АВТОРЕФЕРАТ

Тема випускної роботи: Розрахунково-теоретичний аналіз теплового стану вибухозахищених асинхронних двигунів у режимах короткого замикання і після них

Керівник: Бурковський Анатолий Миколайович

RUS | UKR | ENG |

Актуальність теми.
Вибухозахищений асинхронний двигун (АД) складає основу електропривода в хімічній, нафтовій, газовій і вугільній промисловості, де працюють у різних режимах. Особливим режимом АД у вибухонебезпечних виробництвах є режим із загальмованим ротором - режим короткого замикання (КЗ). Питання визначення нагрівання обмоток вибухозахищеного АД в режимах КЗ і всіх елементів конструкції АД після КЗ є важливим як для рішення задач проектування двигунів, так і їхнього застосування у вибухонебезпечних середовищах з підвищеною вибухонебезпечністю виду I I C. Тому досить актуальної є задача визначення теплового стану вибухозахищених АД в режимах КЗ і після них.

Мета роботи.
Розробити методи визначення теплового вибухозахищеного АД різної потужності і різних конструкцій у режимах КЗ і після них. Для виконання цих цілей необхідно вирішити наступні задачі: 1. Скласти методику розрахунку електромагнітних параметрів і струмів статора і ротора в режимах КЗ для двигуна з короткозамкненим ротором з різними формами пазів ротора потужністю до 1000 квт. 2. Скласти методику теплового розрахунку в режимах КЗ і після них для двигунів оребрених, що обдуваються і для двигунів вибухозахищених (6, 10 квт) з розподіленим трубчастим охолодженням.

Наукова новизна.
Наукова новизна полягає в тому, що практично уперше вирішується задача розрахунково-теоретичного визначення всього комплексу питань по визначенню струмів обмоток статорів і роторів, (короткозамкнені ротора однокліткові, двохкліткові, глубокопазні з лопаточним пазом ротора) у функції часу короткого замикання, нагрівів обмоток при КЗ з урахуванням насичення і витиснення струму, а також дослідження характеру зміни температури всіх основних елементів конструкції АД при його перебуванні у відключеному стані або при роботі в номінальному режимі.

Практичне значення роботи.
Будуть розроблені методики чисельного розрахунку теплового стану вибухозахищених АД в режимах КЗ і після них, що можуть бути використані у всіх зацікавлених органах.

Зміст роботи.
При короткому замиканні по нелінійних залежностях від часу змінюються електромагнітні параметри двигуна і щільності втрат в обмотках. Тому доцільно розділити увесь час КЗ на ряд інтервалів із середніми значеннями зазначених величин на кожнім інтервалі. Це дозволяє розраховувати нагрів обмоток статора і ротора на кожнім інтервалі часу із середніми значеннями параметрів схем заміщення. Розрахунок починається з обчислення величини струму статора і втрат енергії, що виділиться в обмотках статора і ротора. Далі виробляється розрахунок розподілу втрат по висоті стрижня ротора і по вузлах схеми заміщення. Для розрахунку розподілу щільності струму стрижень ротора по висоті поділяється на ряд шарів з умовно постійною щільністю струму усередині кожного шару. Розраховуються індуктивні й активні опори кожного шару, при цьому активні опори із урахуванням реальної (розрахункової) температури цього шару. Розраховується система рівнянь падінь напруг на кожнім із шарів, рішення якої дає розподіл струмів по шарах (з урахуванням витиснення струму). Далі розподіляються втрати по вузлах теплової схеми заміщення, і виконується тепловий розрахунок на кожнім інтервалі часу до закінчення часу КЗ. Розрахунки нагрівання в КЗ передбачено виконати для двигунів з різними формами пазів ротора (проста – без витиснення струму; двохклітковий, лопаточний). Після розрахунку нагрівання в КЗ виконується тепловий розрахунок для визначення теплового стану всіх основних елементів двигуна в режимі після КЗ (режим навантаження, холостий хід, відключений стан). Це дозволить розрахувати параметри ротора на кожнім тимчасовому інтервалі із середніми значеннями параметрів схем заміщення. Розрахунок починається з обчислення величини струму статора і втрат енергії, що виділиться в обмотках статора і ротора. Далі виконується розрахунок розподілу втрат по висоті стрижня ротора і по вузлах схеми заміщення. Для розрахунку розподілу щільності струму стрижень ротора по висоті поділяється на ряд шарів з умовно постійною щільністю струму усередині кожного шару. Розраховуються індуктивні й активні опори кожного шару, при цьому активні опори з обліком реальної (розрахункової) температури цього шару. Розраховується система рівнянь падінь напруг на кожнім із шарів, рішення якої дає розподіл струмів по шарах (з урахуванням витиснення струму). Далі розподіляються втрати по вузлах теплової схеми заміщення, і виконується тепловий розрахунок на кожнім інтервалі часу до закінчення часу КЗ. Розрахунки нагрівання в КЗ передбачено виконати для двигунів з різними формами пазів ротора (проста – без витиснення струму; двохклітковий, лопаточний). Після розрахунку нагрівання в КЗ виконується тепловий розрахунок для визначення теплового стану всіх основних елементів двигуна в режимі після КЗ (режим навантаження, холостий хід, відключений стан).
Огляд літератури.
У режимах із загальмованим ротором в обмотках статора і ротора асинхронного двигуна (АД) протікають пускові струми, що приводить до дуже швидкого нагрівання обмоток. Конвективний теплообмін з поверхонь при цьому досить незначний, тому тепловим зв'язком між статором і ротором можна зневажити. У практичних розрахунках найчастіше зневажають і тепловим зв'язком між обмоткою і сердечником, тобто розглядають адіабатичне нагрівання обмоток. Нагрівання обмотки статора [5]:

(°К);                     (1)

при  ; ; ;
– початкова щільність струму в режимі короткого замикання;
– час перехідного процесу.
Нагрівання обмотки ротора (матеріал - алюміній):

;                        (2)

при  ; ; ;
Для подвійної білячої клітки в літературі маються трохи більш уточнений залежності з урахуванням витиснення [6].

Коефіцієнт витиснення:                                        ;                    (3)

где , – кількість тепла в пусковій клітці і сумарне в роторі, відповідно. З тепла, що виділилося, у пусковій клітці тільки частина ( ) викликає нагрівання клітки, а інше тепло передається на залізо. Виходить, нагрів потрібно по втратах:

;                       (4)

Нагрівання пускової клітки за пуск:

 ;                        (5)

где , – питома теплоємність і вага стрижнів пускової клітки.
Недоліком викладених методів розрахунку температури обмотки статора є те, що вона не враховують теплопередачі з міді на ізоляцію і пакет і не дають можливість визначити температурне поле в КЗ. Аналогічно викладені методи розрахунку нагрівання ротора не дозволяють розраховувати максимальну температуру. Крім того, викладені методи не дозволяють врахувати вплив нагрівання ротора на витиснення струму, що до деякої міри може змінити картину розподілу втрат, що гріють, і температур по висоті стрижня. Точність розрахунку може бути істотно підвищена застосуванням методу схем заміщення.

Основні результати і висновки.
Розроблено методику розрахунку теплового стану всіх основних елементів конструкції вибухозахищених АД в режимах КЗ і після них з урахуванням насичення і витиснення струму в обмотці ротора.

Перелік посилань.
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.