Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук. УДОСКОНАЛЕННЯ АСИНХРОННИХ ЕЛЕКТРОДВИГУНІВ ПРИВОДУ ЗАНУРНИХ НАСОСІВ ШЛЯХОМ ЗАСТОСУВАННЯ ЛИТОЇ МІДНОЇ КОРОТКОЗАМКНЕНОЇ ОБМОТКИ РОТОРА
ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД
“ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ”
Железняков Андрій Володимирович
УДК 621.313.333
УДОСКОНАЛЕННЯ АСИНХРОННИХ ЕЛЕКТРОДВИГУНІВ ПРИВОДУ
ЗАНУРНИХ НАСОСІВ ШЛЯХОМ ЗАСТОСУВАННЯ ЛИТОЇ
МІДНОЇ КОРОТКОЗАМКНЕНОЇ ОБМОТКИ РОТОРА
Спеціальність 05.09.01 - Електричні машини і апарати
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Донецьк
· 2008
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Державному вищому навчальному закладі “Донецький національний технічний університет” Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк, і в Українському науково-дослідному, проектно-конструкторському і технологічному інститут вибухозахищеного і рудникового електрообладнання з
дослідно-експериментальним виробництвом (УкрНДІВЕ) Міністерства промислової політики України, м. Донецьк.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Дудник Михайло Захарович
Державний вищий навчальний заклад
“Донецький національний технічний
університет”,
завідувач кафедри “Електромеханіка і
теоретичні основи електротехніки”,
м. Донецьк.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Мілих Володимир Іванович,
Національний технічний університет
“Харківський політехнічний інститут”,
завідувач кафедри “Електричні машини”,
м. Харків;
кандидат технічних наук, доцент
Заблодський Микола Миколайович,
Донбаський державний технічний
університет,
завідувач кафедри “Електричні машини
і апарати”, м. Алчевськ.
Захист відбудеться 19 червня 2008 р. о 1300 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.02 ДВНЗ “Донецький національний технічний університет” за адресою: Україна, 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 1-й навчальний корпус, ауд. 1.203.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ДВНЗ “Донецький
національний технічний університет” за адресою: Україна, 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2-й навчальний корпус.
Автореферат розісланий “ 14 ” 05 2008 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради Д 11.052.02, к.т.н., доц. А.М. Ларін ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. Як показує вітчизняний і зарубіжний досвід, найбільш економічними і ефективними установками для підняття рідини пласта (нафта, вода, газоконденсатні емульсії) є установки занурних електровідцентрових насосів (УЕВН), приводом яких служать спеціальні вертикальні асинхронні маслонаповненні двополюсні занурні електродвигуни (ЗЕД). Такі установки з'явилися більше 50 років тому і є в Україні і країнах СНД основним засобом для видобування нафти: ними видобувається більше 70% всієї нафти. Тому, підвищення енергетичної ефективності таких електродвигунів в тривалому і повторно-короткочасних режимах роботи є актуальною проблемою.
Оцінка перспектив розвитку ЗЕД показує, що кардинальних змін їх конструкції в найближчому майбутньому не передбачається. Тому резерви подальшого збільшення їх корисної потужності, енергетичній ефективності слід шукати в удосконаленні технології виготовлення, методах розрахунку і проектування з урахуванням умов експлуатації.
В Українському науково-дослідному, проектно-конструкторському і технологічному інституті вибухозахищеного і рудникового електрообладнання з дослідно-експериментальним виробництвом (УкрНДІВЕ), м. Донецьк, проведений комплекс пошукових, розрахунково-теоретичних, конструкторських, технологічних, стендових і експлуатаційних досліджень і випробувань по створенню вибухозахищених асинхронних електродвигунів (АД) з литою мідною короткозамкненою обмоткою (ЛМКО) ротора. В результаті проведеного аналізу і спираючись на досвід розробки, виготовлення і експлуатації, існуючих вітчизняних і зарубіжних АД для вугільної, хімічної і нафтовидобувної промисловості зроблено висновок, що одним з перспективних основних шляхів підвищення енергетичної ефективності ЗЕД є застосування ЛМКО в роторі.
Існуючі методи розрахунку і проектування АД з ЛМКО ротора не враховують конструктивні особливості, специфічні умови експлуатації і режими навантаження ЗЕД, тому не можуть бути повною мірою використані для ЗЕД з ЛМКО.
У зв'язку з цим актуальними є питання удосконалення математичних моделей ЗЕД і отримання прийнятних по збіжності з практичними даними результатів розрахунку ЗЕД з ЛМКО ротора.
Пакет ротора ЗЕД має нетрадиційне співвідношення розмірів (довжини і діаметру): L/D =5...6, а іноді і більше. У світовій практиці електромашинобудування відсутній досвід виготовлення ЛМКО таких пакетів роторів, тому актуальною є розробка технології виготовлення ЛМКО роторів нетрадиційної конструкції.
Застосування ЛМКО ротора дозволить поліпшити енергетичні показники ЗЕД без збільшення габариту в порівнянні з ЗЕД, оснащеними ротором із стрижневою паяною мідною короткозамкненою обмоткою (СМКО).
Таким чином, актуальність дисертаційної роботи полягає в підвищенні ефективності ЗЕД для приводу УЕВН: підвищенні енергетичної ефективності в габаритах серійних ЗЕД, а також удосконаленні методів їх розрахунку і проектування.
Підвищення ефективності ЗЕД для приводу УЕВН є актуальним, зокрема для машинобудування в Україні.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до Програми ВАТ “Першотравневий електромеханічний завод ім. К.Маркса” (ПЕМЗ), м. Первомайськ Луганської обл., по створенню асинхронних електродвигунів нового покоління на базі техногенно-екологічночистої технології виготовлення мідних литих обмоток короткозамкнених роторів на період 2000-2003р.р., тематичними планами НДДКР, що проводяться в УкрНДІВЕ відповідно до договорів: № 40/21-117 від 20.05.99р. з ВАТ “Альметьєвський насосний завод” (ВАТ “АЛНАС”), м. Альметьєвськ (РФ); № 117 від 02.08.2001р. з ДП “Харківський приладобудівний завод ім. Т.Г. Шевченко” (ДП “ХПЗ ім. Т.Г. Шевченко”), м. Харків; № 265 від 28.12.2000р., № 812 від 19.06.2002р., № 914 від 24.10.2002р. з ПЕМЗ при безпосередній участі автора, як керівника окремих етапів і відповідального виконавця.
Мета і завдання досліджень. Метою роботи є удосконалення ЗЕД приводу занурних насосів шляхом застосування ЛМКО ротора для підвищення енергетичної ефективності насосних установок.
Відповідно до поставленої мети в дисертації вирішуються наступні задачі:
· аналіз концепцій проектування, умов експлуатації ЗЕД вітчизняного і зарубіжного виробництва для виявлення резервів підвищення їх енергетичних показників;
· розробка технології виготовлення ЛМКО пакетів роторів ЗЕД, що мають нетрадиційне співвідношення довжини і діаметру, способом лиття під тиском;
· розробка математичних моделей для числового дослідження електромагнітних полів і процесів в ЗЕД з ЛМКО ротора;
· розробка математичної моделі ЗЕД з ЛМКО ротора для аналізу статичних і динамічних режимів роботи двигуна, що враховує втрати потужності в сталі;
· проведення експериментальних досліджень ЗЕД з ЛМКО ротора для визначення технічних характеристик машин і порівняння їх з технічними характеристиками аналогів – серійних ЗЕД.
Об'єкт досліджень – процес удосконалення ЗЕД приводу занурних насосів, підвищення їх енергетичної ефективності в заданих, обмежених габаритних розмірах.
Предмет досліджень – серійні ЗЕД, що мають СМКО ротора, удосконалюванні шляхом заміни останньої на ЛМКО.
Методи досліджень. Для вирішення сформульованих задач дисертаційної роботи використовувалися наступні методи досліджень:
· методи статистичного аналізу накопиченого досвіду розрахунку, проектування, виготовлення і експлуатації АД з ЛМКО ротора з метою виявлення резервів підвищення ефективності ЗЕД;
· метод кінцевих елементів (МКЕ), використовуваний для математичного моделювання і числового дослідження електромагнітних полів і процесів в ЗЕД з ЛМКО ротора з метою уточнення параметрів і характеристик двигунів;
· методи математичного моделювання для дослідження статичних і динамічних режимів роботи ЗЕД з ЛМКО ротора;
· методи експериментальних досліджень ЗЕД для перевірки теоретичних положень і наукових результатів;
· метод порівняльного аналізу результатів експериментальних досліджень ЗЕД з ЛМКО і СМКО ротора.
Наукова новизна одержаних результатів:
1. Вперше розроблена технологія виготовлення ЛМКО пакетів роторів ЗЕД, що мають нетрадиційне співвідношення довжини і діаметру, способом лиття під тиском.
2. Запропоновано нове технічне рішення щодо зниження додаткових втрат потужності в двигунах з секційним ротором за рахунок істотного ослаблення впливу зубцевих гармонік шляхом кутового зсуву окремих пакетів ротора.
3. Розроблена математична модель для розрахунку магнітних полів і процесів в ЗЕД з ЛМКО ротора, заснована на МКЕ. При цьому методологія побудови кінцево-елементних математичних моделей дозволила реалізувати останні у вигляді конкретних алгоритмів.
4. Отримала подальший розвиток математична модель для аналізу статичних і динамічних режимів роботи ЗЕД з ЛМКО ротора на базі Т-подібної заступної схеми, що відрізняється врахуванням втрат потужності в сталі.
Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці конструкторської і технологічної документації (ПФ.900.00) для виготовлення дослідних зразків пакетів ротора ЗЕД45-117МВ5 з ЛМКО; розроблена технологія виготовлення ЛМКО пакетів роторів ЗЕД, що мають нетрадиційне співвідношення довжини і діаметру, способом лиття під тиском, впроваджена на ДП “ХПЗ ім. Т.Г. Шевченко” дозволила виготовити дослідні зразки пакетів ротора ЗЕД в кількості 30 штук; виготовлений дослідно-промисловий зразок електродвигуна ЗЕД45-117МВ5 з ЛМКО ротора на заводі ВАТ “АЛНАС”, проведені його стендові випробування; розроблена методика математичного моделювання короткозамкнених занурних асинхронних електродвигунів з литою обмоткою ротора на основі синтезу параметрів заступної схеми з використанням експериментальних характеристик холостого ходу і короткого замикання (ПИЖЦ.520031.021), використовується в УкрНДІВЕ при проектуванні нових двигунів і в навчальному процесі ДВНЗ “Донецький національний технічний університет” на кафедрі електромеханіки і ТОЕ при читанні лекцій, курсовому і дипломному проектуванні.
Особистий внесок здобувача. Всі наукові положення і результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Особисто виконано: постановка задач; аналіз сучасних методів розрахунку і проектування двигунів з ЛМКО ротора; дослідження напрямів підвищення ефективності ЗЕД; вперше розроблена технологія виготовлення ЛМКО пакетів роторів ЗЕД, що мають нетрадиційне співвідношення довжини і діаметру, способом лиття під тиском; аналіз розподілу електромагнітного поля ЗЕД з ЛМКО ротора як з врахуванням, так і без врахування впливу вихрових струмів частоти ковзання, що індукуються в масиві валу ротора; встановлена можливість зниження додаткових втрат потужності в двигунах з секційним ротором типу ЗЕД за рахунок істотного ослаблення впливу зубцевих гармонік, шляхом кутового зсуву окремих пакетів ротора; досліджені статичні і динамічні режими роботи ЗЕД з ЛМКО ротора з використанням математичної моделі на базі Т-подібної заступної схеми, що враховує втрати потужності в сталі; проведений порівняльний аналіз технічних показників ЗЕД нового покоління з ЛМКО ротора з аналогами – серійними ЗЕД.
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на
· і
·
· Міжнародній конференції “Електротехніка і електротехнології” (ІМКЕЕ-94, м. Суздаль, Володимирської обл., Росія, 13-16 вересня 1994р.,
·ІМКЕЕ-96, Крим, Україна, 1-5 жовтня 1996р.); виробничо-технічній нараді “Створення нового енергетичного обладнання для нафтової і нафтопереробної промисловості”, організованому департаментом нафтової і газової промисловості Мінпаливенерго Росії (м. Самара, 14-18 вересня 1998р.);
·І
· Міжнародній конференції “Фізико-технічні проблеми електротехнічних матеріалів і компонентів” МКЕМК-99, м. Клязьма, Московська обл., Росія, 30 листопада-2 грудня 1999р.; VІ
· симпозіумі “Електротехніка 2010” (Московська обл., 27-29 травня 2003р.); міжнародному симпозіумі “Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика”, “SIEMA'2000 – 2007” (м. Харків, Україна, жовтень 2000 – 2007р.р.); Х
·-а міжнародна конференція “Електромеханіка, електротехнології, електротехнічні матеріали і компоненти” (Крим, м. Алушта, 18-23 вересня 2006р.); засіданнях кафедри “Електромеханіка і теоретичні основи електротехніки” ДВНЗ “Донецький національний технічний університет”; науково-технічній раді УкрНДІВЕ.
Публікації. За темою дисертації опубліковано 14 друкарських робіт в спеціалізованих виданнях, що містяться в переліку ВАК, з них: 4 – в науково-технічних, виробничих і економічних журналах, 8 – в збірках наукових праць, отримані один патент і один декларативний патент України на винаходи.
Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел із 89 найменувань, 5 додатків. Повний обсяг дисертації складає 193 сторінки, з них 112 сторінок основного тексту, 44 рисунки і 13 таблиць повністю займають 21 сторінку, 9 сторінок списку використаних джерел, 72 сторінки додатків.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У першому розділі
· “Стан питання і завдання досліджень” проведено аналіз технічних характеристик, особливостей конструкції і умов експлуатації, існуючих ЗЕД вітчизняного і зарубіжного виробництва, які працюють у складі насосних установок і розглянуті шляхи їх удосконалення.
Зроблений висновок, що на основі розробленої і освоєної в промисловому масштабі тільки в Україні (УкрНДІВЕ, ПЕМЗ) унікальної технології виготовлення ЛМКО роторів, яка дозволяє серійно випускати вибухозахищені АД з підвищеними енергетичними характеристиками, найбільш ефективні результати підвищення енергетичних показників ЗЕД в тих же габаритах, скорочення витрат при їх виробництві і експлуатації можна чекати застосувавши ЛМКО ротора.
Сформульовані мета і завдання досліджень.
Другий розділ
· “Технологічні аспекти виготовлення литих мідних короткозамкнених обмоток роторів для електродвигунів приводу занурних відцентрових насосів” присвячено аналізу існуючих способів виготовлення ЛМКО роторів АД і розробці за наслідками аналізу технології виготовлення ЛМКО роторів для ЗЕД.
Пакети роторів ЗЕД мають нетрадиційне співвідношення довжини і діаметру, тому виникла проблема заливки міді у вузькі довгі пази, яка вирішена застосуванням в технологічному процесі вітчизняної ливарної машини для лиття металів під тиском. При цьому розроблена спеціальна ливарна форма, що забезпечує якісне відливання короткозамкненої обмотки пакетів ротора ЗЕД.
Реалізація ідеї виготовлення ЛМКО ротора ЗЕД способом лиття міді під тиском включає ряд етапів. На першому етапі здійснюється приготування з відповідної шихти розплаву міді в графітовому тиглі індукційної печі. На другому етапі в розплав вводяться спеціальні добавки, зокрема деревне вугілля, бура, борна кислота і ін. для створення шлакоутворювальної захисної плівки, що зв'язує небажані домішки, а також оксиди для ослаблення негативного впливу навколишнього середовища (зниження електропровідності). На третьому проводиться порційне розкислювання розплаву шляхом введення фосфористої міді і цинку, контрольоване проведенням експрес-аналізу, з метою забезпечення необхідної питомої електропровідності міді в межах 55...59 МСм/м. Завершальний етап полягає в наступному: приготовлений розплав міді подають графітовим ковшем в камеру пресування ливарної машини і проводять заливку (запресовка металу) під тиском в ливарну форму, де відбувається формування відливки короткозамкненої обмотки пакету ротора.
За розробленою технологією у виробничих умовах ДП “ХПЗ ім. Т.Г. Шевченко” виготовлено 30 пакетів роторів ЗЕД з ЛМКО і виявлені дані для розробки промислової технології, технологічного обладнання і оснащення.
У третьому розділі
· “Математичне моделювання і числове дослідження електромагнітних полів і процесів в занурних асинхронних двигунах з литою мідною короткозамкненою обмоткою ротора” приведені результати числових досліджень електромагнітних полів і процесів в ЗЕД з ЛМКО ротора з використанням МКЕ. У загальному випадку нестаціонарне нелінійне диференціальне рівняння для векторного магнітного потенціалу:
13 EMBED Equation.3 1415, (1)
де
·,
· - магнітна проникність і електропровідність;
13 EMBED Equation.3 1415 - вектори швидкості руху середовища і сторонньої щільності струму;
13 EMBED Equation.3 1415-диференціальний набла – оператор.
Оскільки ЗЕД містить шихтований магнітопровід (
·0), то рівняння (1) перетворюється на стаціонарне нелінійне рівняння Пуассона
13 EMBED Equation.3 1415. (2)
Для зменшення числа незалежних просторових змінних тривимірне електромагнітне поле замінене двомірним, тобто плоскопаралельним в поперечному перетині ЗЕД.
Розв’язання рівняння (2) здійснене числовим методом з використанням МКЕ. Векторний магнітний потенціал А апроксимується лінійним поліномом в декартових координатах Х, Y:
13 EMBED Equation.2 1415. (3)
Після визначення А у вузлах сітки кінцевих елементів виконаний розрахунок складових магнітної індукції по осях Х, Y:
13 EMBED Equation.2 1415, 13 EMBED Equation.3 1415. (4)
При аналізі фізичних полів ЗЕД використовувалося програмне забезпечення, яке реалізовує МКЕ, розроблене на кафедрі електромеханіки НТУ “КПІ” м. Київ і застосовувався пакет прикладних програм FemLab, що входить до складу комплексу MatLab.
Проведені розрахунки (без врахування вихрових струмів частоти ковзання в масиві валу ротора) дозволили зробити наступні висновки щодо розподілу магнітного поля в номінальному режимі ЗЕД: найбільш насиченими ділянками магнітопроводу є тонкі коронки (перекриття) закритих пазів ротора, магнітна індукція в яких знаходиться в межах 2,22,6 Тл; індукція всередині валу знаходиться в межах 0,85...0,89 Тл; у зубцях ротора індукція дорівнює 1,7...1,9 Тл, в ярмі 1,5 Тл; у магнітопроводі статора найбільш насиченою ділянкою є ярмо, індукція в якому складає 1,65...1,82 Тл.
Врахування впливу вихрових струмів частоти ковзання індукованих в масиві валу ротора, які впливають на результуючий розподіл електромагнітного поля (розрахунок виконаний за рівнянням ідентичним рівнянню (1), за умови синусоїдальної зміни в часі всіх польових величин – квазістаціонарне рівняння поля) показав, що навіть при невеликій частоті ковзання в номінальному режимі вихрові струми у валу ротора значно витісняють магнітний потік з валу в ярмо ротора. Насичення шихтованого ярма ротора збільшується, а магнітна індукція в ньому зростає до 1,7...1,8 Тл проти 1,5 Тл без врахування індукованих струмів. У самому валу в межах глибини проникнення струмів в сталь валу індукція досягає значення 1,25 Тл. Густина вихрового струму на поверхні валу ротора досягає значень 0,3 А/мм2, а густина питомих втрат – 17 кВт/м3. Вказаний рівень втрат у валу ротора робить незначний вплив на тепловий баланс конструкційних елементів ротора.
Проведений аналіз впливу ексцентриситету ротора на розподіл магнітного поля в ЗЕД. Зважаючи на значну аксіальну довжину ЗЕД при його збірці можлива поява ексцентриситету, що зумовлює нерівномірність повітряного зазору уздовж осі статора. Розглянутий випадок ексцентриситету, при якому мінімальний зазор в ЗЕД 45-117 МВ5 складає 0,1 мм, а максимальний – 0,5 мм (при середньому робочому зазорі 0,3 мм): в області мінімального зазору індукція досягає значення 1,16 Тл, в області максимального – всього 0,51 Тл.
Проведена оцінка впливу кутового зсуву пакетів ротора. Розподіл магнітної індукції в повітряному зазорі ЗЕД уздовж полюсного ділення характеризується значною нерівномірністю. В результаті крива магнітної індукції має високий рівень зубцевих і вищих просторових гармонік, що індукують в обмотці статора паразитні ЕРС.
Форма кривої індукції у зазорі і фазові зсуви гармонік значною мірою залежать від взаємного положення зубців статора і ротора і змінюються при зсуві статора і ротора в межах зубцевого ділення. Це витікає з рис. 1, на якому представлено дві
Рис. 1. Криві розподілу магнітної індукції в повітряному зазорі уздовж полюсного ділення при кутах повороту 0° і 7,5°
криві розподілу магнітної індукції в повітряному зазорі уздовж одного полюсного ділення при початковому положенні ротора (кут повороту ротора рівний 0°) і при зсуві ротора відносно статора на кут 7,5°.
Криві на рис. 1 отримані після обробки результатів польових розрахунків, зокрема,
аналізу модуля магнітної індукції на розрахунковій лінії, що проходить через середину висоти повітряного зазору. Обидві криві демонструють високу амплітуду зубцевих гармонік магнітної індукції, проте відрізняються фазовим зсувом цих гармонік по відношенню один до одного. Амплітуди зубцевих гармонік досягають значення 0,3 Тл, що є джерелом значних додаткових втрат потужності в двигуні.
Для оптимального ослаблення впливу зубцевих гармонік необхідно взяти до уваги, що ротор ЗЕД по довжині складається з ряду незалежних пакетів з ЛМКО, відокремлених один від одного опорними підшипниками. Наприклад, в ЗЕД 45-117 МВ5 ротор складається з 11 пакетів. Обмотка статора виконана спільною і з нею зчеплений сумарний магнітний потік від всіх пакетів ротора. Така конструкція дозволяє істотно ослабити результуючі ЕРС зубцевих гармонік в обмотці статора за рахунок кутового повороту окремих пакетів ротора навколо осі на невеликий кут. При цьому в обмотці статора магнітні потоки зубцевих гармонік, породжені різними пакетами ротора, взаємно компенсуватимуться, що веде до зниження додаткових втрат в статорі.
Розрахункові дослідження показали, що в ЗЕД 45-117 МВ5 оптимальним є зсув пакетів ротора один до одного на кут 1,5°. Оскільки одне зубцеве ділення статора в двигуні складає
·1 = 360є/Z1 = 15є, то при вказаному кутовому зсуві у будь-який момент часу зубці статора і ротора по відношенню один до одного розташовані в різних пакетах в різних положеннях, що веде до фазових зсувів магнітних потоків зубцевих гармонік в різних пакетах і їх взаємній компенсації при індукуванні результуючої ЕРС в обмотці статора. Пропоноване технічне рішення певною мірою ідентично скосу пазів ротора в межах всієї активної довжини обмотки статора, який широко застосовується в традиційних короткозамкнених асинхронних двигунах.
Четвертий розділ
· “Синтез математичної моделі занурного електродвигуна з литою мідною короткозамкненою обмоткою ротора і моделювання його статичних і динамічних режимів роботи” присвячений розробці методу моделювання статичних і динамічних характеристик ЗЕД з ЛМКО ротора для зіставлення з характеристиками аналогів – серійних ЗЕД, і вибору способів оптимізації їх параметрів. Для забезпечення достовірності результатів моделювання і їх адекватності реальному об'єкту в роботі вирішено задачу створення математичної моделі ЗЕД, заснованої на використанні експериментальних даних дослідів холостого ходу (ХХ) і короткого замикання (КЗ), отриманих при випробуваннях дослідних зразків.
Як математична модель для ЗЕД з ЛМКО ротора була вибрана еквівалентна Т-подібна заступна схема (рис. 2). На відміну від загальноприйнятої схеми запропоновано, окрім R, L контурів статора і ротора, враховувати також втрати потужності в сталі статора за допомогою додаткового Rfe, Lfe контура. При цьому всі вказані вище контури зв'язані загальною взаємною індуктивністю Lm.
Рис. 2. Еквівалентна Т-подібна заступна схема ЗЕД з виділеним контуром втрат потужності в сталі і нелінійними залежностями параметрів від струмів
Попередній аналіз параметрів заступної схеми ЗЕД, які визначаються з характеристик ХХ і КЗ, показав, що параметри ротора не залежать від ефекту витіснення струму, а має місце тільки залежність індуктивностей розсіяння статора і ротора, а також активного і індуктивного опорів гілки намагнічування від відповідних струмів.
Параметри заступної схеми визначені за даними випробувань. Активний опір статора за даними вимірів складає 1,75 Ом або 0,055 відносних одиниць (в. о.). Як випливає з характеристики КЗ, активний вхідний опір ЗЕД мало залежить від величини струму статора, тому при загальмованому двигуні активний опір ротора знайдемо, як 3,2 – 1,75 = 1,45 Ом (0,045 в. о.).
Характер залежності вхідного індуктивного опору ЗЕД від струму статора в досліді КЗ показаний на рис. 3, з якого виходить, що має місце істотне насичення магнітних потоків розсіяння. Значення індуктивних опорів розсіяння обмоток
Рис. 3. Залежність індуктивного опору розсіяння статора ЗЕД від струму:
--- експеримент;
· апроксимація.
статора і ротора при струмах, що не перевищують номінальні, приймаємо однаковими і рівними 3,8 Ом (0,119 в. о.). При струмах, більших ніж за номінальні, експериментальні залежності цих опорів апроксимуємо за допомогою нелінійних функцій. Всі використовувані в них величини виражені у відносних одиницях:
13 EMBED Equation.3 1415;
13 EMBED Equation.3 1415.
· (5)
Аналогічні залежності отримані і для кола ротора.
З врахуванням знайдених з досліду ХХ активного і індуктивного вхідних опорів ЗЕД представляється можливим знайти тепер послідовно увімкнені активний і індуктивний опори гілки намагнічування, оскільки опори кола статора відомі:
13 EMBED Equation.3 1415;
13 EMBED Equation.3 1415. (6)
Для підвищення точності математичної моделі при аналізі динамічних режимів доцільно враховувати втрати потужності в сталі за допомогою окремо виділеного контура. Залежності (6) замінимо тепер двома паралельно увімкненими гілками Rfe(Ife), Xfe і Xm(Im), як це показано на заступній схемі (рис. 2). При цьому друга гілка відображає загальну взаємну індуктивність кіл статора і ротора. Заміна проводиться шляхом розв’язання нелінійної системи рівнянь, отриманої за умови рівності провідності гілок і збереження таких же, як початкові, значень споживаної активної потужності на намагнічування. В результаті рішення отримані характеристики апроксимовані аналітичними залежностями:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
13 EMBED Equation.3 1415=0,1;
13 EMBED Equation.3 1415=1,2513EMBED Equation.31415.
На рис. 4 приведені експериментальна і апроксимована залежності активного опору в колі гілки , що відображає втрати потужності в сталі від струму.
Рис. 4. Залежність активного опору в колі врахування втрат в сталі
ЗЕД від струму:
1
· апроксимація;
2
· експеримент.
Для підтвердження адекватності отриманої математичної моделі у вигляді еквівалентної Т-подібної заступної схеми ЗЕД, що досліджується були розраховані пускові характеристики двигуна.
Методика розрахунку пускових характеристик ЗЕД заснована на визначенні вхідного опору вказаної заступної схеми. У зв'язку з тим, що ряд опорів заступної схеми є функціональними залежностями від струмів, що протікають у відповідних гілках (статора, ротора, контура втрат потужності в сталі) розрахунок статичних характеристик виконувався ітераційним шляхом. На його початку задаються початкові наближення струмів у всіх колах еквівалентної заступної схеми, а потім в процесі ітераційного розрахунку ці струми уточнюються до тих пір, поки їх значення на попередньому і наступному кроках розрахунку не відрізнятимуться менше заданої точності розрахунку.
Алгоритм програми розрахунку статичних характеристик на ПЕОМ побудований таким чином, що режимні параметри двигуна (струми, обертальні моменти та ін.) визначаються для окремих точок ковзання ротора і величини прикладеної до статора ЗЕД напруги.
Результати виконаних розрахунків при номінальній напрузі статора були зіставлені з початковими, отриманими під час проведення стендових випробувань ЗЕД з ЛМКО ротора. Як видно з рис. 5, 6 розрахункові пускові характеристики струму статора і обертального моменту відрізняються від початкових характеристик. Незбіг складає 5%.
Рис. 5. Механічні характеристики ЗЕД:
· розрахункова;
експериментальна.
Рис. 6. Характеристики струмів статора ЗЕД:
· розрахункова;
експериментальна.
Математична модель ЗЕД для аналізу динамічних режимів роботи з використанням результатів синтезу параметрів заступної схеми (рис. 2) складається з системи диференціальних рівнянь (приведені у векторній формі), в яких як невідомі прийняті струми статора, ротора, контура втрат потужності в сталі, а також частота обертання ротора:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415; (7)
де 13EMBED Unknown1415
· струм в колі взаємної індуктивності;
mc(w) – момент опору механізму;
J – механічна постійна часу агрегату;
w – частота обертання ротора агрегату;
р – символ диференціювання;
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 – напруга, прикладена до обмотки статора.
Система диференціальних рівнянь (7) для різних електромагнітних і електромеханічних перехідних режимів роботи ЗЕД була розв’язана стандартним методом Рунге-Кутта четвертого порядку з фіксованим кроком розрахунку, рівним 0,0001 с. Програма розрахунку на ПЕОМ реалізована в пакеті автоматизації математичних розрахунків MathCad.
Проведений розрахунок основних режимних параметрів ЗЕД: струмів статора, ротора, обертального момента, частоти обертання, а також втрат потужності в обмотках і магнітопроводі при пуску ЗЕД. На рис. 7 – 10 показані деякі результати розрахунків.
Рис. 7. Розрахункова залежність від часу струму статора у фазі А при пуску ЗЕД
Рис. 8. Характер зміни в часі модулів струмів статора і ротора при пуску ЗЕД
Рис. 9. Характер зміни в часі модулів струмів в гілках втрат потужності в сталі і взаємоіндукції при пуску ЗЕД
Рис. 10. Характер залежностей від часу споживаної потужності, обертального моменту і втрат потужності при пуску ЗЕД
Як видно з приведених даних в режимах пуску максимальне значення динамічного моменту перевищує номінальний в 5,3 разів, а час його згасання складає близько 0,2 с. Струм намагнічування на початку пуску, так само як і момент, має коливальний характер, тоді як в гілці врахування втрат потужності в сталі не спостерігається коливань струму із-за великого активного опору цього кола. Час пуску ЗЕД під навантаженням при номінальній напрузі складає близько 0,5 с, тоді як при пониженні напруги до 0,8 номінальної, воно зростає до 1,2 с.
Отримані дані представляється можливим використовувати для вибору оптимальних параметрів при розробці нового типу двигунів.
У п'ятому розділі
· “Експериментальні дослідження електродвигунів приводу занурних відцентрових насосів” наведені результати експериментальних досліджень дослідного (ЛМКО) і серійного (СМКО) зразків електродвигуна ЗЕД45-117МВ5 потужністю 45 кВт. Випробування виконувалися відповідно до діючих стандартів і методик. Обробка і аналіз результатів стендових випробувань (при номінальному навантаженні) показали наступне: заміна СМКО ротора на ЛМКО за інших рівних умов дозволяє зменшити втрати в ЗЕД, а саме: втрати в обмотці ротора Рм2
· на 1821%, втрати в сталі Рст
· на 0,9...1%, втрати в обмотці статора Рм1
· на 56,3%.
Зниження втрат в ЗЕД з ЛМКО ротора приводять до зростання ККД двигуна на 1...1,5 % і cos
· на 0,01...0,02 в.о., енергетичного ККД на 2,47%. Із зменшенням гріючих втрат перевищення температури обмотки статора ЗЕД з ЛМКО при збереженні тієї ж корисної потужності знижується на 3.4єС.
Зіставлені енергетичні показники дослідного і серійного зразків ЗЕД не тільки при номінальному, але і при тривалому середньостатистичному експлуатаційному навантаженню
· 0,7 Рном (табл. 1).
Таблиця 1
Енергетичні показники електродвигунів ЗЕД45-117МВ5
у режимі середньостатистичного експлуатаційного навантаження (0,7 Рном)
Параметр,
в. о.
Значення параметрів
дослідний
серійний
·
0,8568
0,8571
сos
·
0,82
0,80
··сos
·
0,702
0,686
Як видно з результатів досліджень енергетичний ККД дослідного ЗЕД перевищує аналогічний показник серійної машини на 2,47% і 2,27% відповідно в номінальному і середньостатистичному експлуатаційному режимах.
Двигун ЗЕД45-117МВ5 з ЛМКО ротора витримав стендові випробування і рекомендований до проведення експлуатаційних випробувань.
ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення ефективності спеціальних вертикальних мастилозаповнених двополюсних занурних електродвигунів (ЗЕД) із стрижньовою паяною мідною короткозамкненою обмоткою (СМКО) ротора, призначених для приводу установок занурних електровідцентрових насосів (УЕВН) за рахунок поліпшення енергетичного ККД шляхом застосування ЛМКО ротора.
Основні наукові і практичні результати полягають в наступному:
1. У результаті аналізу концепцій проектування і умов експлуатації ЗЕД приводу занурних насосів обґрунтований вибір напряму їх удосконалення для підвищення енергетичних показників, шляхом застосування ЛМКО ротора.
2. Вперше розроблена технологія виготовлення ЛМКО пакетів роторів ЗЕД, що мають нетрадиційне співвідношення довжини і діаметру, способом лиття під тиском.
3. Запропоновано нове технічне рішення щодо зниження додаткових втрат потужності в двигунах з секційним ротором за рахунок істотного ослаблення впливу зубцевих гармонік шляхом кутового зсуву окремих пакетів ротора. Для ЗЕД45-117МВ5 рекомендовано виконувати послідовно кутовий зсув пакетів ротора на 0,1 зубцевого ділення.
4. Розроблена математична модель для розрахунку магнітних полів і процесів в ЗЕД з ЛМКО ротора, яка заснована на методі кінцевих елементів. При цьому методологія побудови кінцево-елементної математичної моделі, дозволила ефективно реалізувати останню у вигляді конкретних алгоритмів і комп’ютерних програм.
5. Отримала подальший розвиток математична модель для аналізу статичних і динамічних режимів роботи ЗЕД з ЛМКО ротора, на базі Т-подібної заступної схеми, що відрізняється врахуванням втрат потужності в сталі.
6. Показаний незначний вплив вихрових струмів частоти ковзання, що індукуються в масиві валу, на тепловий баланс конструкційних елементів ротора.
7. Розроблена технологія виготовлення ЛМКО пакетів роторів ЗЕД, що мають нетрадиційне співвідношення довжини і діаметру, способом лиття під тиском впроваджена на ДП “ХПЗ ім. Т.Г. Шевченко”. На заводі ВАТ «АЛНАС» виготовлений дослідний зразок електродвигуна ЗЕД45-117МВ5, проведені його стендові випробування.
8. Розроблена методика математичного моделювання короткозамкнених занурних асинхронних електродвигунів з литою обмоткою ротора на основі синтезу параметрів заступної схеми з використанням експериментальних характеристик холостого ходу і короткого замикання (ПИЖЦ.520031.021). Використовується в УкрНДІВЕ при проектуванні нових двигунів і в навчальному процесі ДВНЗ “Донецький національний технічний університет” на кафедрі електромеханіки і ТОЕ при читанні лекцій, курсовому і дипломному проектуванні.
9. В процесі проведення стендових випробувань встановлено що енергетичні показники дослідного зразка ЗЕД з ЛМКО ротора перевершують аналогічні характеристики існуючих двигунів із СМКО ротора, як в номінальному, так і в середньостатистичному експлуатаційному режимах роботи.
ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Чувашев В.А. Асинхронные взрывозащищенные электродвигатели с повышенной перегрузочной способностью / В.А.Чувашев, Т.С. Юргенсон, В.Ю. Чуванков, А.В. Железняков, Н.П. Жук // Электротехника.
· 1995. – № 3. – С. 9-12.
2. Чувашев В.А. Асинхронные двигатели с медной литой клеткой ротора / В.А. Чувашев, В.Я. Броди, В.Ю. Чуванков, А.В. Железняков, В.Г. Диренко, В.Н.Оприян, А.В. Скляренко // Уголь Украины. – 1998. – № 7. – С. 20-22.
3. Чувашев В.А. Технология изготовления литых медных обмоток роторов электродвигателей ЭКВ / В.А. Чувашев, В.Я. Броди, В.Ю. Чуванков, А.В. Железняков, В.Г. Диренко, В.Н. Оприян, А.В. Скляренко // Уголь Украины. – 1998. – № 7. – С.23-25.
4. Чувашев В.А. Эффективность применения и перспективы развития электродвигателей погружных насосов с литой медной клеткой ротора / В.А. Чувашев, А.В. Железняков, В.Ю. Чуванков, В.Я. Броди, И.В. Чувашев, Х.З. Кавеев, Ш.Х. Габдрахманов, Н.А. Мухаметшин // Вестн. Харьковского государственного политехнического университета. Новые решения в современных технологиях / Харьковский госуд. политех. ун-т.
· Харьков, 2000.
· Вып. № 84: Проблемы совершенствования электрических машин и аппаратов. Теорія и практика.
· С. 189-192.
5. Чувашев В.А. Обзор математических моделей асинхронных двигателей и методов их реализации / В.А. Чувашев, Ю.Л. Медведев, А.В. Железняков, В.Ю. Чуванков, В.Я. Броди, И.В. Чувашев, Х.З. Кавеев, Ш.Х. Габдрахманов, Н.А. Мухаметшин // Вестн. Харьковского государственного политехнического университета. Новые решения в современных технологиях / Харьковский госуд. политех. ун-т.
· Харьков, 2000.
· Вып. № 84: Проблемы совершенствования электрических машин и аппаратов. Теорія и практика.
· С. 215-222.
6. Чувашев В.А. Математическая модель расчёта погружного электродвигателя для привода бесштангового центробежного насоса / В.А. Чувашев, А.В. Железняков, Ю.Л. Медведев, И.В. Чувашев, Н.А. Мухаметшин, Е.Е. Григорян // Вiсн. Нацiонального технiчного унiверситету “Харкiвський полiтехнiчний iнститут” / Нац. техн. ун-т “ХПІ”.
· Харків, 2001.
· Вип.16: Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика. – С. 158-162.
7. Железняков А.В. Новое поколение взрывозащищённых асинхронных двигателей привода погружных насосов для нефтяной промышленности / А.В. Железняков, Ю.Л. Медведев, Н.А. Мухаметшин, Ю.Н. Папазов, В.А. Чувашев // V
·
· Симпозиум “Электротехника 2010”. Сб. док., Перспективные виды электротехнического оборудования для передачи и распределения энергии.
· Московская обл., 2003.
· Т.
·V, Разд. 5 и 7. – С. 286-294.
8. Железняков А.В. Новое поколение взрывозащищённых асинхронных электродвигателей на базе экологически чистых и ресурсо-энергосберегающих технологий / А.В. Железняков, Ю.Л. Медведев, Н.А. Мухаметшин, Ю.Н. Папазов, В.Ю. Чуванков, В.А. Чувашев // V
·
· Симпозиум “Электротехника 2010”. Сб. док., Перспективные виды электротехнического оборудования для передачи и распределения энергии.
· Московская обл., 2003.
· Т.
·V, Разд. 5 и 7. – С. 211-220.
9. Железняков А.В. Математическое моделирование и численное исследование электромагнитных полей и процессов в погружных асинхронных двигателях с литой медной короткозамкнутой обмоткой ротора / А.В. Железняков, В.А.Чувашев // Електротехнiка i Електромеханiка. – 2006.
· №2.
· С. 15-21.
10. Чувашев В.А. Технологические аспекты изготовления литой медной короткозамкнутой обмотки ротора взрывозащищённых электродвигателей / В.А. Чувашев, В.Ю. Чуванков, А.В. Железняков, Ю.Н. Папазов // Сб. науч. тр. Украинского научно-исследовательского проектно-конструкторского и технологического института взрывозащищённого и рудничного электрооборудования с опытно-экспериментальным производством. Сер., Взрывозащищённое электрооборудование / УкрНИИВЭ.
· 2007.
· С. 225-241.
11. Чувашев В.А. Исследование технической возможности изготовления литых медных короткозамкнутых обмоток роторов для погружных электродвигателей / В.А. Чувашев, А.В. Железняков, В.Ю. Чуванков, Ю.Н. Папазов // Сб. науч. тр. Украинского научно-исследовательского проектно-конструкторского и технологического института взрывозащищённого и рудничного электрооборудования с опытно-экспериментальным производством. Сер., Взрывозащищённое электрооборудование / УкрНИИВЭ.
· 2008.
· С. 181-185.
12. Сивокобыленко В.Ф. Моделирование динамических режимов работы асинхронных двигателей с литой короткозамкнутой обмоткой ротора / В.Ф. Сивокобыленко, В.А. Павлюков, Ю.Н. Папазов, А.В. Железняков // Сб. науч. тр. Украинского научно-исследовательского проектно-конструкторского и технологического института взрывозащищённого и рудничного электрооборудования с опытно-экспериментальным производством. Сер., Взрывозащищённое электрооборудование / УкрНИИВЭ.
· 2008.
· С. 152-161.
13. Пат. 27993. Україна, МКІ 6 Н02К17/16. Ротор електричної машини / автори: Тахаутдінов Ш.Ф., Чувашев В.А., Захарченко П.І., Чаронов В.Я., Ширнін І.Г., Броді В.Я., Москальов Е.П., Дудник М.З., Железняков А.В., Чуванков В.Ю., Опріян В.М., Діренко В.Г; патентовласники: Тахаутдінов Ш.Ф., Чувашев В.А., Захарченко П.І., Чаронов В.Я., Броді В.Я., Москальов Е.П.
· № 98052708; заявл. 26.05.98; опубл. 16.10.2000, Бюл. № 5.
14. Декл. пат. 72104 А. Україна, МКІ 7 Н02К17/18, Н02К17/16. Ротор асинхронного електродвигуна / автори: Чувашев В.А., Мухаметшин Н.А., Чуванков В.Ю., Папазов Ю.М., Москальов Е.П, Железняков А.В, Демченко В.М., Медвєдєв Ю.Л., Ульман А.М., Чувашев І.В., Лень А.Т.; патентовласники: Чувашев В.А., Чуванков В.Ю., Папазов Ю.М., Москальов Е.П, Железняков А.В.
· № 20031110823; заявл. 28.11.2003; опубл. 17.01.2005, Бюл. № 1.
Особистий внесок здобувача в опублікованих у співавторстві роботах:
[1] – аналіз результатів експериментальних досліджень механічних характеристик електродвигунів з підвищеною перевантажувальною здатністю, що мають ЛМКО ротора; [2] – дослідження теплового стану асинхронних двигунів, удосконалених на основі ЛМКО ротора; [3] – відробіток елементів технології виготовлення роторів з ЛМКО; [4] – запропонований спосіб поліпшення технічних характеристик ЗЕД шляхом застосування ЛМКО ротора; [5] – запропоновано реалізувати математичну модель АД використовуючи МКЕ; [6, 7] – розроблена і реалізована математична модель для аналізу режимів роботи ЗЕД з ЛМКО ротора; [8] – проведений аналіз переваг вибухозахищених асинхронних двигунів (ВАД) з ЛМКО ротора в порівнянні з ВАД з литою алюмінієвою обмоткою ротора; [9] – розроблена і реалізована математична модель для розрахунку магнітних полів і процесів в ЗЕД з ЛМКО ротора, заснована на МКЕ; [10, 11] – розроблений технологічний пристрій і відпрацьовані технологічні режими виготовлення ЛМКО пакетів роторів ЗЕД, способом лиття під тиском; [12] – розроблена математична модель ЗЕД з ЛМКО ротора на базі Т-подібної схеми заміщення з додатковим контуром, що враховує втрати потужності в сталі; [13, 14] – брав участь у формуванні опису й написанні формули патенту.
АНОТАЦІЯ
Железняков А.В. “Удосконалення асинхронних електродвигунів приводу занурних насосів шляхом застосування литої мідної короткозамкненої обмотки ротора”. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 – електричні машини і апарати.
· ДВНЗ “Донецький національний технічний університет”, Донецьк, 2008.
Дисертація присвячена питанням розробки ефективного і економічного способу вдосконалення спеціальних вертикальних асинхронних мастилозаповнених двополюсних занурних електродвигунів (ЗЕД) для приводу установок відцентрових насосів (УЕВН), застосовуваних в нафтовій промисловості, який полягає в заміні стрижневої паяної мідної короткозамкненої обмотки (СМКО) ротора на литу мідну короткозамкнену обмотку (ЛМКО).
Розроблена технологія виготовлення ЛМКО пакетів роторів ЗЕД, що мають нетрадиційне співвідношення довжини і діаметру, способом лиття під тиском.
Для розрахунку магнітних полів і процесів в ЗЕД з ЛМКО ротора розроблена математична модель, заснована на МКЕ, при цьому методологія побудови звичайно-елементних математичних моделей, дозволила реалізувати останні у вигляді конкретних алгоритмів і комп'ютерних програм. Виконаний аналіз особливостей розподілу магнітного поля в номінальному режимі роботи ЗЕД як з врахуванням впливу вихрових струмів частоти ковзання в масиві валу ротора, так і без нього, дозволяє оптимізувати конфігурацію магнітопроводу двигуна, для оптимального рівня насичення всіх ділянок.
Запропоновано нове технічне рішення щодо зниження додаткових втрат потужності в двигунах з секційним ротором за рахунок істотного ослаблення впливу зубцевих гармонік шляхом кутового зсуву окремих пакетів ротора. Розроблена математична модель для аналізу статичних і динамічних режимів роботи ЗЕД з ЛМКО ротора, на базі Т-подібної заступної схеми, що відрізняється врахуванням втрат потужності в сталі. Стендові випробування дослідних зразків ЗЕД з ЛМКО ротора довели їх високі техніко-економічні показники.
Ключові слова: занурний асинхронний електродвигун, відцентровий насос, лита мідна короткозамкнена обмотка, математична модель, метод кінцевих елементів.
АННОТАЦИЯ
Железняков А.В. “Совершенствование асинхронных электродвигателей привода погружных насосов путём применения литой медной короткозамкнутой обмотки ротора”. Рукопись.
Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 – электрические машина и аппараты.
· ГВУЗ “Донецкий национальный технический университет”, Донецк, 2008.
Диссертация посвящена вопросам разработки эффективного и экономичного способа совершенствования специальных вертикальных асинхронных маслозаполненных двухполюсных погружных электродвигателей (ПЭД) для привода установок погружных центробежных насосов (УЭЦН), применяемых в нефтяной промышленности, который состоит в замене стержневой паяной медной короткозамкнутой обмотки (СМКО) ротора на литую медную короткозамкнутую обмотку (ЛМКО).
Проблема повышения энергетических показателей ПЭД является частью национальной программы энергосбережения, сформулированной Государственным комитетом Украины по энергосбережению. В связи с удорожанием электроэнергии, её экономное расходование при проведении работ по подъёму пластовых жидкостей приобретает всё большую актуальность.
Проведён анализ концепций проектирования и условий эксплуатации ПЭД привода погружных насосов отечественного и зарубежного производства. Обоснован выбор направления совершенствования ПЭД для повышения их энергетических показателей путём применения ЛМКО ротора.
Оценка перспектив развития ПЭД показывает, что кардинальных изменений их конструкции в ближайшем будущем не предвидится. Для улучшения энергетических показателей двигателей требуются радикальные технические решения и значительные капитальные затраты. Поэтому резервы дальнейшего увеличения их полезной мощности, энергетической эффективности следует искать в совершенствовании технологии изготовления, методах расчёта и проектирования с учётом условий эксплуатации. Предлагается для повышения энергетических показателей ПЭД в тех же габаритах, сокращении затрат при их производстве и эксплуатации применить ЛМКО ротора вместо СМКО.
Разработана технология изготовления ЛМКО пакетов роторов ПЭД, имеющих нетрадиционное соотношение длины и диаметра, способом литья под давлением. Технология внедрена на ГП “ХПЗ им. Т.Г. Шевченко”, на заводе ОАО “АЛНАС” изготовлен опытно-промышленный образец электродвигателя типа ПЭД45-117МВ5.
Для расчёта магнитных полей и процессов в ПЭД с ЛМКО ротора разработана математическая модель, основанная на МКЭ, при этом методология построения конечно-элементных математических моделей позволила реализовать последние в виде конкретных алгоритмов и компьютерных программ. Выполненный анализ особенностей распределения магнитного поля в номинальном режиме работы ПЭД как с учетом влияния вихревых токов частоты скольжения в массиве вала ротора, так и без него, позволяет оптимизировать конфигурацию магнитопровода двигателя, добившись оптимального уровня насыщения всех участков. Установлено незначительное влияние вихревых токов частоты скольжения в массиве вала, на тепловой баланс элементов конструкции ротора.
Предложено новое техническое решение по снижению добавочных потерь мощности в двигателях с секционным ротором за счёт оптимального ослабления влияния зубцовых гармоник путём последовательного углового смещения (в ПЭД45-117МВ5: 0,1 зубцового деления) отдельных пакетов ротора.
Разработана математическая модель для анализа статических и динамических режимов работы ПЭД с ЛМКО ротора, на базе Т-образной схемы замещения, отличающаяся учётом потерь мощности в стали, с учётом зависимости от тока индуктивных сопротивлений рассеяния статора, ротора и ветви намагничивания.
Разработана методика математического моделирования короткозамкнутых погружных асинхронных электродвигателей с литой обмоткой ротора на основе синтеза параметров схемы замещения с использованием экспериментальных характеристик холостого хода и короткого замыкания (ПИЖЦ.520031.021). Используется в УкрНИИВЭ при проектировании новых двигателей и в учебном процессе ГВУЗ “Донецкий национальный технический университет” на кафедре электромеханики и ТОЭ при чтении лекций, курсовом и дипломном проектировании.
Стендовые испытания опытных образцов ПЭД45-117 МВ5 с ЛМКО ротора доказали их высокие технико-экономические показатели.
Ключевые слова: погружной асинхронный электродвигатель, центробежный насос, литая медная короткозамкнутая обмотка, математическая модель, метод конечных элементов.
ANNOTATION
Zheleznyakov A.V. “Perfection of induction motors for driving the down-pumps by application of the cast copper shortcircuited rotor cage”. Manuscript.
Dissertation on the receipt of scientific degree of candidate of engineerings sciences after speciality 05.09.01 – electrical machines and apparatuses
· Donetsk national technical university, Donetsk, 2008.
Dissertation is devoted to questions connected with development of the effective and economical method for perfection special filled by oil vertical induction two-pole submersible electric motors (SEM) for driving sets of centrifugal pumps (SECP), applied in oil industry which consists of substituting the soldered shortcircuited copper bar winding (SCBW) of rotor by the cast shortcircuited copper winding (CSCW).
Technology of making the CSCW rotor packages of SEM, having nontraditional correlation between the length and diameter, using the method of casting under pressure is developed.
For calculation of magnetic fields and processes in SEM with CSCW of rotor a mathematical model, based on FEM is developed as this takes place the methodology of construction of FEM mathematical models allowed to realize the latter as the concrete algorithms and computer programs. Fulfilled analysis of features connected with distributing the magnetic-field at the rated conditions of SEM both taking into account influence of the addy currents of the rotor sleep frequency in the stray magnetic fields rotor in the rotor shaft and without above account allows to optimize configuration of the motor magnetic system with the aim to determine the optimum satiation level for all elements of magnetic circuit.
New technical solution to decline the additional power losses in motor with a sectional rotor due to the substantial weakening of influence of tooth accordions by angular displacement of separate packages of rotor is offered. A mathematical model is developed for the analysis of the static and dynamic modes of operations of SEM with CSCW rotor on the base of the L-equivalent circuit with account losses of power in steel. The stand tests of pre-production models of SEM with CSCW of rotor proved their high technical and economic indexes.
Key words: plunged induction motor, centrifugal pump, cast copper shortcircuited winding, mathematical model, finite element method.
13PAGE 15
13PAGE 15
13PAGE 141915
Індукція, Тл
Кути, град
0
1
2
3
4
5
6
7
0.05
0.07
0.09
0.11
0.13
0.15
іfe, в.о.
X
·S (is), в.о.
Rfe, в.о.
іfe, в.о.
Iа, в.о.
Is,Ir, в.о.
Ife,Im, в.о.
M, P,
·P, в.о.