Моделирование поля в асинхронных двигателях

ВВЕДЕНИЕ
1. Методы расчетов асинхронных двигателей
1.1 Основные положения
1.1 Разработка серий асинхронных двигателей
1.2 Расчет электромагнитного поля
1.4 Выводы и постановка задачи
2 Моделирование поля в асинхронных двигателях
2.1 Основные допущения
2.2 Определение параметров модели
2.3 Выполнение расчетов
3 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
3.1 Вариант повышения энергоэффективности в электродвигателе 4А132S4
3.2 Дифференциальные уравнения асинхронных двигателей в системе координатных осей d-q и законы частотного управления
4 УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ
4.1 Целесообразность использования частотного преобразователя
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Весь текст будет доступен после покупки

Актуальность темы. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором – основа современного электропривода. Они распространены в промышленности, строительстве, сельском хозяйстве, быту. Теория этих электрических машин стройно и логично изложена в учебниках отечественных и зарубежных авторов. Большой вклад в развитие теории внесли следующие ученые: Беспалов В.Я., Вольдек А.И., Гаинцев Ю.В., Гайтов Б.Х., Гамата В., Геллер Б., Гольдберг О.Д., Гусельников Э.М., Иванов-Смоленский А.И., Каасик П.Ю., Казовский Е.Я., Костенко М.П., Кравчик А.Э., Кравчик Э.Д., Макаров Л.Я., Макаров Ф.К., Муравлев О.П., Постников И.М., Похолков Ю.П., Стрельбицкий Э.К., Сорокер Т.Г., Радин В.И. и многие другие.
В последнее время проблема энергосбережения в асинхронных двигателях становится важна.
Для достижения энергоэффективности, наряду с применением новых материалов, увеличением активных размеров, существует способ получить прирост КПД. Речь идет о формировании рациональной пазовой зоны ротора.
Конструкторские подразделения, занятые проектированием асинхронных двигателей, имеют в своем распоряжении программное обеспечение для расчета электромагнитного поля. Методом конечных элементов такая задача успешно решается.
Таким образом, на основании изложенного выше актуальность темы исследования определена необходимостью создания энергоэффективных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Частотное управление при этом играет важную роль.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Методы расчетов асинхронных двигателей

1.1 Основные положения
Асинхронный двигатель - основа современного электропривода. Такое свойство ему придает ряд особых черт: простота конструкции, надежность, отсутствие контактов и малая себестоимость изготовления. В 1889 году Доливо-Добровольский М.О. получил патент на конструкцию трехфазного асинхронного двигателя. Она с небольшими доработками сохранила свои основные черты и в наше время. Основная идея в том, что обмотка ротора была помещена в стальной сердечник, который хорошо проводит магнитное поле. До этого клетка ротора не имела сердечника. Этим способом автором идеи достигалось значительно лучшее сцепление полей статора и ротора. Как показали исследования в этом направлении (улучшении характеристик асинхронных двигателей) остались резервы.
Конструкция асинхронного двигателя скрывает за собой сложные процессы электромеханического преобразования энергии, которые описываются системой уравнений Максвелла [1,2].
(1.1)
(1.2)
(1.3)
(1.4)

Приведем условные сокращения переменных, входящих в систему (1.1) – (1.4), которые известны:
- вектор напряженности электрического поля [В/м];
- вектор магнитной индукции [Тл];
- вектор напряженности магнитного поля [А/м];
- вектор плотности электрического тока [А/м2];
- вектор электрической индукции [Кл/м2];
- плотность электрического заряда [Кл/м3].
Уравнения дополняют следующими соотношениями, которые учитывают свойства среды:

(1.5)

В этих уравнениях - удельная проводимость среды; - абсолютная диэлектрическая проницаемость; - абсолютная магнитная проницаемость. В анизотропных средах эти величины являются тензорами второго ранга [1, 2].
Уравнения поля имеют в общем случае множество линейно независимых друг от друга решений. В каждом конкретном случае в электрической машине существует единственная картина поля. Этому соответствует единственное решение. Выбор решения, удовлетворяющего поставленной задаче, возможен с помощью граничных условий [1, 2].
Несмотря на относительную простоту асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, его теория вызывает несомненные сложности. Дифференциальные уравнения, которыми описывается электромагнитное поле в асинхронных двигателях, получены Максвеллом Д.К. в 1861 году [2].
В трудах отечественных и зарубежных ученых изложение теории электрических машин начиналось с введения допущений идеализированной электрической машины [3-7], что значительно упрощало все расчеты. А точнее делало инженерные расчеты асинхронных машин вообще возможными осуществить.
К основным допущениям относится гладкость воздушного зазора, то есть отсутствие пазов на роторе и статоре. Проводники обмоток в этом случае считают за равномерно распределенные токовые слои в воздушном зазоре. Кроме этого, принимают допущение, что действие зубчатости в равной степени влияет на все гармоники поля в зазоре. Магнитная цепь электрической машины принимается ненасыщенной в исследуемых режимах работы.
Использование таких допущений позволило повысить наглядность изложения и восприятия материала. Большую роль сыграли схемы замещения и круговые диаграммы асинхронной машины [7-9].
Центральной идеей круговой диаграммы была возможность составления схем замещения. Чаще всего обмотки ротора приводят к обмоткам статора. В этом случае они пересчитываются на число витков и фаз обмоток статора. Чтобы соотношения в приведенной машине и исходной не изменились, следует ввести в рассмотрение коэффициенты приведения токов, напряжений и сопротивлений.
На основании схем замещения строят круговые диаграммы. При их построении считают, что концы векторов тока первичной и вторичной обмотки при неизменности сопротивлений обмоток описывают окружность. Использование круговых диаграмм явилось базой для проектирования асинхронных машин. До начала 2000-х годов большинство методик проектирования основывались именно на круговых диаграммах асинхронной машины [8-10].
Погрешности в традиционных методиках часто оказываются значительными. Их причиной были принятые допущения идеализированной электрической машины. Работники конструкторских бюро и НИИ прилагали большие усилия для уменьшения погрешностей в расчетах, чтобы заводские методики соответствовали данным физического эксперимента. Положение улучшилось, когда в методики проектирования стали включать методы расчета электромагнитного поля.
Использование компьютеров и специализированного программного обеспечения в системах проектирования асинхронных машин позволяет по-новому организовать процесс создания новой техники [11]. Автоматизированные системы проектирования могут содержать в своем составе подпрограммы и блоки для расчета электромагнитного поля. В этом случае программы получаются более объемными, дорогими.
Новые возможности в расчете асинхронных машин были получены с применением в расчетах численного метода конечных элементов [11-14]. Этот метод быстро распространился. Основным его достоинством является то, что вместо непосредственного решения дифференциальных уравнений электромагнитного поля можно исследовать энергетический функционал на минимум. Решение сразу упрощается, а при этом точность решения остается высокой. Краевая задача непосредственного интегрирования дифференциальных уравнений в частных производных заменяется вариационной. Вариационная постановка задачи при исследовании энергетического функционала позволяет, во-первых, проще получить решение, а, во-вторых, говорить о методе конечных элементов как о более точном методе расчета электромагнитных сил и моментов в асинхронных машинах [15-19].

Весь текст будет доступен после покупки

-

Весь текст будет доступен после покупки