Магнитные системы крупных машин постоянного тока в переходных и стационарных режимах

Важнейшей задачей последних пятилеток является неуклонное повышение материального и культурного уровня жизни народа. Эта задача сформулирована в Программе Коммунистической партии Советского Союза и в решениях партийных съездов /1,2/. Для решения этой и других экономических и социальных задач необходим быстрый рост производительности труда, резкое повышение эффективности общественного производства. Основой современной экономики является тяжелая индустрия и ее важнейшая отрасль металлургическая промышленность. Необходимость постоянного роста количества и качества продукции металлургических заводов требует создания все более мощных и надежных крупных МЯТ для привода заготовительных, обжимных, рельсобалочных, прошивочных станов, станов горячей и холодной прокатки и других. Крупные МДТ необходимы также в судовом приводе, при испытаниях мощных тиристорных преобразователей, в приводе шахтных подъемников, воздуходувок, аэродинамических труб. Тенденция к росту единичной мощности электрических машин, доминировавшая особенно сильно в последних десятилетиях, привела к тому, что мощность одноякорного исполнения крупных МШ достигла в настоящее время 12 500 кВт. Такие машины стали практически предельными по электромагнитным, тепловым и механическим нагрузкам, достигли максимально допустимых по условиям железнодорожных перевозок габаритов. В связи с этим все более видное место занимает группа вопросов, связанных с повышением эксплуатационной надежности крупных МИТ, дальнейшей оптимизацией их конструкций, уточнением расчетных методов, применением новых материалов, конструктивных решений, технологических процессов, направленных на дальнейшее усовершенствование этих машин. В предлагаемой диссертационной работе рассматриваются пути и способы дальнейшего совершенствования магнитных систем и коллекторов крупных МЯТ как важнейших элементов, определяющих эксплуатационную надежность машин, на основе разработки, совершенствования и уточнения имеющихся расчетных методов и создания новых, более эффективных и точных. В настоящее время в большинстве случаев расчет магнитных и тепловых нагрузок магнитных систем машин производится с применен нием эквивалентных схем замещения, а определение потенциальных условий на коллекторах МПТ сводится к определению величины максимального межламельного напряжения UKM при этом каждая из перечисленных задач рассматривается обособленно от других. Значительно реже встречаются работы, в которых определение основных видов нагрузок машин производится на основе решения соответствующей полевой задачи. Расчет переходных процессов в магнитных системах МЯТ осуществляется только с помощью схем замещения. Основными недостатками расчетных методов, основанных на применении таких эквивалентных схем замещения, являются: сложность, а иногда и невозможность точного определения параметров, входящих в схемы замещения, особенно в переходных режимах отсутствие детального учета геометрии магнитных систем необходимость эквивалентирования или усреднения реальных физических параметров сложность учета распределения и перераспределения нагрузок по сердечникам магнитных систем с изменением статической нагрузки и в переходных режимах. Определение потенциальных условий на коллекторах МЯТ только на основе У/СА/ также не является достаточно полным, так как при одинаковых и/гл? максимальная напряженность электрического поля Екм может быть существенно различной в зависимости от формы является более UKM межламельного промежутка и диэлектрической проницаемости среды, заполняющей этот промежуток. Таким образом Ен/ полным критерием электрической прочности, чем Во всех перечисленных выше случаях необходимо полевое решение, которое устраняет недостатки расчетных методов, основанных на эквивалентных схемах замещениями позволяет определить Ви Необходимо отметить, что при каких-либо изменениях, вносимых в геометрию магнитных систем, или при изменении уровня токовых нагрузок обмоток машин соответствующие изменения претерпевают маг"нитные и тепловые нагрузки, а также потенциальные условия на коллекторах машин. В связи с этим необходим комплексный подход к их определению, основанный на взаимосвязанном решении соответствующих полевых задач. Только на основе такого подхода может быть дано достаточно обоснованное заключение об эксплуатационной надежности предельно используемых машин. Другим путем повышения эксплуатационной надежности МПТ является создание и разработка новой конструкции добавочных полюсов, позволяющей снизить отставание коммутирующего магнитного потока от тока якоря в переходных режимах и значительно улучшить форму коммутирующего поля в стационарных режимах. В связи с изложенным выше в диссертационной работе ставятся следующие задачи: совершенствование на полевой основе методов расчета магнитных и тепловых нагрузок, а также потенциальных условий на коллекторах Ш1Т и создание на базе их комплексного метода оценки эксплуатационной надежности существующих и проектируемых МПТразработка полевого метода расчета переходных процессов, позволяющего корректно учитывать реальную геометрию машин, насыщение и вихревые токи расчет и исследование на базе разработанных методов типичных магнитных систем крупных МПТ и формулировка рекомендаций по их дальнейшему совершенствованию разработка и исследование новой конструкции добавочных полюсов, позволяющей существенно повысить эксплуатационную надежность крупных МПТ в стационарных и переходных режимах внедрение результатов теоретических исследований в практику расчетов и наладки вновь создаваемых и действующих прокатных электродвигателей. На защиту выносятся: комплексный метод оценки конструктивного исполнения магнитных систем крупных МПТметод, алгоритм и программа расчета основных характеристик магнитных систем крупных МПТ, включающие в себя новый метод ускорения сходимости нелинейных магнитостатических задачметод, алгоритм и программа расчета электрического поля на коллекторе МПТ полевой метод, алгоритм и программа расчета переходных процессов в магнитной цепи добавочных полюсов, позволяющие учитывать реальную геометрию, насыщение и вихревые токи метод, алгоритм и программа расчета двухмерных температурных полейметод, алгоритм и программа расчета квазитрехмерных температурных полейновая конструкция добавочных полюсов, позволяющая существенно повысить эксплуатационную надежность МПТ в любых режимах работы. Научная новизна диссертационной работы состоит в детальной разработке описанных выше вопросов в применении к крупным МОТ, в оригинальности предложенной конструкции ДИ, подтверяаденной автор*ским сведетельством Госкомиэобретений СССР. Практическая ценность работы состоит в создании рабочих алгоритмов, позволяющих рассчитывать магнитное, температурное и электростатическое поля в крупной Ш1Т в стационарных и переходных режимах работыв разработке новой конструкции Д11, позволяющей повысить надежность работы МГО* при толчках нагрузкив выработке рекомендаций по оптимизации конструкции крупных машин постоянного тока и повышению их надежности. Основные материалы работы содержатся в 15 публикациях, результаты работы рассматривались на всесоюзной научно-технической конференции «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов» г. Грозный, 1982 г. Украинских республиканских научно-*технических конференциях «Перспективы развития электромашиностроения на Украине», г. Харьков, 1983 г. и «Коммутация электрических машин», г. Харьков, 1984 г, и на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ХПИ им. В. И. Ленина в I982-I984 годах. По результатам работы получено два авторских свидетельства. Результаты работы использовались при проектировании крупных МПТ серий П2 и 2П, а также при наладке испытательного стенда мощных тиристорных преобразователей, состоящего из двух генераторов постоянного тока мощностью 3000 кВт. Акты о внедрении разработок прилагаются.

5.5. Выводы:

1. Эксплуатационная надежность и срок службы электрических машин в значительной степени определяют тепловые нагрузки изоляции обмоток. В связи с ростом единичной мощности МПТ и ограничением их габаритов, точность существующих методов расчета тепловых нагрузок в машинах может оказаться недостаточной, что приведет к неточному определению максимальных и средних температур изоляции, а, следовательно, к снижению эксплуатационной надежности МПТ.

2. Разработанные методы расчета двухмерных и квазитрехмерных температурных полей в элементах магнитных систем крупных МПТ являются следующим, более высоким, шагом в развитии расчетных методов в сравнении с существующими и позволяют эффективно и точно исследовать тепловые нагрузки в машинах. Предложенные методы позволяют также исследовать влияние конструкции машин и технологии их изготовления на тепловые нагрузки, определять взаимное тепловое влияние обмоток.

3. Исследования описанной конструкции гладкого якоря тепловоза показали, что рассматриваемая конструкция не имеет запасов в тепловом отношении, однако возможно снижение максимальных температур за счет увеличения диаметра вентиляционных каналов и повышения скорости обдува якоря охлаждающим воздухом.

4. Тепловые нагрузки в главном полюсе МПТ могут быть несколько увеличены, при этом среднеквадратичный ток за цикл проката может быть повышен до ia = (1,2−1,3) ]ан .Во избежание перегревов КО необходима запечка главных полюсов машин в собранном состоянии.

5. Взаимосвязанное определение магнитных и тепловых нагрузок машин позволяет более обоснованно выбирать то или иное конструктивное решение или технологический процесс при проектировании и производстве крупных МПТ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Постоянный рост требований к увеличению единичной мощности и эксплуатационной надежности крупных машин постоянного тока требует совершенствования их конструкций, в том числе магнитных систем и коллекторов, играющих важную роль в формировании качества сложных физических процессов в этих машинах как в установившихся, так и переходных режимах и, в основном, определяющих эксплуатационную надежность и срок службы машин.

В диссертационной работе на основе анализа распределения магнитных, электрических и тепловых полей, проведенного с помощью метода конечных элементов, получены новые результаты, расширяющие и уточняющие наши представления о сущности процессов в машинах рассматриваемого класса, позволяющие более обоснованно и точно выбирать основные виды нагрузок и геометрию магнитных систем машин.

К важнейшим результатам, полученным в диссертационной работе, относятся следующие':

1. Проведен анализ основных направлений развития крупных МПТ за последние десятилетия — показано, что доминирующими тенденциями были и остаются рост единичной мощности и стремление к повышению эксплуатационной надежности машин. Показано, что рост единичной мощности и надежности МПТ прямо связан с усовершенствованием конструкций их магнитных систем, оптимальным выбором геометрии и уровня электромагнитных и тепловых нагрузок, а также более полным определением потенциальных условий на коллекторах машин.

2. Проведен анализ различных методов расчета стационарных и переходных режимов машин — установлено, что наиболее точное определение магнитных нагрузок возможно только на основе решения соответствующих полевых задач. Рассмотрение численных математических методов позволило выявить преимущества метода конечных элементов перед МКР и МИУ.

3. На основе МКЭ с применением ЭВМ серии ЕС созданы алгоритмы и программы расчета стационарных магнитных полей в режиме холостого хода и под нагрузкой, обладающие повышенной эффективностью и точностью. Предложен и разработан новый метод ускорения сходимости нелинейных магнитостатических задач, имеющий ряд преимуществ перед наиболее распространенным и эффективным методом Ньютона-Рафсона, заключающихся в большей универсальности и простоте, а также обладающий гарантированной сходимостью и дающий устойчивое решение. С помощью разработанных методов проведено исследование магнитных систем пяти крупных МПТ, сформулированы рекомендации по выбору геометрии элементов магнитных систем и уровню их магнитных нагрузок, экспериментально подтверждена высокая точность разработанных алгоритмов и программ. Результаты разработок внедрены при проектировании новых машин серии ГШ.

4. Проведенные экспериментальные исследования магнитных полей в мощном прокатном электродвигателе 112−24/160−6,8 при перегрузках непосредственно в условиях эксплуатации показали, что необходимо дальнейшее совершенствование конструкций магнитных систем МПТ с целью повышения надежности их работы в переходных режимах.

5. Рассмотрены вопросы применения МКЭ к расчету электрического поля в межламельном промежутке коллектора МПТ. Показано, что электрическая прочность коллектора в значительной степени зависит от геометрии межламельного промежутка. Даны рекомендации по повышению надежности МПТ.

6. Предложен и разработан полевой метод расчета переходных процессов в магнитных системах МПТ, позволяющий полностью учитывать реальную геометрию, насыщение и вихревые токи. Проведена оценка демпфирующего действия вихревых токов в двух типичных конструкциях магнитных систем МПТ при различных скоростях измерения тока якоря. Дана количественная оценка демпфирующего действия вихревых токов в различных конструктивных элементах. Показано, что с ростом насыщения демпфирование ослабевает. Результаты исследований внедрены при наладке испытательного стенда, состоящего из двух ударных генераторов.

7. Предложена, разработана и исследована новая конструкция добавочных полюсов крупных машин постоянного тока, позволяющая повысить надежность этих машин в любых режимах работы.

Введение

дополнительной обмотки позволило не только снизить необходимую МДС основной обмотки ДП, и тем самым магнитные нагрузки сердечника ДП, но и получить форсировку коммутирующего потока. Проведенное сравнение новой конструкции ДД с имеющимися выявило преимущества конструкции с ДО. Установлено, что применение разработанной конструкции ДД позволяет увеличить коммутирующее поле в стационарных режимах на 20−23% и существенно улучшить его форму, а также избежать отставания коммутирующего потока от тока якоря в переходных режимах.

8. Анализ различных методов определения тепловых нагрузок в МПТ позволил выявить преимущества полевых методов, и, в частности, МКЭ. Эти преимущества заключаются в полном учете реальной геометрии и теплофизических свойств рассматриваемых областей, в учете тепловыделений и условий теплосъема в распределенном виде, в простоте и эффективности исследования влияния параметров на тепловые нагрузки в ШТ. Проведена разработка вопросов применения МКЭ для расчета температурных полей в тяговых и прокатных двигателях, исследованы тепловые нагрузки в элементах магнитных систем этих машин, а также влияние ряда конструктивных и технологических факторов на эти нагрузки. Для главного полюса прокатного электродвигателя проведен учет взаимного теплового влияния всех размещенных на нем обмоток. Сформулированы рекомендации по выбору предельных тепловых нагрузок машин.

9. Предложен и разработан метод расчета квазитрехмерных температурных полей в элементах магнитных систем машин, основ ная идея которого заключается во взаимном обмене информацией при расчего Пересекающихся плоских сечений. Применение этого мзтода позволяет значительно упростить процессы подготовки исходных данных и обработки выходной информации МКЭ в сравнении с чисто трехмерным методом и повысить точность решения тепловых задач.

10. На основе разработанных методов предложен комплексный метод оценки конструктивного исполнения магнитных систем МПТ, заключающийся в определении магнитных и тепловых нагрузок, а также потенциальных условий иа коллекторах машин на базе взаимосвязанного решения соответствующих полевых задач. Для тяговых электродвигателей тепловозов исследованы магнитные нагрузки в случае применения гладкого и зубчатого якорей, а также проведено сравнение потенциальных услобий на коллекторах машин, выполнен тепловой расчет конструкции гладкого якоря. В прокатных МПТ исследованы магнитные и тепловые нагрузки главного полюса электродвигателя П2 23/132−7,1, а также нагрузки магнитной цепи добавоч ных полюсов электродвигателя П2−24/160−6,8 в переходных и стационарных режимах. На основании указанных исследований разработаны рекомендации по выбору предельно допустимых магнитных и тепловых нагрузок машин рассмотренных типов.