И А Захарчук - Анализ пусковых характеристик асинхронного мотор-вентилятора с экранированными кольцами в обмотке ротора - страница 1

Страницы:
1  2  3  4 

УДК 621. 313: 629.424

И.А. Захарчук, г. Луганск

АНАЛИЗ ПУСКОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОННОГО МОТОР-ВЕНТИЛЯТОРА С ЭКРАНИРОВАННЫМИ КОЛЬЦАМИ В ОБМОТКЕ РОТОРА

Разработана методика расчета пусковых характеристик для асинхронного мотор-вентилятора с экранированными кольцами в обмотке ротора. Пусковые характеристики получены путем компьютерного моделирования электромагнитных процессов в асинхронном мотор-вентиляторе. Определена конструкция мотор-вентилятора с минимальными пусковыми потерями. Рис. 8, табл. 1, ист. 3.

Постановка проблемы

Для повышения экономичности систем охлаждения тепловозных дизелей предложен регулируемый напряжением асинхронный мотор-вентилятор (АМВ) с двухпакетным ротором, конструкция которого приведена на рис. 1.

Рис.1. Конструкция АМВ

АМВ содержит статор 1 с двумя шихтованными пакетами из электротехнической стали, и с одной обмоткой статора на два пакета. Статор 1 соединен с основанием 2 при помощи втулки 3, которая несет опорные подшипники 4. Вал 5 соединен с ротором с помощью торцевого щита 6. Ротор состоит из вентиляторного колеса 7, к которому приварены лопасти 8. В вентиляторное колесо запрессованы два шихтованных пакета 9 и 10 с двумя короткозамкнутыми обмотками, которые содержат стержни 11 и 12, внутренние кольца 13 и внешние кольца 14, которые закорачивают накоротко стержни 11 и 12 обмоток ротора. Торцевые ферромагнитные кольца - экраны 15, охватывают внешние кольца 14 обмоток ротора.

Между кольцами 13 есть кольцевая вентиляционная щель 16. Внутренние кольца 13 охлаждаются сквозь отверстия 17 в основании 2, через отверстия 18 в нижнем пакете статора 1, сквозь щели проводников обмотки статора между двумя пакетами статора, сквозь кольцевую щель 16 между кольцами 13, сквозь отверстия 19 в колесе 7. Внешние ферромагнитные экраны 15 и лобовые части 20 обмотки статора охлаждаются через отверстия 18 в верхнем пакете статора 1, отверстия 21 торцевого щита 6.

Двухпакетный ротор с двумя короткозамкнутыми обмотками и экранами 15 необходим для увеличения активного сопротивления обмотки ротора, при этом получается более мягкая механическая характеристика АМВ, что обеспечивает хорошие регулировочные характеристики АМВ при изменении напряжения на обмотке статора, а также улучшаются пусковые характеристики. Анализ последних исследований и публикаций

Согласно [1] история развития электромеханики свидетельствует о существовании двух подходов к теории электромеханического преобразования энергии: 1) на базе теории поля на основе уравнений Максвелла и 2) на базе теории цепей на основе уравнений Кирхгофа. Анализ электромагнитных процессов в АМВ проведем на основе комбинированного подхода: параметры обмотки ротора (активное г2 и индуктивное сопротивления х2) определим на основе уравнений Максвелла, характеристики АМВ - на основе уравнений Кирхгофа по разработанной математической модели для АМВ с двухпакетным ротором.

Целью статьи является определение интегральных характеристик пускового режима асинхронного мотор-вентилятора (АМВ) с экранированными короткозамыкающими кольцами в обмотках двухпакетного ротора - времени пуска tn и потери мощности Ап в течение пуска.

Материалы и результаты исследований

Нецелесообразно интегральные характеристики пуска АМВ определять путем решения системы нелинейных дифференциальных уравнений [1] из-за сложности решения по следующим причинам:

1) коэффициенты при неизвестных токах ротора, которые содержат активное сопротивление обмотки ротора  Rr   и индуктивность обмотки ротора  Lr, зависят нелинейно от тока ротора (магнитная

проницаемость ферромагнитных экранов 15, см. рис.1, зависит нелинейно от напряженности магнитного поля на поверхности экрана 15 согласно кривой намагничивания, следовательно, от тока в короткозамыкающем кольце 14, что требует организации итерационных циклов для уточнения Rr и Lr при изменении тока в роторе;

2) параметры обмоток пакетов двухпакетного ротора в общем случае не равны между собой, что требует организации дополнительных итерационных циклов для определения токов в верхнем и нижнем кольцах 14 (см. рис.1);

3) из-за первых двух причин нет возможности использовать стандартные программы решения системы дифференциальных уравнений, описывающей пусковой режим АМВ.

Так как механическая постоянная времени пуска АМВ превышает электромагнитные постоянные обмоток статора и ротора практически в 220-360 раз, предлагается интегральные характеристики tn и Рп определять по следующей методике:

1) определить механическую характеристику Мэм = f (s) с учетом нелинейных характеристик

ферромагнитных экранов;

2) путем численного интегрирования определить среднее значение электромагнитного момента для механической характеристики;

3) рассчитать tn и Рп по выведенным ниже формулам.

Для расчета интегральных характеристик пусковых режимов используем основное уравнение динамики

J dQ

-— = Mn -Mc , (1) p dt

где J - момент вращения вращающихся частей АМВ; p - число пар полюсов АМВ;

Mn и Mc - пусковой момент и вентиляторный момент сопротивления АМВ; Q - угловая частота вращения ротора.

Момент инерции вращающихся частей АМВ, Нм с2,

J = CGf. (2)

4 g

где CD2 - маховый момент мотор-вентилятора, Нм2, определяется по сборочному чертежу, величина g = 9,81 м / с2.

Механическую угловую скорость можно представить:

Q = 2nn1s, (3)

где n1 - синхронная частота вращения с-1; s - скольжение ротора. Из (1) получим с учетом (3):

dt = -2nJn-—-. (4)

Подставим (3) в (1), затем умножим правую часть на  Mycm /Mycm, где  Mycm   - момент

вентиляторного колеса, Нм , в установившемся режиме после пуска, получим:

ds

dt = —Тмех M уст-, (5)

мех  уст M n - Mc

где Тмех - механическая постоянная времени АМВ, определяется:

CD 2 4g M

Т      2   CD2 «і

Тмех = 2п^— 77-. (6)

Время пуска найдем, интегрируя (5),

M      SJ        ds        = - Mуст SJ ds = Mym   1 - sym

n      мех   уст j m - m        мех M     I Mnp - Mср     мех M

1        n    1V± с пср    1        пср_сср пср 1__сср

мпср мпср

или

уст

t = T

n мех

Mуст (1    {<уст )

M

пср

где величину

К = 1 - сср

M

пср

будем называть коэффициентом избыточного момента.

(7)

(8)

Момент сопротивления при вентиляторной нагрузке представим:

Mc = M уст

1 - s

1 - s

уст J

тогда среднее значение момента сопротивления определится:

1 Зуст

Mccp =

1-s

I Mc

уст 1

'7(1 - s)) ds = 3 M у

V1    уст J

1

Тогда коэффициент избыточного момента

= 1 -1M^

3 M пср

Среднее значение пускового момента M

пср

M пр =

1 ^уст

уст 1

(9)

(10)

(11)

(12)

определяется из кривой Mп = f (s). На рис.1 приведена роторная обмотка одного пакета, развернутая на

плоскости. На рис. 3 и 4 приведены участок замыкающего кольца обмотки пакета ротора и поперечное сечение стержня обмотки ротора.

А

Рис. 2. Роторная обмотка пакета с экранированными замыкающими кольцами: 1 -стержень, 2 - кольцо, замыкающее стержни, 3 -ферромагнитный экран

Рис. 3. Участок замыкающего кольца обмотки пакета ротора с

экраном: 1 - экран, 2 - замыкающее кольцо обмотки, 3 - пакет ротора

Рис. 4. Поперечное сечение стержня обмотки ротора

1

2

Расчет пусковых характеристик также затруднен необходимостью учета изменений параметров, вызванных насыщением от полей рассеяния, так как при больших скольжениях s токи в обмотках статора и

ротора IП = 4 - 7. При больших токах увеличивается падение напряжения на сопротивлении обмотки статора, что уменьшает э.д.с. и снижает основной магнитный поток. Эффект вытеснения тока в стержне обмотки несущественен, так как для АМВ на тепловозах полная высота паза составляет hn =20 мм, b1 =7,6 мм, b2 =8,2 мм (см. рис.4).

Учитывая, что индуктивное сопротивление взаимной индукции xm (рис. 5,а,б) увеличивается с уменьшением насыщения магнитопровода, при расчете пусковых характеристик для скольжений s > 0,1 оно может быть принято равным [2]:

=     F4 =

xmn = xm~^7~ = kmxm . (13)

Пренебрегая rm в схемах замещения коэффициент

(14)

Рис.5. Т-образная (а) и Г-образная (б) схемы замещения одного пакета ротора

В пусковых режимах токи в обмотках возрастают и потоки рассеяния увеличиваются. Поэтому

коэффициенты магнитной проводимости пазового рассеяния для статора Ап

для ротора Ап

уменьшаются. Так, токи в обмотках статора и ротора в свою очередь зависят от индуктивных сопротивлений, определяемых магнитными проводимостями Лп1 и Лп2, то расчет приходится проводить методом последовательных приближений, что учтено ниже в алгоритме расчета пусковых характеристик.

Целью моделирования пусковых режимов АМВ являются: 1) зависимости потребляемого тока I1, момента Мэм от скольжения и 2) время пуска tn и потери мощности Ап в течение пуска.

Исходные данные. В исходные данные входят конструктивные параметры статора, ротора и электромагнитные характеристики материалов. Для проверки математической модели введем исходные данные опытного мотор-вентилятора АМВ75-2П-8 мощностью 75  кВт с числом полюсов   2р =8

(конструкция на рис. 1). На рис. 6 приведен паз статора АМВ, на рис. 7 - коэффициент xs в зависимости от

индукции Бф [2].

.Ьшст о.е

1,0 0,9

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2

Ха

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ч

■V,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВфБ

Рис. 6. Паз статора

0123456789 Тл Рис. 7. Коэффициент Xs в зависимости

от индукции БЬф

и

Параметры АМВ для номинального режима: Uфн =230 В - напряжение питания; =100 Гц-частота; пн =1405 об/мин - частота вращения; Рн =73,4 кВт - полезная мощность; Рмехн =2,26 кВт -механические потери; Рстн =3,4 кВт - потери в стали статора.

Конструктивные параметры статора: г-, =0,026 Ома, х1н =0,134 Ома - активное и индуктивное сопротивления фазы обмотки статора в номинальном режиме; w1 =45 - число витков в фазе обмотки статора; Kw1 =0,92 - обмоточный коэффициент обмотки статора; Ьп =0,065 м - длина активной части одного пакета; т =0,206 м - полюсное деление обмотки статора; p =4 - число пар полюсов обмотки статора; S =0,0012 м - воздушный зазор; Ks =1,1 - коэффициент воздушного зазора; kcrn =0,93 - коэффициент заполнения пакета электротехнической стали статора; Иа =0,0471 м - высота спинки ярма статора; =0,143 м - длина средней магнитной линии в ярме статора; t1 =0,0183 м - шаг зубцовый статора; bz1 =0,0106 м -средняя ширина зубца статора; hz1 =0,039 м - высота зубца статора; q =3,75 - число пазов на полюс и фазу; ип1 =6 - число активных проводников в пазу обмотки статора; a =2 - число параллельных ветвей обмотки статора; Д =0,8 - укорочение шага обмотки; ку1 =0,95 - коэффициент укорочения шага обмотки статора;

Страницы:
1  2  3  4 


Похожие статьи

И А Захарчук - Анализ пусковых характеристик асинхронного мотор-вентилятора с экранированными кольцами в обмотке ротора