Асинхронные электродвигатели с двухслойным ротором в судовом электроприводе

В материалах ХХУ1 съезда КПСС и Пленумов ЦК КПСС особое внимание уделяется повышению производительности труда в народном хозяйстве страны. Важная роль в повышении производительности труда принадлежит средствам автоматизации и механизации производственных процессов, основой которых является современный электропривод. Основным элементом электропривода большинства механизмов, используемых во всех отраслях народного хозяйства, являются асинхронные электродвигатели. В народнохозяйственном парке электродвигателей они составляют по количеству 90^, по мощности-^примерно 55%. Они потребляют более 40% вырабатываемой в стране электроэнергии, В судовых условиях почти 95% от общего количества электродвигателей составляют короткозамкнутые асинхронные электродвигатели, а потребляют они более 70% мощности судовой электростанции, В настоящее время на суцах мощность многих механизмов составляет сотни киловатт и имеет тенденцию к дальнейшему увеличению. В частности, значительную мощность имеют средства активного управления движением судна-крыльчатые движители, подруливающие устройства, рулевые устройства и т. д. При этом стремятся использовать наиболее простые и дешевые короткозамкнутые асинхронные электродвигатели и применять прямой пуск. Однако мощности асинхронных электродвигателей, применяемых в настоящее время на судах, весьма часто соизмеримы (а иногда и равны) с мощностью генераторных агрегатов судовой электростанции. В связи с этим возникают проблемы пуска, динамических режимов работы мощных электроприводов, качества электроэнергии и устойчивой работы генераторных агрегатов, Поэтому создание надежных конструкций асинхронных двигателей, улучшение их технико-экономических показателей работы, правильный их выбор и эксплуатация являются важной народнохозяйственной задачей и играют большую роль в экономии материальных и трудовых ресурсов в нашей стране, Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором (АДКР) просты в изготовлении и эксплуатации, дешевые, имеют высокие энергетические показатели. Известны асинхронные электродвигатели с иной конструкцией ротора, в частности, асинхронные электродвигатели с массивным ротором (АдаР), которые имеют ряд бесспорных достоинств перед АДНР, Однако эффективное внедрение АЩР в электропривод было ограничено по причине низких энергетических показателей при номинальном скольжении. В последнее время характеристики АДМР удалось существенно улучшить благодаря применению двухслойной конструкции ротора (АДЦР) и применению сплава с оптимальными электромагнитными свойствами, Достоинства АДЦР заключаются в простоте и надежности конструкции ротора и лучших пусковых характеристик относительно АДКР — при меньших кратностях пускового тока пусковой момент у них больше, Известно, что в переходном процессе на двигатель и привод воздействуют не статические, а электромагнитные переходные моменты, величина которых может оказаться значительно больше статических моментов. Механическая прочность двигателя, механизма, механической передачи, а также надежность работы привода во многом определяется именно электромагнитными переходными моментами, Так как АДЦР имеют больший статический пусковой момент относительно АДКР, возникает вопрос: не приведет ли применение АДЦР к увеличению электромагнитных переходных моментов, В связи с этим в работе решается задача-исследовать электромагнитные переходные моменты АДЦР и сравнить их относительно АДКР, имея в виду, что статические пусковые моменты у АДЦР больше, чем у АДКР, на основании чего выяснить особенности протекания переходных процессов в двигателях с двухслойным ротором, В работе решена и другая задача: АДЦР внедрен в типовой судовой электропривод (электропривод пожарного насоса мощностью 55 кВт), произведена сравнительная оценка работы этого привода с АДЦР и АДКР. Научная и техническая новизна диссертационной работы состоит в следующем: 1. Исследованы электромагнитные процессы, протекающие в массивном ферромагнитном роторе при изменении режима его работы, в результате чего: — получено интегральное уравнение для плотности тока двухслойного ротора в переходном процессе и дано достаточно простое его решение- - исследован характер затухания свободных токов в массивном цилиндре двухслойного ротора- - исследована особенность электромагнитных переходных моментов у АДЦР по сравнению с АДКР- - произведена сравнительная экспериментальная оценка протекания электромагнитных переходных процессов АДЦР и АДКР при пуске, повторных включениях, коротком замыкании, 2. Произведен теоретический и экспериментальный анализ и выявлены особенности работы АДЦР относительно АДКР при пульсирующей нагрузке.3. Разработана конструкция, изготовлен и внедрен АДЦР в электропривод судового пожарного насоса.4. На основании выполненных расчетов показана область применения АДЦР в судовом электроприводе.5. Разработаны практические рекомеццации для расчета электромагнитных переходных процессов АДЦР.

Основные результаты диссертационной работы могут быть сформулированы следующим образом:

I'. Выполнен расчет конструкции двухслойного ротора для двигателей единой серии 4А# Показано, что двигатели единой серии основного исполнения, предназначенные для длительного режима рабо 1 ты, могут быть легко приспособлены для электроприводов с напряженными динамическими режимами работы путем простой замены к.з. ротора двухслойным и при этом в отношении пусковых характеристик они могут конкурировать с двигателями модификаций — с повышенным скольжением, с повышенным пусковым моментом.

2. На основании выполненных расчетов и анализа примеров использования АДДР в судовых условиях в работе показана область применения асинхронных двигателей с двухслойными роторами на судах:

— мощные электроприводы с кратковременным режимом работыякорно-швартовные устройства, подруливающие устройства, электропривод шлюпбалок, подъема колонн полупогружных буровых установок;

— электропривод судовых грузоподъемных механизмов — лебедки, краны, лифты, подъемники;

— электромеханический рулевой электропривод;

— позиционные электроприводы — привод запорной арматуры, дистанционного включения автоматов и др.;

— электропривод стартерного пуска газотурбинных установок.

3, Разработана конструкция, изготовлен и внедрен в электропривод судового пожарного насоса асинхронный двигатель с двухслойным ротором, в результате чего пусковые характеристики привода относительно привода со штатным короткозамкнутым двигателем улучшились:

— пусковой момент возрос в 1,6 раза;

— пусковой ток уменьшился в I, 5 раза;

— в 2 раза уменьшился провал напряжения при пуске привода от одного ДГ;

— отпала необходимость в работе двух ДГ для обеспечения нормального пуска привода.

4, Исследованы электромагнитные процессы, протекающие в массивном ферромагнитном роторе при изменении режима его работы в результате чего:

— получено интегральное уравнение для плотности тока двухслойного ротора в переходном процессе и дано достаточно простое его решение;

— исследован характер затухания свободных токов в массивном цилиндре двухслойного ротора при включении на синусоидальное и постоянное по знаку напряжение;

— исследована особенность электромагнитных переходных моментов у АДДР по сравнению с АДКР.

5. Разработаны практические рекомеццации для расчета электромагнитных переходных процессов асинхронных двигателей с двухслойными роторами:

— рекомендовано при малом и минимальном скольжениях не учитывать явления вытеснения тока в двухслойном роторе, а по, стоянную времени изменения тока ДР в переходном процессе определять по выражению (2.22);

— при больших скольжениях учет явления вытеснения тока в ДР необходим, а кривую изменения свободной составляющей тока ДР в переходном процессе апроксимировать двумя составляющими — быстрозатухающей и медленнозатухающей с постоянной времени по выражению (2.22) — - при расчете составляющих электромагнитного переходного момента учитывается только медленнозатухающая составляющая свободного тока двухслойного ротора.

6, Произведен анализ работы асинхронного двигателя при пульсирующей нагрузке с учетом электромагнитных переходных процессов, в результате чего получены выражения для определения максимальных отклонений тока статора, угловой частоты вращения, угла ротора, значения резонансной частоты для предварительного анализа работы АД при пульсирующей нагрузке,.

7, Произведена теоретическая и экспериментальная оценка работы асинхронных двигателей с короткозамкнутыми и двухслойными роторами при пульсирующей нагрузке и показано, что:

— применение АДЦР вместо АДКР в асинхронных электроприводах, работающих при пульсирующей нагрузке, приводит к увеличению пульсаций скольжения и уменьшению пульсаций тока статора, что приводит к уменьшению потерь в статоре и благоприятным образом отражается на работе судовой электростанции, когда мощность генераторных агрегатов соизмерима с мощностью электропривода;

— АДЦР целесообразны для электроприводов с пульсирующей нагрузкой, когда не исключена возможность появления резонанса, т.к. применение АДЦР существенным образом уменьшает интенсивность проявления резонансных явлений,.

8, Произведена оценка электромагнитных переходных моментов АДЦР и АДКР при пуске с помощью полученных в работе выражений для составляющих момента, а также путем решения на ЦВМ системы уравнений Горева-Парка. Анализ полученных результатов показал, что:

— несмотря на то, что статический пусковой момент у АДЦР больше, чем у АДКР, амплитуда колебаний, максимальные и особенно отрицательные пики электромагнитного момента у АДДР меньше, чем у АДКР;

— расчет переходного электромагнитного момента АДДР при пуске можно производить пользуясь статическими параметрами машины, при этом значения составляющих переходного электромагнитного момента, определяемых свободным током ротора, необходимо корректировать коэффициентом Ci = 0,3*0,4.

9. Произведена экспериментальная оценка электромагнитных переходных процессов АДДР и АДКР при коротком замыкании и повторных включениях с незатухшим полем. Анализ результатов эксперимента показал, что:

— электромагнитные переходные моменты при к.з. у АДКР в 2,7*3,1 раза больше, чем у АДДР, кроме того, из осциллограммы видно, что интенсивность переходных процессов у АДДР также меньше;

— электромагнитные переходные моменты при повторных включениях с незатухшим полем больше у АДКР, чем у АДДР в 1,7*1,9 раза;

— результаты эксперимента подтверждают теоретические выводы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.