях выделяют два слабых с точки зрения надежности узла асинхронных короткозамкнутых двигателей: обмотку статора и подшипниковый узел.

В большинстве случаев (85 - 95 %) отказы асинхронных двигателей мощностью свыше 5 кВт происходят из-за повреждения обмоток и распределяются следующим образом: межвитковые замыкания - 93 %, пробой межфазной изоляции - 5 %, пробой пазовой изоляции - 2 %. На подшипниковый узел приходится 5-8 % отказов, и небольшой процент связан с такими при-

чинами, как распайка выводных концов, скручивание валов, разрыв стержней ротора и др____[11].

Причины отказов можно дифференцировать следующим образом: технологические составляют примерно 35 %, эксплуатационные (в основном из-за неудовлетворительной защиты электродвигателей) - 50 % и конструкционные - 15 %.

Приведенные выше данные об отказах были получены, в основном, в результате исследований отказов асинхронных двигателей общепромышленного применения.

Источником информации для получения показателей надежности синхронных машин большой мощности являются данные эксплуатации, так как организация испытаний таких машин на надежность не представляется возможной.

Особенностью условий работы синхронных машин большой мощности является высокое качество обслуживания. Вместе с тем в процессе эксплуатации обычно происходит доводка, усовершенствование, модернизация двигателей и вспомогательного оборудования, что позволяет повысить надежность синхронных машин. Другой особенностью условий эксплуатации синхронных машин являются периодические капитальные и планово-предупредительные ремонты и испытания, в процессе которых обнаруживаются различные повреждения. Своевременное устранение таких неисправностей повышает надежность машин, так как уменьшает вероятность аварийных отказов.

Статистические данные свидетельствуют о том, что одной из основных причин отказов синхронных машин являются заводские дефекты. В течение первого периода работы (5 - 10 тыс. ч) имеет место приработка, когда заменяются и ремонтируются детали, обладающие заводскими дефектами. Затем наступает период нормальной эксплуатации, продолжительность которого в обычных условиях составляет 15 - 20 лет. В конце этого периода начинается

постепенное учащение отказов, связанное с износом и старением изоляционных и других материалов и элементов конструкции [11].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нгуен Куанг Кхоа, 2017 год

/ /

0 2 4 6 г, М.с

и, В Т, Вс

1.6

500

1.2

0 0.8

-500 0.4

0

-1000 0

а)

300 б)

600

г, А

Рисунок 4.24. а - Осциллограмм ы напряжения и тока в номинальном

режиме; б - Рабочий цикл коммутации фазы у(г). Энергетические показатели этого режима определены в [34]. Расчёт среднего значения р эл (0 на периоде коммутации гком= 6,67 мс дает значение

р

эл.цикла

= 130 кВт. Механическая мощность, развиваемая одной фазой преобра-

зователя (без учета механических потерь)

р А= р -АР -АР = 125.8кВт.

мех. пф эл. цикла эл

При условии равномерности распределения нагрузки между фазами преобразователя и идентичности работы всех трёх фаз в каждом из двух пакетов имеем суммарную электрическую мощность и суммарную механическую мощность:

Рэл = бицикла = 6 • 130 = 780кВт, = 6Рмех.пф = 6 •125,8 = 754,8^

КПД = Рмех / Рэл • 100% = 96,7%.

Из графика ^эл (г) (рисунок 4.24, б) по [52] определяем значение

коэффициента электромеханического преобразования

кэмп = ^мех / ^эл.вкл = 1.0/1,2 = 0,83.

Значение вращающего момента на валу находим по формуле

М = РМеХ / Ю = 9,6кНм.

В следующем разделе рассматриваются режимы совместной работы в одноимпульсном режиме двигательной и генераторной секций и оценка их энергетических показателей.

4.4. Методика расчета энергетических показателей ВИД-750 при одноимпульсном режиме двигателя-генератора

Согласно [105] в этом разделе рассматривается методика косвенной оценки энергетических параметров ВИД, работающего в режиме двигателя -генератора. При испытании выполнен расчет энергетических показателей ВИП-750, работа которого проходила в одноимпульсном режиме, осциллограммы работы как двигательного, так и генераторного пакета. Для получения такого режима (№ 16) были заданы следующие углы коммутации для пакета двигателя авкл = -20; аоткл1 = 90; аоткл2 = 162 эл. гр. и пакета генератора авкл = 140; аоткл1 = 225; аоткл2 = 305эл. гр. Исходные осциллограммы приведены на рисунке 4.25. На рисунке 4.26 показаны совмещённые в координатах (i, а) импульсы токов двигательной и генераторной секций. Интегральные показатели приведены в таблицах 4.2 и 4.3. При проведении опыта режимы двигательный и генераторный были обменяны между пакетами - фазы d, e, f работали в двигательном режиме, а фазы a, b, c - в генераторном, но это не отражено в таблице 4.2.

Импульсы токов разных фаз одного пакета практически совпадают, не полностью симметричны относительно угла согласованного положения а = 180 эл. гр., что может внести некоторую погрешность в вычисления энергетических показателей. С учетом сказанного получены значения Рда - Рген = 612 кВт, Рдв + Рген = 66 кВт [106].

а) б)

Рисунок 4.25 - Режим № 16 Определение суммарных потерь как разности двух близких по значе-

нию величин, рассчитываемых по осциллограммам

АРе = |Рдв| -

генЬ

(4.10)

принципиально не может иметь высокую точность. Для повышения точности определения АРе и КПД проводятся непосредственные измерения токов по схеме на рисунке 4.1. Для режима, близкого к рассмотренному, при п = 750 об/мин получены следующие значения:

иРс = 933 В по показаниям вольтметра РУ1;

¿, а

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

360 а, эл.град.

Рисунок 4.26 - Совмещённые осциллограммы токов для режима № 16 /бС= 47 А - ток потребления от выпрямителя по показаниям амперметра РА1; /дс.дв=358 А- ток звена постоянного тока двигателя по показаниям амперметра РА2; /^сген=307 А- ток звена постоянного тока генератора по показаниям амперметра РАЗ.

-60

0

60

180

240

300

Далее рассчитываются:

Мощность, потребляемая из сети (по выпрямителю): АР = ^с^с = 43,9 кВт. Мощность, потребляемая двигателем: Рдв = ^с/дс.дв = 334,5 кВт. Мощность, выдаваемая генератором: Рген = UDcJвc.гш = 286,9 кВт. Предполагая, что при одинаковой скорости вращения и при примерно одинаковых токах фаз «пакета-двигателя» и «пакета-генератора» потери в двигателе и генераторе одинаковы и равны половине мощности, потребляемой из сети по звену постоянного тока АР^/2, можно рассчитать:

электромагнитный момент на валу двигателя и генератора

РДВ -АР2/ 2 М = -^В-— = 3,98кНм,

ю

где ю - угловая скорость вращения вала;

коэффициенты полезного действия систем инвертор-двигатель, инвертор-генератор, средний КПД секций пакета в режиме двигателя и генератора:

Р — АР /2 КПД двигателя: лдв = —-— = 0,934,

РДВ Р

КПД генератора: Лген = --= 0,929,

РГЕН + АРХ / 2

средний КПД пакета ВИП: Л = Лдв *Лген = 0,932.

При проведении прямых измерений необходимо выполнять оценку погрешности изменений. Особую роль играет выполнение баланса токов

1бс= /бс.дв—/бс.ген . (4.11)

При экспериментальных измерениях он не может сходиться абсолютно точно, но относительная приборная погрешность измерения тока /вС должна быть существенно меньше суммы относительных приборных погрешностей измерения /пс.дв и /бс.ген.

А1ос/1ос= а/дс.дв/!дс.дв + А/пс.ген//бс.ген , (4.12)

где А/ос, А/ос.дв, А/дсген - абсолютные погрешности приборов, определяемые их классом точности и пределом измерения.

В нашем случае опыты производились с помощью датчиков тока с пределом измерения 1000 А с погрешностью ±0.4 % при измерении номинального тока и окружающей температуре воздуха +25 С, с ошибкой линейности измерений менее 0,1 %. Для повышения точности измерения Д/дс в соответствующий датчик тока было пропущено 5 проводников. При испытаниях применялся осциллограф TDS3034, который не имеет определенного постоянного класса точности. Для этого осциллографа применяются таблицы расчетов точности измерения при определенных режимах осциллографирования. Сбор данных проводился в режиме усреднений с величиной усреднения более 16 (свой внутренний параметр осциллографа) и абсолютном измерении любой точки сигнала, а также измерений отклонений и размаха. Измеренная величина сигнала с датчика тока имеет отклонение от измеряемой величины +-0,02х(показание-1(смещение-положения1+точность смещения+0,1деления) с измерением согласно расчетам относительная погрешность измерения токов составила не более 4,5%.

Намотав дополнительно 5 витков на датчик тока, мы искусственно увеличили точность измерения и не меняли диапазон измерения самого датчика тока, мы пропустили по нему практически номинальный ток и далее в расчетах делили полученный результат тока на 5. Диапазон измерения самого датчика оставался всегда неизменным (характеристика датчика), а мы добились того, что ток, измеряемый датчиком, был в его номинальном значении и это учитывали при расчетах мощности.

На рисунке 4.27 приведены зависимости суммарных потерь АРе от суммарной мощности двигательной и генераторной секций Рдв + Рген при проведении серии тепловых испытаний, рассмотренных в следующем разделе. Сплошными линиями с различными маркерами показаны значения АРе, рассчитанные по формуле (4.11) по показаниям измерительных приборов

РУ1, РА1. Штриховыми линиями с такими же маркерами показаны значения АРе = Рде-РГЕН, рассчитанные по показаниям приборов РУ1, РА2 и РАЗ. Там же штриховыми и пунктирными прямыми показаны уровни потерь, соответствующие КПД 92% и 94%.

АРе,

кВт 60,0

50,0

40,0

30,0

20,0

10,0

0,0 4

-10,0

ж ^ —

Э5Р **

^ ^о * Я "

т т , . • " ' \ч о

„ - » . . * " ' ***-- N

>ч V N —А

> чхх >

к0Вт

14.02.15 16.02.15 17.02.15 доп.

■ Рдв-Рген

■ Рдв-Рген Рдв-Рген

15.02.15 17.02.15 ■КПД=92%

Рдв-Рген Рдв-Рген КПД=94%

Рисунок 4.27. Зависимости АРЕ(Рдв+ген) при проведении серии тепловых испытаний

Графики наглядно показывают, что только мощность, потребляемая от выпрямителя, даёт достоверную информацию о АРе, поскольку все точки за исключением нескольких для 16.02.15 укладываются в диапазон КПД = 92...94 %. Значительные изменения Рдв + Рген в процессе проведения каждого испытания объясняются тем, что на начальном этапе осуществлялась экспериментальная подстройка углов управления как двигательной, так и генераторной секций с целью получения заданной мощности при заданной скорости и оптимизации формы токов. При этом значения АРе в пределах одного испытания изменялись мало. Точки же, полученные как разность Рдв-Рген, имеют значительный разброс, что свидетельствует о значительной доле случайных погрешностей.

4.5. Экспериментальное определение тепловых режимов ВИД-750

Необходимым условием функционирования любой электрической машины является отвод выделяемых в её активной части тепловых потерь во внешнюю среду при допустимой для применяемых изоляционных материалов максимальной температуре наиболее нагретых частей, которыми обычно являются фазные обмотки. Для оценки эффективности системы охлаждения ВИД-750 была проведена серия испытаний при номинальной частоте вращения и различных уровнях нагрузки в режиме взаимного нагружения пакетов. Для оценки распределения тепловых потоков в машине было установлено 5 датчиков температуры:

1. Температура воздуха пакета ABC - «Возд_АВС»;

2. Температура воздуха внутреннего вентилятора «Возд_вент»;

3. Температура воздуха пакета DEF - «Возд_БЕЕ»;

4. Температура стали пакета DEF - «Сгаль_DEF»;

5. Температура катушки пакета DEF - «Кат_DEF».

Остальные измерения нагрева проводились тепловизором:

6. Температура катушки-1 пакета ABC - «Кат_АВС1»;

7. Температура катушки-2 пакета ABC - «Кат_АВС2»;

8. Температура подшипника рабочей стороны вала «Подш»;

9. Температура стали пакета ABC- «Сталь_АВС»;

10.Температура ротора со стороны пакета ABC«Ротор».

На период испытаний фазы DEF пакета, расположенного на стороне ДПР и внешнего вентилятора, использовались в режиме генератора, фазы ABC (рабочая сторона вала) - в режиме двигателя.

Геометрическое расположение датчиков температур и точек измерения в ИД-750 представлено на рисунке 4.28.

Первоначально в системе охлаждения ИД-750 с самовентиляцией закрытого типа был предусмотрен трубчатый охладитель в верхней части двигателя (рисунок 4.29), продуваемый внешним воздухом с помощью крыльчатки внешнего вентилятора, установленной на валу со стороны, противоположной

Рисунок 4.28. Расположение датчиков температур ИД-750 и измеряемых тепловизором точек

рабочему концу вала. На рисунке 4.30 приведены графики изменения температур в процессе нагрева под суммарной нагрузкой двигательного и генераторного пакетов 520 кВт (до 180 мин.) и последующего охлаждения, весь процесс происходит при п = 750 мин/об до 390 мин.

Интервал нагревания явно разделяется на два этапа. При ^ 60 мин все температуры (за исключением температуры крышки подшипника) вначале быстро нарастают, а потом замедляют темп своего изменения. Начальные значения у графиков различны, поскольку этому испытанию предшествовали другие и двигатель не успел полностью охладиться. Далее все графики продолжают расти, но с примерно одинаковым темпом в 15 °С/час, поскольку разность между ними практически не изменяется. Такой характер изменения температур можно объяснить стабилизацией тепловых потоков от источников выделения тепловых потерь, которыми являются катушки обмотки и сталь магнитопровода, к массивному телу с большой теплоёмкостью и отно-

сительно малым коэффициентом теплоотдачи во внешнюю среду. Такими телами в конструкции ИД-750 являются ротор и магнитный сердечник статора.

I ■!

Рисунок 4.29. Внешний вид ИД-750 с трубчатым охладителем При ? = 180 мин была отключена генераторная секция, и далее двигатель работал в режиме холостого хода. Температуры катушек разных пакетов начали снижаться с разным темпом, приближаясь к температурам стали своих пакетов. Температура внутреннего воздуха повторяет форму графика «Сталь_DEF» с постепенным уменьшением разницы от 30 °С до 10 °С. При ¿>390 мин она немного возрастает, поскольку двигатель был остановлен, и циркуляция внутреннего воздуха прекратилась. Фактически испытание было прекращено при ? = 180 мин, поскольку температуры «Кат_DEF» и «Кат_АВС3» достигли 150°С, а снижения темпа роста не наблюдалось.

т,

160

140 120 100 80 60 40 20

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 мин

Рисунок 4.30. Графики нагрева/охлаждения ИД-750 с трубчатым охладителем при Р = 520 кВт

При следующем испытании с целью улучшения отвода теплоты из внутреннего пространства ИД-750 и выяснения причин малой эффективности системы охлаждения были закрыты входные отверстия трубчатого охладителя со стороны внешнего вентилятора и открыты все смотровые лючки как со

т,

160

140

120

100 80 60 40 20

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 ■ 0, МНИ

Рисунок 4.31. Графики нагрева ИД-750 с заблокированным трубчатым охладителем и открытыми лючками при P = 600 кВт стороны внешнего вентилятора, так и выходного вала. Тем самым весь поток внешнего охлаждающего воздуха был перенаправлен из охладителя во внутреннее пространство двигателя. Графики температур для этого случая приведены на рисунке 4.31. Из них следует, что даже при увеличенной до 600 кВт нагрузке и вдвое большей длительности её действия по сравнению с предыдущим испытанием температура наиболее нагретой катушки не превышает 110оС и все сигналы остаются почти неизменными после 5 часов нагрева. Различие в температурах катушек и стали пакетов ABC и DEF объясняется тем, что пакет ABC, расположенный со стороны выходного вала, охлаждается воздухом, уже нагретым от пакета DEF.

Полученный результат указывает на то, что в штатном варианте системы охлаждения недостаточно эффективно работает трубчатый охладитель или к нему плохо поступает теплота через конвекцию внутреннего воздуха.

На рисунке 4.32 приведены графики температур, полученные при испытании после принятия решения о переходе от замкнутого к продуваемому

внешним воздухом типу охлаждения и переделке охладителя в распределитель потоков воздуха. Его новая конструкция обеспечивает поступление воздуха в крайние области ИД-750 и отвод нагретого воздуха из центральной части. Их сравнение с рисунком 4.31 показывает, что при несколько меньшей нагрузке максимальные температуры возросли не более чем на 5 °С, а в целом форма графиков и

т ос 160 140 120 100 80 6

40 20

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 t , мин

Рисунок 4.32. Графики нагрева ИД-750 после переделки охладителя при

P = 550 кВт

их соотношения остались неизменными. Исключением являются сигналы «Сталь_DEF» и «Возд_DEF», значения которых уменьшились на 15...25 °С из-за того, что их датчики находятся в непосредственной близости от внешнего вентилятора.

На рисунке 4.33 приведены графики температур последующего испытания при P = 650 кВт. Увеличение нагрузки привело к тому, что установившееся к 330 мин. значение «Кат_АВС2» возросло до 140°С. Далее были открыты лючки со стороны выходного вала, что привело к снижению температур примерно на 20°С. Это дало основания утверждать, что для повышения эффективности системы охлаждения требуется более интенсивная циркуляция воздуха во внутренних полостях электродвигателя.

т, 0с

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 г, мин

Рисунок 4.33. Графики нагрева ИД-750 после переделки охладителя при

Р = 650 кВт

На рисунке 4.34 в координатах (/, а) совмещены осциллограммы токов для приведенных выше графиков нагрева при Р = 550 кВт (сплошные линии) и Р = 650 кВт (штриховые линии), а также для режима № 16 (тонкие линии). Их сравнение для двигательного пакета (рисунок 4.34, а) наглядно показывает, что увеличение среднего значения мощности достигается за счёт относительно небольших сдвигов авкл в сторону опережения, что проявляется в амплитудных значениях токов. Но эти значения не остаются постоянными, а медленно изменяются. Возможной причиной являются колебания скорости, которые не отслеживаются системой управления, а совмещение импульсов тока производилось для первого импульса на осциллограмме по моменту появления тока. Предполагалось, что в этот момент а = авкл.

Совмещение импульсов тока для генераторного пакета (рисунок 4.34, б) осуществлялось по моменту отключения первого импульса на осциллограмме. Предполагалось, что в этот момент а = аоткл2. В этом случае участки нарастания токов для разных режимов практически совпадают, а амплитудные значения и участок последующего спадания токов определяются заданным значением аоткл2.

Совмещение циклов коммутации фаз двигательного и

генераторного пакетов для рассматриваемых случаев (рисунок 4.35)

I, А 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

—р= -№ 650 кВт--Р=650 кВт 16 -№ 16 550 кВт -Р=550 кВт -. =650 кВт 16 =550 кВт

/»1 л г . л

/ 1 / ' 1 / ii / //

4 1/1 1/ /// и

\\ 1 1 1 1 I и

\ 1 II и/ 1 11 1и

V У

¡ж, к а 11\ X 1/

1 4 1 \ 1 \ 1

-

-20 40 100 160 220 280 340 400 460 520 580 а, эл.гр.

а)

», а

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

40 100 160 220 280 340 400 460 520 580 640 а, эл.гр.

б)

Рисунок. 4.34. Осциллограммы токов при проведении тепловых испытаний: а

- пакет двигателя, б - пакет генератора показывает, что в режиме № 16 максимальные значения потокосцепления практически совпадают. Различия в форме циклов проявляются на участке нарастания тока для двигателя и соответствующем ему участке спадания тока для генератора, а также в начальном участке спадания тока для двигателя и соответствующем ему конечном участке нарастания тока для генератора. Разность площадей циклов двигателя и генератора, обусловленная этими различиями, определяет суммарные потери энергии.

Для режима Р = 550 кВт цикл двигателя почти полностью вписывается в цикл режима № 16, отличаясь только меньшим максимальным значением потокосцепления. Максимальные значения потокосцепления для генератора выше, чем для двигателя, а из-за этого более сильно отличаются участки

нарастания тока для двигателя и спадания тока для генератора. Сравнение с площадью цикла коммутации режима № 11 даёт оценку возможной перегрузочной способности по моменту.

Рисунок. 4.35. Циклы коммутации фазы при проведении тепловых испытаний После соответствующих доработок в конструкции ротора дальнейшие испытания были проведены на заключительном этапе приемо-сдаточных испытаний на стенде с генератором постоянного тока в качестве нагрузочной машины (рисунок 4.36) при одновременной работе обоих пакетов ИД-750 в двигательном режиме и номинальной нагрузке. Схема испытательного стенда показана на рисунке 4.37.

Рисунок 4.36. Испытательный стенд с генератором постоянного тока Проведенные доработки системы циркуляции воздуха внутри машины позволили выйти на установившийся режим с допустимыми уровнями температур при номинальной нагрузке. На рисунке 4.38 показаны осциллограммы секции ABC при номинальной нагрузке и частоте, авкл = -27,6 эл. гр., аотк1 = 76,5 эл. гр.,аотк2 = 134,2 эл. гр.

Рисунок 4.37. Схема испытательного стенда с генератором постоянного тока

/ \ \

\ / \/ \

\ /\ / \ \

106 Тдиск ^^ Л 320 Тдиск / / Л ___/ 532 Тдиск 746 Тдиск 'т^чн» 960 Тдиск / \ — Л 1172 Тдиск

Величина время

Ток Фазы У[4070„17) Ток ФазыЩ|4070.18) Напряжение ЗПТ[4070,03]

Курсор1 443 Тдиск

877.23 А □ А

338,67 В

Курсор2 Е1Э Тдиск

73,711 А 831 41 А 343,1 В

1-2 ■17Е Тдиск

803,52 А ■831.41 А ■10,43 В

Рисунок 4.38. Осциллограмма рабочего режима одного пакета ВИД-750 на номинальной мощности и частоте

О 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 час/'г

Рисунок 4.39. График нагрева ИД-750 при номинальном рабочем режиме Графики температур в двигателе при нагреве в течение 72 часов показаны на рисунке 4.39. Показанный там же сигнал напряжения питания Пвс позволяет оценить влияние его изменений на графики температуры. Следует обратить внимание на специально организованные остановки привода на 60 и 66 часах работы для проверки кратковременных превышений температур из -за прекращения внутренней циркуляции воздуха. Существенные различия в

максимумах температур требуют дополнительных исследований, выявлении причин и способов их устранений [106].

Выводы по главе 4

1. Рассмотрена методика испытания ВИД двухпакетной конструкции в рабочих режимах энергоэффективным способом взаимного нагружения, не требующим применения специальных нагрузочных устройств. Сформулированы допущения, при которых достоверно определяются энергетические показатели режима работы.

2. Разработана и реализована процедура последовательности запуска, перехода в номинальный режим и оптимизации управляющих воздействий в режиме взаимного нагружения пакетов ВИД. Выполнен сопоставительный анализ возможных критериев оптимальности и установлено, что при итерационной последовательности изменения управляющих воздействий дополнительным оперативным критерием является форма импульсов тока.

3. Представлена методика и результаты обработки экспериментальных осциллограмм фазных токов для определения энергетических показателей ВИД в рабочих режимах. Для ИД-750 получены оценки коэффициентов формы токов и коэффициента электромеханического преобразования, значения которых могут использоваться при проектировании для расчёта действующего значения тока фазы 1$ по требуемой электрической мощности.

4. В результате анализа графиков нагрева/охлаждения ИД-750 в серии тепловых испытаний с различными конфигурациями системы охлаждения выявлены и экспериментально подтверждены её недостатки. Проведенные доработки системы циркуляции воздуха внутри машины позволили выйти на установившийся режим с допустимыми уровнями температур при номинальной нагрузке.

5. Методика испытаний ВИД БМ двухпакетной конструкции, работающего в режиме двигателя-генератора, успешно применена в образцах электроприводов с ИД-1600/1000 и ИД-1250/187 [56, 57].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Разработана методика моделирования вентильно - индукторных электроприводов с разным количеством фаз и разными конфигурациями статора/ротора в программных комплексах Elcut и Matlab/Simul ink.

2. Предложена методика построения компьютерной модели электротехнического комплекса регулируемый электропривод - центробежный насос с выделением взаимодействующих механических, гидравлических и электрических подсистем. Проверена адекватность модели ВИП-ЦН и выполнена оценка энергосбережения при регулировании производительности насоса изменением частоты по результатам экспериментальных исследований.

3. Проведен анализ различных исполнений и конструкций ВИМ БМ расчетным путем. Обоснованы преимущества двухпакетной конфигурации 18/12 с питанием фаз от несимметричных мостовых схем. Пульсация момента ДМ = 3,4%, КПД = 97%.

4. Предложена методика выбора конфигурации магнитной системы и определения главных размеров активной части ВИД БМ на основе электромагнитного подобия зубцовых зон с базовыми и мультиплицированными соотношениями числа зубцов статора и ротора, а также требования самонагру-жения за счёт одновременной работы части фаз в двигательном режиме, а другой части - в генераторном режиме.

5. Предложен комплекс компьютерных моделей для проверки и уточнения результатов предварительных конструктивных расчётов, оценки эффективности электромеханического преобразования энергии, определения оптимальных управляющих воздействий для формирования требуемых рабочих характеристик.

6. В результате моделирования и экспериментальных исследований системы ВИД-ВИГ получены законы управления испытательного стенда «дви-

гатель-генератор», реализующие заданные механические характеристики, и определены законы управления ВИД-750 в рабочем режиме.

7. Обоснована и разработана комплексная методика экспериментальных исследований ВИП БМ, обеспечивающая экспериментальное определение параметров ВИД, проверку адекватности использованных при проектировании математических моделей, оценку энергетических и тепловых показателей рабочих режимов.

8. Проведено экспериментальное исследование тепловых режимов ВИД -750 как при взаимном нагружении пакетов, так и при работе на нагрузочную машину. Анализ распределения температур при различных конфигурациях системы охлаждения и выработка рекомендаций по доработке системы циркуляции воздуха внутри машины позволили выйти на установившийся режим с допустимыми уровнями температур при номинальной нагрузке.

9. Вентильно-индукторный привод ВИП-750 для грунтовых насосов ГРАТ 1800/67 успешно внедряется на фабрике № 12 Удачнинского ГОКа АК «Алроса» (ПАО) в электротехнический комплекс по извлечению алмазов из руды. Электронасосный агрегат с использованием ВИД-750 потребляет на 150-200 кВт*час меньше, чем насосы, работающие с нерегулируемым асинхронным электроприводом за счет более высокого КПД (97%), и за счет регулирования производительности насоса при снижении числа оборотов двигателя. Внедрение ВИД приведет к снижению затрат на текущий ремонт и обслуживание как двигателя, так и насоса, за счет работы при пониженных оборотах и плавного пуска двигателя [55, 56].

Рекомендации по использованию результатов диссертационной работы.

Результаты диссертационной работы могут использоваться при проектировании вентильно - индукторных двигателей большой мощностина основе подобия с реализованными образцами двигателей меньшей мощности. В разделе 2.1, 2.2 приведена подробная методика расчета и моделирования ВИД с использованием комплексных программ Б1еи1 и МайаЬБтиНпк. В

разделе 2.3 приведена методика моделирования комплекса ВИП-ЦН, в том числе методика моделирования ЦН в программе FlowSimulationSolidWork и методика моделирования DC/DC повысительно-понизительного преобразователя. Методика испытания ВИД БМ двухпакетной конструкции способом взаимного нагружения может использоваться для испытания, как ВИД, так и ВИГ.

Перспективы дальнейшей разработки темы диссертации.

Почти все предложенные в диссертации методики теоретически можно продолжать усовершенствовать для повышения точности в различных практических ситуациях. Методика трансформации главных размеров магнитной системы и параметров обмоток ВИД на основе электромагнитного подобия может расширяться для трансформации параметров управления ВИД. Методика исследования комплекса ВИП-ЦН может расширяться для исследования различных электромеханических комплексов с разными типами нагрузки. Методика испытания ВИД БМ двухпакетной конструкции может расширяться для проверки функционирования ВИГ, получения желаемой характеристики и оптимизации управления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Браславский И.Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод:

Учеб. пособие для студ. высш. учеб. Заведений / И.Я. Браславский, З.Ш. Иш-матов, В.Н. Поляков. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 256 с.

2. Апиков В.Р. Энергосбережение средствами современного электропривода / В.Р. Апиков, А.П. Темирев, А.В. Саченко и др. // Электрическое питание. -2004. - №2. - С. 67 - 69.

3. Кузнецов В.А. Вентильно-индукторные двигатели: учебное пособие. - 2-е изд., испр. и доп. / В.А. Кузнецов, В.А. Кузмичев. - М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - 72 с.

4. http://elmech.mpei.ac.ru/books/edu/SRM_design/Index.html. (дата обращения 30.06.2016).

5. Пат. 2540319 РФ, Н02Р6/06 Н02Р25/08. Вентильно-индукторный электропривод с экстремальным режимом работы / А.А. Темирев, И.А. Квятков-ский и др. - зарегистрирован в Государственном реестре изобретений 10.02.2015.

6. Пат. 2237338, МКИ 7 Н 02 К 19/06, 1/06. Индукторный двигатель / В.Н. Давыдов, Б.В. Никифоров, А.П. Темирев и др.- зарегистрирован в Государственном реестре изобретений 27.09.2004.

7. Темирев А.П. Математическое моделирование, проектирование и экспериментальное определение параметров вентильно -индукторных электроприводов: монография / А.П. Темирев. - Новочеркасск: ЛИК, 2011. - 794 с.

8. Темирев А.П. Перспективы применения вентильно -индукторных электроприводов на горнообогатительных комбинатах акционерной компании «АЛРОСА» / А.П. Темирев, Г.К. Птах, А.В. Анисимов и др. // Известия вузов. Электромеханика. - 2009. - № 2 . - С. 42-50.

9. Бычков М.Г. Оптимизация режимов вентильно-индукторного электропривода средствами управления / М.Г. Бычков // Вестник МЭИ. -1998. - № 3. - С. 73-81.

10. Темирев А.П. Анализ и синтез электрогидравлической системы «вен-тильно-индукторный привод - центробежный насос» дизель-электрической подводной лодки: монография / А.П. Темирев, А.В. Анисимов, Нгуен Куанг Кхоа. - Новочеркасск: ЛИК, 2013. - 428 с.

11. Кузнецов Н.Л. Надежность электрических машин: учебное пособие для вузов / Н.Л. Кузнецов. -М.: Издательский дом МЭИ, 2006. - 432 с.

12. Темирев А.П. Пути повышения надежности инверторов для форсированного управления индукторным двигателем / А.П. Темирев, А.А. Михайлов, А.А. Цветков и др. // Электрическое питание. - 2004. - № 1. - С. 69-71.

13. Птах Г.К. Вентильно-индукторный реактивный электропривод средней и большой мощности: зарубежный и отечественный опыт / Г.К. Птах // Электротехника: сетевой электронный научный журнал. - 2015. - № 3. - С. 23-33.

14. http://www.usmotors.com/~/media/USMotors/Products/SwitchedReluctance/C ase-Studies/SR_CaseStudy-WeirSpecialtyPumps.ashx (дата обращения 17.08.2015).

15. http://www.compair.com (дата обращения 17.08.2015).

16. http://showmesse.com/english/news_show.asp?ID=4915 (дата обращения 17.08.2015).

17. http://nnm-club.me/forum/viewtopic.php?t=171525 (дата обращения 17.08.2015).

18. Коломейцев Л.Ф. Развитие теории и создание но- вых конструкций индукторных машин / Л.Ф. Коломейцев, С.А. Пахомин // Известия вузов. Электромеханика. - 2005. - №2. - С. 6-10.

19. Хомяк В.А. Перспективы применения вентильно -индукторных электроприводов в составе системы электродвижения кораблей и судов / В.А. Хомяк, А.П. Темирев, Нгуен Куанг Кхоа и др. // VIII Международная (XIX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2014., г. Саранск, 07-09 октября 2014г./ МГУ им. Н.П. Огарева, 2014. -С. 139-143.

20. Птах Г.К. Гребной вентильный индукторный реактивный двигатель для морского буксира мощностью 2 мВт. Результаты предварительных испыта-

ний / Г.К. Птах, В.А. Карабак, Д.А. Протасов и др. // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2010. - № 2. - С. 35-38.

21. Ptakh G.K. Switched reluctance motors for electric drive of overland belt conveyor / G.K. Ptakh, N.F. Evsin, D.A. Zvezdunov and ets. // Journal of International Conference on Electrical Machines and Systems. - 2014. - Vol. 3. - №. 4, - P. 409-414.

22. Бычков М.Г. Вентильно-индукторный электропривод: современное состояние и перспективы развития / М.Г. Бычков // Рынок электротехники. -2007.-№2.-С. 48-55.

23. Садовский Л.А. Развитие регулируемого электропривода с новыми типами машин переменного тока / Л.А. Садовский, В.Л. Виноградов, А.А Теми-рев и др. // Приводная техника. - 2001. - № 2, - С. 35-44.

24. Miller T.J.E. Brushless permanent-magnet and reluctance motor drives / T.J.E. Miller. - Oxford: Clarendon Press, 207 p.

25. Темирев А.П. Компьютерная лаборатория функционального проектирования вентильно-индукторных машин / А.П. Темирев, Б.В. Никифоров, О.Е. Лозицкий и др. // Силовая электроника в бортовых системах электроснабжения и электроприводах: материалы межотраслевого научно -технического семинара, г. Новочеркасск, 23-24 окт.2003 г. - 2004. - С.48-57.

26. Программа оптимизации вентильно-индукторного двигателя / Темирев А.П., Квятковский И.А., Цветков А.А. и др. // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005612325 от 08.09.05.

27. Программа исследования плоскопараллельных полей методом конечных элементов / Темирев А.П., Квятковский И.А., Цветков А.А. и др. // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005612324 от 08.09.05.

28. Программа расчета силовой части преобразователя для вентильно -индукторного двигателя / Темирев А.П., Квятковский И.А., Цветков А.А. и др.// Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005612326 от 08.09.05.

29. Программа расчета электромагнитных, механических и тепловых процессов в вентильно-индукторном двигателе/ Темирев А.П., Квятковский И.А., Цветков А.А. и др.// Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005612327 от 08.09.05.

30. Программа расчета электромагнитых процессов в преобразователе DC/DC с гальванической развязкой / Темирев А.П., Квятковский И.А., Цветков А.А. и др. // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005612328 от 08.09.05.

31. Программа управления вентильно-индукторным двигателем ВИД. / Темирев А.П., Луговец В.А., Цветков А.А. и др. // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005612314 от 08.09.05.

32. Программа расчета скорости и угла поворота ротора ВИД /Темирев А.П., Цветков А.А., Павлюков В.М. и др.// Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005612313 от 08.09.05.

33. Нгуен Куанг Кхоа. Методика моделирования вентильно-индукторных двигателей с помощью программ Elcut и MatlabSimulink / Нгуен Куанг Кхоа // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2016. - № 2. - С. 73-79.

34. Нгуен Куанг Кхоа. Исследование вентильно-индукторного двигателя большой мощности двухпакетной конструкции для пульповых насосов ГРАТ-1800/67 горнорудного оборудования / Нгуен Куанг Кхоа, А.П. Темирев // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2017. - №1. - С. 54-62.

35. Нгуен Куанг Кхоа. Вентильно-индукторный электропривод для горнообогатительных комбинатов акционерной компании «Алроса» / Нгуен Куанг Кхоа, С.А. Цветков, В.И. Киселев и др. // Интеллектуальные электромеханические системы и комплексы специального назначения: Материалы межотраслевого науч.-техн. семинара. г. Новочеркасск. 10-12 июня 2014 г. / Юж. -Рос. гос. политехн. ун-т (НПИ). 2014. - С. 70-76.

36. Никифоров Б.В. Расчет и проектирование ВИП-600 кВт для компрессоров горно-обогатительных комбинатов / Б.В. Никифоров, А.В. Квятковский, Нгу-

ен Куанг Кхоа и др. // Интеллектуальные электромеханические системы и комплексы специального назначения: Материалы межотраслевого науч.-техн. семинара. г. Новочеркасск. 10-12 июня 2014 г. / Юж. -Рос. гос. политехн. ун-т (НПИ). 2014. - С. 97-105.

37. Темирев А.П. Разработка и создание элементов интегрированных корабельных электротехнических систем / А.П. Темирев. - Ростов н/Д: Изд-во Ростовск. ун-та, 2005. - 546 с.

38. Темирев А.П. Теория и практика разработки судовых систем электроснабжения и бортовых блоков управления электродвигателей / А.П. Темирев. - Ростов н/Д: Изд-во Рост. ун-та, 2004. -250 с.

39. Цветков А.А. Сравнительный анализ способов управления в вентильно-индукторном электроприводе / А.А. Цветков, В.И. Киселев и др. // Интеллектуальные электромеханические системы и комплексы специального назначения: Материалы межотраслевого науч.-техн. семинара. г. Новочеркасск. 10 -12 июня 2014 г. / Юж. -Рос. гос. политехн. ун-т (НПИ). 2014. - С. 52 - 57.

40. Красовский А.Б. Получение максимальной выходной мощности вентиль-но-индукторного электропривода средствами управления / А.Б. Красовский // Электричество. - 2002. - № 9. - С. 29 - 36.

41. Красовский А.Б. Анализ условий формирования постоянства выходной мощности в вентильно-индукторном электроприводе / А.Б. Красовский // Электричество. - 2002. - №2. - С. 36 - 46.

42. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: Учеб. для вузов по спец. «Электрич. Машины» / И.П. Копылов. - М.: Высш. шк., 1987. - 248 с.

43. Иванов-Смоленский А.В. Электромагнитные силы и преобразование энергии в электрических машинах: Учеб. Пособие для вузов по спец. «Электромеханика» / А.В. Иванов-Смоленский. - М.: Высш. шк., 1989. - 312 с.

44. Малинин Л.И. Определение электромагнитных сил в электромеханических системах на основе физических законов / Л.И. Малинин, В.А. Кондратьев, В.Л. Малинин // Электричество. - 2012. - № 2. - С. 44-50.

45. Уайт Д.С. Электромеханическое преобразование энергии / Д.С. Уайт, Г.Х. Вудсон. - перев. С англ., М.-Л., Издательство «Энергия», 1964- 528 с.

46. Проектирование электрических машин: учебник для вузов. / под ред. И.П. Копылова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство Юрайт, 2011. -767 с.

47. Ся Беньчун. Исследование и разработка вентильных реактивных двигателей: Дис...канд. тех. наук / Ся Беньчун. - М., 1994.

48. Гольдберг О.Д. Проектирование электрических машин / О.Д. Гольдберг и др. - М.: МГОУ, 2001. - 161 с.

49. Веников В.А. Веников Г.В. Теория подобия и моделирования (применительно к задачам электроэнергетики): Учебник для вузов по спец. «Кибернетика электр. Систем». - 3-е изд., перераб. И доп. - М.: Высш. шк., 1984. - 439 с.

50. Загирняк М.В. Оценка электрических машин и их серий с использование функциональных зависимостей параметров от обобщенного линейного размера / М.В. Загирняк, Б.И. Невзлин // Техн. Электродинамика. - 2013. - №5. -С. 32-40.

51. Невзлин Б.И. Расширение границ зависимостей энергетических параметров вращающихся электрических машин от обобщенного линейного размера. Часть. 1. Уточнение зависимостей энергетических параметров вращающихся электрических машин от обобщенного линейного размера / Б.И. Невзлин, М.В. Загирняк // Известия вузов. Электромеханика. - 2002. - №3. - С. 10-17.

52. Бычков М.Г. Расчётные соотношения для определения главных размеров вентильно-индукторной машины / М.Г. Бычков, Р.С. Сусси // Электротехника. - 2000. - №3. -С. 15-19.

53. Никифоров Б.В. Вентильный индукторный привод для подводных лодок / Никифоров Борис Владимирович: автореф. дис... канд. техн. наук.- Санкт-Петербург., 2000.- 27с.

54. Нгуен Куанг Кхоа. Методика определения главных размеров вентильных индукторных машин большой мощности / Нгуен Куанг Кхоа, А.А. Голиков,

А.В. Бобров и др. // XXXVIII сессия семинара «Кибернетика энергетических систем» по тематике «диагностика энергооборудования». г. Новочеркасск. 17-19 октября 2016 г. / Юж. -Рос. гос. политехн. ун-т (НПИ). - 2016. - С. 151158.

55. Сайт Телерадиокомпания "Алмазный край" АК «АЛРОСА» (ОАО), прогресс на производстве, http://trk-alrosa.ru/syuzhetyi/udachnyiy/2037-progress-na-proizvodstve.html (дата обращения 31.10.2016).

56. Акт «Внедрения вентильно-индукторного двигателя 750 кВт на насосе ГРАТ-1800/67 № 25 обогатительной фабрики № 12 АК «АЛРОСА» (ПАО)». Шифр темы 23-07-036. Шифр работы 036-08/07. Номер документа 31-15 от 20.10.2015 г.

57. Пат. 99654 РФ, МКПО 1301. Индукторный электродвигатель ИД-1250/187. Темирев А.П., Цветков А.А., Киселев В.И. и др. - зарегистрирован в Государственном реестре изобретений 16.08.2016.

58. Нгуен Куанг Кхоа. Методика математического и экспериментального определения энергетических параметров вентильно-индукторного двигателя большой мощности двухпакетной конструкции / Нгуен Куанг Кхоа, Фам Конг Тао, Фам Ван Бьен // Международный научно- исследовательский журнал «Успехи современной науки». - 2016. -№ 9. - Том 4. С 149 - 155.

59. Пат. 99655 РФ, МКПО 1301. Индукторный электродвигатель ИД -1600/1000. Темирев А.П., Цветков А.А., Киселев В.И. и др. - зарегистрирован в Государственном реестре изобретений 16.08.2016.

60. Пат. 81206 РФ, МКПО 1301. Гребной индукторный электродвигатель ИД-2000. Темирев А.П., Цветков А.А., Киселев В.И. и др. - зарегистрирован в Государственном реестре изобретений 16.03.2012.

61. Никифоров Б.В. Корабельные системы электродвижения / Никифоров Борис Владимирович: Дис... док-ра техн. наук.- Санкт-Петербург., 2006.369 с.

62. Бычков М.Г. Анализ вентильно-индукторного электропривода с учетом локального насыщения магнитной системы / М.Г. Бычков // Электричество. -1998. -№ 6. -С. 50 - 53.

63. Коломейцев Л.Ф. Математическая модель для расчета электромагнитных процессов в многофазном управляемом реактивном индукторном двигателе / Л.Ф. Коломейцев, С.А. Пахомин, Д.В. Крайнов и др. // Изв.вузов. Электромеханика. -1998. -№ 1. -С. 49 - 53.

64. Киреев А.В. Математическая модель вентильного реактивного двигателя / А.В. Киреев // Электротехника. -1985.-№ 6. - С.43 - 48.

65. Темирев А.П. Математическая постановка задачи идентификации модели индукторного двигателя / А.П. Темирев, А.А. Цветков, С.П. Полищук // Научно-технический сборник. - Силовая электроника в бортовых системах электроснабжения и электроприводах. - 2003. -Ростов н/Д: Изд-во Рост.ун-та, 2004. - С.

66. Дубицкий С.Д. Elcut 5.1-платформа разработки приложений анализа полей / С.Д. Дубицкий // ExponentaPro. Математика в приложениях. -2004. -№ 1. -С. 20 -26.

67. Буль О.В. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов: Магнитные цепи, поля и программа FEMM: Учеб. Пособие для стд.высш. учеб. Заведений / О.Б. Буль. - М.: Издательский центр «Академия», 2005.-336 с.

68. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов / Л. Сегерлинд. -М. : Мир, 1979. - 232 с.

69. ELCUT. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов. Версия 5.1. Руководство пользователя. СПб.: Производственный кооператив ТОР, 2003. - 249 с.

70. ELCUT - программа моделирования электромагнитных, тепловых и механических задач. www.elcut.ru.

71. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink / И.В. Черных. - М.: ДМК Пресс;СПб: Питер, 2008. - 288 с.

72. Нгуен Куанг Кхоа. Исследование электромеханического комплекса: вен-тильно-индукторный электропривод - центробежный насос / Нгуен Куанг Кхоа // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2016. -№ 4. - С. 55-64.

73. Темирев А.П. Разработка проблемно-ориентированных компонентов электротехнических комплексов дизель-электрической подводной лодки и систем управления ими / Темирев Алексей Петрович : Дис.док-ра техн. наук.- М., 2006.

74. Темирев А.П. Разработка методики расчета судовых индукторных двигателей / А.П. Темирев, Б.В. Никифоров // Вопросы проектирования подводных лодок. - Выпуск. - № 12. - Электроэнергетические системы. - Изд.- ФГУП ЦКБ МТ «Рубин». 2000 г.- С.119-134.

75. Федотова А.А. Исследование вентильно-индукторных электроприводов насосных агрегатов подводных лодок / Федотова Алла Александровна: Дис... канд. техн. наук.- Санкт-Петербург., 2007 г.- 197с.

76. Водяник Г.М. Создание конструкции альтернативного электронасосного агрегата ЦН-319 / Г.М. Водяник, А.В. Анисимов, Б.В. Никифоров и др. // Силовая электроника корабельных электротехнических комплексов: Материалы межотраслевого научно-технического семинара, 21-22 мая 2005 г. 2006. С. 127-131.

77. Нгуен Куанг Кхоа. Проектирование и моделирование лопастных насосов в среде SoHdWorks 2012 с использованием пакета FlowSimulation 2012 / Нгу-ен Куанг Кхоа // Интеллектуальные электромеханические системы и комплексы специального назначения: Материалы межотраслевого науч.-техн. семинара. г. Новочеркасск. 10-12 июня 2014 г. / Юж. -Рос. гос. политехн. ун-т (НПИ). 2014. - С. 128-133.

78. Никифоров Б.В. Исследования вентильного индукторного двигателя в составе насосного агрегата / Б.В. Никифоров, А.А. Цветков // Электротехника. -2007. - № 6. - С. 22 - 33.

79. Шошиашвили М.Э. Вентильно-индукторный электропривод в составе насосного агрегата ДЭПЛ / М.Э. Шошиашвили, А.В. Анисимов, Нгуен Ку-анг Кхоа и др. // Энергетика и энергосберегающие технологии: материалы науч.-тех. конф., г Новочеркасск, 14-16 декабря 2014 г. / Юж.-Рос. гос. поли-техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЮРГПУ (НПИ), 2014. - С. 92 - 93.

80. Шошиашвили М.Э. Исследование законов управления вентильно -индукторным электроприводом при изменении возмущающих и управляющих воздействий в составе насосного агрегата / М.Э. Шошиашвили, А.В. Анисимов, Нгуен Куанг Кхоа и др. //Интеллектуальные электромеханические системы и комплексы специального назначения: Материалы межотраслевого науч.-техн. семинара. г. Новочеркасск. 10-12 июня 2014 г. / Юж. -Рос. гос. политехн. ун-т (НПИ). 2014. - С. 49-54.

81. CosmosFloWorks Tutorial 2012.

82. Михайлов А.К. Лопастные насосы. Теория, расчет и конструирование. А.К. Михайлов, В.В. Малюшенко - М., «Машиностроение», 1977. -288 с.

83. Алдокимов С.Н. Конверторы силовой электроники / С.Н. Алдокимов, Д.С. Дейнеко // практическая силовая электроника. - 2006. - № 22. - С. 2-15.

84. Кастров М.Ю. Выбор конденсаторов для преобразователей напряжения / М.Ю. Кастров, Г.М. Малышков, А.А. Герасимов и др. // Практическая силовая электроника. - № 10. - 2003. - С. 3-8.

85. Темирев А.А. Вентильно-индукторный электропривод мощностью 17,5 квт поршневого компрессора СКАВ-1 и его цепи питания / А.А. Темирев, А. А. Цветков, Нгуен Куанг Кхоа и др. // Интеллектуальные электромеханические системы и комплексы специального назначения: Материалы межотраслевого науч.-техн. семинара. г. Новочеркасск. 10-12 июня 2014 г. / Юж. -Рос. гос. политехн. ун-т (НПИ). 2014. - С. 77 - 83.

86. Волович Г.И. Моделирование однотактных DC/DC-преобразователей в пакете VisSim / Г.И. Волович // Современная электроника - № 3. -2005. - С. 56 - 61.

87. Макаренко В. Моделирование DC/DC-преобразователей в NI Multisim / В. Макаренко // Моделирование радиоэлектронных устройств - № 11. - 2011. С. 38 - 44.

88. http://www.agrovodcom.ru/infos1/skvazhinnye-nasosy6.php. (дата обращения 30.08.2016).

89. Нгуен Куанг Кхоа. Методика определения коэффициентов подобия вен-тильно-индукторных двигателей большой мощности двухпакетной конструкции / Нгуен Куанг Кхоа, А.П. Темирев // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». -2016. - №10. - С. 50 - 59.

90. Красовский А.Б. Исследование пульсаций момента в вентильно-индукторном электроприводе / А.Б. Красовский, М.Г. Бычков // Электричество. - 2001. - №10. - С. 33 - 44.

91. Пат. 44901 РФ, МПК 7 Н 02 М 7/48. Преобразователь для питания электродвигателя / В.Н. Давыдов, Б.В Никифоров, А.П. Темирев и др. - зарегистрирован в Государственном реестре изобретений 29.04.2004 г.

92. Пат. 2279173 РФ, МПК H02K19/36 H02P6/16. Индукторный двигатель/ Давыдов В.Н., Никифоров Б.В., Темирев А.П. - Опубл. 27.06.2006, Бюл. № 4.

93. Electronic Control of Switched Reluctance Machines / Edited by Miller T. J. E. - Newnes, 2001. - 272 p.

94. Нгуен Куанг Кхоа. Разработка датчика положения ротора в вентильных индукторных машинах большой мощности / Нгуен Куанг Кхоа, А.П. Темирев и др. // XXXVIII сессия семинара «Кибернетика энергетических систем» по тематике «диагностика энергооборудования». г. Новочеркасск. 17-19 октября 2016 г. / Юж. -Рос. гос. политехн. ун-т (НПИ). - 2016. - С. 172 - 181.

95. Нгуен Куанг Кхоа. Опыт применения структуры системы управления вентильными индукторными электроприводами большой мощности двухпа-кетного исполнения мощностью 750 квт, 1250 квт и 1600 квт/ Нгуен Куанг Кхоа, А.П. Темирев, А.А.Голиков и др. // XXXVIII сессия семинара «Кибернетика энергетических систем» по тематике «диагностика энергооборудова-

ния». г. Новочеркасск. 17-19 октября 2016 г. / Юж. -Рос. гос. политехн. ун-т (НПИ). - 2016. - С. 159 - 171.

96. Анучин А.С. Встраиваемые высокопроизводительные цифровые системы управления. Практический курс разработки и отладки программного обеспечения сигнальных микроконтроллеров TMS320x28xxx в интегрированной среде Code Composer Studio: учеб. пособие / А.С. Анучин, Д.И. Алямкин, А.В. Дроздов и др.; под общ. ред. В.Ф. Козаченко. - М.: Издательский дом МЭИ, 2010. - 270 с.

97. Темирев А.П. Контроллеры МК11.3 для высокопроизводительных систем прямого цифрового управления двигателями / А.П. Темирев, В.Ф. Козаченко, Н.А. Обухов /CHIP NEWS. - 2002. - № 4. - С. 24 - 30.

98. Котельников М.К. Разработка и исследование унифицированного преобразователя для вентильно-индукторных двигателей мощностью 600, 1250 и 1600 квт / М.К. Котельников, В.Ю. Дмитриев, В.Н. Остриров // VIII Международная (XIX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2014., г. Саранск, 2014. - С. 407 - 409.

99. Анучин А.С. Системы управления электроприводов: учебник для вузов / А.С. Анучин.- М.: Издательский дом МЭИ, -373. С.:ил.

100. Нгуен Куанг Кхоа. Методика расчета вибрации и шума вентильно -индукторных двигателей / Нгуен Куанг Кхоа // Евразийский научный журнал. -2016. - № 3. - С. 291 - 299.

101. Нгуен Куанг Кхоа. Методика экспериментального определения влияния электро-магнитных возмущений на виброактивность вентильно-индукторных машин / Нгуен Куанг Кхоа, Фам Конг Тао, Фам Ван Бьен // Евразийский научный журнал. 2016. № 6. - С. 335 - 350.

102. Никифоров Б.В. Алгоритм токового моделирования для управления виброакустическими характеристиками индукторных приводов подводных лодок / Б.В. Никифоров, А.П. Темирев // Вопросы проектирования подводных лодок. - Выпуск. - № 12. - Электроэнергетические системы. - Изд.-ФГУП ЦКБ МТ «Рубин». - 2000 г. - С.13 - 143.

103. Никифоров Б.В. Коэффициент пульсации момента и его использование при проектировании вентильных индукторных приводов для корабельных насосов / Б.В. Никифоров, А.П. Темирев // Вопросы проектирования подводных лодок. - Выпуск. - № 12. - Электроэнергетические системы. - Изд.-ФГУП ЦКБ МТ «Рубин». - 2000 г. - С.144 - 156.

104. Никифоров Б.В. Экспериментальные исследования шума и вибраций в вентильно-индукторном приводе / Б.В. Никифоров, А.П. Темирев, Д.Ю. Шишкин // Вопросы проектирования подводных лодок. - Выпуск. - № 12. -Электроэнергетические системы. - Изд.- ФГУП ЦКБ МТ «Рубин». - 2000 г. -С.157 - 162.

105. ГОСТ Р МЭК 60034-2-1-2009 Машины электрические вращающиеся Часть 2-1. Стандартные методы определения потерь и КПД вращающихся электрических машин. -М. : Стандартинформ.

106. Нгуен Куанг Кхоа. Анализ основных характеристик двухпакетного вентильно-индукторного электродвигателя, работающего в режиме двигателя-генератора / Нгуен Куанг Кхоа, А.П. Темирев, А.В. Бобров и др. // XXXVIII сессия семинара «Кибернетика энергетических систем» по тематике «диагностика энергооборудования». г. Новочеркасск. 17-19 октября 2016 г. / Юж. -Рос. гос. политехн. ун-т (НПИ). - 2016. - С. 138 - 150.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 - Акт внедрения результатов диссертационной работы от

ЗАО «ИРИС»

УТВЕРЖДАЮ Генеральнйсй, директор ЗАО «ИРИС» зессор

I.В. Преснухин у^о^ы 2016 г.

ТЕХНИЧЕСКИЙ АКТ ВНЕДРЕНИЯ Комиссия в составе: заместителя главного конструктора - Цветкова Алексея Александровича; начальника отдела стандартизации и нормоконтроля -кандидата технических наук Кирсанова Павла Викторовича; начальника отдела моделирования электромеханических систем - кандидата технических наук Квятковского Игоря Анатольевича, составила настоящий акт о том, что результаты научных исследований, выполненных Нгуен Куанг Кхоа и изложенных в кандидатской диссертации на тему: «Энергоэффективный вентильно-индукторный электропривод большой мощности с двигателем двухпакетной конструкции», используются в ЗАО «ИРИС».

В частности, предложенные в работе результаты научных исследований были использованы при разработке вентильно-индукторного привода ВИП-750 для грунтовых насосов ГРаТ-1800/67, что позволило уменьшить время проектирования двигателя и повысить его энергетические показатели. Электропривод эксплуатируется на обогатительных фабриках и задействован в технологическом процессе перемещения руды.

Полученные Нгуен Куанг Кхоа результаты диссертационной работы имеют значительную научно-прикладную ценность, что позволяет экономить материально-технические ресурсы при создании тяговых вентильно-индукторных электроприводов большой мощности.

Председатель комиссии Члены комиссии:

А.А. Цветков И.А. Квятковский П.В. Кирсанов

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 - Акт внедрения результатов диссертационной работы от АК «АЛРОСА» (ПАО) и протокол о долевом внедрении

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 - Акт внедрения результатов диссертационной работы в учебный процесс

о внедрении результатов диссертационного исследования в учебный процесс

Результаты диссертационного исследования «Энергоэффективный вентильно-индукторный электропривод большой мощности с двигателем двухпакетной конструкции», выполненного аспирантом Нгуен Куанг Кхоа, внедрены в учебном процессе на кафедре «Электроснабжение и электропривод» на основании решения кафедры (протокол № 17 от « 30 » июня 2016 г.).

Результаты диссертационного исследования включены в курс «Основы научных исследований» направления подготовки 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника», направленность «Автоматизированные

электромеханические комплексы и системы» программы академической магистратуры.

Заведующий кафедрой «Электроснабжение и электропривод»,

АКТ

доктор технических наук, профессор

И.И. Надтока

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 - Методика расчета и проектирования системы охлаждения элементов на примере ВИД-750 кВт П.4.1. Описание системы охлаждения вентильно-индукторного двигателя ИД-750 и исходные данные к расчету.

Вентильно-индукторный двигатель (ВИД-750) имеет мощность на валу 750 кВт и частоту вращения 750 об/мин. ВИД предназначен для привода насосов, вентиляторов и подобного оборудования с возможностью глубокого регулирования частоты вращения вала и реверсивной работы. В связи с тем, что предполагается работа ВИД в условиях большого количества взвешенных в воздухе твердых частиц принято решение выполнить систему охлаждения ВИД по двухконтурной схеме. В состав ВИД входят (рисунок П.4.1): рабочие колеса вентиляторов внутреннего и внешнего контуров 1, ротор 2, статор 3, корпус 4 и теплообменник системы охлаждения 5.

Рисунок П.4.1. Состав системы охлаждения ВИД. На рисунке П.4.1. показаны основные элементы ВИД, имеющие отношение к системе охлаждения ВИД. Стойки управления ВИД - 750 имеют естественное воздушное охлаждение.

Основными тепловыделяющими элементами ВИД являются катушки, установленные в пазах статора. Отвод тепла организован по двум направлениям: через свободную конвекцию от корпуса ВИД и посредством системы принудительного воздушного охлаждения. По самым пессимистичным оценкам, общие потери мощности ВИД не будут превышать 4%, то есть при предположении, что все потери переходят в тепло, тепловыделение составит не более 30 кВт. Приведенные в технической литературе исследования оценивают возможность отвода тепла через корпус электромашины в диапазоне 10 .. 15%, то есть в нашем случае 3 .. 5 кВт. Таким образом, система принудительного воздушного охлаждения должна утилизировать 25 .. 27 кВт тепла.

В соответствии с общепризнанными методиками выполнения теплотехнических расчетов разработаны программы расчета параметров системы охлаждения в широком диапазоне исходных данных и разработана методика использования специализированной библиотеки COSMOSFloWorks пакета Solid Works. В расчетном модуле библиотеки COSMOSFloWorks реализованы общепринятые методы теплотехнических и аэродинамических расчетов.

Таким образом, исходными данными к расчету системы принудительного воздушного охлаждения ВИД - 750 являются:

- количество тепла, которое необходимо утилизировать с помощью системы: 25 .. 27 кВт;

- номинальная частота вращения вала ВИД, на котором находятся рабочие колеса вентиляторов системы охлаждения: 750 об/мин;

- диапазон температур окружающей среды, при которой эксплуатируется ВИД: от - 20 до +40°С.

Необходимо отметить, что в технической литературе отсутствует системно изложенная методика проектирования элементов, входящих в состав системы охлаждения закрытых электромашин. Имеющиеся рекомендации основаны на эмпирических зависимостях, полученных для того или иного класса и типоразмера электромашины. Во всех источниках подчеркивается, что любая система охлаждения, особенно для новой электромашины по типу

или размеру должна доводиться по результатам испытаний машины. В полной мере эти слова относятся к системе охлаждения ВИД - 750. Например, совершенно не исследованы процессы теплопередачи от катушек статора, процессы течения воздуха в полостях между зубчатыми статором и ротором ВИД при вращении ротора и т.д. Конечно, исследование этих процессов является предметом серьезного научного исследования и эти исследования не могут быть проведены в полной мере при разработке системы охлаждения. С другой стороны, без понимания хотя бы примерной картины этих и других процессов невозможно разработать систему охлаждения пусть не оптимальную, но приближающуюся к таковой.

При разработке системы принудительного воздушного охлаждения необходимо последовательно выполнить следующие этапы расчета:

1. Ориентировочно оценить эффективность процесса теплопередачи от катушек статора к воздуху, движущемуся внутри электромашины. В результате можно приблизительно определить температуру воздуха в районе катушек. При этом теплопередачу от катушек к статору и далее к корпусу ВИД рассматривать не будем, считая, что таким образом отводится 10 .. 15% тепла (выше).

2. Построить трехмерную модель трубчатого теплообменника типа «воздух - воздух» и провести исследования процесса теплопередачи при различных расходах охлаждаемого и охлаждающего воздуха (подачах внутреннего и внешнего вентиляторов), температурах «внутреннего» и «наружного» воздуха, количестве и диаметре трубок теплообменника и других параметрах. В результате будет определена конструкция теплообменника, его аэродинамическое сопротивления (для формирования требований по напору вентиляторов), необходимые значения подачи вентиляторов при условии обеспечения необходимого теплоотвода.

3. По заданным значениям напора и подачи определить конструкцию рабочих колес внутреннего и внешнего реверсивных вентиляторов, по воз-

можности проверить на трехмерной модели обеспечение требуемых характеристик.

П.4.2. Применение пакета COSMOSFloWorks для расчета теплообменников.

В рамках разработки системы принудительного воздушного охлаждения ВИД-750 рассмотрены вопросы применения компьютерного пакета COSMOSFloWorks для анализа задач взаимодействия твердых тел с потоками жидкости и газа, расчета теплообмена и других задач. Ниже системно изложен процесс формирования задачи для анализа трехмерной картины течения потока жидкости или газа в полостях твердого тела с учетом температурных полей всех элементов на примере расчета теплообмена катушки статора. В других разделах настоящего отчета изложен процесс подготовки модели и расчета трехмерной картины течения жидкости или газа в полостях турбо-машин с учетом вращения ротора турбомашины. Описание подготовки указанных задач позволит в дальнейшем моделировать аналогичные процессы для других электромашин.

Необходимо отметить, что решение трехмерных задач тепло- и массо-обмена требует значительных ресурсов компьютера. Например, для решения задачи анализа течения газа в полостях теплообменника, результаты которой будут показаны ниже, при минимально приемлемой точности расчета (что определяется размером сетки) необходимо минимум 8 Гб оперативной памяти и 25 ..35 часов расчета при наличии процессора с четырьмя ядрами и частотой ядра 3,7 ГГц. В этой связи далеко не все процессы, которые желательно промоделировать при разработке системы охлаждения, удалось рассчитать. В каких-то случаях использован расчет «по частям», когда отдельно рассматривается трехмерная картина в теплообменнике и работа внешнего вентилятора, а в других случаях использованы непроверенные эмпирические зависимости.

П.4.2.1. Исследование процессов теплообмена при охлаждении катушек статора.

П.4.2.1.1. Создание нового проекта.

Основным тепловыделяющим элементом ВИД являются катушки, расположенные на зубцах статора. Для упрощения расчета на первом этапе выполнено исследование процессов тепло - и массообмена при течении воздуха по полости между двумя соседними катушками. Для того, чтобы смоделировать поток жидкости (газа), используя COSMOSFloWorks, необходимо иметь трёхмерное изображение конструкции, для которой необходим расчёт. Такая конструкция строится в среде SolidWorks, на рисунке П.4.2 показана трехмерная модель межкатушечного канала. Эта модель не соответствует реальному элементу конструкции ВИД, рассматривается принцип моделирования процесса теплообмена. Это связано с тем, что, во-первых, отсутствует достоверная информация о распределении температурного поля по поверхности катушки, во-вторых, вычислительные возможности, находившиеся в распоряжении авторов расчета, не позволяют пока достоверно моделировать процесс теплообмена статора с катушками в сборе с корпусом и вращающемся ротором.

Рисунок П.4.2. Трехмерная модель межкатушечной полости. -Для начала моделирования надо открыть в COSMOSFloWorks нужный чертёж (Файл, Открыть) и создать новый проект с помощью мастера (FloWorks, Project, Wizard (мастер)).

-В открывшемся окне в разделе Configuration выделить Create new, а в поле Configuration name набрать название проекта (рисунок П.4.3). После чего нажать кнопку Next.

Рисунок П.4.3. Окно создания нового проекта при помощи мастера

- Выбрать систему единиц (рисунок П.4.4). Если вас не устраивает размерность какого-либо параметра в уже выбранной системе единиц, можно её изменить двойным щелчком мыши.

В пределах COSMOSFloWorks есть некоторые предопределенные системы единиц. Вы можете также создать вашу собственную систему единиц, выбрав пункт Create new, и переключиться между ними в любое время в FloWorks, Units.

Нажать Next .

- Выбрать тип анализа (analysis type) Internal (Внутренний) либо External (Внешний) (рисунок П.4.5).

Мы хотим анализировать поток через конструкцию. Это - то, что мы называем внутренним анализом. Противоположность этому - внешний ана-

лиз, который является потоком вокруг объекта. В этом диалоговом окне

Рисунок П.4.4. Окно выбора системы единиц можно также выбрать игнорирование пустот, которые не уместны для анализа потока, не имея необходимость заполнить их при использовании дополнительных свойств. Мало того, что COSMOSFloWorks вычислит поток жидкости (газа), он может также принять во внимание теплообмен в пределах твердого тела (тел), включая излучение между поверхностями (Radiation). Также возможно исследование переходного (зависящего от времени) процесса (Time-dependent). Для естественных случаев конвекции могут быть включены гравитационные эффекты (Gravity). Все эти дополнительные параметры можно выбрать в этом же окне.

В материальных особенностях(Physical Features) выбрать флажок Heat conduction in solids (Теплообмен в твердых телах) (рисунок П.4.5).

Нажать Next.

-Выбрать тип жидкости Gases. Выбрать жидкость Air (Воздух). Вы можете или дважды щелкнуть Air или выбрать элемент в левом столбце и нажать Add (рисунок П.4.6).

В разделе Flow characteristic выбрать тип течения жидкости ламинарный или турбулентный(Laminar Only, Turbulent Only). Можно выбрать сов

местное использование уравнений обоих типов (Laminar and Turbulent), что и было использовано в данном моделировании (рисунок П.4.6).

стей

Рисунок П.4.5. Окно выбора типа анализа и материальных особенно-

Нажать Next.

Рисунок П.4.6. Окно выбора вида жидкости

- В списке Database of solids дважды щелкнуть Steel, stainless (Нержавеющая Сталь). Вы выберите Steel, stainless как Default material (Заданный по умолчанию материал) (рисунок П.4.7). Нажать Next.

- Установить стенные условия.

В разделе Roughness (Шероховатость), дважды щелкнув правой кнопкой мыши на значении «0 micrometer», установить шероховатость заданной поверхности (1000). Это значение будет применено ко всем стенам модели (рисунок П.4.8). Нажать Next.

Рисунок П.4.7. Окно выбора материала

Рисунок П.4.8. Окно выбора шероховатости

- Принять для начальных условий значение по умолчанию. Это поле -то, где мы можем изменить настройки по умолчанию для давления, температуры и скорости. Нажать Next.

- Принять значение по умолчанию для Разрешающей способности Результата (Result Resolution) (рисунок П.4.9).

Разрешающая способность Результата - критерий желательного уровня точности результатов. Чем выше Разрешающая способность Результата, тем более мелкой и более строгой будет сеть, будут установлены критерии сходимости. Таким образом, Разрешающая способность Результата определяет равновесие между точностью результата и временем вычисления. Ввод значений для минимального размера промежутка и минимальной толщины стены важен, когда Вы имеете малые характеристики. Для нашей модели тип значения минимального потока прохода мы определяем как минимальный размер промежутка.