АВТОРЕФЕРАТ

Тема выпускной работы: Расчетно-теоретический анализ теплового состояния взрывозащищенных асинхронных двигателей в режимах короткого замыкания и после них

Руководитель: Бурковский Анатолий Николаевич

RUS | UKR | ENG |

Актуальность темы.
Взрывозащищенный асинхронный двигатель (АД) составляет основу электропривода в химической, нефтяной, газовой и угольной промышленности, где работают в различных режимах. Особенным режимом АД во взрывоопасных производствах является режим с заторможенным ротором - режим короткого замыкания (КЗ). Вопрос определения нагрева обмоток взрывозащищенного АД в режимах КЗ и всех элементов конструкции АД после КЗ является важным как для решения задач проектирования двигателей, так и их применения во взрывоопасных средах с повышенной взрывоопасностью вида I I C. Поэтому весьма актуальной является задача определения теплового состояния взрывозащищенных АД в режимах КЗ и после них.

Цель работы.
Разработать методы определения теплового состояния взрывозащищенного АД различной мощности и различных конструкций в режимах КЗ и после них. Для выполнения этих целей необходимо решить следующие задачи:
1. Составить методику расчета электромагнитных параметров и токов статора и ротора в режимах КЗ для двигателя с короткозамкнутым ротором с различными формами пазов ротора мощностью до 1000 кВт.
2. Составить методику теплового расчета в режимах КЗ и после них для двигателей оребренных обдуваемых и для двигателей взрывозащищенных (6, 10 кВт) с распределенным трубчатым охлаждением.

Научная новизна.
Научная новизна состоит в том, что практически впервые решается задача расчетно-теоретического определения всего комплекса вопросов по определению токов обмоток статоров и роторов, (короткозамкнутые ротора одноклеточные, двухклеточные, глубокопазные с бутылочным пазом ротора) в функции времени короткого замыкания, нагревов обмоток при КЗ с учетом насыщения и вытеснения тока, а также исследования характера изменения температуры всех основных элементов конструкции АД при его нахождении в отключенном состоянии или при работе в номинальном режиме. 

Практическое значение работы.
Будут разработаны методики численного расчета теплового состояния взрывозащищенных АД в режимах КЗ и после них, которые могут быть использованы во всех заинтересованных органах. 

Содержание работы.
При коротком замыкании по нелинейным зависимостям от времени изменяются электромагнитные параметры двигателя и плотности потерь в обмотках. Поэтому целесообразно разделить все время КЗ на ряд интервалов со средними значениями указанных величин на каждом интервале. Это позволяет рассчитывать нагревы обмоток статора и ротора на каждом временном интервале со средними значениями параметров схем замещения. Расчет начинается с вычисления величины тока статора и потерь энергии, выделяемой в обмотках статора и ротора. Далее производится расчет распределения потерь по высоте стержня ротора и по узлам схемы замещения. Для расчета распределения плотности тока стержень ротора по высоте делится на ряд слоев с условно постоянной плотностью тока внутри каждого слоя. Рассчитываются индуктивные и активные сопротивления каждого слоя, при этом активные сопротивления с учетом реальной (расчетной) температуры этого слоя. Рассчитывается система уравнений падений напряжений на каждом из слоев, решение которой дает распределение токов по слоям (с учетом вытеснения тока). Далее распределяются потери по узлам тепловой схемы замещения, и выполняется тепловой расчет на каждом временном интервале до истечения времени КЗ. Расчеты нагрева в КЗ предусмотрено выполнить для двигателей с различными формами пазов ротора (простая – без вытеснения тока; двухклеточный, бутылочный). После расчета нагрева в КЗ выполняется тепловой расчет для определения теплового состояния всех основных элементов двигателя в режиме после КЗ (нагрузочный, холостой ход, отключенное состояние). Это позволит рассчитать параметры ротора на каждом временном интервале со средними значениями параметров схем замещения. Расчет начинается с вычисления величины тока статора и потерь энергии, выделяемой в обмотках статора и ротора. Далее производится расчет распределения потерь по высоте стержня ротора и по узлам схемы замещения. Для расчета распределения плотности тока стержень ротора по высоте делится на ряд слоев с условно постоянной плотностью тока внутри каждого слоя. Рассчитываются индуктивные и активные сопротивления каждого слоя, при этом активные сопротивления с учетом реальной (расчетной) температуры этого слоя. Рассчитывается система уравнений падений напряжений на каждом из слоев, решение которой дает распределение токов по слоям (с учетом вытеснения тока). Далее распределяются потери по узлам тепловой схемы замещения, и выполняется тепловой расчет на каждом временном интервале до истечения времени КЗ. Расчеты нагрева в КЗ предусмотрено выполнить для двигателей с различными формами пазов ротора (простая – без вытеснения тока; двухклеточный, бутылочный). После расчета нагрева в КЗ выполняется тепловой расчет для определения теплового состояния всех основных элементов двигателя в режиме после КЗ (нагрузочный, холостой ход, отключенное состояние). 

Обзор литературы
В режимах с заторможенным ротором в обмотках статора и ротора асинхронного двигателя (АД) протекают пусковые токи, что приводит к очень быстрому нагреванию обмоток. Конвективный теплообмен с поверхностей при этом весьма незначительный, поэтому тепловой связью между статором и ротором можно пренебречь. В практических расчетах зачастую пренебрегают и тепловой связью между обмоткой и сердечником, т.е. рассматривают адиабатический нагрев обмоток. Нагрев обмотки статора [5]:

(°К);                     (1)

при  ; ; ;
– начальная плотность тока в режиме короткого замыкания;
– время переходного процесса.
Нагрев обмотки ротора (материал - алюминий):

;                        (2)

при  ; ; ;
Для двойной беличьей клетки в литературе имеются несколько более уточненный зависимости с учетом вытеснения [6].

Коэффициент вытеснения:                                        ;                    (3)

где , – количество тепла в пусковой клетке и суммарное в роторе, соответственно. Из выделившегося тепла в пусковой клетке только часть ( ) вызывает нагрев клетки, а остальное тепло передается на железо. Значит, нагрев нужно по потерям:

;                       (4)

Нагрев пусковой клетки за пуск:

 ;                        (5)

где , – удельная теплоемкость и вес стержней пусковой клетки.
Недостатком изложенных методов расчета температуры обмотки статора является то, что она не учитывают теплопередачи с меди на изоляцию и пакет и не дают возможность определить температурное поле в КЗ. Аналогично изложенные методы расчета нагрева ротора не позволяют рассчитывать максимальную температуру. Кроме того, изложенные методы не позволяют учесть влияние нагрева ротора на вытеснения тока, что в некоторой степени может изменить картину распределения греющих потерь и температур по высоте стержня . Точность расчета может быть существенно повышена применением метода схем замещения.

Основные результаты и выводы.
Разработана методика расчета теплового состояния всех основных элементов конструкции взрывозащищенных АД в режимах КЗ и после них с учетом насыщения и вытеснения тока в обмотке ротора. 

Список литературы.
1. Вольдек А.И. Электрические машины. М-Л. “Энергия”, 1966: с.524-535.
2. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С., Теплопередача. М. “Энергия”, 1969: с.7-40, с.92-102.
3. Борисенко А.И., Костиков О.Н., Яковлев А.И. Охлаждение промышленных электрических машин. М. “Энергоатомиздат”, 1983: с. 5-8, с. 10-14, с. 41-65, с.75-76.
4. Борисенко А.И., Данько В.Г., Яковлев А.И. Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах. М. “Энергия”, 1974: с.7-12, с. 24-26, с. 75-91, с. 504-511.
5. Сергеев П.С., Виноградов А.В., Горяинов Ф.А. Проектирование электрических машин. М. «Энергия», 1969 г.
6. Е. Вадеман, В. Келленбергер Конструкции электрических машин. Л. «Энегрия», 1972 г.