Автореферат (Моделирование и анализ электромеханических процессов в асинхронных машинах с общим валом)

На правах рукописиПалилов Илья АркадьевичМОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВВ АСИНХРОННЫХ МАШИНАХ С ОБЩИМ ВАЛОМСпециальность 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппаратыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукИваново 2016Работа выполнена на кафедре «Электромеханика» Федеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждения высшегообразования «Ивановский государственный энергетический университет имениВ.И. Ленина» (ИГЭУ)Научный руководитель:Казаков Юрий Борисовичдоктор технических наук, профессор,зав. кафедрой «Электромеханика» ФГБОУ ВО«Ивановскийгосударственныйэнергетическийуниверситет имени В.И.

Ленина»ОфициальныеМакаричев Юрий Александровичоппоненты:доктор технических наук,зав. кафедрой «Электромеханика и автомобильноеэлектрооборудование» ФГБОУ ВО «Самарскийгосударственный технический университет»Захаров Алексей Вадимовичкандидат технических наук,ведущий специалист по математическомумоделированиюирасчетамПАО«Научно-исследовательский проектно-конструкторский итехнологический институт электромашиностроения»Ведущая организация:ФГБОУ ВО Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ)Защита диссертации состоится «10» февраля 2017 г. в 13 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.19 при ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ» поадресу: 111250, г.

Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, корпус Е, ауд. Е-205.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ».Автореферат разослан _____ декабря 2016 г.Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.19кандидат технических наукБоровкова А.М.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. Трудоемкость испытаний электрических машинможет достигать 13 % трудоемкости их изготовления, а затраты электроэнергиипри испытаниях мощных асинхронных машин (АМ) могут составлять сотнитысяч кВт*ч. Актуально применение энергосберегающих методов испытанийАМ, например, метода взаимной нагрузки с рекуперацией энергии в сеть, когдаодна машина работает в режиме двигателя, а вторая, соединенная с первой общим валом, – в режиме генератора.

Двигатель питается напряжением повышенной частоты, например, от преобразователя частоты (ПЧ), а генератор, соединенный с двигателем общим валом, работает на сеть промышленной частоты. Испытываются одновременно обе машины. Затраты электроэнергии определяются потерями мощности в ПЧ и АМ. В настоящее время установки испытаний мощных асинхронных двигателей (АД), работающие по схеме с рекуперацией энергии в сеть, используются нечасто, в том числе и из-за недостаточной проработанности способов прогнозирования электромеханических процессов в системе АМ с общим валом. Поэтому исследование энергосберегающихметодов испытаний АМ является актуальным.

Большой вклад в развитие методов испытаний электрических машин внесли О.Д. Гольдберг, Г.К. Жерве, Н.Ф.Котеленец, Н.Л. Кузнецов, А.Э. Кравчик, М.В. Андрианов, Р.В. Родионов, О.Л.Рапопорт и другие.Известна схема работы нескольких АД на общий вал – общую механическую нагрузку, например, в ленточных транспортерах, прокатных станах. В силовых установках на крупных судах используют двухмашинный агрегат издвух АД на одном валу. В электромеханических трансмиссиях транспортаасинхронные двигатели мотор-колес несут каждый свою часть механическойнагрузки.

При определенных условиях некоторые из параллельно работающихна общий вал АД могут быть перегружены, а другие – перейти в генераторныйрежим или режим электромагнитного тормоза.При исследовании системы АМ с общим валом необходимо учитывать,что электромеханические процессы в отдельных машинах будут оказывать другна друга взаимное влияние. Однако в настоящее время моделирование системыАМ с общим валом проводится на основе стандартных, не связанных схем замещения. Не производится учет взаимного влияния электромеханических процессов в машинах, одновременный учет насыщения в обеих машинах, учет изменения параметров обмоток машин с изменением режима работы, учет несинусоидальности напряжения при питании АД от ПЧ. Ошибка при расчете электромеханических процессов в системе АМ с общим валом в динамических режимах работы при использовании упрощенных моделей может достигать 3040%.

В работах А.В. Иванова-Смоленского, И.П. Копылова, В.Я. Беспалова,Л.Н. Макарова представлены достаточно точные модели электромеханическихпроцессов в отдельных АМ с учетом особенностей конструкции машин и физических явлений, но для системы АМ таких моделей нет. Таким образом, корректное моделирование взаимосвязанных электромеханических процессов в системе АМ с общим валом востребовано, но не реализовано.3Моделирование электромеханических процессов в системе АМ с общимвалом затруднено математическим описанием процессов одновременно всехмашин, разной степенью насыщения магнитных цепей машин, наличием уравнения взаимосвязи моментов машин, необходимостью учета изменения параметров обмоток машин при изменении режимов работы агрегата, несинусоидальностью напряжения при питании АД от ПЧ. Корректные методы анализаэлектромеханических процессов в системе АМ с общим валом необходимы дляпрогнозирования опасных режимов работы, обусловленных возможным переходом части машин в режим электромагнитного тормоза, ударными токами припуске агрегатов, особенно при значительной мощности машин.

Поэтому разработка корректных методик исследования системы АМ с общим валом являетсяактуальной научно-технической задачей.Диссертация подготовлена в соответствии с НИОКТР «Разработка и исследование энергоэффективных тяговых электрических машин для перспективных транспортных силовых установок», выполненной по контракту№02.G25.31.0049 в рамках Постановления Правительства РФ №218.Цель диссертационной работы – повышение энергетической эффективности и эксплуатационной безопасности асинхронных машин с общим валом наоснове уточненного анализа электромеханических процессов.Предмет исследования: Взаимосвязанные электромеханические процессы в системе АМ с общим валом.Объект исследования: Многомашинный, в частном случае двухмашинный, агрегат из асинхронных машин, связанных общим валом.Задачи исследования:1.

Разработка математических моделей электромеханических процессов вдвух АМ с общим валом на основе системы интегро-дифференциальных уравнений обеих машин в фазовой системе координат, общей матричной электромеханической модели машин, связанных электрических схем замещения.2. Разработка математических моделей электромеханических процессов в системе АМ с общим валом в переходных и установившихся режимах работы спараметрами схем замещения, уточняемыми на основе расчетов электромагнитных полей.3. Разработка методик расчета электромеханических процессов в системе АМс общим валом на основе взаимосвязанных численных моделей электромагнитных полей машин.4.

Расчетные исследования электромеханических процессов и характеристиксистемы АМ с общим валом.5. Разработка опытного стенда и экспериментальные исследования электромеханических процессов в системе асинхронный двигатель – асинхронный генератор (АД – АГ) с общим валом при испытаниях методом взаимной нагрузки.Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием общей теории электромеханического преобразования энергии,математических методов моделирования электромагнитных процессов в электрических машинах, численных методов расчетов электромагнитных полей наоснове метода конечных элементов; экспериментальные исследования выполнены с использованием методов натурного эксперимента.4Научная новизна:1. Установлена взаимная связь электромагнитных полей и электромеханических процессов в системе АМ с общим валом через взаимосвязь моментов машин на валу.2.

Разработаны математические модели взаимосвязанных электромеханических процессов в системе АМ с общим валом, отличающиеся расширенной системой интегро-дифференциальных уравнений машин в фазовой системе координат, общей матричной электромеханической моделью двух машин, связанными электрическими схемами замещения машин с параметрами, уточняемымипри изменении режима работы.3. Разработаны методики численных расчетов электромагнитных полей иэлектромеханических процессов в системе АМ с общим валом, отличающиесявзаимной увязкой полевых моделей обеих машин по электромагнитному моменту на основе системной минимизации электромагнитных «энергетических»функционалов в машинах.4.

Разработаны алгоритмы и программы расчета переходных и установившихся режимов системы АМ с общим валом, отличающиеся прямыми расчетами взаимосвязанных электромагнитных полей в обеих машинах с возможностью исследования электромеханических процессов с учетом частоты и формыпитающего напряжения.Практическая значимость работы:1.

Разработанные методики, математические модели, алгоритмы и программы анализа электромеханических процессов, полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют определять уточненныехарактеристики системы АМ с общим валом.2. Разработанный автоматизированный программный комплекс расчета переходных и установившихся режимов системы АМ с общим валом имеет практическую ценность при разработке и совершенствовании программ испытанийАМ, расчетном анализе режимов работы многомашинных агрегатов, прогнозировании опасных ситуаций, в учебном процессе ВУЗов при подготовке специалистов по электромеханике.3. Применение разработанных методик анализа электромеханических процессов в АМ с использованием взаимосвязанных полевых моделей позволяетоценить влияние преобразователя частоты на энергетическую эффективностьработы системы АМ с общим валом.Положения, выносимые на защиту1. Математические модели взаимосвязанных электромеханических процессовв системе АМ с общим валом на основе расширенной системы интегродифференциальных уравнений для машин в фазовой системе координат, общейматричной электромеханической модели машин, связанных электрическихсхем замещения машин с параметрами, уточняемыми при изменении режимаработы.2.

Методики численных расчетов переходных и установившихся режимовсистемы АМ с общим валом на основе прямых расчетов электромагнитных полей в машинах с взаимной увязкой полевых моделей машин через взаимосвязьмоментов на валу.53. Результаты вычислительных экспериментов, теоретических и экспериментальных исследований электромеханических процессов в системе АМ с общимвалом при испытаниях методом взаимной нагрузки с учетом частоты и формыпитающего напряжения.Обоснованность и достоверность результатов и выводов диссертацииобеспечена строгим выполнением математических преобразований, принятиемпризнанных допущений, использованием современных математических моделей и пакетов программ. Адекватность разработанных математических моделейподтверждается удовлетворительной сходимостью результатов расчета и экспериментального исследования работы системы АД – АГ в статических и динамических режимах работы.Апробация работы.