Моделирование асинхронной машины методом зубцовых контуров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат технических наук Берте Сулейман

• Берте Сулейман
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Берте Сулейман

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Методы расчета асинхронных машин

1.1.0бзор существующих методов расчета асинхронных машин

1.2,Основные понятия метода зубцовых контуров

1.2.1.Понятие скалярного магнитного потенциала

1.2.2.Понятие магнитных зарядов

1.2.3.Понятие зубцовых контуров

1.2.4.Параметры зубцовых контуров

1.2.4.1.Стационарное магнитное поле

1.2.4.2.Расчет проводимостей взаимоиндукции зубцовых контуров при особых граничных условиях.

1.2.5.Эквивалентная схема замещения магнитных зарядов 33 1.2.6.Эквивалентная схема замещения и математическая модель электрической машины по методу зубцовых контуров

1.2.6.1.Эквивалептная схема замещения ЭМ по МЗК 35 1.2.6.2.Математическая модель электрической машины по методу зубцовых контуров (МЗК)

1.2.7.0сновные подходы и цель работы

Выводы

Глава 2. Применение метода проводимостей зубцовых контуров для расчета асинхронных машин

2.1.Допущения о характере магнитного поля при использовании метода ПЗК

2.2.Исследование влияния обмотки ротора о характере поля 43 2.3.Эквивалентная схема замещения магнитной цепи

2.3.1.Магнитные потоки магнитной цепи из схемы замещения

2.3.2.Допущения о характере магнитного поля насыщенной асинхронной машины

2.3.3.Построение схемы замещения магнитной цепи насыщенной асинхронной машины

2.3.3.1.Схема замещения статора 65 Схема замещения зубца 66 Схема замещения зоны ярма 68 Схема замещения в пазах

2.3.3.2.Схема замещения ротора 69 Воздушный зазор

2.3.4.Расчет проводимостей с помощью аналитического метода

2.3.5.Расчет при наличии КЗ ротора 80 Выводы

Глава 3. Расчет асинхронных машин в установившемся режиме комбинированным методом

3.1.Комбинированный метод для исследования электрических машин

3.2.0сновные этапы расчета машины в установившемся режиме

3.3.Расчет установившегося режима AM с К.З. ротором, заданного напряжением, частотой и номинальным скольжением

3.4.Структура программы

3.5.Графический интерфейс пользователя 99 Параметры статора 101 Параметры ротора 102 Параметры моделирования

Выводы

Глава 4. Тепловая модель асинхронной машины и особенности расчетов в подшипниках

4.1.Аналитическая формулировка потерь

4.2.Принцип 116 Метод узловых потенциалов 117 Уравнения баланса 118 Термические (тепловые) проводимости 119 Проводимость по активной проводимости 120 Проводимости конвекций 122 Особенность соединения и условия и ограничения

4.3.Формирование тепловой схемы замещения

4.3.1.Картография тепловых потоков

4.3.2.Моделирование подшипника для расчета теплового состояния

4.4.Результаты расчета и опыта

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование асинхронной машины методом зубцовых контуров»

В. течение последних 100-120 лет электрическая машина и оборудование, электрически к ней присоединенное, являются одним из важнейших элементов беспрецедентного ускорения технического прогресса. Развитие электромеханики и всего комплекса электрических и электроэнергетических сторон деятельности человечества обеспечило, стимулировало и оплодотворило успешное развитие подавляющего числа областей знаний, одно перечисление которых заняло бы неоправданно большое пространство.

Разработка новых методов исследования электромеханических систем, состоящих из различных электромеханических преобразователей, электрических, механических и полупроводниковых устройств, а также методы представления магнитных полей и процессов в электромеханических преобразователях относятся к числу наиболее важных проблем современной электромеханики. Исторически, эти две проблемы были весьма отделены друг от друга и разные методы были использованы для их решения. Это может быть объяснено как разнообразием явлений, которые происходят в этих системах, так и скромными возможностями компьютерной техники, которая использовалась на протяжении многих десятилетий. Ситуация изменилась за последние 20-25 лет, многие новые математические методы анализа явлений и процессов в электромеханических приборах и систем были разработаны и стали доступными исследователям.

Рост компьютерных технологий и скорости расчетов стало важным фактором, который сделал возможным оптимизацию проблем, будет показана для любой целевой функции и поведения электромеханических систем и их элементов для анализа как в рамках номинальных и в экстремальных условиях эксплуатации. Электрические машины являются одной из наиболее сложных частей любых электромеханических преобразователей и характеризуются магнитными; электрическими, 4 волными, тепловыми, механическими, и аэрогидродинамическими явлениями. По этим причинам основное внимание научных исследователей было сосредоточено на разработке надежных мультифизических и связанных моделей и методов моделирования электрических машин.

Производство и ремонт асинхронных машин большой мощности в настоящее время является одной из важнейших направлений деятельности компании Jeumont S.A. В настоящее время, делаются инвестиции в этой области деятельности в целях улучшения качества продукции и сокращения сроков разработки проектов. Основной целью данного исследования является создание «быстрой» модели (и соответствующего программного обеспечения) асинхронной машины, которая позволяет рассчитать ее рабочие характеристики и может быть использована в дальнейшем совместно с программами оптимизации асинхронных машин в целях создания машины отвечающей новым экологическим требованиями (по уровню шумов, вибраций, тепловых нагрузок).

Для создания «быстрой» модели машины использован комбинированный метод расчета, основанный на методе проводимостей зубцовых контуров (МПЗК, другое название - метод зубцовых контуров (МЗК)). Этот метод, в свою очередь основанный на анализе схем замещения электрических машин, был разработан на кафедре электромеханики Московского энергетического института в 80-е годы под руководством проф.

A. В. Иванова - Смоленского, а затем развит в докторской диссертации В. А. Кузнецовым.

Автор диссертационной работы выражает искреннюю благодарность

B.А. Кузнецову, C.B. Ширинскому, Д.А. Петриченко (кафедра электромеханики МЭИ), а также Паскаль Броше, Мишель Хекет (лаборатория силовой электроники и электротехники Высшей Центральной Школы в городе Лилле, Франция) за совместно руководство и консультирование в ходе подготовки диссертации.

Актуальность темы: асинхронные двигатели являются основными двигателями в электроприводах практически всех промышленных предприятий в РФ и за рубежом. Средние асинхронные машины используют с успехом как двигатели в передвижных устройствах, крупные асинхронные двигатели применяются в области атомной энергетики для систем охлаждения. Они нашли столь широкое применение благодаря простоте их конструкции и низкой себестоимости.

Однако, строгие требования к оборудованию атомных станций, а также мировая политика повышения энергоэффективности с целью уменьшения парниковых эффектов и зашиты окружающей среди делают весьма перспективной разработку асинхронных" машин повышенной эффективности.

С развитием компьютерной технологии и появлением различных программ стало возможно исследовать поведение электрических машин на стадии их проектирования, что ускоряет процесс проектирования машины и позволяет экономить на проведении опытов.

Для достижения этих преимуществ и получения высоких показателей качества необходимо использовать эффективные методы проектирования. Показатели качества асинхронных машин в значительной степени зависят от оптимальности их конструкции и режимов работы. Проблема расчета электрических машин, особенно асинхронных машин большой мощности, состоит в сложном характере поля в воздушном зазоре, выражающемся в большом числе гармоник магнитной индукции. Все это оказывает существенное влияние на выбор метода моделирования асинхронных машин.

При использовании эффективных методов моделирования удается учитывать эти факторы и получать высокие показатели качества. В настоящее время все большее внимание уделяется этому вопросу. В России значительный вклад в развитие теории и практики асинхронных машин внесли ученые. Несмотря на значительные успехи, достигнутые в направлении развития методов исследования, как в России, так и за рубежом, сохраняется актуальность совершенствования методов расчета с целью оптимизации асинхронных машин большой мощности. Существующие инженерные методики расчета таких машин не обладают достаточной точностью, а численные методы, такие как метод конечных элементов (МКЭ), требуют значительных затрат времени и не могут применяться в оптимизационных расчетах.

Диссертация посвящена разработке «быстрого» метода расчета асинхронных машин большой мощности с помощью метода зубцовых контуров, и созданию алгоритма определения токов в установившимся режиме, отвечающего таким достаточно противоречивым требованиям, как скорость счета и точность результатов.

Целыо диссертационной работы является разработка метода расчета асинхронных машин большой мощности методом зубцовых контуров с использованием алгоритма для определения токов в установившихся режимах комбинированным методом, а также реализация программного обеспечения, позволяющего проводить многовариантные расчеты за короткое время при обеспечении высокой точности.

Эта тема является частью проекта кафедры электромеханики МЭИ (Россия) и Лаборатории Ь2ЕР Центральной Школы Лилля (Франция). Основное внимание уделяется в нем разработке средств для оптимального проектирования асинхронных машин, позволяющих надежно и быстро выполнять проектирование.

Моделирование электрических машин с использованием эквивалентных схем замещения магнитных цепей открыло интересные возможности для исследования их в динамических и переходных процессах, а также в диагностике неисправностей. Понимая, что это метод есть хороший компромисс с точкой зрения скорости расчета и точности, он хорошо подходит для процесса проектирования машин и прогнозирования их производительности в различных условиях эксплуатации.

Выбор в качестве объекта исследования асинхронных машин большой мощности изначально обусловлен интересом промышленности. Области применения крупных асинхронных машин обусловили повышенные требования по уровню шумов и вибраций, тепловым нагрузкам.

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Берте Сулейман

Выводы

1. Программа SAME позволяет прогнозировать тепловое состояние ЭМ на стадии проектировании ЭМ и определить срок службы каждой ее детали. Зная температуры, можно принимать меры увеличения надежности ЭМ.

2. Программа также позволяет оптимизировать размеры электрических машин.

3. Погрешности между полученными результатами и результатами опытов не превышают 5%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе проведенных теоретических исследований получен ряд научных результатов, позволяющих выполнять расчет асинхронных машин с короткозамкнутым ротором. Основные результаты проделанной работы состоят в следующем:

1. Сделан обзор разработок и показано, как в настоящее время важно совершенствование асинхронных машин и повышение их энергетических, экологических параметров, чтобы удовлетворяли новым экологическим требованиям.

2. Разработан и теоретически обоснован метод расчета асинхронных машин с короткозамкнутым ротором на основе МЗК. Схема замещения такой машины составлена по МЗК.

3. Создана математическая модель такой машины. Разработанный алгоритм позволяет определить с высокой точностью токи статора и ротора в установившемся режиме с помощью комбинированного метода.

4. Создано программное обеспечение для расчета и оптимизации асинхронного двигателя в среде Matlab.

5. Численный эксперимент, реализованный с помощью других программ (Opera), основанных на методе конечных элементов, подтвердил эффективность и адекватность разработанной методики расчета асинхронного двигателя с КЗ ротором большой мощности.

6. Проведен опыт измерения локальных температур асинхронного двигателя мощности 250 кВт, которые сравнили с полученными данными по расчету при использовании программы «1МТСМ» и тепловой модели «SAME».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Берте Сулейман, 2011 год

1. «Тепловые и атомные Электростанции», Справочник, Изд. МЭИ, Книга третья, Изд. МЭИ. М^ 2003г. 648с.

2. Иванов Смоленский А.В., Абрамкин Ю.В., Власов А.И, Кузнецов В.А. «Универсальный ; метод расчета; электромагнитных; процессов в Э.М», М.: Энергоатомиздат, 1986.-. 216с.

3. Иванов-Смоленский А.В:, Кузнецов В.А. «Универсальный численный метод моделирования электромеханических преобразователей, и систем» //Электричество. 2000. №7. С.24-33.

4. Kusnetsov V.A., Pascal Brochet. Numerical modeling of electromagnetic process in electromechanical systems. // Compel, Vol.22 №4- 2003. .

5. Иванов-Смоленский A.B., Кузнецов В.А., Петриченко Д.А. «Развитие комбинированного метода;' анализа1 электрических машин» //Электричество. 2007. №8. C.4-12.

6. A.Fasquelle, Contribution a la modélisation multiphysique ; electro-vibro-acoustique et aerothermique de machincs de traction, these de doctorat Ecole Centrale de Lille 2006.

7. Филиппов И.Ф., «Теплообмен в электрических машинах», книга для студентов вузов, JL: энергоатомиздат. 1986.-254с.

8. J. Pelle, modélisation des roulements, Laboratoire L2EP de Lille. .9: J.F. Trigeol", Identification des pertes d'une machine electrique par une approche thermique et a l'aide d'une technique inverse, These de doctorat Université de Poitier, 2004.

9. Ю.Коломейцев Л.Ф., Ротыч P.B., Долгошеев A.T. «Расчет поля воздушного зазора асинхронной машины с учетом двусторонней зубчатости». Изв. вузов. Электромеханика. - 1974. — №1.

10. П.Коломейцев Л.Ф., Ротыч Р.В., Цибулевский Ф:И. «О параметрах электрических машин с. зубчатым зазором». Изв. вузов. Электромеханика. — 1970. — №7.143

11. Коник Б.Е. «Исследование магнитного поля в воздушном зазоре электрической машины с двухсторонней зубчатостью сердечников методом скалярного магнитного потенциала». — Электричество. — 1976. —№2.

12. Коппенфельс В., Штальмаи Ф. «Практика конформных отображений». -М.: ИЛ. 1963.

13. Коршунов Ю.М. «Математические основы кибернетики». — 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 496 с.

14. Проектирование гидрогенераторов и синхронных компенсаторов: Учеб. пособие для вузов/ А.И. Абрамов, A.B. Иванов Смоленский. -2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк. - 2001. - 389 с.

15. Проектирование электрических машин: Учеб. для вузов/ И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В .П. Морозкищ Б.Ф. Токарев; Под ред. И.П. Копылова. -3-е изд:, испр. и доп. М.: Высшгшк., 2002. - 757 с.

16. Расчет переходных процессов в короткозамкнутых асинхронных двигателях методом проводимостей зубцовых контуров/ А.В. Иванов-Смоленский, Б.К. Клоков, В.И. Гончаров, В.Г. Фисенко // Тр. МЭИ.• 1Q85.-Bbin.73.-C. 8-14. : .

17. Расчет трехмерного магнитного поля и интегральных характеристик; электрических машин с постоянными магнитами Электронный ресурс. / В. 1-1. Горюнов;. Л. Е. Серкова, В. Э. Тиль. Омск : ОмГТУ, 2004.

18. Синельников Д.Е. «Расчет магнитного поля машин переменного тока с произвольными обмотками статора' на ЦВМ». . Изв. вузов. Электромеханика. — 1963. - №2.

19. Сорокер Т.Г. Поле в зазоре асинхронного двигателя и связанные с ним реактивные сопротивления //Тр. ВНИТ1ЭМ.,— 1976. — Т. 45. — С.5-37.

20. Статистические методы в инженерных исследованиях. Раздел: Регрессионный анализ/ А.З: Иванов, Г.К. Круг, Г.Ф., Филаретов; Под. ред. В.А. Кабанова. М.: Изд-во МЭИ. - 1977. - 79 с.

21. Тесленко О.А., Аванесов М.А. «Расчет характеристик генератора с малым числом пазов на полюс и фазу с питанием от диодного моста»// Электромеханические комплексы автономных объектов ЭКАО-97. -М. -1998.

22. М. Hecquet," Contribution à la modélisation des systèmes électrotechniques par la méthode des schémas équivalents magnétiques. Application à l'alternateur automobile", Thèse, Université des Sciences et Techniques de Lille, Janvier 1995.

23. C.Delforge «Modélisation d'un actionneur asynchrone et de sa commande vectorielle par reseaux de perméance.» Thèse Université des Sciences et Technologie de Lille - Janvier 1995.

24. D. Petrichenko, "Calculation and Simulation of Turbogenerators Using Permeance Network. Optimization Application" PhD Thesis, Ecole Centrale de Lille, France, 2007.

25. Иванов Смоленский A.B., Аванесов М.А., Казьмин Е.В. «Применение метода проводимостей зубцовых контуров для расчета синхронных машин с постоянными магнитами, размещеными на поверхность ротора»// Электричество - 2003. - №8.

26. Бинс К., Лауренсон П. «Анализ и расчет Электрических и магнитных полей»: Пер. с англ. М.: Энергия 1970. - 376с.36.0stovic V., "Dynamics of saturated machines", Springer-Verlag, 1989.

27. Влияние насыщения зубцового слоя на величину коэффициента воздшного зазора / С.Г. Бояджан, М.С Мнацаканян, В.Р. Гаспарян, Н.Р. Хачатрян межвзовский сборник научных трудов ЕрПИ, сер. XIII. Электротехника, вып.2, Ереван, 1976.

28. Demerdash N.A., Shah M. Apractical approach to inclusion of electromagnetic field nonlinearities in dynamic modeling of large turbogenerators. Pt. I. IEEE trans. On PAS, 1981, vol. PAS-100, &1, P.14-24.

29. Иванов Смоленский А.В. «Электрические Машины» в 2-х т. Том 1. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательство МЭИ, 2004.- 652с.

30. Иванов Смоленский А.В. Электрические Машины в 2-х Т. Том 2. 2-е изд., перераб. и доп. - М: Издательство МЭИ, 2004.-632с.

31. Иванов-Смоленский А.В., Аванесов М.А., Мартынов В.А. Расчет гармонических индукций в зазоре электрической машины при односторонней неравномерной зубчатости // Электротехника. — 1983. — № 7. — С.28-33.

32. Асинхронные двигатели общего назначения/ Е.П. Бойко, Ю.В. Гаинцев, Ю.М. Ковалев и др.; Под ред. В.М. Петрова, А.Э. Кравчика. -М.: Энергия, 1980. 488 с.

33. Казаков Ю.Б., Щелыкалов Ю.Я. Конечно-элементное моделирование физических полей в электрических машинах / Иван. гос. энерг. ун-т. -Иваново, 2001.- 100 с.

34. Worotynski J., Turowski M., and Mendrela E.A., "The accuracy of calculation of magnetics fields, inductance and forces in electromagnetic devices using the reluctance network method ", Proc.ISEF'93, Warsaw, pp 159-162, 1993.

35. Hecquet M., Brochet P., "Time variation forces in a synchronous machine using electric coupled network model", IEEE Trans. On Magnetics, Vol. 34, No 5, pp 3656-3659, September 1998.

36. S. Vivier, "Stratégies d'optimisation par plans d'expériences et Application aux dispositifs électrotechniques modélisés par éléments finis", Thèse de doctorat, Université des Sciences et Techniques de Lille, Juillet 2002.

37. Matlab 6.5 User's Guide. The Mathworks, http ://ww w. math works. com/

38. Juha Pyrhonen, Tapani Jokinen, Valéria Hrabovcova "Design of rotating electrical machines" translated by Hanna Niemala Pubished 2008 John Wiley & Sons Ltd, Great Britain.

39. V.Ostovic, J.M. Miller, V.K. Garg, R.D. Schult, and S.H. Swales. «A magnetic equivalent circuit based on performance computation of a lundell alternator. IEEE Transactions on Industry Applications, 35(4), July/August 1999.

40. J. Perho. Reluctance network for analysing induction machines. PhD thesis, University of Helsinki, Helsinku, Finland, December 2002.

41. H. Roters. Electromagnetic devices. J. Wiley and Sons, New-York, USA, 1941.

42. Filtz R.V. Mathematical basis of the electromechanical converters theory. Naukova Dumka, Kiev, 1979.

43. F. Sixdenier, B. Ducharne, J.P. Masson, L. Morel, and M.A. Raulet. Coupled programming: "finite elements" — "dynamical hysteresis flux tubes", for non-homogeneous circuits modeling. COMPUMAG, July 2003.

44. J. Turowski. Ch. 4, "Reluctance networks" in Computational Magnetics, J. Sykulski. Chapman and Hall, New York, USA, 1996.

45. A. Aït-Hammouda, Pré-dimensionnement et étude de sensibilité vibro-acoustique de machines à courant alternatif et à vitesse variable, Thèse de doctorat de l'école Centrale de Lille et de l'Université des Sciences et de la Technologie de Lille, 2005.

46. P.L.Alger. «Induction machines and their Behavior and Uses» Gordon and Breach Science Publishers, 1970.

47. Мартынов В.A. Матаматическое моделирование переходных процессов электрических машин на основе численного метода расчета элементарного поля. Диссертация доктора технических наук. Иваново 1996г. Стр.316.

48. Чуа JI.O,, Лин Пен-Мин. Машинный анализ электронных схем: алгоритмы и вычислительные методы. Пер. С анг. М.: энергия, 1980 -640с.

49. Майе И. Расчет индуктивностей лобового рассеяния электрических машин переменного тока с применением физического моделирования для определения коэффициентов магнитной проводимости. Диссертация. Канд. Техн. Наук. 1996г.

50. Ширинский C.B. Математическая модель синхронной машины на основе универсального метода // Тр. Моск. Энер. Инс-та. 1993. -Bbin.665.-c. 25-32.

51. Справочник по электрическим машином / В.2Т. Под. Общ.ред.

52. Мартынов В.А. Исследование установившихся режимов явнополюсных синхронных машин методом проводимостей зубцовых контуров: автореферат дис. Канд. Техн. Наук. М.: МЭИ, 1982. - 20с.