Оценка эффективности обмоток трехфазных асинхронных двигателей с учетом зубчатого строения воздушного зазора

Актуальность темы

В настоящее время большое внимание уделяется проблеме энергосбережения в стране. Это подтверждается принятием правительством РФ Федерального Закона № 261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности .» [1]. Асинхронные двигатели, в виду своей простоты конструкции и надёжности, получили широкое распространение и в настоящее время являются основными потребителями электроэнергии. В связи с этим в электромеханике, сначала в мире, а затем и в России были приняты нормы IEC 60 034−30 «Классы энергоэффективности односкоростных трехфазных асинхронных двигателей» [2]. В этом стандарте повышаются требования к энергоэффективности электрических машин.

В настоящее время многие производители асинхронных машин поставили перед собой задачу разработки новых энергоэффективных асинхронных двигателей. Но основными тенденциями увеличения энергоэффективности асинхронных двигателей являются использование новых конструктивных и технологических решений, направленных на снижение известных видов потерь в электрической машине, а также современных методов расчёта [3,4,5,6]. При этом практически не уделяется внимание оптимизации магнитопровода электрических машин.

В недалёком прошлом, около 40 лет назад, по вопросам повышения коэффициента полезного действия, который непосредственно влияет на энергетические характеристики машины, были опубликованы работы таких учёных как: Вольдека А. И., Иванова-Смоленского A.B., Жерве Г. К., Попова В. И., Кравчика А. Э., Стрельбицкого Э. К., Муравлёва.

О.П., Похолкова Ю. П. и др. [4,7,8,9,10,11]. Результаты их работ развили асинхронный двигатель в современный вид. Но в те времена вычислительные возможности были ограничены.

Обмотки являются одним из основных элементов электромеханического преобразования энергии, протекающего в электрических машинах [12,13]. Раньше, не имея современных вычислительных мощностей, учёным приходилось применять метод стохастического поиска оптимума при разработке методик расчёта электрических машин. Так одним из допущений являлось предположение о гладкости статора и ротора, а влияние неучтённых факторов, заменялось введением коэффициентов [7,8,9,14].

Считается, что применение укорочения для статорных обмоток приводит к повышению электромагнитных свойств асинхронных двигателей за счёт улучшения кривой магнитного поля в зазоре и ЭДС. Уменьшается влияние (вплоть до уничтожения) отдельных высших гармонических составляющих в магнитной цепи машины [15,16,17]. Сосредоточенные обмотки, катушки которых создают МДС прямоугольной формы, не нашли широкого распространения. Распределение обмотки по нескольким пазам, ослабляет высшие гармонические в кривой результирующей МДС и улучшает форму поля в воздушном зазоре, приближая ее к синусоиде [7,16,18]. Величины воздействия укорочения и распределения обмоток выражают в виде коэффициентов укорочения и распределения соответственно, произведение которых является обмоточным коэффициентом.

Обратим внимание на то, что вывод коэффициентов укорочения и распределения произведён без учёта влияния геометрии зубцовой зоны на величину индукции в воздушном зазоре [7,9,18]. В этом случае возникает сомнение в универсальности применения обмоточного коэффициента для обмоток асинхронных двигателей с различной геометрией зубцовой зоны.

Таким образом, на основании изложенного выше актуальность темы исследования определена необходимостью создания уточнённых рекомендаций к проектированию новых асинхронных двигателей, позволяющих учитывать зубчатость геометрии воздушного зазора и осуществить выбор оптимальных конструктивных решений для обеспечения высоких показателей энергоэффективности готовых изделий.

Объектом исследования являются серийные асинхронные электродвигатели, рассчитанные на работу от сети промышленной частоты 50 Гц со стандартным уровнем напряжения.

Целью диссертационной работы является оценка эффективности обмоток трёхфазных асинхронных двигателей с учетом зубчатого строения воздушного зазора.

Исходя из этой цели, были поставлены и решены следующие научно-технические задачи:

1. Создать универсальную конечно-элементную модель асинхронного двигателя для эффективного проведения анализа существующих асинхронных двигателей, на основании их параметров.

2. Произвести расчет электромагнитного момента асинхронного двигателя при различных положениях ротора.

3. Определить степень влияния укорочения обмотки на величину электромагнитного момента асинхронного двигателя, при неизменной геометрии зубцовой зоны.

4. Определить влияние изменения геометрии зубцовой зоны и на величину электромагнитного момента асинхронного двигателя, при неизменной используемой обмотке.

5. Составить рекомендации по выбору конфигурации трёхфазной обмотки асинхронного двигателя с учётом соотношения чисел пазов статора и ротора.

6. Проанализировать природу снижения электромагнитного момента асинхронных двигателей при использовании укорочения обмоток и зубчатой геометрии воздушного зазора.

7. Провести экспериментальные исследования для подтверждения правильности предложенных методик расчета и рекомендаций. !

Методы исследований базируются на использовании теории электрических и магнитных цепей, методах теории поля, теории электрических машин, а также численных методах, реализованных современным программным обеспечением для вычислительных машин [19,20,21,22,23,24].

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

— разработаны рекомендации для проектирования трёхфазных обмоток асинхронных двигателей с учётом зубчатости воздушного зазора, с точки зрения получения максимального электромагнитного момента;

— предложена методика для определения оптимальных соотношений чисел пазов для статора и ротора с точки зрения энергосбережения, при которых достигается максимальное значение электромагнитного момента в номинальных и пусковых режимах работы асинхронного двигателя;

— разработана методика для сокращения времени и трудоёмкости составления типовых математических моделей для численного решения методом конечных элементов, с возможностью последующего автоматизированного расчёта без участия человека;

— в результате исследований уточнены пределы применения коэффициента укорочения в методиках, построенных на основе классической теории электрических машин.

Практическая значимость работы. Практическую ценность диссертационной работы составляют:

— методика автоматизированного расчёта типовых асинхронных двигателей методом конечных элементовграфические зависимости электромагнитного момента от соотношения чисел пазов на статоре и роторе в асинхронных двигателях;

— рекомендации по выбору типа обмотки и коэффициента укорочения для них, с учётом 1 зубчатой геометрии магнитопровода асинхронного двигателя.

Предложенная методика автоматизированного расчёта типовых асинхронных двигателей методом конечных элементов может быть использована в системах автоматизированного проектирования асинхронных двигателей, на стадии разработки новых, модернизации существующих асинхронных двигателей, а также их серий.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

— результаты математического исследования асинхронного двигателя подтвердили, что применение коэффициента укорочения в рассмотренных конструкциях не способствует повышению энергосберегающих параметров машины и поэтому рекомендуется использовать диаметральные обмотки.

— на основе современных численных методов предложена методика автоматизированного расчёта типовых асинхронных двигателей методом конечных элементов;

— алгоритм расчёта типовых асинхронных двигателей, который позволяет быстро рассчитать распределение поля в электрической машине по данным геометрии и параметров электродвигателя, позволяет производить быстрый перерасчёт модели при изменении параметров;

— укорочение обмотки в трёхфазных электрических машинах, следует применять в соответствии с предложенными рекомендациями;

— для увеличения электромагнитных моментов в асинхронных машинах необходимо предварительно проанализировать влияние числа пазов ротора на момент двигателя;

— результаты экспериментальных исследований, подтверждающие необходимую для практики точность предложенных методов.

Реализация результатов работы. Полученные теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры «Электромеханических систем и электроснабжения» ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в лекционный курс «Компьютерные технологии в электромеханике».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на научных семинарах кафедры «Электромеханических систем и электроснабжения» ВГТУ (2008 — 2011 гг.) — I на всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж,.

2010 г. и Воронеж, 2011 г.). Результаты проведённых исследований опубликованы в 7 печатных работах [25,26,27,28,29,30], а также в отчётах по научно-исследовательской работе кафедры «Электромеханических систем и электроснабжения» ВГТУ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 158 страниц, 71 рисунок, 47 таблиц, список литературы, включающий 94 наименования и 2 приложения.

Выводы.

1. В результате проведённого исследования подтвердилась достоверность результатов математического анализа асинхронных электродвигателей.

2. В ходе работы было подтверждено существенное влияние укорочения обмотки ца значение момента на валу.

3. Результаты проведенной работы подтвердили возможность повышения величины момента на валу путем отказа от использования укорочения.

4. Использование обмоток с укорочением, с учётом современных тенденций развития электромеханики, для исследованных двигателей, нецелесообразно. Это связано с уменьшением электромагнитного момента и как следствие коэффициента полезного действия, который должен быть как можно больше.

Рекомендации по проектированию асинхронных двигателей.

1. Модернизация электродвигателей серии 4А в части исполнений 4А71В6, 4А16 084, 4А25 084 дала результаты, выдвигающие модернизированные исполнения в ряд энергоэффективных электродвигателей.

2. При этом потребляемые мощности снижаются для исполнения 4А71В6 на 2%, для 4А16 084 на 5%, а для 4А25 084 на 8%. Это позволяет не только повысить КПД, но и получить заметный запас по нагреву.

3. При проектировании трёхфазных асинхронных электродвигателей рекомендуется применять однослойные обмотки с полным шагом. При этом желательно число пазов статора формировать из условия, что q > 3.

4. При этом формы и размеры пазов статора и ротора рекомендуются следующие — таблица 4.3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Современная техническая политика государства, направленная на снижение уровня энергопотребления в стране, определяет жестокие требования в отношении коэффициента полезного действия электрических машин. Асинхронные двигатели отечественного производства — основной потребитель электрической энергии, сильно по энергосберегающим параметрам отстают от зарубежных аналогов.

Классические методики расчёта электрических машин предполагают множество допущений и упрощений. Проектировщики, используя эти методики, не могут получить высокоэффективные электрические машины. Большинство конструкторских нововведений для повышения энергосберегающих параметров электрических машин направлено на применение новых материалов, конструктивных решений, что не всегда приносит значительные результаты.

Проведенные в диссертационной работе исследования позволили сформулировать следующие основные результаты.

1. Создан и проанализирован ряд конечно-элементных математических моделей асинхронных двигателей, описывающих влияние укорочения и распределения обмотки, располагаемой в магнитопроводе, имеющем зубчатое строение, в номинальных и пусковых режимах двигателей 4А71В6,4А16 084,4А25 084.

2. Вычислительный эксперимент, проведённый с помощью метода конечных элементов, позволил оценить характер влияния обмоточного коэффициента с учётом геометрии зубцовой зоны на ! величину электромагнитного момента, развиваемого асинхронным двигателем.

3. Предложенная методика численного анализа методом конечных элементов позволяет быстро и качественно найти возможные точки оптимизации геометрии или обмотки асинхронного двигателя.

4. Подробный анализ зависимости укорочения и распределения обмотки от различных параметров геометрии машины показал преимущества использования однослойных обмоток в рассмотренных исполнениях асинхронных двигателей (4А71В6, 4А16 084, 4А25 084) для повышения коэффициента полезного действия.

5. Соотношение чисел пазов ротора и статора, а также количество полюсов машины влияет на амплитуду электромагнитного момента. Оптимально подобранное число пазов ротора позволяет снизить ток, при том же электромагнитном моменте в том же габарите.

6. В результате анализа влияния числа пазов ротора на величину электромагнитного момента предложен способ количественной оценки оптимальности данного числа. Даны рекомендации по выбору числа 2 г в зависимости от числа пазов статора и числа пар полюсов 2р. В результате проведённых исследований с целью повышения энергосберегающих параметров рекомендуется для габарита /г = 71 мм с 2р = 6 полюсов использовать 22 = 31 паз на роторе. Для габарита /г = 160 с 2р = 4 полюсов — Ъ-^ — 27 пазов на роторе, а для габарита /1 = 250 с 2р = 4 полюсов -1г — Ъ1 пазов на роторе.

7. При проектировании трёхфазных асинхронных электродвигателей рекомендуется применять однослойные обмотки с полным шагом. При этом желательно число пазов статора формировать из условия, что q > 3.

8. Результаты экспериментальных исследований подтверждают предлагаемые рекомендации для выбора обмоточного коэффициента.

9. Оптимальный выбор геометрии зубцовой зоны, укорочения и распределения обмоток при проектировании асинхронных двигателей являются достаточной мерой для повышения значения коэффициента полезного действия, которая не требует применения дорогих материалов и принципиально новых технологий.