Проектирование электроприводов на основе совместного анализа цепевых и полевых моделей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проектирование электроприводов на основе совместного анализа цепевых и полевых моделей

Качура А.В., Колычев С.В.

Одной из наиболее приоритетных задач в развитии металлургической и химической отраслей является широкая механизация трудоемких работ и автоматизация производственных процессов. В решении указанных задач значительная роль принадлежит подъемно-транспортному оборудованию и, в первую очередь, крановым механизмам, как основному средству внутрицехового транспорта. Надежность функционирования крановых установок напрямую зависит от качественных показателей электрооборудования, основными составляющими которого являются электрическая машина (ЭМ) и система регулирования. В настоящее время около 90% от общего числа электродвигателей в крановых электроприводах (ЭП) составляют трехфазные асинхронные двигатели (АД), которые, как правило, функционируют в динамических (затяжные пуски, реверсы, торможение) и повторно-кратковременных режимах при широком регулировании частоты вращения. Кроме того, АД крановых механизмов работают в условиях повышенной тряски и вибраций, а в ряде цехов могут подвергаться воздействию высокой температуры, агрессивных паров и газов. Таким образом, по своим техническим показателям и характеристикам крановые АД значительно отличаются от двигателей общепромышленного исполнения.

В условиях постоянно растущих требований к надежности и точности оборудования, а также с целью обеспечения необходимых режимов работы, на предприятиях широкое распространение получили крановые механизмы, в которых используются АД с фазным ротором и дополнительными активными сопротивлениями. Многолетний опыт эксплуатации подобных установок показывает, что применение открытых пусковых сопротивлений в таких ЭП приводит к целому ряду отрицательных последствий, среди которых: 1) необходимость использования большого количества пусковой аппаратуры; 2) наличие скользящих контактов исключает применение подобных установок в помещениях со взрывоопасной средой; 3) существенное увеличение массогабаритных показателей всей системы; 4) необходимость привлечения дополнительного персонала с целью обслуживания контактной аппаратуры и др. В результате этого длительные простои оборудования и многократные ремонты неизбежны.

В сложившейся ситуации повышение надежности и функциональности кранового оборудования является важной задачей, которая может быть решена путем использования новых подходов и решений. Одним из перспективных направлений в данной области является использование индукционных реостатов (ИР), включаемых в цепь фазного ротора АД. Данный подход позволяет резко снизить количество контактной аппаратуры, а при необходимости вообще избавиться от нее [1]. Кроме того, благодаря нелинейности электромагнитных параметров ИР позволяют обеспечить плавный пуск ЭП с заданным током, а возникающие при этом потери в роторной цепи выносятся за объем АД.

Таким образом, усовершенствование, оптимизация и разработка новых конструкций ИР является актуальной задачей, позволяющей достичь необходимого технического и экономического эффекта при проектировании крановых электроприводов.

Цель работы - разработка и создание универсального пакета прикладных программ для расчета крановых электроприводов на базе АД с ИР. асинхронный двигатель индукционный реостат

Материал и результаты исследований. Для расчета электромагнитных параметров ИР воспользуемся системой дифференциальных уравнений Максвелла для анизотропных нелинейных сред:

(1)

где - напряженность магнитного поля; - плотность электрического тока; - электрическая индукция; - напряженность электрического поля; - магнитная индукция; - плотность электрического заряда.

Выполнив ряд математических преобразований [1], получим уравнение, записанное для ИР относительно векторного магнитного потенциала:

, (2)

где - оператор Набла; - векторный магнитный потенциал; - удельная электропроводность среды; - магнитное сопротивление материала.

Уравнение (2) записано в трехмерной полевой постановке. Для его приведения к двумерному виду принимаем следующие допущения:

- не учитываются контактные ЭДС, возникающие между соприкасающимися проводниками различного химического состава;

- не учитываются токи проводимости в диэлектриках;

- влияние механических напряжений на параметры и размеры ИР пренебрежимо мало;

- в статических и динамических режимах работы температура ИР изменяется незначительно и не влияет на параметры и размеры ИР.

Уравнение (2) с учетом допущений в цилиндрических координатах принимает вид:

, (3)

где - координата области; - радиус окружности.

Выражение (3) дополняем системой уравнений в матричной форме, описывающей процессы в АД [2]:

;

;, (4)

где - матрицы напряжений, сопротивлений и токов соответственно; - матрица индуктивностей фаз обмоток; - число пар полюсов; - геометрический угол поворота ротора и осей фаз обмотки; - частота вращения ротора; - электромагнитный момент на валу двигателя; - момент нагрузки; - суммарный момент инерции ротора и связанных с ним вращающихся масс.

Для исследования АД с ИР применяем метод конечных элементов. Общий алгоритм исследования включает следующие этапы:

- формирование геометрической модели;

- применение системы автоматической генерации СКЭ;

- расчет исследуемого объекта;

- обработка результатов.

Реальные геометрические размеры образца с учетом симметрии представлены на рис. 1. Для создания дискретной модели объекта была применена разработанная автоматизированная система генерации конечных элементов (рис. 1). Полученная конечно-элементная модель впоследствии экспортируется в расчетный модуль.

В результате совместного решения уравнений (3) и (4) были получены рабочие характеристики исследуемого ЭП (рис. 2). На рис. 3 представлены графики распределения векторного магнитного потенциала и магнитной индукции при скольжении s=1.

Помимо процесса моделирования в лабораторных условиях были проведены экспериментальные исследования анализируемого объекта (рис. 4). На рис. 2 приведены результаты сравнения рабочих характеристик ЭП, полученных в результате моделирования, с экспериментальными данными.

Выводы

1. Разработанные алгоритмы и программы для ПВЭМ позволяют определить характеристики АД с ИР различных конструкций. Использование графического интерфейса дает наглядное представление электромагнитного поля в сечениях ИР, что позволяет оценить влияние конструктивных особенностей на электромагнитные параметры.

2. Проведен сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных, полученных в лабораторных условиях. Результаты сравнения позволяют сделать вывод о корректности созданных алгоритмов и программ, погрешность расчета которых не превышает 10%.

3. Созданный программный комплекс, основанный на МКЭ, позволяет выполнять моделирование электромагнитных процессов в различных электротехнических устройствах, что дает возможность получать характеристики объектов уже на стадии проектирования.

4. Выполненные расчеты позволили изготовить реальную установку и внедрить ее в условиях промышленного предприятия.

Литература

1. Качура А.В., Съянов А.М. Модель линейного асинхронного двигателя/ Технічна електродинаміка, №2, 2002, С. 59-61.

2. Вербовой П.Ф., Заболотный А.П., Съянов А.М. Асинхронные двигатели для тиристорного электропривода. - К.: Наукова думка, 1994 - 241 с.

Размещено на Allbest.ru