CC BY
52
УДК621.314
О. Н. Парфенович, канд. техн. наук, доц., А. С. Третьяков
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПО КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЕ ДАС С ДВУХРОТОРНОЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКОЙ
В статье излагаются краткие сведения о конструкции асинхронного электродвигателя с двухроторной электромеханикой, анализируются методы расчёта тепловых режимов. На основе выбранного метода эквивалентных тепловых схем замещения разработаны схема тепловых потоков рассматриваемого электродвигателя, упрощённые структурные тепловые схемы замещения, представлена методика расчёта тепловых процессов. Приводятся расчётные данные температур отдельных узлов рассматриваемого электродвигателя. Приведены экспериментальные данные тепловых испытаний и технических характеристик асинхронных электродвигателей.
Электродвигатели по конструктивной схеме ДАС специально предназначены для работы с регулятором напряжения в цепи статора.
Особенности конструкции рассматриваемого электродвигателя приведены на рис. 1.
17 7 8 13 15 9 12 10 11
Рис. 1. Особенности конструкции асинхронного электродвигателя по конструктивной схеме ДАС с двухроторной электромеханикой (ДАС — 12): 1 - станина электродвигателя; 2, 3 - подшипниковые щиты; 4 - вал силового ротора; 5, 6 - подшипники силового ротора; 7 - магнитопровод статора с обмоткой; 8 - удлиненный магнитопро-вод силового ротора со стержневой обмоткой; 9 - малый ротор вентилятора; 10 - подшипник малого ротора вентилятора; 11 - вентилятор, закрепленный на малом роторе; 12 - лопасти теплорассеивателя вентилятора силового ротора; 13 - клеммная коробка со встроенным электронным блоком регулирования; 14 - магнитопровод малого ротора вентилятора; 15 - кольцевая перегородка; 16 - кожух; 17 - датчик скорости
Во время работы электродвигателя обеспечивается интенсивный отвод тепловых потерь от силового ротора В через стержневую обмотку к лопастям теплорас-сеивателя вентилятора 12. Принудительная вентиляция при работе электродвигателя на естественной и регулировочных характеристиках осуществляется также при помощи вентилятора 11, закрепленного на малом роторе 9, который вращается с постоянной частотой, не зависящей от частоты вращения силового ротора. Вращающий момент малого ротора вентилятора 9 обеспечивается благодаря потокосцепле-нию со стержневой обмоткой выступающей части силового ротора В.
При работе электродвигателя на регулировочных характеристиках и в пускотормозных режимах имеет место эффект частотного сжатия тока в стержнях выступающей части ротора, что приводит к увеличению cos p , уменьшению пускового тока, увеличению пускового момента электродвигателя и момента, допустимого по условиям нагрева. За счёт улучшения условий теплопроводности и теплоотдачи массогабаритные параметры электродвигателя на 1 кВт полезной мощности используются более эффективно при его работе и на естественной характеристике [1].
Среди известных в настоящее время методов теплового расчета электродвигателей [2-5] наиболее приемлемым (по причине оригинальности рассматриваемой конструкции электродвигателя) является метод экспериментального моделирования. В этом случае на физических моделях или макетах экспериментально определяются перепады температур на отдельных узлах электродвигателя, происходящие на пути движения тепловых потоков от источников теплоты к окружающей среде. Чтобы экспериментальные данные можно было использовать для широкого класса однотипных поверхностей, их обычно выражают с помощью безразмерных чисел. Данный метод весьма трудоемкий и целесообразен в том случае, если модель двигателя кон-
структивно и по электрическим параметрам уже отработана и оптимизирована.
Нельзя в нашем случае применить для теплового расчета электродвигателя и достаточно простой метод эквивалентных греющих потерь, поскольку коэффициенты, применяемые при расчетах по этому методу, получены на типовых отработанных конструкциях электродвигателей.
Сложным, но более логичным применительно к новой оригинальной конструкции электродвигателя ДАС-12 с двухроторной электромеханикой является метод расчета с помощью тепловых схем замещения. Тепловая схема замещения составляется на основе анализа тепловых потоков в отдельных узлах двигателя. Относительно полная картина тепловых потоков рассматриваемого электродвигателя приведена на рис. 2.
На указанном рисунке в одинарных окружностях условно обозначены температуры узлов и участков электродвигателя - соответствующих «однородных тел», где выделяются тепловые потери работающего электродвигателя, в частности [5]:
- вп - температура в пазовой части статорной обмотки, где выделяются потери АРп ;
- б\ - температура в зубцах статора, где выделяются потери АР,,1;
- в] - температура в ярме статора, где выделяются потери АР,1;
- в\ , 02„ - температуры в лобовых частях обмотки статора, где выделяются потери АРл', АРл2;
- ва - температура в пазовой части токопроводящих стержней ротора, где выделяются потери АРа ;
- в] - температура в зубцах силового ротора, где выделяются потери
АРг2;
Рис. 2. Картина тепловых потоков электродвигателя ДАС-12
- вС - температура в железе силово-
2
го ротора, где выделяются потери АРс ;
- вв - температура в стакане ротора вентилятора, где выделяются потери АРв ;
- вг - температура тахогенератора, где выделяются потери АРг;
- вк - температура внутри клеммной коробки, где выделяются потери АРк;
- в\, в], в^ - температуры под-
шипников, где выделяются потери АР1, АР2, АР3 .
п ’ п ’ п
В двойных окружностях обозначены температуры «однородных тел» - конструктивных элементов электродвигателя, через которые проходят тепловые потоки, в частности [5]:
- в0 - температура окружающей среды;
- в1 - температура подшипникового щита со стороны рабочего конца вала;
- в2 - температура воздуха в закрытой зоне внутри электродвигателя со стороны рабочего конца вала;
- в3 - температура станины;
- в4 - температура воздуха в закрытой зоне внутри двигателя со стороны вентиляторного узла;
- в5 - температура воздуха в зоне вентиляторного узла;
- в6 - температура в кольцевой перегородке;
- в7 - температура полостей вентилятора силового ротора.
Тепловые потоки распространяются в электродвигателе в следующих направлениях. Тепловой поток пазовой части статорной обмотки передается лобовым частям с тепловыми проводимостями Апл, зубцам и в ярмо статора - с тепловыми проводимостями Апг и Апс, от зубцов в ярмо статора - Асс . Тепловой поток с лобовых частей обмотки статора передается внутреннему воздуху с тепловы-
ми проводимостями А л2 и Ал4. Тепловой поток от пазовой части токопроводящих стержней силового ротора передается на лопасти вентилятора-радиатора (тепловая проводимость Аа7), в зубцовую зону ротора (тепловая проводимость Ас), в железо ротора (тепловая
проводимость Аас), от зубцов в железо ротора (тепловая проводимость Асс). Тепловые потоки от ротора через тепловые проводимости А сс и А\с передаются в ярмо статора и дальше через тепловую проводимость Ас3 в станину электродвигателя. Внутренний воздух в левой части электродвигателя с температурой в2, принимая также через тепловую проводимость Ап2 тепло от механических потерь АРп и через тепловую проводимость Аг2 тепло от тахогенератора, через тепловую проводимость А21 передает тепловой поток подшипниковому щиту. Подшипниковый щит через тепловую проводимость А0 передает тепло в охлаждающую среду с температурой в0 . Станина с температурой в3 через тепловую проводимость А30 передает тепло в окружающую среду, а через тепловую проводимость в3к - в
клеммную коробку с температурой вк, оттуда через тепловую проводимость Ако тепловой поток рассеивается в окружающей среде с температурой в0 .
Внутренний воздух в правой части электродвигателя с температурой в4 через тепловую проводимость А43 передает тепло в станину, через тепловую проводимость А46 - в кольцевую перегородку с температурой в6, далее через тепловую проводимость А65 - в воздушную зону вентиляторного охлажде-
ния с температурой в5, где нагретый воздух охлаждается воздушным потоком с температурой в0 окружающей среды.
Воздушная зона интенсивного вентиляторно-радиаторного охлаждения имеет температуру в5, которая формируется
путём передачи тепла от соответствующих «однородных тел» электродвигателя через тепловые проводимости: А65 - от
кольцевой перегородки; А75 - от полостей вентилятора-радиатора силового ротора; Ас5 - от магнитопровода силового ротора;
А1п5 , А2п5 - от силового подшипника - и подачей в указанную зону охлаждающего воздуха с температурой в0 через тепловую проводимость А05. Тепло от токопроводящих стержней ротора передаётся через тепловую проводимость Аа 7 в полости
вентилятора силового ротора.
На основании приведённой на рис. 2 картины тепловых потоков электродвигателя ДАС-12 может быть составлена тепловая схема замещения, состоящая из 22 «однородных тел», связанных между собой 32 тепловыми проводимостями. Такая схема замещения описывается 22
АРс =вс ' (Ал2 + Ал4 + Асс + Ас3) - в2 ' Ал2 ' АРр = вр ' (Ас2 + Ар2 + Асс + Асв ) - в2 ' Ас2 АРв =вв ' (Асв + Ар3) - вр ' Асв - в5 ' Ар3; АРк =вк ' (А3к + Ак0) - в3 ' А3к -в0 ' Ак0;
0 = в1 '(А10 +А21) -в0 ' А10 в2 ' А21;
0 = в2 ' (А21 + Ал2 + Ас2) -вс ' Ал2 - вр ' Ас2 0 = в3 ' (А30 + Лік + Ас3) - в0 '^30 -вк ' Лік 0 = в4 ' (Ар1 + Ал4) - вс ' Ал4 - в5 ' Ар1;
0 = в5 • (А 50 + А 05 + Ар1 + Ар- + Ар3) - в0
Вместо контура теплопередачи А56 - в6 - А65 введена тепловая проводимость Ар1.
уравнениями теплового баланса. Для снижения порядка системы уравнений при незначительном снижении точности расчётов рассматриваемый электродвигатель можно представить состоящим из 9 «однородных тел»: статора с обмоткой
(температура вс ), ротора силового со стержневой обмоткой и вентилятором -теплорассеивателем (вр ), ротора вспомогательного с лопастями вентилятора (вв ), воздушной зоны левой лобовой
части (в2 ), станины (в3), воздушной
зоны правой лобовой части (в4), воздушной зоны вентиляторно-радиаторного охлаждения (в5), подшипникового
щита левого (в1), клеммной коробки с встроенным тиристорным регулятором напряжения (вк ). Упрощенная тепловая схема замещения рассматриваемого электродвигателя представлена на рис. 3. Данная тепловая схема описывается следующей системой уравнений теплообмена:
в А -в А -в А ;
и3 с3 ир /1сс и4 Лл 4 ’
в А -в А -в А ;
^5 Лр 2 ис сс ив св
(1)
-в1 ' А21.;
-вс ' Ас3;
' А50 -в0 'А05 -в4 ' Ар1 - вр ' Ар2 - вв ' Ар3.
Вместо контура теплопередачи Аа7 -в7 - А75 и параллельно включенной
этому контуру проводимости Ас5 введе-
на тепловая проводимость А 2. Вместо
‘р2'
контура теплопередачи Авп - в2п - Ап5 введена тепловая проводимость Ар3 .
В системе уравнений (1) параметры
о означают превышение температуры над температурой окружающей среды (в,, = 0 °С), параметры АР определяют
потери в соответствующих «однородных телах», в частности:
- потери в статоре
АР =АР1 + АР1 + АР1 + АР1 + АР2; (2)
с м с с л л’\/
потери в силовом роторе
>2 -А”2- (3)
АРр = АР1 + АР? + АР.
2.
с
- потери механической части в роторе вентилятора
АР = АР3 + АР + АР ;
(4)
- потери АРк - потери в клеммной
коробке от тиристорного регулятора напряжения.
Рис. 3. Упрощённая структурная тепловая схема замещения электродвигателя ДАС-12
Поскольку основным контрольным параметром теплового расчета электродвигателя является температура перегрева обмотки статора, то на основании расчетов по уравнениям (1)...(4) определяются температурные поля в1,в2,в3,вр в зависимости от тока статора: в номинальном режиме и при работе электродвигателя на
регулировочных характеристиках. Затем, в соответствии с картиной тепловых потоков (рис. 2), строится структурная тепловая схема замещения статора электродвигателя (рис. 4).
На рис. 4 составляется система уравнений теплового баланса в статоре электродвигателя:
АР'С =в •(Ас3 + Ас +А ) -
-в3 • Ас 3 - вп • Апс - 0 • Асс ;
АРМ = в1 • (2 • Амл + Аа + А„:) --А •(оО + в2) -в\ 'Ас -в]• А;
АРІ = в-(А.с + А + А)- (5)
-О1 - А -в 'А -в А ;
с сс п пс р
АР] = О'(Лмл + А, 2) -
- в2 ' Ал 2 - вп ' Амл;
АР,2 = в2л • (Ал4 + Амл ) -
- в4 ' Ал 4 - вп ' Ам
ции от потерь, тока статора, потребляемой и полезной мощности электродвигателя. По рассмотренной методике была рассчитана тепловая модель электродвигателя в модификации ДАС-12 (см. рис. 1), разработанного на базе стандартного АИРС 10084 для общепромышленного применения. Результаты тепловых и вентиляционных расчётов позволили определить номинальные параметры электродвигателя ДАС-12. Расчётные параметры электродвигателя ДАС-12 в сравнении с базовой моделью АИРС 10084 и аналогом фирмы «Сименс» приведены в табл. 1.
Решение этих уравнений позволяет определить температуру перегрева обмотки статора электродвигателя в функ-
Рис. 4. Структурная тепловая схема замещения статора электродвигателя ДАС-12
Табл. 1. Характеристики асинхронных электродвигателей
Техническая характеристика ДАС-12 АИРС 10084 СМ300/400 («Сименс», ФРГ) (аналог)
Мощность, Вт 3500 2300 3000
Напряжение, В 380 380 380
Ток, А 7,8 5,76 6,92
Частота, Гц 50 50 50
Скольжение 4,5 4,8 5,7
Частота вращения, об/мин 1433 1428 1415
Момент номинальный, Н-м 23,4 15,4 20,2
Ток холостого хода, А 0,5 4,5 0,3
КПД номинальный, % 82 78 81,5
Соб(Г) номинальный 0,83 0,78 0,81
Кратность пускового тока 1п/1н 3,5 6,2 6
Кратность пускового момента Мп/Мн 2,55 2,8 2,8
Кратность максимального момента Мтах/Мн 2,6 3,1 3
Кратность минимального момента Мт1п/Мн 2,5 2,27 2,2
Момент, допустимый по условиям нагрева при п = 0 Н-м 6,0 0,5 8
Диапазон регулирования напряжением при вентиляторной нагрузке 10-100 1,5 1000 (частотное регулирование)
Допустимая частота пускотормозных циклов при I = 6-1дв До 400 До 80 До 120
Габариты, мм 366x270x240 360x245x240 360x289x240
Масса, кг 28,8 27,9 28
Цена, у. е. 300 200 1000
На основании полученных расчетных значений температур перегрева электродвигателя ДАС-12 с параметрами, указанными в табл. 1, построена картина распределения температур по продольному (рис. 5) и поперечному (рис. 6) сечениям рассматриваемого электродвигателя.
Достаточная корректность тепловых расчетов электродвигателя ДАС-12 по разработанной методике была подтверждена результатами соответствующих расчётов и тепловых исследований электродвигателя в модификации ДАС-10 [1] в условиях испытательной лаборатории РУП Могилевский завод «Электродвига-
тель», проведенных по ГОСТ 183-74. Результаты испытаний и расчётов показали, что номинальный режим этого электродвигателя определяется при ПВ - 100 %: напряжением 220/380 В, током фазы 7,1 А, частотой 50 Гц, мощностью 2500 Вт, моментом на валу 17,6 Н-м. При этом температура перегрева обмотки статора электродвигателя вн = 80 0С, абсолютная (относительно 0 0С) температура вно = 120 0С. Указанный электродвигатель был разработан и изготовлен в модификации с повышенными пускотормозными и регулировоч-
ными характеристиками при работе от ти- макет лифтового электродвигателя.
ристорного регулятора напряжения как
Рис. 5. Картина распределения температур по продольному сечению электродвигателя ДАС-12: - распределение температур по сечению а-а; 111111 - распределение температур по сечению б-б
/ У 1 II 1 1
1 V ТГГтт ттГТ ' / г ' И / у. Л~ 1
Рис. 6. Картина распределения температур по поперечному сечению электродвигателя ДАС-12:
- распределение температур по сечению с-с
Выводы
1. На основе предлагаемой конструкции асинхронного с короткозамкнутым ротором электродвигателя с двухроторной электромеханикой могут быть разработаны асинхронные электродвигатели общепромышленного и специального исполнений, имеющие более высокие техникоэкономические, в том числе и энергетические, параметры.
2. Выбранный для анализа тепловых режимов асинхронных электродвигателей метод эквивалентных тепловых схем замещения наиболее приемлем для новых моделей асинхронных электродвигателей оригинальной конструкции.
3. Разработанная на базе выбранного метода эквивалентных тепловых схем замещения методика расчёта тепловых процессов в электродвигателе оригинальной конструкции позволяет определить допустимую по условиям нагрева его мощность, далее, обозначив её как номинальную,
рассчитать все остальные номинальные параметры электродвигателя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Парфенович, О. Н. Регулируемый асинхронный с короткозамкнутым ротором электродвигатель в электромехатронном исполнении / О. Н. Парфенович, Н. Д. Кебеде // Энергетика. - 1998. - № 3. - С. 42-45.
2 Асинхронные двигатели общего назначения / Е. П. Бойко [и др.] ; под ред. В. М. Петрова и А. Э. Кравчика. - М. : Энергия, 1980. -254 с.
3 Филлипов, И. Ф. Основы теплообмена в электрических машинах / И. Ф. Филлипов. - Л. : Энергия, 1974. - 312 с.
4 Филлипов, И. Ф. Теплообмен в электрических машинах / И. Ф. Филлипов. - Л. : Энергоатомиздат, 1986. - 260 с.
5 Развить теоретические основы создания и эффективного применения управляемого электропривода переменного тока на основе новых конструктивных решений асинхронных электродвигателей и систем фазового управления : отчет о НИР (закл. ) / МГТУ ; рук. О. Н. Парфенович ; исп. : Л. М. Тюшкевич [и др.]. - Могилёв, 2000. -156 с. - Библиогр. : с. 157-160. - № ГР 1998781.
Белорусско-Российский университет Материал поступил 09.09.2008
O. N. Parfenovich, A. S. Tretiacov Elements of the thermal processes theory of the electric motor under constructive scheme DAS with a two - rotor electromechanics
Short data on a design of the asynchronous electric motor with two - rotor electromechanics are stated and methods of calculation of thermal modes are analyzed in the article. On the basis of the chosen method of equivalent thermal circuits the scheme of thermal streams of the considered electric motor and simplified structural thermal equivalent circuits have been developed. Calculation methods of thermal processes are presented. Calculation data of temperatures of separate knots of the considered electric motor are cited. Experimental data of thermal tests and technical characteristics of asynchronous electric motors are given in the paper.
