CC BY
3
Научная статья УДК 68-83
DOI: 10.14529/power230407
ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ СИНХРОННЫХ РЕАКТИВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Н. В. Савостеенко, [email protected] В. Ф. Бухтояров, [email protected] Д. Ю. Хрюкин, [email protected] В. А. Кушнарёв, [email protected]
Южно-Уральский государственный университет, Челябинск, Россия
Аннотация. Для обеспечения быстродействия в работе электромеханических преобразователей на сегодняшний день предпринято различное множество решений, как аппаратных, так и технических. Так для решения эффективной работы стана холодной прокатки ХТП-450 принято решение использовать СРМНВ с зубчатым ротором. Цель данной статьи рассмотреть альтернативу представленному ротору в качестве неявнополюс-ного ротора типа TLA. Для сравнения и выявление оптимальной геометрии в статье представлены несколько решений ротора, проведены необходимые исследования в статическом режиме при различной плотности тока: 4 и 6 А/мм2 . Результатом исследований представлена таблица со значениями моментов для каждого исполнения, дана оценка и соответствующие рекомендации по применению.
Ключевые слова: синхронный реактивный двигатель, стан холодной прокатки, неявнополюсный ротор, магнитная проницаемость
Благодарности. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-29-20145, https://rscf.ru/project/22-29-20145/.
Для цитирования: Параметрическая оптимизация синхронных реактивных электрических машин / Н. В. Савостеенко, В. Ф. Бухтояров, Д.Ю. Хрюкин, В. А. Кушнарёв // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2023. Т. 23, № 4. С. 66-70. DOI: 10.14529/power230407
Original article
DOI: 10.14529/power240107
PARAMETRIC OPTIMIZATION OF FIELD REGULATED RELUCTANCE MACHINE
N. V. Savosteenko, [email protected] V. F. Bukhtoyarov, [email protected] D. Yu. Khryukin, [email protected] V. A. Kushnarev, [email protected] South Ural State University, Chelyabinsk, Russia
Abstract. To ensure speed in the operation of electromechanical converters, today a variety of solutions have been taken, both hardware and technical. So, to solve the efficient operation of the cold rolling mill KhTP-450, it was decided to use the SRMNV with a gear rotor. The purpose of this article is to consider an alternative to the presented rotor as a non-salient pole rotor of the TLA type. For comparison and identification of optimal geometry, the article presents several rotor solutions; the necessary studies were carried out in static mode at different current densities: 4 and 6 A/mm2. The result of the research is a table with the values of the moments for each design, an assessment and corresponding recommendations for use are given.
Keywords: synchronous reluctance motor, cold rolling mill, non-salient pole rotor, magnetic permeability
Acknowledgments. The study was supported by the Russian Science Foundation grant No. 22-29-20145, https://rscf.ru/project/22-29-20145.
For citation: Savosteenko N.V., Bukhtoyarov V. F., Khriukin D. Yu., Kushnarev V. A., Parametric optimization of field regulated reluctance machine. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering. 2023;23(4):66-70. (In Russ.) DOI: 10.14529/power230407
Введение
Говоря об усовершенствовании электромеханических преобразователей необходимо отметить быстродействие системы. В частности это относится к созданию «именных» машин, которые
произведены для конкретных промышленных механизмов. Так как одни из них относится главных привод стана холодной прокатки ХПТ-450.
Многие авторы, затрагивающие проблему данного агрегата, сходятся в необходимости уве-
© Савостеенко Н. В., Бухтояров В. Ф., Хрюкин Д. Ю., Кушнарев В.А. 2023
Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering. 2023, vol. 23, no. 4, pp. 66-70
ISSN 1990-8512 (Print) ISSN 2409-1057 (Online)
Максимов Н. М., Головань И. Н., Кушнарёв В. А., Бухтояров В. Ф.
Повышение энергоэффективности асинхронной электрической машины за счет оптимизации удельных показателей
личения энергоэффективности электропривода. Так как от этого зависит не только скорость производства бесшовных труб, а также качество проката. Лучшим выбором является использование синхронной реактивной машины с независимым возбуждением (СРМНВ), которая умеет высокие удельные показатели. Представленными исследованиями занимались авторы Усынин. Ю.С., Григорьев М.А., Белоусов Е.В., Виноградов К.М. и т.д. [1-4]. Главной идеей является увеличение быстродействия системы для увеличения высокого позиционирования с обеспечением высокого крутящего момента, превышающего 3-4 номинала. Авторами достигнуты решения по уменьшению числа механических передач, для достижения динамических нагрузок, а также оптимизировать СРМНВ для улучшения удельных массогабаритных показателей. Полученные результаты позитивно повлияли на работы стана холодной прокатки, увеличив качество продукции, а также уменьшив количество остановов и аварии оборудования.
В СРМНВ используется зубчатый ротор, представляющий из себя простую металлическую «болванку» из электротехнической стали. Данная конструкция проста и способна выдерживать высокую нагрузку. Однако, необходимо учесть и минусы данной конструкции, а именно высокая амплитуда пульсация. Авторами [2,3,5,6] предложено решение использовать многофазную статорную обмотку и изменить геометрию фазного напряжения для изменения формы магнитного поля.
Использование неявнополюсного ротора в синхронной реактивной машине (СРМ) могло бы решить проблемы с пульсациями электромагнитного момента, а также уменьшить зазор между статором и ротором. На данный момент существу-
ет два типа неявнополюсного ротора: TLA и ALA. В свою очередь ALA ротор имеют высокую магнитную проницаемость, однако его применение ограничено механической прочностью, ввиду конструктивных особенностей. Поэтому предпочтение отдается TLA ротору, выполненному из анизотропной стали для увеличения эффекта магнитной проницаемости.
Посторенние и исследование математической модели СРМ
Для проведения исследования по достижению эффективной геометрии ротора для СРМ в программе ANSYS Maxwell 2D спроектированы несколько математических моделей электрических двигателей с разной геометрией роторов. (рис. 1). За основу приняты размеры статора асинхронного двигателя с техническими характеристиками, представленными в таблице 1.
Таблица 1
Технические параметры исследуемого электрического двигателя
Table 1
Technical parameters of the electric motor under study
Параметр Значение
Мощность, кВт 315
Номинальное напряжение, В 660
Частота 40
Номинальный ток, А 320
Номинальная частота вращения, об/мин 1180
КПД 0,95
cosф 0,87
Для ротора подобрана специальная анизотропная электротехническая сталь на базе 2412 стали.
а) б) в)
Рис. 1. Варианты исполнения геометрии ротора СРМ а) «идеальный»; б) TLA-1; в) TLA-2 Fig. 1. SRM rotor geometry options a) "ideal"; b) TLA-1; c) TLA-2
Рис. 2. Настройка характера кривой намагничивания электротехнической стали в зависимости от петли гистерезиса Fig. 2. Setting the nature of the magnetization curve of electrical steel depending on the hysteresis loop
С помощью изменения параметров материала, включающего изменения кривой намагничивания, задания анизотропии и потерь на перемагничива-ние и гистерезис (рис.2) позволяет в широком спектре рассмотреть картину переходных процессов магнитной индукции и напряженности.
Одним распространенным методом оптимизации является параметрических анализ, позволяющий варьировать пользовательский параметр в определенной области данных. В этом случае можно определить оптимальное отношение варьируемого параметра к электромагнитному параметру машины. В качестве изменяемого параметра выбрана толщина немагнитопроводящего зазора ротора, а также расстояние между ними. Для идеального ротора характерна минимальная толщина зазора, при условии, что в этом промежутки проводимость ровняется 0. В реальности этого добиться весьма сложно и это свойственно для конструкции ALA ротора.
Следующим этапом проведен анализ эффективности работы электрического двигателя для каждого исполнения геометрии ротора. Собраны
данные о протекании магнитной индукции по всей окружности ротора для выявления отношения Ld/Lq, которое свидетельствует о максимальном электромагнитном моменте, создаваемым двигателем.
Одним распространенным методом оптимизации является параметрических анализ, позволяющий варьировать пользовательский параметр в определенной области данных. В этом случае можно определить оптимальное отношение варьируемого параметра к электромагнитному параметру машины. В качестве изменяемого параметра выбрана толщина немагнитопроводящего зазора ротора, а также расстояние между ними. Для идеального ротора характерна минимальная толщина зазора, при условии, что в этом промежутки проводимость ровняется 0. В реальности этого добиться весьма сложно и это свойственно для конструкции ALA ротора.
Следующим этапом проведен анализ эффективности работы электрического двигателя для каждого исполнения геометрии ротора. Собраны
Полученные данных исследования СРМНВ для разной геометрии ротора Obtained data from the study of SRMNV for different rotor geometries
Таблица 2 Table 2
Тип ротора Мср, кНм Ммакс, кНм М30 град., кНм Мср, кНм Ммакс, кНм М30 град., кНм
Плотность тока, А/мм2 4 6
FRRM Ideal 2,23 4,625 3,245 3,33 7,26 5,21
FRRM TLA-1 1,64 3 2,12 2,385 4,34 3,125
FRRM_TLA-2 1,35 2,61 1,78 1,98 3,54 2,79
Максимов Н. М., Головань И. Н., Кушнарёв В. А., Бухтояров В. Ф.
Повышение энергоэффективности асинхронной электрической машины за счет оптимизации удельных показателей
данные о протекании магнитнои индукции по всей окружности ротора для выявления отношения Ld/Lq, которое свидетельствует о максимальном электромагнитном моменте, создаваемым двигателем.
В результате получили, что ротор типа ALA имеет на порядок выше отношение Ld/Lq, чем тип TLA. Однако отмечено, что конструкция ALA ротора ненадежна, ввиду конструктивного исполнения. Таким образом, принял-то использовать ротор типа TLA, с оптимизированной геометрией под максимальный момент.
Вывод
Исследования показали, наличие у ротора прямоугольной формы геометрии негативно влияет на магнитную проницаемость ротора. Разница в процентном соотношении от «идеальной» геометрии ротора составляет порядка 40% при среднеквадратичном моменте и от 43 до 51% при максимальном в зависимости от плотности тока. Также стоит отметить уменьшение отношения между средним и максимальным значением момента при увеличении плотности тока. Это может говорить о снижении амплитуды пульсаций электромагнит-
ного момента, однако данную теорию необходимо проверить в динамике.
Говоря о геометрии ротора представленной под ТЬА-1, выявлено отличие от «идеальной» геометрии на 26-28% для среднеквадратичного момента и 35-40% для максимального. Отношение среднеквадратичного момента к максимальному составляет от 1,8 до 1,9 при разных значениях плотности тока, что говорит о равномерной работе двигателя. Таким образом, использование более сглаженной формы немагнитного материала, позволяет достичь лучших удельных показателей. Уменьшение толщины «барьеров» не дает нужного эффекта, как в случае с «идеальным» ротором, так как воздух, заполняющий данные промежутки, при уменьшении зазора может пропускать магнитную индукцию в поперечном направлении, что не допустимо.
Исходя из условий механической надежности ротора при воздействии динамических и центробежных усилий, необходимо обеспечить толщину перемычки от края наружного диаметра до начала воздушной диамагнитной вставки не менее 3,5 мм.
Список литературы
1. Горожанкин, А. Н. особенности синтеза синхронных реактивных и индукторных электрических машин / А. Н. Горожанкин, А. В. Коржов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. 2022. Т. 22, № 2. С. 81-91. DOI 10.14529/power220208.
2. Усынин Ю. С., Григорьев М. А. Тепловая модель электрической машины прокатного стана. Электротехника. 2022. № 2. С. 12-16. DOI 10.53891/00135860_2022_2_12.
3. Белоусов Е. В., Григорьев М. А., Хрюкин Д. Ю. Электропривод системы верхнего привода буровой установки. Электротехника. 2022. № 2. С. 17-21. DOI 10.53891/00135860_2022_2_17.
4. Оптимизация функции управляющего воздействия для электропривода с синхронной реактивной машиной с независимым управлением по каналу возбуждения / К. М. Виноградов, Е. В. Белоусов, Д. А. Сычев [и др.] // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. 2016. Т. 16, № 2. С. 30-34. DOI 10.14529/power160204.
5. Оптимизация электроприводов переменного тока промышленных механизмов / Д. Ю. Хрюкин, Е. М. Тулегенов, К. Д. Семенова [и др.] // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. - 2022. - Т. 22, № 4. - С. 53-59. - DOI 10.14529/power220406
6. Разработка синхронной реактивной машины с высокими удельными показателями для промышленных электроприводов / Н. В. Савостеенко, Н. М. Максимов, М. С. Благов, А. Е. Посаднов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. - 2022. - Т. 22, № 4. - С. 60-66. -DOI 10.14529/power220407.
References
1. Gorozhankin A.N., Korzhov A.V. Features of synthesis of synchronous reluctance and inductor electric machines. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering. 2022;22(2):81-91. (In Russ.) DOI: 10.14529/power220208
2. Usynin, Y.S., Grigoriev, M.A. A Thermal Model of an Electric Rolling-Mill Machine. Russ. Electr. Engin. 2022;93:71-75. DOI: 10.3103/S1068371222020146
3. Belousov, E.V., Grigorev, M.A., Khryukin, D.Y. An Electric Drive for a Drilling-Rig Top-Drive System. Russ. Electr. Engin. 2022;93:76-80 (2022). DOI:10.3103/S1068371222020031
4. Vinogradov K.M., Belousov E.V., Sychev D.A., Naumovich N.I., Khayatov E.S., Gryzlov A.A. Optimization of Control Action Function for Electric Drive with Field Regulated Reluctance Machine. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering, 2016;16(2):30-34. (in Russ.) DOI: 10.14529/power160204
5. Optimization of AC electric drives of industrial mechanisms / D. Yu. Khryukin, E. M. Tulegenov, K. D. Semenova [etc.] // Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering. - 2022. - T. 22, No. 4. - P. 53-59. - DOI 10.14529/power220406
6. Development of a synchronous reluctance machine with high specific performance for industrial electric drives / N.V. Savosteenko, N.M. Maksimov, M.S. Blagov, A.E. Posadnov // Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering. - 2022. - T. 22, No. 4. - P. 60-66. - DOI 10.14529/power220407
Информация об авторах
Савостеенко Никита Вадимович, старший преподаватель, кафедра электропривода, мехатроники и электромеханики, Южно-Уральский государственный университет, Челябинск, Россия; savosteenkonv@ susu.ru.
Бухтояров Василий Федорович, доктор технических наук, профессор, Южно-Уральский государственный университет, Челябинск, Россия; [email protected]
Хрюкин Дмитрий Юрьевич, аспирант, кафедра электропривода, мехатроники и электромеханики, Южно-Уральский государственный университет, Челябинск, Россия; [email protected]
Кушнарев Виктор Александрович, студент, кафедра техники, технологий и строительства, ЮжноУральский государственный университет, Челябинск, Россия; [email protected].
Information about the authors
Nikita V. Savosteenko, Senior Lecturer, Department of Electric Drive and Mechatronics, South Ural State University, Chelyabinsk, Russia; [email protected].
Vasiliy F. Bukhtoyarov, Dr. of Tech. Sc., Prof., South Ural State University, Chelyabinsk, Russia; bvf@chelkom. ru
Dmitry Yu. Khriukin, Postgraduate Student, Department of Electric Drive and Mechatronics, South Ural State University, Chelyabinsk, Russia; [email protected].
Victor A. Kushnarev, Bachelor Student, Department of Engineering, technology and construction, South Ural State University, Chelyabinsk, Russia; [email protected]
Статья поступила в редакцию 20.09.2023; одобрена после рецензирования 15.10.2023; принята к публикации 15.10.2023.
The article was submitted 20.09.2023; approved after review 15.10.2023; accepted for publication 15.10.2023.
