В работе исследуется влияние теплового воздействия на магнитные свойства стали. Численный анализ, действительно, указал на важность явления нагревания во время процесса литья под давлением меди. Позднее мы оценили, в пределах синусоидальной и однонаправленной магнитной индукции, последствия такой тепловой технологической обработки на стандартных прямоугольных образцах. Затем был проведен эксперимент на асинхронной машине, беспроводниковый ротор которой был нагрет.

1 ВВЕДЕНИЕ

Беличья клетка ротора состоит из пакета ферромагнитных штампованных листов с отверстиями для пазов, в которых находятся электропроводниковые стержни. Эти стержни замыкаются накоротко на обоих концах пакета с помощью колец. Беличьи клетки роторов изготавливают обычно путем литья под давлением алюминия. Главное преимущество такого способа состоит в снижении затрат на производство, так как стержни и короткозамыкающие кольца отливаются в форму одновременно и составляют механически прочную и электрически непрерывную конструкцию. Напротив, стержни (роторов) из меди в настоящее время устанавливают вручную в пазы, а кольца паяют твердым припоем из меди и цинка. Эта техника включает в себя три основных недостатка: снижение производительности вследствие установки стержней вручную; длина стержня должна быть увеличенной, чтобы сделать пайки жесткими, а форма стержня простой, чтобы сохранить его стоимость невысокой.

Цель статьи состоит в представлении исследования, затрагивающего литейное производство FAVI, расположенного на севере Франции, которое предлагает реализовать его искусство литья медных сплавов, для того, чтобы заменить алюминий медным сплавом с высокой электропроводностью. Этот класс сплава предполагает температуру плавления близкую к температуре плавления чистой меди, 1083^оС, тогда как у алюминия - достигает только 655^оС. Фактически, температура плавки выше точки плавления. Магнитные листы сердечника составляют часть целой литейной формы беличьей клетки. В этом способе, когда медь течет в пазы, магнитные листы подвергаются большому тепловому воздействию, температура которого намного выше точки Кюри материала. Как следствие, важно количественно определить влияние этого вида термической обработки на магнитные свойства сердечника ротора. В этом направлении мы особенно обращаем внимание на скорость нагревания и максимальную температуру листов.

В первой части статьи мы представим наши расчеты о передаче тепла в листах сердечника ротора в процессе литья под давлением. Этот этап нашего проекта ставит своей целью определение тепловой карты железа вокруг пазов. Это исследование указывает на огромные скорости нагревания. Поэтому во второй части статьи рассматриваются изменения в магнитных характеристиках определенной электротехнической стали в режимах теплового воздействия. Мы исследовали проблему путем проведения экспериментов, включающих типовые прямоугольные ферромагнитные образцы, нагретые при различных температурных уровнях от 400 до 1100^оС и охлажденные в окружающем воздухе. Магнитные характеристики были получены с помощью устройства Epstein’a, в котором контролируется синусоидальная форма волны магнитной индукции. Наши опыты отличаются от прежних тепловых испытаний на магнитных материалах, которые касаются отжига, как в [1-3], управляемой тепловой обработки и магнитных характеристик стали, испытываемой при заданной температуре, как в [4].

Впоследствии испытания были проведены на трехфазной асинхронной машине, оборудованной ротором без стержней, который нагревался с целью установления связи между экспериментами на образцах и на собранной машине.

2 ПЕРЕДАЧА ТЕПЛА В ПРЕДЕЛАХ ЛИСТОВ СЕРДЕЧНИКА РОТОРА

Широкое использование асинхронных двигателей в различных применениях обуславливает необходимость достоверного знания особенности их эксплуатационных характеристик для правильного выбора машин в пределах ограничений, поставленных предприятием-изготовителем.

Один из параметров, который указывает, что двигатель работает в пределах его характеристик, это температурный подъем в статоре (обмотка и магнитопровод). Следовательно, его конечное установившееся состояние должно быть в пределах допустимых значений для использованного класса изоляции [4]. Возможно использование температурных датчиков для осуществления контроля перегрева, но в большинстве промышленных процессов этот подход экономически не оправдан. Один из методов установления температурного подъема – использование математических моделей [1,2], которые представляют тепловые характеристики, например, в функции тока.

В статье предлагается термо-электрическая математическая модель для оценки подъема температуры асинхронного двигателя в функции тока статора путем использования искусственных нейронных сетей [3] и программное обеспечение промышленного контроля.

Нейронные сети или искусственные нейронные сети для того, чтобы быть более точными, представляют технологию, которая внедряется во многие дисциплины: науки, связанные с изучением высшей нервной деятельности, математику, статистику, физику, вычислительную технику и инженерное искусство. Нейронные сети находят применение в таких разных областях, как моделирование, анализ с помощью временных рядов, распознавание образов, обработка сигналов и управление на основании какого-либо важного свойства, например, способности обучения по входным данным с учителем или без учителя. Нейронные сети могут аппроксимировать усложненные функциональные зависимости, используя несколько нейронных слоев, построенных подобно человеческому мозгу.

В настоящей статье многослойная сеть распознающих элементов используется для обеспечения максимального или конечного температурного подъема и постоянных времени нагревания или охлаждения в функции мощности двигателя и тока статора (Рис.2). Нейронная система в этом случае используется подобно распознаванию образа в реальном масштабе времени для многих двигателей.

Нейронная система обучалась с применением системы MATLAB и данных, полученных по выражениям (4), (6) и информационных сообщений предприятия-изготовителя.

Структура нейронной сети была реализована с использованием семи нейронов в скрытом слое и двух нейронов в выходном слое (Рис.2). В таком случае, входы и выходы сети представляют: входы – мощность двигателя (Hp) и ток статора (А); выходы – максимальный подъем температуры (^оС) и постоянные времени нагревания и охлаждения (мин).

Искусственная нейронная сеть обучалась с использованием инструментария нейронной сети MATLAB/SIMULINK и Back-Propagation Algorithm. Самая лучшая структура (слои и нейроны в каждом слое) должна быть выбрана во время обучения потому, что ее работа зависит от данных (в нашем случае от числа используемых двигателей).

Искусственная нейронная сеть была внедрена в коммерческое математическое обеспечение, используя язык программирования Visual Basic, для того, чтобы обеспечить потребителям, не имеющим MATLAB, способ обучения сети. После обучения весовые коэффициенты (synaptic weights) передаются в программное обеспечение промышленного наблюдения и контроля для того, чтобы оценивать в реальном времени повышение температуры элементов конструкции статора.

3 ЭФФЕКТЫ ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МАГНИТНЫЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ

. . . . . .

4 МАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РОТОРА С ЛИТОЙ МЕДНОЙ

ОБМОТКОЙ

Главная цель замены алюминия медью в короткозамкнутой обмотке ротора состоит в улучшении энергетического коэффициента полезного действия. Эксперименты на образцах квадратной формы показали, что магнитные свойства существенно изменяются за счет теплового воздействия. Это заключение убеждает нас провести опыты на асинхронной машине для того, чтобы установить, насколько свойства этой машины подвержены влиянию процесса медного литья. При этом электротехническая сталь подвергается (воздействию) реальной вращающейся волны магнитной индукции.

Наши эксперименты проводились на трехфазной четырехполюсной асинхронной машине с напряжением 400 В и мощностью несколько меньшей, чем 10 кВт. Принимая во внимание результаты испытаний, связанные только с сердечником ротора, мы сделали пакет листов без литых проводников. Когда процесс измерений с этим ротором был завершен, мы решили применить к нему тепловое воздействие. Мы ввели его в печь, воздух в которой был предварительно нагрет до 800^оС. Это значение температуры было выбрано, поскольку оно выше точки Кюри для стали. Время нагревания так же, как и для образцов, было рассчитано таким образом, чтобы достичь температуры образца для всего ротора. Охлаждение происходило на окружающем воздухе.

Уровень потерь в железе тщательно исследовался, в то время, как магнитными потерями в роторе, поскольку скольжение мало, традиционно пренебрегают. Действительно, в [6] показано, что даже если потери в железе ротора, созданные основной гармоникой магнитной индукции также несущественны, гармоники магнитной индукции наводят ЭДС высокой частоты и амплитуды. Авторы приходят к выводу, в числе прочего, что потери в железе ротора и статора имеют один порядок. В [7] утверждается, что потери в роторе составляют от 20 до 25% общих потерь в машине. В соответствии с результатом исследования, достигнутого в [6], мы предложили следующий метод определения потерь в железе ротора: маломощная машина постоянного тока приводит во вращение ротор асинхронного двигателя при синхронной скорости; предварительно должны быть проведены измерения для того, чтобы получить потери машины постоянного тока и механические потери совокупности машин. Когда напряжение асинхронной машины возрастает, мы обращаем внимание, в соответствии с [6], что мощность машины постоянного тока увеличивается для того, чтобы сохранить скорость постоянной. Фактически эта дополнительная мощность компенсирует потери в роторе от гармонических составляющих. Результаты показаны на рис.5.

5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наш проект, в контексте стремления к энергетической эффективности, является в настоящее время темой большой важности.

Эксперименты как на образцах электрической стали, так и на сердечнике ротора доказали существенное влияние теплового воздействия, проявляющегося в необратимости магнитных характеристик. Эти испытания показали, что мы не можем пренебрегать влиянием технологии процесса литья на свойства асинхронной машины. В соответствии с экспериментами на магнитных образцах, характеризуемыми синусоидальной и однонаправленной магнитной индукцией, тепловое воздействие приводит к росту относительной магнитной проницаемости, а также к существенному снижению потерь при любой величине магнитной индукции, даже при стремлении насыщения инвертировать эту тенденцию. Что касается сердечника ротора, подвергающегося действию вращающихся полей гармоник, созданных обмотками статора, потери на самом деле понижаются при высокой температуре, однако, при насыщении магнитные свойства ухудшаются более быстро.