CC BY
42
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
УДК 621.314
О. Н. Парфенович, канд. техн. наук, доц., А. С. Третьяков
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПО КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЕ ДАС С ТРЁХРОТОРНОЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКОЙ
В статье излагаются краткие сведения о конструкции асинхронного электродвигателя с трехроторной электромеханикой. Представлены энергетическая, тепловая и вентиляционная модели рассматриваемого электродвигателя. Предложена методика расчета тепловентиляционных процессов данного электродвигателя. На основании расчетов обосновывается положение о рассматриваемом электродвигателе как энерго- и ресурсосберегающем. Приведены расчётные данные температур отдельных узлов рассматриваемого электродвигателя.
Введение
В настоящее время в связи с развитием силовой преобразовательной техники базовой электрической машиной автоматизированного регулируемого электропривода стал асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором.
Достоинства
1. Простота и технологичность конструкции.
2. Срок службы (по стандартам) -до 17 лет.
3. Относительно малые габариты и стоимость.
Недостатки
1. Для обеспечения управления пуском, торможением, регулированием частоты вращения и энергосбережения необходимо использовать дорогостоящие преобразователи частоты (в 3.. .4 раза дороже самих электродвигателей).
2. Большое потребление реактивной мощности (до 80 % в номинальном режиме, до 100 % в режиме холостого хода).
3. Для решения задачи электромагнитной совместимости необходимо применять дорогостоящие фильтры, устанавливаемые на входе и выходе преобразователя.
4. При работе с частотным преобразователем в режимах регулирования частоты вращения необходимо устанавливать вентиляторы-наездники с постоянной частотой вращения.
5. В связи с тем, что преобразователь частоты работает на модулируемой частоте 4.15 кГц, сокращается срок службы обмоток электродвигателя.
Некоторые из вышеуказанных недостатков устранены в семействе электродвигателей, выполненных по конструктивной схеме ДАС (двигатель асинхронный, специально предназначенный для работы с регулятором напряжения) [1-7]. Цель данной работы - показать, что асинхронные электродвигатели по конструктивной схеме ДАС, в частности модификации ДАС-14, обладают улучшенными тепловыми режимами и энергетическими параметрами, являются ресурсосберегающими.
Теоретические положения
Для выявления вышеуказанных преимуществ семейства электродвигателей, выполненных по конструктивной схеме ДАС, рассмотрим асинхронный электродвигатель ДАС-14. Особенности конструкции данного электродвигателя приведены на рис. 1 [1].
Электродвигатель работает следующим образом. При снижении переменного напряжения на обмотках статора 9 и при наличии замкнутой по частоте вращения силового ротора 10 системы управления скорость вращения силового ротора 10 будет изменяться вниз от номинальной, но частота вращения малых роторов 11 и 12 будет постоянной, близкой к номинальной. Отвод потерь скольжения, выделяющихся в стержневой обмотке силового ротора
10, будет осуществляться в осевом направлении по обе стороны силового ротора 10 с выходом на вентиляторы-теплорассеиватели 13 и 14. Далее потоками воздуха, забираемого через радиальные отверстия 23 и 24 подшипниковых щитов 2 и 3 вентиляторами 15 и 16, вращающимися с постоянной, близкой к синхронной, скоростью, потери выводятся через осевые отверстия 25 и 26 подшипниковых щитов 2 и 3 в окружающую среду.
Рис. 1. Особенности конструкции асинхронного электродвигателя по конструктивной схеме ДАС с трехроторной электромеханикой (ДАС-14): 1 - станина электродвигателя; 2, 3 - подшипниковые щиты; 4 - вал силового ротора; 5, 6 - подшипники силового ротора; 7, 8 - подшипники малых роторов вентиляторов; 9 - магнитопровод статора с обмоткой; 10 - удлиненный магнитопровод силового ротора со стержневой обмоткой; 11, 12 - малые роторы вентиляторов; 13, 14 - лопасти вентиляторов-теплорассеивателей силового ротора; 15, 16 - вентиляторы, закрепленные на малых роторах; 17, 18 - магнитопроводы малых роторов вентиляторов; 19, 20 - кольцевые перегородки; 21, 22 - кожухи; 23, 24 - радиальные отверстия подшипниковых щитов; 25, 26 - осевые отверстия подшипниковых щитов; 27 - клеммная коробка со встроенным электронным блоком регулирования
Рассмотрим энергетическую, тепловую и вентиляционную модели для данного асинхронного электродвигателя, связанные соответственно с тепловыделением, теплопередачей и выносом
теплопотерь из электродвигателя.
Энергетическая модель показана на рис. 2. Модель представляет собой энергетическую диаграмму распределения потерь в отдельных узлах электро-
^
двигателя при преобразовании подводимой электрической энергии Р10 в механическую Р2 на валу электродвигателя. На диаграмме указаны следующие обозначения: ДРрн - потери мощности в
регуляторе напряжения; ДРс - потери в стали статора; ДРэл1 - потери в обмотке статора; ДРэл2 - потери в обмотке ротора; ДРмех11 - механические потери в силовом роторе со стороны выходного его конца; ДРмех12 - механические потери в силовом роторе со стороны торцевого его конца; ДРмех2 - механические потери в роторе вентилятора со стороны выходного конца вала; ДРмех3 - механические потери в роторе вентилятора со
стороны торцевого конца вала; ДРдоб11 -добавочные потери в силовом роторе со стороны выходного конца вала; ДРдоб12 -добавочные потери в силовом роторе со стороны торцевого конца вала; ДРвент11 -
вентиляционные потери от вентилятора на силовом роторе со стороны выходного конца вала; ДРвент12 - вентиляционные потери от вентилятора на силовом роторе со стороны торцевого конца вала; ДРвент2 - потери на вентиляцию от
малого ротора со стороны выходного конца вала; ДРвент3 - потери на вентиляцию от малого ротора со стороны торцевого конца вала.
Рис. 2 .Энергетическая диаграмма электродвигателя ДАС-14
Тепловая модель электродвигателя ДАС-14 в форме тепловой схемы замещения показана на рис. 3.
На схеме параметры ДР определяют потери подводимой к электродви-
гателю мощности Р10 в соответствующих «однородных телах» этого электродвигателя (в теории тепловых процессов электрических машин и здесь под «однородным телом» понимаются
тела, обладающие равномерным рассеиванием тепла со всей поверхности и бесконечной теплопроводностью), в частности, ДР„
ДРрн - в со-
ответствии с энергетической диаграммой на рис. 2:
ДР' = ДР 2 + ДР •
мр мех2 вент2 ?
(1)
ДРмр = ДРмех3 + ДРвент3; (2)
¿С = ¿^мехП + ^вентП + АРд0б11; (3)
¿С = ^мех12 +АРвенТ12 +АРдоб12. (4)
Рис. 3. Тепловая схема замещения электродвигателя ДАС-14
Расчет составляющих потерь энергетической диаграммы и тепловой схемы замещения можно произвести по методикам, предложенным в [3].
Тепловая схема замещения определена как состоящая из 13 «однородных тел»: статора (температура перегрева 0с), обмотки статора (температура перегрева 0ос), ротора силового со стержневой обмоткой ( 0 р), двух малых роторов с лопастями вентиляторов
(©мр, ©мр), двух вентиляторов-тепло-
рассеивателей (©вт, 0^ ), воздушной зоны лобовой части обмотки статора со стороны выходного конца вала (0 2), воздушной зоны лобовой части со стороны торцевого конца вала (04), воздушной зоны вентиляторно-радиаторного охлаждения со стороны выходного конца вала (01), воздушной зоны вентиляторно-радиаторного охлаждения со
стороны торцевого конца вала (05),
клеммной коробки со встроенным тиристорным регулятором напряжения (0рн), станины (03), температуры окружающей среды ( 0 0).
13 «однородных тел» по схеме связаны между собой такими тепловыми проводимостями, как X ^7, X ^7 - тепловые проводимости передачи тепла от токопроводящих стержней силового ротора в два малых ротора с лопастями вентиляторов; Х^, Х^ - тепловые проводимости передачи тепла от токопроводящих стержней ротора в вентилято-ры-теплорассеиватели; Я71 - тепловая
проводимость от вентилятора малого ротора к воздушной зоне вентиляторнорадиаторного охлаждения со стороны выходного конца вала; Л75 - тепловая
проводимость от вентилятора малого ротора к воздушной зоне вентиляторнорадиаторного охлаждения со стороны торцевого конца вала; Хр3 - тепловая
проводимость от вентилятора-теплорассеивателя силового ротора к воздушной зоне вентиляторно-
радиаторного охлаждения со стороны выходного конца вала; Хр4 - тепловая
проводимость от вентилятора силового ротора к воздушной зоне вентиляторнорадиаторного охлаждения со стороны торцевого конца вала; Хр1 - тепловая
проводимость от лобовой части статорной обмотки к воздушной зоне вентиляторно-радиаторного охлаждения со стороны выходного конца вала; Хр2 - тепловая проводимость от лобовой части статорной обмотки к воздушной зоне вентиляторно-радиаторного охлаждения со стороны торцевого конца вала; Хл2 -
тепловая проводимость от статора к лобовой части со стороны выходного конца вала; Хл4 - тепловая проводимость от статора к лобовой части со стороны торцевого конца вала; Хс3 - тепловая прово-
димость от статора к станине; Л0 - тепловая проводимость от воздушной зоны вентиляторно-радиаторного охлаждения вала к воздушной зоне окружающей среды со стороны выходного конца вала; Л50 - тепловая проводимость от воздушной зоны вентиляторно-радиаторного охлаждения к воздушной зоне окружающей среды со стороны торцевого конца вала; Л30 - тепловая проводимость от станины к воздушной зоне окружающей среды; Х3к - тепловая проводимость от станины к регулятору напряжения; Хк0 - тепловая проводимость от регулятора напряжения к воздушной зоне окружающей среды; Хс1 - тепловая
проводимость от лобовой части к станине со стороны выходного конца вала; Хс2 - тепловая проводимость от лобовой части к станине со стороны торцевого конца вала; Хс4 - тепловая проводимость от обмотки статора к лобовой части со стороны выходного конца вала; Хс6 - тепловая проводимость от обмотки статора к лобовой части со стороны торцевого конца вала; Хс5 - тепловая проводимость от железа статора к обмотке статора; Л30 - тепловая проводимость от станины к воздушной зоне окружающей среды.
Расчет тепловых проводимостей можно произвести по методике, предложенной в [3, 4].
Тепловая схема замещения по рис. 3 описывается следующей системой уравнений теплового баланса:
ДРс = 0с ■ (Хл2 + Хс3 + Хл4 + Хс5) -
- 02 ■ Хл2 - 03 ■ Хс3 - 0ос ■ Хс5 - 04 ■ Хл4; (5)
ДРэл2 = 0р ■ (Хв + ХІ7 + Х22 + ХІ7 + Х^в ) -
- 0 1 ■ Хсв - 0 м „ ■ Х'а7 - 0ос ■ Х „ -
- 0 " ■ Х"7 - 0 " ■ Х" ;
мв а7 вт св ’
Др; = 0 вт ■ (Хр3+Хв) - 01 ■ Хр3 - 0р ■ Х!в ;(7) Дрт = 0 вт ■ (Хр4+х: ) - 05 ■ Хр4 - 0р ■ х;в ;(8) ДРмр = 0 мр ■ (ХІ7 + Х71) - 0р ■ ХІ7 - 0! ■ Х71 ;(9) ДРмр = 0мр ■ (ХІ7 + Х75) - 0р ■ ХІ7 - 05 ■ Х75 ;(10)
ДРрн = 0рн ■ (Х3к + Хк0) - 03 ■ Х3к - 00 ■ Хк0 ;(11)
ДРэл1 = 0ос ■ (Хс4 + Хс5 + Хс6 + Х22) -- 02 ■ Хс4 - 0с ■ Хс5 - 04 ■ Хс6 - 0р ■ Х22; (12)
О = 01 ■ (Хю + Хр1 + Х71 + Хр3) -
- 00 ■ Хю - 02 ■ Хр1- 0 вт ■ Хр3- 0 мр ■ Х71;(13)
0 = 02 ■ (Хр1 + Хс1 + Хл2 + Хс4) -
- 01 ■ Хр1 - 0с ■ Хл2 - 03 ■ Хс1 - 0ос ■ Хс4;(14)
0 = 03 ■ (Хс1 + Х30 + Х3к + Хс2 + Хс3 ) -
-02 ■ Хс1 - 00 ■ Х30 - 0рн ■ Х3к -
- 0с ■ Хс3 - 04 ■ Хс2 ;
(15)
0 - ©4 • (Хл4 + Хс2 + Хр2 + Хс6) -
- 0с • Хл4 - 03 • Хс2 - 05 • Хр2 - 0ос • Хсб; (16)
0 - 05 • (Х50 + Хр2 + Х75 + Хр4) -
- 0 • Х - 0 • Х - 0" • Х - 0" • Х (17)
'“'0 50 '“Ч р2 '“'мр 75 '“'вт Лр4' V1 ')
Решение этих уравнений определяет температуры перегрева 0 в соответствующих «однородных телах», но без учета вентиляции.
Для определения влияния вентиляции на тепловые процессы в электродвигателе ДАС-14 можно воспользоваться упрощенной его вентиляционной схемой замещения, представленной на рис. 4.
Рис. 4. Расчетная вентиляционная схема замещения асинхронного электродвигателя ДАС-14
В схеме на рис. 4 приведены следующие обозначения: 112 - аэродинамическое сопротивление прохождению воздушного потока через радиальные отверстия подшипникового щита со стороны выходного конца вала; Z32 -
аэродинамическое сопротивление прохождению воздушного потока от вентилятора малого ротора к вентилятору-теплорассеивателю; 122 - аэродинамическое сопротивление прохождению воздушного потока от вентилятора ма-
лого ротора через осевые отверстия в кожух; 142 - аэродинамическое сопротивление прохождению воздушного потока от вентилятора-теплорассеивателя через осевые отверстия в кожух; Z52 -
сопротивление прохождению объединенного воздушного потока через кожух и межреберные каналы в воздушную среду со стороны выходного конца вала. Аналогично и соответственно определяются аэродинамические сопротивления 111, 121, 131, 141, 151 со стороны
торцевого конца вала электродвигателя.
Суммарное сопротивление вентиляционной цепи электродвигателя при работе в номинальном режиме (как с одного ^эквД так и со второго (гэКв2) выходных концов вала):
2 1 - 2 2 - 212 + 2„ + экв1 экв2 12 52
+ 222 • (232 + 242 ) (18)
2 + 2 + 2
22 32 42
Расчет аэродинамических сопротивлений можно произвести по методике, предложенной в [5, 6].
Влияние вентиляционных узлов электродвигателя ДАС-14 на его энергоэффективность определено следующим образом.
1. В соответствии с (5). (12) допустимые потери в электродвигателе при работе с номинальной скоростью без вентиляторов для температуры перегрева обмотки статора 0 - 80 0С:
ДРб.в — ДРэл1(б.в) + ДРэл2(б.в) + ДРмех +
+ X ДРдоб - ДРэл.пер(б.в) + ДРпост , (19)
где
ДРэл.пер(б.в) - ДРэл1(б.в) + ДРэл2(б.в) . (20)
2. Суммарная мощность вентиляторов при их вращении с номинальной скоростью:
X ДРвент - ДРвент2 + ДРвент3 +
+ ДРв,„11 + ДРв,„12 - . (21)
п
где суммарная производительность вентиляторов Qz и напор Н определяются, исходя из конструктивных параметров вентиляторов.
3. Потери напора в вентиляционной цепи (см. рис. 4) в соответствии с (18):
ДНвц - ^ + 7^) • Qs . (22)
4. Часть мощности вентиляторов, потраченная на компенсацию потерь напора:
ДРвц - (2,„1 + г„в2) • Q;. (23)
5. Часть мощности вентиляторов, определяющая отвод тепловых потерь обмоток статора и ротора электродвигателя (механическими потерями от трения в подшипниках вентиляторов за их малостью пренебрегаем):
ДР -X Р - ДР . (24)
в.оп / вент вц У у
6. Суммарная мощность переменных потерь, которая может быть отведена в окружающую среду конструктивом электродвигателя ДАС-14:
ДРсв = ДРэл.(б.в) + ДРв.оп - 1н • (Г + Г2 ), (25)
где 1н - расчетное значение номинального тока электродвигателя ДАС-14; г1, г2 - сопротивления обмотки статора и стержней ротора электродвигателя.
В рассматриваемом электродвигателе имеются другие конструктивные изменения, в частности, изменены формы паза железа статора, ротора (в его активной и выступающей частях), изменен материал стержней ротора и др.
Расчётные параметры электродвигателя ДАС-14 в сравнении с базовой моделью АИРС10084 и аналогом фирмы «Сименс» приведены в табл. 1.
На основании полученных расчетных данных асинхронного электродвигателя ДАС-14 были рассчитаны температуры перегрева отдельных узлов указанного электродвигателя (табл. 2).
Выводы
1. На основе предлагаемой конструкции асинхронного с короткозамкнутым ротором электродвигателя с трехроторной электромеханикой могут быть разработаны асинхронные электродвигатели общепромышленного и специального исполнений, имеющие более высокие технико-экономические, в том числе и энергетические, параметры.
Табл. 1. Характеристики асинхронных электродвигателей
Параметры АИРС10084 ДАС-14 с электронным регулятором напряжения СМ300/400 с электронным регулятором частоты («Сименс» (ФРГ))
Мощность, Вт 2300 3800 3000
Напряжение, В 380 380 380
Ток, А 5,76 8,56 6,92
Частота вращения, об/мин 1428 1428 1415
Ток холостого хода, А 4,3 0,5 0,5
КПД номинальный, % 78 81 81,5
соб (Г) номинальный 0,78 0,83 0,81
Кратность пускового тока 1п/1н 6,2 3,2 6
Кратность пускового момента Мп/Мн 2,8 2,50 2,8
Кратность максимального момента Мтах/Мн 3,1 2,55 3
Кратность минимального момента МтШ/Мн 2,27 2,4 2,2
Момент, допустимый по условиям нагрева при п = 0, Н-м 0,5 8,0 8,4
Габариты, мм 360x245x240 366x270x240 360x289x240
Масса, кг 27,9 29,8 28
Цена, у. е. 200 340 1000
Табл. 2. Расчётные значения температур перегрева отдельных узлов асинхронного электродвигателя ДАС-14
Параметры Значение
Температура перегрева обмотки статора, 0С 80
Температура перегрева статора, 0С 67
Температура перегрева силового ротора, 0С 72
Температуры перегрева роторов вентиляторов, 0С 72
Температура перегрева станины, 0С 52
Температуры перегрева воздушных зон лобовых частей, 0С 64
Температуры перегрева воздушных зон вентиляторно-радиаторного охлаждения, 0С 26
Температура перегрева регулятора напряжения, 0С 28
Температуры перегрева вентиляторов-теплорассеивателей, 0С 33
2. Предлагаемая в статье методика расчёта тепловых процессов в электродвигателе оригинальной конструкции позволяет определить допустимую по условиям нагрева его мощность, далее обозначив её как номинальную, рассчи-
тать все остальные номинальные параметры электродвигателя.
3. Полученные результаты расчета тепловых режимов асинхронного электродвигателя ДАС-14 показали, что данный электродвигатель обладает
улучшенными условиями отвода потерь. Применение двух дополнительных роторов с вентиляторами и двух вентиляторов-теплорассеивателей на
торцах силового ротора позволяет более интенсивно выводить из электродвигателя тепловые потери, тем самым снять большую мощность с вала электродвигателя (до 40 % по сравнению с АИРС100Б4).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пат. а 20071410 РБ, МПК (2006) Н 02К 9/04. Асинхронный электродвигатель для регулируемого привода машин и механизмов / О. Н. Парфенович, А. С. Третьяков ; заявитель и патентообладатель Белорус-Рос. ун-т. - № 12180 ; заявл. 11.21.07 ; опубл. 06.30.09, Бюл. № 12 (II ч.). - 18 с.
2. Парфенович, О. Н. Элементы теории тепловых процессов электродвигателя по конструктивной схеме ДАС с двухроторной электромеханикой / О. Н. Парфенович, А. С. Третьяков //
Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2009. - № 2. -С.148-157.
3. Асинхронные двигатели общего назначения / Е. П. Бойко, Ю. В. Гаинцев, Ю. В. Ковалев ; под ред. В. М. Петрова и А. Э. Кравчика. - М. : Энергия, 1980. - 488 с. : ил.
4. Филлипов, И. Ф. Теплообмен в электрических машинах / И. Ф. Филлипов. -Л. : Энергоатомиздат, 1986. - 260 с.
5. Проектирование электрических машин : учебник для вузов в 2 кн. / И. П. Копылов, Б. К. Клоков, Б. Ф. Токарев ; под ред. И. П. Копылова. - 2-е изд., перераб. и доп. -М. : Энергоатомиздат, 1993. - Кн. 1. - 384 с. : ил.
6. Виноградов, В. И. Вентиляторы электрических машин / В . И. Виноградов. - Л. : Энергоиздат, 1980. - 200 с. : ил.
7. 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 23.03.2010
O. N. Parfenovich, A. S. Tretiakov Elements of the theory of thermal processes of the electric motor under constructive scheme DAS with three - rotor electromecanics
In the article short data on a design of the asynchronous electric motor with three - rotor electromecanics are stated. Power, thermal and ventilating models of the considered electric motor are presented. Methods of calculation of thermal and ventilating processes of the given electric motor are offered. On the basis of these calculations the stated electric motor is considered to be energo- and resource-saving.
