CC BY
71
Е.Р.Алексеев, М.М.Федоров, Л.Сорокина
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В ПОВТОРНО-КРАТКОВРЕМЕННЫХ РЕЖИМАХ
Одним из основных методов исследований тепловых процессов в асинхронных двигателях (АД) является метод эквивалентных тепловых схем замещения (ЭТС) [1]. Для короткозамкнутого АД АИУМ225М4 при составлении ЭТС выделены следующие узлы: 1 - пазовая часть обмотки статора; 2 - лобовая часть обмотки статора; 3 - ротор; 4 - зубцы железа статора; 5 - корпус статора над пакетом; 6 - корпус статора над лобовыми частями; 7 - внутренний воздух. Система дифференциальных уравнений, описывающая тепловые процессы в АД, имеет вид
Здесь С - вектор-столбец теплоёмкостей узлов двигателей; 8 - вектор-столбец превышения температур соответствующих узлов над температурой окружающей среды 80; Л - матрица теплопроводностей узлов; Р - вектор потерь
мощностей в узлах АД. Методика расчета потерь при различных напряжениях и нагрузках изложена в [2].
Режим S3 характеризуется циклом работы (цикл работы ^ц) равен сумме рабочего периода ^Р) и паузы 0лЗ)) и продолжительностью включения (ПВ), выражаемой в процентах и равной ПВ = ^ /tП • 100% . Для того, чтобы получить
значения температур в повторно кратковременном режиме S3, необходимо решить систему (1) с нулевыми начальными условиями на интервале [0, у. Затем необходимо решить систему (1) при P=0 (начальные условия - значения температур в узлах АД, полученные при решении системы (1) в момент времени ^) на интервале ^+^З]. Повторяем эти расчёты для всех циклов до достижения ква-зиустановившейся температуры (т. е. такой температуры в моменты включения и отключения двигателя, изменение которой не превышает 2°С в час) во всех узлах АД. Отличие повторно кратковременного режима с частыми пусками S4 от режима S3 состоит в наличии периода пуска ^П). Продолжительность включения в режиме S4 ПВ = (^ + ^)Ац • 100% . Для АД АИУМ225М4 был проведен сравнительный анализ температур при продолжительности цикла 0,5; 1; 2; 3; 5 и 10 минут, продолжительности включения ПВ=40 % при входном напряжении ^0,8^, ^0.9^, ^Щ. В процессе анализа будет рассматриваться средняя температура
температура і-го узла в момент пуска, 0 р - квазиустановившаяся температура і-
го узла в момент отключения АД, 0ПЗ. - квазиустановившаяся температура і-го
узла в момент включения АД.
В табл. 1 приведены средние температуры в лобовой части статора и в роторе при ^ц=10мин при напряжениях ^Щ, ^0,9^, ^0,8^ в режимах S3, S4 и установившиеся температуры в режиме S1 в абсолютных и относительных единицах. За базовую температуру узла принята установившаяся температура в режиме S1 [3] при номинальных напряжении и нагрузке. Как видно из табл. 1, при
(1)
і-го узла 0і 0
, где 0П. - квазиустановившаяся
номинальном напряжении наибольшие тепловые нагрузки АД АИУМ225М4 испытывает в режиме 81. При снижении входного напряжения на 10% температура в статоре выше в режиме 81, в роторе наибольшие тепловые перегрузки наблюдаются в режиме 84. При снижении напряжения на 20% наибольшие тепловые нагрузки АД испытывает в режиме 84.
Таблица 1
Т емпературы в узлах АД АИУМ225М4 при различных напряжениях в режимах
*
81, S3, S4 (ПВ=40%) в абсолютных (е1) и относительных (8; ) единицах
Температура в узлах АД АИУМ225М4
№ и=ин и=0.9ин и=0.8ин
узла 81 83 84 81 83 84 81 83 84
8УСТ 8СР 8СР 8УСТ 8СР 8СР 8УСТ 8СР 8СР
2 109/1 89/ 95/ 133/ 116/ 125/ 168/ 206/ 239/
0,82 0,87 1,22 1,06 1,15 1,54 1,89 2,19
3 118/1 105/ 117/ 144/ 139/ 158/ 184/ 252/ 288/
0,89 0,99 1,22 1,18 1,34 1,56 2,06 2,44
В табл. 2 приведены температуры в статоре и роторе при различных напряжениях в режиме 84 (ПВ=40%) при различных длительностях цикла (1ц=0,5; 1; 2; 3; 10 мин) в абсолютных и относительных единицах.
Таблица 2
Средние температуры в узлах АД АИУМ225М4 в повторно кратковременном режиме с частыми пусками 84 при различных напряжениях и длительностях цикла в
абсолютных и относительных единицах
И мин Т емпература в узлах АД в режиме 84
Номер узла
1 2 3
Ин 0.9Ин 0.8Ин Ин 0.9Ин 0.8Ин Ин 0.9Ин 0.8Ин
10 77/ 0,82 101/ 1,07 189/ 2,01 95/ 0,87 125/ 1,15 239/ 2,19 117/ 0,99 158/ 1,34 288/ 2,44
3 90/ 0,96 124/ 1,32 219/ 2,33 113/ 1,04 132/ 1,21 277/ 2,54 142/ 1,2 203/ 1,72 367/ 3,11
2 100/ 1,06 142/ 1,51 248/ 2,64 125/ 1,15 178/ 1,63 315/ 2,89 160/ 1,36 235/ 1,99 424/ 3,59
1 130/ 1,38 191/ 2,03 338/ 3,6 162/ 1,49 243/ 2,23 430/ 3,94 215/ 1,82 331/ 2,81 597/ 5,06
0,5 185/ 1,97 293/ 3,12 516/ 5,49 234/ 2,15 371/ 3,4 657/ 6,09 319/ 2,7 523/ 4,43 943/ 7,99
При 1ц=Ш мин только при напряжении и=0,8иН температура в лобовой части обмотки статора превышает допустимую для класса изоляции Н. При уменьшении длительности цикла наблюдается увеличение значений температур в узлах АД при тех же входных напряжениях и нагрузках. Т ак, при 1ц=2 мин температура в статоре при напряжении 0,9ИН выше допустимой. При снижении 1ц до 1 мин температура в лобовой части обмотки статора становится выше допустимой. Короткозамкнутые АД АИУМ225М4 при 1ц<1 мин можно эксплуатировать только при пониженных нагрузках.
Были построены зависимости 8 ;(Р) при различных напряжениях. По этим
зависимостям были определены коэффициенты нагрузки р, при которых температура в узлах АД АИУМ225М4 не превышает допустимую, при различных входных напряжениях и длительностях цикла. Эти коэффициенты приведены в табл. 3. Двигатель АИУМ225М4 в режиме 84 при напряжениях и=0.8иН и при 1ц<2мин можно эксплуатировать только при пониженных нагрузках.
Т аблица 3
Значения коэффициентов нагрузки р, при которых температура в узлах АД АИ-УМ225М4 не превышает допустимую, при входных напряжениях И=ИН, И=0.9ИН,
и=0.8иН и различных длительностях цикла
и Значения р, при которых температура в узлах АД АИ-УМ225М4 не превышает допустимую
1ц=10 мин 1ц=5 мин ІЦ-3 мин 1ц-2 мин 1ц=1 мин 1ц=0.5 мин
И=Ин 1 1 1 1 0,85 0,6
И=0,9ИН 1 1 1 0,77 0,62 0,5
И=0,8ИН 0,65 0,6 0,57 0,53 0,45 0,32
Из всего вышеизложенного следует: наиболее нагретым узлом в повторно кратковременном режиме с частыми пусками является ротор; в режиме 84 при понижении и и уменьшении 1ц температура в статоре и роторе короткозамкнутого двигателя увеличивается; при 1ц>2мин при напряжениях ИН и 0.9ИН температура в статоре и роторе не превышает допустимую, при И=0,8ИН температура в узлах АД выше допустимой и для обеспечения безаварийной работы АД нужно снизить нагрузку даже при номинальном напряжении.
Данная модель позволяет исследовать тепловое состояние АД при различных входных напряжениях и нагрузках в различных режимах работы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бурковский А. И., Ковалёв Е. Б., Коробов В. К. Нагрев и охлаждение электродвигателей взрывонепроницаемого исполнения. М.: Энергия, 1970. 184с.
2. Захарченко П. И., Федоров М. М., Денник В. Ф., Алексеев Е. Р., Карась С. В. Система автоматизированных испытаний и прогнозирования характеристик АД. Уголь Украины, 1998. №7. С. 45-48.
3. Федоров М. М., Алексеев Е. Р. Тепловое состояние асинхронных двигателей при изменении напряжения сети. Праці Донецького державного технічного університету. Серія “Електротехніка і енергетика”. Випуск 17, Донецьк. 2000. С. 82-86.
В.Ф. Гузик СТРУКТУРНО-ПРОЦЕДУРНАЯ СИСТЕМА МОДЕЛИРОВАНИЯ
Рассматриваются принципы структурного моделирования в приложении к моделированию сложных физических систем, особенности организации системы структурного моделирования, способы описания моделей и варианты представления исследуемых систем. Основное внимание уделяется особенностям реализации структурных принципов для моделирования многозвенных гибридных систем и электрических систем большой размерности.
