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

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования«Ивановский государственный энергетический университетимени В.И. Ленина»На правах рукописиПалилов Илья АркадьевичМОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВВ АСИНХРОННЫХ МАШИНАХ С ОБЩИМ ВАЛОМСпециальность 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппаратыДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наук, профессорКазаков Юрий БорисовичИваново 2016СОДЕРЖАНИЕ5ВВЕДЕНИЕ1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ РАБОТЫ АСИНХРОННЫХ МАШИНСОБЩИМВАЛОМИМЕТОДОВАНАЛИЗАЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В НИХ121.1.

Параллельная работа электродвигателей на общуюмеханическую нагрузку. Работа асинхронных машин, связанныхобщим валом121.2. Энергоэффективные методы испытаний асинхронных машин181.3 Применяемые методы моделирования асинхронных машин собщим валом и их ограничения231.4. Способы повышения точности расчетного анализаэлектромеханических процессов в асинхронных машинах,работающих с общим валом32ВЫВОДЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ2.МОДЕЛИРОВАНИЕИАНАЛИЗ36ВЗАИМОСВЯЗАННЫХЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В АСИНХРОННЫХМАШИНАХ С ОБЩИМ ВАЛОМ НА ОСНОВЕ ЦЕПНЫХМОДЕЛЕЙ С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ392.1.

Математическая модель асинхронной машины в фазовойсистеме координат392.2. Математическая модель двух соединенных валами асинхронныхмашин в фазовой системе координат2.3. Матричная модель двух асинхронных машин с общим валом44472.4. Моделирование асинхронных машин с общим валом на основесхем замещения с уточнением параметров из проектных методик532.4.1. Учет влияния насыщения главных магнитных цепей наиндуктивные сопротивления взаимоиндукции машин2552.4.2.

Учет влияния насыщения коронок зубцов статора и ротора,эффекта вытеснения токов ротора в обеих машинах на ихиндуктивные и активные сопротивления582.5. Моделирование асинхронных машин с общим валом на основесхем замещения с предварительно определенным изменениемпараметров по полевым моделям652.5.1. Учет насыщения магнитной цепи с помощьювспомогательных расчетов стационарных магнитных полей662.5.2. Учет насыщения коронок и действия поверхностногоэффекта с помощью вспомогательных расчетовквазистационарных магнитных полей692.6. Сравнительный анализ электромеханических процессов васинхронных машинах с общим валом, рассчитанных на основемоделей с разными способами уточнения параметров7578ВЫВОДЫ3.

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХПРОЦЕССОВ В АСИНХРОННЫХ МАШИНАХ С ОБЩИМВАЛОМНАОСНОВЕВЗАИМОСВЯЗАННЫХКОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫХ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ79МАШИН3.1. Конечно-элементный подход к описанию взаимосвязанныхэлектромагнитных полей, одновременно возникающих васинхронном двигателе и асинхронном генераторе ссоединенными валами793.2.

Моделирование электромеханических процессов в асинхронномдвигателе и асинхронном генераторе с общим валом на основевзаимосвязанных полевых моделей обеих машин3.3. Алгоритм взаимной увязки полевых моделей асинхронных38291машин с общим валом3.4. Анализ электромеханических процессов в асинхронныхмашинах с общим валом, рассчитанных на основевзаимосвязанных полевых моделей машин9498ВЫВОДЫ4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯВЗАИМОСВЯЗАННЫХЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХПРОЦЕССОВ В АСИНХРОННЫХ МАШИНАХ С ОБЩИМ99ВАЛОМ4.1. Разработка стенда, методики и интерфейсной системыавтоматизированных экспериментальных исследованийэлектромеханических процессов в асинхронном двигателе иасинхронном генераторе с общим валом при испытанияхметодом взаимной нагрузки994.2.

Экспериментальные и расчетные исследованияэлектромеханических процессов и характеристик двухасинхронных машин с общим валом1044.3. Сравнительный анализ результатов методик расчетного анализавзаимосвязанных электромеханических процессов васинхронных машинах с общим валом114ВЫВОДЫ123ЗАКЛЮЧЕНИЕ124СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ126ПРИЛОЖЕНИЯ1394ВВЕДЕНИЕАктуальность работы. Трудоемкость испытаний электрических машинможет достигать 13 % трудоемкости их изготовления, а затраты электроэнергиина испытания мощных асинхронных машин могут составить сотни тысячкВт*ч.Поэтомуисследованиеэнергосберегающихметодовиспытанийасинхронных машин является актуальным. В энергоэффективном методеиспытаний машин по способу взаимной нагрузки с рекуперацией энергии в сетьиспользуется работа машин с соединенными валами, когда одна асинхроннаямашина работает в режиме двигателя, а вторая, соединенная с первой общимвалом, - в режиме генератора.

Двигатель запитывается от источникаповышенной частоты, например, от преобразователя частоты (ПЧ), а генератор,соединенный с двигателем общим валом, работает на сеть меньшей частоты.Испытываются одновременно обе машины. Потребленная из сети энергиявозвращается обратно в сеть, за вычетом потерь в самих машинах. Кнастоящемувременисозданныхустановокдляиспытаниймощныхасинхронных электродвигателей с рекуперацией энергии в сеть немного, в томчисле и из-за недостаточной проработанности способов прогнозированияэлектромеханических процессов в асинхронных машинах с общим валом.Большой вклад в развитие методов испытания электрических машин внеслиГольдберг О.Д., Жерве Г.К., Котеленец Н.Ф., Кузнецов Н.Л., Кравчик А.Э.,Андрианов М.В., Родионов Р.В., Рапопорт О.Л.

и другие.Может применяться работа нескольких асинхронных двигателей наобщий вал - общую механическую нагрузку. Например, в ленточныхтранспортерах, прокатных станах. В мощных судовых электродвигателяхиспользуют двухмашинный агрегат (двухдвигательное исполнение) с однимобщим валом. Такой прием повышает надежность работы установки - привыходе одного из двигателей из строя другой продолжает нести механическуюнагрузку, хоть и в меньшем объеме. Сокращается требуемый аварийный запаспо мощности электродвигателей, возможна экономия электроэнергии при5малыхмеханическихнагрузкахзасчетотключениянекоторыхэлектродвигателей и достижение других известных преимуществ параллельнойработы электрических машин.

В системах транспорта, особенно в гибридныхэлектромеханических трансмиссиях, перспективно применение комплексатяговыхасинхронныхмашин.Вэлектромеханическихтрансмиссияхтранспорта асинхронные двигатели мотор-колес несут каждый свою частьмеханической нагрузки. При определенных условиях некоторые из параллельноработающих на общий вал электродвигателей могут быть перегружены, адругие перейти в генераторный режим или режим электромагнитного тормоза.Можнопредположить,электромеханическиечтодляпроцессывмашинотдельныхсобщиммашинахваломбудутвзаимосвязанными, так как моменты машин на валу взаимосвязаны.

Внастоящее время моделирование асинхронных машин с общим валомпроводится на основе стандартных, но не связанных схем замещения машин,без взаимной увязки процессов в разных машинах, учета насыщения,изменения параметров обмоток машин с изменением режима работы,несинусоидальности питающего двигатель напряжения от ПЧ. Ошибка врасчетном определении электромеханических процессов в динамическихрежимах работы асинхронных машин с общим валом при использованииупрощенных моделей может достигать десятков процентов. В то же времямоделирование электромеханических процессов в отдельных электрическихмашинах в работах Иванов-Смоленского А.В., Копылова И.П., Беспалова В.Я.,Макарова Л.Н. и других развито с учетом различных особенностейконструкций машин и физических явлений.

Для многомашинных агрегатовподобного нет. Таким образом, корректное взаимосвязанное моделированиеэлектромеханических процессов в асинхронных машинах с общим валом неполучило требуемого развития.Уточненноеасинхронныхмоделированиемашинахсэлектромеханическихобщимваломзатрудненопроцессоввусложненнымматематическим описанием одновременно всех машин, разным уровнем6насыщения магнитной цепи разных машин, наличием уравнения взаимосвязимоментовмашин,необходимостьюодновременногоучетаизмененияпараметров обмоток всех машин при изменении режимов работы агрегата,возможной работой одной машины от ПЧ с несинусоидальностью выходногонапряжения, а другой машины - на сеть синусоидального напряжения.Необходимоиметькорректныеметодыанализаэлектромеханическихпроцессов при пуске, испытаниях, нагружении асинхронных машин с общимвалом, прогнозирования опасных режимов работы, обусловленных возможнымпереходом части машин в режим электромагнитного тормоза, ударными токамипри пуске агрегатов, особенно при значительной мощности машин.

Поэтомуразработка корректных методик исследования асинхронных машин с общимвалом, является актуальной научно-технической задачей.Диссертация подготовлена в соответствии с НИОКТР «Разработка иисследованиеэнергоэффективныхтяговыхэлектрическихмашиндляперспективных транспортных силовых установок», выполненной по контракту№02.G25.31.0049 в рамках Постановления Правительства РФ №218.Цельдиссертационнойработы–повышениеэнергетическойэффективности и эксплуатационной безопасности асинхронных машин собщим валом на основе уточненного анализа электромеханических процессов.Предметисследования:Взаимосвязанныеэлектромеханическиепроцессы в асинхронных машинах с общим валом.Объектисследования:Многомашинный,вчастномслучаедвухмашинный, агрегат из асинхронных машин, связанных общим валом.Задачи исследования:1. Разработка математических моделей электромеханических процессов вдвух асинхронных машинах с общим валом на основе системы интегродифференциальных уравнений обеих машин в фазовой системе координат,общейматричнойэлектромеханическойэлектрических схем замещения.7моделимашин,связанных2.